1.6 我國電力系統的發展歷程及新的挑戰

1.6.1 我國電力系統的發展歷程

我國電力系統發展至今呈現出顯著特點，即為滿足電力消費需求的增長，電力生產結構不斷變化，進而導致電力輸送模式持續更新，電力平衡模式也隨之從就地平衡、省內平衡、區域平衡發展到全國平衡。

縱觀電力工業起步至今，我國電力系統發展可分為5個階段；新中國成立后，我國電力系統隨著國民經濟水平的不斷提升快速發展，大體分為4個階段，見表1-3。

1.1882—1949年的微小機組、低電壓、直配/孤立電網

我國電力工業的發展基本和歐美同時起步，表1-4列舉了我國電力工業與世界電力工業開端的標志性事件。1882年7月26日，上海黃浦江邊一臺12kW的蒸汽發電機組，點亮了南京路上6.4km長的供電線路上串聯的15盞弧光電燈，開啟了中華民族有電的歷史，我國電力系統也正式誕生，這是一個微容量單機、短距離低電壓單線、點對點就地供電的簡單電力系統。

最初，發電、供電都是為了照明，發電廠大多叫電燈廠。到辛亥革命前，我國有20余座城市新建電燈廠，全國的發電裝機總容量只有27MW，也相應地有了少量的供電線路，供電方式也只是近距離點對點輸送，還沒有形成電網。

到1936年，全國發電裝機總容量630MW，年發電量17億kWh，初步形成北京、天津、上海、南京、武漢、廣州、南通等大中城市的孤立電力系統。

新中國成立前夕，全國發電裝機總容量1848.6MW，年發電量43億kWh，除東北有一條220kV和幾條154kV線路外，其他地區最高電壓等級還是33kV、13.2kV、3.3kV等，電力系統格局是以直配線為主的城市孤立電網。1882年與1949年我國電力系統主要指標對比見表1-5。

2.1949—1978年的小機組、低電壓、省級電網

1953年，我國啟動第一個五年計劃，電力工業開始規模發展。1954年，為滿足豐滿電廠水電外送需要，新中國第一條220kV線路——松東李線投運；1955年，為配合官廳水電站電力送出，我國自行設計和施工的第一條110kV輸電線路——京官線建成；1956年，國產第一臺6MW火電機組在淮南電廠投運；1969年，我國首座自行設計、施工、設備制造的百萬千瓦級水電站劉家峽水電站投運；1972年為滿足劉家峽電廠水電外送需求，我國第一條330kV輸電線路劉天關線投運。1978年，我國基本建立起完整的電力工業體系，300MW機組、330kV及以下輸變電工程實現自設計建設，基于行政區劃的省級電網初具規模。

這一時期，雖然省級電網基本形成，但是仍不具備跨區送電能力；電力通過傳統的較低電壓等級交流電網傳輸，不具備直流輸電能力。1949年與1978年我國電力系統主要指標對比見表1-6。

3.1978—2000年的大機組、高電壓、區域電網

改革開放為經濟社會注入了強大的動力，電力需求隨之日益旺盛。為滿足“武鋼07工程”按時投產，1981年我國第一條500kV超高壓輸電線路——河南平頂山—湖北武昌輸變電工程投產。1988年年底，葛洲壩水利樞紐工程建成，裝機容量達2715MW。為滿足葛洲壩水電外送及上海經濟社會發展需求，1989年±500kV湖北葛洲壩—上海南橋直流輸電工程投運，形成了我國第一個跨省的非同步互聯電網，是全國聯網的雛形。1994年12月14日，世界第一大的水電工程三峽工程正式開工，一批500kV聯網或連接的輸變電工程相繼建成投產。

這一時期，300MW及以上機組成為主力機型，水電發展加快，核電建設起步，電網主網架向500kV升級，跨省聯網規模不斷擴大，基本形成了六大區域電網，即東北、華北、華東、華中、西北和南方電網，西藏電網與主網的互聯工程也在緊張實施當中。

六大區域電網形成后，全國電網具備了初級的跨區輸送能力，但通道單一、形式單一，且傳輸容量僅1160MW；常規機組裝機容量迅猛發展的同時，風電開始起步發展，但整體裝機容量少，僅344.8MW。1978年與2000年我國電力系統主要指標對比見表1-7。

4.2000—2019年的大基地、特高壓、全國聯網

進入21世紀，我國經濟發展迅猛，2001年我國已是世界第六大經濟體，2010年超越日本成為世界第二大經濟體。電力需求水平日益提高，為滿足長江、珠江經濟帶發展需求，2003年7月10日，三左岸電站2號機組投產發電并移交三峽電廠，這是三峽工程第一個投產的機組。2008年10月29日，右岸15號機組投產發電，是三峽右岸電站最后一臺發電的機組，此時三峽電站額定裝機容量達18200MW。2012年7月4日，世界最大容量水電基地三峽電站32臺機組全部投運，為保證三峽電站22400MW水電的全部送出，國家先后配套建設了4項±500kV直流工程、88項交流輸變電工程。

三峽電站的建設促進了“西電東送、南北互濟、全國聯網”的電力發展格局形成，2002年5月，川電東送工程實現了川渝與華中主網聯網。2009年1月，晉東南—南陽—荊門1000kV特高壓交流試驗示范工程建成，實現了全國電力資源配置的“南北互濟”。同時，伴隨著云南、四川水電高速開發，云南—廣東、向家壩—上海±800kV特高壓直流工程分別于2009年、2010年建成投產，標志著我國電網全面進入特高壓交直流混聯電網時代。

2009年12月26日，《中華人民共和國可再生能源法》的修訂全面促進了清潔能源裝機的高速增長。截至2018年底，全國水電裝機3.52億kW、風電裝機184億kW、太陽能裝機1.74億kW，均達到世界第一。由于水電多集中于西南地區，風、光資源多集中于三北地區，一次清潔能源與負荷中心的遠距離逆向分布促進了特高壓輸電技術的快速發展。截至2018年底，全國共投產了“八交十四直”特高壓工程，保證了清潔能源的外送需求。

我國電力系統已經實現了全國聯網，形成“西電東送”“北電南供”電力配置格局。2018年，全國電力裝機達19億kW，其中39.8%為清潔能源；全國跨區輸電能力達1.43億kW，形成或在建9大煤電基地、9大風電基地、13大水電基地，千萬千瓦級直流群達10個。

2000年與2019年我國電力系統主要指標對照詳見表1-8。

三峽工程和特高壓輸電工程是形成當前電力系統發展格局的標志性工程。能源結構調整、集約化開發、大范圍配置是形成當前電力系統發展格局的根本原因。

5.以雙碳為目標，以清潔能源為主體的新型電力系統建設

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上表示，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。以高效化、清潔化、低碳化、智能化為主要特征的能源革命正引領當前世界能源發展的方向和潮流。為搶占能源轉型變革先機，我國實施“節約、清潔、安全”的能源發展戰略，深化能源供給側結構性改革，大力發展清潔能源產業。截至2022年底，全國累計發電裝機容量約25.6億千瓦，穩居世界第一。2023年，國家能源局公布《新型電力系統發展藍皮書》，藍皮書指出電力系統應主動實現“四個轉變”：一是電力系統功能定位應從適應社會經濟發展改為引領行業升級轉變；二是電力供給以由化石能源主導向以新能源支撐為主體的結構轉變；三是電力系統由“源網荷”三要素向“源網荷儲”四要素轉變，電網多種新型技術形態并存；四是電力系統調控運行模式由單向計劃調度向源網荷儲多元智能互動轉變。作為實現“碳達峰、碳中和”目標的重要支撐，儲能建設得到我國政府和社會各界的高度重視和大力支持。

1.6.2 我國電網的發展歷程及新的挑戰

1970年前，雖然我國出現了若干省級電網的雛形（1958年初步形成東北、京津唐、晉中、南錫常、合肥、上海、魯中、鄭洛、贛南等地區電力系統，陜甘川滇也圍繞省會城市形成了電力系統），但就全國范圍而言，多數電力系統仍以110kV及以下孤立系統為主。110kV電網發生故障，只影響本地區的孤立系統，全國電力系統的穩定問題不突出。

1970—1980年，我國的電網發展處在一個特殊時期，即省級和跨省電網的形成時期，許多地區的電網相繼互聯，逐步由孤立的110kV電力系統互聯成220kV及以上的全省乃至跨省電力系統。這一時期，電力系統發展處于一個新階段，無論是電力系統規劃設計、基建還是運行管理，都缺少對省級電網、跨省電網形成的客觀認識，全國發生電力系統穩定破壞事件210次。電力系統安全穩定問題成為當時電網正常運行的主要矛盾。

2000年后，電網互聯格局由省間向跨區、全國聯網轉變；電力供應格局由嚴重短缺向相對過剩和短缺與相對過剩交替存在轉變；電力工業管理格局由垂直一體化向市場化轉變。2018年以來，電網互聯實現了全國聯網、跨國聯網，電力資源實現了全網統一配置，新能源被大規模開發利用，但大范圍消納受限，電力供應全局過剩與局部短缺的矛盾突出，電力系統形態及運行特性日趨復雜，電力系統安全穩定面臨嚴峻形勢和諸多挑戰，主要包括以下五個方面。

1.全國聯網格局已經形成、系統復雜程度前所未有

進入21世紀，為應對氣候變化、保護生態環境、保障能源供應，世界各國紛紛提出能源清潔低碳轉型目標，轉型進程明顯加快。美國在《2022年能源獨立和安全》法案和“太陽計劃2030”中提出大力發展清潔能源技術和能源效率技術，光伏發電到2030年占總電量的20%，2050年前達40%；歐盟提出“3個20%”減排目標，即至2020年，溫室氣體排放要減少20%9基準年份為1990年），可再生能源占一次能源消費比例提高至20%，能源效率提高20%；計劃2030年前，可再生能源比例進一步提高至27%，50%的電力供應來自可再生能源；日本在《能源革新戰略》中提出提高能效并大力發展可再生能源，2030年使可再生能源在電源結構中占比達22%～24%。

《能源生產和消費革命戰略（2016～2030）》提出了我國能源革命中長期的戰略目標：2020年、2030年、2050年非化石能源占一次能源消費比例達15%、20%及50%以上；2030年非化石能源發電量占全部發電量的比例力爭達到50%。

我國80%以上的水電、風電、太陽能資源集中在西部、北部地區，東中部是負荷中心，西部、北部能源基地到東中部負荷中心為1000～3000km，預計到2050年，我國西電東送電力將達450～550GW，而傳統交流最大輸電距離僅約200km，傳統直流輸電能力不超過3000MW。從能源轉型趨勢、資源稟賦特征和大范圍配置需求來看，我國電力發展必須走“特高壓、全國聯網”的道路。

為滿足清潔能源送出，我國加快發展特高壓及跨區電網。截至2022年底跨省、跨區、跨國直流工程達35個，并在送、受端形成十大直流群，見表1-9，全國電網一體化特征顯著、交直流耦合特性復雜，單個直流群最大規模達40GW，大直流或直流群與弱交流之間的矛盾更加突出，交流系統薄弱，易引發交直流連鎖反應，制約了資源大范圍配置能力。主要表現在：

1）與直流耦合的9如新疆—西北、華北—華中）交流聯網通道輸電能力普遍在6GW以下，而特高壓直流或直流群造成的功率沖擊達8～20GW，易造成交流系統穩定破壞。

2）同送同受直流群最大送電水平超過20GW，受端交流故障引起多回直流同時換相失敗時，對受、送端電網均造成巨大沖擊，頻率、電壓等穩定問題突出。

3）隨著多直流饋入地區送電水平進一步增加，多饋入短路比不足的問題愈發突出，嚴重情況下存在電壓崩潰風險。

2.電能生產向清潔低碳化轉變帶來的消納問題比較突出

2022年全國風光裝機達7.6億千瓦，其中，風電裝機容量約3.7億千瓦；太陽能發電裝機容量約3.9億千瓦。通過綜合施策，棄風、棄光實現“雙降”，云南、四川棄水電量有所減少，但沒有從根本上解決清潔能源的消納問題。棄風主要集中在新疆、甘肅和內蒙古，三省9區）風電限電量占全國風電限電量的84%。棄光主要集中在新疆和甘肅，新疆光伏限電量為21.4億kWh，光伏限電率為16%；甘肅光伏限電量為10.3億kWh，光伏限電率為10%。

影響新能源消納的因素主要體現在三個方面：1）新能源電力波動性強與系統調節能力不足的矛盾突出。2）網源發展的協調性不夠導致新能源大范圍消納受限。3）新能源自身存在技術約束。新能源機組的頻率、電壓耐受能力與常規火電機組相比較差，故障期間容易因電壓或頻率異常而大規模脫網，甚至會引發連鎖故障，新能源機組的涉網性能不足，也是制約其消納的重要因素之一。

3.電力系統中電力電子裝置比例劇增、安全運行面臨全新挑戰

風電、光伏等新能源，直流、FACTS輸電技術，分布式發電及電動汽車等快速發展，造成海量電力電子元件接入源、網、荷三側，使得電力系統的物理結構更加復雜。特別是新能源和饋入直流等電力電子類電源大量替代常規電源，帶來系統轉動慣量降低，一次調頻能力、動態無功支撐下降，頻率、電壓穩定性和抗擾動能力惡化等新問題。

由于電力電子裝置的快速響應特性，在傳統同步系統以工頻為基礎的穩定問題之外9如功角穩定、低頻振蕩等問題），出現了中頻帶95～300Hz）的新穩定問題。與傳統交流系統中同步、異步概念不同，電力電子裝置引起次同步/超同步振蕩后，可能仍會掛網運行，持續威脅電網安全運行。

4.新技術的廣泛應用，對其認知不充分造成的安全風險逐漸凸顯

近年來，為提高新能源消納能力，柔性直流輸電、虛擬電廠、虛擬同步機、物理/化學儲能等新技術加快應用9見表1-10），一些新的穩定問題在運行中逐漸暴露出來，如柔性直流輸電靈活可控、響應快速，但控制不當可能引起高頻率的振蕩，造成交直流設備損壞，威脅電力系統安全。

仿真計算表明，柔性直流輸電系統還存在增加兩側交流系統短路電流的風險。這一特性改變了以往通過直流聯網不會對被連交流系統短路電流水平產生影響的認識。

5.嚴重故障范疇擴大，大面積停電風險始終存在

近年來，冰雪、臺風、山火、地震等自然災害造成的電力設施大面積破壞事件頻發，對電力系統的安全穩定運行造成巨大挑戰。2008年的冰災造成廣東、云南、貴州、湖南等13個省份的電力系統嚴重受損，多片電網解列；全國停運電力線路36740條，停運變電站2018座；全國停電縣9市）多達170個，部分地區停電時間長達10天以上。2017年的“天鴿”臺風登陸珠海，電力設施損壞嚴重，70萬用戶被迫停電。

受通道資源限制，全國含2回以上特高壓直流的密集走廊共18處，最大輸電功率超25GW，發生自然災害或其他外力破壞導致多回線路故障時極易引發大面積停電事故。如浙江、安徽多處存在密集通道，每個密集通道有5～6回特高壓交直流線路，最大輸送功率超過20GW，一旦一個密集通道的多條交直流線路全部失去，將會造成華東地區大面積停電。受線路路徑限制，全國220kV及以上輸電線路交叉跨越點超過1萬個，多回輸電線路交叉同樣存在引發大面積停電的風險。

電力系統已成為國家間網絡對抗的潛在目標，烏克蘭、委內瑞拉等國家或地區多次遭受黑客攻擊而發生大規模停電事件，電力監控系統的網絡安全已成為大電網安全的重要組成部分。

面對形勢與挑戰，保障我國電力行業科學發展、電力系統安全穩定運行、能源生產與消費全面轉型有著重大意義。