智能电网与低碳之路

钟史明

(东南大学能源与环境学院，江苏南京210096)

随着世界经济社会的不断发展，能源需求日益增长，常规化石能源的恶性开发导致了能源储量日益枯竭，现今预测可供经济开采的石油、天然气储量已不足百年，更严重的是环境污染导致气候变暖，雾霾严重，恶劣天气频发凸显，导致经济社会发展与能源环境的矛盾，难以调和。一场渐进式的能源革命已俏然到来，世界能源发展的格局正在发生重大而深刻的变化。新一轮世界能源变革的目标是通过科技创新，从以化石能源为主转变成以低碳能源可再生能源为主，实现以低碳能源为核心的低碳经济——低碳之路，最终实现能源利用无碳化。

当今能源变革的科技创新之一是以智能电网为中心展开的，是以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的统一、协调、安全、经济、可靠、灵活、易用、坚强的智能电网。下面将对其进行介绍。

1 智能电网、智能化的重点内容

1)发电智能化。强化厂网协调，提高电力系统安全运行水平，提高常规电源利用效率，优化电力结构，促进新能源发电和分布式能源系统的科学合理利用。

2)输电智能化。实现勘测数字化，设计可视化，移交电子化，运行状态化，信息标准化和应用网络化。建设输电线路状态监测中心，全面实施输电线路状态和环境的集中监测及灾害预警。进行状态检修和全寿命周期管理，采用柔性交流输电技术，将技术和装备全面达到国际领先水平。

3)变电智能化。枢纽及中心变电站全面建成智能变电站，实现变电设备状态和电网运行数据的全面采集和实时共享，支持电网实时控制、智能调节和各类高级应用，保障各级电网安全稳定运行，全面实现全寿命周期管理。

4)配电智能化。要建成高效灵活合理的配电网络，使其具备灵活重构、潮流优化、可再生能源接纳的能力，实现储能装置、分布式能源系统的兼容接入与控制。要求完成配电自动化工程的全面建设，推广智能电网示范工程的应用成果，在供电可靠性、经济性和配网技术及装备等方面达到国际先进水平。

5)用电智能化。构建智能用电服务体系，实现营销管理的现代化运行和营销业务的智能化应用，推广智能电能表、智能用电交换终端等智能用电设备的应用，开展双向互动用电服务，实现电网与用户之间的双向互动，提升用户服务质量，满足用户多元化需求;推动家电、智能用电小区和电动汽车等领域的技术创新和应用，改善终端用户用能模式，提高用电效率。

6)调度智能化。以服务大电网安全运行为目标，开发建设新一代智能电网调度技术支持系统，形成一体化的智能调度体系，确保电网安全可靠、灵活高效运行。

7)信息通信智能化。全面建成涵盖公司所有业务应用、国际领先的国家电网资源计划系统(SGERP)，完成公司电力流、信息流、业务流三合一，实现信息化与电网的高度融合，全面支撑智能电网发展。

2 中国国网公司智能电网开发现况

随着智能电网的概念(理念)在全球范围内的升温，中国国网公司积极应对，将其上升到战略层面，于2009年5月提出了全面建设以特高压电网(100万V及以上)为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能电网计划。做三步走规划:2009—2010年为规划试点阶段;2011—2015年为全面建设阶段;2016—2020年为引领提升阶段。

3 低碳之路

2013年，我国由于环境质量恶化，全国平均雾霾天数为52年之最。当年12月出现的雾霾，不单影响到了京、津、冀地区，波及了25个省份、100多个大中型城市，而且长三角也已出现了严重的雾霾天气，甚至珠三角也出现了雾霾。据报导，2013年1月北京有20天的雾霾天气，达到六级严重污染，数据显示为1954年以来同期雾霾天气最多。首都北京成为了名符其实的“雾都”。中国工程学院院士钟南山认为:“大气污染跟整个环境密切相关，比非典可怕得多，必需想办法改变环境。”

防治雾霾，需重点降低环境空气中 PM2.5和PM100的浓度，而重中之重是改变能源开发利用的结构。以京、津、冀地区为例，PM2.5来源为燃煤35%，机动车燃油10%，工业生产15%，建筑扬尘7%，餐饮6%及其他17%。初步估计，该地区与能源利用相关的PM2.5排放至少占70%左右。因而，改革能源生产与消费模式，刻不容缓，必需走低碳化之路。

3.1 我国的能源结构需要调整

改革开放以来，能源发展迅速，其中主要以常规化石能源煤碳为主，而无碳能源(水电、核电、风电等)则占比很少，如表1所示。

表1 中国能源消费结构

表2为2010年中美两国能源消费结构对比。

表2 中美两国能源消费结构对比 %

我国一次能源人均消费量不高，能效较低。2008年世界几个知名国家一次能源人均年消费量(t/人):加拿大8.01，美国7.5，俄罗斯4.75，法国4.28，德国4.08，日本3.88，世界平均1.69，而我国2011年仅为1.8，与世界平均水平接近。我国人均能源占有量为世界平均水平，其中:煤炭占67%，石油占5.4%，天然气占7.5%。我国的能源效率总体仍偏低，我国国内产业总值占世界的8.6%，但能源消耗占世界的19.3%。我国单位GDP能耗为世界平均水平的2.5倍，美国的3.3倍，日本的7倍，也高于巴西、墨西歌等发展中国家。我国的人均GDP为5 500美元，尚不到世界平均水平的一半，高收入国家的20%。改革开放以来，经济较快发展，但粗放的发展方式和“以需定供”的能源供应模式导致国内能源开发利用规模急剧扩大，由此带来了一系列问题，如能源资源短缺、安全形势恶化、生态破坏、温室气体增加、雾霾恶劣天气增多等，为经济社会发展带来了“不平衡、不协调和不可持续”。为此，党中央决定“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量。”

我国是煤炭生产大国，亦是煤炭消费大国，而且煤炭资源主要分布在山西、陕甘和内蒙古等经济欠发达地区，而中东、中南和经济较发达的沿海地区则缺乏能源。在此次能源变革的相当长一段时间内，化石能源仍占很大比重，因此必须继续保持常规化石能源的低碳化，提高能源效率，减少消耗量，继续贯彻节能减排的方针。另外，必须大力推进新能源和可再生能源的开发利用，增加其比重，逐渐代替常规化石能源为主的格局，最终达到低碳、无碳化的目的。

3.2 低碳之路的核心是煤的高效、清洁利用

1)整体煤气(液)化(IGCC)多联产

在近期建成1～3个IGCC不同气化路线的示范电厂，从中吸取经验与教训，进一步提高效率，降低造价，控制CO2排放。研发降低开发成本的关键技术，打破技术垄断，适当引进关键技术走自主创新发展路线，在有条件的领域加大创新技术及工程化力度，实现大型化、商业化。

2)提高煤电热力循环初参数，研发3 000 MPa、700℃、1000 MW级二次中间再热超临界大型机组，使供电效率达到50%以上。

3)积极开发300 MW及以上超临界供热机组，进一步提高能源利用率。

4)继续“上大压小”建设燃煤空冷热电机组，满足热、电用户需求。

3.3 推广天然气热电联产机组和小型分布式燃气CCHP热电冷三联供机组

燃用天然气(NG)与燃煤电厂相比，不但可提高供电效率达到45%，而且可大大降低污染物的排放，表3为装机容量500 MW，燃煤与燃用NG在污染物排放、用水量和占地面积等方面的比较。

燃用NG排放量占燃煤百分比:SO2为0.025%;NOx为19.2%;CO2为57.47%;灰渣(粉尘)为0%。所以燃用NG或LNG接近清洁燃料，可大大减少SO2、NOx和粉尘排放，可降低CO2等温室气体一半左右，是遏制雾霾天气有效途径之一，有很好的环境效益。

表3 燃煤与燃NG污染物排放、用水量和占地面积的比较

天然气分布式能源CCHP冷、热、电三联供，对天然气进行梯级利用，1 000℃以上的高温热能用来发电，产生的300℃～500℃的中温热能驱动吸收式制冷机用于空调和制冷，而200℃以下的热能用来供热和提供生活热水，经过梯级利用，与传统能源供应方式相比，能源利用率可达80%左右，能耗最低。

3.4 大力发展可再生能源太阳能、风能、水能分布式清洁能源

提高可再生能源开发利用比重，至2015年提高到占能源总量的30%以上，而燃煤比重降低到60%以下。2015年太阳能发电累计装机容量目标为35.0 GW，2020年为100.0 GW，而分布式光伏比例分别为51.4%、54.0%。风电目标为2015年1 040 GW，2020年2亿kW。

3.5 加快发展核电

核电是无碳清洁能源，应积极研发压水堆第三代100万kW级机组，加快大型核电基地建设。已建核电站分布于辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西、海南等地，在沿海地区已经排满，目前一些反应堆深入内陆地区。各界对我国核电站是否建在地震带上存在担优。对此，中科院院士陈达认为:“核电站在选址时，必须考虑到，以该地为圆心，300公里为半径的区域内历史上是否有地震。如果有，核电站在建设时必须考虑设防措施。”“中国在建、已建核电站，据我所知，都没有建在地震带上。”对于选址，向前必须核查该地2000年前发生地震的历史记录，向后必须预测50年一遇地震的发生概率。中国核电站都打在岩脊上。核电选址有着相当复杂的指标系统，其中包括当地地质、水文、气象、人口条件等，例如当地常年风向、空气指标、附近有无武器库，人口不能过于密集，交通必须便利，当地80 km范围内居民文化素质，出生情况等等都要作为考察因素，所以核电选址是十分严谨复杂的工程。

我国核电“125”计划:至2010年6月止，全国总容量达到2 540万kW，占全球40%。计划目标:2015年达到4 000万kW，2020年达到7 000万kW。

3.6 加高加大电网建设

建设大型煤电基地，加大“西电东送”、“北电南送”，跨区输电，建设高压、超高压、骨干电网，把西南和中西部地区大水电和煤电基地的电力向缺电的经济较发达的中东、东南沿海等地区输送。

3.7 大力研发“智能电网”

提升输电效率，保证安全供应，促进能源转型和以消纳为主的中小型分布式能源系统。国网公司提出，“全面建设以特高压大型电网(100万伏及以上)为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为基础四化特征的统一智能电网计划，消纳分布式能源系统。”

4 结语

“智能电网”是当今世界能源革命的研发的热点问题之一，也是实现能源革命主要措施之一。结合我国国情，党中央十八大决策“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量。”能源转型革命已经到来，要进行能源结构调整，抑制化石能源，推进可再生能源，建立以清洁、安全、经济为特征的新型能源体系。走低碳之路，是国民经济可持续发展的大势所趋，“智能电网”的开发建设是走低碳之路的必然。

［1］吴纶卿.蓝天为“奢侈品”背后的反思［N］.光明日报，2013－12－10.

［2］钟史明.调整能源结构，发展分布式能源［J］.燃气轮机技术，2012(1):1－6.

［3］钟史明.积极推进分布式能源系统［J］.沈阳工程学院学报:自然科学版，2014(2):97 －101.