中國工程院院士 郭劍波：科技創(chuàng)新支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建

21世紀(jì)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(jì)出現(xiàn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)是人類工程科學(xué)史上最重要的成就之一，讓人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了顛覆性的改變。進入21世紀(jì)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(zhuǎn)型。

能源清潔低碳轉(zhuǎn)型將帶來能源生產(chǎn)和能源利用的再一次變革，對人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠的影響。20世紀(jì)的全球能源安全框架是以石油為基礎(chǔ)的，而21世紀(jì)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(guān)系國家安全。我國能源供給和消費的結(jié)構(gòu)性矛盾突出，必須加快推進能源生產(chǎn)和消費革命，增強我國能源自主保障能力。在生產(chǎn)側(cè)，降低煤炭和石油占比，提高可再生能源比例（主要轉(zhuǎn)化為電能利用）；在消費側(cè)，提高電能在終端能源中的比重，在交通、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域加快電能替代。據(jù)預(yù)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(gòu)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(gòu)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(zhì)鏈、信息鏈和價值鏈重塑。這將對電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)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(jié)構(gòu)、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(fù)雜多變，需要加大對穩(wěn)定基礎(chǔ)理論的研究。

系統(tǒng)構(gòu)建。新能源高占比的電力系統(tǒng)，新能源需實現(xiàn)從“并網(wǎng)”到“組網(wǎng)”的角色轉(zhuǎn)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(shè)備、運行、控制的標(biāo)準(zhǔn)體系以及新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)條件提出了新要求，是未來需重點解決的問題。

電網(wǎng)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(zhuǎn)型，難點是統(tǒng)計數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃階段必須加入市場規(guī)則，讓輔助服務(wù)能力提供者和生產(chǎn)電量者都獲利。亟需研究適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型的法律法規(guī)以及相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，面向系統(tǒng)的普遍技術(shù)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(yīng)采用特殊電價。

穩(wěn)定控制。運行控制方面，按預(yù)案運行和防御需要向基于狀態(tài)感知、趨勢分析的自適應(yīng)和分區(qū)層次化主動防御轉(zhuǎn)型。為克服含高比例新能源的新型電力系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新安全穩(wěn)定控制方法和理論，同時應(yīng)用“大云物移智鏈”等新技術(shù)，加強源網(wǎng)荷儲特性的動態(tài)匹配和協(xié)同及預(yù)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(cè)的不確定性。高比例新能源下供需雙側(cè)不確定性具有決策依賴性。在新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為解決調(diào)節(jié)能力不足的問題，需要通過對源、網(wǎng)、荷側(cè)進行改造提升和協(xié)調(diào)優(yōu)化，增加系統(tǒng)內(nèi)的靈活調(diào)節(jié)資源、發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)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(wǎng)荷協(xié)調(diào)，除了需要克服技術(shù)難題，還需要完善標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)鏈、信息鏈和價值鏈重塑。市場和政策機制設(shè)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(diào)市場內(nèi)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(diào)頻、無功等輔助服務(wù)的需求，應(yīng)考慮建設(shè)容量市場，鼓勵常規(guī)電源承擔(dān)輔助服務(wù)，補償其利用小時降低的損失。此外，在市場設(shè)計中需要研究考慮新能源接入的輔助服務(wù)需求計算方法，合理界定新能源應(yīng)該承擔(dān)的輔助服務(wù)義務(wù)，并在規(guī)劃設(shè)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(guān)聯(lián)，多環(huán)節(jié)、多過程耦合，多能源共存的特征，需要構(gòu)建以電網(wǎng)為樞紐的綜合能源系統(tǒng)，系統(tǒng)性應(yīng)對和協(xié)調(diào)解決各種技術(shù)、機制問題，包括管理機制、技術(shù)需求、市場模式等多方面的挑戰(zhàn)。

跨學(xué)科融合與新技術(shù)應(yīng)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(gòu)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(yù)測、決策和管理水平。人工智能可應(yīng)用于能源電力多個領(lǐng)域，應(yīng)對復(fù)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(wǎng)絡(luò)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(fēng)險和運行態(tài)勢，還需關(guān)注社會經(jīng)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(wǎng)絡(luò)，但其網(wǎng)絡(luò)終端多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)開放廣泛、信息內(nèi)容多樣、網(wǎng)絡(luò)暴露面廣，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防御帶來極大技術(shù)挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)已經(jīng)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(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)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(shù)進步，成本將進一步降低，可以預(yù)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(fù)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(zhuǎn)型的中堅力量，就需要承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任和義務(wù)，推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。

創(chuàng)新驅(qū)動建設(shè)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(yīng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)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(yīng)用“大云物移智鏈”等技術(shù)，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(gòu)建呈現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)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(fù)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(fù)雜。

科技創(chuàng)新是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、應(yīng)對高占比新能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)、破解能源轉(zhuǎn)型發(fā)展難題的重要途徑。我們要通過加大科研投入、基礎(chǔ)前瞻性研究、學(xué)科交叉與合作、基礎(chǔ)設(shè)施和人才隊伍建設(shè)等舉措，實現(xiàn)體制機制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)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(zhuǎn)型。

（中國電力科學(xué)研究院有限公司郭劍波院士研究團隊對此文亦有貢獻）