求论文 电气系统及自动化对电网的影响及未来的发展趋势

坚强智能电网：促进我国低碳发展的有效途径

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我国是世界上最大的发展中国家，也是世界上碳排量放最大的国家之一。过去的30年，伴随着经济的持续快速增长，能源消费大幅攀升。2009年，我国能源消费总量约31亿吨标准煤，2001～2009年年均增速为9.1％。我国一次能源消费以煤为主，煤炭消费量占一次能源消费总量的比重为70％左右。能源需求的快速增长使碳排放不断增加。据国际能源署报告，2005年我国二氧化碳排放总量约51亿吨，占全球排放的18%，居全球第二，仅次于美国；2007年超过美国成为世界上二氧化碳排放第一大国，占全球排放的21%。

我国发电装机以煤电为主，燃煤发电容量约占总装机容量的81％，因此电力行业二氧化碳排放量较大。来自国际能源署的数据显示，火电二氧化碳排放量占全国二氧化碳排放量的40%～50%，而且在未来一段时期还将继续呈上升态势。因此，电力行业的碳减排工作对我国实现低碳发展具有重要意义。

电力系统主要包括电源、电网和电力用户，其中电网是联系电源和电力用户的纽带。当前，电力行业实现碳减排的工作重点是：提高发电、输电、用电的效率；大力发展清洁能源发电。坚强智能电网的建设可以促进清洁能源的开发利用、提高电力行业用能效率。2010年第十一届全国人民代表大会第三次会议的政府工作报告中已明确提出“加强智能电网建设”。

坚强智能电网对节能减排的作用

当前，国家电网公司提出了坚强智能电网的建设目标。到2020年，将建成“以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网”，实现从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越。坚强智能电网建设包含发电、输电、变电、配电、用电和调度等六大环节。清洁能源机组的大规模并网技术，灵活的特高压交直流输电技术、智能变电站技术、配电自动化技术、双向互动关键技术、智能化调度技术等是各个环节建设坚强智能电网的关键技术。

坚强智能电网建成后，将在节能减排方面发挥重要作用，主要体现在：支持清洁能源机组大规模入网，加快清洁能源发展，推动我国能源结构的优化调整；引导电力用户将高峰时段用电转移到低谷时段，提高用电负荷率，稳定火电机组出力，降低发电煤耗；促进先进输配电技术在电力系统的推广和应用，降低输电损失率；为电网与用户有效互动提供技术支撑，有利于用户智能用电，提高用电效率；推动电动汽车的发展，带动相关产业发展，促进产业结构升级。

坚强智能电网的碳减排效益

从支撑清洁能源发电的接入、提高火电发电效率、提升电网输送效率、支持用户智能用电、推动电动汽车发展等五个方面分析，到2020年，若在国家电网公司经营区域内基本建成坚强智能电网，可实现二氧化碳减排量约15.3亿吨。（2020年坚强智能电网碳减排效益如表1所示。）

支撑清洁能源接入。水电、核电、风电、太阳能等清洁能源的发展，对于优化我国能源结构、减少化石能源消费、降低温室气体排放具有重要意义。坚强智能电网集成了先进的信息通信技术、自动化技术、储能技术、运行控制和调度技术，为清洁能源的集约化、规模化开发和应用提供了技术保证。坚强智能电网能够解决风电、太阳能发电等大规模接入带来的电网安全稳定运行问题，提高电网接纳清洁能源的能力。坚强的跨区网架结构，可以为远离负荷中心的清洁能源规模化、集约化开发提供输出条件。

根据规划，到2020年国家电网公司经营区域内的水电、核电、风电、太阳能等装机容量比2005年分别增加约15660万、5018万、9725万和1820万千瓦。按照水电、核电、风电、太阳能发电年利用小时数分别为3500小时、7500小时、2000小时和1400小时测算，与2005年相比，2020年国家电网公司经营区域内清洁能源发电量增加1.14万亿千瓦时，可减少煤炭消费3.93亿吨标准煤，可实现二氧化碳减排约10.88亿吨。

提高火电发电效率，降低发电煤耗。在坚强智能电网发展的带动下，清洁能源发电装机容量增加；同时由于调峰电源增加，使得火电运行效率提高，单位发电煤耗下降，因此系统发电燃料消耗减少。通过“需求侧响应”，引导用户将高峰时段的用电负荷转移到低谷时段，降低高峰负荷，减少电网负荷峰谷差，减少火电发电机组出力调节次数和幅度，提高火电机组效率，降低火电机组发电煤耗，减少温室气体和环境污染物排放。根据电力系统整体优化规划和系统生产模拟软件测算，在坚强智能电网发展的影响下，2020年全国平均火电单位发电煤耗下降5.8克/千瓦时。据规划，2020年国家电网公司经营区域内火电装机容量可达9.36亿千瓦，按照火电利用小时数为5300小时来计算，发电煤耗降低可节约0.29亿吨标煤，减排二氧化碳为0.8亿吨。

提升电网输送效率，减少线路损失。未来，我国的特高压技术和坚强智能电网，将大大降低电能输送过程中的损失电量。此外，电网灵活输电技术对智能站点的智能控制以及与电力用户的实时双向交互，都可以优化系统的潮流分布，提高输配电网络的输送效率。

坚强智能电网的高级电压控制系统能够有效提高常规电网的节能电压调节和控制水平，提高电能传输效率，减少输配电损耗。美国西北太平洋国家实验室（简称PNNL，以下同）研究表明：高级电压控制系统可使得电网本身实现的节电潜力为上网电量的1%～4%。

考虑我国线损的实际情况，未来下降空间相对较小。假设坚强智能电网的发展可使国家电网公司经营区域内的平均线损率至2020年由2005年的6.58％下降到5.7％，即可减少线损电量502亿千瓦时，相应减少二氧化碳排放5145万吨。

支持用户智能用电，提高用电效率。智能电网一个重要的特征就是可以通过创新营销策略实现电网与电力用户的双向互动，引导用户主动参与市场竞争，实现有效的“需求侧响应”。

一方面，智能电网可以为用户提供用电信息储存和反馈功能。通过智能表计收集用户的用电信息并及时向用户反馈不同时段的电价、用电量、电费等信息，引导和改变用户的用电行为。用户可以根据自己的用电习惯、电价水平以及用电环境，给各种用电设备设定参数。如空调和照明等智能用电设备可以根据相关参数，自动优化其用电方式，以期达到最佳的用电效果，进而提高设备的电能利用效率，实现节电，并通过选择用电时间达到减少电费支出的目的。PNNL研究表明，信息干预和反馈系统可以使得用户用电效率提高3％。

另一方面，智能电网可以为用户提供故障自动诊断服务。实时采集用电设备的运行情况，及时发现故障并反馈给用户，用户及时调整和优化设备运行方式，减少电能消耗及运行维护费用。研究表明，通过提供此服务，可以使用户用电效率提高3％。

我国目前电价机制不甚合理，电力用户与电力系统的互动性较差，电力用户还存在较大节电潜力。随着坚强智能电网建设工作的推进，电网与用户的互动将不断深入，电力用户将更加主动地节电。参考PNNL研究成果和我国的用电实际情况，假定坚强智能电网可使用户用电效率提高4％，按照2020年国家电网公司经营区域内全社会用电量为60000亿千瓦时和厂用电率为5％来计算，则2020年国家电网公司经营区域内电力用户可实现节电量约2150亿千瓦时，减少二氧化碳排放2.35亿吨。

推动电动汽车发展，减少石油消耗。汽车是我国耗能的重要领域，随着汽车保有量的不断上升，耗油量还将不断攀升，给我国能源安全带来巨大的隐患；汽车尾气排放也成为城市大气污染的重要来源。电动汽车是指以电能为动力的汽车。从能源利用效率方面来讲，电动汽车的能源利用效率比燃油汽车提高1～2倍以上。从运行的经济性来看，电动汽车百千米只消耗10千瓦时电，运行费用远低于普通汽车。

预计2020年，在智能电网相关技术的带动下，国家电网公司经营区域内2020年比2005年新增电动汽车约2500万辆，按照每辆电动汽车每年行驶20000千米计算，每年可替代汽油3550万吨，实现减排二氧化碳约为7940万吨。

建设坚强智能电网对实现我国碳减排目标的贡献

在未来相当长的时期，我国工业化和城镇化进程将加速推进，经济将保持平稳较快增长，经济的快速发展将带动能源需求的大幅增长。据有关机构预测，2020年我国能源消费量将达45亿吨标准煤，全国GDP将达62万亿元（2005年可比价格）。如果按照2005年的碳排放强度测算，2020年我国二氧化碳排放总量将超过173亿吨。这已远远超过我国资源和环境所承载的极限。

气候变化问题作为人类社会可持续发展面临的重大挑战，已受到国际社会的强烈关注。为积极应对气候变暖问题、实现绿色发展和低碳发展，我国政府提出了“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的碳减排目标。如果2020年我国二氧化碳排放强度比2005年下降40%～45%，则2020年二氧化碳排放总量应控制在95～104亿吨以下，需要减少二氧化碳排放69亿～78亿吨。

根据上述测算，建设坚强智能电网可实现二氧化碳减排量约15.3亿吨，可使2020年二氧化碳排放强度比2005年下降8.8%，对实现我国2020年碳减排目标的贡献率可达19％～22％。若国家加大有关政策执行力度，这一贡献率还可能提高

“十二五”特高压建设——五千亿畅想

电气设备行业下游涉及发电、输配电和用电，包括了电力、电网、冶金、煤炭等行业，与工业生产和居民生活紧密相关。由于其特殊地位，国家对下游电力、电网等行业监管严格，并出台一系列政策和规范约束企业经营行为。

自上而下看，“十二五”规划是目前国家层面最具指导性政策，将影响未来至少五年内的发展和变革，通过解读“‘十二五’规划建议”和“新兴产业规划”，可确立电气设备行业未来五年内将集中发展智能电网（含特高压）、工业节能产品和配电网改造。

自下而上看，成熟技术将首先得到推广（如柔性输变电、变频技术、智能用电系统）；综合分析市场空间及开拓进度，特高压直流输电、柔性输变电、高性能高压和低压变频器、智能变电站和智能用电系统、农配网改造将成为“十二五”发展重点。

从“十二五”规划出发，未来五年电气设备行业投资将呈现“两极化”趋势：特高压骨干网和配网改造将成为电网投资主题，“智能化”拉动二次设备占比提升，同时工业领域变频器将得到进一步普及。具体来看，特高压方面，直流建设基本符合进度，交流受示范线路验收推迟的影响有所延后，目前呈现提速趋势。“十二五”特高压直流将建设9条线路，预计总投资达2170亿元；特高压交流完成“三横三纵一环网”的建设，乐观估计投资达2989亿元，若考虑项目推迟的影响预测约2092亿元。预计特高压直流换流站投资1014亿元，其中换流变压器、换流阀和直流保护系统占65%；特高压交流变电站投资1225亿元，主要是变压器、电抗器和GIS开关，占比分别为18%、16%和24%。

发展智能电网和特高压是内生需求

我国电力供应长期面临远距离、高负荷、大容量的现状，这是与世界上绝大多数国家不同的发展问题，内生性需求决定了中国的电网必须在强度、广度和稳定性上超越其他所有国家和地区。

能源和用电负荷分布差异使特高压成为必然之选

我国的能源分布主要在北部和西部，以火电为例，已探明的煤炭储量近80%都集中在山西、内蒙古、新疆等地区，而经济发达的东部沿海用电需求量大，过去通过铁路运输的方式输送煤既不经济也不环保，未来通过电网直接输电可以很好地解决问题。

根据新能源发展规划，预计到2020年我国新能源占一次能源消费的比重应该达到15%左右。风能、水能也存在资源分布远离负荷中心的问题。

在我国，特高压是指交流1000kV及以上和直流±800kV以上的电压等级，据国家电网公司提供的数据显示，一回路特高压直流可以送600万千瓦电量，相当于现有500kV直流电网的5~6倍，送电距离也是后者的2~3倍，效率大大提高；同时输送同样功率的电量，如果采用特高压线路输电可以比采用500kV超高压线路节省60%的土地。正是因为这些优势，特高压才成为未来我国电网建设的必然方向。

电网规模化和区域网络互联对安全稳定提出新要求

我国电力装机容量已突破9亿千瓦，这个数字到了2015年将增加至13.5亿千瓦，到2020年达到17.9亿千瓦。

截至2009年底，全国220kV及以上输电线路回路长度达39.94万公里，我国电网规模已超过美国，列世界首位。

电网规模增大、结构日趋复杂和区域电网互联对运行的安全性和稳定性提出更高要求，通过引入先进的传感和测量技术，采用更安全环保的设备，整体集成并实现设备和控制的双向通信，就是电网“智能化”的体现。

城市化进程和新农村建设利好配电网络发展

我国的工业化已进入中后期，按照这样的工业化发展水平，城市化率应为55%~60%，而2009年我国城市化率只有46.6%。未来的5~10年，城市化进程将推动电网尤其是配网建设，集中在城网扩张和改造上。

我国城乡发展差异大，未来无论从改善民生、促进社会和谐的角度，还是从刺激内需，鼓励农民消费的角度，都要求建设和升级农村电网以满足新农村建设的需求。

正是因为我国电网发展必须与工业生产和居民用电水平相匹配，才萌生出对特高压、智能电网和配网建设的需要。而内生性增长符合产业和经济运行规律，这是可持续和稳定的趋势。

未来电网发展呈现“两极三重点”

“十二五”我国电网发展三大方向是：特高压、智能化改造和配网建设。

特高压和智能电网：在规划建议中提到大力发展包括水电、核电在内的清洁能源，同时“加强电网建设，发展智能电网”。

配网建设：规划建议要求“加强农村基础设施建设和公共服务”，“继续推进农村电网改造”。

过去十年我国电网建设集中在220~500kV（西北750kV）输电网络，未来将向着“特高压”和配网两端发展，而智能化顺应对复杂网络稳定和控制的要求，电网“三大重点”明确。

考虑电网对安全、稳定性的要求，相对成熟的技术当首先得到推广，尚处于挂网阶段的设备或试运行线路的建设脚步可能延后，在细分行业投资上应当有所甄别。总体来说：

第一，特高压直流建设进度基本符合预期，未来高端一次设备厂商和柔性输变电企业受益明显。

第二，“智能化”发展对应二次设备新建改造，配网和用电端智能化相对成熟，看好具有技术和渠道优势的龙头企业。

第三，配网改造，尤其是农网强调设备升级和电气化，上游的设备商数量众多、竞争激烈，区域化特点显著。

预计特高压直流尤其是柔性输变电技术将得到最快推广，直流高端一次设备生产商获益居次，智能变电站投资和农网改造分列其后。

特高压直流——发展先行高端一次设备发力

“特高压电网”指交流1000kV、直流±800kV及以上电压等级的输电网络，能够适应东西2000~3000公里、南北800~2000公里远距离大容量电力输送需求。

国家电网在“十一五”建设初年曾提出“加快建设以特高压电网为核心的坚强国家电网”。经过五年的发展，目前1000kV晋东南—南阳—荆门的交流示范工程完成验收，直流±800kV示范工程向家坝—上海线路投运，初步形成华北—华中—华东特高压同步电网，基本建成西北750kV主网并实现与新疆750kV互联。

规模投资启动直流输电将成“十二五”发展亮点

特高压直流输电（UHVDC）目前在我国主要是±800kV，从技术上看线路中间无需落点，可点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心，线路走廊窄，适合大功率、远距离输电，同时还能保持电网之间的相对独立性。

南方电网±800kV云广特高压直流2010年6月投产；国家电网±800kV向上特高压直流也于年内通过验收，预示着“十一五”直流工程进展顺利，直流输电技术发展进度基本符合预期。

根据国家电网发展规划，有9条±800kV直流线路计划“十二五”期间投运，同时有2条将在“十二五”开工，目前锦屏—苏南线路招标正有序进行。

投资总量方面，2016年建成的2条线路按照70%投资在“十二五”期间确认，国家电网±800kV特高压直流投资总规模预计达2170亿元（见表1）。南网规划的直流800kV工程为糯扎渡送广东线路，投资总额约187亿元，计划于2012年投产。

“十二五”国家电网和南方电网预计±800kV直流特高压输电投资达2357亿元，特高压直流全面建设启动。

同时考虑到国网±660kV和±400kV直流建设，南网±500kV直流，“十二五”期间两网的直流总投资规模达到3312亿元。

设备供应商——高端一次设备的盛宴

特高压直流包括线路和换流站建设，其中换流站对上游设备供应商的投资增量效果更明显。换流站主设备包括：换流变压器、电抗器、避雷器、换流阀和无功补偿装置等，其中投资大项为换流变和换流阀。

云广线换流站设备投资超过规划总量的一半，考虑到示范线路设备价格较高，预计未来规模建设后占比约为43%。

“十二五”特高压直流±800kV设备投资总额约1014亿元，其中换流变395亿元，换流阀203亿元，直流保护系统61亿元。若考虑两网±660kV、500kV和400kV后主站换流设备投资为1424亿元，其中换流变555亿元，换流阀285亿元，直流保护85亿元。

普遍看好一次设备龙头

特高压直流是坚强的输电网络，规模建设启动后将普遍利好一次设备生产企业。考虑特高压对设备稳定性和技术要求高，前期研发投入大，细分行业龙头将继续领先优势。

变压器：已完成建设招标的线路，设备供应商主要为特变电工、中国西电等行业龙头。

换流变压器招标特变电工份额接近45%，中国西电约35%，天威保变20%。考虑到示范线路招标量小，份额相对集中，全面建设启动后龙头企业相对份额会略有下降，但绝对中标金额提升明显。

换流阀：国内换流阀生产企业包括中国西电、许继集团和电科院，考虑到换流阀技术门槛高，未来将继续是三家三分天下的局面。

直流保护系统：许继电气、南瑞继保和四方继保三分天下，占比分别为38%、60%和2%。

无功补偿技术———“特高压”拉动发展

无功补偿技术旨在调节电网中的无功功率，减少电源由线路输送的无功，最终降低线路和变压器因输送无功造成的电能损耗，提高电源和线路的利用效率并保证电网运行的稳定。特高压输电由于线路距离长、电压高，在变电站配电端和输电网络中需安装无功补偿装置。

无功补偿主要分为并联型和串联型，目前电科院是行业龙头，占比超过80%。荣信股份并联无功补偿SVC在工业领域应用广泛，年内取得国网订单显示开拓电网脚步加快；串补TCSC中标南网大单，与西门子成立合资公司后预计将在电网市场取得不错的成绩。

预计“十二五”期间并联无功补偿（SVC+SVG）市场容量在51亿元，可控串补（TCSC）配合500kV以上线路建设，需求在60亿元，无功补偿总需求在111亿元，年均22.2亿元。

结合上述分析，提出如下核心观点：第一，“十二五”特高压直流进度符合预期，交流建设延迟是大概率事件，目前国网正加速推进项目审批和招标，未来工程获批将整体利好行业。

第二，特高压建设主要是高端一次设备，由于技术难度大，需要前期投入多，行业龙头优势明显，未来将占领主要份额。

第三，2011年是全面建设初年，投资启动对行业相关公司的业绩贡献将在今年下半年逐步体现。

特高压交流——进度落后期待项目审批提速

示范线路验收推迟交流建设提速在即

国家电网特高压交流示范工程晋东南—南阳—荆门1000kV线路直至2010年8月才通过国家验收，目前特高压交流建设进度落后于市场预期。

国网公司去年9月开始示范工程扩建工程施工招标，据悉另一条特高压交流线路锡盟—南京前期工作正有序开展，都预示着国网正努力推进特高压交流项目，未来建设提速可以期待。

按照国家电网的规划，到2015年将基本建成华北、华东、华中（“三华”）特高压电网，形成“三纵三横一环网”。特高压交流工程方面，锡盟、蒙西、张北、陕北能源基地通过三个纵向特高压交流通道向“三华”送电，北部煤电、西南水电通过三个横向特高压交流通道向华北、华中和长三角特高压环网送电。

从前期准备和招标情况看，“三纵”线路进度较快，未来有望先于其他线路提前开工。

预计国家电网特高压交流规划对应总投资2989亿元，其中特高压变电站投资1225亿元，线路投资1764亿元。

设备利好——变压器、GIS、电抗器

特高压交流设备包括变压器、电抗器、组合电器开关GIS、隔离开关、避雷器和无功补偿设备等，其中变压器、电抗器和GIS占比较大，根据示范线路投资组成粗略计算比例分别为18%、16%、24%。

乐观估计：“十二五”期间特高压交流7条线路全部完成投资；悲观估计：“十二五”完成预计投资量的70%。

变压器：主要设备供应商包括特变电工、天威保变和中国西电，示范线路招标占比分别为60%、40%、0%。预计中国西电技术实力雄厚，未来将享有一定份额，同时其他变压器企业有望在全面建设后取得订单。

电抗器：从示范线路招标看，中国西电和特变电工占比分别为58%和42%。考虑全面建设后预计其他企业能分得10%~15%的市场份额。

GIS：示范线路招标平高电气、中国西电和新东北电气均分天下，组合电器开关技术难度高，预计全面建设后将继续是三家领先行业。

特高压交流建设进度低于预期，目前晋东南—荆门扩建线路正有序招标，锡盟—南京线路年内有望获批，未来投资和建设有望提速，高端一次设备龙头仍是受益主体。

GIS (组合电器)的特点是什么?

GIS是Gas Insulated metal-enclosed Switchgear的缩写，意思是气体绝缘金属封闭开关。把各种控制、开关、保护电器，全部封装在接地的金属壳体内，壳内充以一定压力的SF6气体作为相间及对地的绝缘。国内称之为封闭式组合电器。 包括：断路器、隔离开关、接地开关、互感器（PT及CT）、避雷器和连接母线。

世界上第一套GIS于1967年在德国投入运行，由西门子公司制造，电压等级为126kV，采用油断路器，分相布置。

由于第二次世界大战后德国迅速的经济发展和重建被破坏城市和工厂的要求，在那时经济飞速发展，对能量的需求迫切，城市中电力增长极快，有时一年增长20%。这样仅在三年的时间里就使电力加倍。在城市内的供电点采用常规空气绝缘设备显然是不现实的，需要紧凑设计的户内装置，因而采用SF6绝缘的GIS应运而生。

与常规的敞开式高压电器设备相比，GIS有以下优缺点：

1）占地面积及体积小，如126kV等级，GIS的占地面积为敞开式的7.6%，体积为敞开式的6.1%，而252kV等级，GIS的占地面积为敞开式的4.0%，体积为敞开式的2.1%；2）维护周期长，或者不需要检修；3）受环境影响小。可用于湿热、污秽、高寒地区等严酷环境条件；4）制造困难，价格贵。

GIS组合电器主要参数和结构特点

GIS 是gas insulated switch的缩写，主要参数是：额定电压、额定电流、额定开断短路电流、额定关合电流、断口及对地工频耐压值、短时耐受、间隔宽度、额定气压值等等。

1968年西门子公司生产出第一套GIS，我国从1980年开始研制GIS，最早的型号是ZF1-252和ZF2-252，GIS相对于AIS（空气绝缘电器或敞开式电器）而言是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等元件组合在金属壳体内，用SF6（六氟化硫）作为绝缘气体和灭弧介质，使得变电站的开关设备高度集成，大大减少了占地面积和运行的可靠性。在当今城市用地紧张的情况下具有极大的优势。

GIS的缺点是投入大、改扩建困难，一旦出现故障检修较困难。

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