标题：现代电网的发展与安全
图书信息
作者：丁道齐 
图书详细信息：ISBN：9787302298809定价：98元印次：1-1装帧：精装印刷日期：2012-9-20
图书简介
本书结合国外大电网频繁发生的连锁性大停电事故和正在进行的中国特高压电网建设和规划中的、尚在争议的“三华”特高压同步电网的设想，应用复杂性网络理论解析中国现代电网的发展和安全性问题。全书分4篇15章。主要内容包括： 现代电网总体概念； 美国、欧盟建设现代电网的战略； 中国有关各方对发展现代大电网策略的陈述； 研究现代电网架构和安全战略的基础理论； 现代电网的安全体系结构和安全性解决方案； 掌握连锁性事故动态特征与降低事故发生的风险； 降低电力系统脆弱性，建设抗灾型电网； 智能电网是降低大电网脆弱性、提高生存性的根本战略； ICT及一体化通信基础设施是智能电网实现的根本保障； 整合多种分布式发电资源的基础——微型电网； 积极关注和跟踪国际上智能电网研发的新进展； 中国智能电网实现中的问题和展望、中国电网发展战略规划的基础和环境问题简析，特高压远距离输电的理论和实践； 构建国家异步互联电网作为国家电网骨干网架。本书适合从事电网调度、电网自动化和电力信息通信运行管理人员，电网规划设计人员，电力工业各级领导和安全管理人员，从事电网自动化和信息通信研发的科研院所和高等院校研究人员以及理工科大学相关专业的研究生阅读和参考。
图书前言
前言
现代电网的发展与安全
前言《汉书·霍光传》中讲了这样一个故事： “臣闻客有过主人者，见其灶直突，傍有积薪。客谓主人，更为曲突，远徙其薪，不者则有火患，主人嘿然不应。俄而家果失火，邻里共救之，幸而得息。”此段大意是客人让主人把直的烟囱改为弯曲的烟囱，把柴火搬离灶台，否则将有火患，主人却不听，时间不长，主人家果然失火。后人根据这个故事引申出“曲突徙薪”这句成语，比喻对于可能发生的事故，事前要做好防备工作，以免发生灾祸。编著《现代电网的发展与安全》一书的目的就是提醒人们： 中国大电网的发展战略要“曲突徙薪”， 即控制同步大电网的规模，采用先进的技术，构建科学合理的电网结构(曲突)，以降低大电网的复杂性和脆弱性的扩散(徙薪)，才能提高大电网抵御自然灾害和网络攻击的能力，降低发生大面积停电事故发生的风险。《现代电网的发展与安全》的主题是中国现代大电网的发展战略与安全对策； 依据的理论基础是现代电网的复杂性网络理论； 支持该理论的实践基础是国际、国内大电网事故和电网规划设计的教训。一中国大电网的发展正处于中国电网发展历史上的岔路口： 一条是打破中国2008年前原有六大超高压区域电网以异步或交流弱连的布局，建设以华北、华中和华东三大交流特高压电网(简称“三华”电网)为国家骨干网架的特高压之路； 另一条是继续维持原有六大超高压区域电网异步或弱连的格局，完善和加强受端区域主干电网，走建设中国国家异步互联大电网的超高压之路。以建设“三华”电网为中心的中国交流特高压电网网架，必将导致中国电网的规模和复杂程度的急剧增大和脆弱性的扩散，事实上，目前中国电网已成为世界上最复杂的人造工业网络系统之一。确保中国超大规模电网安全稳定，显著提高其运行可靠性成为电力科技工作必须实现的最高目标。有鉴于此，应用先进的复杂系统理论，探索电力系统灾变的统计规律，分析大停电事故的内在原因及形成机理并寻找有效的灾变预防途径，以及将这些理论应用到现代电网的发展规划和安全对策中去，成为具有重大现实意义的科学问题。 二进入21世纪以来，自组织临界性(self?organized criticality，SOC)理论已经引入电力系统整体动态行为及安全分析领域。SOC理论研究大电网的基本思路是： 电力系统的运行和演化受到内外两种因素的制约： 一是运行因素的制约，主要包括电力系统的功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性以及对稳定性产生重要影响的潮流分布和发电机、负载的动态行为以及电力系统控制系统的动态响应等； 二是，电力系统的演化因素的制约，主要指网络建设和系统升级，尤其是高一级电压电网的出现将引起系统结构的重大变化，这是研究电网发展战略的核心，如处理不当必将给电力系统运行带来严重的安全隐患。在这两种因素的作用下，电力系统总是处于持续的非平衡状态； 而又由于系统内部要素之间的相互作用，进一步自发地驱使系统运行至一种临界稳定的状态，即临界态。当系统处于这种自组织临界状态时，任意微小的扰动都可能引发意想不到的后果，甚至引发连锁事件并最终导致灾变，即大停电事故的发生。电力系统大停电的整体动态行为虽然可能是由表征系统处于SOC状态的不稳定结构产生的，然而识别动态系统的不稳定性是当前非线性科学领域的难题。即使将电力系统大停电视为SOC现象的暴发，迄今也不能建立具体表征电力系统大停电过程的非线性数学方程，但可通过观测电力系统大停电的时间序列数据，用功率谱分析方法反演电力系统在发生大停电时的动力特征，探讨SOC在大停电中的作用，从而为预测各种规模的停电事故提供宝贵的信息。当然，这要依赖于大停电过程中观测数据的数量和质量。大停电的发生在时间分布上是离散和不均匀的，其规模、能量也是离散和不均匀的，这种标度被称为自仿射性。为研究无标度电力系统发生大停电时的行为特征，须引入大停电事故的特征量的数学期望值。而幂律分布关系是描述极端事件发生概率的一种行之有效的宏观评估方法。幂律是SOC的一个重要的特征。用以支持和解释SOC理论的幂律关系有两类： 一是代数幂律关系； 二是概率密度函数为幂函数关系。二者的共同点是双对数坐标系下均呈现线性关系。也正因为如此，应用复杂网络的幂律特性，掌控现代电网的动态行为，研究分析大电网的发展战略与安全对策，是写就《现代电网的发展与安全》一书的理论依托。三中国大电网的发展战略从国家层面来看，至今还没有一个总体框架，更没有一部明确的法律、法规加以明示。在2011年3月全国人大会议批准发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》(以下均简称“十二五”规划)之前，无论是中国电网公司和中国南方电网公司，都是在政府和有关部门的相关文件和条例指导下，以自身的理解，制定各有特色的大电网的发展战略。如今“十二五”规划中提出了有关中国大电网发展的基本要求。“十二五”规划中提出： 中国电网发展的战略目标是“适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能力和供电可靠性。”这是中国政府对中国电网发展战略的一次政策性表述。“十二五”规划将“增强电网优化配置电力能力和供电可靠性”两项作为中国现代电网体系建设要达到的目标。这两个目标也正是智能电网建设要实现的重要目标。其中“增强电网优化配置能力”是中国电网发展战略规划目标的核心，中国当前对于发展交流特高压输电和建设“三华”特高压同步电网的强烈质疑正是围绕这一核心进行的。中国政府应支持并主导这场争论，确保中国大电网发展战略真正能保证“增强电网优化配置能力”目标的实现和沿着可持续发展的科学轨道前行。但是，中国关于21世纪现代电网的发展战略，还没有上升到像欧、美那样全面、系统、科学、深刻、细致、具体，并由国家以法律、法规形式予以发布的水平，这无疑地降低了中国电网发展战略的权威性，甚至增加了盲目性、随意性和分散性。“十二五”规划中这种纲要式的陈述就给人们留下了“各取所需，随意解读”的空间。从2004年开始论证并建设第一条特高压交流试验工程以来，国网企业一直是特高压的最大推动力量。对于国家将特高压列入“十二五”规划，国家电网企业负责人在“十二五”规划公布后的3月17日的一次电视电话会议中以自己的理解和愿望感慨地说： “特高压、智能电网建设全面纳入国家发展战略，上升为国家意志。对于特高压电网的发展，对于转变能源和电力发展方式，都具有极其重要的里程碑意义。”直截了当地将“十二五”规划中“推进智能电网建设”解读为推进“特高压电网的发展”。但在关注中国特高压状况和发展战略的很多专家看来，国家“十二五”规划表达的意向十分明确，那就是要在“完善区域主干电网”的基础上，加快现代电网体系建设。“十二五”规划中明确的是“发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术”，而不是发展特高压电网。发展特高压输电技术与发展特高压电网是两个完全不同的概念。另外，尽管特高压进入了“十二五”规划，但规划中的“特高压”并没有写明是直流还是交流，更没有将被视为交流特高压发展战略核心的“三华”电网写进去。《现代电网的发展与安全》就是在这样的大背景下写成的。全书以绪论为开篇，分4篇共15章。即绪论： 把握复杂大电网动力学规律，指导电网发展与安全； 第1篇： 现代电网发展概述(第1~3章)； 第2篇： 现代电网安全性的相关理论及应用(第4~7章)； 第3篇： 中国智能电网的实现——挑战、问题和行动(第8~12章)； 第4篇： 中国大电网发展与其安全战略的科学抉择(第13~15章)。四具体来说，《现代电网的发展与安全》一书的主要内容及写作思路如下。1. 以“把握复杂大电网动力学规律，指导电网发展与安全”，作为绪论。首先向读者讲述本书图0?1上方曲线产生的背景故事，以见识和体验一下，那些令人起敬的学者们，在研究具有复杂网络特性的电力系统安全性问题中的曲折过程、对待科学的崇高思想境界以及在学术研究领域的创新精神。他们为复杂性科学在电力系统的应用，为现代电网的发展与安全作出了开创性的贡献。传统的电力系统安全性的研究，是基于传统的可靠性理论和还原论的基础之上，并假设事件的发生基本上都是确定性的或可以预测的。而现代大电网时而发生的连锁性大面积停电事故，应用传统的电力系统安全性理论已经无法解释，更不能给出防止和抑制这类事故发生的全面解决方案。正是这些“令人起敬的学者们”百折不挠的探索研究，终于发现现代大电网具有复杂性网络固有的SOC特征，由该特征引发的一系列的、复杂的、不可预测的和无序的混沌状态的暴发是现代复杂大电网发生连锁性大面积停电事故的根源。他们作出的“开创性的贡献”才使今天“具有复杂网络特性的电力系统”的安全性问题的研究升华到一个新的境界，为研究现代巨型复杂电力系统的安全稳定运行建立了科学的理论基础，为防止和抑制连锁性大停电事故发生指明了努力的方向。2. 第1篇(第1~3章)本篇重点介绍了美国政府关于建设21世纪现代电网的战略决策和法律、法规。同时亦论述了欧盟和中国建设21世纪现代化电网的相关策略。阅读时请关注以下各点： 当代电网正在从传统的以化石能源消耗为主的集中发电、远距离输电和大电网互联的模式，向以大规模利用可再生能源，以大型集中式和分布式能源发电相结合，以骨干电网和地方电网、微电网相结合的新一代电网转变。新一代电网已被世界大多数国家统称为智能电网或现代电网(还有称未来电网)。世界电力系统发展的历程表明，现代电网已从孤立的电力系统(electric power system,EPS)发展成如今由EPS、信息通信系统(information communication system,ICS)和监测控制系统(monitoring and control system,MCS)融合而成的现代广域复杂电力系统 (即现代电网，简称3S电网)。EPS/ICS/MCS三个子网的一体化已经成为21世纪现代电网体系结构的重要标志。“现代电网”实际上涵盖了“3S复杂大电网”和“智能电网” 的概念。传统的对电力系统的研究方法已经难以处理一体化的EPS/ICS/MCS复杂系统，因此需要在建模、分析、仿真、预测和控制等方面建立新的理论和方法体系，才能有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，以保证电力系统的安全运行。通过对发展演变历程的分析告知人们，现代电网(又称智能电网，或未来电网)当前已经发展到一个最具挑战性的新阶段： 传统的电网已经不能适应且满足不了数字社会日益增长的需求和改变能源消费结构、扩大可再生能源利用的新环境。为了实现现代电网具有更高水平的安全（security）、质量（quality）、可靠性（reliability）和可用性（availability）（简称SQRA），以最大限度地提高大电网的生存性，提高经济效率和人类的生活质量，最大限度地减少对环境的影响，开发新一代的电网操作系统(grid operation system，GOS)成为现代电网的重要目标。中国应同世界各国协同合作，为开发新一代的GOS作出贡献。发展同步大电网是一把双刃剑。20世纪，为实现资源优化配置和提高运行效益，电力系统日益向“大电网、大容量、超高压、远距离”输电方向发展。但是，现代电网复杂网络的动力学行为特性，驱使各国电网多次发生连锁性大停电事故，已严重威胁到国家和社会经济安全。本书第2章中重点论述了美国电力改革的纲领性文件——《电网2030——电力下一个100年国家愿景》（GRID 2030）。GRID（电网）2030明确了在实现21世纪美国电力工业科学、协调和可持续发展的重大战略转变中，美国电网现代化的目标、步骤和技术。GRID 2030明确要求，以大容量高压直流输电线路及高温超导输电系统建立跨接美国东西海岸骨干环形网及其联接支路的宏伟计划，这是对现有同步电网结构进行的最具革命性的改造，必将极大地降低现代电网的复杂性和脆弱性，增强电网运行的安全性和可靠性。该章还介绍了为联接美国国内各区域电网，实现风能、太阳能等可再生能源电力远距离、大规模输送，美国构建统一国家智能电网（unified national smart grid）的设想。美国统一国家智能电网将实现美国跨州及全国范围内可再生能源电力的优化调度、监测和控制，从而实现美国全国范围的电力需求管理。统一智能电网不是简单的区域电网间点对点的直流输电并辅以智能通信手段，而是具有众多开放节点的拓扑结构，每个节点都可与微型电网相联。在第2章中还特别介绍和论述了2011年6月13日，美国白宫办公厅发布的题为《21世纪电网发展政策框架： 确保未来能源安全》的政策性指导文件，该文件被称为奥巴马政府建设现代电网的新政。该新政明确了美国电网现代化建设必须依赖的四大支柱： (1) 第1支柱： 确保具有成本效益的智能电网投资； (2) 第2支柱： 释放电力领域的创新潜力； (3) 第3支柱： 赋予消费者权力，让他们能够在充分知情的情况下做出决策； (4) 第4支柱： 确保电网的安全。近年来，电网发展面临着一场电力体制变革的浪潮，特别是随着现代电网体系结构的变革，如分布式发电、分布式能源和可再生能源的开发应用、微型电网的广泛分布等新技术的应用，“电力工业是天然垄断性事业”的神话将被打破。各国都在根据自己的国情采取变革措施。其核心是在电力部门引入竞争机制、打破垄断，具体的做法有： 发电、输电、配电分离； 大力发展智能配电网和用户侧“创能、储能、节能”网络建设； 放松管制(deregulation)； 开放上网(open access)； 电力转供(power wheeling)等，这些做法是相互关联的。另一方面，在变革的过程中，尽管一些国家通过变革已收到降低电价、改善服务的实效，但我们应当冷静地对这种变革的利弊得失进行深入的研究分析： 最重要的问题是竞争的电力市场是否会降低电网的可靠性。借鉴国外电力改革的经验，表明在电力工业部门取消自然垄断、实现自由竞争的前提条件是采用渐进改革模式，改革前做好充分的准备工作，以及在改革过程中保留国家的调控作用。第2章还介绍和分析了以开发可再生能源为主的欧盟发展大电网的战略。其战略目标主要体现在两个方面： 1） 始终将研究复杂大电网的安全性和生存性作为发展大电网的战略指导方针。2） 以开发可再生能源为主的发展超级智能电网战略，作为欧盟能源可持续发展和实现环境保护目标的重大战略举措。2007年12月欧洲共同体发表了欧共体联合研究中心(JRC)提出的《电力系统ICT脆弱性： 未来研究的路标》报告，报告中明确提出，在未来的15年要建立保证未来电网安全性的三大支柱（three main pillars）： (1) 开发EPS/ICS/MCS一体化的风险和脆弱性评估方法和工具； (2) 开发适应于EPS/ICS一体化的分布式智能化的MCS控制系统体系结构和创新技术； (3) 在全社会树立防范和治理风险的意识。为构筑坚固的三大支柱，报告制定了包括近期、中期和长期三个阶段的目标。争取最终于2020年前后实现在由EPS/ICS/MCS构成的一体化的广域复杂电网中应用新的综合性的脆弱性评估和风险分析的方法和模型，以保障电网的安全运行。欧洲发展大电网的战略重点在两个方面： 一是构建超级智能电网（super smart grid，SSG）用于传输可再生能源，以应对欧洲能源危机和CO2的减排，同时构建跨越欧洲、中东、北非的超级电网，以在更广阔范围内平衡可再生能源电力分布，以提供稳定可靠的电力输出； 二是构建保障未来超级大电网安全性的三大支柱，以提高防御风险威胁、降低系统脆弱性的能力。第3章介绍和解读了中国政府“十二五”规划中将“增强电网优化配置电力能力和供电可靠性”两项作为中国现代电网体系建设要达到的目标、中国南方电网公司发展电网的“向更加智能、高效、可靠、绿色方向转变”的战略目标和国家电网公司关于“一特四大”和到2020年前后，将建成中国华北—华中—华东、装机容量达10亿kW、电气联系相对紧密的1000kV交流UHV同步电网(简称“三华”电网)的大电网发展战略。第3章中还介绍了业内资深专家提出的建设中国大电网的另一种战略模式： 国家异步互联大电网，即以六大区域电网为核心，以500kV为主网架（西北电网以330、750kV为主网架），充分发挥500kV输电网的潜力、提高现有输电设备的利用率，同时通过对500kV电网进行柔性输电技术改造，大幅度提高输电能力、接受高压直流远距离输电安全落地能力和应对各类电网事故能力。3. 第2篇(第4~7章)本篇对研究现代电网架构和安全战略的基础理论作了概念性的论述。这些基本理论包括： 研究电网安全性的两种方法——还原论和整体论； 指导现代电网规划和安全运行的复杂系统理论； 电力基础设施脆弱性评估； EPS/ICS/MCS的相关性； 现代电网风险评估和管理； 电力系统生存性评估。并应用这些理论提出了现代电网的安全体系结构和安全性解决方案； 从连锁性事故动态特征找到降低事故发生的风险的对策； 提出降低电力系统物理脆弱性，建设抗灾型的电网的基本策略。读者在阅读第2篇时应该关注以下要点： (1) 利用复杂系统的幂律特性预测大电网发生大停电事故的概率和损失。复杂系统的幂律特性是SOC的基本特征。研究和实践证明，复杂大电网的停电事故规模(损失的负荷)的概率分布为幂律分布。如果按照传统的外推法则推断，像2003年8月14日美国和加拿大电网发生的这样大规模停电事故，5000年才可能发生一次。对从1984年北美电力公司开始有系统性的停电报告至2000年的16年间，电力公司存储的11次停电事故数据统计分析来看，停电规模超过4000MW的任何一次事故发生的概率，比数学家们用外推法预期发生的大停电事故发生的概率高达325倍。由此可以看出，在大停电事故发生概率很低的情况下，电网事故造成的损失比原先预计的要大得多。这也说明电网发生大规模连锁故障具有必然性。(2) 电力基础设施的脆弱性是现代电网安全的潜在威胁。研究电力系统脆弱性和风险评估模型、方法和应用的目的在于： 弥补以确定性为依据研究大电网安全性理论和方法的不足，深入研究不确定性对大电网安全性的影响，为部署电力系统安全防御策略建立稳固的基础。中国至今尚未出台系统性的关于电力基础设施脆弱性评估的相关标准和要求，没有一个由主管部门牵头组织的关于开展电力系统脆弱性风险评估的机构和系统性规划。这一点不得不引起人们的强烈关注。(3) 建立电力巨系统安全保障体系。现代电力系统规模巨大。电力巨系统安全保障体系，是包括从设备安全到系统总体运行管理的一个系统安全体系。电力巨系统安全保障体系建设的关键内容包括： 设备改造及维护技术革新。新一代智能能量管理系统（smart energy management system,SEMS）的研究和应用。建设中国电力应急平台。(4) 根据电力系统复杂性网络理论制定现代电网安全性解决方案。书中以应用高度最优化容限HOT系统理论为例，提出从电力系统安全性的演变过程，开拓出一条提高系统安全性的清晰道路： 采用科学合理的拓扑结构(如电网分区分层管理、区间直流联网、超导/超高压输电、电源分散设置等)、控制同步电网的规模、应用现代电力电子技术PET和建设新型智能电网等措施，以降低电网的复杂性和脆弱性，建设一个 “可靠、高效、充足、灵活、洁净”的21世纪的坚强的现代电网。(5) 在中国积极发展特高压电网的现实面前，有关各方应协同努力，尽快将复杂系统理论从纯学术理论的探讨阶段逐步进入指导大电网安全管理的实用阶段，为电网规划设计和指导电网运行管理以及开展相关导则规程的全面修编创造基础条件。中国现有的《电力系统安全稳定导则》已经不能适应现代电网安全稳定运行的需要。由于现代电网的复杂性网络特征，电网实际发生连锁反应大停电概率虽然不高但远高于传统可靠性理论分析的结果，充分说明了连锁性大停电事故是一个没有解决的电网重大安全问题。中国按《电力系统安全稳定导则》建立的“三道防线”并不能防止这类事故的发生。(6) 基于目前研究有关电网控制的方法和分析应用程序尚不能从电网关键物理部件的故障来判别对电网安全威胁的存在，包括中国在内的世界上现有的电网在线控制系统并不能避免系统崩溃。(7) 电力规划必须坚持电网与电源统筹规划、合理布局、协调发展的原则，以受端系统为核心，完善电源结构，强化配电网建设，实现一个合理的电网结构。(8) 抗灾型的电网结构必须满足电网/电源分层、分区、分散(电源分散布置)的原则。特高压电网抵御灾害性天气和网络攻击的能力是特高压电网安全运行的要害。(9) “坚强的国家电网”对交流电网的规模必须有所节制，交流同步联网的效益随着同步电网的扩大而逐渐消失。(10) 迫切需要研究3S系统EPS/ICS/MCS相互依赖性的安全风险评估方法。至今，用于评估电力系统EPS/ICS/MCS系统同时或相继发生故障的安全风险评估还没有一个整体的方法，迫切需要应用复杂交互系统与分布式人工智能的相关理论来应对电力系统的不断扩展所带来的复杂性，发展新的电力系统安全性评估理论。近年来，智能电网技术在国际上引起了行业内外的广泛关注，这实际上是电力行业为电网现代化长期酝酿的技术革命正在出现突破的重要标志，也成为构建21世纪新型现代化电网的重大战略。4. 第3篇（第8~12章）本篇以1/3的章节从概念到实现，从国外到国内全面地论述了智能电网的基本理论和实践，其中特别详细地分析和提出了中国智能电网的实现——挑战、问题和行动。重点论述了智能电网是降低大电网脆弱性、提高生存性的根本战略； ICT及一体化通信基础设施是智能电网实现的根本保障； 整合多种分布式发电资源的基础——微型电网； 积极关注和跟踪国际上智能电网研发的新进展。提出中国必须将智能电网的建设和发展上升为国家行为； 要清醒地认识智能电网的竞争环境和对中国智能电网的展望。重点论述了如下几方面。1) 坚强的国家电网仅靠特高压、超高压端的巩固难以确保“坚强”智能输电网仅仅是智能电网的一个环节，智能电网要解决的问题远远超出电网智能控制本身。一个“坚强的国家电网”仅靠特高压、超高压端的巩固是不够的，也难以确保“坚强”，必须在低压用户终端同步发展和部署分布式能源和储能系统。过度强调只有特高压才是电网“坚强”的基础是不科学的，当然也是片面的，甚至会干扰科学推进中国智能电网的全面发展。2) 智能电网服务于终端用户才是建设智能电网的终极目标智能电网的使命就是让需方在主动参与电力供求调整的行动中获得节能、创能和储能的经济和环保效益，实现“缔造舒适空间”、“经济性、节能性、环保性”兼顾的终极目标。智能电网的导入无疑地将会为供需双方以致社会带来巨大效益。智能电网最终要服务于终端用户，这才是建设智能电网的终极目标，而不是仅服务于上层的大电网。作者强调，要将“智能民用”和“环保智能”观念作为智能电网建设的重要指导思想，这对保证智能电网最终取得预期的节能效益、环保效益，以致改变能源消费结构和减少对传统化石燃料的依赖具有重要的影响。3) 从美加“8·14”大停电和互联网的成功模式吸取教训和经验美加“8·14”大停电的教训再一次警告人们，仅仅凭借电网自身的能力，即便采用更高的电压等级，釆用更多的先进技术设备，也无法确保供电安全。灾害性天气和外部攻击都可能随时导致电力系统瘫痪。我们能做的就是控制同步电网规模，发展分布式发电和微电网，采用分布式的智能控制手段。① 以国家骨干电网为顶层的金字塔式的由上至下的电力系统无法满足现代社会对电能品质、供电安全和能源利用效率以及温室气体减排的要求，更无法满足人们对被宣传得“有百利而无一害”的对建设智能电网美好愿望的期盼。只有通过实施更有效的需求侧管理，建立各种各样的分布式能源系统，发展包括储能系统在内的智能化的微电网，调动更多的市场主体以及更多能源消费者的积极参与，从用电终端响应获得供电安全和提高能效，才可能从根本上解决电力系统的安全性、生存性和可持续发展等难题，才能较快地实现人们对智能电网美好愿望的期盼。② 互联网的成功模式正在成为全球化能源战略的一种选择。如今IBM“大型计算机+专用电缆+终端”构筑的金字塔模式被彻底摒弃，“PC+网络+数据包交换”构筑的扁平化互联网模式的成功给予能源从业者极大的启示。分布式能源系统，正如同PC； 多层次电网，正如同局域网、城域网、无线网、国际互联网； 各用电、配电、供电和发电设备之间的信息互动，正如同数字信息包交换。人类能否在电力系统，乃至整个能源系统上再次复制互联网的成功模式，以此解决电力供应的安全和实现可持续发展，正在成为全球化的能源战略选择。对照世界上这种能源战略选择，明显地看出，建设“坚强智能电网”决不能走已被彻底摒弃的“IBM金字塔模式”， 中国建设智能电网要顺应世界潮流，走互联网扁平化的成功模式。4) ICS/MCS网络安全性是智能电网得以生存的竞争环境的基础 智能电网要成功地部署，物理安全和网络安全必须共同成功，否则两者都将失败。为此，国家必须要对智能电网的物理安全和网络安全制定明确的法律、法规，为智能电网，特别是其重要支撑的ICS/MCS的生存性开拓一个良好的竞争环境。5. 第4篇（第13~15章）在国务院领导的重视和关心下，2011年6月以来，中国电监会、国家能源局和中国国际工程咨询公司的主要负责人先后多次召开了持有不同意见的各方学者、教授、专家和院士参加的关于特高压发展的座谈会。深谙唐史的读者曾向我提出，应该按照宰相魏征回答唐太宗所问时的回答“兼听则明，偏听则暗”的祖训，真实地介绍对特高压电网建设争论和质疑更全面的情况。为此，第4篇反映了包括作者在内的各方人士在座谈会上严肃、认真、负责地发表的观点和建议，全面地综述了中国资深专家、学者、教授和院士对中国建设一个安全、高效、节能、可持续发展的现代电网和对科学制定中国大电网的发展战略提出的深刻见解和思路。第4篇主要分析了中国电网发展战略面临的问题； 解析了中国制定电网发展战略规划的基础和环境； 指出国内外大电网发展的实践从来也不存在“电网容量增加1倍，电压上1个等级”，也不存在“电网的同步互联扩大是世界电网技术发展的总趋向”这样的规律； 提出优先开发本地可再生资源是资源优化配置的最好策略。重点从理论和已投运的特高压交流输电线路的运行实践两方面论述了特高压交流输电线路的实际送电能力和建设“三华”特高压同步电网的安全性和经济性问题。理论和运行的实践都证明： 如果没有中间超高压电网的支撑，那么交流特高压输电5000MW的安全稳定距离约300km，与中国远距输电平均1500km的要求相差甚远。即使采用电容串补线路电抗到极限（60%），输电距离也不能超过400km。这些来自静态稳定极限的推论已经被晋东南示范工程的现场录波所证实。综合研究认为，构建国家异步互联电网是中国现代电网发展战略的最佳选择。为保障国家异步互联电网的安全，提升受端区域电网接受远距离外来电力的能力，必须采用称为电网技术革命里程碑的FACTS技术和导入未来直流输电发展方向的VSC?HVDC输电技术。制定中国大电网的战略规划，应该认真研究和借鉴国际、国内大电网事故和电网规划设计的教训，防止重蹈覆辙。阅读第4篇请关注下列各点： 首先，中国大电网发展战略规划必须要突破以往单纯地走根据GDP增长目标确定电力增长的弹性系数从而决定电力增长目标的老套路以及重数量轻结构、重输电轻配电的简单粗放的思维模式，而要从国家能源战略的大框架来研究中国电力发展结构调整的战略目标。战略研究要正视中国是个发展中国家的基本国情，要有足够的前瞻性和客观现实性，既要保证国家经济社会转型发展需求，又要切实承担国家CO2减排重担，量力而行、中等适用，要用电力发展的有限资金支持低碳、高效、安全、可持续发展的电力结构调整的战略目标的实现。当前中国电网规划的制定，不仅缺少新能源等资源的长远发展规划的配合，更严重的是没有电源总体发展规划这一“龙头”的引领，使中国电网规划的制定失去科学可持续发展的稳固基础。今后20年，中国人均电力规模也将达到一些发达国家水平，一些地区甚至进入电力发展的饱和阶段，同时随着复杂性的增加和脆弱性的扩散电网发展进入安全敏感期，并面临向低碳经济模式转变的挑战等。在这样一个特殊的电力发展阶段，只有确立一个正确的战略思维，中国电力才会有强劲的后发优势，赶超发达国家的目标才可望可及。其次，中国新能源大发展必须与电网规划相协调，才能实现新能源产业的可持续发展。优先开发本地可再生资源是全国范围内资源优化配置的最好策略。电力规划中应统筹考虑省内、区内、跨区电力资源优化配置问题。省内、大区内资源优化配置损耗较小、实现较容易，应优先考虑，并作为跨区电力资源优化配置的前提和基础。世界正处于关于能源产生、交易和消耗方面的革命边缘，未来电网所涉及的问题是如何彻底改造现有的电网，使之成为清洁能源有效流动的主干网络，可以灵活方便地提供接入，成为能够集中各种能源的高效网络； 以用户消费为终点的传统价值链将结束，一个可接纳分布式能源（主要包括分布式发电、储能和电动汽车）的新价值链正在形成。未来电力系统的负荷将随着发电的变动而调整，未来电力消费者和电力生产者的界限将逐渐模糊，这些使得电力系统的规划、建设、运行都更加经济、环保。第三，在第15章中，论述了世界互联电网的发展及安全现状。警示人们，同步电网不是电压愈高、容量愈大愈安全，同步电网的规模必须有所节制。随着世界性能源危机的逼近和人类对能源需求的不断增长，人们对新能源寄予了巨大的希望。同时，为了优化利用资源，保护环境，智能电网应运而生。因此电网的发展，包括将一些电网互联成更大系统仍将是现代电网的发展趋势。但是，从世界范围内来看，目前电网间实施同步互联的发展趋势已经受到安全、经济和环保等条件的制约。扩大同步互联电网的规模已不再是21世纪电网发展的趋势。而大电网间异步互联已成为电网发展的主流。同步电网规模愈大、电压愈高、电压等级愈多，复杂性网络特征愈显著，脆弱性扩散更严重，发生连锁性大停电事故的概率愈大，一旦发生事故后果十分严重。2003年美加“8·14”大停电就是典型的复杂大电网“自组织临界性”特征引发的必然结果。复杂大电网的复杂性网络特征已成为当前世界各国制定电网发展模式时考虑的主要因素。1965年以来，世界上大电网共发生重大停电事故(损失负荷大于8000MW)21次，发生这些重大停电事故的内在驱动力本质上几乎都是由于电网结构复杂性的增加和脆弱性的广泛分布引起的。IEEE 可靠性学会在2009年公布的年度技术报告(Annual Technology Report)中分析了美国?加拿大联合电网、欧洲电网及世界其他各国电网1965—2009年的45年间发生的128次重大停电事故，以及维基百科公布的从1965—2011年的47年中世界上发生的151次大停电记录，可以看到： 1965—1995年的31年间共发生停电事故13次，平均0.42次/年； 1996—2000年的5年间发生16次，平均3.2次/年； 2001—2005年的5年间发生27次，平均5.4次/年； 2006—2010年的5年间发生77次，平均15.4次/年。很明显，自1995年以后世界重大停电事故急剧上升。重大停电事故急剧上升的背景正是同步大电网规模的无限制扩张和地球气候环境的恶化，而后者正是通过无限制地扩张的大电网的复杂性和脆弱性起作用的。为了减小同步电网的规模，以降低复杂性和脆弱性，2008年美国EPRI和DCI互联公司研究了美欧多次重大停电的教训，建议实施改造旧电网的“绿色计划”，采用“电网分割技术”， 减小同步电网的规模。规划将美国东部电网(7.55亿kW)用直流分隔为4个规模较小的同步区。这样还可以简化EPS/ICS/MCS结构的复杂性。第四，要清醒地认识到现代电网遭遇一些不确定性干扰事件时，MCS无法进行识别而失灵。第五，从日本大地震引发的核电站事故重新审视国家能源政策和电网发展战略。安全（稳定供应）、经济性、环保性这3个要素的平衡一直被视为能源政策的基础。而核电曾被认为满足这3个条件，但核电事故、放射性物质泄漏导致核电的安全担忧越来越严重，社会可接受性已经受损。如果核电站难以挽回信任，3个优点也就随之消失。今后，社会将以怎样的形式接受核电，抑或是不再接受，各国不得不重新审视国家的能源政策。随着日益增长的需求和能源的消耗以及地球环境的变化，从长远看，人类最终还得依靠核电。核电在安全性方面受到质疑的一个重要原因就是，其卸出的核废料将在上万年内具有放射性，在这么漫长的衰变历史当中，其时刻威胁着地球上的所有生命。要解决这种威胁必须依靠创新技术，而行波堆（traveling wave reactor）的发明将可能实现这样的愿景。第六，对于电网发展来说，并非只是对传统发展方式的修补升级就能适应上述变化，而是要求对电力传输技术与运行方式进行重大变革。新技术、新设备、新方法的出现，如电力电子技术、FACTS技术、第三代电网操作系统GOS3.0(即新一代的分布式的智能控制系统)和分布式能源以及基于电压源换流器的新型直流输电技术(VSC?HVDC)、高温超导输电等，将会提高现有电网的效率、电能质量和安全性，特别是可以发展一种新的电网体系结构，而完全没有必要采用传统而“笨重”的特高压交流输电技术。这将为国家提供一个有安全保障的、全新的，在电力传输和市场运营方面都具有高效率、高质量的现代化电网。第七，中国积极推进特高压输电系统的建设已经产生有意义的重大影响。中国第一条晋东南—南阳—荆门交流特高压工程，从前期工作开始至建成投运仅用了4年，从工程核准到正式投运仅28个月； 设备国产化率达90%，设备运行基本正常。这是一个巨大的工程技术成就，说明中国已拥有世界一流的科研开发人才，形成了强大的设计、制造和建设能力。同时，特高压远距离输电工程的实施，促进了中国电力科研基础设施及其装备的更新和现代化。特别是更加有力地促进和推进了中国信息通信网的快速高效的发展、完善和提高，为中国现代电网向新一代电网的过渡打下了关键性的坚实的基础。但是，特高压问题是涉及上万亿元的重大工程项目，其中交流特高压的投资额约占2/3。尤其是对于建设一个全新的、覆盖占中国GDP 70%的经济核心区域的交流特高压“三华”电网这样的复杂的系统工程，更需要充分听取来自运行、设计和科研等各方面专家的宝贵见识和建议，这是正确决策不可或缺的重要方面，而国家电网公司主要承担电网建设和安全运行的职责，更需要来自与其利害不相关的各方正确意见的补充。专家们研究分析得出的建议方案表明： 在同样满足国家2020—2030年国民经济发展需求的条件下，按照国家“十二五”规划纲要提出的“完善区域主干电网”、导入先进的直流特高压远距离输电技术，建设以现有6大区域超高压电网为基础的全国异步互联电网，比建设“三华”特高压同步电网至少节约投资3000亿元人民帀； 而且，“三华”特高压同步电网发生连锁性大停电事故的概率要比异步互联的超高压区域电网发生同样事故的概率高约15倍。五在这里，我要郑重申明，在攻克复杂电网动力学特性、掌控大电网连锁性事故规律及大电网安全性难题的过程中，在对现代电网FACTS技术开发、电网自动化和控制系统以及智能电网等新技术的创新和发展应用中，卢强院士、韩英铎院士、周孝信院士、杨奇逊院士、余贻鑫院士、韩祯祥院士、薛禹胜院士、李立浧院士、曹一家教授、甘德强教授、王成山教授、梅生伟教授，以及浙江大学、清华大学、天津大学、中国科学技术大学、西安交通大学、上海交通大学、中国电力科学研究院等的一批学者做出了突出的贡献，并取得了可喜的成果。我很幸运地阅读和学习了他们的大作，并荣幸地在本书中引用了他们的研究成果。在此向他们表示衷心的感激。值得一提的是，作者在本书中论述的观点和见解，相当一部分来源于包括王仲鸿研究员、张育英教授级高工、曾德文教授级高工、蒙定中教授级高工、丁功扬教授级高工、黄英矩教授级高工以及不便具名的中国许多精通相关专业知识和具有丰富实践经验的资深专家、学者、教授和院士的研究成果和他们发表的文献资料。他们之中，不少已年逾70，甚至年逾90高龄，他们对个人的身边事一无所求。他们虽然年老但又十分年轻，他们对祖国怀有强烈的责任感和使命感，他们追求真理、尊重科学、孜孜以求、坚忍不拔。我为他们的崇高品德而感动，因他们的渊博知识而受益。我趁《现代电网的发展与安全》出版之际，再次向他们表示我的敬意。《现代电网的发展与安全》一书，有意保留了各章文字叙述略有引导性重复的特色，为的是保持每章都有相对的独立性，方便读者可以按照自己的兴趣，不按章节顺序进行阅读，以节约读者的宝贵时间。系统的复杂性理论是一个崭新的理论。作者对这一崭新理论的理解和应用有可能是不完善、不严密，甚至是不正确的。可喜的是目前国内外一些学者对该项研究已取得不少成果，并在此基础上对复杂性理论在电力系统领域的应用进行了更深入、更广泛的研究。笔者希望本书的出版能起到抛砖引玉的作用，引起更多的学者，特别是现代电网的科研人员、规划设计人员和调度运行人员对复杂电力系统安全性理论的兴趣，进而推进该理论在电力系统领域的实际应用，促进现代电网沿科学轨道健康发展，确保中国大电网的安全。
2012年2月4日于北京方庄
图书目录
绪论把握复杂大电网动力学规律指导电网发展与安全
0.1难以驾驭的异象
0.2破解“难以驾驭的可怕异象”
0.3系统理论家的突破——临界性理论的诞生
0.4临界性理论的测试
0.5“难以驾驭的可怕异象”还在世界游荡
0.6人类创造了一个难以驾驭的电网，但人类一定能再用智慧驾驭它
第1篇现代电网发展概述
第1章现代电网总体概念
1.1电力系统现代化发展的历程
1.2狭义和广义的电力系统概念
1.3广义电力系统安全性面临的挑战
1.4竞争的电力市场条件下的电网可靠性和安全性
第2章美国、欧盟建设现代电网的战略
2.1美国电网概况
2.2近年来美国电网的安全性令人担忧
2.3美国政府关于建设现代电网的战略决策
2.4GRID 2030： 21世纪电网现代化的纲领
2.5能源政策法案是美国建立现代电网的法律保障
2.6以开发可再生能源为主的欧盟发展大电网的战略
第3章中国有关各方对发展现代大电网策略的陈述
3.1中国电网现状
3.2中国政府及电网公司对大电网发展战略的陈述
3.3中国未来电网发展思路和可能的发展模式
第2篇现代电网安全性的相关理论及应用
第4章研究现代电网架构和安全战略的基础理论
4.1研究电网安全性的两种方法——还原论和整体论
4.2指导现代电网规划和安全运行的复杂系统理论
4.3电力基础设施脆弱性评估
4.4EPS/ICS/MCS的相关性
4.5现代电网风险评估和管理
4.6电力系统生存性评估
第5章现代电网的安全体系结构和安全性解决方案
5.1现代电网复杂性和不确定性风险特征是电网安全的最大威胁
5.2研究现代电网安全性的通用框架和体系结构
5.3应用HOT系统理论制定现代电网安全性解决方案
5.4电网安全控制的有效途径——智能自适应多代理系统MAS
第6章掌握连锁性事故动态特征与降低事故发生的风险
6.1电力系统连锁性事故发生的机理概述
6.2连锁性停电事故的发生、发展的过程和特点
6.3基于SOC理论的连锁性事故分析模型概述
6.4关于降低连锁性事故发生的风险研究现状
6.5减轻连锁性大停电事故损失的基本措施
第7章降低电力系统脆弱性，建设抗灾型电网
7.1自然灾害对电力系统的危害
7.2人为攻击对电力系统的破坏
7.3特高压电网抗御自然灾害和外来攻击的能力最脆弱
7.4合理的电网/电源结构是建设抗灾型电网的基础
7.5降低电力系统脆弱性的管理策略
第3篇中国智能电网的实现——挑战、问题和行动
第8章智能电网是降低大电网脆弱性、提高生存性的根本战略
8.1智能电网发展的背景及发展优势
8.2智能电网的相关概念
8.3推动智能电网实现的5项关键技术
8.4国外智能电网发展简况
8.5中国将成为推进智能电网技术创新的助推器
第9章ICT及一体化通信基础设施是智能电网实现的根本保障
9.1ICT的应用是构建智能电网的必备基础
9.2通信一体化技术对智能电网实现的重要性
9.3几种主要通信技术及其在智能电网中应用的前景
第10章整合多种分布式发电资源的基础——微型电网
10.1微型电网产生的背景
10.2微型电网的相关概念
10.3微电网是智能电网发展最重要的领域
10.4国外微电网研发的概况和典型工程案例
10.5微电网在中国的应用前景与面临的挑战
第11章积极关注和跟踪国际上智能电网研发的新进展
11.1现有的和新兴的通信、监测和控制技术
11.2国际智能电网标准化的进展
11.3IECSA： 未来智能电网的体系结构
11.4全球开创性智能电网项目概述
11.5研发中的困难和尚待解决的问题
第12章中国智能电网实现中的问题和展望
12.1智能电网的建设和发展必须上升为国家行为
12.2清醒地认识智能电网的竞争环境
12.3中国智能电网的实现和展望
第4篇中国大电网发展与其安全战略的科学抉择
第13章中国电网发展战略规划的基础和环境问题简析
13.1“十二五”国家规划纲要关于能源发展的规划及发展方针
13.2中国制定电网发展战略规划的基础和环境
13.3资源优化配置和新能源利用是现代电网发展战略的重要基础
13.4水电是应对气候变化和实现节能减排的首选
第14章特高压远距离输电的理论和实践
14.1高电压交流输电是20世纪最重要的工程技术成就
14.2特高压交流输电线路送电能力的理论和实际运行分析
14.3EHVDC和UHVDC是远距离大容量输电的优选方案第15章构建国家异步互联电网作为国家电网骨干网架
15.1国内外大电网发展趋势的演变
15.2构建国家异步互联电网是中国现代电网发展战略的最佳选择
15.3FACTS是构建国家异步互联电网的关键技术
15.4VSC?HVDC输电必将成为未来直流输电的发展方向
参考文献后记[1]