中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：湯廣福 ，周靜 ，龐輝 ，林俊杰 ，范征 ，吳亞楠 ，賀之淵 ，馬士聰 ，薛峰 ，周保榮
來源：能源安全格局下新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略框架[J].中國工程科學(xué),2023,25(2):79-88.
編者按
電力安全是能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的底線。近年來，世界多國電力安全問題頻發(fā)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。新型電力系統(tǒng)以確保能源電力安全為基本前提，具有電力電源清潔化，電力系統(tǒng)柔性化、數(shù)字化、電力電子化的內(nèi)在本質(zhì)特征。
中國工程院湯廣福院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第2期發(fā)表《能源安全格局下新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略框架》一文。文章結(jié)合我國能源安全轉(zhuǎn)型面臨的新形勢、新挑戰(zhàn)，明確了能源安全涉及的供給、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、科技等方面的內(nèi)涵；探討了能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標(biāo)與戰(zhàn)略路徑，闡述了新型電力系統(tǒng)對于能源安全的重要性；剖析了影響新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能、市場、技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章認(rèn)為，需從應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御3 個(gè)層面著手，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展所需的核心體系；進(jìn)一步提出了新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑研究的基本思路，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及安全發(fā)展研究提供基礎(chǔ)參考。
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一、前言
黨的二十大報(bào)告提出，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”），深入推進(jìn)能源革命，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，確保能源安全。目前，我國是世界第二大石油消費(fèi)國、第三大天然氣消費(fèi)國；作為高碳能源類型的煤炭仍處核心消費(fèi)能源地位，加之國際形勢復(fù)雜多變、消費(fèi)能源價(jià)格高企，我國從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型過程具有顯著的復(fù)雜度和挑戰(zhàn)性。能源安全作為能源綠色轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基本前提，與環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全等密切相關(guān)，對國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、外交等具有不容忽視的影響。
電力安全是能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的底線。近年來，世界多國電力安全問題頻發(fā)，如烏克蘭電網(wǎng)系統(tǒng)遭網(wǎng)絡(luò)攻擊而中斷（2015年）、美國得克薩斯州大停電（2021年）、我國東北部分地區(qū)拉閘限電（2021年）、我國四川省大規(guī)模高溫限電（2022年）等。2021年3月，我國首次提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，這是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。新型電力系統(tǒng)以確保能源電力安全為基本前提，具有電力電源清潔化，電力系統(tǒng)柔性化、數(shù)字化、電力電子化的內(nèi)在本質(zhì)特征。隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級不斷加快，一次能源特性、電源布局功能、電網(wǎng)形態(tài)規(guī)模、負(fù)荷結(jié)構(gòu)特性等都發(fā)生深刻變化；新能源的強(qiáng)不確定性、低保障性、電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)、多能源融合、信息網(wǎng)絡(luò)防御等因素，都與新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定發(fā)展密切關(guān)聯(lián)。
近年來，針對國內(nèi)外頻繁發(fā)生的電力安全事故問題開展了一些研究分析。在電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻方面，因高比例新能源的接入，電力系統(tǒng)慣量與以常規(guī)發(fā)電機(jī)組為主體的系統(tǒng)相比大幅降低，出現(xiàn)擾動(dòng)或故障時(shí)的電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡出現(xiàn)變化，而慣量對電網(wǎng)的支撐能力不足可導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)低頻減載等措施；如英國“8·9”大停電事故、歐洲大陸同步電網(wǎng)“1·8”解列事故的研究表明，需提升電源側(cè)抗干擾能力，合理配置系統(tǒng)保護(hù)資源，加強(qiáng)電網(wǎng)頻率特性及調(diào)頻能力。在應(yīng)對極端天氣方面，結(jié)合美國得克薩斯州大停電事故分析，提出了我國新能源在適應(yīng)氣候環(huán)境、電力互濟(jì)能力、電力預(yù)測與調(diào)度技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系制定等方面的發(fā)展建議。在電網(wǎng)形態(tài)構(gòu)建方面，分析了我國電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展中存在的穩(wěn)定性問題，提出了交 / 直流聯(lián)合運(yùn)行3種發(fā)展模式并以“交流分區(qū)+直流組網(wǎng)”為優(yōu)。
隨著高比例新能源、高度電力電子化新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅面臨來自源側(cè)、網(wǎng)側(cè)變化的直接挑戰(zhàn)，而且受到荷、儲(chǔ)、市場、技術(shù)等新增關(guān)鍵因素的影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)能源有序低碳轉(zhuǎn)型、新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展，需立足國家能源安全的宏大背景，聚焦源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、市場、技術(shù)等主要影響因素，深入探討新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的戰(zhàn)略架構(gòu)。針對于此，本文解析能源轉(zhuǎn)型形勢下的能源安全內(nèi)涵，明確能源安全轉(zhuǎn)型的目標(biāo)、路徑、支撐，分析能源安全與新型電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)系；提出反映源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、市場、技術(shù)六大影響因素，包含應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御三大技術(shù)體系的新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略框架，以期促進(jìn)新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展、高質(zhì)量建設(shè)等研究。
二、能源安全與新型電力系統(tǒng)發(fā)展
（一）能源安全的內(nèi)涵與能源轉(zhuǎn)型發(fā)展
1. 能源安全的內(nèi)涵
20世紀(jì)70年代，因石油危機(jī)研究提出了能源安全概念；隨后逐步形成了更為綜合的能源安全概念，主要包括能源資源的可利用性，能源資源的可獲得性，環(huán)境的可接受性，能源成本的可承受性。在全球能源轉(zhuǎn)型的新形勢下，因極端天氣、科技發(fā)展、地緣政治等因素影響，全球能源供應(yīng)問題頻發(fā)，如價(jià)格波動(dòng)、供應(yīng)趨緊等，能源安全韌性的不足得以充分暴露。當(dāng)前，我國進(jìn)入了能源轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，能源安全要求常態(tài)情況下的“長久安全”、極端情況下的“自主可控”；具體而言，可從供給安全、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)安全、科技安全四方面把握其核心內(nèi)涵。
供給安全是能源安全的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，石油供應(yīng)是能源安全供應(yīng)的核心內(nèi)涵；而當(dāng)今的能源體系，品種范圍擴(kuò)展至多種其他能源，納入了能源供應(yīng)鏈及基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)供給安全涉及的范圍擴(kuò)大至社會(huì)穩(wěn)定、地緣政治、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)福利等。我國作為世界最大的能源消費(fèi)國，面臨著較為嚴(yán)峻的能源安全形勢。
① 傳統(tǒng)能源供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增大，油氣消費(fèi)對外依存度居高不下，2021年的能源對外綜合依存度達(dá)到20%（其中原油、天然氣消費(fèi)分別超過70%、40%），油氣消費(fèi)的持續(xù)增長將放大傳統(tǒng)能源安全風(fēng)險(xiǎn)。
② 新能源的安全風(fēng)險(xiǎn)逐步顯現(xiàn)，能源系統(tǒng)受極端氣候的影響更為明顯，如2022年夏季四川省面臨持續(xù)高溫，水電日發(fā)電能力下降超過50%，全天電力電量“雙缺”，每天外省入川支援電力約6×106 kW仍無法對沖電力缺口。
③ 未來新能源規(guī)模的擴(kuò)大，對礦產(chǎn)資源的需求保持高速增長并將呈現(xiàn)多樣化，而部分關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的對外依存度已超過80%。
環(huán)境安全是在適應(yīng)生存的基礎(chǔ)上反映人與環(huán)境和諧程度的量度，兼顧能源系統(tǒng)的綠色低碳發(fā)展才能更好實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)?；茉慈紵a(chǎn)生的大量SO2、煙塵等氣體和固體污染物，導(dǎo)致霧霾、酸雨、土壤、水資源污染等現(xiàn)象。以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)帶來了溫室氣體排放量的持續(xù)增加，我國2021年能源產(chǎn)生的CO2排放量約為1.087×1010 t，占世界總量的32.1%；加之碳中和過程的窗口期偏短（全球從碳達(dá)峰到碳中和平均用時(shí)為53年，我國僅有30年時(shí)間），實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)可謂時(shí)間緊、任務(wù)重。此外，我國的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值產(chǎn)生的CO2強(qiáng)度較高，主要原因是煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，如2021年煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到56%。整體來看，“偏煤”的能源結(jié)構(gòu)凸顯了減碳與保供的矛盾，能源轉(zhuǎn)型節(jié)奏把握難度較大，局部地區(qū)易因煤電供應(yīng)不足出現(xiàn)規(guī)模性的“拉閘限電”。
經(jīng)濟(jì)安全指妥善解決能源價(jià)格日益上漲、穩(wěn)定能源價(jià)格需求迫切之間的矛盾。近年來，受產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國際形勢等因素的影響，能源價(jià)格波動(dòng)幅度加大，一次能源、關(guān)鍵礦產(chǎn)資源價(jià)格高啟，抬高了能源轉(zhuǎn)型成本，如鋰的價(jià)格快速和大幅波動(dòng)（1年時(shí)間價(jià)格上漲7倍多）。能源體系中新能源占比的提升推動(dòng)了終端用能成本的增長，而隨著碳市場的深化發(fā)展，化石能源使用成本也將隨之走高，直接影響經(jīng)濟(jì)市場體系的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
科技安全是能源安全的根本保障。當(dāng)前，我國能源安全的重點(diǎn)領(lǐng)域中存在諸多技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，如煤炭清潔利用與轉(zhuǎn)換，新能源核心技術(shù)，先進(jìn)核電技術(shù)，智能電網(wǎng)，智慧礦山，氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備，天然氣上游勘探開發(fā)，現(xiàn)代煤化工（技術(shù)、裝備、催化劑）等。著力補(bǔ)齊能源發(fā)展的技術(shù)短板，引領(lǐng)新興領(lǐng)域前沿技術(shù)發(fā)展，才能保障能源科技自主可控與高質(zhì)量發(fā)展。
2. 能源轉(zhuǎn)型發(fā)展
我國能源轉(zhuǎn)型將經(jīng)歷數(shù)十年的漫長過程，戰(zhàn)略任務(wù)是支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，將能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)從以煤炭為主的“一大三小”（煤炭，石油、天然氣、新能源）向以新能源為主的“三小一大”（煤炭、石油、天然氣，新能源）轉(zhuǎn)型?；诮y(tǒng)籌“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與能源安全轉(zhuǎn)型的考慮，能源轉(zhuǎn)型過程可分為3個(gè)階段。
① 過渡期（2021—2030年），降低煤炭消費(fèi)量，在2030年前后達(dá)到峰值（5.9×109 tce），之后轉(zhuǎn)為下降趨勢；控制石油消費(fèi)量，提高天然氣消費(fèi)量，有序發(fā)展核能，積極發(fā)展可再生能源，非化石能源在一次能源消費(fèi)中的占比保持在25%左右。
② 轉(zhuǎn)型期（2031—2050年），以非化石能源加速替代化石能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能提效方面的整體突破，非化石能源在一次能源消費(fèi)中的占比穩(wěn)步提高到75%。
③ 發(fā)展期（2051—2060年），非化石能源實(shí)現(xiàn)主體替代，在一次能源消費(fèi)中的占比平穩(wěn)增長到90%，新能源成為主體消費(fèi)能源。
為了支持能源安全轉(zhuǎn)型，需著力攻克能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等主要環(huán)節(jié)的核心關(guān)鍵技術(shù)。
① 在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，逐步由“穩(wěn)煤”向“減煤”過渡，發(fā)展更為先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)，提升煤炭清潔利用效率，研究碳捕捉、碳收集等負(fù)碳技術(shù)；加大石油替代力度，控制石油消費(fèi)量增長，加快發(fā)展天然氣（消費(fèi)增長2×1010 m3/a）；提高核能裝備、風(fēng)能與太陽能等清潔能源技術(shù)水平，探索變革性光伏發(fā)電技術(shù)。
② 在能源傳輸環(huán)節(jié)，規(guī)?；l(fā)展天然氣并實(shí)現(xiàn)消費(fèi)量達(dá)峰，整體性提升節(jié)能提效水平，促進(jìn)煤電兜底，石油平穩(wěn)過渡，碳捕集、利用與封存（CCUS）規(guī)?；茝V；形成新型電力系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)體系，突破柔性輸電裝備及其器件材料、綠色氫能與儲(chǔ)能等技術(shù)。
③ 在能源消費(fèi)環(huán)節(jié)，非化石能源實(shí)現(xiàn)主體替代，高碳化石能源回歸原料屬性，天然氣與可再生能源融合發(fā)展，氣電成為新能源發(fā)電的互補(bǔ)類型；推動(dòng)CCUS規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，發(fā)展多能流綜合利用、供需互動(dòng)、數(shù)字化與智能化等技術(shù)。
（二）新型電力系統(tǒng)安全的重要性
電能是清潔、高效、便利的二次能源，2040年電力將超過原油成為主要能源資源電力系統(tǒng)是一次和二次能源轉(zhuǎn)換的樞紐，當(dāng)前規(guī)模最大、層次復(fù)雜、強(qiáng)非線性的人造系統(tǒng)，規(guī)劃建設(shè)新型能源體系、實(shí)現(xiàn)能源安全轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵領(lǐng)域。新型電力系統(tǒng)安全作為能源安全的核心要素，在能源供給安全、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)安全、科技安全等方面發(fā)揮著重要作用。
我國是能源消費(fèi)大國和進(jìn)口大國。石油、天然氣等對外依存度較高的化石能源，主要依靠自身物質(zhì)燃燒產(chǎn)生能量，而風(fēng)能、太陽能等新能源的主要利用形式是轉(zhuǎn)化為電力。顯著提升新能源電力在能源消費(fèi)中的占比，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)以化石能源為主體向以新能源為主體的平穩(wěn)轉(zhuǎn)型，有利于科學(xué)發(fā)揮我國能源資源的稟賦優(yōu)勢、降低能源資源的對外依存度，從而顯著增強(qiáng)能源安全保障能力。
目前在世界范圍內(nèi)，電力行業(yè)既是最大的CO2排放來源，也是能夠通過風(fēng)能、太陽能等可再生能源引導(dǎo)轉(zhuǎn)向凈零排放的關(guān)鍵行業(yè)。交通、制造業(yè)、建筑等其他行業(yè)的減碳和脫碳工作，也直接依賴電能替代等手段。
電力是市場經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，支撐醫(yī)療、金融、交通等諸多關(guān)鍵行業(yè)的發(fā)展。電力市場的健康發(fā)展，將有力推動(dòng)國際能源市場、碳市場的有序過渡及安全轉(zhuǎn)型。
電力系統(tǒng)安全發(fā)展面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，是能源安全轉(zhuǎn)型亟待解決的關(guān)鍵難題。支撐能源轉(zhuǎn)型與能源安全的重要?jiǎng)恿χ患礊殡娏ο到y(tǒng)安全發(fā)展核心技術(shù)取得突破。
三、新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的影響因素
新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、重塑能源安全格局的重要載體，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是提高能源安全韌性的根本性舉措。新型電力系統(tǒng)的安全發(fā)展主要受到源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、市場、技術(shù)六大因素的綜合影響（見圖1）。
圖1 新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的六大影響因素
（一）從電源層面保障安全
未來我國的電源結(jié)構(gòu)將形成“風(fēng)光”領(lǐng)跑、多元協(xié)調(diào)的格局。預(yù)計(jì)2030年，風(fēng)能和太陽能將合并成為第一大裝機(jī)主體，2045年合并發(fā)電量將超過火電成為第一發(fā)電量主體。常規(guī)水電、抽水蓄能在2045年將基本開發(fā)完畢，規(guī)模約為6.9×108 kW；核電將在2050年達(dá)峰，規(guī)模約為2.3×108 kW；若將內(nèi)陸核電包含在內(nèi)，2060年將增長至4×108 kW。根據(jù)國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司開發(fā)的“電力系統(tǒng)碳中和路徑優(yōu)化程序”分析結(jié)果，我國非化石能源裝機(jī)占比將從2020年的46%提高到2030年的57%、2060年的88%（見圖2）。因此，穩(wěn)步推進(jìn)電源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型并構(gòu)建新型能源供應(yīng)體系，是保障新型電力系統(tǒng)在電源層面安全發(fā)展的首要措施。
圖2 各類型電源裝機(jī)容量（2020—2060年）
不宜簡單“一刀切”地對待傳統(tǒng)能源發(fā)電，而需將之與新型能源實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。煤炭是我國能夠自主可控、具有儲(chǔ)量優(yōu)勢的一次能源類型，保留必要的煤電裝機(jī)容量，在新能源連續(xù)出力水平低的特殊條件下可起到兜底保障作用。合理預(yù)計(jì)，2030年我國煤電將達(dá)到峰值（裝機(jī)容量約為1.37×109 kW），隨后進(jìn)入快速下降通道，從主體電源轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)性和保障性電源；與新能源發(fā)電優(yōu)化組合，平穩(wěn)有序地實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型。準(zhǔn)確界定煤電發(fā)展定位，發(fā)揮煤炭兜底保障與戰(zhàn)略資源作用，以有效降低高比例新能源接入系統(tǒng)的保供壓力，支持化石能源發(fā)電逐步轉(zhuǎn)型為系統(tǒng)調(diào)節(jié)性和基礎(chǔ)保障性電源。這是保障新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的應(yīng)有之義。
燃?xì)獍l(fā)電具有靈活啟停、響應(yīng)迅速、可季節(jié)性調(diào)峰等優(yōu)勢，在近中期較煤電不具有成本優(yōu)勢；但考慮碳排放+CCUS的應(yīng)用成本后，在遠(yuǎn)期的成本差距將顯著縮小?？赏怀鎏烊粴馀c新能源適宜密切協(xié)同的特征，通過煤電 / 氣電優(yōu)化配置起到電力供應(yīng)安全的托底作用。
目前，我國電力系統(tǒng)的靈活性資源容量約為7.7×108 kW，未來隨著常規(guī)能源裝機(jī)量占比的持續(xù)下降，對靈活性資源的需求將逐步增加。靈活性資源預(yù)計(jì)2030年開始由盈余轉(zhuǎn)為不足（缺口約為8.6×107 kW），2060年的缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大。發(fā)展多元化的靈活性調(diào)節(jié)電源是實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。
（二）從電網(wǎng)層面保障安全
我國幅員遼闊，不同地域的自然資源稟賦差異明顯。西部和北部地區(qū)的新能源裝機(jī)占比超過66%，而東中部地區(qū)的負(fù)荷比重長期維持在60%左右，區(qū)域性的供需逆向分布格局凸顯。大容量、遠(yuǎn)距離輸電的基本需求長期存在，跨省區(qū)輸電通道規(guī)模將由2020年的2.7×108 kW增長到2060年的7×108 ~8×108 kW；跨省電網(wǎng)柔性共享和互濟(jì)的需求也將進(jìn)一步增加，未來省間潮流多為雙向輸送。
在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，電網(wǎng)受頻率約束導(dǎo)致對新能源的承載規(guī)模受限；未來“交流分區(qū)、直流成網(wǎng)、交 / 直流分網(wǎng)”將是電網(wǎng)發(fā)展極具潛力的模式。加強(qiáng)電網(wǎng)柔性互聯(lián)和互濟(jì)、提升新能源安全承載能力，是支撐新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的重要途徑。
為了實(shí)現(xiàn)不同能源體系內(nèi)部、相關(guān)能源體系之間的融合，需將電力安全防御系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、知識(shí)提取、決策支持等環(huán)節(jié)進(jìn)行拓展，覆蓋一次能源、環(huán)境、信息等系統(tǒng)?？紤]不同能源體系之間的交互影響以應(yīng)對電力系統(tǒng)外部狀態(tài)的不確定性，也是“雙碳”目標(biāo)下保障能源安全發(fā)展的必然要求。
（三）從負(fù)荷層面保障安全
在靈活性電源和柔性電網(wǎng)之外，需求側(cè)響應(yīng)也是保障電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)與安全運(yùn)行的重要資源。未來電力系統(tǒng)負(fù)荷彈性化的趨勢更為明顯，分布式電源占比持續(xù)提高（如光伏發(fā)電的可開發(fā)容量為3.7×109 kW），越來越多的用戶成為“產(chǎn)消者”。負(fù)荷聚合商快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2030年、2060年的需求側(cè)響應(yīng)分別可達(dá)1.2×108 kW、3.5×108 kW，各占最大負(fù)荷的7%、15%。
隨著數(shù)字化水平的提升，未來可控負(fù)荷發(fā)展空間極大。在我國部分地區(qū)，空調(diào)負(fù)荷在夏季尖峰負(fù)荷中的占比甚至超過40%；商業(yè)空調(diào)的可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，在主流溫度區(qū)間每調(diào)高1 ℃可降低用電負(fù)荷約10%。預(yù)計(jì)2030年、2060年我國電動(dòng)汽車用電分別占社會(huì)用電量的3.5%、11.5%，2030年電動(dòng)汽車有序充電以及電動(dòng)汽車給電網(wǎng)送電方式的理論調(diào)峰潛力約為6×107 kW，相當(dāng)于三峽工程裝機(jī)容量的3倍，約占整個(gè)電網(wǎng)最大負(fù)荷的3.3%。預(yù)計(jì)2030年我國數(shù)據(jù)中心用電量占社會(huì)總用電量的5%，需通過“東數(shù)西算”工程來顯著改善綠色能源使用比例，緩解資源與負(fù)荷的時(shí)空矛盾。也要注意到，網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊等手段可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的設(shè)備和過程失去控制，需針對突發(fā)情況提升電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全防御能力，切實(shí)支撐供需雙向互動(dòng)。
（四）從儲(chǔ)能層面保障安全
推動(dòng)多形式儲(chǔ)能發(fā)展，提升供應(yīng)鏈安全保障水平，支撐電力電量的時(shí)空平衡。在當(dāng)前及未來一段時(shí)期內(nèi)，以抽水蓄能為主體的儲(chǔ)能技術(shù)可滿足日內(nèi)平衡需求，抽水蓄能裝機(jī)容量將持續(xù)增長；以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能容量快速增加，伴隨大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，將實(shí)現(xiàn)日以上的平衡調(diào)節(jié)。預(yù)計(jì)2030年抽水蓄能裝機(jī)容量為1.2×108 kW，新型儲(chǔ)能容量為1×108 kW；2060年抽水蓄能的裝機(jī)容量約為4.5×108 kW，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量約為3×108 kW；在中長期，氫能將發(fā)揮長時(shí)段儲(chǔ)能作用，2040年、2060年電解水制氫可分別實(shí)現(xiàn)8×1011 kW·h、2.4×1012 kW·h的電量轉(zhuǎn)移，未來電制氫可作為跨季平衡模式。
在極端氣象條件下，新能源電力供給與短期負(fù)荷高峰之間的供需不平衡被進(jìn)一步放大，未來高比例新能源接入的新型電力系統(tǒng)對調(diào)峰缺口的彌補(bǔ)需求也將顯著增長。2030年前，抽水蓄能作為最具經(jīng)濟(jì)性和可靠性的儲(chǔ)能形式得到推廣應(yīng)用，形成以抽水蓄能、靈活煤電及氣電為主要手段的調(diào)節(jié)形式。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，2030年后新型儲(chǔ)能（含氫能）與靈活煤電及氣電保持協(xié)調(diào)發(fā)展，可滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)的缺口需求。2040年后，抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能成為主力儲(chǔ)能形式。
未來20年，由于儲(chǔ)能電池應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，鋰資源的需求量甚至攀升至當(dāng)前的40倍。電動(dòng)汽車所需的銅材料是內(nèi)燃機(jī)汽車的4倍。因此，關(guān)鍵礦產(chǎn)供應(yīng)鏈安全及成本問題也成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的新增風(fēng)險(xiǎn)因素。
（五）從市場層面保障安全
新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要多層次的市場體系與機(jī)制，才能適應(yīng)新型電網(wǎng)形態(tài)和各類電源角色的轉(zhuǎn)變。構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局，需要推進(jìn)全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)，形成電力系統(tǒng)大范圍內(nèi)的共享互濟(jì)能力。以電力市場為載體，推動(dòng)電力資源在全國范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，促進(jìn)新能源在更大范圍內(nèi)的充分消納并保持靈活資源的共享互濟(jì)；健全調(diào)峰等輔助服務(wù)補(bǔ)償及跨省區(qū)交易機(jī)制，支持大范圍內(nèi)輸電通道安全運(yùn)行及調(diào)峰資源高效平穩(wěn)配置。構(gòu)建多層次的統(tǒng)一電力市場，逐步融合省間與省內(nèi)電力市場，便于各類市場主體通過分散資源聚合平臺(tái)等形式參與統(tǒng)一電力市場。實(shí)現(xiàn)電力資源價(jià)格穩(wěn)定與大范圍安全交易，是充分發(fā)揮電網(wǎng)共享互濟(jì)功能、保障新型電力系統(tǒng)安全有序運(yùn)行的必要手段。
（六）從技術(shù)層面保障安全
著眼能源安全格局，為實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、市場等環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)型升級，需要攻克核心關(guān)鍵技術(shù)、探索前沿新興技術(shù)，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)筑牢科技支撐。重點(diǎn)研究新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)共性、戰(zhàn)略性、前沿性技術(shù)，新型高端裝備、系統(tǒng)、器件、新材料等方面的基礎(chǔ)理論，聚焦新能源“構(gòu)網(wǎng)”主動(dòng)支撐、大規(guī)模遠(yuǎn)距離新能源發(fā)電送出、儲(chǔ)能支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行、源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源協(xié)調(diào)控制、新型電力系統(tǒng)仿真評估與故障防御等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建涵蓋源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、市場等要素的新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系，支持破解未來電力系統(tǒng)“安全保障、供應(yīng)可及、環(huán)境可持續(xù)”的矛盾三角。
四、新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展戰(zhàn)略框架
在能源安全格局下發(fā)展新型電力系統(tǒng)，需在突破源側(cè)托底保供、網(wǎng)側(cè)互聯(lián)互濟(jì)、荷側(cè)需求響應(yīng)、儲(chǔ)能調(diào)峰支撐、市場機(jī)制升級、技術(shù)全面攻關(guān)六大關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，圍繞應(yīng)對極端天氣、大范圍資源互濟(jì)、跨能源調(diào)節(jié)三方面重大需求，構(gòu)建應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御三大技術(shù)體系，形成新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展戰(zhàn)略框架（見圖3）并據(jù)此規(guī)劃能源安全格局下的新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑。
圖3 新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展戰(zhàn)略研究框架
（一）極端天氣下的應(yīng)急預(yù)警體系
在供需結(jié)構(gòu)方面，基于極端氣象特征、氣象發(fā)展趨勢研究成果，分析極端天氣下新能源波動(dòng)、負(fù)荷可調(diào)節(jié)的電力供需平衡場景，攻關(guān)電力供需保障技術(shù)，構(gòu)建電力系統(tǒng)應(yīng)急組織機(jī)制，提出電力系統(tǒng)在極端天氣下的應(yīng)急預(yù)警體系。
新能源出力具有波動(dòng)性，高比例新能源接入的新型電力系統(tǒng)，其功率和能量靈活平衡需求顯著提高；極端天氣頻發(fā)趨勢將進(jìn)一步放大新能源發(fā)電隨機(jī)性及波動(dòng)性對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的不利影響。針對全球氣候變暖趨勢，研究我國大型新能源基地、負(fù)荷中心等送受端地區(qū)的極端氣象特征與演變趨勢，揭示典型極端氣象場景影響電力供給及負(fù)荷需求側(cè)的作用機(jī)理與傳導(dǎo)機(jī)制。結(jié)合高溫、臺(tái)風(fēng)、雷電等極端天氣的歷史事件，新能源的出力特性、負(fù)荷特性，分析極端天氣頻發(fā)條件下的電力供需平衡場景與風(fēng)險(xiǎn)；從組織、管理、技術(shù)等維度，形成應(yīng)對極端氣象的電力供需保障技術(shù)框架與應(yīng)急組織機(jī)制（見圖4）。
圖4 極端天氣應(yīng)急預(yù)警體系構(gòu)建
（二）大范圍資源共享互濟(jì)支撐體系
在資源配置模式方面，采取定量仿真、定性分析、綜合評估等方式，根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行模擬平臺(tái)、電力現(xiàn)貨市場仿真平臺(tái)的結(jié)果，融合電網(wǎng)形態(tài)及市場形態(tài)數(shù)據(jù)分析，論證形成新型能源體系下電網(wǎng)互濟(jì)模式及相應(yīng)的市場支撐機(jī)制，從而構(gòu)建新型電力系統(tǒng)資源互濟(jì)模式、全國統(tǒng)一電力能源大市場框架相互支撐的大范圍共享互濟(jì)體系。
我國能源資源、用電需求具有逆向分布特征，加之新型電力系統(tǒng)中新能源占比提高對系統(tǒng)靈活性提出更高需求，未來電網(wǎng)在全國大范圍內(nèi)的靈活資源共享互濟(jì)需求將進(jìn)一步加大。構(gòu)建全國統(tǒng)一電力市場是實(shí)現(xiàn)電力資源大范圍優(yōu)化配置、促進(jìn)新能源高比例消納的重要途徑。在全國統(tǒng)一能源大市場的基礎(chǔ)上，圍繞市場區(qū)域演變路徑，從電網(wǎng)供給安全、運(yùn)行安全維度著手，研究電網(wǎng)大范圍內(nèi)資源共享互濟(jì)的面臨挑戰(zhàn)、解決經(jīng)驗(yàn)、成熟模式。依托專業(yè)平臺(tái)開展仿真，細(xì)致分析未來新型能源體系下的電網(wǎng)形態(tài)與市場格局；統(tǒng)籌電網(wǎng)互濟(jì)模式和市場化機(jī)制設(shè)計(jì)，形成新型電力系統(tǒng)資源互濟(jì)模式以及不同尺度范圍的電力市場支撐機(jī)制（見圖5）。
圖5 大范圍資源共享互濟(jì)支撐體系構(gòu)建
（三）可調(diào)節(jié)資源互動(dòng)的安全防御體系
在信息物理社會(huì)系統(tǒng)框架方面，采用機(jī)理分析和沙盤推演手段，開展極端事件、綜合能源、政策機(jī)制、規(guī)劃運(yùn)行的“時(shí) ? 空 ? 物”要素分析；研究不確定性因素對能源 ? 電力可靠性及經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，構(gòu)建覆蓋電力系統(tǒng)運(yùn)行過程，具有多類目標(biāo)、多道防線能力的電力安全主動(dòng)防御體系。
電力與能源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)等系統(tǒng)關(guān)系緊密，電力系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通、靈活互補(bǔ)是電力安全防御的關(guān)鍵內(nèi)容。將電力安全防御系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、知識(shí)提取、決策支持等能力推廣應(yīng)用到一次能源、環(huán)境、市場等機(jī)制中，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與信息系統(tǒng)、廣義物理環(huán)境、社會(huì)系統(tǒng)之間的靈活交互，從而將電力系統(tǒng)拓展為信息 ? 物理 ? 社會(huì) ? 能源系統(tǒng)。考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人類行為的協(xié)調(diào)效應(yīng)，突出電力系統(tǒng)安全運(yùn)行需求，分析極端情況下電力系統(tǒng)主動(dòng)支撐能源安全的“時(shí) ? 空 ? 物”要素并提出應(yīng)對策略；建立多時(shí)空尺度、跨領(lǐng)域的綜合研究框架，將多個(gè)單一研究領(lǐng)域進(jìn)行有機(jī)整合，形成基于能源 ? 信息 ? 物理 ? 社會(huì)系統(tǒng)框架的自適應(yīng)電力安全主動(dòng)防御體系（見圖6）。
圖6 跨能源電力安全防御體系構(gòu)建
（四）新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展戰(zhàn)略路徑
新型電力系統(tǒng)安全性的提升，需要不同領(lǐng)域的科技進(jìn)步以及交叉融合，也離不開電力系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)工作（如規(guī)劃、運(yùn)行、交易、政策）的豐富實(shí)踐。從電力安全供應(yīng)、電網(wǎng)安全運(yùn)行維度著手，將極端天氣納入電力系統(tǒng)規(guī)劃與安全運(yùn)行的范圍，開展包括正常情況和極端條件在內(nèi)的多情景分析。以常態(tài)情景下的“長久安全”、極端情景下的“自主可控”為目標(biāo)，綜合極端天氣電力供需應(yīng)急預(yù)警、電網(wǎng)大范圍資源共享互濟(jì)、跨能源電力安全主動(dòng)防御以及相應(yīng)的支撐體系，形成能源安全格局下新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略路徑（見圖7）。
圖7 新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略路徑構(gòu)建
五、結(jié)語
本文立足當(dāng)前能源安全格局形勢，對未來新型電力系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略框架進(jìn)行了探析。通過探討能源安全內(nèi)涵與能源轉(zhuǎn)型發(fā)展要素，分析了新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的重要意義；以突破源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷、儲(chǔ)能、市場、技術(shù)六大關(guān)鍵環(huán)節(jié)為切入口，從應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御3個(gè)維度，論證提出了“三大體系+戰(zhàn)略路徑”的新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展戰(zhàn)略框架。相關(guān)成果可為我國新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，安全穩(wěn)定運(yùn)行理論、方法、機(jī)制的研究與實(shí)踐提供參考及借鑒。
在“雙碳”目標(biāo)下，我國能源電力綠色轉(zhuǎn)型持續(xù)加速推進(jìn)，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建與發(fā)展需要更多關(guān)注電力供需平衡、應(yīng)急共享互濟(jì)、電力市場穩(wěn)定等安全問題；也需在科學(xué)而明確的戰(zhàn)略研究框架下，針對不同轉(zhuǎn)型階段實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整與多目標(biāo)平衡。立足全局，穩(wěn)步構(gòu)建新型電力安全運(yùn)行體系，支撐能源綠色低碳轉(zhuǎn)型如期實(shí)現(xiàn)。
