电网的未来发展趋势

经过100多年的发展，电网的规模和结构发生了很大变化，从最初的本地小型电网到区域性中型电网，再到今天的大型区域间电网互联电网. 今天，电网已为人类提供了约四分之一的终端能源，并已成为现代能源系统的重要组成部分. 电力在终端能源消费结构中的比重已成为一个国家发展程度的指标之一.

未来，电网将显示以下重要的发展趋势: 首先，可再生能源将成为电网一次能源的主要来源. 其次，电网的结构和运行方式将发生重大变化. 第三，新材料技术将广泛应用于电网. 第四，物理电网将与信息系统高度集成.

广义电网是由发电设备，输配电设备，电力设备采用一定的结构和运行方式组成的统一的整体. 因此，由于发电机及其相应的电源系统，已经有了电网. 1882年，爱迪生（Edison）在纽约建造了世界上第一个常规直流电站和相应的供电系统，该系统被认为是人类的第一个真实电网. 但是，由于当时不能提高直流功率，因此极大地限制了传输距离和传输容量. 因此，特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术. 1897年，西屋公司位于尼亚加拉水电站的第一台交流发电机投入运行，并向35公里外的布法罗供电，现代电网的基础是建立.

经过一百多年的发展，电网的基本形式没有根本变化，即电网以铜，铝等基本导电材料，传统电气设备为基础，可调度能源（例如化石能源，水力发电和（核能等））作为主要电力来源，其运行方式的基本形式是交流电，但是，电网的规模和结构与最初的地方相比发生了很大变化. 小型电网到区域中型电网，再到今天的跨区域互连大型电网，例如，2012年，中国的总装机容量接近12亿千瓦，其年总发电量发电量已接近5万亿千瓦时，中国的电网基本形成了“西电东送，北电南电互供，国家互联”的总体格局. 成为世界上最大的电网之一. 今天，电网已为人类提供了约四分之一的终端能源，并已成为现代能源系统的重要组成部分. 电力在终端能源消费结构中的比重已成为一个国家发展程度的指标之一.

展望未来，我们相信未来的电网将呈现以下重要发展趋势:

首先，可再生能源将成为电网一次能源的主要来源. 人类已经意识到化石能源是不可持续的能源，因此有必要大力发展可再生能源来替代它. 这是因为: （1）在本世纪中叶之前，核能很难成为主要的能源. 核裂变能源的原材料也是有限的资源，其使用存在安全隐患电网发展，核废料的处置相对复杂. 由于使用核裂变能源还涉及国际安全环境，因此目前的核裂变能源技术出口受到有关国际条约的严格控制. 尽管核聚变能满足人类的长期发展需求，但其应用前景尚不明确. ITER（国际热核聚变反应堆）计划在本世纪中叶之前建造第一个示范电厂. （2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，可回收量足以供人类使用. 根据统计分析，地球上收到的太阳能是人类能源需求总量的10,000倍. 地球上的风能总量也已达到当前人类能源需求总量的五倍. 如果加上水力资源，生物质能，地热能和海洋能，可再生能源的总量将更大. 这表明可再生能源的发展潜力巨大. （3）可再生能源得到了极大的发展. 随着技术的不断进步，可再生能源发电的单位成本逐年下降. 根据欧洲，美国和日本等发达国家和地区的预测，到2020年，光伏发电可以基本实现平价. （4）国际共识是，可再生能源在未来将继续快速发展，并将逐渐成为主要能源. 例如，2012年，国际能源署（IEA）发布的《 2012年世界能源展望》预测了2035年之前的全球能源趋势: 到2015年，可再生能源将成为世界第二大电力来源，而到2035年，它已接近最大的动力煤发电. 欧盟联合研究中心预测，到2050年，可再生能源将占总能源需求的52％. 由于可再生能源的主要用途是发电，如果人类未来使用的能源主要来自可再生能源，电网中的一次能源也将主要来自可再生能源.

第二，电网的结构和运行方式将发生重大变化. 现代电网存在交流电网结构不合理，固有安全性和稳定性等问题，亟待解决. 随着越来越多的可再生能源并网，它将给电网带来一系列新的严峻挑战. 这主要是由于不可调度性，波动性，分散性，发电方法的多样性以及可再生能源的时空. 确定互补性和其他特征. “结构决定功能，模式决定成败”，因此电网发展，从改变电网的结构和运行方式入手，是解决电网现有问题，应对未来挑战的重要手段之一. （1）从结构上讲，由于电力和负荷资源的地理分布未来不匹配，以及可再生能源在大范围内的良好时空互补性，未来有必要维持和发展具有适当规模的大型电网. . . 同时，由于可再生能源的分散化，最终用户的分布式现场资源和微电网也将大量出现. 因此，未来的电网结构将呈现大电网和微电网并存的格局. 其次，为了保证电源的安全性和可靠性，有必要发展环形网络. 对于不同的电压水平，应采用多层环形结构网络，并应在同一层不同区域的相邻层与环形电网之间进行互连，以构建多层网状结构网络. （2）在运行模式下，有必要发展直流电网模式或交流/直流混合电网模式. 这是因为直流输电电网没有交流输电电网固有的稳定性问题. 因此，采用直流输电电网将从根本上解决交流电网固有的安全性和稳定性问题. 从配电网和微电网的角度来看，未来的直流负载将占相对较高的比例，而分布式电源（例如光伏发电或储能）也将使用直流作为运行模式. 同时，还必须采取“分层经营，整体协调互动”的模式，以充分实现广域内各种资源的优化和互补利用，以及区域电网之间的相互备份和支持. 电网结构和方式的变化将为技术创新带来大量机遇，值得关注.

第三，新材料技术将在电网中广泛使用. 建立电网的结构和方式后，电网的运行性能在很大程度上取决于电气设备，电气设备根据特定的结构由各种材料制成，并且材料的特性在很大程度上直接决定电气设备的性能. 在过去的100年中，对电网发展影响最大的创新来自新材料技术-电力电子设备的发明及其在电网中的应用以及诸如氧化锌浪涌的技术发明避雷器，六氟化硫断路器和碳纤维复合芯线的根本创新在于新材料的应用. 展望未来，随着新材料技术的不断发展，新材料技术将在电网中得到广泛应用. （1）首先，高压大功率电力电子设备（如宽带隙半导体器件等）和设备将使高压大功率电力的转换和控制成为可能，就像处理集成电路提供的信息（实际上是低压小电流的电能的转换和控制）既灵活又高效. 由于未来电网中大量的可再生能源电力是不可预测的，并且电力用户对电力的需求也是多种多样的，并且随时在变化，因此电力转换和控制的目的是将不可预测的电力供应转换为满足用户需求. 从这个意义上讲，电力电子设备和设备的广泛使用将使电网能够像计算网络一样处理和分配电力，从而处理和分配信息资源. 因此，未来的电网可以被视为“能源计算网络”. 电力资源通过“能源计算网络”有机地组织，连接和控制，以为用户提供可靠的电力. 因此，该“能量计算网络”也可以称为“云电力网络”，并且用户从“云”获得可靠的电力. （2）新型高性能电极材料，储能材料，电介质材料，高强度材料，质子交换膜和储氢材料的发明和使用，将使高效，低成本的电能存储系统成为属相变材料，新型铁磁性材料，用于高效率和低能耗的功率传感器材料（例如巨磁阻材料，压电晶体，热电材料等）可能会在未来的电网中广泛使用.

第四，物理电网将与信息系统高度集成. 如果将电网比作一个人，那么物理电网就是人体的骨骼，肉体和器官，而电网信息系统则具有相当于人类的感知能力，分析能力和决策能力. 当前的电网不仅在物理层上是不完善的，而且其信息系统的建设仍然离未来的需求还很远. 关于这方面，这是近年来在世界范围内被广泛讨论的所谓“智能电网”的概念，本文不应过多重复. 但是，应该指出的是，在现有的电气设备的基础上，仅依靠改善电网的信息化并不能解决未来电网所面临的问题. 改变电网的结构和运行模式，改善电气设备的性能以及采用新功能的电气设备对于解决未来的电网问题同样重要，甚至更为根本. 此外，应该强调的是，用创新材料开发具有自适应功能的电力设备和保护设备的能力可以显着降低电网对传感，通信和数据处理的技术要求，这是非常有益的. 因此，永远不要认为信息技术在电网中的应用是电网的全部未来发展.

关于作者:

肖立业，中国科学院电气工程研究所所长，应用超导重点实验室主任. 他长期从事强电领域的高温超导体研究，并在高温超导磁体技术，高温超导力科学技术和高强度超导技术领域做了很多研究工作. 温度超导物理学.

只有通过改变农业基础，才能发展现代农业. 高标准基本农田，是指在一定时期内通过农村土地政策形成，集中，联系，配套设施，高产稳定，生态良好，抗灾能力强，与农作物相容的基本农田. 现代农业和管理方法.

建设高标准基本农田必须首先增加高标准基本农田的抗旱防洪比例，这是巩固国家粮食安全基础的有力措施；其次，要平衡好田野，好品种和好法律. 它可能成为，破坏耕地的可持续利用；没有良好的田野，就无法实施好的法律，新的农艺，农业机械和设备也无法发展，并在增加产量和收入方面发挥应有的作用. （来源: 中国科学报）

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