1.6 我國電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程及新的挑戰(zhàn)

1.6.1 我國電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程

我國電力系統(tǒng)發(fā)展至今呈現(xiàn)出顯著特點(diǎn)，即為滿足電力消費(fèi)需求的增長，電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不斷變化，進(jìn)而導(dǎo)致電力輸送模式持續(xù)更新，電力平衡模式也隨之從就地平衡、省內(nèi)平衡、區(qū)域平衡發(fā)展到全國平衡。

縱觀電力工業(yè)起步至今，我國電力系統(tǒng)發(fā)展可分為5個階段；新中國成立后，我國電力系統(tǒng)隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升快速發(fā)展，大體分為4個階段，見表1-3。

1.1882—1949年的微小機(jī)組、低電壓、直配/孤立電網(wǎng)

我國電力工業(yè)的發(fā)展基本和歐美同時起步，表1-4列舉了我國電力工業(yè)與世界電力工業(yè)開端的標(biāo)志性事件。1882年7月26日，上海黃浦江邊一臺12kW的蒸汽發(fā)電機(jī)組，點(diǎn)亮了南京路上6.4km長的供電線路上串聯(lián)的15盞弧光電燈，開啟了中華民族有電的歷史，我國電力系統(tǒng)也正式誕生，這是一個微容量單機(jī)、短距離低電壓單線、點(diǎn)對點(diǎn)就地供電的簡單電力系統(tǒng)。

最初，發(fā)電、供電都是為了照明，發(fā)電廠大多叫電燈廠。到辛亥革命前，我國有20余座城市新建電燈廠，全國的發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐挥?7MW，也相應(yīng)地有了少量的供電線路，供電方式也只是近距離點(diǎn)對點(diǎn)輸送，還沒有形成電網(wǎng)。

到1936年，全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?30MW，年發(fā)電量17億kWh，初步形成北京、天津、上海、南京、武漢、廣州、南通等大中城市的孤立電力系統(tǒng)。

新中國成立前夕，全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?848.6MW，年發(fā)電量43億kWh，除東北有一條220kV和幾條154kV線路外，其他地區(qū)最高電壓等級還是33kV、13.2kV、3.3kV等，電力系統(tǒng)格局是以直配線為主的城市孤立電網(wǎng)。1882年與1949年我國電力系統(tǒng)主要指標(biāo)對比見表1-5。

2.1949—1978年的小機(jī)組、低電壓、省級電網(wǎng)

1953年，我國啟動第一個五年計(jì)劃，電力工業(yè)開始規(guī)模發(fā)展。1954年，為滿足豐滿電廠水電外送需要，新中國第一條220kV線路——松東李線投運(yùn)；1955年，為配合官廳水電站電力送出，我國自行設(shè)計(jì)和施工的第一條110kV輸電線路——京官線建成；1956年，國產(chǎn)第一臺6MW火電機(jī)組在淮南電廠投運(yùn)；1969年，我國首座自行設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備制造的百萬千瓦級水電站劉家峽水電站投運(yùn)；1972年為滿足劉家峽電廠水電外送需求，我國第一條330kV輸電線路劉天關(guān)線投運(yùn)。1978年，我國基本建立起完整的電力工業(yè)體系，300MW機(jī)組、330kV及以下輸變電工程實(shí)現(xiàn)自設(shè)計(jì)建設(shè)，基于行政區(qū)劃的省級電網(wǎng)初具規(guī)模。

這一時期，雖然省級電網(wǎng)基本形成，但是仍不具備跨區(qū)送電能力；電力通過傳統(tǒng)的較低電壓等級交流電網(wǎng)傳輸，不具備直流輸電能力。1949年與1978年我國電力系統(tǒng)主要指標(biāo)對比見表1-6。

3.1978—2000年的大機(jī)組、高電壓、區(qū)域電網(wǎng)

改革開放為經(jīng)濟(jì)社會注入了強(qiáng)大的動力，電力需求隨之日益旺盛。為滿足“武鋼07工程”按時投產(chǎn)，1981年我國第一條500kV超高壓輸電線路——河南平頂山—湖北武昌輸變電工程投產(chǎn)。1988年年底，葛洲壩水利樞紐工程建成，裝機(jī)容量達(dá)2715MW。為滿足葛洲壩水電外送及上海經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，1989年±500kV湖北葛洲壩—上海南橋直流輸電工程投運(yùn)，形成了我國第一個跨省的非同步互聯(lián)電網(wǎng)，是全國聯(lián)網(wǎng)的雛形。1994年12月14日，世界第一大的水電工程三峽工程正式開工，一批500kV聯(lián)網(wǎng)或連接的輸變電工程相繼建成投產(chǎn)。

這一時期，300MW及以上機(jī)組成為主力機(jī)型，水電發(fā)展加快，核電建設(shè)起步，電網(wǎng)主網(wǎng)架向500kV升級，跨省聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，基本形成了六大區(qū)域電網(wǎng)，即東北、華北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)，西藏電網(wǎng)與主網(wǎng)的互聯(lián)工程也在緊張實(shí)施當(dāng)中。

六大區(qū)域電網(wǎng)形成后，全國電網(wǎng)具備了初級的跨區(qū)輸送能力，但通道單一、形式單一，且傳輸容量僅1160MW；常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量迅猛發(fā)展的同時，風(fēng)電開始起步發(fā)展，但整體裝機(jī)容量少，僅344.8MW。1978年與2000年我國電力系統(tǒng)主要指標(biāo)對比見表1-7。

4.2000—2019年的大基地、特高壓、全國聯(lián)網(wǎng)

進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，2001年我國已是世界第六大經(jīng)濟(jì)體，2010年超越日本成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。電力需求水平日益提高，為滿足長江、珠江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展需求，2003年7月10日，三左岸電站2號機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電并移交三峽電廠，這是三峽工程第一個投產(chǎn)的機(jī)組。2008年10月29日，右岸15號機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，是三峽右岸電站最后一臺發(fā)電的機(jī)組，此時三峽電站額定裝機(jī)容量達(dá)18200MW。2012年7月4日，世界最大容量水電基地三峽電站32臺機(jī)組全部投運(yùn)，為保證三峽電站22400MW水電的全部送出，國家先后配套建設(shè)了4項(xiàng)±500kV直流工程、88項(xiàng)交流輸變電工程。

三峽電站的建設(shè)促進(jìn)了“西電東送、南北互濟(jì)、全國聯(lián)網(wǎng)”的電力發(fā)展格局形成，2002年5月，川電東送工程實(shí)現(xiàn)了川渝與華中主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。2009年1月，晉東南—南陽—荊門1000kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程建成，實(shí)現(xiàn)了全國電力資源配置的“南北互濟(jì)”。同時，伴隨著云南、四川水電高速開發(fā)，云南—廣東、向家壩—上海±800kV特高壓直流工程分別于2009年、2010年建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國電網(wǎng)全面進(jìn)入特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)時代。

2009年12月26日，《中華人民共和國可再生能源法》的修訂全面促進(jìn)了清潔能源裝機(jī)的高速增長。截至2018年底，全國水電裝機(jī)3.52億kW、風(fēng)電裝機(jī)184億kW、太陽能裝機(jī)1.74億kW，均達(dá)到世界第一。由于水電多集中于西南地區(qū)，風(fēng)、光資源多集中于三北地區(qū)，一次清潔能源與負(fù)荷中心的遠(yuǎn)距離逆向分布促進(jìn)了特高壓輸電技術(shù)的快速發(fā)展。截至2018年底，全國共投產(chǎn)了“八交十四直”特高壓工程，保證了清潔能源的外送需求。

我國電力系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)，形成“西電東送”“北電南供”電力配置格局。2018年，全國電力裝機(jī)達(dá)19億kW，其中39.8%為清潔能源；全國跨區(qū)輸電能力達(dá)1.43億kW，形成或在建9大煤電基地、9大風(fēng)電基地、13大水電基地，千萬千瓦級直流群達(dá)10個。

2000年與2019年我國電力系統(tǒng)主要指標(biāo)對照詳見表1-8。

三峽工程和特高壓輸電工程是形成當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展格局的標(biāo)志性工程。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、集約化開發(fā)、大范圍配置是形成當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展格局的根本原因。

5.以雙碳為目標(biāo)，以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。以高效化、清潔化、低碳化、智能化為主要特征的能源革命正引領(lǐng)當(dāng)前世界能源發(fā)展的方向和潮流。為搶占能源轉(zhuǎn)型變革先機(jī)，我國實(shí)施“節(jié)約、清潔、安全”的能源發(fā)展戰(zhàn)略，深化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)。截至2022年底，全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億千瓦，穩(wěn)居世界第一。2023年，國家能源局公布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》，藍(lán)皮書指出電力系統(tǒng)應(yīng)主動實(shí)現(xiàn)“四個轉(zhuǎn)變”：一是電力系統(tǒng)功能定位應(yīng)從適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展改為引領(lǐng)行業(yè)升級轉(zhuǎn)變；二是電力供給以由化石能源主導(dǎo)向以新能源支撐為主體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；三是電力系統(tǒng)由“源網(wǎng)荷”三要素向“源網(wǎng)荷儲”四要素轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)多種新型技術(shù)形態(tài)并存；四是電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行模式由單向計(jì)劃調(diào)度向源網(wǎng)荷儲多元智能互動轉(zhuǎn)變。作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要支撐，儲能建設(shè)得到我國政府和社會各界的高度重視和大力支持。

1.6.2 我國電網(wǎng)的發(fā)展歷程及新的挑戰(zhàn)

1970年前，雖然我國出現(xiàn)了若干省級電網(wǎng)的雛形（1958年初步形成東北、京津唐、晉中、南錫常、合肥、上海、魯中、鄭洛、贛南等地區(qū)電力系統(tǒng)，陜甘川滇也圍繞省會城市形成了電力系統(tǒng)），但就全國范圍而言，多數(shù)電力系統(tǒng)仍以110kV及以下孤立系統(tǒng)為主。110kV電網(wǎng)發(fā)生故障，只影響本地區(qū)的孤立系統(tǒng)，全國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題不突出。

1970—1980年，我國的電網(wǎng)發(fā)展處在一個特殊時期，即省級和跨省電網(wǎng)的形成時期，許多地區(qū)的電網(wǎng)相繼互聯(lián)，逐步由孤立的110kV電力系統(tǒng)互聯(lián)成220kV及以上的全省乃至跨省電力系統(tǒng)。這一時期，電力系統(tǒng)發(fā)展處于一個新階段，無論是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、基建還是運(yùn)行管理，都缺少對省級電網(wǎng)、跨省電網(wǎng)形成的客觀認(rèn)識，全國發(fā)生電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事件210次。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題成為當(dāng)時電網(wǎng)正常運(yùn)行的主要矛盾。

2000年后，電網(wǎng)互聯(lián)格局由省間向跨區(qū)、全國聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變；電力供應(yīng)格局由嚴(yán)重短缺向相對過剩和短缺與相對過剩交替存在轉(zhuǎn)變；電力工業(yè)管理格局由垂直一體化向市場化轉(zhuǎn)變。2018年以來，電網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)、跨國聯(lián)網(wǎng)，電力資源實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)統(tǒng)一配置，新能源被大規(guī)模開發(fā)利用，但大范圍消納受限，電力供應(yīng)全局過剩與局部短缺的矛盾突出，電力系統(tǒng)形態(tài)及運(yùn)行特性日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定面臨嚴(yán)峻形勢和諸多挑戰(zhàn)，主要包括以下五個方面。

1.全國聯(lián)網(wǎng)格局已經(jīng)形成、系統(tǒng)復(fù)雜程度前所未有

進(jìn)入21世紀(jì)，為應(yīng)對氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障能源供應(yīng)，世界各國紛紛提出能源清潔低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)，轉(zhuǎn)型進(jìn)程明顯加快。美國在《2022年能源獨(dú)立和安全》法案和“太陽計(jì)劃2030”中提出大力發(fā)展清潔能源技術(shù)和能源效率技術(shù)，光伏發(fā)電到2030年占總電量的20%，2050年前達(dá)40%；歐盟提出“3個20%”減排目標(biāo)，即至2020年，溫室氣體排放要減少20%9基準(zhǔn)年份為1990年），可再生能源占一次能源消費(fèi)比例提高至20%，能源效率提高20%；計(jì)劃2030年前，可再生能源比例進(jìn)一步提高至27%，50%的電力供應(yīng)來自可再生能源；日本在《能源革新戰(zhàn)略》中提出提高能效并大力發(fā)展可再生能源，2030年使可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)22%～24%。

《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016～2030）》提出了我國能源革命中長期的戰(zhàn)略目標(biāo)：2020年、2030年、2050年非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)15%、20%及50%以上；2030年非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比例力爭達(dá)到50%。

我國80%以上的水電、風(fēng)電、太陽能資源集中在西部、北部地區(qū)，東中部是負(fù)荷中心，西部、北部能源基地到東中部負(fù)荷中心為1000～3000km，預(yù)計(jì)到2050年，我國西電東送電力將達(dá)450～550GW，而傳統(tǒng)交流最大輸電距離僅約200km，傳統(tǒng)直流輸電能力不超過3000MW。從能源轉(zhuǎn)型趨勢、資源稟賦特征和大范圍配置需求來看，我國電力發(fā)展必須走“特高壓、全國聯(lián)網(wǎng)”的道路。

為滿足清潔能源送出，我國加快發(fā)展特高壓及跨區(qū)電網(wǎng)。截至2022年底跨省、跨區(qū)、跨國直流工程達(dá)35個，并在送、受端形成十大直流群，見表1-9，全國電網(wǎng)一體化特征顯著、交直流耦合特性復(fù)雜，單個直流群最大規(guī)模達(dá)40GW，大直流或直流群與弱交流之間的矛盾更加突出，交流系統(tǒng)薄弱，易引發(fā)交直流連鎖反應(yīng)，制約了資源大范圍配置能力。主要表現(xiàn)在：

1）與直流耦合的9如新疆—西北、華北—華中）交流聯(lián)網(wǎng)通道輸電能力普遍在6GW以下，而特高壓直流或直流群造成的功率沖擊達(dá)8～20GW，易造成交流系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。

2）同送同受直流群最大送電水平超過20GW，受端交流故障引起多回直流同時換相失敗時，對受、送端電網(wǎng)均造成巨大沖擊，頻率、電壓等穩(wěn)定問題突出。

3）隨著多直流饋入地區(qū)送電水平進(jìn)一步增加，多饋入短路比不足的問題愈發(fā)突出，嚴(yán)重情況下存在電壓崩潰風(fēng)險。

2.電能生產(chǎn)向清潔低碳化轉(zhuǎn)變帶來的消納問題比較突出

2022年全國風(fēng)光裝機(jī)達(dá)7.6億千瓦，其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7億千瓦；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9億千瓦。通過綜合施策，棄風(fēng)、棄光實(shí)現(xiàn)“雙降”，云南、四川棄水電量有所減少，但沒有從根本上解決清潔能源的消納問題。棄風(fēng)主要集中在新疆、甘肅和內(nèi)蒙古，三省9區(qū)）風(fēng)電限電量占全國風(fēng)電限電量的84%。棄光主要集中在新疆和甘肅，新疆光伏限電量為21.4億kWh，光伏限電率為16%；甘肅光伏限電量為10.3億kWh，光伏限電率為10%。

影響新能源消納的因素主要體現(xiàn)在三個方面：1）新能源電力波動性強(qiáng)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的矛盾突出。2）網(wǎng)源發(fā)展的協(xié)調(diào)性不夠?qū)е滦履茉创蠓秶{受限。3）新能源自身存在技術(shù)約束。新能源機(jī)組的頻率、電壓耐受能力與常規(guī)火電機(jī)組相比較差，故障期間容易因電壓或頻率異常而大規(guī)模脫網(wǎng)，甚至?xí)l(fā)連鎖故障，新能源機(jī)組的涉網(wǎng)性能不足，也是制約其消納的重要因素之一。

3.電力系統(tǒng)中電力電子裝置比例劇增、安全運(yùn)行面臨全新挑戰(zhàn)

風(fēng)電、光伏等新能源，直流、FACTS輸電技術(shù)，分布式發(fā)電及電動汽車等快速發(fā)展，造成海量電力電子元件接入源、網(wǎng)、荷三側(cè)，使得電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。特別是新能源和饋入直流等電力電子類電源大量替代常規(guī)電源，帶來系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低，一次調(diào)頻能力、動態(tài)無功支撐下降，頻率、電壓穩(wěn)定性和抗擾動能力惡化等新問題。

由于電力電子裝置的快速響應(yīng)特性，在傳統(tǒng)同步系統(tǒng)以工頻為基礎(chǔ)的穩(wěn)定問題之外9如功角穩(wěn)定、低頻振蕩等問題），出現(xiàn)了中頻帶95～300Hz）的新穩(wěn)定問題。與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中同步、異步概念不同，電力電子裝置引起次同步/超同步振蕩后，可能仍會掛網(wǎng)運(yùn)行，持續(xù)威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。

4.新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對其認(rèn)知不充分造成的安全風(fēng)險逐漸凸顯

近年來，為提高新能源消納能力，柔性直流輸電、虛擬電廠、虛擬同步機(jī)、物理/化學(xué)儲能等新技術(shù)加快應(yīng)用9見表1-10），一些新的穩(wěn)定問題在運(yùn)行中逐漸暴露出來，如柔性直流輸電靈活可控、響應(yīng)快速，但控制不當(dāng)可能引起高頻率的振蕩，造成交直流設(shè)備損壞，威脅電力系統(tǒng)安全。

仿真計(jì)算表明，柔性直流輸電系統(tǒng)還存在增加兩側(cè)交流系統(tǒng)短路電流的風(fēng)險。這一特性改變了以往通過直流聯(lián)網(wǎng)不會對被連交流系統(tǒng)短路電流水平產(chǎn)生影響的認(rèn)識。

5.嚴(yán)重故障范疇擴(kuò)大，大面積停電風(fēng)險始終存在

近年來，冰雪、臺風(fēng)、山火、地震等自然災(zāi)害造成的電力設(shè)施大面積破壞事件頻發(fā)，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大挑戰(zhàn)。2008年的冰災(zāi)造成廣東、云南、貴州、湖南等13個省份的電力系統(tǒng)嚴(yán)重受損，多片電網(wǎng)解列；全國停運(yùn)電力線路36740條，停運(yùn)變電站2018座；全國停電縣9市）多達(dá)170個，部分地區(qū)停電時間長達(dá)10天以上。2017年的“天鴿”臺風(fēng)登陸珠海，電力設(shè)施損壞嚴(yán)重，70萬用戶被迫停電。

受通道資源限制，全國含2回以上特高壓直流的密集走廊共18處，最大輸電功率超25GW，發(fā)生自然災(zāi)害或其他外力破壞導(dǎo)致多回線路故障時極易引發(fā)大面積停電事故。如浙江、安徽多處存在密集通道，每個密集通道有5～6回特高壓交直流線路，最大輸送功率超過20GW，一旦一個密集通道的多條交直流線路全部失去，將會造成華東地區(qū)大面積停電。受線路路徑限制，全國220kV及以上輸電線路交叉跨越點(diǎn)超過1萬個，多回輸電線路交叉同樣存在引發(fā)大面積停電的風(fēng)險。

電力系統(tǒng)已成為國家間網(wǎng)絡(luò)對抗的潛在目標(biāo)，烏克蘭、委內(nèi)瑞拉等國家或地區(qū)多次遭受黑客攻擊而發(fā)生大規(guī)模停電事件，電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全已成為大電網(wǎng)安全的重要組成部分。

面對形勢與挑戰(zhàn)，保障我國電力行業(yè)科學(xué)發(fā)展、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、能源生產(chǎn)與消費(fèi)全面轉(zhuǎn)型有著重大意義。