王春亮，宋艺航

（1. 广东电网有限责任公司 佛山供电局，广东 佛山 528000；2. 华北电力大学，北京 102206）

中国电力资源与负荷分布呈逆向分布，电力资源主要分布在西部、北部地区，而负荷则主要分布在东部地区，由此造成中国电力工业供电成本高昂，风电消纳困难，输电损耗严重，电力投资臃肿等窘况。对社会而言，造成一系列负外部性效应，其提高了社会用电成本，降低了能源利用效率，也加剧了大气污染程度[1-2]。如何协调电力资源与负荷分布，实现电力资源的跨区域优化配置已经成为电力工业低碳化、可持续发展的关键问题。

传统模式下电力资源的跨区域配置主要依赖一次能源运输的模式实现，远距离输电技术的发展在一定程度上缓解了传统能源运输通道的压力，丰富了电力资源跨区配置的形式。中国正致力建设跨区域输电通道，强化区域间电网架构，通过区域间的发电置换优化清洁能源的利用水平，缓解受端区域发电排污压力。本文就中国电力资源与电力需求的分布以及跨区域资源配置的形式展开论述。

1 中国电力需求分布状况

近十年来，中国电力需求始终保持着增长态势。2012年，全国全社会用电量达到49 591亿kW·h，较2011年增长5.46%。电力需求的增速有所放缓，下降至近十年来的最低点，电力增速放缓主要受国际经济低迷、国内产业结构调整等因素的影响[3-4]。

1.1 电力需求总量分布

电力资源是经济发展的重要支撑，因此，中国各省市的电力需求水平与其经济总量水平相一致。经济总量越高的省份，其电力需求也相对较高，如图1所示。中国负荷中心与经济中心的分布基本吻合，主要分布在华北、华东以及南方地区。2012年，华北地区用电量为11 883亿kW·h，占全国用电量的24.0%；华东地区用电量为12 086亿kW·h，占全国用电量的24.4%；南方地区用电总量为8 343亿kW·h，占全国用电量的16.8%。然而，这些地区电力资源蕴藏量，尤其是煤炭资源，相对于其他区域而言并不丰富，需通过远距离的煤炭或电力输送来实现其区域内电力供需平衡。

图1 各地区用电量与国民生产总值的关系Fig. 1 Relationship between power consumption and GDP in different areas

1.2 电力需求增长分布

尽管中国电力需求主要集中在经济发达的省市，但从用电需求的增长率来看，用电增长较快的省份主要位于中、西部地区，这主要受中、西部工业快速发展的带动。各省的用电增长率分布如图2所示。

图2 2012年各地区用电增长状况Fig. 2 Electric power consumption growth rate in 2012 in different areas

2012年，在国家西部大开发政策带动下，西北地区电力需求增长11.6%，远高于其他区域，较全国平均水平高出6.1个百分点；华北、华东地区电力需求增速分别为4.9%与5.3%，较2011年回落6.7、5.3个百分点；华中地区与东北地区因高耗能产业生产规模有所下降，整体电力需求增长缓慢，增速分别为3.6%、3.1%；南方地区电力需求增速为6.4%，较2011年也有较大幅度下降。电力需求增速与电力需求量呈逆向分布，即电力需求增速与电力资源分布相对一致。国家高耗能产业转移的战略将在一定程度上降低电力资源供应与电力需求分布的不协调性，但基于区域间电力需求差距较大的现况，电力资源的跨区域优化配置仍是中国理顺能源-经济价值链的关键途径。

2 中国电力资源分布状况

中国发电的一次能源主要包括煤炭、水能、风能、核能、天然气、生物智能等。根据2012年中国各类能源发电装机状况，燃煤发电的装机容量占总装机容量的66.2%，发电量占总发电量的73.9%；水电装机容量占总装机容量的21.7%，发电量占总发电量的17.3%；风电装机容量占总装机容量的5.3%，发电量占总发电量的2.0%。煤电、水电、风电3种发电技术占了发电装机总容量的90%以上。因此，围绕中国煤炭、水能以及风能资源的分布论述中国电力资源的分布状况。

2.1 煤炭资源分布状况

燃煤发电机组在中国发电市场长期处于主导地位，尽管近年来燃煤发电机组装机容量占比呈下降趋势，但在2012年底累计装机容量仍达到66.2%，从发电量来看，其发电量份额更是达到73.9%。2012年，中国53.4%的煤炭资源用于电力生产，煤炭无疑是中国电力供应的核心资源，其主要分布在中国西部与北部地区。2012年，山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆地区煤炭产量达到26.8亿t，占全国煤炭产量的73.5%。相对而言，2012年以上5省的全社会用电量为6 683亿kW·h，仅占全国全社会用电量的13.5%。中国煤炭资源的供应与需求的地域分布存在比较严重的不对称问题，煤炭资源丰富地区绝大部分的煤炭均通过输煤或者输电的形式满足其他地区的电力消费需求。

为更直观地描述煤炭资源生产与消费地域分布的不一致性，借用基尼系数的概念，测算全国煤炭生产供应能力与电力消费需求之间的地域差异水平。按区域内煤炭产量满足当地电力需求的能力（煤炭产量/全社会用电量）对各省份由小到大进行排列，根据2011年统计数据，广东省煤炭产量对满足电力供应的缺口最大，其次是上海、天津，而山西省区域内煤炭产量对电力需求的满足能力最强；根据各省份排序的煤炭产量累计比例以及电力消费累计比例拟合出洛伦兹曲线，如图3所示。洛伦兹曲线与45°线之间的面积则为基尼系数。当煤炭产量的分布与电力需求分布完全吻合，即各省煤炭产量与电力需求呈线性正相关时，洛伦兹曲线将与45°线重合。若洛伦兹曲线大幅度偏离45°线，说明电力资源的供需存在严重的不均衡。

图3 煤炭与电力供需分布洛伦兹曲线Fig.3 Lorenz curve of the coal supply and power demand

假设第i省份的累计用电量为λi，累计煤炭产量为θi，那么根据基尼系数的计算公式，可以推导出煤炭与电力供需分布基尼系数的估算公式为：

结合图3的数据可以计算得出中国煤炭资源与电力需求区域分布的基尼系数为0.70，煤炭资源生产的区域分布与电力需求的区域分布存在严重的不协调问题，需通过资源的跨区域调度解决供需不平衡的困境。

2.2 水能资源分布状况

中国水能资源位居世界首位，水能资源理论蕴藏年发电量为6.08亿kW·h，平均功率6.94万kW；技术可开发装机容量5.42亿kW，年发电量2.47万亿kW·h；经济可开发装机容量4.02亿kW，年发电量1.75万亿kW·h，分别占技术可开发装机容量和年发电量的74.2%、70.9%。由于水电具有供应安全，成本经济的特点，在未来一段时间，水电项目仍将是中国电力工业建设的优先选项。

虽然中国水能资源丰富，但中国水能资源的分布也存在与电力负荷分布不协调的问题，须通过“西电东送”将清洁能源输送至东部地区[5]。从水电装机的区域分布结构来看，中国水电装机容量主要分布在华中与南方地区。截至2012年底，华中地区水电装机容量达到10 322万kW，占全国水电装机总量的41.5%；而南方地区水电装容量也达到7 889万kW，占比31.7%。而从水电的新增装机容量来看，2012年，新增水电装机容量1 551万kW，也主要分布在华中以及南方地区，分别占新增装机容量的54.5%、25.3%。与煤炭资源相比，水电装机的分布与中国电力需求的区域分布一致。

继续沿用基尼系数作为资源供需区域分布一致性的度量指标，图4为水电装机与电力需求区域分布的洛伦兹曲线，图5则为水能经济可开发量与电力需求区域分布的洛伦兹曲线。

图4 水电装机与电力需求分布的洛伦兹曲线Fig. 4 Lorenz curve of the installed hydropower capacity and power demand

图5 水能经济可开发量与电力需求分布的洛伦兹曲线Fig. 5 Lorenz curve of the economical exploitable hydropower and power demand

根据基尼系数计算公式可以计算出中国水电装机与电力需求区域分布的基尼系数为0.65，相对于煤炭资源与电力需求区域分布的基尼系数小，即水电装机的建设与电力需求的分布更加协调。然而这并不代表水电资源与电力需求分布更加协调，这只是基于电力需求分布优先开发负荷中心水资源的电力建设的效果。水能经济可开发量与电力需求分布的基尼系数为0.81，高于煤炭资源与电力资源区域分布的基尼系数取值。通过对比可知，水能资源的分布较之于煤炭资源与电力需求分布，其协调程度更低。

2.3 风能资源分布状况

中国风能资源丰富，从风能资源的蕴藏量来看，中国可开发的风能资源与美国相当，而又远远优于印度、德国、西班牙等风能资源比较丰富的地区。2012年，中国新增风电装机容量13.0 GW，累计风电装机容量75.3 GW，均位居世界首位。然而，随着中国风电产业的快速发展，中国风电的弃风问题也逐步凸显。2012年中国部分省份风电机组的年等效利用小时仅为1 400 h，远低于规划发电利用小时数，全国弃风电量达20 TW·h，因弃风导致的电量损失相当于700万t标准煤。在风电机组发电效率无法得到保障的情况下，发电商对风电投资态度也从积极转变为观望，这不利于风电产业的可持续发展。

中国风能资源主要分布在北部地区以及东部沿海地区，但基于开发条件、项目经济性的考虑，目前中国风电装机的开发主要集中在北部与东部地区[6-10]。截止2012年底，内蒙古自治区、河北省与甘肃省累计装机容量位列全国前三位，分别占全国装机容量的24.5%、10.5%以及8.5%，远高于其4.1%、6.2%以及2.0%的全社会用电比例。而用电需求最高的广东、江苏以及山东3个省份，其风电装机容量分别占全国装机容量的2.2%、3.1%以及7.6%，仅山东的风电装机容量与电力需求比较一致。风能资源分布与电力需求分布不一致是风电消纳困难的重要原因，风能资源丰富地区电力需求较低，缺乏足够的风电消纳能力，从而造成严重的弃风现象。

沿用基尼系数计算公式对风能与电力需求分布的一致性程度进行研究。图6为风电装机与电力需求区域分布的洛伦兹曲线，图7则为风能技术可开发量与电力需求区域分布的洛伦兹曲线。

图6 风电装机与电力需求分布的洛伦兹曲线Fig. 6 Lorenz curve of the installed wind power capacity and power demand

中国风电装机与电力需求分布的基尼系数为0.64，与水电机组的水平相当。然而风能技术可开发量与电力需求分布的基尼系数则达到0.87，均高于煤炭资源以及水能的相关水平。测算结果表明，风能资源与电力需求分布的一致性较差，加之风能发电具有不确定性，需要大电网进行消纳，这就要求风电扩大消纳的空间范围，除了实现风电本地的消纳外，还要通过输电线路将电能输送至负荷中心，实现风电的跨区域消纳。

图7 风能技术可开发量与电力需求分布的洛伦兹曲线Fig. 7 Lorenz curve of the technological exploitable wind power and power demand

3 跨区域电力资源配置状况

基于我国电力资源的分布现状与产业结构调整发展趋势，能源生产重心将进一步向西部与北部偏移，但是电力负荷中心仍将长期保持在中东部地区，能源流向的规模与距离可能进一步增大。从输送介质来看，电力的跨区域平衡主要包括输煤与输电2种模式。现阶段，中国电力资源的跨区域配置仍以输煤为主，但随着远距离输电技术的发展，输电的比例正逐步扩大。

3.1 输煤网络输送状况

中国已经形成了由铁路、公路与水路组成的煤炭运输网络。其中，铁路煤运量占总煤运量的70%左右，同时铁路煤炭运输量占铁路货运总量也达到40%左右。由于煤炭资源与需求中心的逆向分布，煤炭铁路运输形成了若干自北向南、由西向东的运输通道。

根据2011年铁道部印发的《铁路“十二五”发展规划》，到2015年，通过新线路的建设以及既有线路的改造，煤炭铁路运输能力将达到30亿t以上，基本满足晋、陕、蒙、宁、甘地区至华东、华中地区的煤炭运输需求。

煤炭公路运输主要集中在山西、内蒙古等煤炭产量较高的地区。从经济性的角度来看，煤炭公路运输并不适合远距离作业。但由于过去中国铁路运力不足，公路运输成为了煤炭铁路运输的重要补充。而近两年来，由于煤炭需求不足，煤炭价格持续走低，煤炭公路运输的压力减缓。

煤炭水运主要包括河运与海运2种模式。河运主要是通过长江或者运河将西部、北部的煤炭运往华东和沿途港口；海运则主要将北方中转港口的煤炭运往华东、华南沿岸的港口。

3.2 输电网络输送状况

在煤炭铁路运输紧张的形势下，加之特高压输电技术渐趋成熟，远距离跨区域输电已经成为电力资源跨区域优化的重要途径[11-12]。自从第一条特高压输电线路——晋东南—南阳—荆门1 000 kV特高压交付运营以来，中国正逐步形成纵横交错的交、直流特高压输电网络。

中国跨区跨省电力交易近年来一直呈现快速增长态势，其增长速度要高于全社会用电需求的增长速度，也就是说全社会用电量中跨区跨省供应的电力比例正逐步上升，输电模式在中国电力资源跨区域优化配置中的地位正逐步提高，见图8。

图8 2009—2012年跨区送电量Fig. 8 Inter-regional power transmission from 2009 to 2012

“十二五”期间，中国将进一步扩大特高压输电线路的建设。通过特高压输电技术的推广应用，形成以特高压电网为骨干网架的电网架构。在华北、华东、华中地区形成“三横三纵”的特高压主网架；在西北地区建设覆盖西北重要负荷中心及电源基地的750 kV电网；在南方地区形成“九直八交”的送电通道，促进云贵地区西电东送。

3.3 输煤与输电模式的对比

输煤模式与输电模式的比较是中国能源发展战略的热点问题，既有的研究对此问题观点迥异，但其比较主要是围绕经济效益、输送能耗、占地面积、环境效益等角度展开。

1）经济效益。输煤与输电的经济效益孰优孰劣受送端与受端煤价差、运输通道距离等因素的影响。在送端与受端煤价差固定的情况下，输电价格低于价差时优先输电，否则优先输煤。

2）输送能耗。无论输煤还是输电，在输送过程中都会产生一定的损耗，但其损耗形式有所区别。输煤损耗主要体现在煤炭运输过程的自然损耗，还有输送煤炭列车能耗；而输电损耗主要是输电设备与线路的电能消耗。煤炭的热值越低，输煤的能耗越高，输煤效率则相应降低。研究表明：煤炭热值低于5 300 cal/g（1 cal=4.186 8 J），应优先发展输电。以蒙东地区为例，其煤炭资源主要为褐煤，热值相对较低，应该优先就地转化，通过输电的形式将能源输出。

3）占地面积。输煤通道将直接占用走廊沿线土地，宽度约为40 m。输电模式下塔基及变电站的占地面积较少，但是输电走廊的用地性质将受到限制，而且输电通道沿线的电磁污染一直备受争议；如果将这部分备受争议的用地纳入输电线路的占地面积，那么输电模式的占地面积将是输煤模式的10～20倍。

4）环境效益。环境效益的对比可以从燃煤机组的节能效益、清洁能源的利用水平以及发电排污的承托空间三方面展开。

①燃煤机组的节能效益。输煤模式发电机组位于受电区域，而输电模式发电机组则位于送电区域，一般而言，送电区域水资源相对匮乏，机组为空冷机组，其煤炭消耗水平相对于水冷机组高5%～6%。从这一层面来看，输煤模式相对于输电模式更有优势。

②清洁能源的利用水平。水电与风电等清洁能源主要位于西部或者北部的送电区域。输煤模式并不能将清洁电能输送至受电区域，反之，通过输电模式构建跨区域输电线路可以扩大清洁能源的消纳范围，从而提高水电与风电的利用水平，减少弃水与弃风，促进西部、北部大型清洁能源基地发展。从清洁能源利用的层面，输电模式要优于输煤模式。

③发电排污的承托空间。与燃煤发电区域相对应，输煤与输电模式的温室气体与污染气体的排放区域分别位于受电区域与送电区域。位于电力受端的东部地区人口密集，经济发达，减排压力较大，东部地区排放温室气体、污染气体所造成的经济损失远大于西部地区。因此，从发电排污承托空间的角度，输电模式可以在一定程度上缓解受端地区的减排压力。

综上所述，输煤模式与输电模式互有利弊，其优势与劣势受空间、价格、污染等因素的影响。然而，输煤与输电并非零和关系，并非必须二选一。输煤模式在长时期内仍将是我国跨区域能源优化配置的重要途径，而输电模式可以扩大西部地区清洁能源的利用效率，降低受电区域的污染排放，是缓解输煤压力的有效补充。随着远距离输电技术的发展，输电比例将逐步提高。总而言之，输煤与输电是相辅相成的有机整体，只有协调发展输煤与输电，才能有效解决中国能源与负荷逆向分布的矛盾。

4 结语

中国电力负荷主要分布在东部地区，而主要的电力资源，如煤炭、水能、风能等则主要分布在西部与北部地区。电力负荷与电力资源的逆向分布造就了中国跨区域资源优化配置的必要性。

利用洛伦兹曲线描绘了煤炭、水能、风能与负荷分布之间的一致性程度，并借用基尼系数进行定量测算。研究表明煤炭、水能、风能的分布均存在较高程度的不协调。对比各类能源的基尼系数，首先煤炭分布与负荷分布相对协调，其次是水能，最后是风能。论述了输煤与输电2种资源输送途径的发展状况与发展规划。输煤与输电模式在经济效益、输送能耗、占地面积、环境效益等方面互有利弊。长远来看，两者仍将是中国电力资源跨区域配置的重要成分，但输电比例应有所提高。

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