科技创新支撑新型电力系统构建

文_中国工程院院士 郭剑波

21世纪的能源安全将是以电力为主的全面能源安全，电力系统将是这一变革的中心环节。

20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，让人类生产和生活方式产生了颠覆性的改变。进入21世纪以来，化石能源逐渐面临枯竭，全球气候变化与环境污染问题愈发严峻，已成为未来人类面临的最严峻挑战之一。世界主要国家也纷纷将能源安全纳入国家战略，加快推动能源转型。

能源清洁低碳转型将带来能源生产和能源利用的再一次变革，对人类生产和生活产生深远的影响。20世纪的全球能源安全框架是以石油为基础的，而21世纪的能源安全则将是以电力为主的全面能源安全，电力系统将是这一变革的中心环节。

能源安全关系国家安全。我国能源供给和消费的结构性矛盾突出，必须加快推进能源生产和消费革命，增强我国能源自主保障能力。在生产侧，降低煤炭和石油占比，提高可再生能源比例（主要转化为电能利用）；在消费侧，提高电能在终端能源中的比重，在交通、建筑、工业等领域加快电能替代。据预测，我国电力占终端能源消费比重将从目前的26%提高至2050年的45%~50%。要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

认识新型电力系统革命性变化

由于新能源利用小时数低，高比例新能源电量场景需要数倍于负荷的新能源装机容量。丰饶的市场形态也必将催生新的交易机制、商业模式，带来物质链、信息链和价值链重塑。这将对电力系统的规划设计、生产管理、运行控制带来一系列革命性变化，需要从多方面开展探索和研究。

机理认知。由于新能源的强不确定性和低保障性，要重新审视系统安全的定义和理论，保障电力系统供给安全（总量、结构、分区）、运行安全、生命线安全（极端条件下的安全）。高比例新能源电力系统中多状态变量耦合、多时间尺度交织、非线性特征明显、动态特性复杂多变，需要加大对稳定基础理论的研究。

系统构建。新能源高占比的电力系统，新能源需实现从“并网”到“组网”的角色转变。新能源发电机组要实现频率、电压、惯量等主动支撑，对新能源设备、运行、控制的标准体系以及新型电力系统的构建技术条件提出了新要求，是未来需重点解决的问题。

电网规划。规划方面，亟需强化国家层面的规划及强制性作用。确定性规划要向概率性规划转型，难点是统计数据和标准。规划阶段必须加入市场规则，让辅助服务能力提供者和生产电量者都获利。亟需研究适应能源转型的法律法规以及相应的技术规范，面向系统的普遍技术要求需与接入系统所有利益主体的普遍强制性要求相匹配，如电源布局、负荷耐受水平等，用户的特殊要求应采用特殊电价。

稳定控制。运行控制方面，按预案运行和防御需要向基于状态感知、趋势分析的自适应和分区层次化主动防御转型。为克服含高比例新能源的新型电力系统设备数量多、分布广、可控性差、不确定性等难题，需要清晰的电网结构、创新安全稳定控制方法和理论，同时应用“大云物移智链”等新技术，加强源网荷储特性的动态匹配和协同及预防性控制。

高比例新能源电力系统的供需匹配需考虑供需双侧的不确定性。高比例新能源下供需双侧不确定性具有决策依赖性。在新能源发电功率预测技术研究的基础上，还需研究考虑决策依赖的新能源发电不确定性评估方法，支撑高比例新能源电力系统安全运行。

标准规范。为解决调节能力不足的问题，需要通过对源、网、荷侧进行改造提升和协调优化，增加系统内的灵活调节资源、发挥互联电网对新能源出力的尺度平滑作用，促进新能源发电的高效消纳。为实现源网荷协调，除了需要克服技术难题，还需要完善标准规范、政策机制。

电力市场与政策机制。新能源发电的不确定性、低边际成本特性，使得新能源高占比场景中，电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出。丰饶的市场形态将催生商业模式，以及物质链、信息链和价值链重塑。市场和政策机制设计需要考虑新能源与常规电源以及用户的配合机制，协调市场内多利益主体，实现价值提升和价值创造。

高比例新能源的接入，增加了电力系统对备用、调频、无功等辅助服务的需求，应考虑建设容量市场，鼓励常规电源承担辅助服务，补偿其利用小时降低的损失。此外，在市场设计中需要研究考虑新能源接入的辅助服务需求计算方法，合理界定新能源应该承担的辅助服务义务，并在规划设计阶段加以考虑。

热、冷、气等能源深度耦合和工业、交通、建筑的深化电能替代，使新型电力系统呈现多利益主体关联，多环节、多过程耦合，多能源共存的特征，需要构建以电网为枢纽的综合能源系统，系统性应对和协调解决各种技术、机制问题，包括管理机制、技术需求、市场模式等多方面的挑战。

跨学科融合与新技术应用。数字孪生和人工智能为高比例新能源系统的认知和控制提供了新的手段。利用数字孪生构建与物理能源电力系统实时联动的数字运行体系，利用数字系统提升对物理系统的认知、诊断、预测、决策和管理水平。人工智能可应用于能源电力多个领域，应对复杂性和不确定性，提升系统的智能化水平。

系统动态平衡将更多引入基于信息交互的协同平衡机制。电力系统的网络化和信息化使信息系统和物理系统进一步融合，开放性与多元化使其与人类社会活动和外部环境交织耦合，呈现信息物理社会系统（CPSS）特性。除了通过监测感知系统环境及变量变化，感知信息物理系统的安全风险和运行态势，还需关注社会经济、人类行为等对系统带来的影响。

高比例新能源系统的运行控制高度依赖低延时、高可靠的信息通信网络，但其网络终端多、网络结构复杂、业务开放广泛、信息内容多样、网络暴露面广，对系统网络安全防御带来极大技术挑战。网络战已经成为未来国家之间战略威慑和战争冲突的重要表现形式之一。电力系统作为国家关键基础设施，其网络安全关系能源电力安全，乃至社会稳定和国家安全。

随着新能源发电的技术进步，成本将进一步降低，可以预期新能源必将迎来持续较长时间的高速发展期，将从局部地区开始，逐渐形成一个新能源电力和电量高占比的电力系统。该系统不确定性增大、非线性和复杂性增加、动态过程加快、多时间尺度耦合、可控性变差，新能源消纳和电力系统安全的矛盾突出。新能源将成为能源转型的中坚力量，就需要承担相应的责任和义务，推动构建新型电力系统。

创新驱动建设智慧能源系统

新能源发电具有强波动性和不确定性、低能量密度、低利用小时数、低抗扰性、弱支撑性、控制响应快和可塑性强、低成本等特点，与常规能源发电有显著不同。

新型电力系统将实现新能源高占比电力和电量场景，电力系统电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，需要通过体制机制创新，形成新的商业模式、新业态。新能源发电特性与常规电源的差异，将引起系统特性和有功、无功平衡机制发生巨大变化，需要通过创新技术标准体系，构建高比例新能源电力系统。新能源出力大幅波动将给电力系统运行控制带来巨大挑战，需创新应用“大云物移智链”等技术，实现新能源高效消纳和电力系统安全运行。为消纳高占比、强不确定性新能源，需要通过拓展电力利用、多能互补和能源综合利用，构建呈现能源互联网特征的新型电力系统。

以新能源为主体的新型电力系统是一个复杂的、巨型信息物理社会系统（CPSS），也是一个智慧能源系统，面临的问题和挑战更加广义、更加复杂。

科技创新是构建新型电力系统、应对高占比新能源电力系统挑战、破解能源转型发展难题的重要途径。我们要通过加大科研投入、基础前瞻性研究、学科交叉与合作、基础设施和人才队伍建设等举措，实现体制机制、标准规范、规划设计、建设运行以及商业模式等方面的创新，支撑我国能源安全和能源转型。

（中国电力科学研究院有限公司郭剑波院士研究团队对此文亦有贡献）