第33卷 第22期 2013年8月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.33 No.22 Aug.5, 2013 ?2013 Chin.Soc.for Elec.Eng.
1
(2013) 22-0001-11 中图分类号：TM 71 文献标志码：A 学科分类号：470?40 文章编号：0258-8013
电网和电网技术发展的回顾与展望
——试论三代电网
周孝信1，陈树勇1，鲁宗相2
(1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192；
2．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084)
Review and Prospect for Power System Development and Related Technologies: a Concept of
Three-generation Power Systems
ZHOU Xiaoxin1, CHEN Shuyong1, LU Zongxiang2
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: The development processes of domestic and foreign power grids were summarized. According to the development of power grids and related technologies, the process of power grid development can be divided into 3 stages. Borrowing from the theory of intergenerational inheritance in social science, a concept of three-generation power grid was put forward, and the main characteristics of the three generations of power grids were compared. The first generation power grid was developed from around 1900 to 1950, featured by small generation unit, low voltage power transmission and small grid. The second generation power grid was developed from about 1960 to 2000, featured by lager generation unit, extra/ultra-high voltage power transmission, interconnected grids, and large-scale power production. The development of the third generation power grid was launched at the beginning of the 21st century, and expected to be completed over 2050, featured by intelligence and non-fossil fuel generation holding a significant share. The third generation power grid is characterized as being intelligent and sustainable. The power grid refers to the general grid in this paper, including generation, transmission, distribution and loads. Therefore the third generation of power grid can also be referred as the third generation of power systems. The new situation and new challenges in the development of power grids were analyzed and the power grid technology development in the next 40 years was forecasted.
KEY WORDS: three-generation power systems; smart grid; intergeneration transmission; power system technology; renewable generation; review and prospect
摘要：总结了国内外电网和电网技术的发展过程，将其划分为3个阶段，借鉴社会科学中的代际传承理念，提出了三代电网的概念，并且比较分析了三代电网的主要特征。
20世纪前半期的电网属于第一代电网，以小机组、低电压、小电网为特征，是电网发展的兴起阶段；20世纪后半期的电网属于第二代电网，以大机组、超高电压、互联电网为特征，标志着电网进入规模化发展阶段；从21世纪初开始建设并设想到2050年在世界范围内实现的第三代电网，以非化石能源发电占较大份额和智能化为主要特征，是可持续发展和智能化的电网模式。文中电网指广义电网，即包括发电、输电、配电和用电在内的电力系统，因此，三代电网也可称为三代电力系统。分析了当前电网发展面临的新形势和新挑战，对未来40年的电网和电网技术发展进行了展望。 关键词：三代电网；智能电网；代际传承；电网技术；清洁
能源发电；回顾与展望
0 引言
20世纪90年代以来，人类对化石能源短缺和枯竭的预期，以及全球气候变化的现实威胁，使得清洁能源和可再生能源利用的呼声日渐高涨，其目标是以新能源(如核能、氢能等)和可再生能源(如水能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能等)逐步代替化石能源，保证人类能源的可持续供应[1-14]。此发展趋势可称为新能源变革或新能源革命。
新能源革命的目标是建设可持续发展的未来能源体系，许多国家将发展新能源与可再生能源作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化的重要措施。这种形势下，能源结构将发生重大变化，而可再生能源、核能以及化石能源的清洁利用绝大部分要通过转化为电能来实现，因此电网的重要性日益突出，电网将成为全社会重要的能源输送和配给网络，这对电网的安全性、适应性、资源优化配置能
2 中 国 电 机 工 程 学 报 第33卷
力提出了更高的要求[15-22]。迎接能源革命的挑战，加快电网转型，发展新一代电网技术，成为当前电力系统发展的主要任务。
回顾100多年来电网的历史发展，对不同阶段电网模式和技术进步进行科学总结，从不同阶段之间的传承和创新发展的视角，预测新条件下未来电网和电网技术的发展方向，对指导当前电力系统长期规划研究和电网技术的前瞻性研究都具有重要意义。
社会科学的代际理论是描述和研究不同代的人之间思想和行为方式上的差异和冲突的理论。借鉴这一概念，可以定义技术发展的“代际理论”，“代际理论”是描述和研究同类技术或产品不同发展阶段的差异和传承的理论。
纵观以往历史和可预见的未来，国内外电网及其技术发展的不同时期具有不同的技术经济特征，存在明显的代际差异、传承和发展特性。因此本文将其划分为三个阶段，即三代电网。本文中“电网”的含义是广义的，指包括发电、输电、配电和用电在内的电力系统，因此三代电网也可称为三代电力系统。
20世纪前半期的电网属于第一代电网，以小机组、低电压、小电网为特征，是电网发展的兴起阶段；20世纪后半期的电网属于第二代电网，其大机组、超高电压、互联电网的特征，标志着电网进入规模化发展阶段；从本世纪初开始建设并预计到2050年后在世界范围内实现的第三代电网，以非化石能源发电占较大份额(如达到40%～50%以上)和智能化为主要特征，是可持续发展和智能化的电网模式。
本文将对三代电网的发展过程及特征进行阐述，剖析当前中国电网发展面临的新形势和新问题，并对未来20~40年的电网技术发展进行展望。
1 三代电网的发展及其主要特征
1.1 第一代电网的发展
回顾国内外电力发展史，可以看到，同任何伟大的工程技术成就一样，电网作为承载国民经济电气化的载体，也是根据不同时代经济发展的需求和技术进步的程度分阶段发展的。
19世纪中叶，物理学中电磁现象的科学发现和技术发明，以及工业化升级对能源动力的强烈需求，催生了19世纪末20世纪初的电力工业。经过数十年时间的发展，形成了以交流发电和输配电技术为主导的电网。然而直到二次世界大战结束，电
网的发展状况，从发电机组的单机容量、输电电压等级、电网规模、运行技术等方面的特征看，都还属于初级阶段。
第一代电网的主要特点是交流输电占主导，输电电压较低，达到220 kV等级；电网规模小(属于城市电网、孤立电网和小型电网)；发电单机容量不超过10万~20万kW。
第一代电网发展历程中的标志性事件有[23-28]： 1）1882年，爱迪生在纽约建成世界上第一座商用发电厂(660 kW，110 V直流电缆送电，1.6 km)；1885—1886年威斯汀豪斯建成第一个交流输电系统，1895年建成尼亚加拉大瀑布电厂(3台3 675 kW水电机组)至布法罗35 km的输电线路，交流输电确定了主导地位。
2）1916年，美国建成第一条132 kV线路， 1923年开始使用230 kV线路，1937年建成287 kV线路[23]。
3）1918年，美国制造了第一台容量6万kW汽轮发电机。
4）1929年，美国制造了第一台容量20万kW的汽轮发电机。
5）1932年，苏联第聂伯水电站的单机容量 为6.2万kW，美国1935年胡佛水电站单机容量为8.25万kW，1934年大古力水电站单机容量10.8万kW。 1.2 第二代电网的发展及关键技术
第二次世界大战后全球经济快速发展。规模化工业生产对能源电力的巨大需求和廉价的化石能源，推动了电力工业的大发展和电网技术的空前进步与创新。以大机组、超高压输电和大电网为主要技术经济特征的第二代电网在世界主要经济大国和国际间相继建成，带来了规模经济的巨大效益，满足了社会和经济发展日益增长的需要。 第二代电网从开始过渡到技术成熟的时间跨度大体上是从20世纪中期到20世纪末。在此期间，电网规模不断扩大，形成了大型互联电网；发电机组单机容量达到30万~100万kW；建立了330 kV及以上电压等级的超高压交流、直流输电系统。 第二代电网发展历程中的标志性事件包括[29-31]：
1）1952年，瑞典首先建成380 kV超高压输电线路，全长620 km，输送功率45万kW。
2）1954年，美国建成345 kV电压等级线路。 3）1956年，苏联从古比雪夫到莫斯科的400 kV输电线路投入运行，全长1 000 km，并于1959年升压至500 kV，首次使用500 kV输电。
第22期 周孝信等：电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网 3
4）1965年，加拿大首先建成735 kV的输电 平的合理设计；借助科学试验和仿真计算，提高了线路。 输电系统过电压(包括内部过电压和外部过电压)预
5）1967年苏联建成了750 kV试验线路，1984年建成从苏联到波兰的750 kV输电线路。
6）1969年，美国实现765 kV的超高压输电。 测及防护水平；广泛采用线路并联电抗器补偿以及电抗器中性点小电抗补偿潜供电流的措施；各种运行方式下的调压和无功功率补偿提高了输电系统电7）1985年，苏联建成1 150 kV特高压输电 压控制水平；对超/特高压输电线路引起的电磁环境
线路。
欧美发达国家及苏联从20世纪50年代开始，伴随着大型水电、火电和核电站的建设，向以大机组、超高压和大互联电网为特征的第二代电网过渡。
中国现代电力工业始于1882年(上海)，到1949年全国发电设备容量为185万kW，年发电量 43.1亿kW?h。1971年，刘家峡水电站及刘家峡至关中330 kV线路(535 km，送电42万kW)建成，中国第一个跨省区域电网(甘肃、陕西、青海)形成[32]，拉开了中国第二代电网建设的序幕。1981年，建成第一条500 kV线路(平顶山—武汉)，开始以500 kV输电线为骨干的大区电网建设。世纪之交推动全国电网互联。2005年，西北电网750 kV线路投入运行[33]。2009年1月，中国第一条1 000 kV特高压输电线路投入运行[34]。
伴随电网的规模化发展，适应第二代电网发展的电网技术也发生了重大变化。除了装备和硬件技术的大型化和高参数化，在超高压远距离输电和互联电力系统关键问题解决的过程中，电力技术与同时代的数学理论、系统科学技术、计算机和信息科学技术、材料科学与技术广泛结合，极大地丰富和改变电力系统理论和技术的面貌，形成了电气装备、高压输电、系统运行与控制三个领域的关键技术。
1）装备和硬件技术。
高效大型发电机组技术，包括：超临界、超超临界燃煤机组(60万、100万kW)，100万kW核电机组，70万kW~80万kW水电机组；超/特高压交直流输变电设备和线路技术(交流500、750、1 000 kV断路器、变压器、互感器，±500、±660、±800 kV直流换流阀、换流变压器)；高速继电保护和安全稳定控制装置；光纤通信技术等。
2）超/特高压输电技术。
在建设750 kV及以下电压等级的超高压输变电工程，±660 kV及以下电压的高压直流输电工程，以及1 000、±800 kV特高压交直流输电工程的过程中，借助材料科学技术和高压试验技术的进步，提高了超/特高电压条件下空气及其他介质的绝缘强度特性，促进了输电线路及输电设备绝缘配合与绝缘水
干扰，如电晕放电造成的无线电干扰、电视干扰、可听噪声干扰，以及地面电场强度对人体影响等问题进行了大量研究并采取有效解决 措施。
3）电力系统运行与控制技术。
解决大型互联电网经济运行和系统安全问题的需求带动了电力系统运行优化和控制技术的研
究，包含安全约束的经济调度理论和方法、低频振荡(动态稳定)和暂态稳定控制的理论方法得到充分研究和广泛应用；采用先进计算机和计算方法的电力系统分析和仿真技术，开发了大规模电力系统计算分析软件，包括详细动态建模的大规模电力系统机电/电磁暂态计算分析、可靠性计算分析等；采用先进理论和技术开发并广泛应用了快速继电保护和安全稳定控制系统；基于电力系统远程测量(常规远程终端(remote terminal unit，RTU)、同步相量测量装置(phase measurement unit，PMU))和光纤通信、离线和在线分析的调度自动化能量管理系统成为电网安全经济运行的重要保障。
到21世纪初，结合超/特高压输电系统建设以及大区电网/全国联网实践，中国通过研究开发和工程实践，从一次设备和系统，到二次控制、保护，以及安全稳定运行技术、仿真分析技术都得到迅速的发展，全面掌握了第二代电网技术，总体达到国际先进水平[35]，部分技术(如特高压输电)水平居国际前列。 1.3 第三代电网的兴起及技术挑战
自20世纪末以来，新能源革命在世界范围内悄然兴起，世界各国能源和电力的发展都面临空前的应对和转型挑战。以接纳大规模可再生能源电力和智能化为主要特征的下一代电网，即第三代电网，成为未来电网发展的趋势和方向。第三代电网就是现代电网(modern power grid)、广义的智能电网，是100多年来一、二代电网在新形势下的传承和发展。
适应国际能源和电力发展趋势，中国以煤为主的能源结构和电源结构需要在今后几十年内逐步改变，可再生能源和核能、天然气等清洁能源电力将逐步成为主力电源，电网的发展将经历重大转型。
20世纪80、90年代开始，发达国家开始研究分布式发电、可再生能源电力、微电网、高速光纤
4 中 国 电 机 工 程 学 报 第33卷
通信和电力市场，研究开发电力电子装置在电力系统中的应用(如灵活交流输电技术FACTS、定制电力技术(custom power)等，新一代电网的前景初步显现。当前世界范围内大规模展开可再生能源开发和智能电网建设，拉开了第三代电网发展和建设的序幕[36-40]。
第三代电网的主要特征是：电源组成上，以非化石能源为主的清洁能源发电应占较大份额(如中国应力求达到50%以上)，大型骨干电源与分布式电源相结合；电网结构方面，国家级(或更大范围)主干输电网与地方电网、微电网协调发展；采用大容量、低损耗、环境友好的输电方式(如特高压架空输电、超导电缆输电、气体绝缘管道输电等)；智能化的电网调度、控制和保护；双向互动的智能化配用电系统等。
第三代电网传承第二代电网规模化发展的某些特征，将在未来大型骨干电源建设、国家级主干电网建设、电网运行控制和调度的数字化信息化智能化等方面进一步创新发展。但要实现主导第三代电网发展两大特征的功能，即大规模可再生能源电力的集中和分散接入以及电网运行控制和用电的全面智能化，则对电源和电力网发展模式，对电网装备的创新，对电网运行控制、仿真计算分析、智能用电以及用户与电网双向互动等多个方面，提出了前所未有的技术挑战，可概括为装备硬件和系统
集成两个方面[33-35]。
1）装备和硬件技术。
高效、节能、环保的硬件装备是新一代电网发展的基础。主要包括：经济高效的可再生能源发电装备(风力、太阳能、生物质能等)；新型高效的输配电技术和装备(特高压输电、超导输电、地下输电，智能化绿色电器)；新型电力电子元器件、装备和技术；大容量和分布式储能技术和装备；各类传感器和信息网络。
2）系统集成技术。
融合先进信息通信技术、电力电子技术、优化和控制理论和技术、新型电力市场理论和技术等的系统集成是未来新一代电网构建和安全经济运行的基础。具体包括：大容量集中式和分布式可再生能源电力接入技术；基于先进传感、通信、控制、计算、仿真技术，涵盖各类电源和负荷的智能化能量管理和控制；新一代电网的建模和分析技术；电网运行的能量流和信息流可靠性评估和安全防护；支持各类电源与用户广泛互动的电力市场理论、模式和运作方式；资产管理和综合服务系统；智能化的配用电系统，实现电力需求侧响应和分布式电源、电动汽车、储能装置灵活接入；覆盖城乡的能源、电力、信息综合服务体系。
第一代、第二代和第三代电网主要技术经济特征的比较如表1所示。
表1 第一代、第二代和第三代电网技术经济特征的比较 Tab. 1 Comparison between different generations of power systems
项目 电源结构及 单机容量 输电电压及 输电方式 电网规模及 结构模式 保护和 控制系统 调度方式 用电方式 效率 对环境的影响 安全可靠性
第一代电网 机组容量不超过 10万~20万kW 220 kV级及 以下输电和配电 城市电网， 孤立电网和小型电网 简单保护和控制 经验型调度 被动型用电 电厂能耗率、 线损率高 电厂污染排放严重 电网安全和 供电可靠性低 资源优化配置能力差 粗放的经营管理
第二代电网
化石能源为主的电源结构，大机组容量
达到30万~100万kW
330 kV级及以上超高压交流、直流输电，
主要是架空输电方式 分层分区结构的大型互联电网 快速保护和优化控制；输变电设备
故障的快速切除
分析型调度，适应负荷变化的电源侧
能量管理系统
被动型用电，单一的电力服务
发电和电网效率较高
常规污染排放(SOx，NOx等)基本解决 但以化石能源发电为主，碳排放量大 电网安全和供电可靠性大幅提高， 但大电网事故风险依然存在 充分利用大机组大电网的规模经济性，
大范围的资源优化配置能力 发、输、配垂直集中管理，后期引入
电力市场机制
第三代电网
清洁能源发电占较大比重(中国力求达到50%以上)，
大型骨干电源与分布式电源相结合 大容量、低损耗、环境友好的输电方式 (特高压、超导、气体绝缘管道等) 主干输电网与地方电网、微电网相配合
智能的电网控制、保护系统； 输变电设备和网络自愈
智能型调度，适应可再生能源电力变化和
负荷变化的综合能量管理系统 主动型用电，用户广泛参与电网调节； 向用户提供能源和信息综合服务
采用经济高效的清洁能源发电设备及新型输配电
技术和装备，发电和电网效率大幅提升 化石能源消耗大幅降低，碳排放大幅降低 供电可靠性大幅提高，基本排除用户的意外停电风险大型集中式和分布式清洁电力相结合，基于先进传感、通信、控制、计算等实现资源智能优化配置
市场化的管理模式，充分调动电网、
用户参与各方的积极性
经济性和资源 小机组、小电网经济性差， 优化配置能力 管理模式
第22期 周孝信等：电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网 5
2 未来电网的几类前瞻技术
与传统电网相比，第三代电网的使命将发生重大变化，未来电网将成为[41-49]：
1）大规模新能源电力的输送网络，具有接纳大规模可再生能源电力的能力。
2）灵活、高效的能源配置和供应系统，建立用户需求响应机制，分布式电源和储能将改变终端用电模式，电能将在电网和用户之间双向流动，大幅度提高终端能源利用效率。
3）安全、可靠的智能能源网络，具有极高的供电可靠性，基本排除大面积停电的风险。
4）覆盖城乡的能源、电力、信息的物联网和综合服务体系，实现“多网合一”，成为能源、信息的双重载体。
上述4点重大变化也是建设第三代电网的重大需求。基于此对未来科技发展趋势的预测，本文提出几类能促进传统电网转型并可能给未来电网带来重大变革的前瞻性技术，为超前部署基础理论研究和高技术开发提供参考，具体包括：
1）大容量储能技术和电动汽车
[50-58]
。
储能是未来智能电网适应大规模可再生能源接入、用户智能化与互动化以及变革传统电网升级模式等诸多问题的最佳解决方案之一。可行的大规模电网储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能等物理储能，以及锂电池、液流电池、铅酸电池等化学储能。
高性能大容量电池储能系统的技术核心是电池本体技术、系统集成与应用技术。电池本体关键技术主要是要突破电池原材料制备技术和电池本体制造技术，系统集成与应用技术着重解决围绕不同应用场景的储能配置与
久久建筑网m.kkreddy.com提供大量：建筑图纸、施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。