评 | 关于区块电网的认识与思考

关于区块电网的认识与思考

党的二十大报告提出，要加快规划建设新型能源体系。新型电力体系和新型电力系统是新型能源体系的重要组成部分。新中国成立以来，我国已经建成以国家、区域、省、地、县五级调度为主体的基于行政区划的电网运行调度管理体系。实践证明，这种体系在保证电网安全稳定经济方面发挥了决定性作用。

来源：中能传媒研究院 作者：陈小良（中国电机工程学会原副秘书长）

随着分布式电源和储能技术的发展，传统的用户端以电网形态发展是必然趋势。从未来的趋势看，这种电网形态不仅将形成以电源为核心的辐射状电网，多电源的环状电网更将成为趋势。为促进新型电力系统的建设，支撑新型能源体系建设，在电网总体架构中，明确用户端电网形态定义与定位十分重要。鉴于此，本文基于微电网的基本理论，提出“区块电网”的概念和“区块电网”将以自主智慧管理的适当规模的电网单元的方式在电网中发挥作用的设想，并从有利于相应的电网形态和能源系统健康发展的角度，就做好技术、管理和政策等方面的准备提出了一些思考。

一、区块电网形成的动因

1882年7月26日，上海第一台12千瓦机组发电，在外滩6.4千米的大道上，点亮了15盏电弧灯。这标志着中国开始有电和第一个电网（电力系统）的形成，用今天概念来说，第一个微电网形成。以后的100多年，为了获得更高的发电效率、更大的规模经济、更加安全稳定供给的电力，电力技术一直是向着电源单机容量更大、电网规模更大、电压等级更高的方向发展，这是电力网络技术发展的规律。甲骨文公司提到，他们在数据库架构设计时，正是借鉴了电网发展中的这些实践，建立了大型数据中心。

当世界步入一个关注气候变化、推进能源转型的时代，可再生能源逐步成为能源的主力军，电力系统面临需求、技术和商业模式三个关键方面的颠覆性变化。分布式电源、微电网、物联网、综合能源系统，催生出新型电网形态，究其动因，可能有以下几个方面：

一是分布式新能源，特别是分布式风力发电和太阳能发电，随着技术的发展和价格的降低，已经进入到广泛应用阶段。

二是随着小型燃机的发展，分布式天然气发电及其冷热电三联供机组的成熟并广泛应用成为可能，其效率远高于大型燃煤发电机组。

三是储能技术的发展，包括电动汽车的发展，使得兆瓦级及以上新型电池储能设施进入商业应用，在技术上为小规模电网以一个电网单元形态存在奠定了基础。

四是信息技术发展使得物联网和能量管理系统在小规模电网上有了应用的可能，特别是云计算、人工智能等技术的长足发展，使得小规模电网的智能无人调度成为可能。

五是电力电子设备的研究应用不断深入，使得高比例电力电子设备的小规模电网机电和电磁暂态特性模拟和研究应用成为可能。

六是随着微电网技术的发展，低电压、小规模电网的电力电量平衡、无功电压平衡、继电保护配置和动态稳定等问题得到研究和逐步解决。

七是全球电力市场化改革中，放松管制和去中心化成为一种趋势，一定电压层面的分散式电网管理模式和以此为基础的市场模式成为技术和管理发展的趋势之一，也为小型、局部电网或能源系统的发展提供了借鉴。

八是能源转型及其所带来的新的经济增长机会，吸引了大量投资商进入新能源、新增用户和增量配电网的建设领域。这些投资者既包括现有的发电企业，正逐步退出化石燃料发电方式，寻求新的发展领域；也包括民营企业，希望进入新能源领域，寻求经济增长点。这些新的进入者，对新能源相关的局部配电网投资意向强烈，推进了小型电网或能源系统形态的形成。

九是“双碳”目标任务分解到各责任主体是目前各级管理机构普遍而行之有效的做法，在此情景下，涌现了一批“零碳园区”“零碳能源互联网”“零碳工厂”的概念，催生了与之配套的局部能源系统和电网概念的提出。

二、区块电网的概念

要定义区块电网首先要定义微电网。微电网的定义，在国际上已有很多研究。美国、欧洲的研究机构分别提出大同小异的定义。其要义是：微电网是由具有清晰的地理和电力网络边界的连接着分布式电源、分布式能源（DERs）、储能和负荷，有智能信息系统支撑管理，可以在与外部电网连接运行或独立运行两种模式间自动切换的单一实体。关于微电网的规模与电压等级，不同的研究机构有不同的观点。其中有的研究机构提出：微电网应为低电压，小规模（几百千瓦至兆瓦），当规模达到兆瓦级时，称之为兆瓦级电网；也有研究机构把微网定义为具有上述微电网特性的配电网，而不刻意规定电压等级和容量规模。

基于上述定义，区块电网则是包含了若干个微电网的具有清晰的地理和电力网络边界的连接着分布式电源、分布式能源（DERs）、储能和负荷，有智能信息系统支撑管理，可以在与外部电网连接运行或独立运行两种模式间自动切换的单一实体。用一句简单的话来表述：具有清晰边界，能连网和孤网运行，能自主智能管理，规模适当的电网单元。

对于上述定义，需要说明几点：

一是是否需要规定区块电网的电压等级和容量规模？为有利于区块电网的发展，根据我国电网管理的实际情况，宜对区块电网的电压等级和容量规模进行规定（例如110千伏及以下，10万~20万千瓦容量及以下）。考虑到微电网与区块电网概念的协调关系，建议我国微电网定义中电压等级按220伏~10千伏，容量规模按小于30兆瓦界定。

二是为什么不用“区域电网”作为这种电网形态的名称？因为区域电网在我国已经被定义成由若干省级电网组成的电网。同时，区块电网在控制论意义上和端对端交易意义上，与区块链技术也不矛盾，不会产生误导。因此，区块电网的概念是有理由也是有优势的。

三是与虚拟电厂的关系。虚拟电厂严格来说应该是由集中控制运行的一组分布式电源组成的集合。虚拟电厂没有微电网的地域要求和规模限制，更加关注其在市场中的电厂特性，具有可以替代传统电厂的能力。就我国实际来看，如果虚拟电厂的集合中涵盖了电源以外的储能和负荷等元素，且具有清晰的地理和电力网络边界，则从市场特性（或外特性）看，可以认为是一个虚拟电厂，而从集合整体的电网特性看，可以认为是微电网或区块电网。因此，区块电网和微电网的概念具有广泛的意义。

四是与区域能源系统关系。区域能源系统是指在区块电网为边界的范围内，以区块电网为主体，以物联网连接多种能源供给、能源储存以及各种用能负荷，并用信息化管理系统调配能源的综合智慧能源系统，区块电网是区域能源系统的基础与核心。需要指出的是local energy communities在一些场合，翻译成了区域能源系统，实际上，应该翻译成地区能源联盟，是一个社会组织，而不是一个物理系统，主要任务是促进各种能源要素主体协商合作，处理地区能源事务。

三、区块电网的作用与影响

在新型电力系统建设过程中，优化电网结构以应对面临的新问题新挑战是一个重要的措施。笔者在以往的文章中曾经提出，未来的电网形态是：以优化利用新能源电力电量为重点，以支撑区块综合能源系统的区块电网为单元，城镇电网和电源基地局部电网为基础，负荷密集的受端电网为重心，超特高压电网为输送与交换平台的多电压等级、交直流并存、分层分区的新形态新模式。因此，区块电网在未来电网格局中有着重要的作用与地位，区块电网形态的形成与发展，有以下几个方面的效益：

一是环境效益，有利于利用风光等可再生能源发电和其他分布式能源，减少温室气体排放。

二是技术效益，有利于通过区块电网内部的电力交换，就地平衡电力电量，对大电网起到削峰填谷的作用；有利于电网末端的电压调节，降低配电网线损；更有利于提高用户可靠性，增加电网灵活性。

三是经济效益，有利于电力市场建设，通过区块电网可以发挥其聚合作用，以电源聚合体、储能聚合体或虚拟电厂方式参与市场交易。从长远看，如果政策允许，也可以利用区块链技术，实现区块电网内部的端对端电力交易；有利于减少电网扩容投入，降低用户用电费用；有利于带动微电网、区块电网的整体开发，成套设备技术升级、产业化发展，成为新的经济增长点，拉动投资。

四是管理效益，可以分解管理责任，通过规范的区块电网规划运行管理功能标准，以智能控制手段实现区块电网的自主管理，避免用户端网络发展的无序现象，大大降低新型电力系统的数据爆炸给管理方式和信息控制带来的管理困难。

区块电网是一个新型的电网形态，是新生事物，必将对电网管理模式、区块电网与主网的技术关系、安全防御措施架构、电力市场模式、用户电价形成机制等产生影响，要深入研究，先立后破，试点先行，有序推进。

四、区块电网形成与发展中要重视与研究的若干问题

区块电网形态是在能源转型和分布式新能源及其发电、储能等电力新技术发展的大趋势下应运而生的，有其必然性。但是如果不能合理界定区块电网与主网的管理、调度、技术、经济关系，无序发展，就难以发挥预期的效益与优势，反而成为电网管理的新难点。

为了区块电网的健康有序发展，谈几点想法：

一是区块电网与主网的管理关系。区块电网是用户端的网络，其管理可按照现行电网企业与用户、电厂的关系进行界定。区块电网可以与电网企业协商并委托管理，也可自行管理。但为保证电网安全稳定运行，政府应授予电网企业对区块电网的业务指导权和紧急状态下的处置权，具体内涵可以制定相应的规范。

二是区块电网的调度关系。因为区块电网含有电源、储能等，为保证区块电网的安全优质运行，理论上讲是需要调度的，那谁负责调度？根据区块电网的定义，成熟的区块电网应实现运行调度控制的自动化，其与主网之间可以按照虚拟电厂模式、负荷聚合商模式和孤网运行模式纳入上层调度的计划、安全与紧急状态管理。上层调度原则上不直接控制区块电网内部的设施，紧急状态情况下除外。

三是区块电网的信息采集与管理。区块电网应建立规范的数据库，记录区块电网的电源、储能、用户、电力网络和信息基础设施等的设备铭牌数据、运行状态数据等。数据库按照精益采集、分级使用、确保信息安全的原则，报送有关部门和上层调度，以确保我国电力统计数据的全面准确和电网运行的安全可靠。应制定区块电网信息采集与管理规范。要高度重视区块电网信息系统的信息安全问题，不宜将区块电网内的分布式电源信息直接纳入主网生产控制区。

四是区块电网的规划。区块电网的发展，特别是基于新园区的区块电网，应按照新型电力系统发展的要求进行规划，应在充分研究电力需求与分布、各种分布式电源发电特性、影响电力需求的分布式能源设施、储能、电动汽车等移动式储能设施（注意考虑充电和放电两种模式）的作用与影响等方面的基础上，按照与外部电网约定交换条件，以有利于区块电网地域内实现减碳目标，鼓励区块电网内部资源互通、就地平衡的原则，进行电力电量平衡和安全分析，优化电源结构、电网结构和智能化信息基础设施等，同时要计及主网应急处理、保证重点用户供电、需求侧响应、黑启动、孤网运行、端对端电力交易等影响。在规划方法上，采用与主网规划迭代协调的寻优方式。

五是区块电网的保供机制。要充分发挥区块电网在保证区块内用户供电可靠性方面的优势，服从与支撑主网安全防御体系，配置好主网要求的低频、低压切负荷措施和必要的切机或孤网运行措施；要按照与主网的交换计划，优化安排好区块电网的运行方式和安全措施；要按照保证区块电力平衡、稳定运行，分级保障重点用户供电的原则，制定孤网运行预案和黑启动预案。

六是区块电网的需求侧响应。需求响应是能源资源优化利用、电网削峰填谷、电力用户智能用电的重要手段。在区块电网形态下，区块内的用户如何参与需求侧响应？原则上，由区块电网作为一个集合体参与主网的需求侧响应，并由区块电网智能信息系统按照约定的规则在区块内完成相应需求调整与激励补贴的分解。

七是区块电网与电力市场。在区块电网形态下，电力市场包括外部电力市场和内部电力市场。在外部电力市场中，原则上，区块电网通过集合电源或储能等多种模式，以一个市场主体身份参与电力市场交易。内部电力市场的建立，对于鼓励分布式新能源发展具有十分重要的意义，其主要模式是以区块链技术为支撑，实现单一用户（或微电网）与其他单一用户（或微电网）间的直接交易。但是，这种内部电力市场模式的建立，需要相应的法律支撑和政策支持，应加快研究，审慎决策，先行试点，逐步推广。

八是区块电网与电动汽车。目前，电动汽车电池的功率已经达到几十千瓦到几百千瓦。乘用车的电池容量也根据续行里程的长短和车的大小不同，达到 40～100千瓦时。如果一个家庭用电设施按2千瓦计算，汽车电池可以保证20～50小时的用电，即使5千瓦的容量，也可以提供4～12小时用电。这样的保障供电的作用已经不可小觑了。特别是，汽车电池的安全性已经得到很好的解决，电动汽车推广的速度也非常快。因此，对于楼宇和社区来说，电动汽车可以成为区块电网保障供电和系统调节的重要资源，也自然而然成为大电网储能容量的重要组成部分。关键是要解决技术和激励政策问题。可否考虑建立“汽车-家庭微电网-楼宇（或社区）区块电网-大电网”逐级关系链，让汽车拥有者可以感受到直接效益，促进V2G发展？也就是说先从V2H（汽车对家庭）起步，让电动汽车的储能功能与家庭用电建立联系，采用实体或虚拟V2H系统，让电动汽车成为自家的备用电源和能源优化计划的调节电源。然后，实现V2B（汽车对区块电网），让电动汽车（也可以通过家庭微电网）在区块电网电力市场进行电力交易，从而发挥其在区块电网中的电力保障和错峰调节作用。再后，实现V2G，只要每个电动车愿意接入电网和互联网，通过合理有效的电价机制就可以实现V2G的各项理想功能。当然我们还需更广泛地建设便捷高效低成本充电桩，以及让电动车电池为家庭供电所需的接口或软件系统。

九是关键技术与政策问题。区块电网形态的形成与发展进程，取决于一些关键技术的成熟度，也取决于政策和法律问题的解决。在技术层面上，需要加快研究区块电网级别交流组网的生产模拟、稳定运行、电压控制、继电保护、自动解网技术与产品以及直流组网的相关技术，区块电网的SCADA系统与能量管理系统等区块电网智能信息控制系统也需要加快研发与标准化、实用化。此外，用于区块电网的新型储能的安全问题仍然需要高度关注。在法律和政策层面上，要解决区块电网内用户的电力交易许可的法律问题和区块电网所涉及的电价形成机制问题。

十是区块电网与区域能源系统。区块电网是区域能源系统或者说是综合智慧能源系统的基础，在相当一段时期内，区域能源系统或综合智慧能源系统应该是以区块电网为主体，以物联网技术为支撑的能源互联网。由于分布式能源发电规模小、地域分散、间隙性特性突出，由大电网集中管理消纳投资大、效率低。没有区块电网作为基础和支撑，综合智慧能源系统难以实现其应该具有的系统性、整体性、智慧性功能。通过区块电网加物联网技术，可以把用电、用热、用冷等用能形式与储电、储热、蓄冷和不同形式的发电、产热和供冷设施通过电网和物联网在现有技术基础上组成一个系统，并可以进行用能和二氧化碳减排优化，而且在用户服务上也可以基于智能电表实现多能表合一、能源计划等综合能源服务项目。因此，采用“包产到户”思路，以区块电网为平台就地实现源网荷储协调配置，并拓展带动各种能源形式的综合智慧利用，以期助力落实“双碳”目标，是能源变革中比较现实可行的重要措施。

五、结语

落实“双碳”目标，实施能源转型是整个社会和全球共同面临的一场革命，也是一个利益调整的过程，应该在能源变革中注意调整利益格局中各方的利益，以使得各方面都积极适应改革而不是相反。在能源革命的大潮中，区块电网会逐步得到发展，这是一个由技术进步决定的趋势，我们要从电力是国民经济的基础产业，也是惠及民生的保障设施的角度，认真面对这个趋势。应制定相应的政策和激励措施，保障相关企业保持合理收入，以鼓励相关企业主动适应新的变革，有关方面还应拿出更多的研发经费，推进区块电网相关的科研课题研究工作。