中外电网发展基础认识

引言

传统能源日渐短缺和环境污染问题日益严重是人类社会持续发展所面临的******挑战。为解决能源危机和环境问题，能效技术、可再生能源技术、新型交通技术等各种低碳技术快速发展，并将得到大规模应用。各种低碳技术的大规模应用主要集中在可再生能源发电和终端用户方面，使传统电网的发电侧和用户侧特性发生了重大改变，并给输、网的发展和安全运行带来了新的挑战。在这样的发展背景下，电网的概念应运而生，并在全球范围内得到广泛认同，成为世界电力工业的共同发展趋势。

2009 年以来，欧盟、美国、中国及其他一些国家根据本地区的现有条件及需求，都制定了各自的电网发展路线，并启动了研发和示范项目。3 年过去了，电网发展已步入关键时期。欧美国家在政府资金支持下开展的研发和示范项目大部分已完成，需要总结成熟技术、提出合理的市场机制和商业模式，建立各方普遍认可的标准体系，以激励电力公司和其他私有资金投入以及用户的积极参与，为电网技术的大范围推广实施扫清障碍。中国国家电网公司也有计划地部署了一大批研究和工程示范项目，一些成熟的技术目前已进入全面推广阶段，而部分需要国家政策支持、尚缺乏适宜商业模式的技术，如电动汽车充放电技术、家居/楼宇/园区等，则依然停留在示范工程，技术推广条件尚不成熟。

在这个关键时期，各国间的交流、合作显得尤为重要。共享经验教训，加强技术协作，共同参与制定国际标准，实现各自的电网发展目标，是规避技术风险、降低早期投资风险的有效途径，也是经济全球化背景下各主要国家的理性选择。例如，欧盟联合研究中心(EU Joint Research Center，EU JRC)和美国能源部(Department of Energy，DOE)在 2012 年合作开展了欧美电网对比研究双方从电网的定义、概念模型、电网发展驱动力、示范工程项目实施情况以及评估方法等多个方面进行了细致比对。在标准制定方面，欧美之间、美韩之间的合作起步早、沟通频繁、联系紧密。

中国作为发展中国家，能源资源分布广但不均匀，新能源资源丰富地区远离负荷中心，电力需求总量大且持续增长，电网仍处于保障供电需求的快速发展过程中，电力市场机制和用户特点也独具特色，在这种条件下发展新能源及电网，必然出现中国电网的发展模式和技术路线与欧美存在较大差异的现象。在电网概念和形态尚无定论的情况下，未来几十年，中国应采用与欧美相类似的电网建设模式，抑或独辟蹊径建成具有中国特色的电网？何去何从，需要不断地思考并进行深入研究。国家电网公司在开展电网研究和工程建设的同时，高度重视国际交流合作，曾组织科研单位开展了中外电网对比研究，并安排专业科研团队持续跟踪研究欧美电网的发展状况。

1 电网发展背景、环境和基础

传统能源日益短缺和环境污染日趋严重等问题使得世界各国纷纷大力发展环境友好的新能源，以减少对传统能源的依赖性，减少因能源需求对环境的污染，确保社会和经济的可持续发展。风能及太阳能是公认的可规模化开发和利用的一类新能源。然而，由于以风能及太阳能为代表的新能源具有随机性和间歇性特征，大量新能源电力集中或分布接入电网，必然会对传统电力系统的安全性及可靠性产生各种不利影响。传统电力系统结构仅适用于接入具有可控且集中发电特征的电源，并经过输电及环节将电力从电源端输送到终端负荷用户。大量新能源电力集中或分布接入电网后，其具有的随机性和间歇性特征导致新能源电力的不可控性及波动性，从而使得传统电力系统无法适应大量新能源接入的需求。电网只有具有化后，才能满足大量新能源集中或分布式接入的需要，并确保系统的安全性及可靠性需求。由此提出了从传统电网转变为电网的需求。可见，中美欧三方发展电网的大背景是基本相同的。

然而，由于各国的内部环境及已有电网基础条件并不相同，导致电网发展的工作重点、发展路径必然不同。中美欧电网的内部发展环境和已有电网基础条件对比情况如表 1 所示。由表 1 可知，中美欧在电网发展的组织方式和激励机制、相关的监管和电价机制、用户特点、能源结构和分布形式、电网发展状况、电力工业的管理模式等方面均存在差异，相对而言，美欧之间差异较小，中国与欧美差异较大。发展环境和基础不同是造成中美欧电网发展存在差异的根本原因。

2 对电网的理解

2.1 定义

目前国际范围尚未形成统一的电网定义。

国际组织和一些国家性组织从电网采用的主要技术和具有的主要特性的角度对其进行了描述。

欧盟电网特别工作组描述的电网是：可以化地集成所有接于其中的用户——电力生产者(producer)、消费者(consumer)和产消合一者(prosumer)——的行为和行动，保证电力供应的可持续性、经济性和安全性。

美国能源部在其研究报告中将电网描述为：电网利用数字化技术改进电力系统的可靠性、安全性和运行效率，此处的电力系统涵盖大规模发电到输网再到电力消费者，包括正在快速发展的分布式发电和分布式储能。

中国国家电网公司将其提出的坚强电网描述为：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、、用电和调度六大环节，涵盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动内涵的现代电网。

从三方对电网的描述可以看出：美国强调了数字化技术在电网中的重要作用，认为现代数字化技术和新能源技术的结合是电网发展的动力，也是带动新型产业发展、增加就业的机遇，而这正是美国发展电网的驱动力之一；欧洲主要强调了对 Prosumer 的服务和管理，原因在于欧洲分布式能源和电动汽车发展迅速，网面临巨大的压力和挑战，这是欧洲发展电网的***主要驱动力之一。中国由于电力工业仍处在快速发展时期，国家电网公司强调在增强电网化水平的同时，需要建设坚强的输电网，并强调各级电网协调发展。关于电网性能的描述，三方基观点相近，建设经济、环保、安全、高效的新型电网，是中美欧发展电网的共同追求。

2.2 电网的主要特征

综合国内外研究，电网的主要特征可归结为灵活性、可观测性和可控性、互操作性三个方面。

1）灵活性。

灵活性是指系统功率/负荷发生较快的变化、造成较大功率不平衡时，通过调整发电或电力消费保持可靠供电的能力。功率的不平衡可能由负荷变化而引起，也可能由间歇式能源发电功率的改变而引起。为系统提供灵活性的系统/设备称为灵活源，而在生产或消费电力时具有随机性，难以控制的系统/设备则称为不可控源。

传统电网中灵活源主要来自发电侧，不可控源主要来自用户侧；电力由发电—输电——用电单向流动。电网中，灵活源和不可控源种类更多，分布更加复杂，需求侧包含了更多的灵活源，而发电侧的不可控性增大。图 1 直观描述了接入输电网和网的灵活源、不可控源以及电网中的电力流方向。

2）可观测性和可控性。

电网连接着众多的不可控源和灵活源，必须对这些灵活源进行有效的观测和控制，才能实时跟踪不可控源的变化，保证电力和负荷的平衡；同时，间歇式能源、分布式能源的大规模并网，加剧了电网面临的不确定性，而随着社会的发展，输电走廊的获取难度加大，为了提高电网的利用率，电网更多地运行在临界稳定运行状态，加大了电网的安全稳定风险。为了保持电网的安全稳定性，需要进一步提高电网的可观测性和可控性。

基于 WAMS 的监控系统将对大电网的运行状况进行监测控制，依靠传感技术的动态定容技术使输电线路的利用率得以提高；通过 FACTS 技术和高压直流技术，可提高输电线路的可控性。这些主流技术都是以提高电网可观测性和可控性为目的。

3）互操作性。

提高电网的灵活性、可观测性和可控性，离不开先进的传感技术和自动化技术，需要以先进的信息通信技术 (information communicationtechnologies，ICT)作为支撑。普遍认为，电网是现代信息通信技术、传感技术、控制技术和电力技术的完美结合体。电网的建设不是推倒一切重来，而是在已有设施基础上的扩展和升级。新技术、新设备的应用需要与现有系统、设备实现集成，并满足互操作性。

互操作性是指保证 2 个或更多网络、系统、设备、应用或元件之间相互通信以及在不需要过多人工介入即可有效、安全、协调运行的能力。复杂的大型集成系统由不同的互操作层组成，美国互操作论坛(Smart Grid Interoperability Panel，SGIP) 下设的电网架构委员会 (Smart Grid Architecture Council，SGAC)认为，电网需在多个层级上满足互操作性要求，才能满足电网的各种互动与交易需求。例如，物理设备层与用于编码及数据传输的软件等非常简单的功能，一般定义在******层。通信协议及应用定义在次高层，******层用于商业功能定义。鉴于功能的复杂性与日俱增，电网需要在更多层级上实现***终互操作性的目标要求。每一层通常倚赖于其下的多个层次才能得以实现。

3 电网技术体系

此处所说的技术体系由技术领域构成，只包括目前正在研发、示范、正在或即将推广应用的一般性技术。

美国能源部可再生能源技术实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)和美国标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)提出电网的技术体系包括如下关键技术领域：广域监控技术、可再生能源和分布式能源并网技术、信息通信技术、先进的输电技术、管理(distribution management)、高级自动化技术(advanced distribution automation)、高级量测体系(Advanced Measurement Infrastructure，AMI)、电动汽车充放电技术和用户侧系统。

由欧盟电网项目实施情况看，欧盟正在研发和示范的电网技术涉及如下技术领域：输电系统自动化、自动化、储能技术、AMI、需求响应、电动汽车、能源综合利用。

中国国家电网公司提出的电网技术领域更为广泛，覆盖发电、输电、变电、、用电、调度 6 个环节和信息通信平台，包括新能源和分布式能源并网技术、先进的输电技术(特高压、直流输电、FACTS 技术)、输变电设备状态监控技术、乌鲁木齐变压器技术、调度技术、自动化、电动汽车充放电、互动服务、用户用电信息采集系统、家居/楼宇/园区、信息与通信技术等二十多个技术领域。

总的来看，欧美提出的电网技术体系基本相同，以配用电侧的技术为主，同时涵盖提高发输电系统可观测、可控性的先进输电技术、广域监控技术和其他自动化技术。在配用电侧，借助 AMI技术，配合相应的市场机制，将用户侧的分布式能源、电动汽车和用电设备集成在一起，实现需求响应，由此构成的配用电技术是电网技术示范和部署的重点。

国家电网公司在发输电系统的技术与欧美差别不大，但在配用电侧特别是用户侧存在较大差异，不仅技术领域的名称不同，技术内涵和解决方案也有很大差别，由于相适应的市场机制尚未形成，中国实施用电技术的条件不够成熟，难以支持系统和用户侧系统的有效集成。