中國電力資源供需區域分布與輸送狀況

王春亮，宋藝航

（1. 廣東電網有限責任公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000；2. 華北電力大學，北京 102206）

中國電力資源與負荷分布呈逆向分布，電力資源主要分布在西部、北部地區，而負荷則主要分布在東部地區，由此造成中國電力工業供電成本高昂，風電消納困難，輸電損耗嚴重，電力投資臃腫等窘況。對社會而言，造成一系列負外部性效應，其提高了社會用電成本，降低了能源利用效率，也加劇了大氣污染程度[1-2]。如何協調電力資源與負荷分布，實現電力資源的跨區域優化配置已經成為電力工業低碳化、可持續發展的關鍵問題。

傳統模式下電力資源的跨區域配置主要依賴一次能源運輸的模式實現，遠距離輸電技術的發展在一定程度上緩解了傳統能源運輸通道的壓力，豐富了電力資源跨區配置的形式。中國正致力建設跨區域輸電通道，強化區域間電網架構，通過區域間的發電置換優化清潔能源的利用水平，緩解受端區域發電排污壓力。本文就中國電力資源與電力需求的分布以及跨區域資源配置的形式展開論述。

1 中國電力需求分布狀況

近十年來，中國電力需求始終保持著增長態勢。2012年，全國全社會用電量達到49 591億kW·h，較2011年增長5.46%。電力需求的增速有所放緩，下降至近十年來的最低點，電力增速放緩主要受國際經濟低迷、國內產業結構調整等因素的影響[3-4]。

1.1 電力需求總量分布

電力資源是經濟發展的重要支撐，因此，中國各省市的電力需求水平與其經濟總量水平相一致。經濟總量越高的省份，其電力需求也相對較高，如圖1所示。中國負荷中心與經濟中心的分布基本吻合，主要分布在華北、華東以及南方地區。2012年，華北地區用電量為11 883億kW·h，占全國用電量的24.0%；華東地區用電量為12 086億kW·h，占全國用電量的24.4%；南方地區用電總量為8 343億kW·h，占全國用電量的16.8%。然而，這些地區電力資源蘊藏量，尤其是煤炭資源，相對于其他區域而言并不豐富，需通過遠距離的煤炭或電力輸送來實現其區域內電力供需平衡。

圖1 各地區用電量與國民生產總值的關系Fig. 1 Relationship between power consumption and GDP in different areas

1.2 電力需求增長分布

盡管中國電力需求主要集中在經濟發達的省市，但從用電需求的增長率來看，用電增長較快的省份主要位于中、西部地區，這主要受中、西部工業快速發展的帶動。各省的用電增長率分布如圖2所示。

圖2 2012年各地區用電增長狀況Fig. 2 Electric power consumption growth rate in 2012 in different areas

2012年，在國家西部大開發政策帶動下，西北地區電力需求增長11.6%，遠高于其他區域，較全國平均水平高出6.1個百分點；華北、華東地區電力需求增速分別為4.9%與5.3%，較2011年回落6.7、5.3個百分點；華中地區與東北地區因高耗能產業生產規模有所下降，整體電力需求增長緩慢，增速分別為3.6%、3.1%；南方地區電力需求增速為6.4%，較2011年也有較大幅度下降。電力需求增速與電力需求量呈逆向分布，即電力需求增速與電力資源分布相對一致。國家高耗能產業轉移的戰略將在一定程度上降低電力資源供應與電力需求分布的不協調性，但基于區域間電力需求差距較大的現況，電力資源的跨區域優化配置仍是中國理順能源-經濟價值鏈的關鍵途徑。

2 中國電力資源分布狀況

中國發電的一次能源主要包括煤炭、水能、風能、核能、天然氣、生物智能等。根據2012年中國各類能源發電裝機狀況，燃煤發電的裝機容量占總裝機容量的66.2%，發電量占總發電量的73.9%；水電裝機容量占總裝機容量的21.7%，發電量占總發電量的17.3%；風電裝機容量占總裝機容量的5.3%，發電量占總發電量的2.0%。煤電、水電、風電3種發電技術占了發電裝機總容量的90%以上。因此，圍繞中國煤炭、水能以及風能資源的分布論述中國電力資源的分布狀況。

2.1 煤炭資源分布狀況

燃煤發電機組在中國發電市場長期處于主導地位，盡管近年來燃煤發電機組裝機容量占比呈下降趨勢，但在2012年底累計裝機容量仍達到66.2%，從發電量來看，其發電量份額更是達到73.9%。2012年，中國53.4%的煤炭資源用于電力生產，煤炭無疑是中國電力供應的核心資源，其主要分布在中國西部與北部地區。2012年，山西、陜西、內蒙古、寧夏、新疆地區煤炭產量達到26.8億t，占全國煤炭產量的73.5%。相對而言，2012年以上5省的全社會用電量為6 683億kW·h，僅占全國全社會用電量的13.5%。中國煤炭資源的供應與需求的地域分布存在比較嚴重的不對稱問題，煤炭資源豐富地區絕大部分的煤炭均通過輸煤或者輸電的形式滿足其他地區的電力消費需求。

為更直觀地描述煤炭資源生產與消費地域分布的不一致性，借用基尼系數的概念，測算全國煤炭生產供應能力與電力消費需求之間的地域差異水平。按區域內煤炭產量滿足當地電力需求的能力（煤炭產量/全社會用電量）對各省份由小到大進行排列，根據2011年統計數據，廣東省煤炭產量對滿足電力供應的缺口最大，其次是上海、天津，而山西省區域內煤炭產量對電力需求的滿足能力最強；根據各省份排序的煤炭產量累計比例以及電力消費累計比例擬合出洛倫茲曲線，如圖3所示。洛倫茲曲線與45°線之間的面積則為基尼系數。當煤炭產量的分布與電力需求分布完全吻合，即各省煤炭產量與電力需求呈線性正相關時，洛倫茲曲線將與45°線重合。若洛倫茲曲線大幅度偏離45°線，說明電力資源的供需存在嚴重的不均衡。

圖3 煤炭與電力供需分布洛倫茲曲線Fig.3 Lorenz curve of the coal supply and power demand

假設第i省份的累計用電量為λi，累計煤炭產量為θi，那么根據基尼系數的計算公式，可以推導出煤炭與電力供需分布基尼系數的估算公式為：

結合圖3的數據可以計算得出中國煤炭資源與電力需求區域分布的基尼系數為0.70，煤炭資源生產的區域分布與電力需求的區域分布存在嚴重的不協調問題，需通過資源的跨區域調度解決供需不平衡的困境。

2.2 水能資源分布狀況

中國水能資源位居世界首位，水能資源理論蘊藏年發電量為6.08億kW·h，平均功率6.94萬kW；技術可開發裝機容量5.42億kW，年發電量2.47萬億kW·h；經濟可開發裝機容量4.02億kW，年發電量1.75萬億kW·h，分別占技術可開發裝機容量和年發電量的74.2%、70.9%。由于水電具有供應安全，成本經濟的特點，在未來一段時間，水電項目仍將是中國電力工業建設的優先選項。

雖然中國水能資源豐富，但中國水能資源的分布也存在與電力負荷分布不協調的問題，須通過“西電東送”將清潔能源輸送至東部地區[5]。從水電裝機的區域分布結構來看，中國水電裝機容量主要分布在華中與南方地區。截至2012年底，華中地區水電裝機容量達到10 322萬kW，占全國水電裝機總量的41.5%；而南方地區水電裝容量也達到7 889萬kW，占比31.7%。而從水電的新增裝機容量來看，2012年，新增水電裝機容量1 551萬kW，也主要分布在華中以及南方地區，分別占新增裝機容量的54.5%、25.3%。與煤炭資源相比，水電裝機的分布與中國電力需求的區域分布一致。

繼續沿用基尼系數作為資源供需區域分布一致性的度量指標，圖4為水電裝機與電力需求區域分布的洛倫茲曲線，圖5則為水能經濟可開發量與電力需求區域分布的洛倫茲曲線。

圖4 水電裝機與電力需求分布的洛倫茲曲線Fig. 4 Lorenz curve of the installed hydropower capacity and power demand

圖5 水能經濟可開發量與電力需求分布的洛倫茲曲線Fig. 5 Lorenz curve of the economical exploitable hydropower and power demand

根據基尼系數計算公式可以計算出中國水電裝機與電力需求區域分布的基尼系數為0.65，相對于煤炭資源與電力需求區域分布的基尼系數小，即水電裝機的建設與電力需求的分布更加協調。然而這并不代表水電資源與電力需求分布更加協調，這只是基于電力需求分布優先開發負荷中心水資源的電力建設的效果。水能經濟可開發量與電力需求分布的基尼系數為0.81，高于煤炭資源與電力資源區域分布的基尼系數取值。通過對比可知，水能資源的分布較之于煤炭資源與電力需求分布，其協調程度更低。

2.3 風能資源分布狀況

中國風能資源豐富，從風能資源的蘊藏量來看，中國可開發的風能資源與美國相當，而又遠遠優于印度、德國、西班牙等風能資源比較豐富的地區。2012年，中國新增風電裝機容量13.0 GW，累計風電裝機容量75.3 GW，均位居世界首位。然而，隨著中國風電產業的快速發展，中國風電的棄風問題也逐步凸顯。2012年中國部分省份風電機組的年等效利用小時僅為1 400 h，遠低于規劃發電利用小時數，全國棄風電量達20 TW·h，因棄風導致的電量損失相當于700萬t標準煤。在風電機組發電效率無法得到保障的情況下，發電商對風電投資態度也從積極轉變為觀望，這不利于風電產業的可持續發展。

中國風能資源主要分布在北部地區以及東部沿海地區，但基于開發條件、項目經濟性的考慮，目前中國風電裝機的開發主要集中在北部與東部地區[6-10]。截止2012年底，內蒙古自治區、河北省與甘肅省累計裝機容量位列全國前三位，分別占全國裝機容量的24.5%、10.5%以及8.5%，遠高于其4.1%、6.2%以及2.0%的全社會用電比例。而用電需求最高的廣東、江蘇以及山東3個省份，其風電裝機容量分別占全國裝機容量的2.2%、3.1%以及7.6%，僅山東的風電裝機容量與電力需求比較一致。風能資源分布與電力需求分布不一致是風電消納困難的重要原因，風能資源豐富地區電力需求較低，缺乏足夠的風電消納能力，從而造成嚴重的棄風現象。

沿用基尼系數計算公式對風能與電力需求分布的一致性程度進行研究。圖6為風電裝機與電力需求區域分布的洛倫茲曲線，圖7則為風能技術可開發量與電力需求區域分布的洛倫茲曲線。

圖6 風電裝機與電力需求分布的洛倫茲曲線Fig. 6 Lorenz curve of the installed wind power capacity and power demand

中國風電裝機與電力需求分布的基尼系數為0.64，與水電機組的水平相當。然而風能技術可開發量與電力需求分布的基尼系數則達到0.87，均高于煤炭資源以及水能的相關水平。測算結果表明，風能資源與電力需求分布的一致性較差，加之風能發電具有不確定性，需要大電網進行消納，這就要求風電擴大消納的空間范圍，除了實現風電本地的消納外，還要通過輸電線路將電能輸送至負荷中心，實現風電的跨區域消納。

圖7 風能技術可開發量與電力需求分布的洛倫茲曲線Fig. 7 Lorenz curve of the technological exploitable wind power and power demand

3 跨區域電力資源配置狀況

基于我國電力資源的分布現狀與產業結構調整發展趨勢，能源生產重心將進一步向西部與北部偏移，但是電力負荷中心仍將長期保持在中東部地區，能源流向的規模與距離可能進一步增大。從輸送介質來看，電力的跨區域平衡主要包括輸煤與輸電2種模式。現階段，中國電力資源的跨區域配置仍以輸煤為主，但隨著遠距離輸電技術的發展，輸電的比例正逐步擴大。

3.1 輸煤網絡輸送狀況

中國已經形成了由鐵路、公路與水路組成的煤炭運輸網絡。其中，鐵路煤運量占總煤運量的70%左右，同時鐵路煤炭運輸量占鐵路貨運總量也達到40%左右。由于煤炭資源與需求中心的逆向分布，煤炭鐵路運輸形成了若干自北向南、由西向東的運輸通道。

根據2011年鐵道部印發的《鐵路“十二五”發展規劃》，到2015年，通過新線路的建設以及既有線路的改造，煤炭鐵路運輸能力將達到30億t以上，基本滿足晉、陜、蒙、寧、甘地區至華東、華中地區的煤炭運輸需求。

煤炭公路運輸主要集中在山西、內蒙古等煤炭產量較高的地區。從經濟性的角度來看，煤炭公路運輸并不適合遠距離作業。但由于過去中國鐵路運力不足，公路運輸成為了煤炭鐵路運輸的重要補充。而近兩年來，由于煤炭需求不足，煤炭價格持續走低，煤炭公路運輸的壓力減緩。

煤炭水運主要包括河運與海運2種模式。河運主要是通過長江或者運河將西部、北部的煤炭運往華東和沿途港口；海運則主要將北方中轉港口的煤炭運往華東、華南沿岸的港口。

3.2 輸電網絡輸送狀況

在煤炭鐵路運輸緊張的形勢下，加之特高壓輸電技術漸趨成熟，遠距離跨區域輸電已經成為電力資源跨區域優化的重要途徑[11-12]。自從第一條特高壓輸電線路——晉東南—南陽—荊門1 000 kV特高壓交付運營以來，中國正逐步形成縱橫交錯的交、直流特高壓輸電網絡。

中國跨區跨省電力交易近年來一直呈現快速增長態勢，其增長速度要高于全社會用電需求的增長速度，也就是說全社會用電量中跨區跨省供應的電力比例正逐步上升，輸電模式在中國電力資源跨區域優化配置中的地位正逐步提高，見圖8。

圖8 2009—2012年跨區送電量Fig. 8 Inter-regional power transmission from 2009 to 2012

“十二五”期間，中國將進一步擴大特高壓輸電線路的建設。通過特高壓輸電技術的推廣應用，形成以特高壓電網為骨干網架的電網架構。在華北、華東、華中地區形成“三橫三縱”的特高壓主網架；在西北地區建設覆蓋西北重要負荷中心及電源基地的750 kV電網；在南方地區形成“九直八交”的送電通道，促進云貴地區西電東送。

3.3 輸煤與輸電模式的對比

輸煤模式與輸電模式的比較是中國能源發展戰略的熱點問題，既有的研究對此問題觀點迥異，但其比較主要是圍繞經濟效益、輸送能耗、占地面積、環境效益等角度展開。

1）經濟效益。輸煤與輸電的經濟效益孰優孰劣受送端與受端煤價差、運輸通道距離等因素的影響。在送端與受端煤價差固定的情況下，輸電價格低于價差時優先輸電，否則優先輸煤。

2）輸送能耗。無論輸煤還是輸電，在輸送過程中都會產生一定的損耗，但其損耗形式有所區別。輸煤損耗主要體現在煤炭運輸過程的自然損耗，還有輸送煤炭列車能耗；而輸電損耗主要是輸電設備與線路的電能消耗。煤炭的熱值越低，輸煤的能耗越高，輸煤效率則相應降低。研究表明：煤炭熱值低于5 300 cal/g（1 cal=4.186 8 J），應優先發展輸電。以蒙東地區為例，其煤炭資源主要為褐煤，熱值相對較低，應該優先就地轉化，通過輸電的形式將能源輸出。

3）占地面積。輸煤通道將直接占用走廊沿線土地，寬度約為40 m。輸電模式下塔基及變電站的占地面積較少，但是輸電走廊的用地性質將受到限制，而且輸電通道沿線的電磁污染一直備受爭議；如果將這部分備受爭議的用地納入輸電線路的占地面積，那么輸電模式的占地面積將是輸煤模式的10～20倍。

4）環境效益。環境效益的對比可以從燃煤機組的節能效益、清潔能源的利用水平以及發電排污的承托空間三方面展開。

①燃煤機組的節能效益。輸煤模式發電機組位于受電區域，而輸電模式發電機組則位于送電區域，一般而言，送電區域水資源相對匱乏，機組為空冷機組，其煤炭消耗水平相對于水冷機組高5%～6%。從這一層面來看，輸煤模式相對于輸電模式更有優勢。

②清潔能源的利用水平。水電與風電等清潔能源主要位于西部或者北部的送電區域。輸煤模式并不能將清潔電能輸送至受電區域，反之，通過輸電模式構建跨區域輸電線路可以擴大清潔能源的消納范圍，從而提高水電與風電的利用水平，減少棄水與棄風，促進西部、北部大型清潔能源基地發展。從清潔能源利用的層面，輸電模式要優于輸煤模式。

③發電排污的承托空間。與燃煤發電區域相對應，輸煤與輸電模式的溫室氣體與污染氣體的排放區域分別位于受電區域與送電區域。位于電力受端的東部地區人口密集，經濟發達，減排壓力較大，東部地區排放溫室氣體、污染氣體所造成的經濟損失遠大于西部地區。因此，從發電排污承托空間的角度，輸電模式可以在一定程度上緩解受端地區的減排壓力。

綜上所述，輸煤模式與輸電模式互有利弊，其優勢與劣勢受空間、價格、污染等因素的影響。然而，輸煤與輸電并非零和關系，并非必須二選一。輸煤模式在長時期內仍將是我國跨區域能源優化配置的重要途徑，而輸電模式可以擴大西部地區清潔能源的利用效率，降低受電區域的污染排放，是緩解輸煤壓力的有效補充。隨著遠距離輸電技術的發展，輸電比例將逐步提高。總而言之，輸煤與輸電是相輔相成的有機整體，只有協調發展輸煤與輸電，才能有效解決中國能源與負荷逆向分布的矛盾。

4 結語

中國電力負荷主要分布在東部地區，而主要的電力資源，如煤炭、水能、風能等則主要分布在西部與北部地區。電力負荷與電力資源的逆向分布造就了中國跨區域資源優化配置的必要性。

利用洛倫茲曲線描繪了煤炭、水能、風能與負荷分布之間的一致性程度，并借用基尼系數進行定量測算。研究表明煤炭、水能、風能的分布均存在較高程度的不協調。對比各類能源的基尼系數，首先煤炭分布與負荷分布相對協調，其次是水能，最后是風能。論述了輸煤與輸電2種資源輸送途徑的發展狀況與發展規劃。輸煤與輸電模式在經濟效益、輸送能耗、占地面積、環境效益等方面互有利弊。長遠來看，兩者仍將是中國電力資源跨區域配置的重要成分，但輸電比例應有所提高。

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