面向未來的生態(tài)能源電網(wǎng)的構(gòu)想

黃孟哲 黃國政

摘 ? 要：本文針對(duì)目前電網(wǎng)的快速發(fā)展面對(duì)的問題提出了大膽的構(gòu)想，提出通過建設(shè)不同水平面的巨大水體來存貯、輸送、產(chǎn)生電能，解決電力傳輸距離越來越長、電壓越來越高、電網(wǎng)越來越大所隱藏的風(fēng)險(xiǎn)。該構(gòu)想是對(duì)未來的一種展望，希望能起到拋磚引玉的作用，其可實(shí)現(xiàn)性有待相關(guān)專家進(jìn)一步探討。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) ?生態(tài)能源電網(wǎng) ?電力輸送

中圖分類號(hào)：F426.61 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（a）-0252-02

1 ?我國電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

改革開發(fā)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于能源的需求與日俱增，2017年能源消費(fèi)總量達(dá)到了44.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)的比重為60.4%，其中絕大部分煤炭都轉(zhuǎn)化成電力能源。電網(wǎng)的規(guī)模也隨之快速擴(kuò)大，為了提高電力能源的傳送效率，輸電線路電壓等級(jí)不斷提升，全國已構(gòu)建了一個(gè)特高電壓等級(jí)的特大型電網(wǎng)。

截至2017年年底，全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量177708萬kW，其中，水電34359萬kW（其中抽水蓄能發(fā)電2869萬kW），占19.3%;火電110495萬kW（主要為煤電），占62.2%;核電3582萬kW，占2.1%;并網(wǎng)風(fēng)電16325萬kW，占9.2%;并網(wǎng)太陽能發(fā)電12942萬kW，占7.3%;全國人均裝機(jī)規(guī)模1.28kW，超過世界平均水平，電力供應(yīng)能力持續(xù)增強(qiáng)。

為了滿足龐大的電力輸送，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，跨省區(qū)輸送能力大幅提升，并且電網(wǎng)的發(fā)展速度正在不斷加快，以2017年為例，全國新增110kV及以上交流輸電線路長度和變電設(shè)備容量58084km和32595萬kVA，其中，220kV及以上線路長度69萬km，變電設(shè)備容量40億kVA。2017年全國電網(wǎng)工程建設(shè)完成投資5373億元。

2 ?電網(wǎng)存在的問題和潛在的風(fēng)險(xiǎn)

目前，我國主要是采取提高電壓等級(jí)的方式來進(jìn)行電力的遠(yuǎn)距離輸送，一般有交流特高壓和直流特高壓兩種技術(shù)[1]。傳統(tǒng)的大電網(wǎng)輸電存在一些問題。

（1）投資規(guī)模大且損耗明顯：隨著輸電設(shè)備電壓等級(jí)的提高，投資成本急劇增加，輸電線路的建設(shè)消耗大量的鋼鐵和水泥，高能耗加重對(duì)環(huán)境的污染[2];輸電距離遠(yuǎn)導(dǎo)致電能即使是提高電壓也在輸送過程中損耗巨大，升壓降壓的過程也增加了電能損耗，造成資源的極大浪費(fèi)。

（2）供電安全性降低：隨著電網(wǎng)復(fù)雜程度的增大，電網(wǎng)也變得更為脆弱，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大，一是電網(wǎng)運(yùn)行管理技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)明顯加大;二是大容量重要輸電通道突發(fā)故障會(huì)對(duì)兩端電網(wǎng)安全運(yùn)行造成較大壓力;三是重要直流輸電通道故障與交流電網(wǎng)故障相互影響，加劇安全風(fēng)險(xiǎn)[3];四是重要輸電通道安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）環(huán)境代價(jià)大，維護(hù)成本高：大電網(wǎng)需要線路走廊，高壓鐵塔、變電站等會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞;維護(hù)電網(wǎng)的費(fèi)用會(huì)隨著人力成本的提升而不斷增加。

3 ?利用水體構(gòu)建生態(tài)能源電網(wǎng)

利用水構(gòu)建生態(tài)能源電網(wǎng)的構(gòu)想，即建立一個(gè)不同海拔高度的多級(jí)水體網(wǎng)絡(luò)，其能夠覆蓋我國的能源基地和負(fù)荷中心，能源基地和負(fù)荷中心附近部署有該水體網(wǎng)不同層級(jí)的節(jié)點(diǎn)，利用不同水平高度的水體實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和傳輸。其核心是將多種能源直接轉(zhuǎn)化為水的勢能，然后利用水的自然特性進(jìn)行能源輸送，在負(fù)荷中心區(qū)域利用不同水平高度的水體的水位高度差將水的勢能重新轉(zhuǎn)化為電能，接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，供給用戶使用。生態(tài)能源電網(wǎng)構(gòu)建的主導(dǎo)思想是“整體規(guī)劃、化整為零、分步實(shí)施”。

（1）整體規(guī)劃。在全國范圍根據(jù)各地的地理?xiàng)l件、能源分布、負(fù)荷分布和現(xiàn)有河流、湖泊、水庫、水渠情況等，規(guī)劃擬建設(shè)水體層級(jí)數(shù)、水平高度、水體庫位置等，制定各級(jí)水體的建設(shè)規(guī)范、水體接入標(biāo)準(zhǔn)、能源轉(zhuǎn)換站點(diǎn)建設(shè)規(guī)范、接入標(biāo)準(zhǔn)等。

（2）化整為零。根據(jù)規(guī)劃制定的建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)可根據(jù)自身情況開展建設(shè)，一個(gè)片區(qū)一個(gè)片區(qū)地建設(shè)，根據(jù)地理?xiàng)l件確定所在片區(qū)的水體層級(jí)，后開展建設(shè)的水體庫應(yīng)考慮接入以之鄰近的等水平面水庫，逐步形成區(qū)域水體，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不斷延伸。

（3）分步實(shí)施。生態(tài)能源電網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)長期的目標(biāo)，需要一步一步實(shí)施。早期可先在運(yùn)輸條件差、能源豐富、水體容庫建設(shè)方便的地方建設(shè)能源輸入點(diǎn)，如煤礦場、風(fēng)電場、光伏電場附近;在離負(fù)荷中心近、電力能源需要長距離輸送的地方建設(shè)發(fā)電站點(diǎn);有經(jīng)驗(yàn)后逐步擴(kuò)大實(shí)施。

4 ?生態(tài)能源電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）降低電網(wǎng)復(fù)雜程度，供電更為可靠。由于負(fù)荷的傳輸通過水的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要電網(wǎng)連接，避免了電網(wǎng)局部突發(fā)故障影響全網(wǎng)安全;另一方面各部分電網(wǎng)的規(guī)?？s小，復(fù)雜程度降低，減輕了電網(wǎng)運(yùn)行管理難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了電網(wǎng)的可靠性。

（2）實(shí)現(xiàn)大容量能量的儲(chǔ)存，打破電網(wǎng)發(fā)輸供同步的限制：各種能源可不受限制地將產(chǎn)生的能量通過把下位水庫的水抽到上位水庫而存儲(chǔ)其能量;負(fù)荷側(cè)的水電機(jī)可根據(jù)用電需求隨時(shí)產(chǎn)生電能，滿足用戶的需要。

（3）無需特高壓、長距離輸電，減少電能損耗。其它能源可直接用于抽水儲(chǔ)能，因此可以減少傳統(tǒng)高壓電長距離升壓輸電的環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)組直接可連接抽水機(jī)組，減少了電能耗損，提高能源利用率。

（4）對(duì)環(huán)境友好。由于不需要高壓輸電，減少了高壓電線對(duì)空間的占用和對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成的威脅。而建設(shè)水庫在供發(fā)電的同時(shí)也能為區(qū)域提供灌溉、供水、航運(yùn)和防洪等功能，充分利用水資源。

5 ?構(gòu)建生態(tài)能源電網(wǎng)應(yīng)解決的問題

（1）水體分散建設(shè)時(shí)，如何保證建立水體的統(tǒng)一水平高度。整個(gè)構(gòu)想實(shí)施的基礎(chǔ)是建立一個(gè)以容量巨大的不同水平高度的多層級(jí)的水庫群為核心，因此各地區(qū)分散建設(shè)時(shí)，必須采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有嚴(yán)格的審查和驗(yàn)收制度，確保每個(gè)點(diǎn)的建設(shè)都符合規(guī)范要求。

（2）同層級(jí)水體之間連通的問題。在建立節(jié)點(diǎn)水庫后，因?yàn)闃?gòu)想中能源電網(wǎng)的能源傳遞是利用同層級(jí)的水庫水位相同的原理，在能源基地處抽水蓄能，在負(fù)荷中心處用水發(fā)電。但是不同地區(qū)的節(jié)點(diǎn)水庫雖在同一水平面，它們之間的區(qū)域并不是平整的，而是有很多復(fù)雜的地理環(huán)境，并不能簡單地直接連通，需要利用不同的地形，合理配置虹吸渠等措施，使整個(gè)層級(jí)的水網(wǎng)連通。

（3）不同層級(jí)水體之間建設(shè)的配合問題。能源電網(wǎng)通過不同層級(jí)間水體的能量轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)功效，建設(shè)時(shí)需考慮不同層級(jí)間水體的配套建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換利用的最優(yōu)。

（4）當(dāng)出現(xiàn)意外導(dǎo)致水體缺堤時(shí)，如何阻斷破壞的擴(kuò)散，減少損失是值得深究的問題。因?yàn)檎麄€(gè)水體網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模巨大且相互連通，如果遇到意外情況，例如地震等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致某處缺堤，所釋放出的破壞力將不堪設(shè)想。為了應(yīng)對(duì)這種極端情況，必須要有應(yīng)急預(yù)案?？梢酝ㄟ^在不同區(qū)域設(shè)置阻隔設(shè)施，當(dāng)一處區(qū)域的水庫缺堤時(shí)，這些設(shè)施可以及時(shí)將該區(qū)域的水體與其他區(qū)域隔絕開來，既阻斷災(zāi)難的蔓延，也便于修復(fù)。預(yù)防方式有很多，此處僅提一點(diǎn)拙見，以拋磚引玉。

6 ?結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增加，按現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，電網(wǎng)將會(huì)變得越來越龐大。本文提出的生態(tài)能源電網(wǎng)構(gòu)想，盡管看起來離實(shí)現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)，但它也許是解決正在發(fā)展的電網(wǎng)存在難題的一個(gè)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬實(shí)一，李建成，段聰，等.基于電力市場背景的風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行[J].智慧電力，2019（8）：43-49.

[2] 鄔雄.持續(xù)開展特高壓電磁環(huán)境研究 確保其友好性和安全性[J].安全與電磁兼容，2018（1）：9-10.

[3] 張麗萍.論提升特高壓電網(wǎng)輸電能力的方法[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019（18）：77.