中美电网规模与电源容量对比分析 □□王熙亮□□ 国息通信有限公司，北京白广路二条1号 100761； COMPARION STUDY OF ELECTRIC POWER GRID SCALE AND GENERATION CAPACITY BETWEEN CHINA AND USA Wang Xi-liang State Grid Information & telecommunication Co.,Ltd. No 1 Lane 2, Baiguang Road, Beijing 100761 China ABSTRACT: The ralation between electric power grid 容量6.22亿千瓦，其中水电20.67％、煤电77.82％、核电1.1％，天然气与油电几乎为零。我国发电装机以煤、水为主，大型煤电和水电基地需要经过远距离输送到负荷中心。因此，我国电源送电距离总体上比美国远，对电网规模的需求比美国大。 scale and generation capacity are determined by many factors such as energy structure, generation structure and load distribution. The primary energy, generation structure, primary energy and load distribution as well as the stage of grid development between China and United States are compared ang studied. The grid investment, development strends of China and United States are studed. The grid scale and generation capacity of main countries in the world are also compared. KEY WORD: electric power grid scale; power source; energy structure; comparison study 摘要：一个国家的电网规模与电源容量的关系与能源2 中美一次能源结构和电源结构的差异 美国一次能源以油气为主，石油和天然气占一次能源消费总量的65%；中国的一次能源以煤炭为主，煤炭消费占一次能源消费总量的68.4%，油气仅占24%，油气资源不足。 美国的能源基础设施先进，燃油、天然气储备与供应充足，燃油、燃气电厂所占比例很高（约41%），另外还有相当规模的核电机组（占全部装机的10%），由于燃油、燃气和核电厂一般都建在靠近负荷中心的地区，因此美国电力消费一般采用就地平衡的方式，电厂供电距离较短，远距离大容量输电比较少。到2005年底，美国发电设备总容量10.6亿千瓦，发电装机容量中燃气、然油机组比重高达41％，水电9％，煤电33％，核电10％，其他7％。而我国电源结构以燃煤火电和水电为主，存在远距离送电的客观需要。2006年底，我国发电装机容量6.22亿千瓦，其中水电20.7％、煤电77.0％、核电1.1％，燃气然油比重很小，中国以水电和煤电为主（占98%）。 比较可见，美国发电装机容量10.5亿千瓦，中国5.17亿千瓦，美国装机容量大约是中国的2倍。但是，美国以天然气和油为一次能源的电力装机占41％，达到4.3亿千瓦，天然气和油电一般都位于负荷中心，不需要长距离输电。另外，中国核电只有684万千瓦，美国的核电容量达1亿千瓦，美国核电离负荷中心也很近，输电距离比较短。而中国结构、电源结构和负荷分布等因素有关。从一次能源结构、电源结构、一次能源与负荷分布、电网的发展阶段等方面对比分析了中国与美国的电网。对中美电网的投资、发展趋势和电网发展的问题也进行了分析。对比了世界主要国家的电网规模和装机容量。 关键词：电网规模；电源；能源结构；对比分析 1 前言 电网规模与一个国家的资源分布、经济发展水平、发电装机规模、电源结构、电源到负荷中心的距离等有关，比较不同国家之间的电网规模，需要全面分析各种相关因素。总体上说，由于能源结构和电源结构与美国不同，我国对远距离大容量输电需求比较大。美国一次能源以油气为主，石油和天然气占一次能源消费总量的66%。2005年底，美国发电设备总容量10.6亿千瓦，其中天然气和油电约48％、水电约9％、煤电约33％、核电约10％。天然气、油电和核电一般都位于负荷中心或距离负荷中心较近，不需要长距离输电。我国的一次能源以煤炭为主，油气资源不足，煤炭消费占一次能源消费总量的68.4%，油、气仅占24%。我国2006年发电装机2008年中国电机工程学会年会论文集•陕西西安 由于以煤电和水电为主，客观上送出距离更远，以华北电网为例，2005年华北电网500千伏电源送电线路长度约占全网线路规模的47.7％。电网规模中电源送出线路比重较大。 美国人口密度是中国的五分之一，而且经济分布比中国均匀，铁路和公路运输压力小，而且铁路运输“吃不饱”。油和天然气管道运输也很发达，油电和天然气发电电源有条件布置在负荷中心附近，远距离输电相对就可以少一些。 此外，根据美国的装机和实际发电量数据，美国平均发电利用小时仅3679小时，远低于中国平均发电利用小时4829小时，美国的装机容量中有很大一部分是作为备用容量，总装机容量与我国不完全具有可比性。如果折算成为相同利用小时数下的发电容量，美国的实际装机相当于8.08亿千瓦。考虑到美国发电利用小时大大低于中国，发电备用率超过40%，很多发电装机容量仅承担备用，电源装机容量有一定程度的浪费。 中美电源分类装机规模比例77.0%80.0%70.0%60.0%50.0%41%40.0%33%中国30.0%20.7%美国20.0%9%10%7%10.0%0.8%1.1%0.4%0.0%燃气燃油煤电水电核电其它图1 中美电源构成的对比 Fig 1 Comparison of generation structure between China and USA 3 中国与美国及世界主要国家电网规模对比分析 根据电压等级划分标准，超高压指330千伏及以上电网，按照这个口径，2005年中国330千伏及以上输电线路长度为73930公里，美国345千伏及以上输电线路长度169084公里，美国超高压电网规模为我国的2.3倍，超过美国电源装机规模与我国电源装机的比例，如仅从超高压电网规模比较，我国电网滞后于美国。 2005年中国220 千伏及以上输电线路回路长度为25.2万公里，其中750 千伏线路141公里，占0.1%，500 千伏线路回路长度6.1万公里，占24.3%， 2 330 千伏线路回路长度1.25万公里，占5％，220 千伏线路回路长度17.8万公里，占70.7%，比重较大。 2005年美国230 千伏及以上输电线路回路长度为31.5万公里，其中765 千伏线路回路长度8037公里，占2.6%，500 千伏线路回路长度5.69万公里，占18.1%，345 千伏线路回路长度10.4万公里，占33.1%，230 千伏线路回路长度14.6万公里，占46.3%。美国输电线路以230千伏和345千伏为主。 美国输电线路的平均电压等级比中国高，美国345 千伏线路回路长度10.4万公里，占33.1%。我国330千伏及以上输电线路长度为73930公里，美国345千伏及以上输电线路长度169084公里，美国是我国的2.3倍；765 千伏以上的输电线路是中国的57倍。电网输电能力一般与电压平方成正比，如果将220 千伏及以上的输电线路按电压平方全部折算成500 千伏的线路，美国是15.62万公里，中国是10.15万公里，美国是中国的1.倍。 中美输电网分电压等级线路规模比例80%71%70%60%46%50%40%33%中国30%24%18%美国20%5%10%0.1%3%0%220(230)千伏330(345)千伏500千伏750(765)千伏图2 中美电网分电压等级对比 Fig 2 Comparison of grid by voltage level between China and USA 美国输电线路电压等级与中国不同，在一些地区还有161 千伏输电线路，2005年全美合计161 千伏线路回路长度5.4万公里。如果考虑美国的161 千伏输电线路，2005年美国161 千伏及以上输电线路总长度约37万公里。对应中国220 千伏及以上输电线路回路长度为25.2万公里，美国大约是中国的1.5倍。 与世界其他国家比较，国情与我国基本相同的国家的电网规模与装机容量的比值大于中国，世界十个主要国家的平均值也大于中国。世界十个主要国家220 千伏及以上输电线路按电压平方全部折算成500 千伏后与装机容量的比值分别为：巴西5.17，印度5.11，加拿大5.07，俄罗斯3.24，澳大 2008年中国电机工程学会年会论文集•陕西西安 利亚2.06，中国1.96，法国1.60，美国1.47，英国1.28，日本0.70 。巴西、印度、加拿大、俄罗斯、澳大利亚与中国类似，都存在能源资源（包括大型水电）在地理上距离负荷中心比较远，需要进行较长距离的大容量输电的特点，例如加拿大和巴西都需要将大型水电基地的电力输送到负荷中心，澳大利亚需要将东部的煤电输送到西南部。这5个国家的比值都高于中国。如果把这十个国家的输电线路和装机容量分别相加，十个国家总计电网规模折算成500千伏后与总计装机容量的比值2.1，中国是1.96，中国低于世界主要国家的平均值。 表1 世界主要国家电网规模与发电容量 Table 1 Grid scale and generation capacity of main countries 国家 年份 装机 线路 线路 线路容量/万千瓦 /公里 比 巴西 2003 8650.4 44730.1 5.17 印度 2005 12600 335.8 5.11 加拿大 2003 11699 59308.6 5.07 俄罗斯 2004 21670 70159.7 3.24 澳大利亚 2002 4477.9 9230.38 2.06 中国 2005 51718 101517 1.96 法国 2003 11597.5 18561.3 1.6 美国 2005 106023 156184 1.47 英国 2003 8037 10324.5 1.28 日本 2004 27270 19067.8 0.7 合计 263742.8 553419.1 2.1 4 电网规模与国能源资源和负荷需求的分布密切相关 从国际范围来看，各国能源资源与负荷中心地理位置远近不同，能源的生产与消费的地理分布不匹配对于电网的规模有很大影响，各国的电网输电能力和合理规模应与各国的实际国情密切相关。 美国的电力工业是从只向本地区供电的小电力公司逐步发展起来的，有私营电力公司（几百家）、市政公营电力公司(接近2000家)、农村合作社电力公司（1000家左右）和联邦电力公司四类。各电力公司负责本地区的电力供应，因此发电和用电一般尽量地区平衡。 美国电源与负荷分布比较均匀，并且发电装机容量中油气机组占了很大的比重，油、气随天然气管道可以靠近负荷中心布局建设， 因此美国发电和用电以地区平衡为主，远距离输电量不大。 美国由于电源分散接入、就地平衡负荷，跨区电力交换比较小，电力输送距离短，并且发电备用 3 容量高达40％以上，因此会出现线路长度与装机容量比偏低的情况。 俄罗斯、加拿大与印度的资源情况与我国较为相似，都存在能源资源与负荷中心在地理上逆向分布，需要进行较长距离的大容量输电，可以看出，在俄罗斯、加拿大和印度的电网规模相对较大，线路与装机比高于我国4.9的水平。 法国的线路与装机比为4.2，与我国比较接近。而日本的线路和装机比各个国家都要小很多，这与其国土面积较小，负荷比较集中有关，因此其电源的输送距离很短。 因此，同世界其它国家相比，我国的电网规模是适应电网装机以及跨区输电能力的需要的。总体而言，我国的电网输电线路长度与装机规模比例并不高。 5 中美电网处于不同的发展阶段 输电能力与输电线路的功能、电网发展阶段、设备技术装备水平、安全稳定运行要求等多种因素。 输电线路按功能可以划分为电源送出线、网间联络线等。网间联络线除了功率交换以外，还用于故障或紧急情况下的功率支援，因此在正常运行时要留有一定的裕度，以确保紧急功率支援和电网安全稳定运行的需要，其输电能力比电源送出线低。电源送出线是为了满足电源最大送出的要求，一般与电厂最大出力相匹配，它的输电能力通常较高。将不同功能线路的输电能力进行比较显然是不合适的。与国外相同功能线路输电能力比，我国电网的输电能力并不低。以电源送出线为例，我国华中三峡电厂至龙泉换流站三回500千伏送出线送电潮流达到560万千瓦，四川二滩电站外送通道三回500千伏线路加装串补后输送潮流可达330万千瓦，华北电网托克托电厂外送四回500千伏线路加装串补后输送潮流可达到440万千瓦，输电能力与美国同功能输电工程基本相当。 不同发展阶段输电线路的输电能力也是不同的。电网发展初期，由于网架相对薄弱，受安全稳定的制约，输电能力相对较低。由于我国是发展中国家，为了节省电网建设投资，建设标准与国外发达国家相比是偏低的，电网规划和设计方案是偏紧的，仅满足N-1原则，而且有些输电断面导线截面偏小，这些因素都导致电网中存在一些输电能力较低的薄弱环节。国家电网公司针对电网发展过程中2008年中国电机工程学会年会论文集•陕西西安 的这些历史遗留问题，在加快电网发展的同时，加强技术改造，采取积极有效措施，通过采用大截面导线、加装串补等，提高电网输电能力。目前，随着500千伏网架逐步形成，220千伏电网逐步向配电功能转变，220千伏线路的输电能力已得到充分利用。与发达国家相比，我国500千伏电网仍然处于发展阶段，输电能力正处于不断提高的过程中。以山西外送为例，大房两回500千伏输电线路加装串补后，送电能力从150万千瓦提高到180万千瓦，至2006年，山西电网外送建成五回500千伏输电线路，送电达到560万千瓦，线路输电能力逐步得到充分利用。 6 中美电源和电网投资比例分析 美国60、70年代大发展时期，电网投资占电力总投资的比例为50－55％。根据美国剑桥能源研究所提供的数据，未来十五年美国电网总投资需要4500亿美元，同期电源投资需要3500亿美元，电网占电力总投资比例为56％。我国长期以来，由于“重发轻供”，电网建设投入不足，发展滞后，欠账严重。改革开放以来，我国电网投资占电力总投资的比例约为34%。2007年预计我国电源投资4000亿元，电网投资2500亿元，电网占电力总投资比例为38％，远低于美国的水平。 7 中美电网发展趋势对比分析 美国是一个发达国家，上世纪60、70年代是美国经济和电网大发展时期。近几十年，美国电网主要依靠上世纪60、70年代超前建设电网的裕度、新技术及经济等手段解决输电量的增长。 美国虽然是世界的头号经济大国和电力大国，但是美国的电网决不是先进的。可以说，在管理水 4 平、安全水平方面是落后的。一方面美国建设输电线路因为环境问题很难得到审批，另一方面由于市场化改革，电力企业要降低成本竞争，很难筹集资金建设输电线路。 美国2003年“8.14”大停电、2006年夏天纽约部分地区长达一周时间的大停电以及2006年夏季整个美国供电紧张充分说明美国电网存在严重的问题。美国能源部也已经认识到美国电网存在较严重的电网建设滞后问题，已有计划在今后几年里针对美国电网进行建设及改造升级。而根据美国电科院(EPRI)专家的估算，用于整个北美输电系统投资额将达到500亿至1000亿美元才能够满足输电需求。 我国是一个人口大国，2006年底人均装机容量仅0.475千瓦，远远低于美国人均3.53千瓦的水平。实现全面建设小康社会的发展目标，我国电力工业还需要较大的发展。按我国人均装机容量1千瓦考虑，全国需要装机容量13亿千瓦，输电线路总规模将超过美国。我国电网正处于快速发展阶段，未来还有很大发展空间。 参考文献 [1] 中国电力企业联合会， 二00六年电力工业统计资料汇编 [2] 杜至刚，刘开俊，韩丰，王熙亮，孙华东等。关于美国电网输电能力的考察报告，2007。 [3] EEI, Statistical yearbook 2006。 收稿日期： 作者简介： 姓名（1956-），男，广西灌阳，硕士，教授级高工，从事电力系统和信息资源开发和研究工作
