基于自組織理論的我國智能電網可持續發展路徑研究

褚 燕，莊 峻

(1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.銳珂(上海)醫療器材有限公司，上海 201206)

基于自組織理論的我國智能電網可持續發展路徑研究

褚 燕1，莊 峻2

(1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.銳珂(上海)醫療器材有限公司，上海 201206)

基于自組織理論，構建我國智能電網的產業生態系統，并分析設計了基于功能區域劃分的智能電網可持續發展路徑選擇模式，進而對我國智能電網提出了區域性可持續發展建議。

自組織理論；智能電網；產業生態系統；可持續發展

區域經濟社會發展差異大，能源資源分布很不平衡，人均資源少，產業結構、消費結構、經濟增長模式及電源電網發展狀況等都有著自身的階段性特點。我國能源工業要實現可持續發展，可通過智能電網建設來轉變電網發展方式，進而促進能源開發、輸送和利用方式的轉變，以緩解我國日益突出的能源安全、效率與環境問題。

我國發展智能電網的驅動主要來自電力需求呈快速增長態勢、電力用戶對供電可靠性、電能質量及多元化服務的要求越來越高、可再生清潔能源開發力度不斷加大、整體網架結構相對薄弱，配電網自動化水平較低、以及電力行業自身可持續發展的需要。智能電網的發展，促進電網輸電效率和電能終端使用效率的提高，帶動水電、風能及太陽能等清潔能源規模化開發利用，據估算，到2020年，可減排CO213.8億t，節約標煤4.7億t[8]。 此外，智能電網建設在拉動我國經濟增長和勞動就業也發揮著重大作用。

智能電網是實施新的能源戰略和優化能源資源配置的重要平臺，提高能源利用效率，可實現清潔能源的大規模接入與利用，確保安全、可靠、優質的電力供應。因而，在考慮我國智能電網可持續發展路徑選擇上，將基于區域自然資源和能源資源稟賦，發揮區域比較優勢，因地制宜地促進智能電網的可持續發展。

1 自組織理論與可持續發展

自組織理論作為一種系統理論，其全新的理論體系和思維方法為人與環境問題的分析解決提供了研究框架，其主要研究對象是復雜自組織系統的形成和發展機制問題，比如生命系統和社會系統，研究這些系統在一定條件下，如何自動地從無序走向有序，從低級有序走向高級有序。

產業生態系統是一類自組織系統，具有多樣性、開放性和要素之間非線性關系等特征。自組織系統形成必須滿足三個條件：必須有三個以上的系統組成要素、要素之間呈非線性關系和系統具有開放性。因為自組織理論認為，復雜非均衡開放系統，與外界進行能量、信息和物質交換過程中，有可能通過眾多的系統基本組成要素之間的相互作用，在系統層次上自發形成高級的有序結構。高級有序結構的形成是由系統內部固有的特性和相互作用關系來決定的，不是由外在的設計所決定。因而，這種系統自組織演化的動力來源于系統內部各個子系統之間的競爭和協同，而不是外部指令。

產業生態系統達到自組織運作狀態或總體趨勢時，系統就達到了可持續發展。系統要素相互作用形成動態平衡態勢決定了自組織系統能否有序演化[1]。單獨的經濟發展或社會發展或生態持續都不是可持續發展，可持續發展是社會、經濟與自然的協調發展，其本質就是建立人與環境之間呈動態平衡態勢上的發展。產業生態系統呈多樣性特征，其是由自然、社會、經濟等多因素組成的復合系統，這些因素之間既相互聯系又相互獨立，既相互支持又相互制約，既相互作用又共同變化。產業生態系統的要素之間關系呈非線性特征，產業生態系統內自然、社會、經濟三個子系統的非線性關系組成為耗散結構，此外，由于該系統的開放性，作為負熵如資金、先進的管理思想方法等引入系統，子系統之間通過系統內的非線性關系發生協同作用，相互促進，相互配合，系統不斷從無序變為有序，從低級有序變為高級有序，使得系統具有來各子系統不具有的新功能，子系統間達到和諧一致的自組織狀態，產業生態系統進化到新的動態平衡，系統就達到了可持續發展狀態。

2 基于自組織理論的智能電網產業生態系統構建

產業生態系統是各類產業組織之間、產業組織與其外部環境之間通過相互作用、相互影響而形成的相互依存的動態平衡系統。產業生態系統是具有一定結構和功能的有序體系，是不斷演進的動態平衡系統，是具有自我調節機制的開放系統[2,3]。政府、電網公司、發電企業、終端用戶、裝備和服務供應商、協會和科研支持機構以及金融機構等利益相關方共同組成了我國智能電網產業的生態系統。

針對我國智能電網“政府主導，電網公司、發電企業、終端用戶作為實施核心，科研機構、設備與服務提供商、金融機構作為發展支撐”的產業格局，和新型清潔能源、儲能、電動汽車構建基于智能電網的良好產業生態系統，實現智能電網可持續發展。各利益相關方以智能電網為紐帶組成了一個完整的產業生態系統，該系統具有明顯的共生關系(見圖1)，其中政府、發電企業、電網企業和終端用戶處于主導地位，其對智能電網的態度與行動直接關系到智能電網能否順利推進，裝備和服務供應商、協會和科研機構和金融機構處于輔助地位，其可替代性和競爭性較強，但他們對智能電網的推進速度和發展質量具有一定影響。智能電網的可持續發展要求照顧到各方的利益，否則任何一方持消極態度都將阻礙智能電網順利發展。

圖1 智能電網產業生態系統

在我國智能電網產業生態系統中，政府處于核心支配地位，也是智能電網發展最大的受益者，須設計良好的生態系統運行機制和利益分配機制，既能促進智能電網的可持續發展，又能實現智能電網利益相關方的共贏，從而強化產業吸引力，形成集聚效應有助于其多項執政目標的實現；電網公司和發電企業是智能電網的實施主體，對于處于自然壟斷地位的電網公司，應加強規劃引導和行政監管，使智能電網建設想著全社會利益最大化的方向發展，而對于有限競爭的發電企業，應通過行政與市場相結合的手段，激發其開發利用新型清潔能源的積極性；但智能電網發展對其經濟利益的實現影響不明朗；終端用戶是智能電網的較大受益者，應加強節能和智能用電宣傳，加深用戶對智能電網便利性和經濟性的了解，擴大終端市場對智能電網的需求，進而由智能電網實現智能用電、深度參與電網互動和節約電費支出；裝備和服務供應商、協會和科研機構、金融機構均屬智能電網的支撐服務部門，其均可從智能電網發展中獲益，應在補貼支持的基礎上，充分引入競爭，提高支撐服務市場運行效率和成果產出水平，但這只是其收益的一部分，對其整體經營格局影響有限。智能電網的可持續發展有利于智能電網產業生態系統的發展壯大，也有利于各利益相關方的利益實現。

3 基于功能區域劃分的我國智能電網可持續發展路徑選擇模式設計

3.1 我國能源功能區劃分

基于能源功能區分類依據[4-6]，綜合考慮社會經濟發展、環境制約、能源資源、消費行為和用能技術和等多約束要素，設計基于能源功能區的智能電網路徑選擇模式。基于能源數量和流動情況，考慮經濟、社會、環境和技術等要素條件，可把我國劃分為以下五大區域。

第Ⅰ區為能源強輸入區。主要包括京津冀、長三角地區、福建、珠三角地區(廣東省)、廣西、海南和湖北，集中分布于我國東部地區。

第Ⅱ區為能源基礎輸入區。包括湖南和江西(中部)、山東和遼寧省(東部)，主要分布于我國中部和東部地區。

第Ⅲ區為能源供需平衡區。主要包括安徽和河南(中部)、貴州和甘肅(西部)，主要分布于我國中、西部地區。

第Ⅳ區為能源基礎保障區。主要包括重慶和云南(西南)、內蒙古和天津(華北)、青海與寧夏(西北)，主要分布于我國西南、華北和西北地區。

第Ⅴ區為能源強保障區。主要包括四川省(西南)、黑龍江和吉林(東北)，山西省(華北)，新疆和陜西省(西北)，集中分布于我國西南地區和“三北”地帶。

持續到21世紀中葉，電能消費仍集中分布于中國東部沿海經濟發達地區，電能對外依存度最高的區域也集中分布在該地區。而電能供給則集中分布在東北、華北與西北區，而電能對外依存度最小的省份也主要分布于此。

3.2 我國智能電網可持續發展路徑選擇模式

(1)能源強輸入區須注重電力能源結構優化與多元化

能源強輸入區以北京、天津、江蘇、上海、浙江、福建、廣東為代表，主要位于我國東部沿海地區，區位優勢顯著。由于能源強輸入區承擔著率先發展、輻射全國的重任，在我國經濟中占據主導地位，因而，保障該區域能源可持續發展是維持我國經濟穩健發展的基本前提。在該區里，煤炭資源儲量十分匱乏，但是新能源與可再生能源卻較為豐富，例如福建、江蘇、浙江、廣東與廣西五省位于沿海風能與太陽能豐富帶，且為中國核電重點布局區，且湖北省擁有十分豐富的水能資源；湖北、江蘇、廣東和廣西擁有較為豐富的可供利用的廢水與垃圾等非糧生物質資源。

屬于能源強輸入區的地區，著力構建可持續發展的智能電網時，需立足于本地優勢電力能源資源和區位優勢，服務于該區社會經濟發展長遠需求，要充分利用區外來電，加大本地新能源開發，加強智能電網關鍵技術研發和用電側智能化建設。其一，充分發揮本區資本與技術優勢，積極挖掘本地優勢電力能源資源潛力，最大程度地優化電源結構，不斷提升新能源發電比重，大力開發與利用風電、太陽能、核電等新能源和非糧生物質能等與可再生能源，增強本地電力自我保障供應能力；其二，充分利用中西部能源資源，加強建設“西氣東輸”和“西電東送”等通道，，加大用于電力調峰和應急備用電源的天然氣分布式電源和儲能系統建設，實現國內能源資源的優化配置；其三，由于本區聚集各類高端人才，充分利用本區的人才優勢，聚焦新能源服務產業，著力建設智能電網關鍵技術、裝備制造的研發基地；最后，本區的城鎮化水平50%以上，高于全國水平，且居民生活水平較高，互聯網普及度高，在大力推廣用戶側智能表計的基礎上，加強智能用電建設和需求側響應技術的應用，推動支撐電動汽車發展的電網技術，加強相應的示范工程建設。

(2)能源基礎輸入區屬于次強輸入區，須關注電力能源結構多元化和本地化發展

根能源資源稟賦狀況特，能源基礎輸入區主要分布于我國膠東半島、遼東半島環渤海灣地區及長江中游地區，擁有較豐富的可再生能源、新能源與非可再生能源。例如山東與遼寧有較為豐富的煤炭和油氣資源，太陽能、風能及非糧生物質能也較為豐富，遼寧有著較豐富的水能資源，山東卻較為缺乏，兩省且均有核電布局；湖南和江西擁有較豐富的水能、太陽能及非糧生物質能資源，較缺乏非可再生能源，不適宜開發風能資源。因而，該區的主要任務是實現電力能源資源的本地化和結構多元化。

在能源輸入區域，為實現東北與華北地區能源資源的優化配置，應加強建設能源管網與通道，促進華北與東北能源資源向本區域的有效流動；如果本地區具有較豐富的可再生能源與新能源、可再生能源，應積極開發具有比較優勢的太陽能、風能及非糧生物質能。此外，充分利用液化天然氣進口的有利區位，建設作為常規電源的滿足本地用電需求的燃氣電廠，鼓勵建設發展大規模儲能系統，在實現滿足本地電力需求自我供給的基礎上，逐步構建外向型電力供應體系。在能源輸入區域，如果本地區僅擁有較豐富的可再生能源，走本地化發展是保障該地區電能供應安全的關鍵，應著力于本地能源資源優勢，大力開發具有比較優勢的水電、太陽能和非糧生物質能，促進間歇式能源并網，發展大規模儲能系統，增強本地區電力供應安全，從而增強本地區電能可持續性。

(3)能源供需平衡區屬于電力能源自給自足區域，須關注電力能源替代與結構優化

能源供需平衡區分布于我國內陸，由于該區擁有較為豐富的可再生能源和非可再生能源，基本上能實現電力供需上自給自足，因而，該區電力能源的可持續發展核心在于優化電源結構，大力發展可再生能源和新能源發電，不斷提升清潔能源及可再生能源發電對火力發電的替代力度。

處于能源供需平衡區的地區的城鎮化率低于40%，城鎮化水平較低，經濟發展和居民生活質量水平較低。隨著該區域經濟發展，必然會帶來用電量的大幅提升。因而，實現該區能源可持續發展的核心是促進可再生能源與新能源發電替代火力發電，不斷優化電源結構，以解決電力能源可持續發展可能導致的能源生產與消費過程中的環境問題，保持該區域電力供應自給自足。根據所擁有的能源資源稟賦特點，處于本地區的省份需選擇依托具有比較優勢的太陽能、水能及非糧生物質能資源，加大可再生能源對煤炭非可再生能源的替代力度，大力發展太陽能熱利用、光電、水電等，不斷優化電源結構，實現大規模間歇式風能并網，發展大規模儲能系統，努力建設大型風電基地或大型光伏發電基地，在保障電力供應能力的基礎上，不斷提升電力供應質量。

(4)能源基本保障區屬于電力能源次強輸出區，作為區域電能安全緩沖區

能源基本保障區在我國電力能源供應體系中屬電力能源資源次強輸出區，其電力能源供給存在大量盈余，作為周邊區域電能的安全緩沖區。

能源基本保障區擁有較豐富的可再生能源或非可再生能源資源，挖掘所在該區的各省具有比較優勢的電力能源資源潛力，煤炭比較豐富的地區，不斷提高火力發電的電煤轉化效率，提高最大發電利用小時數，同時加強天然氣或水電的發電比例，提升新能源發電比重，如在內蒙古、青海和寧夏太陽能與風能資源十分豐富的地方，加強建設發展大型風電基地或大型光伏發電基地。因而，當前該區域需加強電力傳輸通道與管網建設力度，暢通該區電能外輸渠道，促進該區電能資源在周邊區域范圍內有效配置，更好地服務于周邊區域電力需求。

(5)能源強保障區作為電能安全保障區，屬于電能強輸出區

能源強保障區屬于電能凈輸出區，且電能外輸幅度最大，集中分布于我國“三北”和西南地區。該區作為國家電力能源基地和電力能源安全保障區。

能源強保障區是我國非可再生能源與可再生能源的大型供應基地，擁有十分豐富的新能源、非可再生能源和可再生能源資源。首先，積極開發水電、火電、光電，風電、因為該區擁有具有絕對優勢的水能、煤炭、太陽能、風能以及非糧生物質能源資源，等。如山西、陜西和新疆的煤炭資源均極為豐富，四川次之。其次，進一步挖掘非可再生能源資源潛力的同時，大力發展可再生能源發電并網，大力發展大規模儲能系統，不斷優化電力能源供應結構，實現非可再生能源與可再生能源的有序結合，提高本地新能源或可再生能源電能質量，快速增強本區域新能源或可再生能源電力對外輸送能力。在油氣方面，四川、新疆和陜西有著豐富的天然氣資源，黑龍江和吉林次之，均具有可用于發電的水能、太陽能和非糧生物質能資源均較豐富，且除四川之外，五省風能資源也十分豐富。第三，立足于更好地服務于我國電力能源的長遠需求，保證國家電力能源安全，該區應加強建設電力輸出管網與通道，發揮本地能源資源潛力，促進“三北”與西南的電力能源資源和電能資源向中、東部的有效流動，實現“三北”和西南地區電力能源資源和電能資源在我國各區域間的優化配置。

4 我國智能電網區域性可持續發展建議

我國智能電網的可持續發展必須充分考慮我國的區域差異性和各利益相關方的利益實現，致力于建立良好的產業生態環境。結合上述基于能源功能區的智能電網路徑選擇模式，對我國智能電網提出區域性可持續發展建議。

(1)能源強輸入區

能源強輸入區經濟發展水平較高，用電量大，但本區發電量較低，相當一部分電力需求需要區外輸入支持。此類地區的智能電網可持續發展應側重輸配側和用電側，并利用本地區的人才、技術和資金優勢，開展智能電網關鍵技術與設備研發，依托智能電網充分開發本地清潔能源，實現能源資源的本地化和來源的多元化。

(2)能源基礎輸入區

能源基礎輸入區經濟相對發達，用電量大，本區傳統化石能源和新型清潔能源儲量中等，在用電高峰期部分電力負荷需要區外支持。此類地區的智能電網可持續發展應側重輸配側和用電側，并充分挖掘本地新型清潔能源發電潛力，實現能源來源的多元化與能源供應的本地化。

(3)能源供需平衡區

能源供需平衡區能源資源比較豐富，經濟欠發達，用電量較低，電力供需基本可以達到區內平衡，但是本地區人口眾多，經濟發展潛力大，隨著區域經濟發展，電力需求有望大幅提升。此類地區的智能電網可持續發展應側重輸配側和電網結構優化，并不斷提升可再生能源對非可再生能源的替代力度，為今后用電需求提升做好準備。

(4)能源基礎保障區

能源基礎保障區的主要職責和功能是作為周邊區域電能的安全緩沖區，此類地區的智能電網可持續發展應側重輸電智能和新型清潔能源開發利用，為我國能源資源的大范圍調配提供通道保障。

(5)能源強保障區

能源強保障區能源資源十分豐富，其首要職責和功能是作為國家電力能源基地和電力能源安全保障區屬于電能凈輸出區，且電能外輸幅度最大，此類地區的智能電網可持續發展應側重發電智能和新型清潔能源大規模利用，保障我國現在及未來的能源安全。

5 結語

智能電網的可持續發展作為影響能源體系重塑的重要問題之一，可持續發展路徑是實現智能電網發展的重要途徑，良好的生態系統運行機制和利益分配機制，既能促進智能電網的可持續發展，又能實現智能電網利益相關方的共贏，從而強化產業吸引力，形成集聚效應，對提高智能電網的可持續性發展具有重要意義。

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(本文編輯：楊林青)

Research on Smart Grid Sustainable Development Path in China Based on Self-Organization Theory

CHU Yan1, ZHUANG Jun2

(1.State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China; 2. Reike (Shanghai) Medical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Based on self-organization theory, this paper constructs the industrial ecosystem of the smart grid in China, analyzes and designs the smart grid sustainable development route choice model based on division of function regions, and then puts forward suggestions on the regional sustainable development of smart grid in China.

self-organization theory; smart grid; industrial ecosystem; sustainable development

10.11973/dlyny201606011

褚 燕(1976)，女，博士，研究方向為電力經濟、電價研究、管理決策等。

TM76

A

2095-1256(2016)06-0716-05

2016-08-31