中國儲能網(wǎng)訊：2021年7月以來，國家電網(wǎng)有限公司東北分部已連續(xù)下達20余次有序用電預警，由于調減外送電保持了東北地區(qū)電力平衡，前12次有序用電沒有實施。但進入9月后電力供需形勢更加嚴峻，再加上無法調減外送，從9月10日起東北三省一區(qū)開始執(zhí)行有序用電，限電問題引起全國關注。據(jù)不完全統(tǒng)計，今年9月以來全國已經(jīng)有近20個省份出臺了力度不等的限電措施。
與此同時，全球能源危機愈演愈烈，歐洲、美國、亞洲遭遇能源供需矛盾的沖擊，天然氣、原油、動力煤價格均大幅上漲。當前的形勢使很多人擔心能源危機是否會再次引發(fā)全球性通脹或滯脹危機。
我國針對能源危機采取了一系列行之有效的措施。國資委黨委10月18日召開擴大會議，對中央企業(yè)進一步做好今冬明春能源電力保供工作進行再部署、再安排。會議強調，國資委出臺了今冬明春能源供應保障考核獎懲辦法，把保供作為今年企業(yè)考核的主要指標，實行“一票否決”，進一步推動企業(yè)擔當履責，為能源保供多作貢獻。為做好煤炭市場保供穩(wěn)價工作，10月19日，國家發(fā)展改革委組織重點煤炭企業(yè)、中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國電力企業(yè)聯(lián)合會召開今冬明春能源保供工作機制煤炭專題座談會，研究依法對煤炭價格實施干預措施。
當前的能源供需形勢與所謂“能源不可能三角”有關?！澳茉床豢赡苋恰庇卸喾N不同的解釋，但總體內涵大同小異，即任何一種能源都不能做到既供給充足、又價格便宜、還清潔環(huán)保，或能源安全、能源平等和環(huán)境可持續(xù)性不可能同時實現(xiàn)。本文擬從當前限電限產(chǎn)的局勢剖析“能源不可能三角”的本質內涵，并初步探討破解之道。
現(xiàn)代能源電力系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡結構
能源電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展中最重要的基礎產(chǎn)業(yè)，不僅關系到國家經(jīng)濟安全的戰(zhàn)略問題，也與人們的日常生活、社會穩(wěn)定密切相關，因此其體制機制改革必須慎之又慎。能源電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性是一體兩面，而經(jīng)濟性建立在安全性的基礎上，離開了安全性，能源電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性就無從談起。因此，為在保證安全性的前提下提高經(jīng)濟性，需要對其物理、經(jīng)濟、社會等特性進行深入分析。
市場化后的能源電力系統(tǒng)成為復雜的“工程—經(jīng)濟”耦合系統(tǒng)，也是目前世界上規(guī)模最龐大、因素最復雜、資金和技術最密集的系統(tǒng)。市場元素的加入使得原本就已十分復雜的能源電力系統(tǒng)變得更加復雜，各種關系交織在一起，難以厘清，需要尋求有效的分析方法。與其他商品市場不同，能源的生產(chǎn)、儲運、配售、消費往往需要通過各種類型的網(wǎng)絡來進行，如電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃氣網(wǎng)等。由于本質上這些網(wǎng)絡傳遞的都是能量，只是表現(xiàn)形式不同，所以可以統(tǒng)稱為能量網(wǎng)絡。能量網(wǎng)絡包含不同類型能源的子網(wǎng)（電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃氣網(wǎng)等），而各種子網(wǎng)之間又通過能量轉換設備（比如發(fā)電機、泵、空調和熱水器等）相連。由于信息通信技術的飛速發(fā)展，在物理層面的能量網(wǎng)絡的基礎上，又可建立基于傳統(tǒng)自動化、互聯(lián)網(wǎng)技術和“大云物移智鏈”等新興技術的信息網(wǎng)絡，以對能源生產(chǎn)、儲運和利用設備進行調控。而電力與能源商品的交易及價值傳遞形成價值網(wǎng)絡，它是電力與能源價格體系的基礎，并且受能量網(wǎng)絡的物理規(guī)律和信息網(wǎng)絡的優(yōu)化模型制約。因此，現(xiàn)代能源電力系統(tǒng)形成如圖1所示的電力與能源系統(tǒng)三層網(wǎng)絡結構，這三層網(wǎng)絡是緊密耦合、相互關聯(lián)的。
下面以節(jié)點電價和分區(qū)電價電力市場為例，說明現(xiàn)代能源電力系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡結構。節(jié)點電價的典型定義包含3個分量：
節(jié)點電價=系統(tǒng)能量價格+阻塞價格+網(wǎng)損價格
節(jié)點電價理論是基于經(jīng)典的優(yōu)化調度模型、在各種約束條件滿足的情況下的資源優(yōu)化配置電價，所以它與經(jīng)濟調度和最優(yōu)潮流有著深刻的聯(lián)系。最優(yōu)潮流（或安全約束經(jīng)濟調度）模型求解過程中對應節(jié)點有功功率的拉格朗日乘子（影子價格）即為節(jié)點電價。看起來節(jié)點電價似乎很完美，但必須指出的是，節(jié)點電價是完全基于“工程師思路”而設計的，對電價體系的社會經(jīng)濟特征體現(xiàn)不夠。
節(jié)點電價所采用的物理潮流模型屬于圖1中第一層（能量網(wǎng)絡層）的網(wǎng)絡模型，基于它所建立的最優(yōu)潮流（或安全約束經(jīng)濟調度）模型屬于圖1中第二層（信息網(wǎng)絡層）的模型，此時兩層網(wǎng)絡模型的拓撲結構是相同的。但電能商品的交易關系包括比物理電網(wǎng)更多的社會和經(jīng)濟屬性，即第三層（價值網(wǎng)絡層）的關系，它并不服從物理潮流定律，拓撲也未必與物理網(wǎng)絡相同。電能商品價值網(wǎng)絡與物理電力網(wǎng)絡的關系可用圖2來表示。節(jié)點電價主要在以美國為代表的電力市場中得到應用，而在歐洲電力市場主要采用分區(qū)電價。
分區(qū)電價體系設計更多地體現(xiàn)了經(jīng)濟學家的思路，其價區(qū)劃分不僅僅是物理電網(wǎng)約束，還有社會經(jīng)濟方面的考慮并涉及到國際貿易，體現(xiàn)出一個不同于物理電網(wǎng)的價值網(wǎng)絡的存在（其拓撲與物理電網(wǎng)也不同）。價區(qū)劃分既涉及市場公平性問題，也與輸電網(wǎng)物理阻塞有關。
能源供給與消費的價值規(guī)律和價格體系
能源問題關乎國計民生，如何實現(xiàn)能源的高效、清潔利用是各個國家所關注的熱點問題。改革開放以來，我國歷次能源體制改革的初衷都是打破壟斷、引入競爭、提高效率、降低成本、改善服務，但由于多方面的原因，我國能源價格體系市場化目標的實現(xiàn)依然困難重重。
能源產(chǎn)品比價關系是能源價格體系的核心問題。不合理的價格管制和割裂的政府管理扭曲了能源價格水平以及不同種類能源產(chǎn)品之間的比價關系，難以實現(xiàn)對不同種類能源的高效配置，也無法保證能源結構優(yōu)化及可持續(xù)發(fā)展。為實現(xiàn)節(jié)能減排，我國安排了大量專項資金進行整治，但效果卻并不理想。其原因之一是能源價格體系本身就存在大量轉移支付和交叉補貼，而不同部門之間也缺乏有效溝通和合作，弱化了各種政策的協(xié)同效果。
價格是價值的外在表現(xiàn)，能源價格形成機制設計也應建立在其價值規(guī)律的基礎之上。“價值問題”具有理想性（即回答“最理想的價格應該是什么”），而“價格問題”具有現(xiàn)實性（各利益主體將基于價格進行真金白銀的結算）。在計劃經(jīng)濟模式下，最理想的能源價格水平應等于其真實價值；在市場經(jīng)濟模式下，能源市場價格應圍繞其真實價值上下波動。在當前的形勢下，能源產(chǎn)品比價關系問題應引起各方高度重視。
各國能源價格體系的實際比價受到資源稟賦、市場結構、供需形勢、政策干預等多種因素的共同影響。按照國際通用的方法，根據(jù)熱值計算各類能源的價格比，世界范圍內煤炭、石油、天然氣之間的比價大致為1∶1.5∶1.35，而我國動力煤、石油和天然氣的比價約為1∶4.5∶2.7。相對而言，我國煤炭較油氣價格偏低，而天然氣較石油價格偏低，較煤炭價格則偏高，不利于更清潔環(huán)保的天然氣的開發(fā)利用。
價格體系的核心作用在于引導供需平衡和優(yōu)化生產(chǎn)、消費，我國現(xiàn)行能源價格體系在原油與成品油、煤炭與電力、天然氣與電力等上下游能源產(chǎn)品之間形成了多種價格屏障，其主要目的是為了減少外部沖擊，維持有利于工業(yè)化發(fā)展的能源比價水平。但是這種價格屏障同時也切斷、扭曲、異化了多種能源產(chǎn)業(yè)的上下游關聯(lián)性，使得各種成本、價值及供需關系無法沿價格鏈條順暢傳導，能源產(chǎn)品的替代性與互補性也不能經(jīng)由價格聯(lián)動和反饋機制表現(xiàn)出來。
能源供給與消費的價值規(guī)律涉及能量傳遞、轉換的基礎物理規(guī)律?，F(xiàn)階段對供能系統(tǒng)的分析方法主要有能量分析法和?分析法。能量分析法的關注重點在于能量“數(shù)量”上的變化，但由于熱力學第二定律所揭示的過程不可逆性，能量在傳遞、轉換過程中對外做功的能力會不斷下降，即能量的“品質”會不斷下降。僅考慮能量數(shù)量的變化而忽略能量品質的變化，無法真正指導科學用能。
?是能量對外做功能力的量度，指當系統(tǒng)由一任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，理論上可以無限轉換為任何其他能量形式的那部分能量。節(jié)能本質上是要實現(xiàn)節(jié)?。?分析法關注能量傳遞轉換過程中?的變化，給出供能系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的?損分布情況，充分發(fā)掘供能系統(tǒng)的節(jié)能潛力。?分析法和能量分析法都是從供能系統(tǒng)的能耗特性角度進行分析，但是在實際應用中，供能系統(tǒng)的經(jīng)濟特性具有同等甚至更高的重要性。因此，研究人員在供能系統(tǒng)性能分析的過程中采用了?經(jīng)濟學的分析方法，綜合考慮供能系統(tǒng)的熱力學性能和經(jīng)濟效益兩方面，力圖在保證經(jīng)濟性的前提下最大程度地實現(xiàn)節(jié)能。
各類能源合理比價關系的確定需要建立在?經(jīng)濟性優(yōu)化的基礎之上。由于加熱爐轉換過程中?的損耗和排棄，使輸出的有效熱流?在數(shù)量上遠小于燃料化學?。但是燃料?的成本和價值必定全部轉移到輸出熱流?中來，再加上加熱爐投資折舊和工資、管理費用等非能量成本，致使單位熱流?的成本將成倍高于燃料化學?，并因設備的不同而不同。在這個過程中?越來越少，但是單位?的成本將越來越高。多個這樣的設備組成的供能系統(tǒng)的?流及相應的成本、價值變化也將形成一個價值網(wǎng)絡，應作為能源價格體系制定的基礎。通過合理確定燃料（化學?）價格、供熱（不同溫度的熱流?）價格的比價關系，能使供能系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟性達到統(tǒng)一，即使節(jié)能率與“節(jié)資率”相近或一致。由于在這種能源價格體系下“節(jié)能”與“省錢”具有等價關系，將促進節(jié)能技術的開發(fā)和應用。
電力、熱力、石油、燃氣等能源產(chǎn)業(yè)都具有網(wǎng)絡化特征，其價值傳遞和轉換既受經(jīng)濟學規(guī)律支配，也受物理學規(guī)律制約，因此形成復雜的價值網(wǎng)絡，目前尚未被政策制定者充分認識。深入分析和理解電力與能源價格體系中價值網(wǎng)絡的基本規(guī)律，并作為各種比價關系優(yōu)化和能源價格體系制定的基礎，既有利于能源效率的提升，也有利于能源產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟社會的健康可持續(xù)發(fā)展。
以能源生產(chǎn)關系變革和生產(chǎn)力提升破解“能源不可能三角”
2014年6月13日，習近平總書記在中央財經(jīng)領導小組第六次會議上明確提出了“四個革命、一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略。
2015年3月15日，中共中央、國務院印發(fā)《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，標志著新一輪電改大幕開啟。
2017年10月18日，習近平總書記在中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會報告中提出“推進能源生產(chǎn)和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”。
2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！?
2021年3月15日，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上進一步明確了“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)”的舉措。
2021年9月22日，中共中央、國務院再次發(fā)布《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，提出“加快構建清潔低碳安全高效能源體系”“深化能源體制機制改革”。
這一系列重要指示和文件精神從全局和戰(zhàn)略的高度指明了保障我國能源安全、推動我國能源事業(yè)高質量發(fā)展的方向和路徑。
如前文所述，能源電力系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)。能源體制機制改革雖然屬于“技術密集型”的改革，本身卻不是技術上的革新，而屬于社會科學的范疇。其本質是經(jīng)濟關系（生產(chǎn)關系）的變革，改的是經(jīng)濟體制，變的是人（企業(yè)）的行為，而技術僅僅只是支撐手段。并不存在普遍適用的能源電力市場模式，各地也只能根據(jù)各自的實際情況因地制宜地制定市場改革措施。
改革主導者必須學會依據(jù)市場經(jīng)濟的基本原則靈活地設計符合本地實際情況的市場機制，并隨改革實踐不斷修正和完善，許多新的規(guī)律只能基于辯證唯物主義的認識論原則，在改革實踐中不斷提高和深化認識。
此外，能源電力市場改革方案設計應遵循社會主義市場經(jīng)濟的特殊規(guī)律。我國區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡，市場主體的能源生產(chǎn)成本和能源價格承受能力差別較大，企業(yè)既要追求經(jīng)濟效益，也要承擔社會責任，“效率”與“公平”“經(jīng)濟”與“安全”兼顧是能源電力市場改革必須堅持的原則。
電力市場是能源市場中最為特殊的一部分，也是最難攻克的關鍵一環(huán)。電力市場中交易的商品是以看不見摸不著的電能形態(tài)存在的，是世界上最特殊的一種商品。拋開復雜技術的表象，電力市場改革應被理解為“復雜技術約束條件下的經(jīng)濟體制改革”。
應深刻認識我國電力市場體制（生產(chǎn)關系）與電力工程技術（生產(chǎn)力）的基本矛盾，設計符合當前我國電力行業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展實際水平的市場機制，解決電力行業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)關系與新背景下清潔、高效、安全的生產(chǎn)力發(fā)展的客觀要求不相適應的問題。當前能源體制機制改革已進入深水區(qū)，能源電力市場設計和規(guī)則制定已成為改革主導部門所面臨的關鍵問題。
但是，“市場設計”的觀念尚未建立起來，有關部門也還未掌握能源電力市場設計的科學方法論。因此，筆者提出“電力市場設計學”的概念，包括基于經(jīng)典微觀經(jīng)濟學的電力市場體系和電價模型初步設計、基于拍賣理論和博弈論的電力市場交易機制設計、基于計算經(jīng)濟學和實驗經(jīng)濟學的電力市場仿真和電力市場交易的實地研究等步驟。這些基本的方法和步驟也適用于其他能源品種的市場機制設計。
“能源不可能三角”的破解歸根到底要靠科技進步與生產(chǎn)力提升，“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的構建必將導致電力系統(tǒng)形態(tài)的重大調整。隨著可再生能源滲透率的不斷提升、分布式電源和儲能的廣泛接入、電力電子設備的廣泛應用，未來電網(wǎng)容納的電源與負荷種類不斷攀升，運行與控制面臨復雜度過高的挑戰(zhàn)。
多層級集群型電力系統(tǒng)的結構模式（即源、荷、儲分布在輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、微電網(wǎng)等不同層次且以各種方式聚合起來實現(xiàn)集群自治運行）可以提高系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性與可靠性，是新型電力系統(tǒng)的一種可能形態(tài)。將大區(qū)域電網(wǎng)劃分為多層級的含多個“源—荷—儲”集群的小型電網(wǎng)，并通過提高各個集群的自我管理能力實現(xiàn)自治運行。各個集群皆具供給、消納及功率交換的能力，并盡量實現(xiàn)集群內發(fā)用功率平衡。由于人工智能技術的飛速發(fā)展，群體智能和協(xié)同控制的前沿理論與技術在多層級集群型電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
多層級集群型電力系統(tǒng)的運行與控制問題也可以分為如圖1所示的物理機理（“能量網(wǎng)絡”層面）、信息控制（“信息網(wǎng)絡”層面）和市場交易（“價值網(wǎng)絡”層面）3個層面的問題，是典型的多學科交叉問題。
在能量網(wǎng)絡層面，需分析可再生能源電力系統(tǒng)的動態(tài)特性及各層級的分布，討論未來電網(wǎng)中區(qū)域集群電網(wǎng)聚合方式，為多層級集群型系統(tǒng)多資源協(xié)同控制問題打下基礎。
在信息網(wǎng)絡層面，需研究系統(tǒng)運行狀態(tài)的在線監(jiān)測和分析的理論與方法，并攻克含電源側、電網(wǎng)側與負荷側多種資源的高動態(tài)、高維度、多智能主體、分布式協(xié)同控制的難題，以充分調動各資源合理、自主、協(xié)同、智能地參與系統(tǒng)運行控制。
在價值網(wǎng)絡層面，需深入研究多種靈活資源的定價理論、端對端交易市場機制和實現(xiàn)技術等，為各資源自主參與系統(tǒng)運行控制提供公平合理的激勵機制和制度保障。
通過能量網(wǎng)絡、信息網(wǎng)絡和價值網(wǎng)絡的多學科交叉研究，調動各資源深度參與電網(wǎng)優(yōu)化運行和靜態(tài)與動態(tài)穩(wěn)定控制，提升大電網(wǎng)安全運行水平，為新型電力系統(tǒng)建設和“能源不可能三角”的破解提供關鍵技術支撐。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年第12期，作者供職于華南理工大學電力經(jīng)濟與電力市場研究所。
