1.6 我国电力系统的发展历程及新的挑战

1.6.1 我国电力系统的发展历程

我国电力系统发展至今呈现出显著特点，即为满足电力消费需求的增长，电力生产结构不断变化，进而导致电力输送模式持续更新，电力平衡模式也随之从就地平衡、省内平衡、区域平衡发展到全国平衡。

纵观电力工业起步至今，我国电力系统发展可分为5个阶段；新中国成立后，我国电力系统随着国民经济水平的不断提升快速发展，大体分为4个阶段，见表1-3。

1.1882—1949年的微小机组、低电压、直配/孤立电网

我国电力工业的发展基本和欧美同时起步，表1-4列举了我国电力工业与世界电力工业开端的标志性事件。1882年7月26日，上海黄浦江边一台12kW的蒸汽发电机组，点亮了南京路上6.4km长的供电线路上串联的15盏弧光电灯，开启了中华民族有电的历史，我国电力系统也正式诞生，这是一个微容量单机、短距离低电压单线、点对点就地供电的简单电力系统。

最初，发电、供电都是为了照明，发电厂大多叫电灯厂。到辛亥革命前，我国有20余座城市新建电灯厂，全国的发电装机总容量只有27MW，也相应地有了少量的供电线路，供电方式也只是近距离点对点输送，还没有形成电网。

到1936年，全国发电装机总容量630MW，年发电量17亿kWh，初步形成北京、天津、上海、南京、武汉、广州、南通等大中城市的孤立电力系统。

新中国成立前夕，全国发电装机总容量1848.6MW，年发电量43亿kWh，除东北有一条220kV和几条154kV线路外，其他地区最高电压等级还是33kV、13.2kV、3.3kV等，电力系统格局是以直配线为主的城市孤立电网。1882年与1949年我国电力系统主要指标对比见表1-5。

2.1949—1978年的小机组、低电压、省级电网

1953年，我国启动第一个五年计划，电力工业开始规模发展。1954年，为满足丰满电厂水电外送需要，新中国第一条220kV线路——松东李线投运；1955年，为配合官厅水电站电力送出，我国自行设计和施工的第一条110kV输电线路——京官线建成；1956年，国产第一台6MW火电机组在淮南电厂投运；1969年，我国首座自行设计、施工、设备制造的百万千瓦级水电站刘家峡水电站投运；1972年为满足刘家峡电厂水电外送需求，我国第一条330kV输电线路刘天关线投运。1978年，我国基本建立起完整的电力工业体系，300MW机组、330kV及以下输变电工程实现自设计建设，基于行政区划的省级电网初具规模。

这一时期，虽然省级电网基本形成，但是仍不具备跨区送电能力；电力通过传统的较低电压等级交流电网传输，不具备直流输电能力。1949年与1978年我国电力系统主要指标对比见表1-6。

3.1978—2000年的大机组、高电压、区域电网

改革开放为经济社会注入了强大的动力，电力需求随之日益旺盛。为满足“武钢07工程”按时投产，1981年我国第一条500kV超高压输电线路——河南平顶山—湖北武昌输变电工程投产。1988年年底，葛洲坝水利枢纽工程建成，装机容量达2715MW。为满足葛洲坝水电外送及上海经济社会发展需求，1989年±500kV湖北葛洲坝—上海南桥直流输电工程投运，形成了我国第一个跨省的非同步互联电网，是全国联网的雏形。1994年12月14日，世界第一大的水电工程三峡工程正式开工，一批500kV联网或连接的输变电工程相继建成投产。

这一时期，300MW及以上机组成为主力机型，水电发展加快，核电建设起步，电网主网架向500kV升级，跨省联网规模不断扩大，基本形成了六大区域电网，即东北、华北、华东、华中、西北和南方电网，西藏电网与主网的互联工程也在紧张实施当中。

六大区域电网形成后，全国电网具备了初级的跨区输送能力，但通道单一、形式单一，且传输容量仅1160MW；常规机组装机容量迅猛发展的同时，风电开始起步发展，但整体装机容量少，仅344.8MW。1978年与2000年我国电力系统主要指标对比见表1-7。

4.2000—2019年的大基地、特高压、全国联网

进入21世纪，我国经济发展迅猛，2001年我国已是世界第六大经济体，2010年超越日本成为世界第二大经济体。电力需求水平日益提高，为满足长江、珠江经济带发展需求，2003年7月10日，三左岸电站2号机组投产发电并移交三峡电厂，这是三峡工程第一个投产的机组。2008年10月29日，右岸15号机组投产发电，是三峡右岸电站最后一台发电的机组，此时三峡电站额定装机容量达18200MW。2012年7月4日，世界最大容量水电基地三峡电站32台机组全部投运，为保证三峡电站22400MW水电的全部送出，国家先后配套建设了4项±500kV直流工程、88项交流输变电工程。

三峡电站的建设促进了“西电东送、南北互济、全国联网”的电力发展格局形成，2002年5月，川电东送工程实现了川渝与华中主网联网。2009年1月，晋东南—南阳—荆门1000kV特高压交流试验示范工程建成，实现了全国电力资源配置的“南北互济”。同时，伴随着云南、四川水电高速开发，云南—广东、向家坝—上海±800kV特高压直流工程分别于2009年、2010年建成投产，标志着我国电网全面进入特高压交直流混联电网时代。

2009年12月26日，《中华人民共和国可再生能源法》的修订全面促进了清洁能源装机的高速增长。截至2018年底，全国水电装机3.52亿kW、风电装机184亿kW、太阳能装机1.74亿kW，均达到世界第一。由于水电多集中于西南地区，风、光资源多集中于三北地区，一次清洁能源与负荷中心的远距离逆向分布促进了特高压输电技术的快速发展。截至2018年底，全国共投产了“八交十四直”特高压工程，保证了清洁能源的外送需求。

我国电力系统已经实现了全国联网，形成“西电东送”“北电南供”电力配置格局。2018年，全国电力装机达19亿kW，其中39.8%为清洁能源；全国跨区输电能力达1.43亿kW，形成或在建9大煤电基地、9大风电基地、13大水电基地，千万千瓦级直流群达10个。

2000年与2019年我国电力系统主要指标对照详见表1-8。

三峡工程和特高压输电工程是形成当前电力系统发展格局的标志性工程。能源结构调整、集约化开发、大范围配置是形成当前电力系统发展格局的根本原因。

5.以双碳为目标，以清洁能源为主体的新型电力系统建设

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。以高效化、清洁化、低碳化、智能化为主要特征的能源革命正引领当前世界能源发展的方向和潮流。为抢占能源转型变革先机，我国实施“节约、清洁、安全”的能源发展战略，深化能源供给侧结构性改革，大力发展清洁能源产业。截至2022年底，全国累计发电装机容量约25.6亿千瓦，稳居世界第一。2023年，国家能源局公布《新型电力系统发展蓝皮书》，蓝皮书指出电力系统应主动实现“四个转变”：一是电力系统功能定位应从适应社会经济发展改为引领行业升级转变；二是电力供给以由化石能源主导向以新能源支撑为主体的结构转变；三是电力系统由“源网荷”三要素向“源网荷储”四要素转变，电网多种新型技术形态并存；四是电力系统调控运行模式由单向计划调度向源网荷储多元智能互动转变。作为实现“碳达峰、碳中和”目标的重要支撑，储能建设得到我国政府和社会各界的高度重视和大力支持。

1.6.2 我国电网的发展历程及新的挑战

1970年前，虽然我国出现了若干省级电网的雏形（1958年初步形成东北、京津唐、晋中、南锡常、合肥、上海、鲁中、郑洛、赣南等地区电力系统，陕甘川滇也围绕省会城市形成了电力系统），但就全国范围而言，多数电力系统仍以110kV及以下孤立系统为主。110kV电网发生故障，只影响本地区的孤立系统，全国电力系统的稳定问题不突出。

1970—1980年，我国的电网发展处在一个特殊时期，即省级和跨省电网的形成时期，许多地区的电网相继互联，逐步由孤立的110kV电力系统互联成220kV及以上的全省乃至跨省电力系统。这一时期，电力系统发展处于一个新阶段，无论是电力系统规划设计、基建还是运行管理，都缺少对省级电网、跨省电网形成的客观认识，全国发生电力系统稳定破坏事件210次。电力系统安全稳定问题成为当时电网正常运行的主要矛盾。

2000年后，电网互联格局由省间向跨区、全国联网转变；电力供应格局由严重短缺向相对过剩和短缺与相对过剩交替存在转变；电力工业管理格局由垂直一体化向市场化转变。2018年以来，电网互联实现了全国联网、跨国联网，电力资源实现了全网统一配置，新能源被大规模开发利用，但大范围消纳受限，电力供应全局过剩与局部短缺的矛盾突出，电力系统形态及运行特性日趋复杂，电力系统安全稳定面临严峻形势和诸多挑战，主要包括以下五个方面。

1.全国联网格局已经形成、系统复杂程度前所未有

进入21世纪，为应对气候变化、保护生态环境、保障能源供应，世界各国纷纷提出能源清洁低碳转型目标，转型进程明显加快。美国在《2022年能源独立和安全》法案和“太阳计划2030”中提出大力发展清洁能源技术和能源效率技术，光伏发电到2030年占总电量的20%，2050年前达40%；欧盟提出“3个20%”减排目标，即至2020年，温室气体排放要减少20%9基准年份为1990年），可再生能源占一次能源消费比例提高至20%，能源效率提高20%；计划2030年前，可再生能源比例进一步提高至27%，50%的电力供应来自可再生能源；日本在《能源革新战略》中提出提高能效并大力发展可再生能源，2030年使可再生能源在电源结构中占比达22%～24%。

《能源生产和消费革命战略（2016～2030）》提出了我国能源革命中长期的战略目标：2020年、2030年、2050年非化石能源占一次能源消费比例达15%、20%及50%以上；2030年非化石能源发电量占全部发电量的比例力争达到50%。

我国80%以上的水电、风电、太阳能资源集中在西部、北部地区，东中部是负荷中心，西部、北部能源基地到东中部负荷中心为1000～3000km，预计到2050年，我国西电东送电力将达450～550GW，而传统交流最大输电距离仅约200km，传统直流输电能力不超过3000MW。从能源转型趋势、资源禀赋特征和大范围配置需求来看，我国电力发展必须走“特高压、全国联网”的道路。

为满足清洁能源送出，我国加快发展特高压及跨区电网。截至2022年底跨省、跨区、跨国直流工程达35个，并在送、受端形成十大直流群，见表1-9，全国电网一体化特征显著、交直流耦合特性复杂，单个直流群最大规模达40GW，大直流或直流群与弱交流之间的矛盾更加突出，交流系统薄弱，易引发交直流连锁反应，制约了资源大范围配置能力。主要表现在：

1）与直流耦合的9如新疆—西北、华北—华中）交流联网通道输电能力普遍在6GW以下，而特高压直流或直流群造成的功率冲击达8～20GW，易造成交流系统稳定破坏。

2）同送同受直流群最大送电水平超过20GW，受端交流故障引起多回直流同时换相失败时，对受、送端电网均造成巨大冲击，频率、电压等稳定问题突出。

3）随着多直流馈入地区送电水平进一步增加，多馈入短路比不足的问题愈发突出，严重情况下存在电压崩溃风险。

2.电能生产向清洁低碳化转变带来的消纳问题比较突出

2022年全国风光装机达7.6亿千瓦，其中，风电装机容量约3.7亿千瓦；太阳能发电装机容量约3.9亿千瓦。通过综合施策，弃风、弃光实现“双降”，云南、四川弃水电量有所减少，但没有从根本上解决清洁能源的消纳问题。弃风主要集中在新疆、甘肃和内蒙古，三省9区）风电限电量占全国风电限电量的84%。弃光主要集中在新疆和甘肃，新疆光伏限电量为21.4亿kWh，光伏限电率为16%；甘肃光伏限电量为10.3亿kWh，光伏限电率为10%。

影响新能源消纳的因素主要体现在三个方面：1）新能源电力波动性强与系统调节能力不足的矛盾突出。2）网源发展的协调性不够导致新能源大范围消纳受限。3）新能源自身存在技术约束。新能源机组的频率、电压耐受能力与常规火电机组相比较差，故障期间容易因电压或频率异常而大规模脱网，甚至会引发连锁故障，新能源机组的涉网性能不足，也是制约其消纳的重要因素之一。

3.电力系统中电力电子装置比例剧增、安全运行面临全新挑战

风电、光伏等新能源，直流、FACTS输电技术，分布式发电及电动汽车等快速发展，造成海量电力电子元件接入源、网、荷三侧，使得电力系统的物理结构更加复杂。特别是新能源和馈入直流等电力电子类电源大量替代常规电源，带来系统转动惯量降低，一次调频能力、动态无功支撑下降，频率、电压稳定性和抗扰动能力恶化等新问题。

由于电力电子装置的快速响应特性，在传统同步系统以工频为基础的稳定问题之外9如功角稳定、低频振荡等问题），出现了中频带95～300Hz）的新稳定问题。与传统交流系统中同步、异步概念不同，电力电子装置引起次同步/超同步振荡后，可能仍会挂网运行，持续威胁电网安全运行。

4.新技术的广泛应用，对其认知不充分造成的安全风险逐渐凸显

近年来，为提高新能源消纳能力，柔性直流输电、虚拟电厂、虚拟同步机、物理/化学储能等新技术加快应用9见表1-10），一些新的稳定问题在运行中逐渐暴露出来，如柔性直流输电灵活可控、响应快速，但控制不当可能引起高频率的振荡，造成交直流设备损坏，威胁电力系统安全。

仿真计算表明，柔性直流输电系统还存在增加两侧交流系统短路电流的风险。这一特性改变了以往通过直流联网不会对被连交流系统短路电流水平产生影响的认识。

5.严重故障范畴扩大，大面积停电风险始终存在

近年来，冰雪、台风、山火、地震等自然灾害造成的电力设施大面积破坏事件频发，对电力系统的安全稳定运行造成巨大挑战。2008年的冰灾造成广东、云南、贵州、湖南等13个省份的电力系统严重受损，多片电网解列；全国停运电力线路36740条，停运变电站2018座；全国停电县9市）多达170个，部分地区停电时间长达10天以上。2017年的“天鸽”台风登陆珠海，电力设施损坏严重，70万用户被迫停电。

受通道资源限制，全国含2回以上特高压直流的密集走廊共18处，最大输电功率超25GW，发生自然灾害或其他外力破坏导致多回线路故障时极易引发大面积停电事故。如浙江、安徽多处存在密集通道，每个密集通道有5～6回特高压交直流线路，最大输送功率超过20GW，一旦一个密集通道的多条交直流线路全部失去，将会造成华东地区大面积停电。受线路路径限制，全国220kV及以上输电线路交叉跨越点超过1万个，多回输电线路交叉同样存在引发大面积停电的风险。

电力系统已成为国家间网络对抗的潜在目标，乌克兰、委内瑞拉等国家或地区多次遭受黑客攻击而发生大规模停电事件，电力监控系统的网络安全已成为大电网安全的重要组成部分。

面对形势与挑战，保障我国电力行业科学发展、电力系统安全稳定运行、能源生产与消费全面转型有着重大意义。