構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的設(shè)想

／中國電力科學(xué)研究院 周孝信／

一、新能源革命與電網(wǎng)使命的變化

以可再生能源逐步替代化石能源，實(shí)現(xiàn)可再生能源和核能等清潔能源在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占更大的份額，建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，是新能源革命的主要目標(biāo)。

在新能源革命的條件下，電網(wǎng)面臨著新的使命：

① 電網(wǎng)將成為大規(guī)模新能源電力傳輸和分配的網(wǎng)絡(luò)；② 與分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能源綜合高效利用系統(tǒng)有機(jī)融合，成為靈活高效的能源網(wǎng)絡(luò)；③ 具有極高的供電、供能可靠性，基本排除大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)；④ 與信息通信系統(tǒng)廣泛融合，建成電力、能源、信息綜合服務(wù)體系。

二、三代電網(wǎng)的發(fā)展歷史和主要特征

① 第一代電網(wǎng)（20世紀(jì)初到20世紀(jì)50年代），其特點(diǎn)是小機(jī)組、低等級(jí)輸配電電壓（220kV及以下），小電網(wǎng)。② 第二代電網(wǎng)（20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)末）的特點(diǎn)是：大機(jī)組、超／特高壓輸電，大型互聯(lián)電網(wǎng)。③ 第三代電網(wǎng)（21世紀(jì)初到21世紀(jì)50年代）是在新能源革命的條件下，在解決環(huán)境和能源問題驅(qū)動(dòng)下電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)型，其特點(diǎn)是清潔能源發(fā)電占比有望超過60%～70%，骨干電源與分布式電源結(jié)合，大型主干電網(wǎng)與局域電網(wǎng)及微網(wǎng)結(jié)合。第三代電網(wǎng)支持大規(guī)模新能源電力、大幅度降低電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，廣泛融合信息和通信系統(tǒng)，是電網(wǎng)的智能化和可持續(xù)化的發(fā)展階段。目前正處于從第二代電網(wǎng)向第三代電網(wǎng)過渡的階段。

三、構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的設(shè)想

我國國民經(jīng)濟(jì)和能源電力發(fā)展面臨嚴(yán)峻形勢。2014年我國碳排放占全球總量29%，位居世界第一，化石燃料污染造成的霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重，急需大規(guī)模、高比例開發(fā)利用可再生能源；截至2014年底，我國風(fēng)能、太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.2億千瓦，但發(fā)電量僅占總量3.2%，仍然難擔(dān)大任。我國總體能源利用效率低下，綜合能源效率不足40%， 2013年單位GDP能耗是世界平均水平的1.8倍，亟需大幅提高能源綜合利用效率，減少能源消耗的總量。電網(wǎng)承受波動(dòng)性可再生能源電力的能力受限，電網(wǎng)對大規(guī)模、高比例風(fēng)電等可再生能源的消納仍然未找到經(jīng)濟(jì)有效的解決途徑，需要尋求綜合的解決方案。

新一代能源系統(tǒng)是以電力為中心，以電網(wǎng)為主干，各種一次、二次能源的生產(chǎn)、傳輸、使用、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置，以及信息、通信、控制和保護(hù)裝置直接或間接聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)。構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的目標(biāo)是最大限度地開發(fā)和利用可再生能源，最大幅度地提高能源綜合利用效率。新一代能源系統(tǒng)是新形勢下第三代電網(wǎng)的概念向綜合能源系統(tǒng)的擴(kuò)展。

與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)比較，新一代能源系統(tǒng)的主要特征是∶ 實(shí)現(xiàn)可再生能源優(yōu)先、因地制宜的多元能源結(jié)構(gòu)；集中分布并舉、相互協(xié)同的可靠能源生產(chǎn)和供應(yīng)模式；各類能源綜合利用，供需互動(dòng)、節(jié)約高效的用能方式；面向全社會(huì)的平臺(tái)性、商業(yè)性和用戶服務(wù)性。建立以電力為中心、電網(wǎng)為主干的新一代能源系統(tǒng)需要克服我國長期存在的各類能源計(jì)劃單列、條塊分割，缺乏有效的能源市場配置等系統(tǒng)性缺陷。

四、重大科學(xué)和工程技術(shù)問題

構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)，需要重點(diǎn)研究解決源端、受端和傳輸?shù)囊幌盗兄卮罂茖W(xué)和工程技術(shù)問題：

① 源端（特別是我國西部）：大規(guī)模可再生能源的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化、消費(fèi)整個(gè)鏈條中的系統(tǒng)科學(xué)、能源轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存和綜合利用科學(xué)及相關(guān)工程科學(xué)技術(shù)；② 受端：各類分布式能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存和需求消費(fèi)中與電網(wǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、互補(bǔ)、綜合利用鏈條中的系統(tǒng)科學(xué)和相關(guān)工程科學(xué)技術(shù)；③ 傳輸：以電網(wǎng)為主干的新型輸電（輸能）方式和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的系統(tǒng)科學(xué)和新型輸電（輸能）方式的工程科學(xué)技術(shù)。

（1）構(gòu)建西部直流輸電網(wǎng)

構(gòu)建西部送端直流輸電網(wǎng)，將我國西部大型水電、風(fēng)電、光伏電源基地及火電基地聯(lián)結(jié)起來，實(shí)現(xiàn)各類電源資源的跨空間、跨流域優(yōu)化配置和補(bǔ)償調(diào)節(jié)，并通過大容量直流輸電線路與中東部交直流受端電網(wǎng)形成多點(diǎn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的遠(yuǎn)距離西電東送和北電南送。

（2）源端綜合能源電力系統(tǒng)

將棄風(fēng)棄光電量通過制氫或合成天然氣（P2G），將電網(wǎng)與燃?xì)夤芫W(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)能量規(guī)模轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存。風(fēng)電、煤電、高耗能（如電解鋁）組網(wǎng)的綜合利用系統(tǒng)，以及風(fēng)光電、儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、供熱、供電綜合利用系統(tǒng)。

（3）受端綜合能源系統(tǒng)

對受端不同供能系統(tǒng)進(jìn)行整體上的協(xié)調(diào)、配合和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)用能效率最優(yōu)、促進(jìn)可再生能源規(guī)模化利用、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。發(fā)展區(qū)域綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，將受端的供電、供氣、供熱／冷系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，提高能源綜合利用效率，保證供能系統(tǒng)安全性和自愈能力。

五、以“互聯(lián)網(wǎng)思維”審視傳統(tǒng)電力系統(tǒng)

“互聯(lián)網(wǎng)思維”體現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)方式上的理解主要有兩點(diǎn)：即生產(chǎn)要素配置的去中心化和生產(chǎn)管理模式的扁平化。基于互聯(lián)網(wǎng)的開放、平等、協(xié)作、分享精神，各種系統(tǒng)生產(chǎn)要素配置的主要形式是去中心化，是分布式的；企業(yè)的管理也會(huì)從傳統(tǒng)的多層次走向更加扁平、更加網(wǎng)絡(luò)化。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中各類一次能源發(fā)電和分散化布局的電源結(jié)構(gòu)（骨干電源為主）通過大規(guī)模互聯(lián)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，連接千家萬戶使用，具有天然的網(wǎng)絡(luò)化基本特征。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用戶用電早已實(shí)現(xiàn)“即插即用”，電力用戶不需要知道其所用電是哪家電廠發(fā)出的，只需根據(jù)需要從網(wǎng)上取電，具有典型的開放和分享的互聯(lián)網(wǎng)特征。這是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)經(jīng)過多年奮斗才得以實(shí)現(xiàn)的理念（大規(guī)模科學(xué)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算）。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不支持多種一次、二次能源相互轉(zhuǎn)化和互補(bǔ)，不支持高比例分布式清潔能源電力的接入，綜合能源利用效率和可再生能源利用率的提高受限。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的集中統(tǒng)一的管理、調(diào)度、控制系統(tǒng)不適應(yīng)大量分布式發(fā)電及發(fā)電、用電、用能高效一體化系統(tǒng)接入的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的市場支持功能，不適應(yīng)分散化布局用戶能源電力的市場化運(yùn)作。

六、以“互聯(lián)網(wǎng)思維”建設(shè)和改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng)

以“互聯(lián)網(wǎng)思維”建設(shè)和改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的三個(gè)層次：

① 多能源互聯(lián)互通，提高一次、二次能源的綜合利用效率，這也是新一代能源系統(tǒng)的目標(biāo)；② 借鑒互聯(lián)網(wǎng)及其擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)即插即用、能源路由器、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等對能源系統(tǒng)特別是分布式可再生能源、微網(wǎng)、用戶在能源生產(chǎn)、消費(fèi)、市場管理和服務(wù)的支持；③ 催生能源生產(chǎn)、消費(fèi)、服務(wù)的新業(yè)態(tài)和商業(yè)模式。

七、建議

① 新一代能源系統(tǒng)的核心目標(biāo)是最大限度地開發(fā)利用可再生能源、最大幅度地提高能源綜合利用效率；② 新一代能源系統(tǒng)應(yīng)以電力為中心，建立以智能電網(wǎng)為主干，涵蓋源端、受端和傳輸系統(tǒng)的智能能源網(wǎng)絡(luò)；③ 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)具有典型的互聯(lián)網(wǎng)特性，與信息互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步廣泛融合，以“互聯(lián)網(wǎng)思維”改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，是構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟；④ 構(gòu)建新一代能源系統(tǒng)需要大力推進(jìn)我國能源和電力體制改革，克服我國長期存在的各類能源計(jì)劃單列、條塊分割，缺乏有效的能源市場配置等系統(tǒng)性缺陷。