“雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)規(guī)劃新問(wèn)題及主要技術(shù)

劉洲紅

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽(yáng)供電分公司 湖南邵陽(yáng) 422000）

碳排放問(wèn)題已成為一項(xiàng)全球性議題，對(duì)社會(huì)發(fā)展形成極大制約。聯(lián)合國(guó)大會(huì)于1992年制定并頒布了《氣候變化框架公約》，由此開始日益加強(qiáng)優(yōu)化對(duì)氣候變化的應(yīng)對(duì)。另外，巴黎氣候變化大會(huì)于2015年制定并頒布了《巴黎協(xié)定》，提出了讓全球平均氣溫上升幅度小于2℃這一長(zhǎng)期目標(biāo)。當(dāng)前，許多國(guó)家都已明確將“零碳”“碳中和”作為氣候目標(biāo)，而且上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面。而作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)前提，通過(guò)規(guī)劃新型電力系統(tǒng)，能夠促使電力系統(tǒng)朝著綠色低碳的方向發(fā)展。

1 “雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)規(guī)劃新問(wèn)題

新型電力系統(tǒng)將新能源作為主體，其特征與優(yōu)勢(shì)鮮明，如高比例新能源、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。由于源—荷不確定性以及低碳訴求，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行模式面臨新的問(wèn)題，應(yīng)從不同維度力求技術(shù)突破。在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方面，需要以其形態(tài)特征為依據(jù)，綜合分析各種新問(wèn)題［1］。

1.1 源—荷不確定性加劇

一方面電源側(cè)具有波動(dòng)性，另一方面用戶側(cè)含源負(fù)荷具有隨機(jī)性。由于兩者共同作用，進(jìn)一步加大不確定性，并且日益擴(kuò)大在新型電力系統(tǒng)中的影響范圍。對(duì)于新型電力系統(tǒng)規(guī)劃而言，只有以源—荷不確定性為中心精準(zhǔn)建立模型，同時(shí)，制定可以展示不同運(yùn)行場(chǎng)景的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，才可以為其奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 低碳電力市場(chǎng)化發(fā)展

近年來(lái)，我國(guó)電力不斷加強(qiáng)市場(chǎng)化改革，而電力系統(tǒng)所提出的低碳要求使其具有全新內(nèi)涵，基于該背景下，碳交易市場(chǎng)在電力市場(chǎng)中的地位日益提升［2］。對(duì)于新型電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)下的電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)是其基本應(yīng)用場(chǎng)景，正因如此，需要全面深入探析兩者的交互方法，科學(xué)合理地建立規(guī)劃模式，以此達(dá)到低碳電力市場(chǎng)場(chǎng)景要求。

1.3 碳水平評(píng)估

當(dāng)使用傳統(tǒng)規(guī)劃方法進(jìn)行電源規(guī)劃時(shí)，往往在保持電離平衡的基礎(chǔ)上，將經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)［3-4］。而電網(wǎng)規(guī)劃一般是在達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)方案經(jīng)濟(jì)性?；谔际袌?chǎng)環(huán)境下，在實(shí)施新型電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，不僅要分析可靠性與經(jīng)濟(jì)性，而且需要將碳水平視為評(píng)估體系的一部分，同時(shí)，其模型評(píng)估決策等同于三方博弈：一是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；二是可靠指標(biāo)；三是環(huán)境指標(biāo)。通過(guò)有機(jī)結(jié)合碳水平評(píng)估問(wèn)題和電力系統(tǒng)規(guī)劃決策問(wèn)題，構(gòu)建科學(xué)完善的低碳評(píng)價(jià)體系，能夠幫助新型電力系統(tǒng)規(guī)劃處理新問(wèn)題［5］。

1.4 新能源的運(yùn)行模擬

新型電力系統(tǒng)涉及豐富的電源形式，如火、風(fēng)、水等，并且決策環(huán)境具有較強(qiáng)復(fù)雜性、物理運(yùn)行環(huán)境類型眾多等，因此，新型電力系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高自身靈活性。在運(yùn)行方面，要相對(duì)精準(zhǔn)地掌握規(guī)劃方案潛在問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)制定針對(duì)性較強(qiáng)的運(yùn)行模擬方法，準(zhǔn)確評(píng)估方案在多樣化運(yùn)行場(chǎng)景中的具體運(yùn)行指標(biāo)，從而有效處理新型電力系統(tǒng)自身波動(dòng)性和隨機(jī)性帶來(lái)的問(wèn)題。

1.5 多主體協(xié)同規(guī)劃

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃通常單獨(dú)實(shí)施三方面的規(guī)劃工作：一是電源規(guī)劃；二是輸電網(wǎng)規(guī)劃；三是配電網(wǎng)規(guī)劃。但是新型電力系統(tǒng)在各側(cè)都可采取具有較強(qiáng)靈活性且豐富的運(yùn)行對(duì)策，包括電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)及負(fù)荷側(cè)，同時(shí)，眾多利益主體充分參與到電量平衡中。如果只是圍繞某一環(huán)節(jié)對(duì)其規(guī)劃思路進(jìn)行分析考慮，勢(shì)必不能達(dá)到源網(wǎng)荷儲(chǔ)每一環(huán)節(jié)的互動(dòng)深度提出的要求，應(yīng)當(dāng)綜合考慮分析多主體協(xié)同規(guī)劃理論［6］。

2 “雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的主要技術(shù)

根據(jù)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方面出現(xiàn)的新問(wèn)題，本文分析了新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的主要技術(shù)，包括碳水平評(píng)價(jià)、源—荷預(yù)測(cè)、低碳市場(chǎng)機(jī)制、大數(shù)據(jù)理論與運(yùn)行模擬。

2.1 碳水平評(píng)價(jià)

以碳水平為對(duì)象，在量化評(píng)價(jià)過(guò)程中，一般將碳核算作為最關(guān)鍵的依據(jù)，合理利用此種方法，對(duì)于科學(xué)完善評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建意義重大。當(dāng)前，利用率較高的評(píng)價(jià)方法包括實(shí)測(cè)法、質(zhì)量平衡法與排放因子法，這些方法既可以達(dá)到微觀要求，也可以達(dá)到宏觀要求。就實(shí)測(cè)法而言，其特征為，根據(jù)當(dāng)下掌握的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于實(shí)地探測(cè)碳排放源的條件下，結(jié)合得到的數(shù)據(jù)明確碳排放量。而排放因子法主要是根據(jù)碳排放清單中的排放因子，準(zhǔn)確計(jì)算碳排放量，具體公式為：

上式中，E 表示的是碳排放量，AC 表示的是燃料消耗量，NCV表示的是燃料低熱值，C表示的是碳排放因子。雖然ISO已經(jīng)在制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)排放因子作出明確規(guī)定，并且IPCC 也發(fā)布相應(yīng)指南，但是由于每個(gè)國(guó)家的能源品味以及使用方法等都有較大差異，所以在實(shí)際開展工作的過(guò)程中，工作人員需要結(jié)合具體情況合理調(diào)整排放因子，從而增強(qiáng)其實(shí)際意義。此外，質(zhì)量平衡法始終將質(zhì)量守恒作為嚴(yán)格遵守的依據(jù)，一般參照生產(chǎn)行為投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估算碳排放量。

從低碳評(píng)估體系的角度來(lái)講，首先需要清晰掌握碳排放機(jī)理及系統(tǒng)運(yùn)行特征，然后歸納整合關(guān)鍵要素，從而為工作人員以更快速地為把控技術(shù)途徑提供極大幫助。現(xiàn)階段，迫切需要解決的問(wèn)題是采取何種措施完成對(duì)指標(biāo)的定量分析，全面評(píng)估系統(tǒng)水平［7］。由當(dāng)前已得研究成果發(fā)現(xiàn)，為在較短時(shí)間中有效構(gòu)建低碳評(píng)價(jià)體系，需要重視以下內(nèi)容。以空間尺度和時(shí)間尺度為出發(fā)點(diǎn)。首先，就時(shí)間尺度而言，在此基礎(chǔ)上開展工作，關(guān)鍵是分析研究相關(guān)影響因素，根據(jù)不同空間環(huán)節(jié)的特征，整合歸納當(dāng)前既有的指標(biāo)，在此前提下，結(jié)合新型電力系統(tǒng)具體需求，構(gòu)建起科學(xué)完善的評(píng)價(jià)體系，進(jìn)而全方位精準(zhǔn)評(píng)估該系統(tǒng)發(fā)展水平，從根本上做到借助反饋控制，在理論上正確指導(dǎo)今后規(guī)劃方案的編制［8］。

2.2 源—荷預(yù)測(cè)

相較于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)的隨機(jī)性更加突出。由于清潔能源的隨機(jī)性較強(qiáng)，有利于構(gòu)建能夠達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)要求的模型。在實(shí)際生活中，利用率較高的清潔能源主要有太陽(yáng)能和風(fēng)能，它們的出力波動(dòng)性非常容易受到光照強(qiáng)度及風(fēng)速的干擾，因?yàn)檫@兩種干擾因素呈現(xiàn)出分布特性，所以需要以清潔能源為基礎(chǔ)構(gòu)建隨機(jī)出力模型。通過(guò)出力預(yù)測(cè)得到的結(jié)果，一般能夠直接影響規(guī)劃方案是否可以獲取應(yīng)有成效，如果按照時(shí)間尺度，能夠?qū)㈩A(yù)測(cè)方式分為3 類：一是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)；二是短期預(yù)測(cè)；三是超短期預(yù)測(cè)。而第一種預(yù)測(cè)方式的應(yīng)用范圍更廣。

針對(duì)新型電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能源出力的主要影響因素包括區(qū)域布局、地理環(huán)境等，對(duì)于中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，往往使用兩種方法：一種是智能學(xué)習(xí)法；另一種是統(tǒng)計(jì)學(xué)法。圍繞光伏發(fā)電所進(jìn)行出力預(yù)測(cè)分析研究，通常利用LSTM、k-means，但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，若按照輸入數(shù)據(jù)類型，能夠?qū)⑵浞譃閮煞矫妫阂环矫媸峭茖?dǎo)電量序列；另一方面是分析氣象數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行出力預(yù)測(cè)，一般使用預(yù)測(cè)模型與多樣化信息。

本文探討的電力系統(tǒng)的消費(fèi)側(cè)大多情況下涉及大量關(guān)于電網(wǎng)調(diào)度的新型負(fù)荷，用能比例以及用戶需求往往會(huì)對(duì)能源設(shè)備配置容量產(chǎn)生影響，在大規(guī)模使用儲(chǔ)能的條件下，圍繞負(fù)荷特性進(jìn)行研究分析非常重要。當(dāng)前，在開展上述工作的過(guò)程中，能夠發(fā)揮輔助作用的方法一般有3 種：一是小波分析；二是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；三是支持向量機(jī)。隨著近些年大數(shù)據(jù)以及人工智能不斷發(fā)展，越來(lái)越倡導(dǎo)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)法，全面應(yīng)用于預(yù)測(cè)負(fù)荷方面，由此為新型電力系統(tǒng)負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)測(cè)打下良好基礎(chǔ)。針對(duì)可再生能源的多元負(fù)荷與出力數(shù)據(jù)采取中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方法，十分有利于構(gòu)建與電力系統(tǒng)相符的模型，另外，通過(guò)使用人工智能，能夠大幅增強(qiáng)模型實(shí)用性，此為今后研究的重點(diǎn)，相關(guān)人員需要高度重視［9］。

2.3 低碳市場(chǎng)機(jī)制

低碳市場(chǎng)是電力系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，正因如此，應(yīng)當(dāng)全面深入分析其互動(dòng)機(jī)制、運(yùn)營(yíng)模式及內(nèi)部交易市場(chǎng)，這自始至終都是全社會(huì)范圍內(nèi)的一大熱點(diǎn)。從京都議定書簽署至今，諸多國(guó)家都已經(jīng)投入碳交易市場(chǎng)建設(shè)中。當(dāng)前，仍舊沒有統(tǒng)一碳交易市場(chǎng)需要遵守的規(guī)則。為將碳配額工作落到實(shí)處，主要使用兩種方法：一種是拍賣；另一種是免費(fèi)分配。從2013年開始，中國(guó)逐步建立起眾多碳交易試點(diǎn)，這一舉措極大增加碳市場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。為保證構(gòu)建的電網(wǎng)架構(gòu)與電源結(jié)構(gòu)達(dá)到碳排放規(guī)則，應(yīng)當(dāng)根據(jù)原先建立的規(guī)劃模型，科學(xué)合理分析碳排放額度。

例如，有的研究人員立足于“雙碳”目標(biāo)，以能源互聯(lián)網(wǎng)特征為依據(jù)，建立起能夠達(dá)到需求側(cè)在管理方面要求的調(diào)度模型；也有的研究人員提出需要有機(jī)結(jié)合電力系統(tǒng)以往的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與碳交易機(jī)制，保證通過(guò)應(yīng)用所建立的模型，能夠預(yù)測(cè)二氧化碳排放產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以上研究都與運(yùn)行調(diào)度相關(guān)，很少涉及碳交易影響及規(guī)劃方面，為實(shí)現(xiàn)所建立模型作用和價(jià)值的最大化，應(yīng)當(dāng)綜合分析低碳市場(chǎng)各項(xiàng)要素，這也是今后需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

2.4 大數(shù)據(jù)理論與運(yùn)行模擬

新型電力系統(tǒng)主要依靠于大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，通過(guò)處理分析各項(xiàng)電力數(shù)據(jù)信息以及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠從技術(shù)層面幫助降低系統(tǒng)碳水平。我國(guó)生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家電網(wǎng)于2020年在北京簽署了《電力大數(shù)據(jù)助力打贏打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)戰(zhàn)略合作協(xié)議》，密切結(jié)合碳排放監(jiān)測(cè)及核算等，深入探究大數(shù)據(jù)技術(shù)在這些方面的創(chuàng)新應(yīng)用。與此同時(shí)，電網(wǎng)高比例可再生能源應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，并且電力電子設(shè)備利用率越來(lái)越高，從而對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生極大影響，使其運(yùn)行形態(tài)深刻改變。當(dāng)前既有的具有代表性的運(yùn)行場(chǎng)景已經(jīng)無(wú)法反映實(shí)際情況，而且面對(duì)不可計(jì)數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，相較于方法的選擇，方案的選擇更加難以滿足系統(tǒng)在低碳性、經(jīng)濟(jì)性及安全性方面的需求。在運(yùn)行方面，為準(zhǔn)確辨認(rèn)規(guī)劃方案可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在系統(tǒng)運(yùn)行分析過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大數(shù)據(jù)理論的借鑒與應(yīng)用，針對(duì)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的新型電力系統(tǒng)，科學(xué)合理地制訂精細(xì)化運(yùn)行模擬方法，準(zhǔn)確評(píng)估基于海量運(yùn)行場(chǎng)景的規(guī)劃方案相關(guān)指標(biāo)，如清潔能源消納率等，從而有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不確定性［10］。

對(duì)于數(shù)據(jù)處理分析，相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)存在較大差異，以抽樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的規(guī)劃運(yùn)行目前已經(jīng)不能達(dá)到跨能流、跨主體數(shù)據(jù)融合前提下的多維度數(shù)據(jù)關(guān)于準(zhǔn)確性以及時(shí)效性的要求。從數(shù)據(jù)理論體系角度來(lái)看，新型電力系統(tǒng)能夠劃分成4個(gè)部分：一是數(shù)據(jù)分析；二是數(shù)據(jù)處理；三是數(shù)據(jù)融合；四是數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)。近些年，通信—物理系統(tǒng)日益提高交互深度，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)挖掘同樣能夠適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即分布式與扁平化結(jié)構(gòu)，對(duì)于海量運(yùn)行場(chǎng)景，采取分布形式存儲(chǔ)于眾多數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中。相關(guān)人員先要有效利用數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，以此深入探究數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，還原實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，然后進(jìn)行局部學(xué)習(xí)以及模型融合，從而得到具有代表性的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步投入具有代表性的規(guī)劃運(yùn)行場(chǎng)景中。通過(guò)使用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠改善優(yōu)化電力系統(tǒng)，大幅提升其運(yùn)行管理水平與效率，然而也在技術(shù)層面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)該情況，各方應(yīng)當(dāng)明確大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠創(chuàng)造極大效益，在此前提下達(dá)成共識(shí)，做到產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)以新型電力系統(tǒng)為主體的大數(shù)據(jù)理論研究及技術(shù)發(fā)展。

結(jié)合新型電力系統(tǒng)實(shí)際情況來(lái)看，無(wú)論是隨機(jī)性還是不確定性都日益增強(qiáng)，正因如此，在評(píng)估規(guī)劃方案的過(guò)程中必須應(yīng)用精細(xì)化運(yùn)行模式。當(dāng)實(shí)施電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，運(yùn)行模式主要用于模擬以不同時(shí)間尺度為切入點(diǎn)的系統(tǒng)運(yùn)行情況，相對(duì)精準(zhǔn)的校驗(yàn)方案所具有的可行性。從2018年至今，中國(guó)電科院不斷啟動(dòng)生產(chǎn)模擬系統(tǒng)，在國(guó)家電網(wǎng)展開新能源運(yùn)行計(jì)算時(shí)，充分利用新能源生產(chǎn)模擬軟件以及源網(wǎng)荷一體化運(yùn)行模擬軟件，以此從技術(shù)層面改善新能源運(yùn)行方式。

通過(guò)應(yīng)用以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的精細(xì)化運(yùn)行模擬方法，可以及時(shí)準(zhǔn)確地改進(jìn)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)條件下規(guī)劃方案的可行性，從而適應(yīng)新型電力系統(tǒng)多種特征，如穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜、運(yùn)行方式多樣等。今后，迫切需要解決的問(wèn)題是在加強(qiáng)大數(shù)據(jù)理論研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為前提的生產(chǎn)運(yùn)行模擬系統(tǒng)，同時(shí)，將數(shù)學(xué)求解和運(yùn)行模擬集為一體，構(gòu)建起完善的低碳規(guī)劃理論技術(shù)體系［5-6］。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)構(gòu)建科學(xué)完善的新型電力系統(tǒng)，不僅可以促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，還可以加快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。本文根據(jù)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)模擬，在建立新模型的前提下，立足于碳水平評(píng)價(jià)、大數(shù)據(jù)理論與運(yùn)行模擬等主要技術(shù)，參照當(dāng)前獲得的研究成果整合今后研究重點(diǎn)，希望可以今后支撐電網(wǎng)規(guī)劃決策，以更快速地貫徹落實(shí)“雙碳”目標(biāo)。