美国电网的Grid2030计划

美国电网的Grid2030计划

摘要美国能源部为使美国电力系统升级换代，正在制定Grid2030计划。本资料的第一部分介绍制定该计划的背景，第二部分介绍Grid2030计划对美国电网发展的远景目标，第三部分为本资料的主要部分，译自Grid2030计划研究开发路线图研讨会总结材料。路线图包括设定目标、实现这些目标将遇到的挑战、应对这些挑战要开展的研发项目以及对这些研发项目的评估。

一．制定Grid2030计划的背景

美国的电力系统面临严重的问题，设备及基础设施老化以及机制方面的问题。近二十年来，电网更新升级的投资严重不足，其主要原因是几方面的不确定性：技术的不确定性，监管的不确定性和金融的不确定性。吸引投资困难，难以满足不断增长的需要。这种状况的结果是非常严重的：发生阻塞的输电走廊大大增加，发生停电事故的可能性大大增加，近年来停电事故不断，如：

1996年西部大停电7月8月各一次

1999年芝加哥、纽约、得拉瓦、新奥尔良、亚特兰大

2000年底特律、旧金山

2001年北加利福尼亚

2003年德克萨斯、814东北部大停电

每年停电及电能质量事件造成的损失在250－1800亿美元之间。

2001年5月白宫报告―国家能源政策‖在调研了美国能源基础设施后提出了建议，其中之一是―能源部应就输电可靠性和超导项目开展研究和开发工作。‖和―调研建立国家电网益处，找出输电的瓶颈以及消除输电瓶颈的措施。‖

2002年5月能源部对全国输电系统的主要瓶颈进行详细的评估，发布了―国家输电网研究‖。该报告明确指出，如果在下一个十年，全国输电系统没有明显的改进和升级，其可靠性落后于经济的要求并会使用户蒙受巨大的损失。报告提出了51 项建议以消除输电瓶颈及实现电力基础设施的现代化。

2002年9月部长顾问团提出―输电网解决方案报告‖，强调了国家关键输电瓶颈问题，提出了一系列的建议以改善美国电力基础设施。

美国总统乔治.布什于2003年2月：―我们的计划是使电力传输系统现代化。这是现在就需要的计划。经济的安全需要它。国家的安全也需要它。‖

为了制定和实施美国电网升级改造的计划，组织和协调各方面的力量和加强对计划实施的领导，能源部于2003年8月专门成立了负责输电和配电的办公室（OETD）。该办公室计划的任务：

?实现美国电力基础设施的现代化以满足21世纪的需要

?完成向区域电力市场的转化

?改进输电系统的运行

?使输电系统投资的高效能

?研究对电力政策的调整

?提供有效的联邦领导以达到上述目标

2003年4月能源部召开了由电力公司、制造厂家、高校、研究和咨询单位等高层研讨会，主题是展望未来的美国电力系统。该研讨会形成了Grid2030计划的远景目标。本材料的第二部分为对该远景目标的简介。有人预计电网现代化改造的投资为1000亿美元。这个数字应与目前

电力工业的规模相比较：美国电力基础设施价值大约8000亿美元（含发电资产），年收入2500亿美元。

2003年7月能源部召开有200多人参加的―电力输送技术路线图研讨会‖，对Grid2030计划的研究、开发、示范工程（RD&D）进一步的具体化。研讨会就每个十年应达到的目标，实现这些目标将遇到的挑战，应对这些挑战要开展的RD&D项目以及对这些研发项目的评估，市场化监管体制的建设，分成8个组讨论。本材料的第三部分为该研讨会的总结。

这里需要说明的是，Grid2030计划还是一个很初步的设想。在美国业界内部，也有不同的看法。但美国电网的现代化进程，正在加速进行。2003年9月25日，OETD的主任Jimmy Glotfelty 代表能源部在美国国会能源委员会就电网升级改造的新技术问题作证时再次肯定了Grid2030计划。

二．Grid2030计划介绍

远景目标的未来电力系统将建立在现有电力基础设施上。今天系统用于电力传输的设备，如输电线，变电站，变压器，将继续发挥其重要作用。但出现的新技术，新工具，如分布式的智能系统、分布式的能源，将提高现有系统的功效，质量和安全性，并使电网发展成新的结构。其结果不仅改善输电的效率也将改善市场运作的效能，高质量的网络形成美国安全的电源。

2030年前美国会有完全自动化的输配电系统，它将涵盖对每个用户及每一网络节点的监视和控制，确保从电厂到用电器之间双向的电力潮流及信息流。分布智能、宽带通信、监视和控制以及自动响应使人、楼宇、工业过程与电力网络之间的接口没有缝隙，可进行实时的市场交易。

超导技术的突破使大量的电能长距离送到阻塞区域成为可能，而其压降几乎为零。新型导线材料的应用使现有的输电走廊的输电能力提高2到3倍。储能及需求侧管理技术的进步几乎将电力系统峰谷差问题消除。由于停电和电能质量扰动而造成的经济损失会变得非常的少（从来不会由于电源限制而发生），用户可以根据自己的需要得到可定制的可靠性水平和电能质量水平的供电服务，而对环境的影响降得很低。

在趸售这一级已经有可行的竞争性市场，用户也认可了它的效益。设计良好的，有公众监督的市场可以确保市场力问题保持最小。输配电运行在协调一致的稳定的监管下，而监管依赖于基于行为（performance based）的原则，涉及到联邦和州的监管机构，跨州的实体，非官方的业界组织，公共利益集团以执行强制性的商业规则，使用户受到保护。

Grid 2030工作组由国家最优秀的科学家、工程师、技师、商业技术人员组成。Grid 2030包括三个部分：

－国家电力―主干网‖

－区域互联网（包括加拿大和墨西哥）

－地方配电系统，含小型及微型电网，向用户提供服务并可得到大陆任何发电电源的服务。

国家电力主干网

高容量的输电通道将东西海岸及加拿大墨西哥连在一起。通过它可以在全国范围内平衡供需。这也使用户在大陆范围内选择供应商成为可能，而不论用户及供应商位于何处。国家电力主干网扩大了分配电力的范围，它可以：

－从众多电源中选取高效的发电厂，对用户进行公平的服务，

－由于可在全国范围内从季节的差异和区域间天气的差异中相互补偿而使系统的效率更高，还包括需求侧管理。

主干网系统由许多新技术构成，它包括运行于交流同步电网可控的，特低阻抗的超导电缆及变压器；形成区域间互联的高压直流输电设备；其他类型先进的导线。此外还有支持实时运行和国家电力交易的信息，通信和控制技术。

国家电力主干网：东西海岸间的功率交换电力主干网及区域互联电网

超导电缆降低线路损耗,确保系统稳定,使在人口稠密城市地区的设备占地面积减小,而承载电流的能力大大提高。它们与高压直流输电系统及其它采用先进导线的长距离输电系统无缝隙地组合在一起。

先进的材料，如高温钻石材料可应用于输电，配电和控制。钻石技术可以替代硅材料并导致电流密度的大幅度提高。

用于超导输电的低温制冷设备也可用于其他目的，如氢气液化。在氢经济中，液态氢最适合长途运输。氢是仅次于电力的主要能源载体。将先进的电力与氢技术结合在一起，可大大降低基础设施的成本。

区域互联

国家主干网将北美的两个重要区域：东部和西部连在一起。主干网的电力是通过区域网络来分配的。这些区域内的长距离输电利用现有交流设备经升级后变为可控制的，有些则是利用直流联络线并将其扩容。

大功率直流联络线用于连接相邻的区域电网。区域系统的计划和运行效益来自发电设备（集中电站或分布式发电）及负荷状态的实时信息。广泛地应用先进的储能装置为解决因天气条件或其它因素而引起的供需不平衡问题提供了条件。大规模功率交换市场高效运行且受到跨州的实体及业界非政府组织的监督。

地方配电系统含小型及微型电网

国家地方配电系统与区域电网相连，且通过区域电网与国家主干网相连。配电设备的电功率流向或来自用户，连接到区域电网，功率的流向由供需条件决定。实时监测和信息交换使市场能够瞬时地处理交易且在全国范围内进行。

电力主干网，区域互联网及地方配电网，小型及微型电网国家主干网及通信、控制系统

用户有能力根据对电力产品品种的需要，包括所希望的价格、环境影响、可靠性和电能质量的水平，定制对自己的供电。传感器和控制系统将大楼或工厂内的电气设备与配电系统连在一起。分布式发电系统和氢能技术的发展使固定的发电设备能双向使用运输车辆。例如，氢燃料电池驱动的车辆，当它停在家庭车库或停车场时它可向配电系统供电。

潜在的效益

Grid 2030可从几个方面使美国的经济、环境、国家安全和人民受益。

扩展的及现代化的电网将消除阻碍经济发展的来自电力系统的约束。强壮的国家电力交易市场将促进和开发吸引资本来支持基础设施及投资建新的电厂和设备。对于那些向电力用户、配电商及发电商提供多种新产品的大、小公司，将出现全新的业务模式。

高效的能量输配系统将降低线路损耗，减少化石燃料的燃烧，减少环境污染和温室气体的排放。更经济和高效的运行及广泛地采用需求侧管理技术，将减少旋转备用，从而也减少对环境的影响。现代化的国家电力网将推动可再生能源技术，如风力发电，水电，地热发电的输送，因这些发电电源往往距负荷中心很远。

对电气设备跳闸的快速检测及自动响应和快速的系统恢复，将改善电网的安全性，使电网对来自恐怖活动的物理攻击不那么脆弱。将信息技术与电力技术的高度整合，将使信息安全保护得到加强。广泛使用分布式的能源将使军事设备、警察局、医院、紧急事故处理中心的供电可靠性提高。这将确保这类―第一响应者‖即使在最坏的情况下，也能够连续运行。大规模应用分布式发电，将使必须通过输配电系统的发电功率的份额减小。与加拿大、墨西哥以及其他交易伙伴的高水平的互联将加强与这些国家的联系，通过更大范围的经济合作，提高安全性。

Grid 2030将使美国人更富裕、更健康，有更可靠的高质量的生活。电力选择的范围将扩大。电力的消费者，从工厂、商业经理，到房主或小型商业用户有能力定制他们的能源供应，以满足其自身的需求。更加开放，可行的竞争性电力市场将帮助成本的降低，确保高质量的服务。

远景目标的实现

实现此远景目标分三个阶段。第一阶段为新技术的研究、开发和工程示范。此阶段还应包括对监管的澄清及监管框架的现代化。第二阶段，翻查电力资产股本，用先进的系统替换。这

阶段还包括，区域和地方网Grid 2030概念和设备的部署。第三阶段，扩展区域和地方网Grid 2030的部署，使之进入国家和国际市场。

实现远景目标后可能的产品和服务举例

主要的挑战

为实现未来电力系统的远景目标，需要应对一系列的主要挑战。电力工业历史上一直是垄断行业的构架，有其固有的惯性，随文化取向的变化很缓慢。未来的不确定性，使电力工业难以吸引投资到新建项目中。

此外，构成电力基础设施的设备新技术，近年来的发展处于停滞状态。

实现远景目标所遇到的挑战

需要开发并应用新技术使电力工业从机电时代进入数字时代。但遗憾的是，电力工业是在投入RD&D的资金最低的行业之一。

新加入市场的成员（如独立发电公司、能源服务公司、分布式供能公司及需求侧管理业者）更需要监管的确定性及适当的运行市场提供激励，实现必要的收入流，以确保基础设施的投资达至优化的水平。这种环境将维持可获益的业务模型，且最终导致使用户受益的最佳模型（式）。

现行的监管框架未提供稳定的业务环境，它不能使得吸收资金，使其用于公共的目的，如对环境的保护以及对电力用户的保护。

实现设想的目标

线路图现还处于能源部确定阶段，它需要政府与工业界密切合作，以达到电网现代化，实现Grid2030远景目标。它包括5部分：

1．设计Grid2030构架：从发电厂母线到用户表计的电网全面发展的概念框架。

2．重点技术的开发：先进的导线、储能、高温超导、分布式智能/聪明控制、电力电子。这些将成为建设Grid2030的组成部分。

3．加速高技术的工程化：现场测试和示范工程，这将把先进的技术从实验室变成输配电系统规划和运行人员的手段。

4．强化市场运作：评估市场，规划和运行，改进工程选址和批准的过程，追求监管壁垒的消除以便确定性更强，电力交易和投资的风险更低。

5．建立伙伴关系：经长时间的努力和公众－私营伙伴关系的建立使股民介入，与州监管机构及可靠性组织协同工作，共同关心事情的进展。

能源部输配电办公室（OETD）就是为这项工作而成立的。它将与各方建立伙伴关系，使对美国电网的未来远景目标具体化，为达到此目标促成多方合作，制定出实现Grid2030的国家路线图。

三．Grid2030计划研究开发路线图研讨会

Grid2030计划研究开发路线图研讨会的正式名称为国家电力传输技术展望专题研讨会。

2003年7月8～9日，约200位电气技术和电力市场的专家参加了国家电力传输技术展望专题会议，代表了电力工业、设备制造公司、学术界、行业团体、国家实验室、以及联邦、州政府机构等各个部门。

专题会议的目的是讨论实现远景目标的途径，远景目标的实现要通过对近期、中期及远期措施的确认，以及对研究、开发和示范计划设定优先次序。专题会议的范围包括国家电力主干网电力传输技术及政策，区域互联电网，地区配电网，监管框架，以及它们发挥作用的电力市场。

会议期间，与会者讨论了以下问题：

?为了实现远景设想需要在2010、2020、2030年达到的目标；

?为了达到目标和实现远景设想需要克服的巨大挑战；

?克服挑战所需要的研究、开发和示范（RD&D）；

?研究、开发和示范需要的时间表；

下面是专题会议会议记录的摘要，它收集了会议交流的内容和思想，总结了在1天半会议中所表达出的主要主题。

会议分为8个工作组，分别为：

国家电力主干网1

国家电力主干网2

区域互联电网1

区域互联电网2

地区配电网1

地区配电网2

监管框架与电力市场1

监管框架与电力市场2

资料最后对各个工作组的结论意见进行了总结。

国家电力主干网1

摘要

电力工业是一个非常成熟的行业。今天，市场、技术和监管的影响力改变了这一行业许多传统的运作方式。这种情况下，行业股东就试图提出很多种具有挑战性的问题：我们怎样才能降低成本，提高生产率？面对市场的不确定性，我们怎样才能更具有适应性？我们怎样才能保证社会持续得到所需要的服务？我们怎样才能通过满足如此多的不同的、有时是有分歧的需要来发展我们的事业？政府将如何规范正在出现的行业市场结构，特别是关于确保可靠性与透明度。以及行业如何应对增加的改善输电系统的压力，包括：

国家和地区对可靠性和电能质量的关心，以及用户和监管者期望的提高，导致一些地区实行了基于性能的定价；

老化的功率传输系统中已增加的和正在加速的负荷增长；

改变用户增加负荷的速度和类型。

为了满足这些需要，功率传输系统必须利用最新的技术，包括电力工程技术和信息系统技术。从可靠性和质量的观点看，电力工业的将来取决于一些重要的因素：

电源的生产必须变得更加有效，清洁；

功率传输必须变得可靠，提供所需的高质量电力；

在用户和生产商，在所有的市场参与者之间，必须存在更大的市场透明度（如价

格、可用率）；

必须运用信息系统技术，以支持对系统数据的实时监测、控制、建模和仿真。

为了实现―Grid2030‖的远景目标，国家主干网将需要：达到每年不超过一次故障的可靠性水平；通过使用实用的高温超导导线（3$/kA-m），以及无功功率的提供技术（30$/动态kvar）来维持电能的经济性；将输配电总损耗降低70％。达到的这些目标所需要的研究和开发优先是：造价低、快速、可靠的电力电子开关；扩大超导的电力应用示范领域；在使用其它先进材料上做更多的工作；更加着重于能够增加输送潮流的技术的综合与实施；核心工作是改善分析与实施手段以减小传输阻塞；建议设立资金对有限的纯理论领域进行基本的启动性研究。另外，―Grid2030‖将需要造价低的AC-DC转换终端以使国家电网得以成行。

与航空和配送服务行业类似，―Grid2030‖将像―后勤网络‖一样管理——具有高可靠性和高效的可用容量。为了实现这些目标，对每一个运行的设备——从线路到开关，必须建立无缝的、实时方式的互联。消减数据量以及即时的共享这些数据将变得越来越重要。

成功的关键是协作。从销售商、能源公司、用户的观点而来的各种想法和建议，及其他人的需求融合在一起产生了一个有凝聚力的决定。这中间的许多变化可能需要超前的时间来规划和实施：重要的是，在使用和配置新技术的规划上组织变得具有前瞻性。

国家电力主干网1

表1.1 目标

可靠性安全性效率环保工作经济性

2010 △需要在电网水平

上对质量、可靠性、

可用率作适当度

量，还有CBEMA

标准*

△改善系统可视性

使TLR**最小（高频

或低频），以及通过

统计方法提高系统

可靠性

△更好的或改进的

绝缘材料（材料研

究）△更安全的变

电站和输电

（容易替换，

可以修理）

△更加智能的

负荷管理技术

△与最新的

IT、控制、电

子技术结合

△输配电损耗：

现在：7～10％；2010

年：5～9％；2020年：

4～8％；2030年：2～3％

△合成导线、聚合物、先

进的人工智能

△第二代导线（适于替代

铜）

△低温电力电子器件

△低温冷却双级电力电

子器件

△先进的绝缘材料

△提高美观度，如减少

视觉厌恶部分

△利用技术减少污染

（SF6、油）

△确定并使用技术以

减小电磁场（EMF）的

影响

△减小变电站占地面

积

△最大程度上利用现

有导线与走廊

△—对环境较好的木

杆防腐剂，木杆的替换

△总收益，输电成本

△总边际成本

△动态无功补偿

－TSATCom：$60/kvar

－DSATCom：$150/kvar

－超级VARs：$50/kvar

－串补：$70/kvar

△AC/DC转换终端

$100/kvar

△HTS电缆10$/kAm，合成

材料15$/kAm

2020 △首次出现整合的

国家控制系统

△市场信息中包含

有用户的回应

△全网年停电减至

1次△设计N-3/N-4

原则包括风险

分析

△发电及控制

模块化，形成插

销式

△与最新的IT、

控制、电子技术

结合

△装置、设备、发电机、

电动机、传输电缆采用直

流，>10英里（？）

△先进的材料、增加规

模、材料科学、基础性工

作

△建立氢安全标准

△电磁场和健康影响

没有联系的确定性研

究

△使用新的环保材料

（绝缘材料）

△设备入地的百分数

随时间而增加

△电力输送成本10％

△总边际成本0.8

△动态无功补偿

-TSATCom：$40/kvar

-DSATCom：$100/kvar

-超级VARs：$30/kvar

-串补：$50/kvar

△AC/DC转换终端$50/kvar

△HTS电缆5$/kAm，合成

材料1.2$/kAm

2030 △最终的电网实时

自愈

—监测

—仿真

—响应

△最终电网

—电网级的实时

电价信息

—需求反馈信息

△适应日、年大的

潮流变化——电能

储存和过剩容量△地下线路、变

电站、通信设施

△设计N-3/N-4

原则，包括风险

分析

△与最新的IT、

控制、电子技术

结合

△扩大先进材料的应用

规模，基础性工作

△宽带隙半导体

△氢经济的副产品（无需

制冷的）

△电力输送成本8％

△总边际成本0.5

△动态无功补偿

－TSATCom：$30/kvar

－DSATCom：$80/kvar

－超级VARs：$20/kvar

－串补：$40/kvar

△AC/DC转换终端$20/kvar

△HTS电缆3$/kAm，合成

材料1$/kAm

△低成本电缆沟挖掘

△故障电流限制器

△制冷

*CBEMA为反映电压跌落的电能质量标准－译注。

**TLR：输电负荷释放，为解除线路过负荷的系统操作。TLR数反映电网阻塞的情况。－译注

表1.2 主要的技术挑战

◆：优先级指标

表1.3 研究与开发的需要

◆：优先级指标

先进材料△开发绝缘材

料的新概念

—自愈

—SF6替

代物

—绝缘子

状态诊断

—绝缘材

料的长期

老化

△开发符合环

保要求的、经

济的绝缘材料

◆◆◆◆

◆◆◆L △先进材料的长

期战略规划◆

△传感器材料

的可靠性

△光纤材料的

机械特

性◆

△由能源部

支持的研究

先进材料的

大学，为电力

应用提供新

的改进的材

料◆◆◆

◆◆◆

△先进的材

料为变压器

有载分接开

关提供先进

的敷层（像

CVD（即化学

气相沉积－

译注）的金刚

石沉积层）◆

△第二代

HTS导线完全

符合要

求，>200m

◆

△先进材

料—材料

的验证、测

试，挑选用

于标准化

原型样本

◆◆◆

△开发负

载导线重

量的高强

度材料—

改善高温

强度和泄

露阻抗

快速电力开关△由

Vanderbilt大

学完成的快

速电力开关，

有CVD金刚

石触头的快

速大功率电

子开关

◆◆

△先进的硅电力

开关，适应地域

广，低温

◆◆

△示范大功率快

速电力开关：

2010年

60kA/220kV、

2020年：

60kA/500kV

◆◆◆ML

△更高电压的

IGBT、IGCT

（更低的成

本）◆◆◆N

△快速电力

开关与VPI

发射极关断

（ETO）先进

电力电子开

关竞争，以及

现场测试系

统（可能与

ONR结合）

◆

△PE（光伏电

池）设备的自

动协调控制

◆

增加潮流的技术△电力系统

实时动态响

应程序和电

力系统故障

硬件

△评估洲际电网

大规模储能的价

值（研究）

◆◆◆N

△评估2030

年或以后，远

距离潮流输送

需求，我们研

究目标是什

么，国家电力

传输主干网的

战略规划

◆◆◆N

△脉冲管低

温制冷

（0.1～

1kW，@30K）

◆◆

△低成本、

少维护、高效

率的冷却器

样品

△增加潮流技

术的评估，测

试串联功率设

备的性能，包

括超级V AR、

PAR和先进变

压器

△增加的潮流

—建议对

HTS的研究，

使用PAR进行

潮流控制的小

电抗交流线路

—如果顺

利，搞10英

里的示范线

路

◆NM

△可大量生

产的合成导

线样品N

标准与规

约△召集会议

（NERC或

DOE）,编写国

家电网标准

◆

△至2006年基

于开放规约制定

―额定参数‖◆

分析与实

施

的手段△网络仿真

与软件，与传

感器结合用

以监测，然后

是动态控制

◆◆◆NM

△开发国家电网

监测、控制计划，

并先在一个小区

域内实现

◆◆NM

△广域测量与

监视NM

△概率规划

工具◆NM

整合与实

施△10英里

345kV架空合

成导线示范

△直流HTS电

缆示范工程

◆◆M

△―超级电缆‖

样品，国家实

验室低压直流

△设计并建

造用电缆的

小型全超导

△整合并实

施概念化，测

试低成本沟

△HTS变压

器样品，更高

电压的有载

线路，并装设DTS监测线路的动态额定数据◆N 超导电缆

（LVDCS）+

氢气+制冷

◆◆◆M

变电站

◆◆M

△综合并实

施第二代导

线的概念性

设计与测试，

用于HTS超

导同步电动

机和发电机

◆M

道开挖技术

◆◆N

△召集DOE

和事业组织

就延长输配

电设备使用

期限方法进

行研究

◆◆◆◆N

分接头调节

◆◆◆M

△设计并安

装5～10kA

交流HTS电

缆线路◆N

RD&D过

程

的改进△知识共享

及处理系统

◆◆◆

◆◆◆

△建立以政府为

依托的风险基

金，启动研发过

程◆◆

△每个核心

RD&D项目，

成立政府资助

的工作组

◆◆◆◆

△研发过程

改善了

OETD与联

邦其它部门

的联系

(ONR、

DARPA、AF、

NSF等)

△电力公司

寻求研发的

协作手段◆

表1.4 经济性目标——关键指标

现在2010年2020年2030年

动态无功功率

T Stat Com = $/kvar D Stat Com = $/kvar Super VARs = $/kvar

$80

$180-200

$80-100

$60

$150

$50

$40

$100

$30

$30

$80

$20

潮流控制= $/kvar 串联$90-110 $70 $50 $40 AC/DC 转换= $/kvar/终端$150-300 $100 $50 $20 成本– HTS = $/kA米$200 $10 $5 $3

成本－合成导线造价/导线造价（合

成导线）

3～10 1.5 1.2 1.0

总成本－边际成本/嵌入成本（输电

成本）

4 1.0 0.8 0.

5 电力输送成本总收益15％12％10％8％（5年回收期）

摘要

国家电力传输主干网会带来重要的国家利益：有助于在国家的基础上平衡电力的供应与需求，能够在大陆的范围内从多种发电电源获取电力供应。但是全国性的―超级电网‖现在并不存在，或者是技术（硬件和软件）和实践技能不足以建设、运行、控制和维护这样一个系统。未来国家输电主干网可以提供美洲大陆范围的互联，它的开发很可能将技术进步与技术变革二者结合。技术进步方法会将现有地区间输电设施进行升级与扩展。而技术变革则包括沿着现有或新的走廊，许可和建设一个新的、大容量、远距离、超导高压输电线路和控制系统。不论国家―超级电网‖的开发是沿着占优势的技术改进途径，还是技术变革途径，必须通过研发来解决许多技术挑战。

近期内最迫切需要解决的挑战是，缺乏分析工具和有组织的研究机构来对整个电网进行正确的建模。需要有献身精神的科学家小组进行基础性工作，进行―Grid2030‖的概念性设计和系统需求的开发。需要改进的手段来仿真和分析超级电网的比较方案，包括国家输电主干网的设计、成本和收益。其它优先级高的技术挑战列于表2.1，包括：

?缺乏适当的冷却技术（高热效率、大规模、超高可靠性、经济性）；

?缺乏下一代发电技术的制造设施；

?将下一代发电技术用于现有网络；

?需要先进的合成导线、超导导线制造技术；

?缺乏先进的能量存贮技术，以适应可能电源中断和用于提高系统稳定性；

?缺乏成本低、可靠性高的潮流控制技术，以有效的整合储能、输电和发电；

?需要更高强度的材料，以高负重率来改善现有网络的负载；

?缺乏构建―超级电网‖的国家强制手段，研究计划的规模将需要国家的承诺；

?超导电缆成本过高；

?院校不能毕业足够多的经过训练的电力工程师从事―Grid2030‖的设计和运作，电

力工程师退休速度要比替换速度快。

处理这些阻碍需要系统的方法，从系统分析、明确需求转移到可实现技术的研发及部分技术的实际示范。第一步，需要对国家电网的技术和经济可行性进行研究和建模。模型应该探索可选择的系统结构、配置、拓扑结构等，使将来的投资集中于研发。必须明确系统需求和影响来指导这些分析，包括有关社会、经济、安全、可靠性和环境特性。研发应直接由可实现技术开始，它不需要考虑最终的系统结构。先进技术需要包括改进的控制系统、高压超

导电缆、高温导线、带冷却的电力电子设备、成熟的安全系统、短期和长期储能以及硬件结构。技术的发展必须包括设备在电网中的试用，以验证其性能和可靠性。示范项目对于将来使用部门接受新技术是关键的。最终，研究机构必须做到以下这些工作：必须提供主要的关键资料和专门技术，以指导基本的可行性和细致研究；培训将来的电力工程师和材料科学家；执行研发任务；提供设备试验的试验工具；开发标准和规约。最小程度上，将来的电力传输系统的性能必须满足现有系统的性能水平。然而，将来的国家输电主干网必须提供增加很大的容量。

国家电力主干网2

表2.1 目标

可靠性环保工作安全性效率经济性

2010 △一般要求

—界面（功能的和

运行的标准）

—实时控制（算法

等）

—可用率（电力和

系统）

—安全性

△经过验证的技术

选择△研究高压线路、变

电站的环境特性（油、

冷却系统等）

△研究超高压线路的

电磁干扰（EMI）对

电子通信影响

△研究地理位置/可行

性，以达到初级能源

的最大传输（土地的

可用性、动植物体系、

经济转型）

△确认线路走廊用地

的获取

△选择线路、路径，

以将可再生能源送往

负荷中心

△弹性设计

—冗余优化

—聪明的

—自愈

—减小任何故障

的影响

△美国配件仓库

—关键备件（事实

上）

—美国制造能力

△工程研究：以定义

与需求一致的国家系

统

△信息安全性

△改善物理的安全性

—减少连接通路

—入地

—监测

△综合的后勤支持

△主干线路效率＝

3～4％

△效率提高3.0％

△更换现有线路的

导线，特别在瓶颈部

分

△每十年用户开支

降低5％

—减少日常使用

—降低输电成本

△使新的输配电设

施与人口发展相一

致（接近电网）

△对于区域系统，新

输配电网络的建设

达到5年的回收期，

其整体的安装和造

价每英里小于1百万

美元（使用先进技

术，2003年美元）

△2010年时，区域系

统示范工程

2020 △在全面使用集成

技术前验证其可靠

性△建设5000英里的超

高压线路

△制定技术的标准和

设计准则以满足与环

境要求

△减少（工作量）对

区域问题的依赖

△国家通信系统

△效率提高2.5％△用户开支降低5％

或更多

△在1/4系统范围内

示范，验证5年回收

期和每英里1百万美

元的总输电成本

2030 △配置并测试整个

系统△建设10000英里的

超高压线路

△提高现有网络容

量，现有输电走廊电

流翻倍

△建设新的直流输

电线路（新路径）

△新的主干网，多重

路径，每条线路3～

10GW

△在现在基础上提

高效率25％～30％

△用户开支降低5％

或更多

△对于全国范围的

系统，验证5年回收

期和每英里1百万美

元的总输电成本

表2.2 主要的技术挑战

◆：优先级指标

超级电网优化并增强

现有网络

知识与培训系统集成潮流控制建设与制造超导技术

△是改进还是变革? ◆

△需要总统声明―需要超级电网‖

◆◆◆◆◆

△满足功能和运行要求的超级电网设计尚不存在◆△缺乏对超级电网的全面研究（设计、地理位置、环境影响、成本）及超级电网的商业实例（成本、价格构成、所有权、运行规则）◆◆◆◆◆

△交直流转换设备

◆◆◆

—高效

—高可靠性△超导器件的IEEE标准

△需要用户参与◆△不了解配

电系统对输

电系统的影

响，包括对

超级电网和

现有网络改

进◆◆

△缺乏更高

强度的材料

—适于现有

网络改进负

载的负重率

（更好的导

电性和更低

的TCE）

◆◆◆

△需要更先

进的对现有

网络机械特

性分析

△网络运行

需要全局性

的整合（潮

流、控制）

△没有高热

稳定度导线

和相关硬件

的标准

◆

△学术界不了

解技术挑战以

及研发的机遇

◆

△对输电服务

提供者的培训

◆

△没有财政上

的激励

—谁会做

这些工作

△电力公司对

技术的接受（责

任？）◆◆

—缺乏知识

与自信

△不知道主干

网优化系统的

需求

◆◆◆◆

◆◆◆◆

—没有具体

提出需求的机

构

△不能够确定

输电线选址

—缺乏紧迫的

氛围◆◆

△无功损耗

（I2X）电缆（容

性）、架空线（感

性）

△准确的实时

线路定值，使使

用容量最大化

△缺乏进行全

国范围仿真的

能力

◆◆◆◆◆

◆◆◆◆◆

—规划与设

计

—运行

—市场

△全国范围

的通信、控

制和监测—

容量、速度、

可用率

◆◆◆

△确定并采

纳最佳的网

络拓扑结构

◆

△通信、分

布智能、监

测、命令与

控制的体系

结构

◆

△集成储能

装置（确定

接入地点

后）

△有效的、

实用的、经

济的互联开

关技术尚不

能实用，所

以不存在无

缝连接的配

电网◆◆◆

△没有温度传感

器及反馈导线控

制◆◆

△先进的储能技

术解决可能的电

源中断问题及提

高系统稳定性

◆◆◆◆◆◆

△对系统事故、

阻塞原因及结果

的管理

◆◆

△减少集中控制

的必要（最大化

的自主运行），集

中与就地控制安

全问题的比较

（安全性的障

碍）◆◆

△故障电流限制

器

△可靠的、低成

本的电力电子控

制器（材料及设

计）

◆◆◆◆

△缺乏对大系统

交直流控制的理

解

◆◆

△国内缺乏生产

大批量大容量导

线的能力

◆◆◆◆◆◆

△低成本的入地

技术（建设）

◆◆◆◆

△优化的导线冷却

系统

25～60?K

>80?K

△适当的冷却器

◆◆◆◆◆◆◆

—高效、大容量

—超高可靠性

—可接受的造价

△HTS直流电缆样

品的现场测试（带

转换器）◆◆◆

△现场维修技术

◆

—电缆

—确定故障点

△改进的低温泵

—高效

—高可靠性

△HTS/低温保持

器的现场拆接

◆◆

△HTS电缆造价小

于10$/kAm（液氮

冷却）◆

△高性能的低温保

持器◆◆

—热泄露

<1W/m

—小的弯曲半径

—高可靠性

△超导材料和电缆

特性◆

—标准

—老化（加速试

验）

△降低超导电缆成

本的方法：◆

—加工工艺的研

发

—材料的研发

（截面）

表2.3 需要研发的项目

◆：优先级指标

研发机构示范工程培训与提高部件制造

部件与

可实现技术的研发

仿真与建模研究

△设立战略研发合作伙伴

N

△形成示范技术的―主计划‖，表明关键的途径◆◆

N

—综合的进度表

—可测量的重要事件

—单一技术失败后的支持—市场发展△建立国家电力电子试验研究室，加速发展阀和潮流控制器，以及电力公司的验收试验◆◆◆◆

◆◆◆

M

△投资于标准的开发（像1547），来加速对新技术的接受◆◆◆

N

△发展将来系统验证所需的测试规约（标准、验证）

M

△5年内完成对项目的复审

M

△形成新的研究机构以支持研究

N △示范工程：测

量导线温度并用

于控制电缆潮流

◆

△示范工程：断

续发电情况下先

进蓄电池的应用

◆

△确定需求并进

行示范工程：广

域监测命令与控

制N

△开始第二代交

流HTS电缆的示

范工程，包括中

间的冷却站和

PAR

◆◆◆◆

◆◆M

△安装多段10～

30英里长的先进

导线，提高电力

公司的接受度

◆

M

△示范带电力电

子终端站的直流

HTS电缆（几百

米长）

◆◆◆◆◆

N

△从现有北美电

网开始，设计全

国范围超级电网

监测系统的原

型，◆

M

△示范用于提高

稳定性和优化的

FACTS和SMES

技术

◆◆◆◆

N

△进行大规模的

示范计划（有训

练工具和可扩展

途径的展示场

所）

◆

M

—示范中心，

用以测试器件和

系统

△支持在美

国培训电力

工程师

N

△形成新的

培训计划

◆

N

△成立超级

电网协作组

织，提倡和促

进超级电网

对美国的利

益

△需要对超

级电网的总

统声明

◆

N

△开发培训

资料：没有超

级电网对经

济和对生活

质量的影响

N

－为什么需

要超级电

网？

△开发导

线制造过

程的实时

质量控制

系统◆

△需要大

规模增加

生产能

力，2～4

年里达到

每年生产

300英里

△大规模储能（兆瓦

小时成本效率高）的

研发，用于超级电网

主干网中

◆◆◆◆◆

M

△超导材料的研发

M－L

—改进现有的

HTS材料

—研究具有改

进性能的新的

HTS材料

△开发非硅材料的

电力电子设备

◆

N－M－L

△开发HTS直流电

缆◆

N

△开发非固态电力

电子设备—低损耗、

故障开路、不需冷却

设施◆◆

N/M/L

△开发故障控制限

制器，及用于输电水

平的控制器

N

△开发电缆系统概

念性设计（AC和

DC）

N

△开发融合HTS器

件的带冷却的电力

电子设备◆

M

△冷却器的开发

◆◆◆◆N

—规模、等级

—高效率电机

—经济性

△示范和开发用于

应对电网振荡和稳

定性问题的储能系

统◆◆

M

△开发HTS设备运

行维护程序（长

MTBF、短MTTR，

早期故障探测）

△探索使用纳米负

荷材料生产更结实

的导线◆◆

M

△模拟超级电

网概念，并对进

一步的研究和

示范做2～3个

选择方案

◆◆◆◆

◆◆◆N

△超级电网建

模工程

◆◆

N

—功能性

—电价研究

—控制策略

—分析和预

测全国的用电

量以建立模型

△开发现在美

国电网的系统

模型

◆

N

△研究全国规

模系统的可选

择的控制策略

◆◆◆

N

—集中化

—分布式

—使用本地

自主技术和聪

明电子设备

△仿真超级电

网水平的实时

运行，包括物理

过程和市场的

相互作用与影

响

△开发超级电

网仿真的计算

机模型和工具

◆◆◆

—规划与

设计

—如HTS电

缆和架空线路

的PSSE、PSLF

模型

△与电信、运输

相依关系的仿

真了解

N

△分析保护设

备与超级电网

集成方案

△对超级电网的

需求必须提出、

规定

◆◆◆◆◆

N

—可能方案的

范围

—不同发电机

类型的影响

△研究和选择满

足系统需求的物

理及信息系统体

系结构◆

N

△研究分布式发

电系统的影响

◆◆◆◆

N－M

△超级电网可选

方案的环境评估

（不改造以及升

级现有系统）

◆

N－M

△通过全面的比

较应用（市场、

客户、生产、风

险、新产业）来

确定成本方案

◆

△确定发展为超

级电网的候选网

络（网络路径）

（第一阶段）

◆◆◆◆

△测试现有网络

与超级电网的连

接◆

△开始生命激励

自愈弹性网络的

研究计划

△导线可行性研究经验，以验证HTS 氢冷同轴电缆安全性和性能◆◆◆◆L ◆

N－M

区域互联电网1

摘要

美国输配电基础设施已老化，需对现有设备进行彻查、翻修与替换。为确保最好的技术用于电网的更新，需要稳定监管与市场环境来采用先进技术并且鼓励向这些先进新技术的投资。区域互联电网的职责是从主干网向本地变电站传输和分配电力，本地变电站依次向用户配送电力。用户的需要推动了应用于区域互联电网的技术的发展。

―Grid2030‖将全国平均负荷率从55％提高到70％。用于电力传输的先进导线和电缆与现有技术相比每英里的造价将会降低30％。越来越多的用户安装了需更高供电可靠性的电子设备。电网所提供的总的供电可靠性必须为5个9（99.999％），以满足用户的需求。整个电力系统的安全性由于区域电网互联而提高，区域互联电网是可自主恢复的。

仍有许多技术挑战阻碍实现这些目标和最终的―Grid2030‖目标。解决峰谷差的负荷水平调节技术（大规模电力存储、分布式发电）都太过昂贵。“即插即用”技术必须达到有吸引力的价格水平，才能使电力公司投资与安装。

实时分析，包括控制、传感器及测量技术并没有达到电力市场需要的水平。它们造价很高，并且在各负荷与电源点之间缺乏通信网络（这将随技术的发展而有所进步）。

除了技术阻碍之外，还有人力资源问题。许多雇员接近退休，而不失去他们多年来积累的技术知识是非常重要的。同样，现有的政策环境不能够为研发吸引私人投资。投资者不可能根据3年的投资回报率做出30年投资的决定。

需要更多的研究、开发和示范来克服实现远景目标的技术阻碍。需要降低大功率电子器件造价的开发工作，电子器件包括非常快速的开关，它应用于开发模块化、多级、高电压功率转换系统。这些电子设备的造价将降低一半。

需要对聪明电力系统的进一步开发。需要自愈结构的帮助来指导电力系统的解列。需要高速、高精确分析与控制算法来模拟并保护不断增长的复杂电网。

混合系统（如储能和就地电源）有助于电网向2030年转变。这些混合系统将导致电网的混合，电网将包容并整合需求侧管理实践、超导主干网、分布式发电和氢的应用。