【国信证券】新型电力系统专题之电网设备框架梳理：主网投资有望迎来上行周期，特高压助力新能源大基地建设.pdf

2023-08-20

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1 电力系统介绍

电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。

发电厂将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，经过升压，远距离输送再负荷中心经降压在供用电设备使用，构成了动力系统，也称为广义的电力系统。通常将动力系统中涉及电气的部分，即从发电部分的发电机起，再包括输变电部分、用电部分和电力系统自动化部分合在一起，称作电力系统。

1000kV、750kV、500kV和220kV电压等级用于电力系统主干，110kV电压等级用于输电网和配电网的连接，35kV电压等级用于大城市、大企业的配电网和农村配电网，10kV电压等级用于配电网络，6kV和3KV电压等级用于高压电动机。

我国输电网的额定电压等级一般是500/1000kV，西北电网额定电压等级是330/750kV。

电压等级越高，同等距离下的线路投资和线路能量损耗越小，但是对电气设备的绝缘要求提高，导致电气设备投资增加。

一次设备是供电系统的主体，是用电负荷的载体，高电压或大电流是一次设备的主要特点，包括开关、变压器、电抗器、电容器、互感器、绝缘子、避雷器、直流输电换流阀及电线电缆等。

二次设备承担电力设备控制及电网自动控制、保护和调度功能，通过自动化技术实现人与一次系统的联系监视、控制，使一次系统能安全经济地运行，分为继电保护、安全自动控制、系统通讯、调度自动化、DCS自动控制系统等。

2 主要输变电设备市场分析

电力变压器：变压器是电力系统中重要的输配电设备，可以将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。变压器一般分成电力变压器、电抗器、换流变压器、平波电抗器和工业变压器。变压器基本结构主要包括铁芯、绕组、绝缘套管、油箱、储油柜、吸湿器、冷却器、分接开关、压力释放阀、气体继电器等。

穿墙套管是变压器的重要组件之一，其作用是把变压器的高低压绕组的引线引到油箱外部，不仅起着引线对地的绝缘作用，而且还起着固定引线的作用。运行中的变压器要长期承受工作电压、负荷电流以及在故障中出现的短时过电压、大电流。尤其是特高压的套管结构复杂，必须具有良好的热稳定性、能承受短路时的瞬间过热、具有极高的电气绝缘可靠性、高机械性能和可靠的密封性。

分接开关是变压器的关键核心组件，又称变压器绕组的抽头变换装置，即在变压器绕组的不同部位设置分接抽头，通过调换分接抽头的位置，改变其变压器绕组的匝数，最终实现对电压的调整。分接开关同时是变压器构成中唯一带负荷动作的组件，通过有载分接开关可以在不断电的情况下对电压进行调整，从而控制电力潮流方向，实现跨省跨区域远距离电力的传输。国际电工委员会（IEC）标准和中国国家标准强制性规定，35kV以上的电力变压器必须安装调压分接开关。

高压开关设备：指电力系统中电压等级在3kV及以上且频率不高于50Hz的户内和户外交流开关设备。高压开关设备主要用于电力系统（包括发电厂、变电站、输配电线路和工矿企业等用户）的控制和保护，是非常重要的输配电设备。按其功能和作用的不同可分为以下两类：

（1）器件及其组合：断路器、接地开关、隔离开关、重合器、负荷开关、分断器、接触器、熔断器及上述器件组合而成的接触器-熔断器（F-C）组合电器、负荷开关-熔断器组合电器、熔断器式开关、隔离负荷开关、敞开式组合电器等。

（2）成套设备：成套设备为将上述器件及其组合与其他电气设备（比如变压器、电容器、互感器、电抗器、避雷器等）在金属封闭外壳内进行合理配置和组合，并且具有相对完整使用功能的产品，比如金属封闭的高压开关柜、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）和高压/低压预装式变电站等。

上下游产业链：高压开关行业上游主要包括绝缘材料、外部协件、铜材、铝材、电气元件，产品应用的下游客户包含电网客户、电源客户、铁路电气化行业及工业客户。

电抗器：用于线路里的限流或限压，补偿高压输电线的容性电流或电压，从而起到稳定电网的作用。

电容器：电容器是静止的无功补偿设备。其主要作用是向电力系统提供容性无功功率，改善功率因数。采用就地无功补偿的方式，可以减少输电线路输送电流，起到减少线路能量损耗和压降、改善电能质量和提高设备利用率的重要作用。

静止无功补偿器（static var compensator，SVC）：由电力电容器和可调电抗并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，根据调压需要，通过可调电抗器吸收电容器组中的无功功率，来调节静止补偿输出的无功功率的大小和方向。这样就克服了电容器作为无功补偿装置只能做电源不能做负荷，且不能连续调节的缺点。静止无功功率补偿器有各种不同形式，常用的有晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器和饱和电抗器三种。

静止无功发生器（static var generator，SVG），又称静止同步补偿器，是指用自由换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿目的SVG可以作为电容器组用发出无功功率，也可以当成电抗器用吸收无功功率；可以连续发出感性无功功率和容性无功功率，补偿精度高；在补偿功率、补偿时间、有级无级补偿、谐波滤除、使用寿命等方面具备优势。

换流阀：直流输电工程的换流站实现了直流输电工程中直流和交流能量的相互转换；换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换。目前绝大多数直流输电工程采用晶闸管阀技术，但采用IGBT功率模块的柔性直流输电工程正处于快速发展当中。

继电保护：继电保护装置是当电力系统中的电力元件（如发电机、线路等）或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施的设备。继电保护是一个专业技术性非常强的领域，特别是高压电网继电保护不仅具有很高的技术门槛，还需要在高压电网领域中具有丰富的运行经验。由于技术门槛较高，产品市场份额基本上被国电南瑞、四方股份、国电南自、许继电气等少数企业获得。

互感器：互感器又称为仪用变压器，其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或1A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全，根据用途不同分为电流互感器和电压互感器两大类。

避雷器：是一种能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量、保护电气设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流不致引起系统接地短路的电气装置。避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

我国电网建设规模基本保持稳定，从细分工程来看，每年新增变流容量规模在10-11亿kVA之间，其中交流容量占90%以上。每年新建线路长度约5-6万公里，其中交流占比95%左右。

在交流工程中，随着我国城镇化发展和智能电网的建设，区域电网发展是建设主体。新建交流变电容量中高压线路（110kV和220kV）占55-60%，超高压（330kV-1000kV)占40%。新建交流线路中高压线路长度占比75%左右，超高压占比约为25%。

在直流工程中，80-90%为±800kV特高压直流

我国110kV及以上电压等级的输变电设备市场总规模为1400-1800亿元之间，其他电压等级的统计金额较小，仅为45-65亿元。

我国220kV及以上电压等级输变电设备设备技术壁垒高、各项测试要求严格，历史运行纪录对市场份额影响较大，品牌粘性强，行业集中度因此较高，各个细分品牌的市场竞争格局稳定。而110kV及以下市场格局更为分散，参与企业众多。

我国220kV及以上电压等级输变电设备产业的技术和资金密集程度高、研发和制造产能投入巨大，由于设备稳定安全关系到大电网的平稳运行和电力供应保障，因此市场格局常年较为稳定。

从细分产品盈利能力来看，变压器类由于产品类型、订单周期、细分市场差异较大，产品结构和生产周期的原材料波动对变压器产品均有影响。因此不同企业和不同年份的毛利率波动较大。开关类产品毛利率水平主要受到国网招标管理和产品结构的影响，2021年以来有向好趋势。特高压直流工程所使用的换流阀属于高端设备，供应企业集中，并且毛利率较高。

导线是指用于传输电（磁）能、信息和实现电磁能转换的线材产品，统称为电线电缆，又可分为裸导线和绝缘导线两种。

裸导线在发电厂、变电站中一般用于电气设备间的连接，也称为母线，主要作用是汇集、分配和传送电能。绝缘导线是一种用绝缘材料将导线包裹而成的导线，也称电缆，由导电线芯、绝缘层和保护层组成。电缆一般用于低压电器设备、照明装置、电工仪表、输配电线路的连接等。

我国电线电缆市场行业生产企业超过1000家，市场格局较为分散，产品毛利率也处于较低水平。

3 特高压设备市场分析

我国从20世纪80年代开始立项研究特高压输电技术。1994年，武汉高压研究所建成了我国第一条百万伏级特高压输电研究线段。从2004年底开始，我国集中开展大规模研究论证、技术攻关和工程实践。

2005年9月26日，第一条750kV输电试验线路(官亭—兰州东）示范工程投运。2007年6月，中国第一条1000kV交流输电线路晋东南—南阳—荆门示范工程开工建设，2009年1月6日投入运行。

2006年12月，云南广东±800kV特高压直流输电示范工程开工建设，并于2010年6月18日通过验收正式投入运行。2007年4月26日向家坝—上海±800kV特高压直流输电示范工程获得核准，2010年7月8日投入运行，工程在±500kV超高压直流输电工程的基础上，在世界范围内率先实现了直流输电电压和电流的双提升，输电容量和送电距离的双突破，标志着国家电网全面进入特高压交直流混合电网时代。

截至2023年7月，我国已建成特高压线直流线路21条，特高压交流线路17条。

2021年12月，国家能源局发布第一批”大基地“项目清单，风光总装机容量97.05GW。2022年2月，国家能源局发布第二批“大基地”清单，计划到2030年规划建设风光基地总装机容量约455GW，其中“十四五”规划建设装机约200GW，“十五五”规划建设装机约255GW。2023年4月，国家能源局在二季度新闻发布会上表示，第三批“大基地”项目清单近期已正式印发实施。

根据国家电网公司计划，预计2023年核准“5直2交”，开工“6直2交”，特高压直流核准量有望接近历史最高（2015年核准6条），开工量有望创造历史新高（2015年开工4条），2023-2025年特高压产业链有望拥抱新一轮景气周期。

2023年3月，国家电网特高压公司发布年度集中采购批次计划安排，特高压建设分公司预计分别在1/4/7/10月份完成共四批次集中采购招标。2023年以来，金上-湖北±800kV特高压直流、我国首个“风光火储一体化”陇东-山东±800kV特高压直流工程先后开工，哈密-重庆特高压直流项目于8月开工。

2022年1月，国家能源局在《关于委托开展“十四五”规划输电通道配套水风光及调节电源研究论证的函》中提出，为配套风光基地，以及水电、光热发电等电源建设方案，研究论证“十四五”规划的“三交九直”12条特高压通道。根据“三交九直”电源配套情况可知，一般1条特高压直流输电线路可送出约11-13GW新能源，同时需要配套约4GW火电。

第一批“大基地”全部就地消纳或通过存量特高压线路外送。根据第二批“大基地”清单，除上述9条特高压直流外送线路外，仍需至少新建蒙西外送、贺兰山至中东部、酒泉至中东部3条特高压直流外送线路，按照2025年200GW大基地项目投产估计，“十四五”我国特高压外送线路需投产12条。假设2030年其余255GW新能源大基地全部投产（其中165GW外送，90GW本地消纳），“十五五”我国特高压直流新增投产或在14条左右。

换流变压器直流输电系统由整流站、直流线路和逆变站三部分组成，换流变压器是直流输电系统中的关键设备，它和交流输电系统中的电力变压器一样，其主要作用是改变电压，传输电能。

但在直流输电系统中，换流变压器和换流阀共同作为交流和直流系统的接口设备，其网侧绕组连接交流电力系统，阀侧绕组连接整流装置，经平波电抗器与直流输电线路相连，在整流和逆变侧实现直流和交流的转换。由于其交直流整流及逆变换流的功能要求和耐受直流电压等特点，技术难度较大，是特高压直流工程中最关键的一次设备之一。换流变压器制造成本高、工艺复杂，工序作业多为手工操作，前道工序质量往往被后道工序所覆盖，质量控制具有较大难度。

直流输电系统由整流站、直流输电线路和逆变站 3 部分组成。送端交流电经换流变压器和换流阀变换成直流电，然后由直流线路把直流电输送给逆变站，经逆变换流变压器再将直流电变换成交流电后，送入受端交流系统。

特高压直流输电的核心设备包括：换流变压器、换流阀和平波电抗器。

换流阀是高压直流系统的核心设备，其主要功能是把交流转换成直流或实现逆变换，特高压直流输电中使用最广泛的是晶闸管换流阀。我国特高压直流工程单端（送端或受端）的正负两极各由2个12脉动换流器串联构成，每个12脉动换流器由交流侧相差30°的6脉动换流器组成，每个6脉动换流器由6个换流阀组成，换流阀的结构包括晶闸管级、阀组件阀模块及相关的均压阻尼和冷却部件。

电抗器在电网中的应用十分广泛，能够起到阻止电流变化的作用。

平波电抗器是高压直流换流站的重要设备之一，平波电抗器的主要作用有：（1）限制直流电流的突变，减小换相失败的可能性。（2）当直流线路故障时，在整流侧调节器的配合下，限制短路电流的峰值。同时，还可限制线路和装在线路端的设备的并联电容通过逆变器放电的电流。（3）和直流滤波器一起构成直流输电线路的谐波滤波回路，减小直流线路中电压和电流的谐波分量。（4）防止由直流开关站或直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，使换流阀避免遭受过电压损坏。（5）能平滑直流电流中的纹波，避免在低直流功率传输时电流的断续。（6）避免直流侧谐振。

高压组合电器是将两种或两种以上的高压电器，按电力系统主接线要求组成一个有机的整体，而各电器仍保持原规定功能的装置。GIS是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称，GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体。GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年，适合在66～1000kV电力系统中运行，在水电站、城网变电站和核电站中的应用也越来越广泛。

根据变电站一次主接线图，可将GIS的各种功能元件组成各种功能间隔，如变压器间隔、进出线间隔、母联间隔、TV/避雷器保护间隔等。

根据电规总院，我国1000kV交流特高压单个变电工程的造价限额为17.65亿元，其中设备购置费用参考值为12.9亿元；±800kV直流特高压工程单个换流站造价限额约为46.27亿元，其中设备购置费用参考值34.26亿元。

从国家电网历史数据分析单次招标项目的设备价值量占比，特高压交流工程的核心设备包括1000kV变压器(12%）、1000kV组合电器（25%）以及1000kV电抗器(8%)。特高压±800kV直流工程的核心设备包括换流变压器（47%）、换流阀（19%）、组合电器（5%），其他关键设备还包括直流控制保护系统（2.4%）。

我们预计2023-2025年我国特高压直流工程投运分别为0/3/6条，特高压交流工程投运3/2/2条，三年内投运总规模刷新历史最高水平。

根据设备分批交付的特点，我们展望2023-2025年我国特高压工程设备市场规模从2022年的141亿元（估算值）稳步增长至2025年的417亿元，直流特高压设备市场到2025年可超过300亿元。

核心设备包括1000kV变压器、1000kV组合电器、1000kV电抗器、换流变压器、换流阀、组合电器等。

4 配电网市场介绍

配电网连接并从输电网 (或本地区发电厂) 接收电力，就地或逐级向各类用户供给和配送电能的电力网络。根据配电网电压级不同，可分为高压配电网、中压配电网和低压配电网。高压配电网分为 110、63、35kV电压等级，中压配电网分为20kV、10kV 及6.3kV 电压等级，低压配电网分为0.4kV、0.23kV电压等级。

根据应用场景，配电网可分为城市配网和农村配网，城市配网具有负荷密集、供电可靠性和电能质量要求高、安全性要求高、自动化程度高、设备布局集约等特点，农村配网具有负荷分散、设备利用率低等特点。

随着分布式能源、储能、电动汽车等产业快速发展，对配电网规划设计、经济运行、自动化控制提出了更高要求。

配电网一次设备包括配电变压器、开关柜、柱上开关、智能电表、无功补偿装置等，二次设备包括配电自动化系统、监控系统等。

配电网一次设备电压等级较低，市场格局较为分散，且具有较强的区域属性。配电网二次设备涉及电网调度、控制、监控等关键功能，市场格局较为集中，优势企业基本同时从事输电网二次设备业务。

配电变压器通常安装在电杆上或者配电站中，一般能将电压从6-35kV降至400V左右输入用户，配电网使用最多的为三相油浸自冷式双绕组变压器。

按照绝缘材料区分，变压器可分为油浸式变压器和干式变压器，前者成本较低，广泛应用于各类户外场景或对安全性要求不高的场景；后者成本较高，主要用于密闭空间、关键基础设施等对安全性要求较高的场景。

按照铁芯材质区分，变压器可分为硅钢变压器和非晶合金变压器，前者广泛应用于各类场景，后者空载损耗低，主要用于农村电网等空载率较高的场景实现节能降耗。

成套配电装置的组合，是根据电力系统供电状况及使用场合与控制对象的要求，并结合主要电器元件的特点，确定一次接线单元的方案。按电压等级可分为高压成套配电装置和低压成套配电装置；按使用地点可分为户外式和户内式；按开关电器是否可移动，可分为固定式和手车式。

电能表根据发展历程可以分为感应式（机械式）电能表、普通电子式（多功能）电能表和智能电子式电能表三个阶段。

2020年以来，基于“双芯”模式的新一代物联表逐步开始推广应用，为远期用户侧能效管理、新能源接入等衍生功能提供可能性。

2022年我国国家电网智能电表招标数量达到6924万台，同比增长4%，中标金额达到256亿元，同比增长28%，创造2014年以来的最高值。智能电表（含用电信息采集）平均单台价值量在2020-2022年分别从250元/台增长到370元/台。

随着新一代物联表的逐步推广应用，我们预计未来2-3年单表价值量整体将呈现上行走势，招标金额有望稳中有增，但与此同时未来表计的更换周期也将相应延长。

配电自动化系统主要由主站、配电子站（可选）、配电终端和通信通道组成，通过信息交换总线实现与其它相关应用系统互连，实现数据共享和功能扩展。

配电终端是实现配电自动化的基础环节，通过对线路数据的分析判断达到故障检测、故障迅速定位从而实现故障区域的快速隔离，最终提高供电可靠性的技术手段。其中：馈线终端（FTU）用于配电网监控的馈线柱上；站所终端（DTU）用于开闭所及环网柜；配变终端（TTU）用于配电变压器；配电线路故障指示器（FLD）是应用在输配电线路、电力电缆及开关柜的进出线上。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）