文_中國工程院院士 郭劍波
21世紀的能源安全將是以電力為主的全面能源安全，電力系統(tǒng)將是這一變革的中心環(huán)節(jié)。
20世紀出現(xiàn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)是人類工程科學史上最重要的成就之一，讓人類生產和生活方式產生了顛覆性的改變。進入21世紀以來，化石能源逐漸面臨枯竭，全球氣候變化與環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴峻，已成為未來人類面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一。世界主要國家也紛紛將能源安全納入國家戰(zhàn)略，加快推動能源轉型。
能源清潔低碳轉型將帶來能源生產和能源利用的再一次變革，對人類生產和生活產生深遠的影響。20世紀的全球能源安全框架是以石油為基礎的，而21世紀的能源安全則將是以電力為主的全面能源安全，電力系統(tǒng)將是這一變革的中心環(huán)節(jié)。
能源安全關系國家安全。我國能源供給和消費的結構性矛盾突出，必須加快推進能源生產和消費革命，增強我國能源自主保障能力。在生產側，降低煤炭和石油占比，提高可再生能源比例（主要轉化為電能利用）；在消費側，提高電能在終端能源中的比重，在交通、建筑、工業(yè)等領域加快電能替代。據(jù)預測，我國電力占終端能源消費比重將從目前的26%提高至2050年的45%~50%。要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
認識新型電力系統(tǒng)革命性變化
由于新能源利用小時數(shù)低，高比例新能源電量場景需要數(shù)倍于負荷的新能源裝機容量。豐饒的市場形態(tài)也必將催生新的交易機制、商業(yè)模式，帶來物質鏈、信息鏈和價值鏈重塑。這將對電力系統(tǒng)的規(guī)劃設計、生產管理、運行控制帶來一系列革命性變化，需要從多方面開展探索和研究。
機理認知。由于新能源的強不確定性和低保障性，要重新審視系統(tǒng)安全的定義和理論，保障電力系統(tǒng)供給安全（總量、結構、分區(qū)）、運行安全、生命線安全（極端條件下的安全）。高比例新能源電力系統(tǒng)中多狀態(tài)變量耦合、多時間尺度交織、非線性特征明顯、動態(tài)特性復雜多變，需要加大對穩(wěn)定基礎理論的研究。
系統(tǒng)構建。新能源高占比的電力系統(tǒng)，新能源需實現(xiàn)從“并網”到“組網”的角色轉變。新能源發(fā)電機組要實現(xiàn)頻率、電壓、慣量等主動支撐，對新能源設備、運行、控制的標準體系以及新型電力系統(tǒng)的構建技術條件提出了新要求，是未來需重點解決的問題。
電網規(guī)劃。規(guī)劃方面，亟需強化國家層面的規(guī)劃及強制性作用。確定性規(guī)劃要向概率性規(guī)劃轉型，難點是統(tǒng)計數(shù)據(jù)和標準。規(guī)劃階段必須加入市場規(guī)則，讓輔助服務能力提供者和生產電量者都獲利。亟需研究適應能源轉型的法律法規(guī)以及相應的技術規(guī)范，面向系統(tǒng)的普遍技術要求需與接入系統(tǒng)所有利益主體的普遍強制性要求相匹配，如電源布局、負荷耐受水平等，用戶的特殊要求應采用特殊電價。
穩(wěn)定控制。運行控制方面，按預案運行和防御需要向基于狀態(tài)感知、趨勢分析的自適應和分區(qū)層次化主動防御轉型。為克服含高比例新能源的新型電力系統(tǒng)設備數(shù)量多、分布廣、可控性差、不確定性等難題，需要清晰的電網結構、創(chuàng)新安全穩(wěn)定控制方法和理論，同時應用“大云物移智鏈”等新技術，加強源網荷儲特性的動態(tài)匹配和協(xié)同及預防性控制。
高比例新能源電力系統(tǒng)的供需匹配需考慮供需雙側的不確定性。高比例新能源下供需雙側不確定性具有決策依賴性。在新能源發(fā)電功率預測技術研究的基礎上，還需研究考慮決策依賴的新能源發(fā)電不確定性評估方法，支撐高比例新能源電力系統(tǒng)安全運行。
標準規(guī)范。為解決調節(jié)能力不足的問題，需要通過對源、網、荷側進行改造提升和協(xié)調優(yōu)化，增加系統(tǒng)內的靈活調節(jié)資源、發(fā)揮互聯(lián)電網對新能源出力的尺度平滑作用，促進新能源發(fā)電的高效消納。為實現(xiàn)源網荷協(xié)調，除了需要克服技術難題，還需要完善標準規(guī)范、政策機制。
電力市場與政策機制。新能源發(fā)電的不確定性、低邊際成本特性，使得新能源高占比場景中，電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出。豐饒的市場形態(tài)將催生商業(yè)模式，以及物質鏈、信息鏈和價值鏈重塑。市場和政策機制設計需要考慮新能源與常規(guī)電源以及用戶的配合機制，協(xié)調市場內多利益主體，實現(xiàn)價值提升和價值創(chuàng)造。
高比例新能源的接入，增加了電力系統(tǒng)對備用、調頻、無功等輔助服務的需求，應考慮建設容量市場，鼓勵常規(guī)電源承擔輔助服務，補償其利用小時降低的損失。此外，在市場設計中需要研究考慮新能源接入的輔助服務需求計算方法，合理界定新能源應該承擔的輔助服務義務，并在規(guī)劃設計階段加以考慮。
熱、冷、氣等能源深度耦合和工業(yè)、交通、建筑的深化電能替代，使新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)多利益主體關聯(lián)，多環(huán)節(jié)、多過程耦合，多能源共存的特征，需要構建以電網為樞紐的綜合能源系統(tǒng)，系統(tǒng)性應對和協(xié)調解決各種技術、機制問題，包括管理機制、技術需求、市場模式等多方面的挑戰(zhàn)。
跨學科融合與新技術應用。數(shù)字孿生和人工智能為高比例新能源系統(tǒng)的認知和控制提供了新的手段。利用數(shù)字孿生構建與物理能源電力系統(tǒng)實時聯(lián)動的數(shù)字運行體系，利用數(shù)字系統(tǒng)提升對物理系統(tǒng)的認知、診斷、預測、決策和管理水平。人工智能可應用于能源電力多個領域，應對復雜性和不確定性，提升系統(tǒng)的智能化水平。
系統(tǒng)動態(tài)平衡將更多引入基于信息交互的協(xié)同平衡機制。電力系統(tǒng)的網絡化和信息化使信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進一步融合，開放性與多元化使其與人類社會活動和外部環(huán)境交織耦合，呈現(xiàn)信息物理社會系統(tǒng)（CPSS）特性。除了通過監(jiān)測感知系統(tǒng)環(huán)境及變量變化，感知信息物理系統(tǒng)的安全風險和運行態(tài)勢，還需關注社會經濟、人類行為等對系統(tǒng)帶來的影響。
高比例新能源系統(tǒng)的運行控制高度依賴低延時、高可靠的信息通信網絡，但其網絡終端多、網絡結構復雜、業(yè)務開放廣泛、信息內容多樣、網絡暴露面廣，對系統(tǒng)網絡安全防御帶來極大技術挑戰(zhàn)。網絡戰(zhàn)已經成為未來國家之間戰(zhàn)略威懾和戰(zhàn)爭沖突的重要表現(xiàn)形式之一。電力系統(tǒng)作為國家關鍵基礎設施，其網絡安全關系能源電力安全，乃至社會穩(wěn)定和國家安全。
隨著新能源發(fā)電的技術進步，成本將進一步降低，可以預期新能源必將迎來持續(xù)較長時間的高速發(fā)展期，將從局部地區(qū)開始，逐漸形成一個新能源電力和電量高占比的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)不確定性增大、非線性和復雜性增加、動態(tài)過程加快、多時間尺度耦合、可控性變差，新能源消納和電力系統(tǒng)安全的矛盾突出。新能源將成為能源轉型的中堅力量，就需要承擔相應的責任和義務，推動構建新型電力系統(tǒng)。
創(chuàng)新驅動建設智慧能源系統(tǒng)
新能源發(fā)電具有強波動性和不確定性、低能量密度、低利用小時數(shù)、低抗擾性、弱支撐性、控制響應快和可塑性強、低成本等特點，與常規(guī)能源發(fā)電有顯著不同。
新型電力系統(tǒng)將實現(xiàn)新能源高占比電力和電量場景，電力系統(tǒng)電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出，需要通過體制機制創(chuàng)新，形成新的商業(yè)模式、新業(yè)態(tài)。新能源發(fā)電特性與常規(guī)電源的差異，將引起系統(tǒng)特性和有功、無功平衡機制發(fā)生巨大變化，需要通過創(chuàng)新技術標準體系，構建高比例新能源電力系統(tǒng)。新能源出力大幅波動將給電力系統(tǒng)運行控制帶來巨大挑戰(zhàn)，需創(chuàng)新應用“大云物移智鏈”等技術，實現(xiàn)新能源高效消納和電力系統(tǒng)安全運行。為消納高占比、強不確定性新能源，需要通過拓展電力利用、多能互補和能源綜合利用，構建呈現(xiàn)能源互聯(lián)網特征的新型電力系統(tǒng)。
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一個復雜的、巨型信息物理社會系統(tǒng)（CPSS），也是一個智慧能源系統(tǒng)，面臨的問題和挑戰(zhàn)更加廣義、更加復雜。
科技創(chuàng)新是構建新型電力系統(tǒng)、應對高占比新能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)、破解能源轉型發(fā)展難題的重要途徑。我們要通過加大科研投入、基礎前瞻性研究、學科交叉與合作、基礎設施和人才隊伍建設等舉措，實現(xiàn)體制機制、標準規(guī)范、規(guī)劃設計、建設運行以及商業(yè)模式等方面的創(chuàng)新，支撐我國能源安全和能源轉型。
（中國電力科學研究院有限公司郭劍波院士研究團隊對此文亦有貢獻）
