李立浧院士：透明电网赋能新型电力系统建设

2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议指出，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，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。

（来源：微信公众号“电联新媒”作者：李立浧）

我国能源的碳排放量占总排放量的近90%，据统计，2020年我国碳排放大约是103亿吨，其中，煤炭、石油、天然气的合计碳排放为95亿吨。电力行业碳排放占全国碳排放总量的40%，中国“双碳”目标的提出，为能源转型提出了更为紧迫明晰的时间表。电力行业是减碳的主力军，任务重、责任大。经济增长和终端用能结构变化将继续拉升中国的用电量，要确保电力系统安全平稳供应的同时实现深度减排，发展可再生能源是根本，提高能源效率是关键，构建新型电力系统是核心技术支撑。

新型电力系统概念情景

以2060年实现碳中和的背景设定来设想以新能源为主体的新型电力系统的概念情景。基于实现碳中和的要求，能源供给侧应实现脱碳，清洁能源成为主力能源，化石能源逐步退出，尤其是光伏、风电将成为新增能源主力军；终端电能消费大幅度提升，到2060年，电能占终端能源消费比例将达到70%左右。除了以电能作为直接能源外，目前尚未使用或者大规模使用电力的工业等领域将广泛使用电能，如铁路电气化水平大幅提高，电动汽车更加普及，通过电炉炼钢等等。电能除了直接使用，还可间接制造能源，即电能的多元化转换（Electric power-to-X），例如通过电解水制氢，用于交通、工业，用能呈现泛电气化趋势。在泛电气化背景下，电能在能源消费中占比将达90%（直接利用+间接利用）左右。

2060年实现碳中和情景下的新型电力系统中，从电源形态来看，装机和发电量以可再生能源为主。相比现在，火电将大幅减少，风电、光伏大幅增加，核电、生物质发电也明显上升，发电装机总容量约100亿千瓦，其中风光装机总容量约为90亿千瓦，火电装机约为5亿千瓦，水电装机约为4.5亿千瓦，核电装机约为3亿千瓦，其他能源装机约为2亿千瓦。风光发电量约为15万亿千瓦时。

从电网形态来看，高渗透率接入新能源将深刻改变传统电力系统的形态、特性和机理。配电网将与分布式电源协同发展，新型电力系统的电网将以“大电网+主动配电网+微电网”的形态呈现，电力系统柔性可控，透明是新型电力系统的主要特征。系统可以“无条件”地接受新能源，由于系统装机容量、发电量显著增加，因此拥有“无限大”的功率、“无限多”的能量，系统的安全稳定依靠功率的动态平衡和能量的动态平衡。

新型电力系统与传统电力系统的特征差异

动态特征

传统电力系统的动作时间常数大（秒-分钟级），“慢速”的系统机电特性，稳定性高。新型电力系统中，由于电力电子具有弱惯性特点，其动作时间常数小（微秒级），频域分布广，波动性和随机性强。

安全稳定理论

传统电力系统由机电同步过程表征，模型等效，是基于机电转动惯量的稳定理论。新型电力系统则是数据同步过程，由数据驱动，基于数字化的信息与物理系统融合，其电力系统安全理论是基于“电力+算力”的系统平衡理论。

系统规模特征

传统电力系统是集中式的，电源单体规模大，数量较少；新型电力系统是分布式的，电源单体规模小，数量庞大。

系统形态和生态

传统电力系统面向功能、界限分明，以模型和预测为核心的仿真系统面向集中式架构，存在功能割裂、信息封闭、技术受限的问题。新型电力系统“源网荷储”融合变换，“能量和信息”交织互动，基于全局的数据是电力系统研究的纽带和基础。

负荷侧格局和用户

传统电力系统负荷可预测、可计划，相对稳定，用户是电力消费者。新型电力系统负荷侧包括新能源和储能，负荷侧从单纯的消费者转变为“生产者+消费者”，负荷不确定性强，用户全方位融入电力系统。

系统安全

传统电力系统确定性强，功能单一，易控制。新型电力系统不确定因素多，功能复杂，需要构建系统和元件的新型网络安全体系。

电力系统架构

传统电力系统是大电网、同步电网，新型电力系统下能源电力趋于一体化和泛电气化，电网形态为“大电网+主动配电网+微电网”。

新型电力系统的技术要素

新型电力系统是信息技术、计算技术、通信技术、传感技术、控制理论和控制技术、运筹学、人工智能、互联网等与电力系统的深度融合。

系统的信息化、数字化、智能化

新型电力系统中配置的小微智能传感器及其传感网络无处不在，这是构建含泛在电力物联网的基础设施；先进通信技术、大数据技术、云计算技术、人工智能技术等在电网中广泛应用，将实现电网的自由（无限、海量）数据采集、自由数据获取、自由智能分析。设备的智能化特征明显，并拥有强大的软件系统。因此，新型电力系统可以不完全依赖电网模型，而是在海量数据基础上，通过大数据和计算技术，透过数据关系发现电力系统运行规律，实现电网的智能运行。

透明是新型电力系统的主要特征，系统可见可知可控。基于透明电网，社会各方能够广泛深入参与电力生产、传输、消费等各个环节，协同促进能源电力的安全高效、绿色低碳发展。透明电网基于广泛应用小微智能传感器、智能设备、智能二次系统，并构建强大的软件平台、大数据平台，数据可采集、状态可监控、程序可优化，实现设备状态透明、运行状态透明、市场信息透明。

首先，打造透明电网的关键在于信息，而信息需要通过小微智能传感器来捕集。目前电网中使用的传感器存在尺寸大、安装不便、校准困难、价格高等问题，难以满足新型电力系统智能化、透明化、市场化、物联化的发展需求。而小微智能传感器的体积大幅减小，具有高度集成化特点，可实现自组网自取能，功率可低至微瓦级，具有无线传输的双向通信功能，且便于安装，一贴即用，价格低廉，可满足按需配置的要求。在电网中广泛安装小微智能传感器，可让电力系统的电源、网络、储能等各个环节充分展示出来，实现电网运行状态、环境状态、安全状态等信息全面深度透明。

其次，要应用智能设备，实现设备智能化。智能电气设备是传统电气设备与智能元素、电力电子器件等的融合-协同增效的组合，它不仅仅是功能性的，而是设备功能与智能信息的结合体，具有可见可知、灵活可控的特点。其设备要素包含状态可感知可预测、智能材料、嵌入智能元件、参数可调可控、行为智能化等。

第三，要打造强大的软件平台。这一软件平台可体现数字之间的关系，将海量的小微传感器数据、智能设备的数据等组织起来，数据存储模式有分布式和集中制，能够进行数据挖掘，实现数据驱动的软件分析、计算等。

镜像/数字孪生电网的算力、算法、基础设施和应用

打造软件平台的关键环节是构建镜像/数字孪生电网。随着新能源大规模接入，电力系统将越来越复杂。为了更好地进行系统预测和系统规划，我们设想通过数字孪生技术，基于传感器建立起物理电网系统在数字空间的镜像。镜像系统和真实物理系统基本信息完全相同，并随着物理电网的变化持续更新；基于数字孪生电网可以实现对物理电网的全面感知和预测，为电网提高调度运行决策的准确性与实时性提供关键技术支撑。

建设适应新型电力系统发展需求的算力规模，包括通用算力、专用算力、超级算力；建设适应新型电力系统的通用算法，包含机器视觉、语音语义、大数据处理等；建设专用算法，包含新型电力系统运行机理、认知技术、协同技术、控制技术等，以满足新型电力系统的新能源预测/监控、电网规划、电力电量平衡、频率控制，以及“双碳”目标下各场景的应用需求。

建设电网透明化所需要的基础设施，包括基于全域传感的实时测量体系，建设云平台、物联网在内的新型电力系统关键数字基础设施，全面支撑新型电力系统“可观、可测、可控”。

在2060年实现碳中和的情景设置下，新型电力系统高效运作，开展数据产品研发和服务孵化，如可实现调度运行自动导航与决策、智能分析与决策、数据信息的智能搜索与智能推送、调度任务的智能提醒、调度操作任务的自动生成、智能安全防误等在内的调度全过程智能运行。以车用导航系统来类比，车用导航系统可以全方位展示道路交通情况状态，并伴随智能语音提示。当然，电网运行调度是一个复杂得多的系统，但在数字和信息技术的发展推动下，未来电网能够实现运行导航决策，完成智能调度决策、电网安全域辨识与控制、直流故障辨识与决策、多道防线协调控制与多能互补协调等，同时，还可以通过数字孪生系统来实现更精准和透明的发电预测、负荷预测与辨识。

综上，新型电力系统是将现代传感技术、信息技术、数字技术、智能技术等融入电网所构建的新型网络系统，具有“电磁态+数字态”的新型形态，“电网+互联网”的新型网络，“电力+算力”的新型能力。以软件定义电网、电力系统，以轻资产应对重资产投入，以数据为驱动实现导航决策。新型电力系统将有效承载新能源大规模安全、可靠、高效接入，打破传统电网物理和产业边界，向社会各领域全面渗透。

当前，能源电力发展正处于落实“双碳”目标的关键期和窗口期，坚定不移地大力发展可再生能源是能源脱碳的前提，也是实现碳中和的必然路径。减碳必须要有政策性安排和支持，其中一个关键问题在于用地问题。由于风电、光伏等可再生能源有效容量低，要满足未来用电需求增长，需要占用大量土地资源，如果不能有效协调可再生能源的发展与生态环保、国土空间规划等方面的衔接，将成为制约能源转型的瓶颈之一。

要持续增强电力系统的灵活性和调节能力。抽水蓄能是储能市场中最成熟的技术，在储能市场中的占比最大，但目前抽水蓄能的响应时间是分钟级的，不能适应新型电力系统对于时间响应的要求，可变速抽水蓄能机组的响应时间才能和新型电力系统相适应，未来需要在这一方面加大研发力度；应重点建设用户侧储能系统，电网侧非抽水蓄能储能建设的必要性需要进一步加以论证；要开发电动汽车V2G功能，作为灵活储能系统纳入新型电力系统建设。同时，要加大科技创新力度，研发新能源和新型电力系统的硬核技术，并建立电力市场，形成市场化价格体系。以技术创新和体制机制变革同步发力，推动“双碳”目标的实现。