美国电网2030计划

1、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。

2、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2501800亿美元之间。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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 b

8、ased）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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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2010年2

15、020年2030年用户进入下一代“聪明计量”的入口，以实现双向通信和用户/电力公司交易接口连接到网上的智能化房屋和电器通过需求侧管理和分布式发电，用户参与电力市场计划提高输电容量的先进的合成导线区域电网的扩展和现代化的规划有“即插即用”能力的用户“全能源”系统：电力、加热、制冷及湿度控制。可通过抵押租借通过电压、频率和功率因数校正 达到“优良”电能质量高温超导发电机、变压器和电缆 的使用，大大改变电网面貌长距离超导输电电缆任何用户只要要求就可得到高可靠性、安全的、数字化的电力可以得到廉价而无污染、在国家 任何地方发出的电力价格可承受的储能设备，任何人均可拥有国家（或大陆）超导主干网完成主要的挑

16、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克服惯性吸引资源技术开发商业模型强调公众要求公共政策电力工业面对拆分巨大的资本资产RD&D处于低水平对变革态度上阻力股本周转缓慢某些电力市场不甚成功投资教育、培训及 人力开发不引人注目的电力线路低成本储能长距离超导清洁发电实时信息系统先进的合成导线货币化收入流使收益与风险匹配测试版1.0需求侧预测电力市场可行的竞争性市场设计N

17、IMBY联邦与州的合作供应商的市场力公共目的项目稳定的监管框架持续的RD&D基金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。实现设想的目标输电配电需求侧管理监管框架第一阶段

18、 2010年超导主干网可行性证明协调的区域电网规划和运行对所有的电网运行方实时信息透明多个采用10英里长超导电缆项目详尽的规划及开始采用首例潮流阻塞区的超导“电力连接分配中心(power hub)”聪明的、自动的电网原型试运行新输电线路的主要部分采用合成导线证明分布式智能协调的可行性实现远方设备跳闸检测分布式发电/分布式资 源的“即插即用”规约智能化自动化系统的体系结构定义改进电力应用并降低电价需求侧管理的推广应用聪明电器可行性证明更广泛的应用用户侧分布式发电/CHP国家立法明确管辖权公众私营研发合作活 跃各区域及市场的各部分 市场均正常运转充裕的公共补助金，确保通用服务州采用基于行为的（pe

19、rformance-based）管制、计量和确定电价解决办法第二阶段 2020年全国半数的功率流经聪明电网铺设长距离超导电缆； 在数个中心区域运行 “电力连接分配中心”平均网损降低50%分布式发电/分布式资 源技术完全整合到配电系统中运行采用智能自动化体系结构实时双向信息流及功率流所有电器具有聪明的性能大小用户均可进入电力市场及访问实时信息和控制实施稳定和公平的监管可运行的竞争性市场第三阶段 2030年超导主干网建成且包括短路电流限制和变压器两个区域电网100%的功率流经聪明电网低成本小容量储能使用超导电缆及其它超导设备全自动的需求侧响应低成本就地储能设备的应用用户与电网的充分互联线路图现还处

20、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

21、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89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

22、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

23、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

24、： 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

25、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，“Grid203

26、0”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

27、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：710； 2010年：59 ； 2020年：48；2030年：23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/kv

28、arDSATCom：$150/kvar超级VARs：$50/kvar串补：$70/kvarAC/DC转换终端$100/kvarHTS电缆10$/kAm，合成材料15$/kAm2020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-

29、TSATCom：$40/kvar-DSATCom：$100/kvar-超级VARs：$30/kvar-串补：$50/kvarAC/DC转换终端$50/kvarHTS电缆5$/kAm，合成材料1.2$/kAm2030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/kvarDSATCom：$80/kvar超

30、级VARs：$20/kvar串补：$40/kvarAC/DC转换终端$20/kvarHTS电缆3$/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。译注国家电力主干网1表1.2 主要的技术挑战：优先级指标先进材料标准与规约分析和实施手段快速电力开关综合与实施增加潮流的技术便宜的大容量导线新的先进输电材料开发环保绝缘材料合成材料的开发（代替铜、铝）完全符合要求的超导体（77K，2T）低成本、可靠、耐用的高温超导导线和电缆高温超导（HTS）导线200m先进材料

31、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

32、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（0.11kW，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VAR、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

33、概率规划工具NM整合与实施10英里345kV架空合成导线示范线路，并装设DTS监测线路的动态额定数据N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超导电缆（LVDCS）+氢气+制冷M设计并建造用电缆的小型全超导变电站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整合并实施概念化，测试低成本沟道开挖技术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NHTS变压器样品，更高电压的有载分接头调节M设计并安装510kA交流HTS电缆线路NRD&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

34、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国家电力主干网1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 = $/kvarD Stat Com = $/kvarSuper 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$40AC/DC 转换= $/kvar/终端$150-300$100$50$20成本 HTS = $/kA米$200$10$5$

35、3成本合成导线造价/导线造价（合成导线）3101.51.21.0总成本边际成本/嵌入成本（输电成本）41.00.80.5电力输送成本总收益1512108（5年回收期）国家电力主干网2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

36、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：n 缺乏适当的冷却技术（高热效率、大规模、超高可靠性、经济性）；n 缺乏下一代发电技术的制造设施；n 将下一代发

37、电技术用于现有网络；n 需要先进的合成导线、超导导线制造技术；n 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；n 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；n 需要更高强度的材料，以高负重率来改善现有网络的负载；n 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；n 超导电缆成本过高；n 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

38、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

39、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

40、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34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

41、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310GW在现在基础上提高效率2530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国家电力主干网2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

42、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

43、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

44、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2560K80K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）国家电力主干网2表2.3 需要研发的项目：优先级指标

45、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）M5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

46、的冷却站和PAR M 安装多段1030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去年我们学校已申请一份同轴超导电缆专利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

47、制系统 需要大规模增加生产能力，24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ML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 NML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模拟超级电网概念，并对进一步的研究和示范做23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NM对超级电网的需求必