現代電網的發展與安全

編輯推薦

具有複雜網路特徵的現代電網的發展戰略與安全性問題，是一個涉及諸多學科的交叉領域。從網路複雜性理論和實踐中歸納出它們的共性，擇其要而編纂成書，全書以緒論“把握複雜大電網動力學規律指導電網發展與安全”開始，正文內容分為四篇，即：現代電網發展概述；現代電網安全性的相關理論及套用；中國智慧型電網的實現一一挑戰、問題和行動以及中國大電網發展與其安全戰略的科學抉擇。各部分既根據人們對大電網發展進程的時間序列的認識首尾相銜，又統一於作者所強調的大電網發展與安全的體制建設之中，其結構框架頗有可圈可點之處。

圖書簡介

本書結合國外大電網頻繁發生的連鎖性大停電事故和正在進行的中國特高壓電網建設和規劃中的、尚在爭議的“三華”特高壓同步電網的構想，套用複雜性網路理論解析中國現代電網的發展和安全性問題。
全書分4篇15章。主要內容包括：現代電網總體概念；美國、歐盟建設現代電網的戰略；中國有關各方對發展現代大電網策略的陳述；研究現代電網架構和安全戰略的基礎理論；現代電網的安全體系結構和安全性解決方案；掌握連鎖性事故動態特徵與降低事故發生的風險；降低電力系統脆弱性，建設抗災型電網；智慧型電網是降低大電網脆弱性、提高生存性的根本戰略； ICT及一體化通信基礎設施是智慧型電網實現的根本保障；整合多種分散式發電資源的基礎——微型電網；積極關注和跟蹤國際上智慧型電網研發的新進展；中國智慧型電網實現中的問題和展望、中國電網發展戰略規劃的基礎和環境問題簡析，特高壓遠距離輸電的理論和實踐；構建國家異步互聯電網作為國家電網骨幹網架。
本書適合從事電網調度、電網自動化和電力信息通信運行管理人員，電網規劃設計人員，電力工業各級領導和安全管理人員，從事電網自動化和信息通信研發的科研院所和高等院校研究人員以及理工科大學相關專業的研究生閱讀和參考。

圖書前言

前言

現代電網的發展與安全

前言
《漢書·霍光傳》中講了這樣一個故事： “臣聞客有過主人者，見其灶直突，傍有積薪。客謂主人，更為曲突，遠徙其薪，不者則有火患，主人嘿然不應。俄而家果失火，鄰里共救之，幸而得息。”此段大意是客人讓主人把直的煙囪改為彎曲的煙囪，把柴火搬離灶台，否則將有火患，主人卻不聽，時間不長，主人家果然失火。後人根據這個故事引申出“曲突徙薪”這句成語，比喻對於可能發生的事故，事前要做好防備工作，以免發生災禍。
編著《現代電網的發展與安全》一書的目的就是提醒人們：中國大電網的發展戰略要“曲突徙薪”，即控制同步大電網的規模，採用先進的技術，構建科學合理的電網結構(曲突)，以降低大電網的複雜性和脆弱性的擴散(徙薪)，才能提高大電網抵禦自然災害和網路攻擊的能力，降低發生大面積停電事故發生的風險。
《現代電網的發展與安全》的主題是中國現代大電網的發展戰略與安全對策；依據的理論基礎是現代電網的複雜性網路理論；支持該理論的實踐基礎是國際、國內大電網事故和電網規劃設計的教訓。
一
中國大電網的發展正處於中國電網發展歷史上的岔路口：一條是打破中國2008年前原有六大超高壓區域電網以異步或交流弱連的布局，建設以華北、華中和華東三大交流特高壓電網(簡稱“三華”電網)為國家骨幹網架的特高壓之路；另一條是繼續維持原有六大超高壓區域電網異步或弱連的格局，完善和加強受端區域主幹電網，走建設中國國家異步互聯大電網的超高壓之路。
以建設“三華”電網為中心的中國交流特高壓電網網架，必將導致中國電網的規模和複雜程度的急劇增大和脆弱性的擴散，事實上，目前中國電網已成為世界上最複雜的人造工業網路系統之一。確保中國超大規模電網安全穩定，顯著提高其運行可靠性成為電力科技工作必須實現的最高目標。
有鑒於此，套用先進的複雜系統理論，探索電力系統災變的統計規律，分析大停電事故的內在原因及形成機理並尋找有效的災變預防途徑，以及將這些理論套用到現代電網的發展規劃和安全對策中去，成為具有重大現實意義的科學問題。
二
進入21世紀以來，自組織臨界性(self?organized criticality，SOC)理論已經引入電力系統整體動態行為及安全分析領域。SOC理論研究大電網的基本思路是：電力系統的運行和演化受到內外兩種因素的制約：一是運行因素的制約，主要包括電力系統的功角穩定性、電壓穩定性和頻率穩定性以及對穩定性產生重要影響的潮流分布和發電機、負載的動態行為以及電力系統控制系統的動態回響等；二是，電力系統的演化因素的制約，主要指網路建設和系統升級，尤其是高一級電壓電網的出現將引起系統結構的重大變化，這是研究電網發展戰略的核心，如處理不當必將給電力系統運行帶來嚴重的安全隱患。在這兩種因素的作用下，電力系統總是處於持續的非平衡狀態；而又由於系統內部要素之間的相互作用，進一步自發地驅使系統運行至一種臨界穩定的狀態，即臨界態。當系統處於這種自組織臨界狀態時，任意微小的擾動都可能引發意想不到的後果，甚至引發連鎖事件並最終導致災變，即大停電事故的發生。電力系統大停電的整體動態行為雖然可能是由表征系統處於SOC狀態的不穩定結構產生的，然而識別動態系統的不穩定性是當前非線性科學領域的難題。即使將電力系統大停電視為SOC現象的暴發，迄今也不能建立具體表征電力系統大停電過程的非線性數學方程，但可通過觀測電力系統大停電的時間序列數據，用功率譜分析方法反演電力系統在發生大停電時的動力特徵，探討SOC在大停電中的作用，從而為預測各種規模的停電事故提供寶貴的信息。當然，這要依賴於大停電過程中觀測數據的數量和質量。大停電的發生在時間分布上是離散和不均勻的，其規模、能量也是離散和不均勻的，這種標度被稱為自仿射性。為研究無標度電力系統發生大停電時的行為特徵，須引入大停電事故的特徵量的數學期望值。而冪律分布關係是描述極端事件發生機率的一種行之有效的巨觀評估方法。冪律是SOC的一個重要的特徵。用以支持和解釋SOC理論的冪律關係有兩類：一是代數冪律關係；二是機率密度函式為冪函式關係。二者的共同點是雙對數坐標系下均呈現線性關係。也正因為如此，套用複雜網路的冪律特性，掌控現代電網的動態行為，研究分析大電網的發展戰略與安全對策，是寫就《現代電網的發展與安全》一書的理論依託。
三
中國大電網的發展戰略從國家層面來看，至今還沒有一個總體框架，更沒有一部明確的法律、法規加以明示。在2011年3月全國人大會議批准發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》(以下均簡稱“十二五”規劃)之前，無論是中國電網公司和中國南方電網公司，都是在政府和有關部門的相關檔案和條例指導下，以自身的理解，制定各有特色的大電網的發展戰略。如今“十二五”規劃中提出了有關中國大電網發展的基本要求。
“十二五”規劃中提出：中國電網發展的戰略目標是“適應大規模跨區輸電和新能源發電併網的要求，加快現代電網體系建設，進一步擴大西電東送規模，完善區域主幹電網，發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術，依託信息、控制和儲能等先進技術，推進智慧型電網建設，切實加強城鄉電網建設與改造，增強電網最佳化配置電力能力和供電可靠性。”這是中國政府對中國電網發展戰略的一次政策性表述。
“十二五”規劃將“增強電網最佳化配置電力能力和供電可靠性”兩項作為中國現代電網體系建設要達到的目標。這兩個目標也正是智慧型電網建設要實現的重要目標。其中“增強電網最佳化配置能力”是中國電網發展戰略規劃目標的核心，中國當前對於發展交流特高壓輸電和建設“三華”特高壓同步電網的強烈質疑正是圍繞這一核心進行的。中國政府應支持並主導這場爭論，確保中國大電網發展戰略真正能保證“增強電網最佳化配置能力”目標的實現和沿著可持續發展的科學軌道前行。
但是，中國關於21世紀現代電網的發展戰略，還沒有上升到像歐、美那樣全面、系統、科學、深刻、細緻、具體，並由國家以法律、法規形式予以發布的水平，這無疑地降低了中國電網發展戰略的權威性，甚至增加了盲目性、隨意性和分散性。“十二五”規劃中這種綱要式的陳述就給人們留下了“各取所需，隨意解讀”的空間。
從2004年開始論證並建設第一條特高壓交流試驗工程以來，國網企業一直是特高壓的最大推動力量。對於國家將特高壓列入“十二五”規劃，國家電網企業負責人在“十二五”規劃公布後的3月17日的一次電視電話會議中以自己的理解和願望感慨地說： “特高壓、智慧型電網建設全面納入國家發展戰略，上升為國家意志。對於特高壓電網的發展，對於轉變能源和電力發展方式，都具有極其重要的里程碑意義。”直截了當地將“十二五”規劃中“推進智慧型電網建設”解讀為推進“特高壓電網的發展”。
但在關注中國特高壓狀況和發展戰略的很多專家看來，國家“十二五”規劃表達的意向十分明確，那就是要在“完善區域主幹電網”的基礎上，加快現代電網體系建設。“十二五”規劃中明確的是“發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術”，而不是發展特高壓電網。發展特高壓輸電技術與發展特高壓電網是兩個完全不同的概念。
另外，儘管特高壓進入了“十二五”規劃，但規劃中的“特高壓”並沒有寫明是直流還是交流，更沒有將被視為交流特高壓發展戰略核心的“三華”電網寫進去。
《現代電網的發展與安全》就是在這樣的大背景下寫成的。全書以緒論為開篇，分4篇共15章。即緒論：把握複雜大電網動力學規律，指導電網發展與安全；第1篇：現代電網發展概述(第1~3章)；第2篇：現代電網安全性的相關理論及套用(第4~7章)；第3篇：中國智慧型電網的實現——挑戰、問題和行動(第8~12章)；第4篇：中國大電網發展與其安全戰略的科學抉擇(第13~15章)。
四
具體來說，《現代電網的發展與安全》一書的主要內容及寫作思路如下。
1. 以“把握複雜大電網動力學規律，指導電網發展與安全”，作為緒論。
首先向讀者講述本書圖0?1上方曲線產生的背景故事，以見識和體驗一下，那些令人起敬的學者們，在研究具有複雜網路特性的電力系統安全性問題中的曲折過程、對待科學的崇高思想境界以及在學術研究領域的創新精神。他們為複雜性科學在電力系統的套用，為現代電網的發展與安全作出了開創性的貢獻。
傳統的電力系統安全性的研究，是基於傳統的可靠性理論和還原論的基礎之上，並假設事件的發生基本上都是確定性的或可以預測的。而現代大電網時而發生的連鎖性大面積停電事故，套用傳統的電力系統安全性理論已經無法解釋，更不能給出防止和抑制這類事故發生的全面解決方案。正是這些“令人起敬的學者們”百折不撓的探索研究，終於發現現代大電網具有複雜性網路固有的SOC特徵，由該特徵引發的一系列的、複雜的、不可預測的和無序的混沌狀態的暴發是現代複雜大電網發生連鎖性大面積停電事故的根源。他們作出的“開創性的貢獻”才使今天“具有複雜網路特性的電力系統”的安全性問題的研究升華到一個新的境界，為研究現代巨型複雜電力系統的安全穩定運行建立了科學的理論基礎，為防止和抑制連鎖性大停電事故發生指明了努力的方向。
2. 第1篇(第1~3章)
本篇重點介紹了美國政府關於建設21世紀現代電網的戰略決策和法律、法規。同時亦論述了歐盟和中國建設21世紀現代化電網的相關策略。
閱讀時請關注以下各點：
當代電網正在從傳統的以化石能源消耗為主的集中發電、遠距離輸電和大電網互聯的模式，向以大規模利用可再生能源，以大型集中式和分散式能源發電相結合，以骨幹電網和地方電網、微電網相結合的新一代電網轉變。新一代電網已被世界大多數國家統稱為智慧型電網或現代電網(還有稱未來電網)。
世界電力系統發展的歷程表明，現代電網已從孤立的電力系統(electric power system,EPS)發展成如今由EPS、信息通信系統(information communication system,ICS)和監測控制系統(monitoring and control system,MCS)融合而成的現代廣域複雜電力系統 (即現代電網，簡稱3S電網)。EPS/ICS/MCS三個子網的一體化已經成為21世紀現代電網體系結構的重要標誌。“現代電網”實際上涵蓋了“3S複雜大電網”和“智慧型電網” 的概念。
傳統的對電力系統的研究方法已經難以處理一體化的EPS/ICS/MCS複雜系統，因此需要在建模、分析、仿真、預測和控制等方面建立新的理論和方法體系，才能有效地解決複雜電力系統所面臨的關鍵問題，以保證電力系統的安全運行。
通過對發展演變歷程的分析告知人們，現代電網(又稱智慧型電網，或未來電網)當前已經發展到一個最具挑戰性的新階段：傳統的電網已經不能適應且滿足不了數字社會日益增長的需求和改變能源消費結構、擴大可再生能源利用的新環境。為了實現現代電網具有更高水平的安全（security）、質量（quality）、可靠性（reliability）和可用性（availability）（簡稱SQRA），以最大限度地提高大電網的生存性，提高經濟效率和人類的生活質量，最大限度地減少對環境的影響，開發新一代的電網作業系統(grid operation system，GOS)成為現代電網的重要目標。中國應同世界各國協同合作，為開發新一代的GOS作出貢獻。
發展同步大電網是一把雙刃劍。20世紀，為實現資源最佳化配置和提高運行效益，電力系統日益向“大電網、大容量、超高壓、遠距離”輸電方向發展。但是，現代電網複雜網路的動力學行為特性，驅使各國電網多次發生連鎖性大停電事故，已嚴重威脅到國家和社會經濟安全。
本書第2章中重點論述了美國電力改革的綱領性檔案——《電網2030——電力下一個100年國家願景》（GRID 2030）。GRID（電網）2030明確了在實現21世紀美國電力工業科學、協調和可持續發展的重大戰略轉變中，美國電網現代化的目標、步驟和技術。
GRID 2030明確要求，以大容量高壓直流輸電線路及高溫超導輸電系統建立跨接美國東西海岸骨幹環形網及其聯接支路的宏偉計畫，這是對現有同步電網結構進行的最具革命性的改造，必將極大地降低現代電網的複雜性和脆弱性，增強電網運行的安全性和可靠性。
該章還介紹了為聯接美國國內各區域電網，實現風能、太陽能等可再生能源電力遠距離、大規模輸送，美國構建統一國家智慧型電網（unified national smart grid）的構想。美國統一國家智慧型電網將實現美國跨州及全國範圍內可再生能源電力的最佳化調度、監測和控制，從而實現美國全國範圍的電力需求管理。統一智慧型電網不是簡單的區域電網間點對點的直流輸電並輔以智慧型通信手段，而是具有眾多開放節點的拓撲結構，每個節點都可與微型電網相聯。
在第2章中還特別介紹和論述了2011年6月13日，美國白宮辦公廳發布的題為《21世紀電網發展政策框架：確保未來能源安全》的政策性指導檔案，該檔案被稱為歐巴馬政府建設現代電網的新政。該新政明確了美國電網現代化建設必須依賴的四大支柱：
(1) 第1支柱：確保具有成本效益的智慧型電網投資；
(2) 第2支柱：釋放電力領域的創新潛力；
(3) 第3支柱：賦予消費者權力，讓他們能夠在充分知情的情況下做出決策；
(4) 第4支柱：確保電網的安全。
近年來，電網發展面臨著一場電力體制變革的浪潮，特別是隨著現代電網體系結構的變革，如分散式發電、分散式能源和可再生能源的開發套用、微型電網的廣泛分布等新技術的套用，“電力工業是天然壟斷性事業”的神話將被打破。各國都在根據自己的國情採取變革措施。其核心是在電力部門引入競爭機制、打破壟斷，具體的做法有：發電、輸電、配電分離；大力發展智慧型配電網和用戶側“創能、儲能、節能”網路建設；放鬆管制(deregulation)；開放上網(open access)；電力轉供(power wheeling)等，這些做法是相互關聯的。
另一方面，在變革的過程中，儘管一些國家通過變革已收到降低電價、改善服務的實效，但我們應當冷靜地對這種變革的利弊得失進行深入的研究分析：最重要的問題是競爭的電力市場是否會降低電網的可靠性。借鑑國外電力改革的經驗，表明在電力工業部門取消自然壟斷、實現自由競爭的前提條件是採用漸進改革模式，改革前做好充分的準備工作，以及在改革過程中保留國家的調控作用。
第2章還介紹和分析了以開發可再生能源為主的歐盟發展大電網的戰略。其戰略目標主要體現在兩個方面：
1）始終將研究複雜大電網的安全性和生存性作為發展大電網的戰略指導方針。
2）以開發可再生能源為主的發展超級智慧型電網戰略，作為歐盟能源可持續發展和實現環境保護目標的重大戰略舉措。
2007年12月歐洲共同體發表了歐共體聯合研究中心(JRC)提出的《電力系統ICT脆弱性：未來研究的路標》報告，報告中明確提出，在未來的15年要建立保證未來電網安全性的三大支柱（three main pillars）：
(1) 開發EPS/ICS/MCS一體化的風險和脆弱性評估方法和工具；
(2) 開發適應於EPS/ICS一體化的分散式智慧型化的MCS控制系統體系結構和創新技術；
(3) 在全社會樹立防範和治理風險的意識。
為構築堅固的三大支柱，報告制定了包括近期、中期和長期三個階段的目標。爭取最終於2020年前後實現在由EPS/ICS/MCS構成的一體化的廣域複雜電網中套用新的綜合性的脆弱性評估和風險分析的方法和模型，以保障電網的安全運行。
歐洲發展大電網的戰略重點在兩個方面：一是構建超級智慧型電網（super smart grid，SSG）用於傳輸可再生能源，以應對歐洲能源危機和CO2的減排，同時構建跨越歐洲、中東、北非的超級電網，以在更廣闊範圍內平衡可再生能源電力分布，以提供穩定可靠的電力輸出；二是構建保障未來超級大電網安全性的三大支柱，以提高防禦風險威脅、降低系統脆弱性的能力。
第3章介紹和解讀了中國政府“十二五”規劃中將“增強電網最佳化配置電力能力和供電可靠性”兩項作為中國現代電網體系建設要達到的目標、中國南方電網公司發展電網的“向更加智慧型、高效、可靠、綠色方向轉變”的戰略目標和國家電網公司關於“一特四大”和到2020年前後，將建成中國華北—華中—華東、裝機容量達10億kW、電氣聯繫相對緊密的1000kV交流UHV同步電網(簡稱“三華”電網)的大電網發展戰略。
第3章中還介紹了業內資深專家提出的建設中國大電網的另一種戰略模式：國家異步互聯大電網，即以六大區域電網為核心，以500kV為主網架（西北電網以330、750kV為主網架），充分發揮500kV輸電網的潛力、提高現有輸電設備的利用率，同時通過對500kV電網進行柔性輸電技術改造，大幅度提高輸電能力、接受高壓直流遠距離輸電安全落地能力和應對各類電網事故能力。
3. 第2篇(第4~7章)
本篇對研究現代電網架構和安全戰略的基礎理論作了概念性的論述。這些基本理論包括：研究電網安全性的兩種方法——還原論和整體論；指導現代電網規劃和安全運行的複雜系統理論；電力基礎設施脆弱性評估； EPS/ICS/MCS的相關性；現代電網風險評估和管理；電力系統生存性評估。並套用這些理論提出了現代電網的安全體系結構和安全性解決方案；從連鎖性事故動態特徵找到降低事故發生的風險的對策；提出降低電力系統物理脆弱性，建設抗災型的電網的基本策略。
讀者在閱讀第2篇時應該關注以下要點：
(1) 利用複雜系統的冪律特性預測大電網發生大停電事故的機率和損失。複雜系統的冪律特性是SOC的基本特徵。研究和實踐證明，複雜大電網的停電事故規模(損失的負荷)的機率分布為冪律分布。如果按照傳統的外推法則推斷，像2003年8月14日美國和加拿大電網發生的這樣大規模停電事故，5000年才可能發生一次。對從1984年北美電力公司開始有系統性的停電報告至2000年的16年間，電力公司存儲的11次停電事故數據統計分析來看，停電規模超過4000MW的任何一次事故發生的機率，比數學家們用外推法預期發生的大停電事故發生的機率高達325倍。由此可以看出，在大停電事故發生機率很低的情況下，電網事故造成的損失比原先預計的要大得多。這也說明電網發生大規模連鎖故障具有必然性。
(2) 電力基礎設施的脆弱性是現代電網安全的潛在威脅。研究電力系統脆弱性和風險評估模型、方法和套用的目的在於：彌補以確定性為依據研究大電網安全性理論和方法的不足，深入研究不確定性對大電網安全性的影響，為部署電力系統安全防禦策略建立穩固的基礎。中國至今尚未出台系統性的關於電力基礎設施脆弱性評估的相關標準和要求，沒有一個由主管部門牽頭組織的關於開展電力系統脆弱性風險評估的機構和系統性規劃。這一點不得不引起人們的強烈關注。
(3) 建立電力巨系統安全保障體系。現代電力系統規模巨大。電力巨系統安全保障體系，是包括從設備安全到系統總體運行管理的一個系統安全體系。電力巨系統安全保障體系建設的關鍵內容包括：設備改造及維護技術革新。新一代智慧型能量管理系統（smart energy management system,SEMS）的研究和套用。建設中國電力應急平台。
(4) 根據電力系統複雜性網路理論制定現代電網安全性解決方案。
書中以套用高度最最佳化容限HOT系統理論為例，提出從電力系統安全性的演變過程，開拓出一條提高系統安全性的清晰道路：採用科學合理的拓撲結構(如電網分區分層管理、區間直流聯網、超導/超高壓輸電、電源分散設定等)、控制同步電網的規模、套用現代電力電子技術PET和建設新型智慧型電網等措施，以降低電網的複雜性和脆弱性，建設一個 “可靠、高效、充足、靈活、潔淨”的21世紀的堅強的現代電網。
(5) 在中國積極發展特高壓電網的現實面前，有關各方應協同努力，儘快將複雜系統理論從純學術理論的探討階段逐步進入指導大電網安全管理的實用階段，為電網規劃設計和指導電網運行管理以及開展相關導則規程的全面修編創造基礎條件。
中國現有的《電力系統安全穩定導則》已經不能適應現代電網安全穩定運行的需要。由於現代電網的複雜性網路特徵，電網實際發生連鎖反應大停電機率雖然不高但遠高於傳統可靠性理論分析的結果，充分說明了連鎖性大停電事故是一個沒有解決的電網重大安全問題。中國按《電力系統安全穩定導則》建立的“三道防線”並不能防止這類事故的發生。
(6) 基於目前研究有關電網控制的方法和分析應用程式尚不能從電網關鍵物理部件的故障來判別對電網安全威脅的存在，包括中國在內的世界上現有的電網線上控制系統並不能避免系統崩潰。
(7) 電力規劃必須堅持電網與電源統籌規劃、合理布局、協調發展的原則，以受端系統為核心，完善電源結構，強化配電網建設，實現一個合理的電網結構。
(8) 抗災型的電網結構必須滿足電網/電源分層、分區、分散(電源分散布置)的原則。特高壓電網抵禦災害性天氣和網路攻擊的能力是特高壓電網安全運行的要害。
(9) “堅強的國家電網”對交流電網的規模必須有所節制，交流同步聯網的效益隨著同步電網的擴大而逐漸消失。
(10) 迫切需要研究3S系統EPS/ICS/MCS相互依賴性的安全風險評估方法。
至今，用於評估電力系統EPS/ICS/MCS系統同時或相繼發生故障的安全風險評估還沒有一個整體的方法，迫切需要套用複雜互動系統與分散式人工智慧的相關理論來應對電力系統的不斷擴展所帶來的複雜性，發展新的電力系統安全性評估理論。
近年來，智慧型電網技術在國際上引起了行業內外的廣泛關注，這實際上是電力行業為電網現代化長期醞釀的技術革命正在出現突破的重要標誌，也成為構建21世紀新型現代化電網的重大戰略。
4. 第3篇（第8~12章）
本篇以1/3的章節從概念到實現，從國外到國內全面地論述了智慧型電網的基本理論和實踐，其中特別詳細地分析和提出了中國智慧型電網的實現——挑戰、問題和行動。重點論述了智慧型電網是降低大電網脆弱性、提高生存性的根本戰略； ICT及一體化通信基礎設施是智慧型電網實現的根本保障；整合多種分散式發電資源的基礎——微型電網；積極關注和跟蹤國際上智慧型電網研發的新進展。提出中國必須將智慧型電網的建設和發展上升為國家行為；要清醒地認識智慧型電網的競爭環境和對中國智慧型電網的展望。重點論述了如下幾方面。
1) 堅強的國家電網僅靠特高壓、超高壓端的鞏固難以確保“堅強”
智慧型輸電網僅僅是智慧型電網的一個環節，智慧型電網要解決的問題遠遠超出電網智慧型控制本身。一個“堅強的國家電網”僅靠特高壓、超高壓端的鞏固是不夠的，也難以確保“堅強”，必須在低壓用戶終端同步發展和部署分散式能源和儲能系統。過度強調只有特高壓才是電網“堅強”的基礎是不科學的，當然也是片面的，甚至會干擾科學推進中國智慧型電網的全面發展。
2) 智慧型電網服務於終端用戶才是建設智慧型電網的終極目標
智慧型電網的使命就是讓需方在主動參與電力供求調整的行動中獲得節能、創能和儲能的經濟和環保效益，實現“締造舒適空間”、“經濟性、節能性、環保性”兼顧的終極目標。智慧型電網的導入無疑地將會為供需雙方以致社會帶來巨大效益。智慧型電網最終要服務於終端用戶，這才是建設智慧型電網的終極目標，而不是僅服務於上層的大電網。作者強調，要將“智慧型民用”和“環保智慧型”觀念作為智慧型電網建設的重要指導思想，這對保證智慧型電網最終取得預期的節能效益、環保效益，以致改變能源消費結構和減少對傳統化石燃料的依賴具有重要的影響。
3) 從美加“8·14”大停電和網際網路的成功模式吸取教訓和經驗
美加“8·14”大停電的教訓再一次警告人們，僅僅憑藉電網自身的能力，即便採用更高的電壓等級，釆用更多的先進技術設備，也無法確保供電安全。災害性天氣和外部攻擊都可能隨時導致電力系統癱瘓。我們能做的就是控制同步電網規模，發展分散式發電和微電網，採用分散式的智慧型控制手段。
① 以國家骨幹電網為頂層的金字塔式的由上至下的電力系統無法滿足現代社會對電能品質、供電安全和能源利用效率以及溫室氣體減排的要求，更無法滿足人們對被宣傳得“有百利而無一害”的對建設智慧型電網美好願望的期盼。只有通過實施更有效的需求側管理，建立各種各樣的分散式能源系統，發展包括儲能系統在內的智慧型化的微電網，調動更多的市場主體以及更多能源消費者的積極參與，從用電終端回響獲得供電安全和提高能效，才可能從根本上解決電力系統的安全性、生存性和可持續發展等難題，才能較快地實現人們對智慧型電網美好願望的期盼。
② 網際網路的成功模式正在成為全球化能源戰略的一種選擇。如今IBM“大型計算機+專用電纜+終端”構築的金字塔模式被徹底摒棄，“PC+網路+數據包交換”構築的扁平化網際網路模式的成功給予能源從業者極大的啟示。分散式能源系統，正如同PC；多層次電網，正如同區域網路、城域網、無線網、國際網際網路；各用電、配電、供電和發電設備之間的信息互動，正如同數字信息包交換。人類能否在電力系統，乃至整個能源系統上再次複製網際網路的成功模式，以此解決電力供應的安全和實現可持續發展，正在成為全球化的能源戰略選擇。
對照世界上這種能源戰略選擇，明顯地看出，建設“堅強智慧型電網”決不能走已被徹底摒棄的“IBM金字塔模式”，中國建設智慧型電網要順應世界潮流，走網際網路扁平化的成功模式。
4) ICS/MCS網路安全性是智慧型電網得以生存的競爭環境的基礎
智慧型電網要成功地部署，物理安全和網路安全必須共同成功，否則兩者都將失敗。為此，國家必須要對智慧型電網的物理安全和網路安全制定明確的法律、法規，為智慧型電網，特別是其重要支撐的ICS/MCS的生存性開拓一個良好的競爭環境。
5. 第4篇（第13~15章）
在國務院領導的重視和關心下，2011年6月以來，中國電監會、國家能源局和中國國際工程諮詢公司的主要負責人先後多次召開了持有不同意見的各方學者、教授、專家和院士參加的關於特高壓發展的座談會。
深諳唐史的讀者曾向我提出，應該按照宰相魏徵回答唐太宗所問時的回答“兼聽則明，偏聽則暗”的祖訓，真實地介紹對特高壓電網建設爭論和質疑更全面的情況。為此，第4篇反映了包括作者在內的各方人士在座談會上嚴肅、認真、負責地發表的觀點和建議，全面地綜述了中國資深專家、學者、教授和院士對中國建設一個安全、高效、節能、可持續發展的現代電網和對科學制定中國大電網的發展戰略提出的深刻見解和思路。
第4篇主要分析了中國電網發展戰略面臨的問題；解析了中國制定電網發展戰略規劃的基礎和環境；指出國內外大電網發展的實踐從來也不存在“電網容量增加1倍，電壓上1個等級”，也不存在“電網的同步互聯擴大是世界電網技術發展的總趨向”這樣的規律；提出優先開發本地可再生資源是資源最佳化配置的最好策略。重點從理論和已投運的特高壓交流輸電線路的運行實踐兩方面論述了特高壓交流輸電線路的實際送電能力和建設“三華”特高壓同步電網的安全性和經濟性問題。
理論和運行的實踐都證明：如果沒有中間超高壓電網的支撐，那么交流特高壓輸電5000MW的安全穩定距離約300km，與中國遠距輸電平均1500km的要求相差甚遠。即使採用電容串補線路電抗到極限（60%），輸電距離也不能超過400km。這些來自靜態穩定極限的推論已經被晉東南示範工程的現場錄波所證實。
綜合研究認為，構建國家異步互聯電網是中國現代電網發展戰略的最佳選擇。為保障國家異步互聯電網的安全，提升受端區域電網接受遠距離外來電力的能力，必須採用稱為電網技術革命里程碑的FACTS技術和導入未來直流輸電發展方向的VSC?HVDC輸電技術。
制定中國大電網的戰略規劃，應該認真研究和借鑑國際、國內大電網事故和電網規劃設計的教訓，防止重蹈覆轍。閱讀第4篇請關注下列各點：
首先，中國大電網發展戰略規劃必須要突破以往單純地走根據GDP增長目標確定電力增長的彈性係數從而決定電力增長目標的老套路以及重數量輕結構、重輸電輕配電的簡單粗放的思維模式，而要從國家能源戰略的大框架來研究中國電力發展結構調整的戰略目標。戰略研究要正視中國是個開發中國家的基本國情，要有足夠的前瞻性和客觀現實性，既要保證國家經濟社會轉型發展需求，又要切實承擔國家CO2減排重擔，量力而行、中等適用，要用電力發展的有限資金支持低碳、高效、安全、可持續發展的電力結構調整的戰略目標的實現。
當前中國電網規劃的制定，不僅缺少新能源等資源的長遠發展規劃的配合，更嚴重的是沒有電源總體發展規劃這一“龍頭”的引領，使中國電網規劃的制定失去科學可持續發展的穩固基礎。
今後20年，中國人均電力規模也將達到一些已開發國家水平，一些地區甚至進入電力發展的飽和階段，同時隨著複雜性的增加和脆弱性的擴散電網發展進入安全敏感期，並面臨向低碳經濟模式轉變的挑戰等。在這樣一個特殊的電力發展階段，只有確立一個正確的戰略思維，中國電力才會有強勁的後發優勢，趕超已開發國家的目標才可望可及。
其次，中國新能源大發展必須與電網規劃相協調，才能實現新能源產業的可持續發展。優先開發本地可再生資源是全國範圍內資源最佳化配置的最好策略。電力規劃中應統籌考慮省內、區內、跨區電力資源最佳化配置問題。省內、大區內資源最佳化配置損耗較小、實現較容易，應優先考慮，並作為跨區電力資源最佳化配置的前提和基礎。
世界正處於關於能源產生、交易和消耗方面的革命邊緣，未來電網所涉及的問題是如何徹底改造現有的電網，使之成為清潔能源有效流動的主幹網路，可以靈活方便地提供接入，成為能夠集中各種能源的高效網路；以用戶消費為終點的傳統價值鏈將結束，一個可接納分散式能源（主要包括分散式發電、儲能和電動汽車）的新價值鏈正在形成。未來電力系統的負荷將隨著發電的變動而調整，未來電力消費者和電力生產者的界限將逐漸模糊，這些使得電力系統的規劃、建設、運行都更加經濟、環保。
第三，在第15章中，論述了世界互聯電網的發展及安全現狀。警示人們，同步電網不是電壓愈高、容量愈大愈安全，同步電網的規模必須有所節制。
隨著世界性能源危機的逼近和人類對能源需求的不斷增長，人們對新能源寄予了巨大的希望。同時，為了最佳化利用資源，保護環境，智慧型電網應運而生。因此電網的發展，包括將一些電網互聯成更大系統仍將是現代電網的發展趨勢。但是，從世界範圍內來看，目前電網間實施同步互聯的發展趨勢已經受到安全、經濟和環保等條件的制約。擴大同步互聯電網的規模已不再是21世紀電網發展的趨勢。而大電網間異步互聯已成為電網發展的主流。
同步電網規模愈大、電壓愈高、電壓等級愈多，複雜性網路特徵愈顯著，脆弱性擴散更嚴重，發生連鎖性大停電事故的機率愈大，一旦發生事故後果十分嚴重。2003年美加“8·14”大停電就是典型的複雜大電網“自組織臨界性”特徵引發的必然結果。複雜大電網的複雜性網路特徵已成為當前世界各國制定電網發展模式時考慮的主要因素。1965年以來，世界上大電網共發生重大停電事故(損失負荷大於8000MW)21次，發生這些重大停電事故的內在驅動力本質上幾乎都是由於電網結構複雜性的增加和脆弱性的廣泛分布引起的。
IEEE 可靠性學會在2009年公布的年度技術報告(Annual Technology Report)中分析了美國?加拿大聯合電網、歐洲電網及世界其他各國電網1965—2009年的45年間發生的128次重大停電事故，以及維基百科公布的從1965—2011年的47年中世界上發生的151次大停電記錄，可以看到： 1965—1995年的31年間共發生停電事故13次，平均0.42次/年； 1996—2000年的5年間發生16次，平均3.2次/年； 2001—2005年的5年間發生27次，平均5.4次/年； 2006—2010年的5年間發生77次，平均15.4次/年。很明顯，自1995年以後世界重大停電事故急劇上升。
重大停電事故急劇上升的背景正是同步大電網規模的無限制擴張和地球氣候環境的惡化，而後者正是通過無限制地擴張的大電網的複雜性和脆弱性起作用的。
為了減小同步電網的規模，以降低複雜性和脆弱性，2008年美國EPRI和DCI互聯公司研究了美歐多次重大停電的教訓，建議實施改造舊電網的“綠色計畫”，採用“電網分割技術”，減小同步電網的規模。規劃將美國東部電網(7.55億kW)用直流分隔為4個規模較小的同步區。這樣還可以簡化EPS/ICS/MCS結構的複雜性。
第四，要清醒地認識到現代電網遭遇一些不確定性干擾事件時，MCS無法進行識別而失靈。
第五，從日本大地震引發的核電站事故重新審視國家能源政策和電網發展戰略。
安全（穩定供應）、經濟性、環保性這3個要素的平衡一直被視為能源政策的基礎。而核電曾被認為滿足這3個條件，但核電事故、放射性物質泄漏導致核電的安全擔憂越來越嚴重，社會可接受性已經受損。如果核電站難以挽回信任，3個優點也就隨之消失。今後，社會將以怎樣的形式接受核電，抑或是不再接受，各國不得不重新審視國家的能源政策。
隨著日益增長的需求和能源的消耗以及地球環境的變化，從長遠看，人類最終還得依靠核電。核電在安全性方面受到質疑的一個重要原因就是，其卸出的核廢料將在上萬年內具有放射性，在這么漫長的衰變歷史當中，其時刻威脅著地球上的所有生命。要解決這種威脅必須依靠創新技術，而行波堆（traveling wave reactor）的發明將可能實現這樣的願景。
第六，對於電網發展來說，並非只是對傳統發展方式的修補升級就能適應上述變化，而是要求對電力傳輸技術與運行方式進行重大變革。新技術、新設備、新方法的出現，如電力電子技術、FACTS技術、第三代電網作業系統GOS3.0(即新一代的分散式的智慧型控制系統)和分散式能源以及基於電壓源換流器的新型直流輸電技術(VSC?HVDC)、高溫超導輸電等，將會提高現有電網的效率、電能質量和安全性，特別是可以發展一種新的電網體系結構，而完全沒有必要採用傳統而“笨重”的特高壓交流輸電技術。這將為國家提供一個有安全保障的、全新的，在電力傳輸和市場運營方面都具有高效率、高質量的現代化電網。
第七，中國積極推進特高壓輸電系統的建設已經產生有意義的重大影響。中國第一條晉東南—南陽—荊門交流特高壓工程，從前期工作開始至建成投運僅用了4年，從工程核准到正式投運僅28個月；設備國產化率達90%，設備運行基本正常。這是一個巨大的工程技術成就，說明中國已擁有世界一流的科研開發人才，形成了強大的設計、製造和建設能力。同時，特高壓遠距離輸電工程的實施，促進了中國電力科研基礎設施及其裝備的更新和現代化。特別是更加有力地促進和推進了中國信息通信網的快速高效的發展、完善和提高，為中國現代電網向新一代電網的過渡打下了關鍵性的堅實的基礎。
但是，特高壓問題是涉及上萬億元的重大工程項目，其中交流特高壓的投資額約占2/3。尤其是對於建設一個全新的、覆蓋占中國GDP 70%的經濟核心區域的交流特高壓“三華”電網這樣的複雜的系統工程，更需要充分聽取來自運行、設計和科研等各方面專家的寶貴見識和建議，這是正確決策不可或缺的重要方面，而國家電網公司主要承擔電網建設和安全運行的職責，更需要來自與其利害不相關的各方正確意見的補充。專家們研究分析得出的建議方案表明：在同樣滿足國家2020—2030年國民經濟發展需求的條件下，按照國家“十二五”規劃綱要提出的“完善區域主幹電網”、導入先進的直流特高壓遠距離輸電技術，建設以現有6大區域超高壓電網為基礎的全國異步互聯電網，比建設“三華”特高壓同步電網至少節約投資3000億元人民帀；而且，“三華”特高壓同步電網發生連鎖性大停電事故的機率要比異步互聯的超高壓區域電網發生同樣事故的機率高約15倍。
五
在這裡，我要鄭重申明，在攻克複雜電網動力學特性、掌控大電網連鎖性事故規律及大電網安全性難題的過程中，在對現代電網FACTS技術開發、電網自動化和控制系統以及智慧型電網等新技術的創新和發展套用中，盧強院士、韓英鐸院士、周孝信院士、楊奇遜院士、余貽鑫院士、韓禎祥院士、薛禹勝院士、李立浧院士、曹一家教授、甘德強教授、王成山教授、梅生偉教授，以及浙江大學、清華大學、天津大學、中國科學技術大學、西安交通大學、上海交通大學、中國電力科學研究院等的一批學者做出了突出的貢獻，並取得了可喜的成果。我很幸運地閱讀和學習了他們的大作，並榮幸地在本書中引用了他們的研究成果。在此向他們表示衷心的感激。
值得一提的是，作者在本書中論述的觀點和見解，相當一部分來源於包括王仲鴻研究員、張育英教授級高工、曾德文教授級高工、蒙定中教授級高工、丁功揚教授級高工、黃英矩教授級高工以及不便具名的中國許多精通相關專業知識和具有豐富實踐經驗的資深專家、學者、教授和院士的研究成果和他們發表的文獻資料。他們之中，不少已年逾70，甚至年逾90高齡，他們對個人的身邊事一無所求。他們雖然年老但又十分年輕，他們對祖國懷有強烈的責任感和使命感，他們追求真理、尊重科學、孜孜以求、堅忍不拔。我為他們的崇高品德而感動，因他們的淵博知識而受益。我趁《現代電網的發展與安全》出版之際，再次向他們表示我的敬意。
《現代電網的發展與安全》一書，有意保留了各章文字敘述略有引導性重複的特色，為的是保持每章都有相對的獨立性，方便讀者可以按照自己的興趣，不按章節順序進行閱讀，以節約讀者的寶貴時間。
系統的複雜性理論是一個嶄新的理論。作者對這一嶄新理論的理解和套用有可能是不完善、不嚴密，甚至是不正確的。可喜的是目前國內外一些學者對該項研究已取得不少成果，並在此基礎上對複雜性理論在電力系統領域的套用進行了更深入、更廣泛的研究。筆者希望本書的出版能起到拋磚引玉的作用，引起更多的學者，特別是現代電網的科研人員、規劃設計人員和調度運行人員對複雜電力系統安全性理論的興趣，進而推進該理論在電力系統領域的實際套用，促進現代電網沿科學軌道健康發展，確保中國大電網的安全。

現代電網的發展與安全

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