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經(jing)歷了(le)(le)100多年的發(fa)展(zhan)，電(dian)網(wang)(wang)的規(gui)模和結(jie)構形(xing)態發(fa)生(sheng)了(le)(le)很大(da)的變化，即從(cong)最初的局域小規(gui)模電(dian)網(wang)(wang)發(fa)展(zhan)到區域中等規(gui)模電(dian)網(wang)(wang)，進(jin)而發(fa)展(zhan)到今(jin)天的跨區互(hu)聯(lian)大(da)電(dian)網(wang)(wang)。如今(jin)，電(dian)網(wang)(wang)已經(jing)為(wei)人(ren)類供應了(le)(le)大(da)約(yue)四分之一(yi)的終(zhong)端(duan)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)，成為(wei)現代能(neng)(neng)(neng)源(yuan)體系(xi)的重要組(zu)成部(bu)分，電(dian)力在終(zhong)端(duan)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)消費結(jie)構中的比(bi)例已經(jing)成為(wei)一(yi)個國家發(fa)達程度的標志之一(yi)。

未來電網將呈現以下重要發展趨勢：第一，將成為電網中的主要一次能源來源。第二，電網的結構和運行模式將發生重大變化。第三，新材料技術將在電網中得到廣泛地應用。第四，物理電網將與信息系統高度融合。

廣義的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)網是(shi)發電(dian)(dian)(dian)(dian)設(she)備(bei)、和(he)用電(dian)(dian)(dian)(dian)設(she)備(bei)采(cai)用一定的(de)結構和(he)運行模式構建起來的(de)統一整體(ti)。因此(ci)，自從有了(le)發電(dian)(dian)(dian)(dian)機及其相應(ying)的(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)統，便有了(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)網。1882年，愛迪生公(gong)司(si)(si)在(zai)紐約建成世界上第一座(zuo)正規的(de)直流電(dian)(dian)(dian)(dian)站和(he)相應(ying)的(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)統，可以認為(wei)是(shi)人類首個真正意義上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)網。然而，由于(yu)當時(shi)不能為(wei)直流電(dian)(dian)(dian)(dian)升壓，輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)距離(li)和(he)輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)容量受到極大的(de)限制，于(yu)是(shi)，特斯拉于(yu)1887年發明了(le)交流發電(dian)(dian)(dian)(dian)機和(he)多相交流輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)技術。1897年，美國(guo)西(xi)屋公(gong)司(si)(si)在(zai)尼(ni)亞加拉水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)站的(de)首臺交流發電(dian)(dian)(dian)(dian)機投入運行并為(wei)35公(gong)里外(wai)的(de)水(shui)牛城供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，從此(ci)確立了(le)現(xian)代電(dian)(dian)(dian)(dian)網的(de)基(ji)礎。

經(jing)歷了100多年的(de)(de)(de)發展，電(dian)網(wang)的(de)(de)(de)基本形(xing)(xing)態(tai)沒(mei)有根本性的(de)(de)(de)變化(hua)，即(ji)電(dian)網(wang)以銅、鋁(lv)等為基本導電(dian)材料、以傳統電(dian)力設備為基礎、以可調度(du)能源(yuan)(如(ru)化(hua)石能源(yuan)、水力和核能等)作為電(dian)力的(de)(de)(de)主要(yao)一(yi)次能源(yuan)來源(yuan)、以交流(liu)為運行(xing)模式(shi)的(de)(de)(de)基本形(xing)(xing)態(tai)。然而(er)，電(dian)網(wang)的(de)(de)(de)規模和結(jie)構(gou)(gou)形(xing)(xing)態(tai)發生了很大(da)的(de)(de)(de)變化(hua)，即(ji)從最初的(de)(de)(de)局(ju)域小規模電(dian)網(wang)發展到區域中(zhong)等規模電(dian)網(wang)，進而(er)發展到今(jin)(jin)天的(de)(de)(de)跨區互(hu)聯(lian)大(da)電(dian)網(wang)。例如(ru)，2012年，我(wo)國(guo)(guo)發電(dian)總裝機容量已(yi)經(jing)接近(jin)(jin)12億(yi)千瓦，年總發電(dian)量接近(jin)(jin)5萬億(yi)度(du)，我(wo)國(guo)(guo)電(dian)網(wang)已(yi)經(jing)基本形(xing)(xing)成了“西電(dian)東送、南北互(hu)供(gong)、全國(guo)(guo)聯(lian)網(wang)”的(de)(de)(de)總體(ti)格局(ju)，已(yi)經(jing)覆蓋了全國(guo)(guo)大(da)部分(fen)地區，成為世(shi)界最大(da)的(de)(de)(de)電(dian)網(wang)之(zhi)(zhi)一(yi)。如(ru)今(jin)(jin)，電(dian)網(wang)已(yi)經(jing)為人類供(gong)應(ying)了大(da)約四分(fen)之(zhi)(zhi)一(yi)的(de)(de)(de)終端(duan)能源(yuan)，成為現代能源(yuan)體(ti)系的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)組成部分(fen)，電(dian)力在終端(duan)能源(yuan)消費結(jie)構(gou)(gou)中(zhong)的(de)(de)(de)比例已(yi)經(jing)成為一(yi)個國(guo)(guo)家(jia)發達程度(du)的(de)(de)(de)標(biao)志之(zhi)(zhi)一(yi)。

展(zhan)望未來(lai)，我(wo)們(men)認為，未來(lai)電網將呈(cheng)現以下重要(yao)發展(zhan)趨勢：

第一(yi)，可再(zai)生能源(yuan)將(jiang)成為(wei)電網中的主要一(yi)次能源(yuan)來源(yuan)。人類已經認識到化石能源是不可持續的能源，有必要大力發展可再生能源來替代之。這是因為：(1)核能在本世紀中葉前難以成為主導能源。核裂變能的原料也屬于有限資源，且其利用存在安全風險，核廢料處理也比較復雜。由于核裂變能的利用還涉及到國際安全環境，當前的核裂變能技術出口是受到國際有關條約嚴格控制的。盡管核聚變能可滿足人類長期發展需求，但其應用前景尚不明朗，ITER(國際熱核聚變堆)計劃到本世紀中葉才能建成首個示范電站。(2)可再生能源是可持續發展的綠色能源，且可開采量足夠人類使用。據統計分析，地球上接收的太陽能是人類目前能源需求總量的10000倍。地球上的風能總量也達到了目前人類能源需求總量的5倍，如果再算上水力資源、生物質能源、地熱能、海洋能，則可再生能源的總量更大。由此可見，可再生能源發展潛力巨大。(3)可再生能源目前已經得到很大的發展。隨著技術不斷進步，可再生能源發電的單位成本呈逐年下降趨勢。根據歐洲、美國和日本等發達國家和地區的預計，到2020年，光伏發電基本上可以實現平價上網。(4)國際已經有共識認為，可再生能源今后仍然會快速發展，且將逐漸成為主導能源。例如，2012年，國際能源署(IEA)發布的《2012年世界能源展望》，對2035年前的全球能源趨勢作出了預測：到2015年，可再生能源將成為全球第二大電力來源，并在2035年接近第一大電力來源——煤炭的發電量。歐共體聯合研究中心預測認為：到2050年可再生能源將占總能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是發電，因此，如果未來人類使用的能源將主要來自可再生能源，則電網中的一次能源也將主要來自可再生能源。

第二，電(dian)網的結(jie)構(gou)和運行模(mo)式將發生重大(da)變化。現代電網存在結構不盡合理和交流電網的固有安全穩定性等問題，亟待解決。隨著可再生能源越來越多地接入電網，將對電網帶來一系列新的嚴峻挑戰，這主要是由可再生能源具有不可調度性、波動性、分散性、發電方式多樣性和時空互補性等特點決定的。“結構決定功能、模式決定成敗”，因此從改變電網結構和運行模式入手，是解決電網現有問題和應對未來挑戰的重要手段之一。(1)從結構上講，由于未來電力資源與負荷資源的地理分布不匹配，以及可再生能源在廣域范圍具有良好的時空互補性，因而保持和發展一個規模適當的大電網是十分必要的。同時，由于可再生能源具有分散性，就地利用資源的分布式發電和面向終端用戶的微型電網也將會大量出現，因此未來電網的結構將呈現大電網和微型電網并存的格局。其次，為了保障供電的安全可靠性，需要發展環形網絡。針對不同電壓等級，宜采用多層次的環狀結構網絡，并實現相鄰層次間和同層次不同區域環形電網間的互聯，以構造一個多層次網狀結構的網絡。(2)在運行模式上，需要發展直流電網模式或交直流混合電網模式。這是因為，直流輸電網不存在交流輸電網固有的穩定問題，因此，采用直流輸電網，將從根本上解決交流電網所固有的安全穩定性問題。從配電網和微電網層面來講，未來的直流負荷將占相當高的比重且分布式電源(如光伏發電或儲能)也將以直流為運行模式。與此同時，還需要采用“分層分區運行、總體協調互動”的模式，以充分實現廣域范圍內各種資源的優化互補利用和區域電網間互為備用和支撐。電網結構和模式的改變將帶來大量的科技創新機遇，值得關注。

第(di)三，新材料技術將在電(dian)網中得到廣泛的應(ying)用(yong)。在電網的結構和模式確立以后，電網的運行性能在很大程度上就取決于電氣設備了，而電氣設備是由各種材料按照特定的結構制造而成的，材料的特性在很大程度上直接決定了電氣設備的性能。過去100多年來，對電網發展影響最大的創新來自新材料技術—電力電子器件的發明及其在電網中的應用，而像氧化鋅避雷器、六氟化硫斷路器、碳纖維復合芯導線等技術發明，其根本創新之處在于新材料的應用。展望未來，隨著新材料技術的不斷發展，新材料技術將在電網中得到廣泛的應用。(1)首先，高壓大功率電力電子器件(如寬禁帶半導體器件等)和裝備將會使得對高壓大功率電力的變換和控制，如同集成電路對信息的處理(實際上也就是對低壓小電流的電能的變換和控制)一樣靈活高效。由于未來電網中的大量可再生能源電力是變幻莫測的，而電力用戶對電力的需求也具有多樣性且也是隨時變化的，因而對電力的變換和控制的目的就是將變幻莫測的電源變成能滿足用戶需求的電力。從這個意義上講，電力電子器件和裝備的廣泛使用，將使得電網像計算網絡處理和分配信息資源一樣來處理和分配電力，因而可以把未來電網看成是一個“能源計算網絡”，各種電力資源通過“能源計算網絡”有機組織、聯系和控制起來，從而為用戶提供可靠的電力。因此，這個“能源計算網絡”也可以稱之為“云電力網絡”，而用戶從“云”中獲取可靠的電力。(2)新型高性能的電極材料、儲能材料、電介質材料、高強度材料、質子交換膜和儲氫材料等的發明和使用，將使得高效低成本電力儲能系統成為現實并進入千家萬戶，從而優化電網的運行、簡化電網的結構和控制，并對電源波動和電網故障作出響應。電力儲能系統就如同計算網絡中的信息儲存系統一樣，對于未來電網是必要的。(3)高性能的超導材料在電網中的應用，將大大降低電氣設備的損耗、重量和體積，并可提高電氣設備的極限容量和靈活性，超導限流器還可以有效地限制故障電流并保護其他電氣設備和整個電網的安全穩定性。正因為如此，美國能源部甚至將超導技術視為“21世紀電力工業唯一的高技術儲備”。(4)其他新材料，如納米復合材料、場(包括電場和磁場)控和溫控的非線性介質材料、低殘壓壓敏電阻材料、新型絕緣材料、絕緣體—金屬相變材料、新型鐵磁材料、用于高效低能耗的電力傳感器材料(如巨磁阻材料、壓電晶體、熱電材料等)都將可能在未來電網中得到廣泛的應用。

第(di)四，物(wu)理電網將與(yu)信息系(xi)統高度融合。如果把(ba)電(dian)(dian)網(wang)比喻成為一個人(ren)的(de)(de)(de)話，那么物理(li)電(dian)(dian)網(wang)就(jiu)是人(ren)的(de)(de)(de)骨骼、肉(rou)體和器官，而電(dian)(dian)網(wang)信息系統(tong)則提供相當(dang)于人(ren)的(de)(de)(de)感覺能力、分析能力和決策能力。當(dang)前(qian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)網(wang)，不僅在物理(li)層是不完善的(de)(de)(de)，而且其(qi)信息系統(tong)的(de)(de)(de)建(jian)設與未(wei)來(lai)需求(qiu)還有(you)很大的(de)(de)(de)差距。有(you)關該方面的(de)(de)(de)內容，也(ye)就(jiu)是國際上近些年(nian)談(tan)得很多的(de)(de)(de)所(suo)謂“智能電網”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念(nian)，本(ben)文不宜做過多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重復。但是(shi)，需要說(shuo)明的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，在(zai)現有電(dian)(dian)氣設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，僅僅依靠(kao)提升電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信息化程度，遠遠解(jie)決不了未(wei)(wei)來電(dian)(dian)網(wang)(wang)所面臨的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題。改變(bian)電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構和(he)(he)(he)運行模式、提升電(dian)(dian)氣設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)和(he)(he)(he)采用新型功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)氣設(she)(she)備(bei)(bei)，對于解(jie)決未(wei)(wei)來電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題同(tong)樣(yang)重要甚至是(shi)更為根本(ben)性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。另外(wai)，需要強調的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，能(neng)夠(gou)從創新材料入(ru)手發展具有自適應功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)力設(she)(she)備(bei)(bei)和(he)(he)(he)保護設(she)(she)備(bei)(bei)，就可(ke)以顯著降低電(dian)(dian)網(wang)(wang)對于傳(chuan)感、通訊和(he)(he)(he)數(shu)據處理的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技術(shu)要求，這對于提高電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)安全可(ke)靠(kao)性和(he)(he)(he)綜(zong)合效(xiao)益是(shi)非常有益的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。因此(ci)，切忌(ji)認為將信息技術(shu)用于電(dian)(dian)網(wang)(wang)就是(shi)未(wei)(wei)來電(dian)(dian)網(wang)(wang)發展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全部。(作(zuo)者(zhe): 中科院電工所(suo)肖立業)