摘要

新一輪能源革命下電網(wǎng)的發(fā)展將在電力系統(tǒng)傳統(tǒng)功能基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴展和豐富。在對新一輪能源革命內(nèi)涵的深刻剖析基礎(chǔ)上，借助電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃模型對未來多元能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行探索，預(yù)判未來能源發(fā)展格局。結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、制度、環(huán)境等因素，識別影響電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素，通過構(gòu)建電網(wǎng)功能定位模型，運用SWOT-AHP分析電網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)外部環(huán)境，構(gòu)建相應(yīng)的指標(biāo)體系量化分析電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略定位，提出電網(wǎng)功能與形態(tài)轉(zhuǎn)變的方向。結(jié)果表明，未來電網(wǎng)的電力傳輸功能向更大容量、更安全、更智能的方向發(fā)展，并呈現(xiàn)綜合能源互聯(lián)互補的高級形態(tài)，電網(wǎng)將為社會提供多元化、立體式、智能化服務(wù)。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)新一輪能源革命 電網(wǎng)發(fā)展 影響因素 功能形態(tài) 電網(wǎng)功能定位模型

引言

隨著世界能源可持續(xù)供應(yīng)壓力不斷增大，加之氣候變化和環(huán)境污染問題嚴(yán)峻，轉(zhuǎn)變能源開發(fā)利用的方式、推動能源新技術(shù)應(yīng)用、構(gòu)建新型能源體系成為世界能源發(fā)展的方向[1]。新型能源體系將以能源互聯(lián)網(wǎng)為依托，以電力系統(tǒng)為核心紐帶，實現(xiàn)橫向“多源互補”、縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)，能源與信息高度融合的新體系。系統(tǒng)中，電網(wǎng)是最為完善、具有極強可延展性的能源網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)能量大范圍、遠(yuǎn)距離輸送，從而實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[2]。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、能源格局變革的新形勢下，從經(jīng)濟(jì)、體制機制、社會、技術(shù)等多方面預(yù)判能源變革形勢，分析未來中國電網(wǎng)的發(fā)展趨勢和功能定位變化十分必要。

對于能源電力系統(tǒng)和電網(wǎng)發(fā)展，多數(shù)研究聚焦于能源格局演變[3-6]、輸配電的技術(shù)發(fā)展[7-8]、電力系統(tǒng)運行技術(shù)[9-11]、電網(wǎng)控制技術(shù)[12-13]等技術(shù)方面。本文聚焦于貫穿發(fā)-輸-配電的電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)的廣義電網(wǎng)，分析新一輪能源革命下的多元能源供應(yīng)體系和電力流格局，構(gòu)建電網(wǎng)功能定位模型研究能源革命發(fā)展過程中電網(wǎng)的戰(zhàn)略定位，提出未來電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)社會中的功能與形態(tài)轉(zhuǎn)變方向。

1 新一輪能源革命內(nèi)涵

1.1 能源革命內(nèi)涵

在全球面臨能源資源危機、氣候變化和環(huán)境污染等問題的背景下，世界各國開始探索以更加經(jīng)濟(jì)、高效、清潔的方式滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求的路徑，新舊能源系統(tǒng)逐步更迭過程催發(fā)了新一輪能源革命。這一過程將以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、促進(jìn)節(jié)能降耗、共享社會資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，涵蓋能源開發(fā)、生產(chǎn)、加工、轉(zhuǎn)換、配置、消費和管理等各個環(huán)節(jié)，涉及經(jīng)濟(jì)、社會、政治、文化、生態(tài)諸多方面，如圖1所示。清潔低碳是新一輪能源革命的主要方向，再電氣化是新一輪能源革命的重要特點，電能將在推動人類能源利用從以化石能源為主向以清潔能源為主的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型中發(fā)揮核心作用[14]。

圖 1 新一輪能源革命框架

1.2 中國能源革命新特征

當(dāng)前中國已從被動接受全球能源治理規(guī)則向主動參與和建設(shè)國際秩序轉(zhuǎn)變，國際影響力空前提升。但是，中國在國際能源事務(wù)上尚處于能力建設(shè)階段，同時也面臨諸多國際關(guān)系變化帶來的風(fēng)險，因此中國能源革命呈現(xiàn)出新特征。

一是中國經(jīng)濟(jì)調(diào)整趕超能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。目前中國已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化后期后半階段，但是能源結(jié)構(gòu)仍處于以煤炭為主的第二輪能源革命階段，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)長期沒有得到改變。

二是中國能源革命中政策發(fā)揮著顯著的推動作用。在中國能源供給進(jìn)程中，國家在不同階段出臺多項政策和制度保障能源供應(yīng)、促進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。正是由于這些政策的引導(dǎo)和推動，彌補了中國低成本高速度發(fā)展的技術(shù)限制和經(jīng)濟(jì)限制，在一定程度上推進(jìn)了能源革命的進(jìn)程。

三是中國能源革命具有引領(lǐng)示范作用。中國正積極推動全球氣候變化應(yīng)對行動和能源治理，落實全球能源互聯(lián)網(wǎng)中國倡議，促進(jìn)綠色低碳發(fā)展，中國的能源革命有望引領(lǐng)全球能源革命。

2 新一輪能源革命下多元能源供應(yīng)體系

2.1 分析思路和方法

在新一輪能源革命背景下，基于新能源革命和社會經(jīng)濟(jì)等關(guān)鍵要素，考慮碳排放約束，并依據(jù)經(jīng)濟(jì)性、合理性原則，運用電力系統(tǒng)整體優(yōu)化規(guī)劃(GESP-IV)模型，模擬未來多元能源格局和供應(yīng)體系，分析未來清潔能源開發(fā)利用、電力流等情況的趨勢，從而分析新一輪能源革命對電網(wǎng)的影響。本文的分析思路和方法框架如圖2所示。

圖 2 多元能源供應(yīng)系統(tǒng)分析方法框架

運行分析的邊界條件主要是未來所研究水平年（2030年、2050年）的電源、電網(wǎng)、負(fù)荷方案。本文結(jié)合國家非化石能源戰(zhàn)略目標(biāo)、新能源規(guī)劃目標(biāo)等約束條件，綜合考慮當(dāng)前經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”情況以及未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢、人口增速、技術(shù)條件等，測算新能源開發(fā)規(guī)模、電源布局等。為更加真實模擬風(fēng)、光出力的間歇性對系統(tǒng)運行的影響，本文選擇中國2015年全年8 760 h的省級歷史數(shù)據(jù)出力特性代替典型日，進(jìn)行全年的時序電力生產(chǎn)模擬。

優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為規(guī)劃期內(nèi)（多周期，各周期計算一次電力電量平衡）各地區(qū)、各類資源的供電成本（投資+運行-余值）總和最小，跨區(qū)電力流按電力供應(yīng)成本最低原則確定跨區(qū)交換規(guī)模。同時考慮電力電量平衡、發(fā)電能源平衡、分區(qū)域接納分布式電源能力、調(diào)峰平衡、環(huán)境減排要求等約束條件。

2.2 多元能源供應(yīng)體系

基于電力系統(tǒng)規(guī)劃模型模擬，未來新能源比重逐漸提高。2050年全國有效裝機容量超過22.4億kW，其中傳統(tǒng)化石能源裝機比重約為20%，常規(guī)非化石能源裝機比重約為14.5%，新能源裝機比重約為54%。

2050年風(fēng)、光等間歇式電源電量比重將達(dá)到40%，某些時段某些地區(qū)間歇式電源供應(yīng)比重甚至將達(dá)到80%以上。與冬季相比，秋季的電力負(fù)荷較低，在系統(tǒng)消納高比例的風(fēng)、光等間歇式電源時面臨的壓力更大。運行困難一般發(fā)生在需求的低谷期，包括春、秋季的夜間時段。

未來煤電的功能定位從電量型電源轉(zhuǎn)向電力型電源，全年利用小時數(shù)約2 300 h，多用來滿足由間歇式電源發(fā)電隨機波動、電力負(fù)荷峰谷差持續(xù)加大等因素帶來的系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。將全年分為4個季節(jié)，統(tǒng)計各個季節(jié)的煤電利用情況，發(fā)現(xiàn)在春、秋季負(fù)荷較低時，煤電的利用小時數(shù)折算為2 000 h，低于冬、夏季折算的利用小時數(shù)2 500 h。因此，需要各類電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)措施和技術(shù)協(xié)調(diào)配合，才能滿足高比例的間歇式電源帶來的實時運行層面的巨大挑戰(zhàn)。

2.3 全國電力流格局

中長期來看，中國電力流向?qū)⒊尸F(xiàn)“西電東送”、“北電南供”、“西南西北互濟(jì)”的總體格局。從區(qū)域來看，西北、東北、華北（含蒙西、山西）、川渝藏區(qū)域為電力送端，西北、東北、華北送端電力流為煤、風(fēng)、光打捆電力，川渝藏主送水電。東中部受端13省市、南方區(qū)域為電力受端。川渝藏與西北區(qū)域資源稟賦具有互補特性，因此兩區(qū)之間電力流主要是在不同季節(jié)和日間不同時段交換電量。東中部受端與南方區(qū)域之間同為交換電量。

2030年，中國新增電力流以西南水電及“三北”新能源電力流為主，煤電布局將進(jìn)一步優(yōu)化。中國陸上、近海風(fēng)電將并重發(fā)展，并開展遠(yuǎn)海風(fēng)電示范。太陽能發(fā)電布局方面，原有基地規(guī)模進(jìn)一步擴大，新增新疆中部、北部、蒙西騰格里沙漠地區(qū)等風(fēng)電基地毗鄰的千萬千瓦光伏基地，建設(shè)青海東部、西藏日喀則等大型光電基地。四川、云南水電基本開發(fā)完畢，西藏金沙江上游、怒江上游和雅魯藏布江流域的水電將成為西電東送電力流接續(xù)電源。2030—2050年，煤電、水電等能源資源潛力基本開發(fā)完畢，風(fēng)電、太陽能發(fā)電將成為電力流大規(guī)模增加的主要推動力。

考慮到清潔能源大規(guī)模開發(fā)利用和電源布局調(diào)整，2030年全國跨區(qū)輸送電力流規(guī)模將達(dá)到4.6億kW，其中東中部負(fù)荷受入電力流達(dá)到3.7億kW。2050年，全國跨區(qū)電力流規(guī)模達(dá)到6.8億kW，其中，東中部負(fù)荷中心受入電力流達(dá)到5億kW。2030年和2050年，通過跨區(qū)通道輸送的電能將分別占當(dāng)年全社會用電量的20%和25%。2050年，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)改進(jìn)推動，東中部負(fù)荷中心地區(qū)微電網(wǎng)將達(dá)到一定的自給程度，但大容量遠(yuǎn)距離輸送電力的基本需求依然存在，電網(wǎng)形態(tài)將會呈現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離輸電與智能微網(wǎng)并存互補。

3 電網(wǎng)功能定位模型

3.1 電網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵要素識別

基于前文的規(guī)劃模擬結(jié)果，預(yù)判未來能源體系和格局變化，從而識別影響電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵要素。此外，電網(wǎng)發(fā)展還受到外部經(jīng)濟(jì)、制度、技術(shù)、環(huán)境等影響，如圖3所示。

圖 3 電網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵要素

新一輪能源革命將由水電和煤電等傳統(tǒng)電源的傳輸需求推動，逐步過渡到傳統(tǒng)電源與風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新型可再生能源發(fā)電共同推動。未來能源系統(tǒng)多元化發(fā)展和大規(guī)模清潔能源納入系統(tǒng)，對電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運行、管理等都將產(chǎn)生廣泛影響，要求電網(wǎng)更為柔性靈活、堅強可靠，也對電網(wǎng)的安全運行帶來挑戰(zhàn)。

從技術(shù)創(chuàng)新方面來看，輸電技術(shù)、運行調(diào)度技術(shù)、信息技術(shù)等是決定電網(wǎng)發(fā)展程度的關(guān)鍵驅(qū)動因素。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響能源電力消費的主要因素，對電力需求提出新的要求，從而影響電網(wǎng)功能和形態(tài)變化。體制機制因素是引導(dǎo)電網(wǎng)有序發(fā)展的關(guān)鍵因素。不同時期國家對于宏觀調(diào)控、產(chǎn)業(yè)調(diào)整、能源總量控制、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策發(fā)揮了巨大作用。生態(tài)環(huán)境管制趨嚴(yán)，也將對電網(wǎng)規(guī)劃選址和建設(shè)等方面帶來挑戰(zhàn)。

3.2 電網(wǎng)功能定位模型

基于對未來多元能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析，本研究運用SWOT與AHP相結(jié)合的方法分析電網(wǎng)在能源革命中的定位和功能。SWOT-AHP電網(wǎng)戰(zhàn)略分析模型將運用層次分析法的原理[15-16]，主要包括以下兩部分。

(1)關(guān)鍵環(huán)境要素選擇層次模型主要是根據(jù)傳統(tǒng)的SWOT分析模型原理，將影響企業(yè)電網(wǎng)戰(zhàn)略制定的要素分為企業(yè)內(nèi)部的優(yōu)勢(S)、劣勢(W)因素和企業(yè)外部的機遇(O)、挑戰(zhàn)(T)因素。

(2)最優(yōu)戰(zhàn)略選擇層次模型將SWOT模型確定的影響企業(yè)最優(yōu)戰(zhàn)略選擇的關(guān)鍵環(huán)境因素放入準(zhǔn)則層，再使用層次分析法對最優(yōu)定位方案進(jìn)行選擇。

首先，為了保證權(quán)重計算的客觀準(zhǔn)確，在確定權(quán)重時需要對各要素的重要性進(jìn)行評判，運用1-9的比例標(biāo)度法作為依據(jù)給出分值，如表1所示。

表1 比較標(biāo)度法中的標(biāo)度含義

為了得到不同階數(shù)的矩陣均適用的一致性檢驗的臨界值，還需引入平均隨機一致性指標(biāo)RI。通過CR=CI/RI，求得隨機一致性比率CR。當(dāng)CR≤0.1時，認(rèn)為該判斷矩陣具有較好的一致性;當(dāng)CR>0.1時，則認(rèn)為該判斷矩陣不具有一致性，應(yīng)該調(diào)整判斷值，直到通過一致性檢驗為止。基于關(guān)鍵因素，構(gòu)造最優(yōu)定位選擇層次模型，如圖4所示。

圖 4 未來電網(wǎng)功能定位模型

基于不同矩陣組合，共有4種發(fā)展戰(zhàn)略定位模式。發(fā)展型定位是指要充分抓住外部有利環(huán)境的機遇，發(fā)揮自身優(yōu)勢贏得先機的戰(zhàn)略定位；競爭型定位是指充分利用外部有利環(huán)境，彌補自身不足和短板，加強競爭實力的戰(zhàn)略定位；遵循型定位是指在外部壓力環(huán)境下依靠自身優(yōu)勢保證順利發(fā)展的戰(zhàn)略定位；規(guī)避型定位是指在外部不利環(huán)境中，盡量規(guī)避直接競爭立足于彌補自身不足的保守型戰(zhàn)略定位。

3.3 模型結(jié)果

為了構(gòu)造判斷矩陣，確定未來電網(wǎng)功能定位的各個評價指標(biāo)的重要程度，以1-9級標(biāo)度進(jìn)行衡量和計算。首先對“優(yōu)勢”、“不足”、“機遇”和“壓力”這四大評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較，然后分別對這四大評價指標(biāo)下的4個子指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。計算各層級評價體系得分，并最終計算算術(shù)平均值，得出評價層次得分，如表2所示。

表2 電網(wǎng)功能定位評價指標(biāo)和得分

按各方案的最終總得分的高低做排序可得：發(fā)展型>競爭型>遵循型>規(guī)避型，因此未來電網(wǎng)功能定位的最優(yōu)選擇為發(fā)展型。發(fā)展型是指未來電網(wǎng)要充分依托將來外部環(huán)境優(yōu)勢，立足于自身優(yōu)勢積極推動以再電氣化為特征的新一輪能源革命。

3.4 電網(wǎng)功能形態(tài)定位

(1)電力傳輸功能與形態(tài)定位。為了滿足新一輪能源革命發(fā)展下電力負(fù)荷的大幅增長和供電質(zhì)量的要求，電網(wǎng)的電力傳輸功能向更大容量、更安全、更智能的方向發(fā)展，形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卧匐姎饣慕恢绷骰炻?lián)輸電系統(tǒng)，具有強大的適應(yīng)性和高度穩(wěn)定性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更堅強、輸電容量更大、傳輸距離更遠(yuǎn)，電網(wǎng)的互聯(lián)將使得各級電網(wǎng)聯(lián)系更緊密，傳輸配送電力的范圍和距離將進(jìn)一步擴大，滿足負(fù)荷需求的能力也得以進(jìn)一步提升。

(2)資源配置功能與形態(tài)定位。電網(wǎng)的功能拓展為多種能源物理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，形態(tài)升級為綜合能源互聯(lián)互補的高級形態(tài)，其主要特征是系統(tǒng)規(guī)模大、接入主體多。通過電力調(diào)度合理配置發(fā)電能源，各個區(qū)域、各種形式的可再生能源都能通過能源互聯(lián)網(wǎng)柔性聯(lián)接，進(jìn)一步推動清潔能源的協(xié)調(diào)互補和優(yōu)化配置。作為中國能源綜合運輸體系的重要組成部分，電網(wǎng)將在促進(jìn)煤電優(yōu)化布局的同時，促進(jìn)清潔能源的大范圍配置和遠(yuǎn)距離輸送，在滿足中國能源電力大規(guī)模輸送及能源綜合運輸體系構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。

(3)市場交易功能與形態(tài)定位。電網(wǎng)將逐步由簡單滿足用戶用電需求功能向落實電力交易結(jié)果、促進(jìn)電力市場有效競爭、推動電力市場有序運作的方向轉(zhuǎn)變。電網(wǎng)功能將拓展出更廣泛的市場功能，并以智能互動和技術(shù)創(chuàng)新將電力市場各主體緊密融合。一方面，更加智能、柔性、開放的電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的高效流動，促進(jìn)電力市場有效配置資源；另一方面，電網(wǎng)范圍的擴大使得電力市場的范圍進(jìn)一步擴大，市場主體隨之增加，從而降低市場集中度，促進(jìn)市場競爭，并催生能源領(lǐng)域新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生。

(4)信息交互功能與形態(tài)定位。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)將突破電力供應(yīng)的服務(wù)范圍，通過智慧促進(jìn)能源與信息深度融合，成為連接新能源、信息技術(shù)、新材料等與用戶之間的重要紐帶，未來電網(wǎng)是構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、靈活、便捷的智能能源系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)具有高度智慧化和交互性。未來電網(wǎng)將為社會提供多元化、立體式、智能化、綜合性的能源服務(wù)。

4 結(jié)語

(1)新一輪能源革命將推動多元能源供應(yīng)體系逐漸形成，這一過程將以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、促進(jìn)節(jié)能降耗、共享社會資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，以清潔低碳為主要方向，再電氣化是其重要特點。

(2)未來電網(wǎng)形態(tài)的演變，受到能源電力系統(tǒng)內(nèi)部和外部經(jīng)濟(jì)、體制、環(huán)境等因素共同影響。未來中國電網(wǎng)功能將顯著提升，既要滿足能源電力大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送的需要，又要滿足受端地區(qū)多種能源電力協(xié)同運行的需要，還要滿足新能源發(fā)展和新型用電服務(wù)的需要。

(3)為適應(yīng)未來中國電網(wǎng)功能的發(fā)展變化，未來的電網(wǎng)必然是“堅強”與“智能”并重。隨著特高壓輸電不斷取得重大突破，智能電網(wǎng)建設(shè)也同步推進(jìn)，形成特高壓為核心的堅強電網(wǎng)與智能化相輔相成、相互促進(jìn)的電網(wǎng)發(fā)展路線，實現(xiàn)特高壓電網(wǎng)與各級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

來源:《中國電力》雜志

作者：譚雪 劉俊 鄭寬 閆曉卿 石磊

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