论文部分内容阅读
电网高压造成2003年的北美大停电后,发达国家致力于建造分散式的智能电网。中国的智能电网却执著于特高压的坚强型统一大网络, 国情造成的电力布局仍是大问题。
“一分钱等于342亿。”
这是一个不寻常的“等式”,中国电力科学研究院副总工程师白晓民借它向记者阐明中国用电问题的重要性。根据中国电力企业联合会的统计数据,2008年中国全社会用电量34268亿千瓦时,“哪怕电价只提高一分钱,结果都是惊人的。”
中国的电价制度一直是各利益相关方争议的核心。在中国电价的组成部分中,“上网电价”问题尤其是争议中的争议。日渐市场化的发电企业抱怨电网的建设跟不上新能源开发的步伐,对电力“准入”关口把得太严。因此,市场对电网的升级极其敏感。
2009年5月21日,国家电网公司抛出了名为“坚强智能电网”的发展规划,时间表指向了2020年,到期要“全面建成统一的坚强智能电网”。消息一出,在电力市场占有八成份额的东软集团和提供智能电表的长城开发,在投资评级上立即被各大机构从“增持”调高到“买入”级别。
力图在电网上打上“智能”标签的,不只中国一家。大洋彼岸的美国总统奥巴马抛出了“新能源主义”,其核心就是铺建智能化的电网,近40亿美元的刺激资金会用于提高电力效率,再造美国电网体系。如果改造成功,建立起的新型清洁能源体系将彻底转变人们的生产方式和生活方式。
智能大改造
全国电网的智能化被称为“电网2.0”,地中海小国马耳他是吃螃蟹的第一家。在2009年的早些时候,马耳他公布了和IBM达成的协议,双方同意建立一个“智能公用系统”,实现该国电网和供水系统数字化。
根据协议,马耳他要为全国40万人口耗资9100万美元,其中核心的环节是替换全部25万块机电模拟式电能表,并且将全部水表与先进的信息技术进行整合,实现远程监测、管理、抄表及中断服务等操作。通过将普通电表换成互动式电表,马耳他的电网变成了一个传感器网络,电厂能对用电情况实时监控,并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。对于电厂来说,这有助于降低成本并减少碳排放。而对用户来说,他们可以清楚地为自己的电费买单。
IBM公司从20 0 8年开始就力推“智慧地球”这一概念,在它看来“智慧电网”是其中的关键一环。这个“网”是在物理的电网之上,建立基础信息沟通平台,将相关的设备、装置、系统、用户、员工和用电量等互动起来,通过对用户和需求侧的随需访问和智能分析,实现更智慧、更科学、更优化的电网运营管理,进而实现更高的安全保障、可控的节能减排和可持续发展的目标。这一思路与美国智能电网如出一辙。
在美国提出建设“ 坚强的智能电网”(Strong Smart Grid)之后,中国国家电网随即选择和复制了这一概念,加入了席卷全球的这场电力改革战中。国家电网总经理刘振亚如此来强调中国的智能电网概念:“坚强智能电网以坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段。”
著名能源问题专家武建东提出,智能电网就是在改造人类能源体系。在发电上,智能电网强调重新整合太阳能、风能、地热能、石油、天然气、核能、煤炭、氢能和生物质能等人类能源技术;在输电方面,则是利用新材料和智能电网改进输电过程中的损耗;此外,在供电、用电角度上,是解决分布式能源管理和管理效益最大化问题。
改变源于需求。白晓民分析说:“中国现在正处于快速的发展时期。与个人用户以百为单位计算的用电量相比,工业用电的数量是惊人的,2009年一季度全国工业用电量为5507.80亿千瓦时。”他认为,未来对电力的需求将会剧增,而现有电网的供应已经到了一个极限,因而电网的未来发展需要考虑到这一需求。
与白晓民计算的经济账不同,清华大学电机系副教授何光宇更愿意将对现有电网升级改造的原因归于节能减排的需求。从大环境来看,金融危机也是智能电网崛起的一个因素:“美国正是为了抵御国际金融危机及振兴经济,才提出了现在的新能源战略,启动智能电网建设。在此推动下,全球范围的智能电网建设也起步了。”
中国 “电坚强”
为将现有单一的电网升级为智能电网,中国预备了4万亿人民币。使用这笔钱的目标是:2020年坚强智能电网建成时,清洁能源装机比例达到35%,分布式电源实现“即插即用”,在全国十几亿人口中普及应用智能电表。
尽管“坚强智能电网”三步走的计划日前才公布,但相关工作很早就进行了。今年年初,中国首条特高压输电线路“晋东南——南阳——荆门”特高压交流试验示范工程通电试运行,初步实现了华北电网和华中电网的水火调剂、优势互补。国家电网公司副总经理舒印彪提及,这种具有长距离、大容量输电特征的特高压电网将成为中国建设智能电网的核心环节。
何光宇分析,以特高压为骨干网络建设智能电网,是因为中国的资源分布与用电负荷不一致导致输电距离过长,“中国煤电资源主要集中在西部,而用电负荷是在东部,需要西电东送。而单位长度的特高压输电线路的电阻约为超高压输电线路电阻的l/4,从而能够输送更大容量的功率,一般1000千伏输送能力为500千伏输电能力的4倍以上,这就提高了输电线路的利用率。”
除了输电容量更大,在输送相同容量电力时,特高压在输电线路上流经的电流和输电线路电阻均小于超高压。一条距离为400千米的超高压输电线路损耗达到了输送容量的2.98%,而特高压这一损耗仅为0.9%,考虑特高压输电比超高压输电多了一层升降压环节,算进去这部分损耗,输电总损耗仍远小于超高压输电,而且输电距离越长,差值越明显。
另外一个现实是,中国500千伏电网已相当密集,短路电流(线路短路时短路流过的电流)水平大部分接近50千安,华北、华东、华中电网的短路电流接近或超过63千安,从电网设备来看,国内外的设备制造水平还达不到制造能开断63千安以上短路电流的断路器,所以需要发展短路电流较小的特高压电网。
何光宇做了一个形象的比喻:“特高压与超高压就像交通上的特快与动车组。比如原来在北京和上海之间有特快车13个小时直达,现在使用动车组只需要10个小时。”国家电网公司预计,到2020年一旦特高压骨干网建成,全国一年可减少损耗1000亿千瓦时以上,相当于节煤2000万吨。
尽管都是输电,但是,与中国突出以特高压为骨干网络相比,美国致力于建设超导电缆(即采用高温超导材料制作的电缆)。常规输电用的铜线或铝线会因电阻而造成能量损耗,用超导技术直流输电时完全没有电阻,在交流输电时会有一些交流损耗,大约是常规损耗的十分之一,加上为其配套的制冷系统所消耗的能量,综合起来,在传输相同容量的电能时,高温超导电缆的损耗约为常规电缆的一半左右。在相同截面下,输电能力是常规电缆的3∽5倍,在长距离运输中优势比较明显。比如,从内蒙古到上海通过传统输电方式输电至少需要500千伏的电压,通过超导电缆使用220伏的电压即可输送。
“超导的问题是造价太高。”何光宇说。目前每1000安/米超导电缆的造价可达2万元,而相同单位的常规电缆造价仅600至800元。但特高压也存在问题,交流特高压技术的应用以及由此出现的交流同步网规模扩大,会形成具有联动效应的大电网。对于大电网,安全稳定运行是其首要考虑的问题,否则大面积停电的事件将一再重演。
大电网与大停电
何光宇提及,智能电网的安全也包括了抵抗自然灾害的能力。在2008年的冰灾中,南方500千伏电网几乎都遭到了毁灭性的打击,给抢修工作带来了极大的困难。与500千伏电网铁塔相比,特高压铁塔的高度是其两倍,高达70米,相当于20-30层的高楼,维修起来的难度可想而知。
2003年8月14日下午4时11分,美国和加拿大大湖区的一个变电站发生了事故,转瞬间,加拿大的多伦多、渥太华停电了,美国东北部的密歇根、俄亥俄、纽约、新泽西、康涅狄格和马萨诸塞等6个州以及加拿大的安大略省无一不受到严重影响。据初步估计,停电波及9300平方英里,5000万人饱受断电之苦。这次“美加大停电”事件是典型大电网效应的体现,由于一条线路的瘫痪造成了整个电网的瘫痪,保守估计每天损失250亿美元左右。也正是这次事件给大电网集中供电敲响了警钟,此后,发达国家开始大力发展分布式能源。
所谓分布式能源,是一种建在用户端的能源供应方式,既可独立运行,也可并网运行,而无论规模大小、使用什么燃料或应用的技术。比如医院和工厂等重要的部门或场所,往往自行安装一些小型发电设备(柴油发电机组),作为紧急备用电源,目的是为增加供电的可靠性和安全性,但现行的分布式能源使用风能、水电、太阳能和生物质能等可再生能源,比柴油发电机组更为清洁。在已经启动的欧洲超级智能电网计划中,欧盟就希望将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融入欧洲电网,以实现可再生能源大规模集成。
“分布式能源可以分散大电网的风险,机组就近负荷安装,可以减少大距离输电的能源损耗问题,同时也利于电网的调峰,是欧美发展智能电网的趋势。但是分布式能源要求各地都有机组,而且有专人来操作,这对中国来说可行性不如特高压电网高。”何光宇说,分布式能源还需要考虑到因地制宜,中国智能电网的发展,最好是结合特高压电网与分布式能源两种方式,避免一味追求特高压而重蹈美加大停电的覆辙。
“一分钱等于342亿。”
这是一个不寻常的“等式”,中国电力科学研究院副总工程师白晓民借它向记者阐明中国用电问题的重要性。根据中国电力企业联合会的统计数据,2008年中国全社会用电量34268亿千瓦时,“哪怕电价只提高一分钱,结果都是惊人的。”
中国的电价制度一直是各利益相关方争议的核心。在中国电价的组成部分中,“上网电价”问题尤其是争议中的争议。日渐市场化的发电企业抱怨电网的建设跟不上新能源开发的步伐,对电力“准入”关口把得太严。因此,市场对电网的升级极其敏感。
2009年5月21日,国家电网公司抛出了名为“坚强智能电网”的发展规划,时间表指向了2020年,到期要“全面建成统一的坚强智能电网”。消息一出,在电力市场占有八成份额的东软集团和提供智能电表的长城开发,在投资评级上立即被各大机构从“增持”调高到“买入”级别。
力图在电网上打上“智能”标签的,不只中国一家。大洋彼岸的美国总统奥巴马抛出了“新能源主义”,其核心就是铺建智能化的电网,近40亿美元的刺激资金会用于提高电力效率,再造美国电网体系。如果改造成功,建立起的新型清洁能源体系将彻底转变人们的生产方式和生活方式。
智能大改造
全国电网的智能化被称为“电网2.0”,地中海小国马耳他是吃螃蟹的第一家。在2009年的早些时候,马耳他公布了和IBM达成的协议,双方同意建立一个“智能公用系统”,实现该国电网和供水系统数字化。
根据协议,马耳他要为全国40万人口耗资9100万美元,其中核心的环节是替换全部25万块机电模拟式电能表,并且将全部水表与先进的信息技术进行整合,实现远程监测、管理、抄表及中断服务等操作。通过将普通电表换成互动式电表,马耳他的电网变成了一个传感器网络,电厂能对用电情况实时监控,并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。对于电厂来说,这有助于降低成本并减少碳排放。而对用户来说,他们可以清楚地为自己的电费买单。
IBM公司从20 0 8年开始就力推“智慧地球”这一概念,在它看来“智慧电网”是其中的关键一环。这个“网”是在物理的电网之上,建立基础信息沟通平台,将相关的设备、装置、系统、用户、员工和用电量等互动起来,通过对用户和需求侧的随需访问和智能分析,实现更智慧、更科学、更优化的电网运营管理,进而实现更高的安全保障、可控的节能减排和可持续发展的目标。这一思路与美国智能电网如出一辙。
在美国提出建设“ 坚强的智能电网”(Strong Smart Grid)之后,中国国家电网随即选择和复制了这一概念,加入了席卷全球的这场电力改革战中。国家电网总经理刘振亚如此来强调中国的智能电网概念:“坚强智能电网以坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段。”
著名能源问题专家武建东提出,智能电网就是在改造人类能源体系。在发电上,智能电网强调重新整合太阳能、风能、地热能、石油、天然气、核能、煤炭、氢能和生物质能等人类能源技术;在输电方面,则是利用新材料和智能电网改进输电过程中的损耗;此外,在供电、用电角度上,是解决分布式能源管理和管理效益最大化问题。
改变源于需求。白晓民分析说:“中国现在正处于快速的发展时期。与个人用户以百为单位计算的用电量相比,工业用电的数量是惊人的,2009年一季度全国工业用电量为5507.80亿千瓦时。”他认为,未来对电力的需求将会剧增,而现有电网的供应已经到了一个极限,因而电网的未来发展需要考虑到这一需求。
与白晓民计算的经济账不同,清华大学电机系副教授何光宇更愿意将对现有电网升级改造的原因归于节能减排的需求。从大环境来看,金融危机也是智能电网崛起的一个因素:“美国正是为了抵御国际金融危机及振兴经济,才提出了现在的新能源战略,启动智能电网建设。在此推动下,全球范围的智能电网建设也起步了。”
中国 “电坚强”
为将现有单一的电网升级为智能电网,中国预备了4万亿人民币。使用这笔钱的目标是:2020年坚强智能电网建成时,清洁能源装机比例达到35%,分布式电源实现“即插即用”,在全国十几亿人口中普及应用智能电表。
尽管“坚强智能电网”三步走的计划日前才公布,但相关工作很早就进行了。今年年初,中国首条特高压输电线路“晋东南——南阳——荆门”特高压交流试验示范工程通电试运行,初步实现了华北电网和华中电网的水火调剂、优势互补。国家电网公司副总经理舒印彪提及,这种具有长距离、大容量输电特征的特高压电网将成为中国建设智能电网的核心环节。
何光宇分析,以特高压为骨干网络建设智能电网,是因为中国的资源分布与用电负荷不一致导致输电距离过长,“中国煤电资源主要集中在西部,而用电负荷是在东部,需要西电东送。而单位长度的特高压输电线路的电阻约为超高压输电线路电阻的l/4,从而能够输送更大容量的功率,一般1000千伏输送能力为500千伏输电能力的4倍以上,这就提高了输电线路的利用率。”
除了输电容量更大,在输送相同容量电力时,特高压在输电线路上流经的电流和输电线路电阻均小于超高压。一条距离为400千米的超高压输电线路损耗达到了输送容量的2.98%,而特高压这一损耗仅为0.9%,考虑特高压输电比超高压输电多了一层升降压环节,算进去这部分损耗,输电总损耗仍远小于超高压输电,而且输电距离越长,差值越明显。
另外一个现实是,中国500千伏电网已相当密集,短路电流(线路短路时短路流过的电流)水平大部分接近50千安,华北、华东、华中电网的短路电流接近或超过63千安,从电网设备来看,国内外的设备制造水平还达不到制造能开断63千安以上短路电流的断路器,所以需要发展短路电流较小的特高压电网。
何光宇做了一个形象的比喻:“特高压与超高压就像交通上的特快与动车组。比如原来在北京和上海之间有特快车13个小时直达,现在使用动车组只需要10个小时。”国家电网公司预计,到2020年一旦特高压骨干网建成,全国一年可减少损耗1000亿千瓦时以上,相当于节煤2000万吨。
尽管都是输电,但是,与中国突出以特高压为骨干网络相比,美国致力于建设超导电缆(即采用高温超导材料制作的电缆)。常规输电用的铜线或铝线会因电阻而造成能量损耗,用超导技术直流输电时完全没有电阻,在交流输电时会有一些交流损耗,大约是常规损耗的十分之一,加上为其配套的制冷系统所消耗的能量,综合起来,在传输相同容量的电能时,高温超导电缆的损耗约为常规电缆的一半左右。在相同截面下,输电能力是常规电缆的3∽5倍,在长距离运输中优势比较明显。比如,从内蒙古到上海通过传统输电方式输电至少需要500千伏的电压,通过超导电缆使用220伏的电压即可输送。
“超导的问题是造价太高。”何光宇说。目前每1000安/米超导电缆的造价可达2万元,而相同单位的常规电缆造价仅600至800元。但特高压也存在问题,交流特高压技术的应用以及由此出现的交流同步网规模扩大,会形成具有联动效应的大电网。对于大电网,安全稳定运行是其首要考虑的问题,否则大面积停电的事件将一再重演。
大电网与大停电
何光宇提及,智能电网的安全也包括了抵抗自然灾害的能力。在2008年的冰灾中,南方500千伏电网几乎都遭到了毁灭性的打击,给抢修工作带来了极大的困难。与500千伏电网铁塔相比,特高压铁塔的高度是其两倍,高达70米,相当于20-30层的高楼,维修起来的难度可想而知。
2003年8月14日下午4时11分,美国和加拿大大湖区的一个变电站发生了事故,转瞬间,加拿大的多伦多、渥太华停电了,美国东北部的密歇根、俄亥俄、纽约、新泽西、康涅狄格和马萨诸塞等6个州以及加拿大的安大略省无一不受到严重影响。据初步估计,停电波及9300平方英里,5000万人饱受断电之苦。这次“美加大停电”事件是典型大电网效应的体现,由于一条线路的瘫痪造成了整个电网的瘫痪,保守估计每天损失250亿美元左右。也正是这次事件给大电网集中供电敲响了警钟,此后,发达国家开始大力发展分布式能源。
所谓分布式能源,是一种建在用户端的能源供应方式,既可独立运行,也可并网运行,而无论规模大小、使用什么燃料或应用的技术。比如医院和工厂等重要的部门或场所,往往自行安装一些小型发电设备(柴油发电机组),作为紧急备用电源,目的是为增加供电的可靠性和安全性,但现行的分布式能源使用风能、水电、太阳能和生物质能等可再生能源,比柴油发电机组更为清洁。在已经启动的欧洲超级智能电网计划中,欧盟就希望将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融入欧洲电网,以实现可再生能源大规模集成。
“分布式能源可以分散大电网的风险,机组就近负荷安装,可以减少大距离输电的能源损耗问题,同时也利于电网的调峰,是欧美发展智能电网的趋势。但是分布式能源要求各地都有机组,而且有专人来操作,这对中国来说可行性不如特高压电网高。”何光宇说,分布式能源还需要考虑到因地制宜,中国智能电网的发展,最好是结合特高压电网与分布式能源两种方式,避免一味追求特高压而重蹈美加大停电的覆辙。