雙碳”目標下 新型電力系統發展路徑的優化思路

       習近平總書記宣布中國將力爭于2030年前實現二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和，這意味著中國作為世界上最大的發展中國家，將完成全球最高碳排放強度降幅，用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和。
（來源：微信公眾號“中國電力企業管理”  ID：zgdlqygl  作者：冷俊 薛禹勝）
       正如兩點之間可以畫無數條曲線，“雙碳”目標是確定的，但是要從中國當前的狀態達到期望中的狀態，中間可供選擇的路徑有無數種。為了優化實現“雙碳”目標的路徑，需要明確以下三個問題：第一，對“雙碳”達標路徑的準確描述和評估，這需要考慮與能源、經濟、環境及社會等環節的關聯，以及合理預估各種不確定性因素的影響；第二，“雙碳”目標與能源安全、經濟安全、環境安全的協同優化；第三，電力系統如何主動支撐“雙碳”目標的實現。
       電力系統是能源鏈的樞紐環節，以及經濟社會發展的重要支撐。以新能源為主體的新型電力系統是電力發展與“雙碳”目標之間關系的官方表述，而能源的信息-物理-社會系統（Cyber-Physic-Social System in Energy，或CPSSE）是實現“雙碳”目標與能源轉型路徑優化的框架。
       CPSSE中的信息元素，是指支撐大規模交流直流混合輸電及電力電子裝備入網，系統動態特性越加復雜的先進信息技術，在邁向“雙碳”目標的同時，保證我國的電力安全、能源安全、經濟安全和環境安全。
       CPSSE中的物理元素，是指在中國經濟社會發展的碳約束條件下，能源領域是減少碳排放的主戰場，新能源大規模替代火電，能源系統的復雜性、不確定性大幅提高，電力系統的樞紐角色將更為突出。
       CPSSE中的社會元素，是指大規模新型負荷涌現，輔助服務與需求側參與的問題更加緊迫，大量社會參與者的博弈行為，特別是政策與規則將影響電力系統的工況與響應，電力系統必須依靠更加智能的規劃、調度及市場引導，才能支撐“雙碳”目標。
       本文嘗試從電力系統、智能電網、CPSSE發展的過程，統籌考慮信息、物理、社會三個元素，提出實現“雙碳”目標及能源轉型路徑優化的框架。
能源鏈轉型與“雙碳”目標緊密耦合
       習總書記在2021年考察福建時強調：“要把碳達峰、碳中和納入生態省建設布局，科學制定時間表、路線圖，建設人與自然和諧共生的現代化。”筆者認為，這里面的“人”即社會因素，“自然”即物理因素，“科學制定”和“現代化”反映了信息因素；為了順利實現“雙碳”目標，就要在時間表、路線圖上做文章，即在發展路徑下功夫；要優化建設路徑，就必須對路徑的代價實現量化評估，進而優化決策。
       能源鏈中的一次能源通過電力系統轉換成二次能源，將清潔、方便使用的電能傳輸、分配成為用戶消費的終端能源。在可以預見的將來，大規模可再生能源的應用，能否順利克服其不確定性與不易控制等技術特征帶來的困難，很大程度上取決于電力系統能否實現有效而可靠的轉換和平衡。
       能源鏈在支撐經濟社會發展的同時，也向大氣層排放了大量以二氧化碳為主要代表的溫室氣體，后者嚴重制約了經濟社會的可持續發展。能源鏈中的電力系統則是溫室氣體的主要排放源。隨著應對氣候變化成為全球共識，經濟社會的發展也促使人們通過植樹造林、碳捕獲、利用與封存（CCUS）等手段增加碳匯。大氣層溫室氣體濃度是增加抑或減少，取決于碳排放和碳匯之間的關系：當碳排放大于碳匯時，溫室氣體的濃度就會不斷增加造成全球平均溫度的上升，若其超過了大自然能自我修復的極限時，就會帶來極端的自然災害。
       因此，能源鏈和碳元素鏈是緊密耦合的。以全球碳循環（2010~2019）情況為例，每年我們人為的化石燃料燃燒造成的碳排放（約340億噸每年）遠遠超出自然的土地生態活動形成的碳匯（約130億噸每年）與海洋生態活動形成的碳匯（約90億噸每年）之和。因為動物的呼吸、火山活動、山火等都會產生碳排放，所以碳排放不可能降到零值，僅僅依靠碳減排難以實現碳中和。必須要增加足夠的碳匯來抵消這部分的碳排放。當離碳中和目標越來越近時，不論是進一步減少碳排放，還是進一步增加碳匯，都會越來越困難。而社會資源在碳減排與碳增匯的配置決策上也需要優化。
       為此，需要獲取碳排放與碳匯的演化軌跡，并從中定性及定量評估碳中和的程度（例如取為碳匯量與碳排量的差值）；優化碳中和的邊際成本。由于目前我國的減排能力與經濟發展要求之間還存在很大差距，因此碳排量還處于增速減緩的爬坡階段，達峰后的碳排放量將經歷波動下降、變速下降的階段，而最終實現碳中和。其中，必須科學評估碳減排和增加碳匯的效益與機會成本，選擇最優的決策來實現“雙碳”達標。
那么，如何找到時間最短而機會成本最低的路徑呢？
       我國采用了市場機制來優化資金鏈：建立了碳排放市場及碳抵消市場，分別引導碳減排及優化社會資金的投入，從而對碳減排、碳增匯相關領域的科技進步、產業發展起到促進作用。能源電力系統是我國首個進入碳市場的行業。
       值得注意的是，如果碳排放市場和碳抵消市場互相孤立運行，沒有有效的協調，就可能起不到原先設想的作用。兩個市場之間需要協調機制，根據對雙碳進程的分析及預測，通過對抵消市場中的碳匯和排放市場中的碳排放權的態勢分析，調節兩個市場商品之間的折算當量，來有序推進“雙碳”目標的實現。
電力行業是“雙碳”目標的主戰場
       發電、輸電、配電系統都有其經濟模型和物理模型。以新能源為主體的新型電力系統是一個典型的跨領域跨學科系統，不但要打破各環節之間的信息壁壘，保證信息流的暢通及安全，還必須統籌考慮能源鏈、碳元素鏈、資金鏈、大量參與者的行為，以及信息、物理、社會元素引入的各種風險源，才能有效支撐新型電力系統的規劃及運行。
       新型電力系統發展路徑的優化與“雙碳”目標的順利實現緊密耦合。能源系統在整個碳排放中占比約80%，而電力行業的碳排放占比超過能源行業的40%，也即約占全國碳排放總量的三分之一。另一方面，能源領域推進“雙碳”目標的關鍵在于新能源對化石能源的大規模替代，以及終端能源側的大范圍電能替代。因此，電力行業無疑是實現“雙碳”目標的主戰場中的主力軍。
       2021年3月15日，習近平總書記主持中央會議，明確了新能源在未來電力系統中的主體地位。2030年，我國風、光裝機預計將達到12~18億千瓦，煤電從基礎電力有序地轉為調控的保證。為此，電力系統必須實現重大轉型。建設新型電力系統的關鍵和掣肘不僅在于新能源的出力難以預測及控制，轉動慣量的缺乏使電力系統抗故障沖擊的能力降低，還在于大規模分布式新能源、新型負荷及大量電力電子裝備的入網，使系統動態特性復雜化，更由于大量社會參與者的博弈行為，以及政策調整對電力系統工況與動態響應的影響。
       為此，電力及能源系統都必須依靠更加智能的規劃、調度及市場引導，才能保證其安全穩定性及高效運行，進而主動支撐“雙碳”目標的順利實現。電力系統需要在各自隨機變化的供電側和用電側之間，實現不同時間尺度的動態平衡，保證電力安全、能源安全、經濟安全和環境安全。2016年，筆者研究團隊發表在PIEEE上的文章指出：智能電網就是信息物理系統在電力領域中的實現（CPS in Power）。2017年，筆者研究團隊又在PIEEE發表了一篇觀點性文章，指出：智能電網的未來是CPSSE。考慮到實際情況，筆者研究團隊將以經濟發展水平、能源安全、環境安全、社會參與為約束條件，不斷動態優化從當前狀態趨于目標狀態的實施路徑，從而達到能源轉型凈收益的最大化。實現路徑的量化評估，是一個巨大而復雜的系統工程，需要全新的研究范式。其中包括：跨領域的建模、大數據的采集、多領域仿真平臺的搭建、基于混合仿真的沙盤推演、大數據中的知識提取及決策支持、各種不確定因素的考慮。
       在雙碳目標及演化路徑的優化研究中，筆者團隊按運行分析與控制的要求拓展了充裕性的風險評估概念，包括長期電量的充裕性、可中斷負荷參與運行控制及輔助服務、水能和核能在能源安全中的重新定位、各種儲能裝備的協調運行。同時，也拓展了安全穩定性的風險評估，包括非常態事件的應對、數據驅動與因果驅動的融合分析，寬頻振蕩行為的分析與控制。此外，在創立電力碳減排和碳中和的機會成本算法、碳排放市場與碳抵消市場的協調方法的基礎上，研究了碳中和的路徑優化算法。
       這場廣泛而深刻的經濟社會系統的變革，應該以“雙碳”目標最優實現路徑為決策的依據。新型電力系統的時空發展規劃，應該嵌入到整個能源轉型及“雙碳”目標的路徑優化過程中，計及來自信息、物理、社會環節的各種不確定性，并涉及信息技術、自然科學、社會科學等多領域的交叉，復雜非線性系統的時空演化規律的研究。
結語
       能源領域通過一次能源的清潔替代、終端能源的電能替代，以及新型電力系統的主動支撐，來保證“雙碳”目標的順利實現。新型電力系統作為能源系統的樞紐環節，其發展路徑的優化與“雙碳”目標的順利實現緊密耦合。這不但在規劃層面上反映為電力（能源）規劃與“雙碳”路徑設計的融合，也在運行層面上反映為能量管理系統（EMS）與碳管理系統（CMS）的協同。（本刊編輯部鄧卓昆對本文亦有貢獻）
作者簡介：
冷俊
       研究員級高級工程師，長期從事電力系統自動化領域技術研究及企業經營管理，現任南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司）董事長、黨委書記，中國電機工程學會常務理事，享受國務院政府特殊津貼。曾獲十余項省部級科技獎項。
薛禹勝
       穩定性理論及電力系統自動化專家，中國工程院院士，現任國網電力科學研究院名譽院長。開創了非自治系統運動穩定性的量化理論和電力系統暫態穩定的定量算法，并廣泛應用于國內外。他設計的停電防御體系的防御范圍覆蓋了中國4/5的電網。提出了能源領域的信息-物理-社會系統的研究框架，實現了通過數學模型-多代理-真實人的混合仿真來支持決策。