服务新型电力系统建设目标下绿色电力生产关系构建的探讨

生产力指人类利用自然、改造自然的能力，生产力的不断发展持续推动着人类社会的发展进步。自第二次工业革命以来，电力的应用及电力系统的发展已成为能源领域生产力发展的重要代表。近十几年来，超超临界燃煤发电、高温气冷堆核电以及特高压交直流输电等技术突破进一步推动了电力行业生产力的发展。当前，随着人类对气候变暖和环境保护的日益重视，以及在可再生能源发电技术方面的技术迭代和进步，使得能源电力行业的工作重心逐步转向促进绿色生产力的发展上来。相较于传统生产力，绿色生产力注重利用风电、光伏等可再生资源，减少对化石资源的依赖，符合历史的发展方向以及人与自然和谐共生的追求。与此同时，由于风电、光伏发电的波动性和随机性等特点，目前在推进绿色生产力发展方面还存在一定的问题和困难。

（来源：北极星电力网 作者：国网山东省电力公司 张辉）

电力系统的能源供应由传统的化石能源逐渐向可再生能源发电转变，这其中不仅仅是发电形式的变化，由于可再生能源发电与用电需求在时间上的不匹配性，随着其大规模使用，可再生能源的利用方式及电网运行模式将发生深刻变化。传统的电力系统为解决发用电的空间分布，以及最为关键的电力瞬时平衡特性而进行构建，当前及未来亦需要有效解决发、用电间的时间分布问题，这仍然需要站在整个系统的角度去考虑源网荷储等各方的组织和协同。换言之，在电力系统中，围绕传统生产力的发展，构建了与之适应的发供用生产关系，而随着传统生产力向绿色生产力的转变，亦需要构建新型绿色生产关系与之相协调适应。

一、新型电力系统与传统电力系统的区别

区别于传统电力系统，新型电力系统主要表现为发电侧的清洁替代以及负荷侧的电能替代。虽然从形式上看，只是可再生能源发电和用电在“量”上的增加，但从内涵上看，所增加的发用电规模及其自身的特性已对系统运行和组织体系带来“质”的变化。

1.电力、电量平衡

传统的电网运行是建立在以“用”定“发”原则上的，海量用户在整体上表现出了较强的规律性，用电负荷曲线的轮廓和走势在季节上、每日的时段上均有着较好的稳定性，通过对负荷整体的预测，来安排发电机组组合，并考虑负荷的波动和机组可能出现的跳闸或非计划停运而留有一定的发电备用容量。

可再生能源发电的大规模使用，因其不具备传统能源发电的“时用时发”的特性，需要在系统中配置储能以及可调节资源以腾挪电力的供应和需求。在新型电力系统中，电力的生产和消费已不再实时平衡，而电力每时刻的供应和使用又必须是平衡的，电力的生产与供应、消费与使用之间已然产生了区别。

在负荷侧，由于未来大量储能的参与，其充电状态下的负荷将与原有负荷相叠加，同时各类可调节资源及未来多能源系统互动也将引起负荷曲线的变化。在发电侧，新能源出力具有随机性、波动性，储能的放电也将随着新能源的出力及负荷的变化而进行动态的调节。原有的负荷预测、出力平衡及机组安排，均是建立在确定的负荷特性以及基本确定的电源组成基础之上的，而未来需要在动态的负荷、动态的发电出力中去寻求电力供应和使用间的平衡。这一区别和变化将对电力系统的核心运转方式，即电力、电量的日平衡及月度、年度平衡带来根本性的改变。

2.电网规划与运行

未来在负荷侧，能源、交通、建筑等领域将深入开展电能替代工作，用电负荷的大幅增长以及其在时间空间上的叠加效应将对电力系统带来挑战。以电动汽车为例，汽车电动化将是未来交通运输业低碳化发展的重要趋势，未来将有大量车辆在社区或驻地充电，傍晚时分充电负荷将与用电高峰负荷产生叠加。按照传统电力系统规划思路，将通过增加配电变压器以满足负荷需求，同样自配电变压器以上的各电压等级设备均要相应进行增容。

在广泛电能替代的背景下，刚性满足负荷需求将带来系统建设成本的极大上升，传统的峰谷电价调控手段也难以有效解决大量负荷的时空集中问题。在未来需要依靠市场手段和智能化技术有效促进负荷的柔性分布，而其实现需要建立在对电力系统各级网络及节点系统优化统筹基础之上。

传统电力系统中，电能通过电源经过电网输送至负荷，电能的流动具有较强的方向性。新型电力系统中，储能将在源网荷侧广泛分布，储能及可调节负荷将灵活地与可再生能源发电进行互动，其结果将使得电网潮流具有较强的变化性。传统的电网规划和运行思路，是考虑负荷的增长及电网的潮流变化而增加新的输配电线路及变压器，而未来，需要在传统发电、可再生能源发电、储能及可调节负荷等互动中开展各级电网的优化建构，这一变化也是根本性的。

二、新型电力系统建设的几点思考

1.“上”和“下”的关系

电力平衡、电网规划需要建立在负荷预测的基础之上，传统的负荷预测是对用电情况从宏观上进行数据分析和预测，在高度互动化的新型电力系统中，微观个体的参与行为将无法忽略。类比于近几年流行的社区生鲜团购，传统的生鲜购买方式下，批发商根据市场情况宏观预测用户需求，生鲜店铺批发后向用户销售，而生鲜电商团购方式下，个体用户提出消费需求，电商平台整合用户需求，进而实现从田间地头到用户餐桌的精准匹配，产销方、物流方及用户高效闭环，资源得以充分优化配置。同样，在新型电力系统中，电源、负荷间的互动性将改变传统负荷预测的方式，需要建立“自下而上”的负荷预测体系，大数据、云技术技术将在此发挥支撑作用。电力平衡、电网规划等亦需要建立在微观个体之上，形成围绕源网荷储为整体、“上下协同”的闭环体系。

2.“大”和“小”的关系

单个分布式电源或负荷虽然容量规模较小，但是海量并网所产生的发电出力或集中用电所集聚的负荷规模是巨大的。与大型电源、大型用户不同，分布式电源或负荷在空间和时间分布上的具有非常高的分散性，采用传统的集中控制的方式和手段，往往难以取得较好的效果。未来新型电力系统中，一定数量的大容量电源及负荷与数量庞大的分布式电源及弹性可变的小微负荷并存，电网的运行需要同时兼容“大”和“小”的控制方式，并能够实现“大“和”小”之间的协调互动，包含集中与分散控制的方式将在此发挥作用。未来，电网元件将充分纳入物联网，终端节点将发用电等信息传输之上级节点，上级节点将统筹优化所有下级节点信息，并与更高一级节点进行互动。分散控制具有处理海量信息的能力，并能兼顾电源、负荷的就地平衡以及电力系统各级线路、变压器、网络的相关约束，同时集中控制将与分散控制相结合，实现系统运行的高效协同。

3.“远”和“近”的关系

近些年来，传统行业已经逐步通过互联网思维和先进的通信技术进行重塑。因为规模庞大的电力系统规具有较强的发展惯性，加之这一领域十分严格的安全要求，面对改革和创新，电力系统的发展、进步在多数情况下都是在现有基础上进行微小的调整或者是通过充分的论证进而实践、推广而来的。新型电力系统建设背景下，面对存在的诸多困难和需要解决的问题，需要充分利用数字化、信息化的理念和技术对源网荷储各环节及电网运行控制进行实质性的创新和突破，同时仍需坚持审慎的态度，以保障向新型电力系统迭代过程的各个阶段的安全、可靠及稳定运行。在这一过程中，面向“远”期新型电力系统系统建设的目标，需要充分强化顶层设计，用系统思维、全局思维方式充分考虑系统的环节、流程及各参与个体的互动，对遇到的各类问题应统筹研究，而非孤立的形成局部的解决方案，从而有效避免措施的“推倒重来”和资源的浪费。对于“远”期目标，应充分论证形成发展框架及建设思路，同时立足当前，分阶段开展实施，做到“远近结合”，并不断进行迭代。

三、绿色电力生产关系探讨

如同当今世界的一件普通商品一样，它来到我们面前，其功能和作用可能未发生改变，但背后所生产制造出这件商品的的生产方式，以及相关的销售方式、物流模式已发生根本性变化。电能这种特殊的商品，将持续对于用户提供标准且可靠的电力供应，但在新型电力系统下，整个电能的生产、消费流程和组织流程都将发生深刻变化，新的绿色电力生产关系将在这一过程中不断优化构建。

1.生产、消费关系

传统电力系统中，发电、用电方在电力生产、消费关系及电力供应关系上普遍具有单向性。当前及未来，大量传统用户将配置分布式电源，同时用户的储能及可调节负荷也将参与系统的互动，系统中大量存在着既是电力消费者又是电力生产者的参与方。传统的买卖关系将发生变化，电力生产、消费价值将不再仅仅与电价和电量有关，市场以及电力的生产和消费的互动性将对电能的价值体现产生较大的影响。

2.组织关系

电网不仅是能源交换的平台，也是各类生产关系的组织平台，新型电力系统背景下，电网这一平台将发挥更加关键的作用。从电力流层面，可再生能源发电通过电网，利用储能、可调节负荷以及多能源系统互动而实现高效利用；从经济流层面，各参与方通过电网，在市场组织及定价规则下适配各类发、用电意愿，实现整体效益最优；从信息流层面，海量发、用电信息及电网网络信息、节点信息通过电网平台基础之上叠加的信息网络，实现信息的交互、运算，为系统运行提供支撑。除了提供网络化、互动化、市场化的平台服务外，电网平台作用的发挥还需同时兼顾电力区别与传统商品的时间空间特性及安全稳定特性等方面的要求。

1）时间空间特性

因电力生产和消费在时间上的不平衡性，需要电网平台进行有效地组织，利用储能、可调节负荷及多能源网络互动等以满足电力供应和使用的实时平衡。储能设备在某一时段的充（放）电，也必然需要考虑在何时放（充）电，可调节负荷的调节性也同样体现在用电需求从某一时段向另一时段的转移，电力生产和消费的有效组织将与时间形成较强的耦合性，这与传统的以化石能源为主的电力系统与时间基本解耦的特点产生本质区别。

在空间方面，接入系统的电源、负荷及储能分布在网络的各个电压等级及不同的位置，其能量传输与交换均需要建立在节点和网络约束基础之上。由于新型电力系统中电网潮流流动具有多向性的特点，网络约束的作用不再是单向流的叠加约束，而是建立在能量互动上的约束，这与传统电力系统中对于空间边界条件的考虑亦产生较大的区别。

电力的平衡不仅要考虑时间的耦合，还要考虑各类设备的空间分布，而实际上，未来新型电力系统的组织方式更重要的是体现在如何有效地利用时间和空间的特性，在时间和空间中进行高效转换。可再生能源在某一时间的集中生产，需要组织遍布全网的储能及负荷对其进行利用，以空间换时间。同样，负荷在某一时间的集中用电，在超出节点和网络的空间约束时，需要有效对负荷及储能进行组织，实现在用电时间的优化，以时间换空间。

电力市场将成为解决上述问题的重要手段，通过电价的引导实现能量在时间和空间上的腾挪。当前正在稳步推进的电力市场改革的初衷是为推动传统电力系统的市场化，而在可再生能源发展如火如荼的今天及可以预见的未来下，电力市场的运行机制和方式需要站在新的视角下进行构建。未来电力市场，将在精准预测可再生能源出力和负荷的基础上，实现对储能、可调节负荷及多能源系统的优化调配，以整体、局部最优为目标，各参与方均能在市场中获得可持续的收益或参与效益，充分实现能源利用的低碳化及经济性、高效性。

市场能够发挥强大的资源配置作用，同时由于电力商品的特殊性，其有着区别与传统商品的不同特点。传统商品的生产、供应和消费之间均存在着延迟，商品通过市场的配置作用完成消费，并允许在一定情况下出现短缺或通过同类商品的替代以满足市场，以此实现生产和消费的动态平衡。而在电力系统中，电力的供应和使用基本为瞬间完成，且因电力在社会中的基础作用，公众对短缺的容忍度非常低，因此对电力供应及电力平衡的刚性满足的要求是非常严苛的。除了依靠电力市场实现资源优化，系统本身亦需具备较强的宏观统筹能力，以充分应对面对市场失灵、极端天气、突发事件等对于系统控制的影响，实现计划与市场的有效结合。

2）安全稳定特性

电力系统的运行不仅要考虑有功的平衡，还需要具备维持频率稳定、电压稳定、功角稳定及有效抑制震荡等能力，以确保电力系统运行的安全性。传统电力系统的安全稳定特性是建立在常规能源物理特性基础上的，随着可再生能源的大规模发展，保持电力系统的相关稳定特性亦面临较大挑战。在稳定控制方面，常规同步电源具有转动惯量和电压支撑能力，可再生能源替代常规电源的同时，大量电力电子元件接入系统，电力系统转动惯量下降，可再生能源发展与电网安全稳定之间存在亟待解决的问题和矛盾。

安全稳定是电力系统运行的硬约束，绿色生产关系的构建同样需要处理好可再生能源发展和电网安全稳定特性之间的关系，在可再生能源对传统能源逐步替代过程中，需要逐步实现基于新型电力系统物理特性的安全稳定方式、方法的重构。当前及未来一定时期需要保留一定的传统发电构成，以维持系统稳定能力，而从长远来看，传统发电形式与其所具备的电网安全能力将发生分离，需要在新的电力系统构成方式下深入研究电力系统安全稳定的本质及新的稳定能力实现方式，推动电力系统稳定控制方式的创新、突破和发展。

四、展望

在可控核聚变等终极能源利用技术成熟应用之前，电力系统仍将在未来几十年间保持现有的网络形态，而面对绿色生产力的发展，其将有效利用当前各领域最新的技术进行升级，并充分结合电力系统的自身特性而进行构建。可再生能源将通过储能及可调节负荷、多重能源网络在市场和运行机制的构建下，实现时间和空间上的统筹平衡，系统在高度的互动性中体现处稳定性、经济性，高效、清洁、智能的能源系统将为社会的进步和发展以及人民对美好生活的向往提供重要支撑和保障。