作者：肖立业
出版社：机械工业出版社
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中国战略性新兴产业研究与发展·智能电网试读：
前言
当今电网是经历了100多年才逐渐发展起来的，其基本形态没有根本性的变化，即电网以传统电力设备为网架基础、以可调度能源（如化石能源、水力和核能等）作为电力的主要一次能源和以交流为运行模式的基本形态没有发生根本性的变化。然而，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。以我国为例，2012年，我国发电总装机容量已经接近12亿kW，年总发电量接近5万亿kW·h，我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，已经覆盖了全国大部分地区。
现有大电网存在以下几个方面的重大问题：①电网结构不尽合理；②随着电网规模的扩大，电网的安全稳定性问题和不可预知因素日益突出；③大容量远距离输电能力有待于进一步提升；④电能质量和电网运行效率有待于进一步提高。
然而，更为根本性的挑战来自于能源结构的重大调整。随着可再生能源越来越多地接入电网，将对电网带来一系列新的严峻挑战，这主要是由可再生能源的特点决定的。主要挑战包括以下几个方面：①由于电力资源与负荷地理分布不一致，远距离输电和区域电网互联的大电网架构不会改变，且由于能源结构调整，电力在终端能源消费结构中所占比例将越来越大，电网的规模将进一步扩大。同时，可再生能源具有波动性和间歇性的特点。因此，如何维持电网的动态功率平衡和保障大电网安全稳定性将成为更为严峻的挑战；②由于太阳能和风能等可再生能源不能通过普通的交通工具输送，而只能通过电网输送，据预测，我国2050年将有大约6亿kW的电力需要从西部或北部向东部或南部输送，这对传统电力输送方式带来了很大的挑战；③由于可再生能源具有波动性和间歇性，使得电网中将出现功率的双向流动，合理地实现和控制功率的双向流动是十分必要的；④由于可再生能源具有分散性，因此分布式电网将会大量出现，实现分布式电网的大量接入以及电力用户和外部电网的供需互动将成为电网的新问题；⑤由于化石能源将逐渐被电能替代，电网中的负荷结构及其动态特性将发生重大变化，这对电网也将带来新的挑战；⑥与当今电网的一次能源资源结构相比，未来电网的一次能源具有多样性，其时空分布和电源动态特性也具有多样性，这对电网的运行也将带来新的挑战。
现有电网所存在的问题以及未来能源结构重大调整所带来的挑战，迫使人们去思考如何从整体上解决这些问题并应对未来的挑战，于是，智能电网的概念便应运而生。我们认为，智能电网的本质就是利用现代信息技术（如传感器及传感器网络、现代通信技术、超级计算与分布式计算等）、新型电力设备（如传统电力设备的数字化和智能化升级、电力电子器件及装备、超导电力装备等）、新材料技术（如储能材料、新型绝缘材料等）和新的电网结构模式（如可重构的网状结构和分布式电网等）等来运行和管理电网，使电网能够大规模地容纳可再生能源的接入，使电网中的各个环节（包括发电、输配电、储能、电力用户与分布式电网等）实现优化的自适应互动，并使电网更加高效、安全及可靠。由于能源结构将转变为以可再生能源为主，因而智能电网将是未来能源生产、传输、分配和利用的主要载体。
智能电网涉及多学科领域，智能电网的建设需要大量新技术的支撑，发展智能电网将带动一批新兴技术和产业的形成和发展。因此，智能电网无疑将是我国战略性新兴产业的重要组成部分。着眼于智能电网技术及产业的发展，本书将系统地阐述智能电网所涉及的新技术及产业，在兼顾智能电网技术体系的整体性的同时，重点介绍各种新技术的原理、国内外发展现状与未来发展前景，并给出了各技术领域的发展路线图。同时，结合国际国内形势提出相关建议与对策。
作为未来能源体系的主要组成部分，智能电网也将可能通过物联网技术与能源系统的其他组成部分（如燃气网和热力网等）构成一个统一的整体，并实现整个能源体系的优化及供需互动，从而形成智能能源网。因此，本书最后部分阐述了智能能源网的概念及其发展前景，并提出了我国智能能源网的发展政策建议。
全书共12章。参加各章编写的人员如下：第1章，肖立业；第2章，夏善红、韩立、陈贤祥、郑凤杰、任仁；第3章，毕天姝、陆超、薛安成；第4章，刘建明、赵丙镇、杨猛；第5章，齐智平、鲁宗相、周龙、邓卫；第6章，欧阳红、赵丙镇、王丽芳；第7章，李耀华、徐德鸿、肖湘宁、王正仕；第8章，廖瑞金、荣命哲、张国强、王有元、杜林、周湶、张晓星；第9章，来小康、屈慧、王松岑、齐智平；第10章，肖立业、林良真、戴少涛；第11章，裴玮；第12章，武建东。杜永红和秦洁为本书的文字编辑做了大量工作，杨哲在本书编写过程中做了大量的联络和组织工作。
希望本书的出版能够为我国智能电网的发展贡献微薄之力。本书可作为智能电网技术研究开发人员和相关专业学生的参考书，也可以为政策制定、企业发展等提供帮助。
本书涉及面广，且由多位作者共同完成，因此各章写作风格也有所差异，写作中也难以避免错误及疏漏，请各位读者包涵并批评指正。2013年4月11日编写说明《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》确定了我国未来经济社会发展的战略重点和方向是战略性新兴产业,并且根据我国国情和科技、产业基础，又制定出现阶段重点发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车七大新兴产业。可见，未来5～10年七大战略性新兴产业将是国家重点支持、大力推广的产业。
为了使大家全面理解、准确把握、深刻领会国家这一战略决定的精神实质，了解其发展内涵，推动产业结构升级和经济发展方式转变,增强国际竞争优势,抢占新一轮经济和科技制高点，机械工业出版社在国家出版基金的支持下，组织各领域权威专家编写了一套《中国战略性新兴产业研究与发展》（以下简称《研究与发展》）图书。《研究与发展》以国家相关发展政策和规划为基础，借鉴国外相关产业发展的成功经验，对产业发展思路、发展目标、发展战略、发展重点、投资方向、政策建议等方面进行了全面、系统的研究；对前瞻性、基础性和目前产业上有瓶颈限制的问题提出了有针对性的对策。《研究与发展》采用分期分批的出版方式陆续出版发行，第一期出版的分册包括太阳能、风能、生物质能、智能电网、新能源汽车、轨道交通、工程机械、水电设备、农业机械、数控机床、轴承和齿轮。今后根据国家产业政策要求及各行业的发展情况还将陆续推出其他分册。
为了出版好《研究与发展》，机械工业出版社成立了《中国战略性新兴产业研究与发展》编委会，全国人大常委会路甬祥副委员长担任编委会主任。路甬祥副委员长对该套图书的编写高度重视，亲自参加编委研讨会，多次提出重要指导意见。他从图书的定位、内容选材、作者队伍建设和运作流程等方面都给予了全面和具体的指导，并提出了“六个特点”和“四性”的具体要求。
机械工业出版社还建立了完善的项目管理、编写组织、出版规范和网络支撑四个方面的工作体系来保证图书质量。各组编单位投入了大量的精力组织行业权威专家规划内容结构、研讨内容特色；参与图书编写的主创人员也不计报酬，自觉自愿地把自己的聪明才智和研究成果奉献给社会，奉献给国家。他们都担负着繁重的科研、教学、行业管理或生产任务，为了使此书能够早日与大家见面，他们不辞辛苦、加班加点。因为他们都有一个共同心愿——帮助企业快速成长，使中国由大变强。
在此，衷心地感谢为此项工作付出大量心血的组编单位、各位专家、各位撰稿人、编辑出版及工作人员！
尽管我们做了大量工作，付出了巨大努力，但仍难免有疏漏或错误之处，敬请读者批评指正！《中国战略性新兴产业研究与发展》编辑部2012年6月第1章 智能电网概论
谈到智能电网，大家首先关注的最重要、最基本的问题是：为什么需要发展智能电网？智能电网的内涵及发展目标是什么？智能电网会涉及哪些技术及产业领域？国内外智能电网技术与产业发展状况如何？智能电网未来发展方向是什么？我国应该如何发展智能电网？本章将就上述问题进行阐述，使读者对智能电网有一个总体上的认识。1.1 智能电网的发展背景
我们都知道，电网是用来输送和配置电力的。当前，电力占人类终端能源需求的比例已经达到了25%～30%，电网是现代能源体系的重要组成部分。因此，要回答为什么要发展智能电网的问题，首先必须对能源和电网的发展历史和未来趋势有一个基本的了解和认识。
1.1.1 人类利用能源的历史与发展趋势（1）可再生能源时代V1.0 追溯历史，人类首先使用的主要能源是可再生能源。在古代，人类使用柴薪或木炭（按现在的说法，它是生物质能源的一种）作为最基本的能源，用于加热食物、取暖和冶炼等。后来，人类发明了使用风力的风车。中国使用风车的历史很早，在辽阳三道壕东汉晚期的汉墓壁画上，就画有风车的图案，明代已经开始应用风力来驱动水车以灌溉农田。19世纪的欧洲和美国，风车的使用达到全盛时期。据记载，当时仅荷兰就有一万多架风车，而美国农村更有多达一百多万架风车。目前，在一些动力资源缺乏和交通不便的草原牧区、沿海岛屿，仍然用风车来取得动力。图1-1显示的是目前仍然在使用的丹麦西海岸法诺岛上的荷兰型风车。同时，人类也发明了利用水力进行提水用的水车。我国利用水车进行引水灌溉的历史也有一千多年了。图1-2显示的是一种现在仍然在黄河流域地区使用的水车。自古以来，人类就懂得以阳光晒干物品作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在农耕社会，畜力的使用更为普遍，如用于耕田和交通运输等。在近代煤炭和石油被广泛使用以前，人类使用的能源主要来自生物质能、风能、水能、太阳能、畜力能等可再生能源。
因此，人类使用的第一代能源是可再生能源，只不过这些能源未被转化而直接利用了。从能源使用的角度来划分，可以把近代工业革命之前的时代称为可再生能源时代V1.0。图1-1 丹麦西海岸法诺岛上的荷兰型风车图1-2 在黄河流域地区使用的水车（2）化石能源时代 在大约两千多年前人类就发现并开采利用煤炭，主要用于取暖和加热食物。由于木柴或木炭容易获取且足够使用，煤炭的利用一直不受重视。18世纪初，受炼铁和冶金的需求驱动，煤炭的利用开始受到重视。在此背景下，1769年，詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机，引发了人类历史上的第一次技术革命。由于蒸汽机需要高功率的热源，煤炭便成为最佳的选择。蒸汽机的发明，在很大程度上促进了工业的进步，同时也大大提高了煤炭在能源消费中的比重。1859年，美国打出了世界上第一口油井，揭开了石油规模开发利用的序幕。由于石油的发现，德国人奥拓于1876年发明了基于石油的内燃机。由于内燃机比蒸汽机具有多方面的优势，在许多领域开始取代蒸汽机，同时促进了汽车、飞机、坦克等新装备的发明。这些重大的发明创造，大大促进了工业社会的进步，同时也进一步增加了人类对石油的需求。20世纪50年代初，天然气开始得到规模的开采和利用。至此，人类能源需求的绝大部分来自以煤炭、石油和天然气为主的化石能源。
至今为止，化石能源仍是人类能源需求的最主要来源。2010年，全球一次能源消费中，石油、煤炭、天然气能源占比分别为33.6%、29.6%、23.8%，共占87.0%；核能占5.2%，水力占6.5%，太阳能与风能等可再生能源共占1.3%，2010年世界一次能源消费结构如图1-3所示。我国的能源消费结构中，煤炭仍然占有相当大的比重，以2007年为例，煤炭和石油能源在我国能源消费结构中占比很大，见表1-1和表1-2。受经济快速增长的需求驱动，近年来，虽然可再生能源和核能得到快速发展，但我国能源消费结构几乎没有改变。可以预计，化石能源在全球能源结构中的主导地位短期之内将不会改变。因此，将第一次工业革命至今乃至今后一段时期称为化石能源时代。尽管在这个时代，核能的利用是人类最伟大的成就之一，但其在能源中所占的比重还不足以使其成为一个时代的标志。图1-3 2010年世界一次能源消费结构表1-1 2007年我国部分一次能源消费结构资料来源：Bp世界能源统计年鉴（2008年6月）。表1-2 进入21世纪以来我国部分一次能源消费结构资料来源：Bp世界能源统计年鉴，2003—2008。（3）可再生能源时代V2.0 由于可开采的化石能源资源日益枯竭，且化石能源的大量使用造成了严重的环境问题，人类认识到必须进行能源结构的重大调整，人类必将螺旋上升式地回归到可再生能源时代。但是，人类利用可再生能源的方式将与可再生能源时代V1.0有根本性的不同，今后可再生能源的利用方式主要是发电，而终端能源将主要来自电力。原因主要有以下四个方面：
1）核能至少在今后五十年内还不具备条件成为主导能源。虽然核能具有较大的发展空间，但裂变能的原料与化石能源一样，属于有限资源，不可持续发展，且裂变能的利用存在安全风险，其废料处理成本也较高。为此，一些欧洲国家（如德国和瑞士等）已经推出了“弃核”计划。由于裂变能的利用涉及国际安全环境，核技术出口受到国际有关条约严格控制，因而目前只有为数不多的国家建设了核电站。尽管聚变能可满足人类长期发展需求，但其应用前景尚不明朗，国际热核聚变堆（ITER）计划到21世纪中叶才能建成首个示范电站。这里还要补充说明一下：暗能量是当前的学科前沿，但暗能量到底是什么、它是否可以被利用等仍然不清楚。即使可以利用，也是比较遥远的事情了。
2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，可开采量足够人类使用。以我国为例，我国技术上可开发的水电可达到5.4亿kW，10m高的陆上风电和海上风电可开采量可达到10亿kW，我国生物质能、地热能、海洋能等可再生能源也非常丰富。我国太阳能的可开采量更大，2假如将西部戈壁10万km的土地用于光伏发电，以太阳光辐射强度为21kW/m、年发电小时数为2 000h、光伏系统占空率为50%、光伏电池转化效率为20%来计算，则年总发电量将达到20万亿kW·h，大致相当于我国目前全年的能源消费总量，发展潜力巨大。
3）可再生能源目前已经得到很大的发展，其成本将很快降到与化石能源相当的水平。近些年来，欧洲、美国和我国等国家和地区的可再生能源发展十分迅速，年均装机容量增长速度超过了20%。2009年，欧盟国家新增的电力装机容量中，可再生能源发电装机容量已经占到了62%以上，超过了传统能源发电的新增装机容量。2012年，我国太阳能光伏发电总装机容量已经达到500万kW左右，风电总装机容量已经超过6 000万kW。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网。
4）国际共识认为，可再生能源今后会快速发展，将逐渐成为主导能源。2011年，欧洲可再生能源委员会发布了名为《Re-thinking 2050》（《重新审视2050》）的报告，报告预测：按照目前欧洲可再生能源的发展速度，到2020年，欧洲新增的电力装机容量将全部来自可再生能源；报告也勾画了到2050年实现100%可再生能源供应体系的路线图。2011年1月，德国环境咨询委员会提交了一份名为《建立一个100%的可再生能源电力系统》的报告。该报告认为：到2050年，德国电力100%由可再生能源供应是可能的。世界观察研究所的报告认为：到2050年，中国可再生能源将达到总能源需求的40%～45%。2012年年末，国际能源署（IEA）发布了《2012年世界能源展望》，对2035年前的全球能源趋势做出了预测：到2015年，可再生能源将成为全球第二大电力来源，并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发电量。欧共体联合研究中心预测认为：到2050年可再生能源将占总能源需求的52%，到2100年将占86%。欧共体联合研究中心对未来能源发展的预测如图1-4所示。图1-4 欧共体联合研究中心对未来能源发展的预测
综上所述，我们认为，人类即将迎来一个全新的能源时代——可再生能源时代V2.0。
1.1.2 电网的发展历史与未来变化态势
电力的发现和电网的发明是化石能源时代中一件意义重大的事件，它开辟了人类利用能源的全新方式。19世纪中期，随着电磁理论日益完善，发电机、电动机和电灯相继发明。1874年，人类在俄国彼得堡第一次实现了直流输电。1882年，爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站。1888年，克罗地亚人尼古拉·特斯拉在美国发明了三相感应电动机和交流电传输系统。从此，电力作为全新的能源利用方式很快得到广泛的应用和飞速的发展，电动机逐渐取代了传统的动力机械——蒸汽机和部分内燃机，人类社会正式开启了第二次工业革命的序幕。
自从有了发电站，便开始有了电网。广义的电网包括发电设备、输配电设备以及用电设备，也即电网就是从发电设备到用电设备的各个环节的统一整体（也可称为电力系统）。电网发展初期，发电机组的容量都比较小，电力需求量也比较小，因此电网的结构基本上是从电源到受电端（在这里，将一个负荷中心或一个供电区域称为一个受电端）的点对点的结构模式（简称P-C模式，见表1-3a）。随着发电机组和发电厂的容量不断扩大，以及集中资源向不同用户配置需求变化，出现了从电源到多个受电端的点对多点的结构模式（简称P-MC模式，见表1-3b）。随着电力需求量不断增大，人们对供电可靠性的要求越来越高，只依赖一个电源的电力供应已经无法满足受电端的需求，出现了多电源向一个受电端供电的多点对一点的结构模式（简称MP-C模式，见表1-3c）。伴随上述过程，输电容量和电压等级不断提高，输电距离不断增加。到20世纪50年代，电网的输电电压已经达到220kV，其单机容量达到10万kW左右，电网发展也达到了区域电网的规模。
随着经济的不断发展和技术的进步，人类对电力需求量日益增长，使得发电机组的单机容量越来越高（汽轮发电机组已经达到150万kW，水轮发电机组达到70万～80万kW），从而使得大型电站（主要包括水电站、火电站和核电站）的建设得到了飞速发展。由于供电可靠性和运营管理等多方面的需要，电网结构变得日益复杂，逐渐出现了多个电源通过枢纽变电站向多个受电端的环网进行供电的结构模式（即多点对多点的模式，简称MP-MC模式，见表1-3d），电网结构也就成了P-C、P-MC、MP-C、MP-MC四种基本模式的组合。与此同时，为了提高电网的效率并在更大范围内有效配置电力资源，远距离超高压乃至特高压输电（500～1 000kV）和区域电网间的互联逐步涌现，使电网发展成为今天覆盖广域范围的大规模电网。以我国为例，2012年，我国发电总装机容量已经接近12亿kW，年总发电量接近5万亿kW·h，我国电网基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，覆盖了全国大部分地区（除极少数边远和人口稀少地区外，西藏电网已于2011年实现与西北主网互联），成为世界最大的电网之一。表1-3 现有电网的四种基本结构模式
当前，虽然水电和核电得到了很大的发展，但电网中的电源主要依赖化石能源。2008年，全世界发电量中，煤电、油电和气电分别占41.0%、5.5%和21.3%，化石能源发电共占67.8%；而水电、核电分别占15.9%和13.5%，共占29.4%；其他可再生能源发电占2.8%。2010年，我国煤炭产量已经超过30亿t，主要用于发电，煤电占我国总发电量的比重超过了76%，我国的天然气发电和石油发电的比重很低。在美国，煤炭发电量（占总量的36%）和天然气发电量（占总量的29%）共达到65%。由此可见，无论是发达国家还是发展中国家，电力主要还是来自化石能源。
展望未来，电网将会出现以下几个方面的变化：
1）能源来源多样化，可再生能源将逐渐成为电力的主要来源。随着可再生能源的飞速发展，电网中的能源来源将从目前以化石能源为主，逐渐发展到可再生能源（如太阳能、水电、风能、生物质能、地热能、海洋能等）、化石能源（如煤炭、石油、天然气能）、核能等多种能源共存的局面，最终形成以可再生能源为主的格局，实现能源结构的重大调整。
2）电网的规模将大幅度扩大。首先，历史表明，随着一个国家的发达程度越来越高，电力在其终端能源消费结构中的比例越来越大。近十年来，我国几乎每年新增电力装机容量约1亿kW，相当于一个欧洲大国的总装机容量，电力已占终端消费能源的25%。预计到2025年，我国的发电装机容量将超过20亿kW，年发电量及其占终端消费能源的比重还将进一步提高。其次，由于可再生能源的主要利用方式是发电，能源结构的调整就意味着目前以化石能源为终端能源的设施（如汽车、内燃机车、冶炼、家庭烹饪及取暖等）将转而使用电能（如汽车将变成电动车），这种能源替代将从根本上促使发电量的大幅度增加。再次，能源资源特别是可再生能源资源和负荷资源的地理分布不均衡是一个基本现实。在人口稠密和负荷中心，能源资源往往稀少，而在人口稀少和工业欠发达地区，能源资源往往更加丰富。考虑到可再生能源的发展远景，在大范围内通过电网实现可再生能源资源的调配是不可避免的。周孝信院士等专家预测：到2050年，我国西部和北部地区向中部和东部送出的电力可望达到约6.0亿kW。由此可见，未来电网仍将保持跨区域互联大电网的总体格局。
3）分布式电网与大电网共存，电力用户将同时成为电力供应方。虽然未来电网仍将保持跨区域互联大电网的总体格局，但可再生能源是一种分散资源，靠近用户就地利用（如屋顶光伏、小水电、农村风电和沼气发电等分布式电源）也是未来可再生能源的重要利用形式。同时，为了保障供电的安全可靠性，一些重要用户会建立自身的分布式电源，以便在外部电网出现故障时能维持自身供电。此外，随着微型燃气轮机技术的发展，利用该技术的分布式热电联供系统还是提高能源利用效率的重要措施。为此，建立基于电力用户的分布式电网并实现其与大电网的互联是十分必要的。由于电力用户（如一个企业或一个园区）自身建立了配电网，因此分布式电网实际上就是分布式电源、配电网和用电设备通过合理的结构和运行控制及管理手段而形成的有机统一整体。美国、欧洲和日本等国家以及国际电工委员会（IEC）都已经制定了有关分布式电网与大电网互联的标准及技术导则。可以预见，随着可再生能源的飞速发展，将形成分布式电网与大电网平行发展、相互融合的局面。
由于可再生能源和用户用电需求是按照各自的方式变化的，当分布式电网发电多于其自身需求时，可以向外部电网提供电力。此外，电力用户自身建立的分布式储能系统或者电动汽车充电设施，也可以在外部电网有需求时或通过电力市场机制向外部电网提供电力。例如，用户可以在电价低的时候储存电力，而在电价高的时候向外部电网供应电力。因此，电力用户将可能通过分布式电网而同时成为电力供应方。
4）电力负荷构成及其特性将发生重要变化。当前，我国电网中的负荷结构占比大约为：电动机占65%，照明占15%、信息设备占10%、其他（主要是电化学、电镀电解和加热设备）10%。但是，随着能源结构的调整，电网中负荷构成及其特性会发生重要的变化。首先，电动车辆的动力电池将成为重要的负荷之一。如果按照2050年我国汽车保有量达到4亿辆计算，其中一半是电动汽车（2亿辆）。假设平均每辆汽车的电池充电一次可以使用4天，则每天有大约5 000万辆汽车需要充电，以平均充电功率为10kW计算，则新增电池负荷将达到5亿kW。其次，随着信息技术的不断发展和渗透，信息设备（如数据中心、计算机与微处理器、通信系统设备、智能终端、传感器与传感器网络等）将需要消耗更多的电力。例如，谷歌公司在Dalles的数据中心几乎消耗了附近一座180万kW水电站的大部分电力。中国工程院李国杰院士说，如果我们的计算技术没有根本性的改变，未来不久，超级计算和数据中心将成为最大的电力负荷，而信息产业也将成为高能耗产业之一。第三，随着半导体照明技术的不断发展，可以预见，未来的照明系统将全部采用半导体照明。无论是电动汽车动力电池，还是数据中心、超级计算和半导体照明，这些负荷最终都需要直流供电，其负荷特性与目前占电力负荷大部分份额的电动机的特性有显著的不同。
5）跨国电网将更加普遍。由于可再生能源具有良好的时空互补性，建立起跨国电网，更加有利于资源的互补与优化利用。例如，当我国处在白天的时候，太阳能资源充足，而欧洲大部分还处于晚上，太阳能资源缺少，因此可以由我国向欧洲提供部分电力，反之亦然。又如，风电资源在不同地区具有很好的空间互补性，不同地区的风电场的功率输出几乎不会同时处于最大值或者最小值，而是此消彼长，如果利用电网把这些不同地区的风电资源整合起来，则可以使广域内的风电输出整体上更加平滑，从而给电力调度带来很大的方便。由此可见，建立跨国电网是应对可再生能源规模化利用的重要手段，特别是一些国土面积较小的国家，更适合建立起跨国电网。事实上，欧洲已经提出一个覆盖欧洲全部、北非和阿拉伯国家的超级电网计划（Desertec），其目的就是整合广域范围内各种可再生能源资源的互补性，以更好地利用可再生能源发电。图1-5是2050年Desertec的总体构想图。图1-5 欧洲与北非超级电网构想（2050年）
1.1.3 现有电网存在的问题及未来挑战（1）现有电网存在的问题 受经济快速发展的需求驱动，我国过去十年的电力事业得到了飞速的发展。2003年，我国的电力总装机容量大约为3.5亿kW，到2012年年底已经达到了约12亿kW，这在世界电力发展史上是史无前例的。得益于这种后发优势，我国的电网建设采用了当今最先进的技术手段，总体上自动化和信息化程度比发达国家还要高。但无论是我国电网还是其他国家的电网，仍然普遍存在以下主要问题：
1）电网结构不尽合理。当今电网经历了大约100年的发展，在这个发展过程中，我们总是在过去的基础上不断叠加新的电源和负荷、不断叠加新的输配电线路和设施，新旧设施共存，而且输配电网的电压等级也发生了很大的变化——最高电压等级从半个世纪以前的110～220kV发展到今天的500～1 000kV，区域电网互联形成了现在的广域大电网。因此，可以设想一下：如果把当今电网中的电源和负荷全部留下，而把输配电设施全部除去，然后再重新用输配电设施将电源和负荷以最优的方式连接起来，那么这个最优的方案一定会与现存的方案有较大的差别。这种差别说明现有电网在结构上存在不合理的地方，但这不是电网设计的错误，而是长期发展导致的结果。此外，受电力设备安全稳定裕度的限制，在新增电源和负荷的情况下，原本合理的结构也不得不进行改造。例如，负荷中心的分区运行就是为了降低短路电流对电力设备的冲击而做出的妥协方案，但该方案却降低了供电的可靠性。
2）电网安全稳定性问题亟待解决。当今的电网是以交流为运行模式的电网（虽然目前电网中有部分直流输电线路，但最终都要转化为交流），所以电网存在安全稳定性问题，这是交流电网的固有问题。由于人类消费的能源越来越多地依赖电力，一旦失去电力供应，我们将无所适从甚至陷入混乱。因此，人类对电网安全稳定性的要求越来越高。2003年8月，美国和加拿大的大停电，使5 000万人在数天内失去电力供应，造成了大量的经济损失。2012年7月，印度大停电甚至使约6亿人在数天内失去电力供应，造成了很大的社会影响和经济损失。由此可见，提高交流电网的安全稳定性对于人类十分重要。然而，研究表明，随着现代输电网规模的不断扩大，事故引发大面积停电的威胁在不断增加，稳定性问题已经成为制约现代电网发展的瓶颈之一。这是因为电网是由发电、输配电和用电三个环节联系起来的统一整体，任何故障、事故或干扰所能造成的影响将以光速传递到整个电网。其中，比较大的故障、事故或干扰（如短路、大型电力设备故障、雷击、磁暴或剧烈的太阳风等）均可能造成电网的局部或整体瘫痪。在我国，远距离大功率输电、交直流相互影响、短路电流控制、电源远离负荷中心造成的城市供电对输电网安全的严重依赖性等一系列问题，使我国电网在运行的安全稳定性上面临着日益严峻的挑战。为了保障供电安全，目前我国高压电网被迫长期运行在较低的负载率水平下，以输电容量的低利用率和过度的检修为代价来换取电网运行的安全稳定。尽管如此，大区互联后交流电网低频振荡等动态稳定问题的频繁发生，交直流输电系统故障的相互影响、事故传播和影响范围的继续扩大等，都会使电网随时面临着重大的安全风险。
3）电能质量有待于进一步提高。对于目前的交流电来说，电能质量主要是指电网供应的交流电与标准正弦波之间的吻合程度。因为用电设施是根据标准正弦波来设计的，如果电网供应的电力与标准正弦波差异越大（具体体现为电压和频率与额定值的偏差、相位的偏差、电流与电压谐波成分的多少等），则对用电设备的影响越大。随着现代工业生产的自动化智能化程度越来越高以及信息设备的广泛使用，一方面，电网中非线性负荷和冲击性负荷日益增加，对电网的电能质量构成了严重的威胁；另一方面，越来越多的自动化、智能化生产设备采用了对电能质量十分敏感的计算机、微处理器作为核心部件，任何一个环节的电力质量事故都有可能对整个生产系统造成严重的后果。因此，如何为用户提供所需质量的电能，已成为电网发展的另一重大课题。
4）电网的效率有待于进一步提高。目前的电网是以铜和铝等常规导电材料为基础构造的，存在网络损耗。考虑到电能在终端能源中的比重不断提高，减少网络损耗将成为日益重要的任务。目前，我国电网的损耗约为发电功率的7.5%，以2012年的总发电功率12亿kW为基数来计算，电网的损耗大约为9 000万kW，大致相当于4座三峡电站的发电功率，相当于一个欧洲大国总的发电装机容量。到2030年，以总发电功率为25亿kW来计算，如果电网的损耗无明显降低，则总损耗将达到约1.9亿kW，大致相当于我国1994年的电力装机总容量。由此可见网络损耗相当巨大，电网效率有待提高。（2）未来挑战 对电网来说根本性的挑战将来自能源结构的调整，随着可再生能源越来越多地接入电网，将对电网带来一系列新的重大挑战，这主要是由可再生能源的特点决定的。主要体现在以下几个方面：
1）大电网安全稳定性问题将更加突出。首先，由于电网的规模将大幅度扩大，电网的不可预知性因素将不断增加，使得电网的安全稳定运行条件更加苛刻。其次，可再生能源资源不能根据电网实际需要进行动态调度，除水电和生物质能外，其他几乎所有的可再生能源都实时地依赖自然条件，具有波动性和间歇性不稳定的特点。光伏发电系统还不具有传统水轮机组或汽轮机组的机械惯性，风力发电机组的单机容量及惯性与传统发电机组相比也有很大的差别且发电方式也不相同。这些特点将使得交流电网的频率稳定控制和电压稳定控制变得更加困难，进而增大了电网安全稳定的风险。由此可见，随着能源结构的重大调整，如何安全可靠地运行和管理规模巨大且电源特性完全不同的电网，将成为一个新的重大挑战。
2）大容量远距离输电能力有待提升。由于可再生能源资源和负荷资源的分布不匹配，往往在人口和负荷密集区，可再生能源资源相对缺少，而在远离负荷中心的偏远地区，则可再生能源资源丰富。例如，我国的风能、太阳能、水电资源集中在西部地区和北部地区，而负荷主要集中在中东部地区和南方地区。随着可再生能源逐渐替代化石能源的进程加快，必然需要实现大量电力的远距离输送。根据有关分析和预测，到2050年，我国将大约有6亿kW的电力需要从西部和北部地区送往中东部和南方地区。采用传统的电力输送方式，不仅需要占用大量的输电走廊用地，而且会增加输电损耗。我国人口密度高，输电走廊用地紧张，发展新的输电技术以解决大容量远距离输电问题，也变得日益重要。
3）功率的实时平衡与双向流动将成为新的重大问题。由于可再生能源具有波动性的特点，且它的波动性与用电负荷的波动性几乎完全不相关。因此，如何保障电源功率与用电需求的实时瞬态功率平衡就成为一个新的重大问题。此外，由于不同区域的可再生能源资源的可获取性是变化的，因此可能存在这样的情况：即在某个时段，地区A的可再生能源资源充足，而地区B的资源缺少，因此电网要从A地区向B地区送电；而在另一个时段，情况则完全相反。这就需要电网能够实现功率的双向流动控制。这也是未来电网面临的重要问题。
4）如何接入大量的分布式电网并实现用户与外部电网的供需互动是电网面对的挑战。由于可再生能源在靠近电力用户端的就地利用是一种重要的能源利用形式，大量的分布式电网将接入电网。当前，电力用户都是无源用户，它只从电网吸收功率。分布式电网的出现，使得电力用户变成了有源用户。此外，由于资源具有波动性，电力用户也将通过电力市场机制与外部电网良性互动，从而实现分布式资源和集中发电资源的优化利用，因而电力用户也可能通过其分布式电网在某些时间向外部电网回送电力。因此，如何有效地实现大量分布式电网与外部电网的互联互动，将是未来电网面临的另一新问题。
5）如何适应负荷特性的变化需求是电网面对的挑战。未来电网的负荷构成及其动态特性与当前电网中的负荷有较大的差异。动力电池、半导体照明、数据中心等未来主要电力负荷都是直流负荷，且具有非线性特征。如果对动力电池实现快速充电，会在电网中引入大量的准冲击性负荷。如果我国的铁路交通全部采用电力机车的话，还会大量增加移动性负荷。因此，如何适应负荷这一重要变化也将是十分重要的课题。
6）如何实现多种资源的互动和综合优化利用是电网面对的挑战。未来电网的能源具有多样性（如水电、风电、光电、生物质发电、海洋能发电等），其时空分布和电源动态特性也具有多样性。因此，如何实现这些不同发电系统的良性互动，以达到各种资源的综合优化利用，也将是未来电网需要解决的重要课题。1.2 智能电网的内涵及发展目标
由于电网100多年来发展所存在的问题以及未来可再生能源规模化利用所带来的严峻挑战，促使人们去思考如何从整体上解决这些问题并应对未来的挑战，因而智能电网的概念便应运而生。
1.2.1 智能电网概念发展历史
智能电网的概念起源于美国。20世纪90年代，美国经常发生停电事故，造成很大的损失，因此美国能源部（DOE）考虑对电网进行升级改造。2001年，美国电力科学院（EPRI）正式提出了Intelligrid的概念，Intelligrid也可以翻译成智能电网。2003年，DOE正式发布了“Grid 2030”计划，这个计划基本上勾画了智能电网的构架。这个计划的构想比较宏大，除利用液氢冷却的超导电缆构建全国骨干网（以同时实现电力和氢能的输送）外，还将建造包括区域电网和局域电网的多层次电网。这个计划的目标是：到2030年，美国会有完全自动化的输配电系统，它将涵盖对每个用户及每一网络节点的监视和控制，确保从电厂到用电器之间双向畅通的电力流及信息流。分布智能、宽带通信、监视和控制以及自动响应使人、楼宇、工业过程与电力网络之间的接口没有缝隙，并可进行实时的市场交易。在这个计划中，制定了详细的技术发展路线图，对每一个阶段的工作也有了非常详细的描述。2007年，美国《能源独立与安全法案》（EISA）指出：智能电网是一个通过双向电力流和信息流网络将分布式电源、高电压网络、大容量储能装置、智能家居、电动汽车等智能体有机连接在一起的现代电力网络，它将实现发电、输电、配电、供电和服务的全方位监控、保护和优化调度。该法案还提出了美国智能电网建设的目标，即采用先进的信息技术提高输配电网的效率、可靠性和灵活性，减少电网设施的再投资。
欧洲智能电网的兴起主要受可再生能源利用以及电力需求趋于饱
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