國內外電力流向及規模優化研究現狀及發展趨勢分析

宋福龍，張琳，孫珂，孫英云，肖筍

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市100052;2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206)

0 引言

我國能源資源的分布和消費在地理分布上存在突出的矛盾，76%的煤炭資源分布在北部和西北部、80%的水能資源分布在西南部、絕大部分陸地風能和太陽能資源分布在東北、華北和西北(“三北”)地區［1］，而負荷中心主要分布在中東部地區，2010年中東部16省用電量占全國用電總量的69%［2］。我國能源資源的稟賦決定了能源資源需要進行大范圍的優化配置，能源基地的電力將大規模送往華北、華中和華東(“三華”)負荷中心。隨著我國能源梯次開發向西部和北部轉移速度加快，能源產地和能源消費地之間的輸送距離越來越遠、能源輸送的規模越來越大。

我國智能電網建設的步伐不斷推進，“堅強”和“新能源接入”是智能電網的重要內容［3-5］，一方面源自電力系統事故的慘痛教訓，另一方面源自化石能源的日益枯竭。堅強的電網要求具備事故緊急功率支援的能力，這將會產生大規模的電力流動;同時新能源的接入也會使得電力流動更加靈活。

1 國外電力流向發展規模和趨勢

1.1 美國電力流向分析

1.1.1 美國能源分布整體情況

美國能源分布相對均衡，煤炭、水力資源在美國大陸東西部均有分布，相應的電源也主要集中在東部和西部地區，中部地區電廠密度相對較小，這與美國負荷分布一致，如圖1所示。

美國的可再生能源分布相對集中，尤其是太陽能資源，可開發資源多集中在西南部地區。對于天然氣和石油資源來說，美國目前已有較為完善的石油和天然氣管網(如圖2、3所示)，運輸成本不高［6-7］。

根據美國能源信息管理中心公布信息，2009年美國凈發電量為3.95×1012kW·h，售電量約為3.60×1012kW·h。2009年三大主要發電能源(煤、天然氣和核電)占發電量的88%，石油相關能源占1%，水電占7%，其他再生能源占4%［8-9］。

1.1.2 美國負荷分布及發展情況

美國各地存在著負荷不平衡現象，總體來講，東西部沿海地區人口密度較大，負荷密度也較大，而中部地區，尤其是中北部地區人員稀少，負荷密度相對低一些［8-9］。美國各州年電力負荷分布如圖4所示。

1.1.3 美國電力流向分析及發展趨勢

目前，美國尚未出現全國范圍內的大規模電力流動，主要原因有:

(1)美國一次能源(煤炭、水力)分布相對較為合理，發電廠和負荷的分布也較為匹配，能源資源在很大程度上可實現就地平衡，無需大規模的電力流動。

圖4 2009年美國各州年電力負荷分布Fig.4 Power load distribution in the American states in 2009

(2)美國天然氣發電比例占總發電量的23%，而目前已有成熟的天然氣和石油管網來實現能源資源的優化配置，新建大規模輸電線路來取代原有的輸氣方式的必要性不強。

(3)歷史原因。美國電網最初是電力公司根據當地負荷和電源情況建設的孤立電網，發電和用電一般在本地平衡。雖然電網規模在逐漸擴大，但電網公司仍屬私人所有，考慮到輸電網建設成本巨大，這些私營電網公司對大容量、長距離電能傳輸的需求不大［10］。

雖然美國目前尚未出現全國范圍內的大規模電力流動，但由于各地能源的特點不同以及不同能源方式的互補要求，美國各個電網內部也存在著一些典型的電能流動方式，主要包括加拿大“水電南送”、PJM電網“西電東送”以及加利福尼亞獨立系統(CAISO)“北電南送”等［11］。

經過多次大停電事故后，美國政府和電力工業界逐漸發現輸電設備老化、區域交換能力不足等問題制約了美國電網的進一步發展，因此在Grid 2030中提出了建設全國范圍內的聯合電網的展望。但考慮到美國煤炭、天然氣等資源分布較為均衡，天然氣管網等資源配置設施非常完善，在可以預見的將來，與我國大范圍、大規模的資源優化配置不同的是，美國電網的大規模電力流動將側重于:(1)事故情況下的緊急支援;(2)可再生能源的接入。圖5展示了美國太陽能資源開發可能對美國電力流向的影響。當美國太陽能發電開發到一定程度之后，將出現從美國西南地區(太陽能資源豐富地區)到負荷中心(西部沿海為主)的電力流向。

1.2 歐盟電力流向分析

1.2.1 歐盟能源分布整體情況

歐盟地區能源資源，尤其是化石能源資源相對較少。歐盟委員會調查顯示，歐盟煤炭儲量占世界總量的3.5%，天然氣儲量和鈾儲量均不到世界的2%，石油儲量不到世界的1%(如圖6所示)。歐盟本地化石能源相對有限，是世界上一次能源的最大進口地區。據研究，在2030年之前，歐盟對外能源依存度將達到70%，其中天然氣進口(如圖7(a)所示)將由40%增加到70%，石油進口(如圖7(b)所示)可能由76%增長到90%，煤炭進口(如圖7(c)所示)將由50%增加到70%［8-9］。

圖5 太陽能資源開發可能對美國電力流向的影響Fig.5 Impact of solar energy resource development on electricity flows in USA

圖6 歐盟能源資源分布Fig.6 Energy resource distribution in EU

歐盟水力資源較為豐富，可開發水力資源電量約為1.8×1012kW·h，占世界可開發水力資源的18%，但其分布并不均衡，主要集中在北歐地區和南歐的瑞士、意大利等國。

1.2.2 歐盟負荷分布及發展情況

歐盟各國電力負荷發展不均衡，總體來講，經濟和人口大國的用電負荷較高，如德國、法國、英國、意大利等，如圖8所示。

目前，歐盟電力結構中，可再生能源占比22%，為世界最高。同時，天然氣發電比重為18.7%，傳統火電為25%，核電為28.1%(主要集中在法國、德國等負荷密集地區)，歐盟發電站分布情況如圖9所示。

1.2.3 歐盟電力流向分析及發展趨勢

歐盟電力流向和美國有類似之處。由于能源資源的分布與負荷分布較為匹配，目前并未出現大規模電力流動情況，但石油、天然氣等一次能源流動現象較為明顯，這也在一定程度上抑制了電力流的產生。在北歐等地區出現了內部的典型電力流，這主要是由于北歐水電資源豐富，占比超過50%，主要位于西北部，而負荷中心主要位于北歐的南部。為滿足負荷中心的用電需要，電力流向整體呈現由西北向東南的格局［12-13］。

隨著歐盟電網建設的逐步加強，以及北歐水電資源、風電資源和南歐太陽能資源的進一步開發，未來歐盟電力流向將主要呈現從南、北方向向中央負荷中心(德、法、意大利等國)匯集的特征［14］，主要包括北歐水電和北海海上風電南下，南歐包括撒哈拉地區的太陽能發電南上等。歐盟現在和預計的未來能源組成如圖10所示。

1.3 俄羅斯電力流向分析

1.3.1 俄羅斯能源分布整體情況

俄羅斯是世界上煤炭、石油、天然氣、核燃料以及經濟水能資源蘊藏最豐富、生產能力最大的國家之一［15-16］。俄羅斯是世界第二大產油國，其原油主要蘊藏在東部和北部地區，其中西西伯利亞和伏爾加—烏拉爾地區的原油儲量占全俄原油總儲量的3/4。俄羅斯天然氣的探明儲量占世界的1/3以上，主要分布于西西伯利亞地區，其探明儲量占全俄總儲量的4/5左右。南西伯利亞地區是俄羅斯的主要產煤區，產量約占全俄的1/3以上。俄羅斯的電力工業主要分布在西部地區，烏拉爾及其以西的發電量占全俄的70%左右［17-20］。

俄羅斯的能源分布很不平衡，大致可分為:(1)具有全俄意義的能源基地，包括西西伯利亞、東西伯利亞和北方區這3個區;(2)能源基本有保障的地區，主要是伏爾加河流域、北高加索和遠東地區;(3)能源嚴重不足地區，主要包括中央區、西北區和伏爾加—維亞卡特區。

1.3.2 俄羅斯負荷分布及發展情況

俄羅斯的電力結構以火力發電為主，據2009年的統計結果表明，火電裝機容量約占62%，水電為21%，核電為17%。俄羅斯政府正在大力發展水電和核電以提高化石能源的出口量。

俄羅斯大致可分為:歐盟區、西伯利亞區、遠東區。其中，歐盟區裝機容量占俄羅斯電力工業裝機容量的72%，主要是火電和核電以及伏爾加河上的梯級水電站;西伯利亞區裝機容量占總裝機容量的21%，以水電為主，約占49.2%;遠東區的電力裝機較少，僅占整個俄羅斯裝機比重的7%，只有幾個小的火電廠。

俄羅斯的核電集中在西北、中部和中伏爾加3個聯合電網中;火電則集中在中部、烏拉爾、西北、西伯利亞和遠東聯合電網;歐盟部分和烏拉爾地區主要采用燃油發電，而在西伯利亞和遠東地區則全部是采用煤炭作燃料;在北方和遠東地區，由于居民生活采暖的需求，熱電廠占當大的比重，為全國提供了30%以上的供熱量。

在用電構成中，工業(包括建筑)用電和交通運輸用電比重呈下降趨勢，農業用電比重和包括生活、商業用電以及發電廠廠用電和輸配電損耗在內的其他用電比重呈增長趨勢。

從地理分布的角度看，俄羅斯75%的電力負荷位于西部，尤其是俄羅斯的歐盟地區。

1.3.3 俄羅斯電力流向分析

目前，俄羅斯電網聯絡線輸送能力較弱，一般區域電網間交易電量僅占區域發電量的5%～10%，如圖11所示［21］。

圖11 俄羅斯區域電網間交易電量Fig.11 Electricity trade between the Russian regional power grid

根據俄羅斯國家發展方向，在未來相當長的一段時期內，俄羅斯仍將是世界最大的能源出口國之一，目前以石油、天然氣、煤炭等一次能源為主要出口商品。隨著俄羅斯電網的不斷加強以及周邊國家用電需求的提升，中國、日本、韓國以及歐盟部分國家已有進口俄羅斯電力的打算。因此，俄羅斯將來的電力流將由能源富集區向周邊國家輸送。在西伯利亞部分，豐富的水電資源將會從西向東南方向輸送，即向中國、韓國和日本輸送，形成東北亞互聯電網。在歐盟部分，由于波羅的海3國等前蘇聯加盟共和國的存在，另外考慮到歐盟對能源安全的擔心，在俄羅斯東部形成跨國的電力流動難度較大，電力流多集中在俄羅斯歐盟地區與前蘇聯加盟共和國之間的內部流動。

1.4 巴西電力流向分析

1.4.1 巴西能源分布整體情況

巴西水能資源豐富，截至2009年末，巴西總裝機容量為1.04×108kW，其中水電裝機容量0.74× 108kW，約占總裝機容量的72%。此外，巴西還有部分天然氣、燃油、燃煤、核電、風電和生物質能機組［8，22］。

未來10年，巴西將優先考慮包括水電、生物質能、風能在內的可再生能源發電。可再生能源的開發以水電為主，重點開發潛力較大的西北部地區水電資源，由2009年的0.104×108kW增長到2019年的0.392×108kW，平均年凈增0.029×108kW。預計至2019年末，巴西發電總裝機將由目前的 1.04× 108kW增加至1.67×108kW，其中46%分布在東南、中西部地區，24%分布在北部地區，16%分布在東北部地區，14%分布在南部地區。

1.4.2 巴西負荷分布及發展情況

巴西負荷分布是由其自然條件所決定的。巴西北部地區為亞馬遜熱帶雨林地區，人口密度低，工業不發達，負荷極低;而東部沿海和東南部地區，自然條件較為優越，工業也很發達，集中了全國近80%的負荷。因此，巴西負荷呈現明顯的不均衡現象，東南地區和南部地區要遠高于北部地區，東部沿海地區尤為密集，如圖12所示。

1.4.3 巴西電力流向分析及發展趨勢

巴西地域遼闊，負荷分布較為集中，目前形成了從北部電網向東南部送電的電力流。但由于環境等方面的原因，目前北部地區水力資源尚未大量開發，這種態勢仍不太明顯。隨著未來西北部地區水電資源的大力開發，西北向東南的電力流規模將逐步加大。在風電方面，隨著北部沿海地區風電資源的進一步開發，巴西電網也將形成風電“北電南送”的格局。

圖12 巴西負荷分布Fig.12 Load distribution in Brazil

1.5 國外電力流向特征分析

綜合上述4個國家和地區電力流向現狀和發展趨勢，可以總結出影響電力流向發展的幾個關鍵因素:

(1)無替代運輸方式的一次能源(如水力資源)向負荷集中地區的大規模電力流動。傳統能源中的水力資源難以采用替代方式運輸，而水能集中地區又由于地形、地勢的限制，通常負荷密度較低。水力資源與用電需求的逆向分布往往會產生大規模電力流動。

(2)可再生能源的發展與接入會促進電力流動。以風能和太陽能為代表的可再生能源具有一個顯著的特征，即發電的不可控性。同時，由于自然條件的限制，這些能源豐富的地區通常人煙稀少，負荷較低。在化石能源日益枯竭的今天，世界各國對可再生能源發展都傾注了極大的熱情，由于這些資源的不可控性和地理分布上的特性，必然會產生電力流動的需求，將可再生能源接入主網并利用主網上大量可控發電對其進行調整，達到有效利用可再生能源的目的。目前，歐盟、美國的電網規劃中已經考慮了這一需求，將出現由于可再生能源接入所帶來的大規模電力流動。

(3)電網緊急功率支援需要堅強電網的支持，進而會產生大規模電力流動的需求。電網如果發生事故而導致功率缺口，就需要其他地區電網的功率緊急支援，這時就會產生大規模電力流動，并要求電網具備大規模電力流動的能力。美國電力事故多發，尤其是“8·14大停電”給美國社會帶來了巨大的損失，這方面的需求格外突出，提出要構建全國范圍內的互聯電網也是出于此考慮。

(4)電網結構的發展直接影響電力流向。影響電力流向的另外一個因素是該地區的電網發展歷史和電網結構。俄羅斯和巴西在進行電網規劃時，根據本國的能源分布特性考慮了大規模電力流動的需求，目前已出現了大規模電力流動的情況;歐盟和美國電網聯系薄弱，尚未出現大規模的電力流動，但根據美國和歐盟的電網規劃，隨著電網結構的增強，電力流規模也將逐漸增大。

2 未來我國電力流向分析

“十二五”至“十三五”期間，我國將在西北部地區建設大型煤電、風電、水電基地，裝機開發規模超過4×108kW。大型電源基地大多位于經濟欠發達地區，裝機開發能力本地無法消納，需將電力送往“三華”負荷中心。考慮能源基地的地理位置、開發能力、裝機結構及距離負荷中心的距離等因素，不同能源基地送電方向分析如下。

2.1 煤電基地送電方向

我國煤炭資源主要分布在西部和北部地區，在全國煤炭資源排名前6位的省份中，除貴州外，山西、內蒙古、陜西、新疆、寧夏等5省(自治區)都位于這一地區。從煤炭開發方面看，我國將建設神東、晉北、蒙東、寧東、陜北等13個大型煤炭基地，形成若干個億噸級生產能力的大型煤炭基地。這些大型煤炭基地的儲量占全國煤炭儲量的70%以上，其煤炭產量的一半以上將用于發電。從國際經驗看，同煤炭經長距離運輸后再用于發電相比，煤電就地轉化是一種高效、清潔的利用方式。就我國情況看，受運力、運輸損失、運輸成本、東部地區環境容量限制等因素影響，在煤炭基地就地建設大型煤電基地，實現煤電一體化發展，提高煤電就地轉化比例，通過電網送到中東部負荷中心，是一條高效率、低成本的煤炭開發利用途徑。

西北地區的大型能源基地距離“三華”負荷中心較遠，其向負荷中心的送電方向將形成我國電力流向的大輪廓。其他距離負荷中心較近的能源基地遵循就近消納及避免路徑交叉等原則，與西北電力外送方向相協調，實現本地電源送出。

西北地區的蒙陜甘寧地區規劃有大量裝機，而本地負荷需求有限，在滿足本地電網用電要求下，其余電力考慮外送消納。其中，鄂爾多斯能源基地電源主要在準格爾和上海廟地區，準格爾煤電基地已通過500 kV線路協議向京津唐地區送電。陜北地區神木錦界電廠一期部分機組已經順利投產發電，以“點對網”的方式通過500 kV交流線路送至河北南網。寧東煤電基地已在“十一五”期間建設寧東—山東±660 kV直流輸電工程，將4 GW電力送往華北、山東地區消納。

鄂爾多斯、陜北、寧東以及隴東煤電基地距離“三華”負荷中心約600～1 600 km，按電源的就近接入消納原則，上述煤電基地近期考慮向京、津、冀、魯、華中東部4省地區輸送電力，并參與華東的電力市場競爭。考慮各煤電基地之間的位置關系，為避免線路走廊交錯，優化送電方向，鄂爾多斯、陜北、寧東煤電基地主要送電京、津、冀、魯、華中東部4省，隴東煤電基地主要送電華中東部4省地區。同時，隨著外送電力的逐步加大，考慮送端裝機規模以及受端市場空間情況，“十二五”末期和“十三五”期間，準格爾、寧東煤電基地進一步考慮向華東負荷中心送電，參與“三華”受端電力市場競爭。

2.2 水電基地送電方向

我國水能資源主要分布在四川、云南、西藏等西部地區，當地負荷水平有限，水電大規模開發必須遠距離送到“三華”負荷中心消納。另一方面，四川、云南、西藏等西部水電基地在我國的地理位置偏南，若將電力送至華北負荷中心，不僅在整體送電格局上會造成送電路徑的大量交叉，還會造成部分電力通過南北輸電通道再次向南輸送，形成電力迂回，在經濟上和電網運行安全性上都是不合理的。因此，四川、云南、西藏等西部水電基地的電力應依據水火互濟和整體電力流向合理的原則，通過交、直流通道送至華中、華東地區電源結構以火電為主的省份，滿足中東部負荷中心電力需求的同時，提高電網運營效益和資源優化利用。

2.3 風電基地送電方向

我國風電資源主要分布在“三北”地區，規劃的8個千萬千瓦級風電基地(甘肅、哈密、蒙西、蒙東、河北、東北、江蘇、山東中7個集中在“三北”地區，基地規模大、集中度高，所在地區電力負荷小，電源以火電為主。

從地理分布上來看，大型風電基地可分為位于北部和位于東部負荷中心2類。位于北部地區的風電基地以甘肅、哈密、蒙西、蒙東、河北、東北等為代表，此類地區電力需求相對較小，需要通過大容量輸電通道實現大規模的外送。位于負荷中心的風電基地以江蘇、山東為代表，此類地區處于“三華”負荷中心的重要受端，電力需求較大，大型風電基地的集中接入一方面可以滿足當地巨大的用電需要，另一方面可作為受端支撐電源提高當地電網的安全穩定水平，剩余電力仍可外送。

考慮到受市場空間和系統調峰能力限制，風電消納能力十分有限，必須走“大規模、高集中開發，遠距離、高電壓輸送”的道路，在全國更大范圍內消納。規劃的8個千萬千瓦級風電基地電力需通過集中外送方式，與火電打捆后送往“三華”負荷中心，其送電方向與其周邊煤電基地的送電方向具有相通性。

綜上所述，未來我國主要在西部、北部能源資源豐富地區建設大型煤電基地、水電基地、風電基地，送電中東部負荷中心，形成“西電東送”、“北電南送”的基本電力流向，如圖13所示。

圖13 我國未來電力流向Fig.13 Future trends of power flow in China

3 結語

我國能源資源的分布和消費在地理分布上存在突出的矛盾。能源資源大部分集中在西部地區，而這些地區經濟發展相對落后，能源需求量不大，而占全國總負荷近七成的中東部地區能源資源卻十分稀少。加之我國不具備其他完善的能源資源輸送通道，而且有些一次能源(如水能、風能等)無除電力輸送以外的傳輸方式。這一突出矛盾導致我國電力出現“西電東送”、“南電北送”的大規模電力流向。同時，可再生能源的應用也會導致大規模電力流向的產生，電力流向也更為靈活。

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