国内外电力流向及规模优化研究现状及发展趋势分析

宋福龙，张琳，孙珂，孙英云，肖笋

(1.国网北京经济技术研究院，北京市100052;2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206)

0 引言

我国能源资源的分布和消费在地理分布上存在突出的矛盾，76%的煤炭资源分布在北部和西北部、80%的水能资源分布在西南部、绝大部分陆地风能和太阳能资源分布在东北、华北和西北(“三北”)地区［1］，而负荷中心主要分布在中东部地区，2010年中东部16省用电量占全国用电总量的69%［2］。我国能源资源的禀赋决定了能源资源需要进行大范围的优化配置，能源基地的电力将大规模送往华北、华中和华东(“三华”)负荷中心。随着我国能源梯次开发向西部和北部转移速度加快，能源产地和能源消费地之间的输送距离越来越远、能源输送的规模越来越大。

我国智能电网建设的步伐不断推进，“坚强”和“新能源接入”是智能电网的重要内容［3-5］，一方面源自电力系统事故的惨痛教训，另一方面源自化石能源的日益枯竭。坚强的电网要求具备事故紧急功率支援的能力，这将会产生大规模的电力流动;同时新能源的接入也会使得电力流动更加灵活。

1 国外电力流向发展规模和趋势

1.1 美国电力流向分析

1.1.1 美国能源分布整体情况

美国能源分布相对均衡，煤炭、水力资源在美国大陆东西部均有分布，相应的电源也主要集中在东部和西部地区，中部地区电厂密度相对较小，这与美国负荷分布一致，如图1所示。

美国的可再生能源分布相对集中，尤其是太阳能资源，可开发资源多集中在西南部地区。对于天然气和石油资源来说，美国目前已有较为完善的石油和天然气管网(如图2、3所示)，运输成本不高［6-7］。

根据美国能源信息管理中心公布信息，2009年美国净发电量为3.95×1012kW·h，售电量约为3.60×1012kW·h。2009年三大主要发电能源(煤、天然气和核电)占发电量的88%，石油相关能源占1%，水电占7%，其他再生能源占4%［8-9］。

1.1.2 美国负荷分布及发展情况

美国各地存在着负荷不平衡现象，总体来讲，东西部沿海地区人口密度较大，负荷密度也较大，而中部地区，尤其是中北部地区人员稀少，负荷密度相对低一些［8-9］。美国各州年电力负荷分布如图4所示。

1.1.3 美国电力流向分析及发展趋势

目前，美国尚未出现全国范围内的大规模电力流动，主要原因有:

(1)美国一次能源(煤炭、水力)分布相对较为合理，发电厂和负荷的分布也较为匹配，能源资源在很大程度上可实现就地平衡，无需大规模的电力流动。

图4 2009年美国各州年电力负荷分布Fig.4 Power load distribution in the American states in 2009

(2)美国天然气发电比例占总发电量的23%，而目前已有成熟的天然气和石油管网来实现能源资源的优化配置，新建大规模输电线路来取代原有的输气方式的必要性不强。

(3)历史原因。美国电网最初是电力公司根据当地负荷和电源情况建设的孤立电网，发电和用电一般在本地平衡。虽然电网规模在逐渐扩大，但电网公司仍属私人所有，考虑到输电网建设成本巨大，这些私营电网公司对大容量、长距离电能传输的需求不大［10］。

虽然美国目前尚未出现全国范围内的大规模电力流动，但由于各地能源的特点不同以及不同能源方式的互补要求，美国各个电网内部也存在着一些典型的电能流动方式，主要包括加拿大“水电南送”、PJM电网“西电东送”以及加利福尼亚独立系统(CAISO)“北电南送”等［11］。

经过多次大停电事故后，美国政府和电力工业界逐渐发现输电设备老化、区域交换能力不足等问题制约了美国电网的进一步发展，因此在Grid 2030中提出了建设全国范围内的联合电网的展望。但考虑到美国煤炭、天然气等资源分布较为均衡，天然气管网等资源配置设施非常完善，在可以预见的将来，与我国大范围、大规模的资源优化配置不同的是，美国电网的大规模电力流动将侧重于:(1)事故情况下的紧急支援;(2)可再生能源的接入。图5展示了美国太阳能资源开发可能对美国电力流向的影响。当美国太阳能发电开发到一定程度之后，将出现从美国西南地区(太阳能资源丰富地区)到负荷中心(西部沿海为主)的电力流向。

1.2 欧盟电力流向分析

1.2.1 欧盟能源分布整体情况

欧盟地区能源资源，尤其是化石能源资源相对较少。欧盟委员会调查显示，欧盟煤炭储量占世界总量的3.5%，天然气储量和铀储量均不到世界的2%，石油储量不到世界的1%(如图6所示)。欧盟本地化石能源相对有限，是世界上一次能源的最大进口地区。据研究，在2030年之前，欧盟对外能源依存度将达到70%，其中天然气进口(如图7(a)所示)将由40%增加到70%，石油进口(如图7(b)所示)可能由76%增长到90%，煤炭进口(如图7(c)所示)将由50%增加到70%［8-9］。

图5 太阳能资源开发可能对美国电力流向的影响Fig.5 Impact of solar energy resource development on electricity flows in USA

图6 欧盟能源资源分布Fig.6 Energy resource distribution in EU

欧盟水力资源较为丰富，可开发水力资源电量约为1.8×1012kW·h，占世界可开发水力资源的18%，但其分布并不均衡，主要集中在北欧地区和南欧的瑞士、意大利等国。

1.2.2 欧盟负荷分布及发展情况

欧盟各国电力负荷发展不均衡，总体来讲，经济和人口大国的用电负荷较高，如德国、法国、英国、意大利等，如图8所示。

目前，欧盟电力结构中，可再生能源占比22%，为世界最高。同时，天然气发电比重为18.7%，传统火电为25%，核电为28.1%(主要集中在法国、德国等负荷密集地区)，欧盟发电站分布情况如图9所示。

1.2.3 欧盟电力流向分析及发展趋势

欧盟电力流向和美国有类似之处。由于能源资源的分布与负荷分布较为匹配，目前并未出现大规模电力流动情况，但石油、天然气等一次能源流动现象较为明显，这也在一定程度上抑制了电力流的产生。在北欧等地区出现了内部的典型电力流，这主要是由于北欧水电资源丰富，占比超过50%，主要位于西北部，而负荷中心主要位于北欧的南部。为满足负荷中心的用电需要，电力流向整体呈现由西北向东南的格局［12-13］。

随着欧盟电网建设的逐步加强，以及北欧水电资源、风电资源和南欧太阳能资源的进一步开发，未来欧盟电力流向将主要呈现从南、北方向向中央负荷中心(德、法、意大利等国)汇集的特征［14］，主要包括北欧水电和北海海上风电南下，南欧包括撒哈拉地区的太阳能发电南上等。欧盟现在和预计的未来能源组成如图10所示。

1.3 俄罗斯电力流向分析

1.3.1 俄罗斯能源分布整体情况

俄罗斯是世界上煤炭、石油、天然气、核燃料以及经济水能资源蕴藏最丰富、生产能力最大的国家之一［15-16］。俄罗斯是世界第二大产油国，其原油主要蕴藏在东部和北部地区，其中西西伯利亚和伏尔加—乌拉尔地区的原油储量占全俄原油总储量的3/4。俄罗斯天然气的探明储量占世界的1/3以上，主要分布于西西伯利亚地区，其探明储量占全俄总储量的4/5左右。南西伯利亚地区是俄罗斯的主要产煤区，产量约占全俄的1/3以上。俄罗斯的电力工业主要分布在西部地区，乌拉尔及其以西的发电量占全俄的70%左右［17-20］。

俄罗斯的能源分布很不平衡，大致可分为:(1)具有全俄意义的能源基地，包括西西伯利亚、东西伯利亚和北方区这3个区;(2)能源基本有保障的地区，主要是伏尔加河流域、北高加索和远东地区;(3)能源严重不足地区，主要包括中央区、西北区和伏尔加—维亚卡特区。

1.3.2 俄罗斯负荷分布及发展情况

俄罗斯的电力结构以火力发电为主，据2009年的统计结果表明，火电装机容量约占62%，水电为21%，核电为17%。俄罗斯政府正在大力发展水电和核电以提高化石能源的出口量。

俄罗斯大致可分为:欧盟区、西伯利亚区、远东区。其中，欧盟区装机容量占俄罗斯电力工业装机容量的72%，主要是火电和核电以及伏尔加河上的梯级水电站;西伯利亚区装机容量占总装机容量的21%，以水电为主，约占49.2%;远东区的电力装机较少，仅占整个俄罗斯装机比重的7%，只有几个小的火电厂。

俄罗斯的核电集中在西北、中部和中伏尔加3个联合电网中;火电则集中在中部、乌拉尔、西北、西伯利亚和远东联合电网;欧盟部分和乌拉尔地区主要采用燃油发电，而在西伯利亚和远东地区则全部是采用煤炭作燃料;在北方和远东地区，由于居民生活采暖的需求，热电厂占当大的比重，为全国提供了30%以上的供热量。

在用电构成中，工业(包括建筑)用电和交通运输用电比重呈下降趋势，农业用电比重和包括生活、商业用电以及发电厂厂用电和输配电损耗在内的其他用电比重呈增长趋势。

从地理分布的角度看，俄罗斯75%的电力负荷位于西部，尤其是俄罗斯的欧盟地区。

1.3.3 俄罗斯电力流向分析

目前，俄罗斯电网联络线输送能力较弱，一般区域电网间交易电量仅占区域发电量的5%～10%，如图11所示［21］。

图11 俄罗斯区域电网间交易电量Fig.11 Electricity trade between the Russian regional power grid

根据俄罗斯国家发展方向，在未来相当长的一段时期内，俄罗斯仍将是世界最大的能源出口国之一，目前以石油、天然气、煤炭等一次能源为主要出口商品。随着俄罗斯电网的不断加强以及周边国家用电需求的提升，中国、日本、韩国以及欧盟部分国家已有进口俄罗斯电力的打算。因此，俄罗斯将来的电力流将由能源富集区向周边国家输送。在西伯利亚部分，丰富的水电资源将会从西向东南方向输送，即向中国、韩国和日本输送，形成东北亚互联电网。在欧盟部分，由于波罗的海3国等前苏联加盟共和国的存在，另外考虑到欧盟对能源安全的担心，在俄罗斯东部形成跨国的电力流动难度较大，电力流多集中在俄罗斯欧盟地区与前苏联加盟共和国之间的内部流动。

1.4 巴西电力流向分析

1.4.1 巴西能源分布整体情况

巴西水能资源丰富，截至2009年末，巴西总装机容量为1.04×108kW，其中水电装机容量0.74× 108kW，约占总装机容量的72%。此外，巴西还有部分天然气、燃油、燃煤、核电、风电和生物质能机组［8，22］。

未来10年，巴西将优先考虑包括水电、生物质能、风能在内的可再生能源发电。可再生能源的开发以水电为主，重点开发潜力较大的西北部地区水电资源，由2009年的0.104×108kW增长到2019年的0.392×108kW，平均年净增0.029×108kW。预计至2019年末，巴西发电总装机将由目前的 1.04× 108kW增加至1.67×108kW，其中46%分布在东南、中西部地区，24%分布在北部地区，16%分布在东北部地区，14%分布在南部地区。

1.4.2 巴西负荷分布及发展情况

巴西负荷分布是由其自然条件所决定的。巴西北部地区为亚马逊热带雨林地区，人口密度低，工业不发达，负荷极低;而东部沿海和东南部地区，自然条件较为优越，工业也很发达，集中了全国近80%的负荷。因此，巴西负荷呈现明显的不均衡现象，东南地区和南部地区要远高于北部地区，东部沿海地区尤为密集，如图12所示。

1.4.3 巴西电力流向分析及发展趋势

巴西地域辽阔，负荷分布较为集中，目前形成了从北部电网向东南部送电的电力流。但由于环境等方面的原因，目前北部地区水力资源尚未大量开发，这种态势仍不太明显。随着未来西北部地区水电资源的大力开发，西北向东南的电力流规模将逐步加大。在风电方面，随着北部沿海地区风电资源的进一步开发，巴西电网也将形成风电“北电南送”的格局。

图12 巴西负荷分布Fig.12 Load distribution in Brazil

1.5 国外电力流向特征分析

综合上述4个国家和地区电力流向现状和发展趋势，可以总结出影响电力流向发展的几个关键因素:

(1)无替代运输方式的一次能源(如水力资源)向负荷集中地区的大规模电力流动。传统能源中的水力资源难以采用替代方式运输，而水能集中地区又由于地形、地势的限制，通常负荷密度较低。水力资源与用电需求的逆向分布往往会产生大规模电力流动。

(2)可再生能源的发展与接入会促进电力流动。以风能和太阳能为代表的可再生能源具有一个显著的特征，即发电的不可控性。同时，由于自然条件的限制，这些能源丰富的地区通常人烟稀少，负荷较低。在化石能源日益枯竭的今天，世界各国对可再生能源发展都倾注了极大的热情，由于这些资源的不可控性和地理分布上的特性，必然会产生电力流动的需求，将可再生能源接入主网并利用主网上大量可控发电对其进行调整，达到有效利用可再生能源的目的。目前，欧盟、美国的电网规划中已经考虑了这一需求，将出现由于可再生能源接入所带来的大规模电力流动。

(3)电网紧急功率支援需要坚强电网的支持，进而会产生大规模电力流动的需求。电网如果发生事故而导致功率缺口，就需要其他地区电网的功率紧急支援，这时就会产生大规模电力流动，并要求电网具备大规模电力流动的能力。美国电力事故多发，尤其是“8·14大停电”给美国社会带来了巨大的损失，这方面的需求格外突出，提出要构建全国范围内的互联电网也是出于此考虑。

(4)电网结构的发展直接影响电力流向。影响电力流向的另外一个因素是该地区的电网发展历史和电网结构。俄罗斯和巴西在进行电网规划时，根据本国的能源分布特性考虑了大规模电力流动的需求，目前已出现了大规模电力流动的情况;欧盟和美国电网联系薄弱，尚未出现大规模的电力流动，但根据美国和欧盟的电网规划，随着电网结构的增强，电力流规模也将逐渐增大。

2 未来我国电力流向分析

“十二五”至“十三五”期间，我国将在西北部地区建设大型煤电、风电、水电基地，装机开发规模超过4×108kW。大型电源基地大多位于经济欠发达地区，装机开发能力本地无法消纳，需将电力送往“三华”负荷中心。考虑能源基地的地理位置、开发能力、装机结构及距离负荷中心的距离等因素，不同能源基地送电方向分析如下。

2.1 煤电基地送电方向

我国煤炭资源主要分布在西部和北部地区，在全国煤炭资源排名前6位的省份中，除贵州外，山西、内蒙古、陕西、新疆、宁夏等5省(自治区)都位于这一地区。从煤炭开发方面看，我国将建设神东、晋北、蒙东、宁东、陕北等13个大型煤炭基地，形成若干个亿吨级生产能力的大型煤炭基地。这些大型煤炭基地的储量占全国煤炭储量的70%以上，其煤炭产量的一半以上将用于发电。从国际经验看，同煤炭经长距离运输后再用于发电相比，煤电就地转化是一种高效、清洁的利用方式。就我国情况看，受运力、运输损失、运输成本、东部地区环境容量限制等因素影响，在煤炭基地就地建设大型煤电基地，实现煤电一体化发展，提高煤电就地转化比例，通过电网送到中东部负荷中心，是一条高效率、低成本的煤炭开发利用途径。

西北地区的大型能源基地距离“三华”负荷中心较远，其向负荷中心的送电方向将形成我国电力流向的大轮廓。其他距离负荷中心较近的能源基地遵循就近消纳及避免路径交叉等原则，与西北电力外送方向相协调，实现本地电源送出。

西北地区的蒙陕甘宁地区规划有大量装机，而本地负荷需求有限，在满足本地电网用电要求下，其余电力考虑外送消纳。其中，鄂尔多斯能源基地电源主要在准格尔和上海庙地区，准格尔煤电基地已通过500 kV线路协议向京津唐地区送电。陕北地区神木锦界电厂一期部分机组已经顺利投产发电，以“点对网”的方式通过500 kV交流线路送至河北南网。宁东煤电基地已在“十一五”期间建设宁东—山东±660 kV直流输电工程，将4 GW电力送往华北、山东地区消纳。

鄂尔多斯、陕北、宁东以及陇东煤电基地距离“三华”负荷中心约600～1 600 km，按电源的就近接入消纳原则，上述煤电基地近期考虑向京、津、冀、鲁、华中东部4省地区输送电力，并参与华东的电力市场竞争。考虑各煤电基地之间的位置关系，为避免线路走廊交错，优化送电方向，鄂尔多斯、陕北、宁东煤电基地主要送电京、津、冀、鲁、华中东部4省，陇东煤电基地主要送电华中东部4省地区。同时，随着外送电力的逐步加大，考虑送端装机规模以及受端市场空间情况，“十二五”末期和“十三五”期间，准格尔、宁东煤电基地进一步考虑向华东负荷中心送电，参与“三华”受端电力市场竞争。

2.2 水电基地送电方向

我国水能资源主要分布在四川、云南、西藏等西部地区，当地负荷水平有限，水电大规模开发必须远距离送到“三华”负荷中心消纳。另一方面，四川、云南、西藏等西部水电基地在我国的地理位置偏南，若将电力送至华北负荷中心，不仅在整体送电格局上会造成送电路径的大量交叉，还会造成部分电力通过南北输电通道再次向南输送，形成电力迂回，在经济上和电网运行安全性上都是不合理的。因此，四川、云南、西藏等西部水电基地的电力应依据水火互济和整体电力流向合理的原则，通过交、直流通道送至华中、华东地区电源结构以火电为主的省份，满足中东部负荷中心电力需求的同时，提高电网运营效益和资源优化利用。

2.3 风电基地送电方向

我国风电资源主要分布在“三北”地区，规划的8个千万千瓦级风电基地(甘肃、哈密、蒙西、蒙东、河北、东北、江苏、山东中7个集中在“三北”地区，基地规模大、集中度高，所在地区电力负荷小，电源以火电为主。

从地理分布上来看，大型风电基地可分为位于北部和位于东部负荷中心2类。位于北部地区的风电基地以甘肃、哈密、蒙西、蒙东、河北、东北等为代表，此类地区电力需求相对较小，需要通过大容量输电通道实现大规模的外送。位于负荷中心的风电基地以江苏、山东为代表，此类地区处于“三华”负荷中心的重要受端，电力需求较大，大型风电基地的集中接入一方面可以满足当地巨大的用电需要，另一方面可作为受端支撑电源提高当地电网的安全稳定水平，剩余电力仍可外送。

考虑到受市场空间和系统调峰能力限制，风电消纳能力十分有限，必须走“大规模、高集中开发，远距离、高电压输送”的道路，在全国更大范围内消纳。规划的8个千万千瓦级风电基地电力需通过集中外送方式，与火电打捆后送往“三华”负荷中心，其送电方向与其周边煤电基地的送电方向具有相通性。

综上所述，未来我国主要在西部、北部能源资源丰富地区建设大型煤电基地、水电基地、风电基地，送电中东部负荷中心，形成“西电东送”、“北电南送”的基本电力流向，如图13所示。

图13 我国未来电力流向Fig.13 Future trends of power flow in China

3 结语

我国能源资源的分布和消费在地理分布上存在突出的矛盾。能源资源大部分集中在西部地区，而这些地区经济发展相对落后，能源需求量不大，而占全国总负荷近七成的中东部地区能源资源却十分稀少。加之我国不具备其他完善的能源资源输送通道，而且有些一次能源(如水能、风能等)无除电力输送以外的传输方式。这一突出矛盾导致我国电力出现“西电东送”、“南电北送”的大规模电力流向。同时，可再生能源的应用也会导致大规模电力流向的产生，电力流向也更为灵活。

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