新一轮能源革命下中国电网发展趋势和定位分析

时间:2018-09-05    点击: 次     来源:    


摘要

新一轮能源革命下电网的发展将在电力系统传统功能基础上进一步扩展和丰富。在对新一轮能源革命内涵的深刻剖析基础上,借助电力系统优化规划模型对未来多元能源供应系统进行探索,预判未来能源发展格局。结合技术、经济、制度、环境等因素,识别影响电网发展的关键因素,通过构建电网功能定位模型,运用SWOT-AHP分析电网发展的内外部环境,构建相应的指标体系量化分析电网发展的战略定位,提出电网功能与形态转变的方向。结果表明,未来电网的电力传输功能向更大容量、更安全、更智能的方向发展,并呈现综合能源互联互补的高级形态,电网将为社会提供多元化、立体式、智能化服务。


关键词:能源互联网新一轮能源革命 电网发展 影响因素 功能形态 电网功能定位模型

引言

随着世界能源可持续供应压力不断增大,加之气候变化和环境污染问题严峻,转变能源开发利用的方式、推动能源新技术应用、构建新型能源体系成为世界能源发展的方向[1]。新型能源体系将以能源互联网为依托,以电力系统为核心纽带,实现横向“多源互补”、纵向“源-网-荷-储”协调,能源与信息高度融合的新体系。系统中,电网是最为完善、具有极强可延展性的能源网络,可以实现能量大范围、远距离输送,从而实现资源的优化配置[2]。在当前经济转型升级、能源格局变革的新形势下,从经济、体制机制、社会、技术等多方面预判能源变革形势,分析未来中国电网的发展趋势和功能定位变化十分必要。


对于能源电力系统和电网发展,多数研究聚焦于能源格局演变[3-6]、输配电的技术发展[7-8]、电力系统运行技术[9-11]、电网控制技术[12-13]等技术方面。本文聚焦于贯穿发-输-配电的电力系统全环节的广义电网,分析新一轮能源革命下的多元能源供应体系和电力流格局,构建电网功能定位模型研究能源革命发展过程中电网的战略定位,提出未来电网在经济社会中的功能与形态转变方向。


1 新一轮能源革命内涵

1.1 能源革命内涵

在全球面临能源资源危机、气候变化和环境污染等问题的背景下,世界各国开始探索以更加经济、高效、清洁的方式满足经济社会发展需求的路径,新旧能源系统逐步更迭过程催发了新一轮能源革命。这一过程将以优化能源结构、提高能源效率、促进节能降耗、共享社会资源、实现可持续发展为目标,涵盖能源开发、生产、加工、转换、配置、消费和管理等各个环节,涉及经济、社会、政治、文化、生态诸多方面,如图1所示。清洁低碳是新一轮能源革命的主要方向,再电气化是新一轮能源革命的重要特点,电能将在推动人类能源利用从以化石能源为主向以清洁能源为主的战略转型中发挥核心作用[14]

图 1 新一轮能源革命框架


1.2 中国能源革命新特征

当前中国已从被动接受全球能源治理规则向主动参与和建设国际秩序转变,国际影响力空前提升。但是,中国在国际能源事务上尚处于能力建设阶段,同时也面临诸多国际关系变化带来的风险,因此中国能源革命呈现出新特征。


一是中国经济调整赶超能源结构调整。目前中国已经进入工业化后期后半阶段,但是能源结构仍处于以煤炭为主的第二轮能源革命阶段,以煤为主的能源结构长期没有得到改变。


二是中国能源革命中政策发挥着显著的推动作用。在中国能源供给进程中,国家在不同阶段出台多项政策和制度保障能源供应、促进结构调整,推动能源产业发展。正是由于这些政策的引导和推动,弥补了中国低成本高速度发展的技术限制和经济限制,在一定程度上推进了能源革命的进程。


三是中国能源革命具有引领示范作用。中国正积极推动全球气候变化应对行动和能源治理,落实全球能源互联网中国倡议,促进绿色低碳发展,中国的能源革命有望引领全球能源革命。


2 新一轮能源革命下多元能源供应体系

2.1 分析思路和方法

在新一轮能源革命背景下,基于新能源革命和社会经济等关键要素,考虑碳排放约束,并依据经济性、合理性原则,运用电力系统整体优化规划(GESP-IV)模型,模拟未来多元能源格局和供应体系,分析未来清洁能源开发利用、电力流等情况的趋势,从而分析新一轮能源革命对电网的影响。本文的分析思路和方法框架如图2所示。

图 2 多元能源供应系统分析方法框架


运行分析的边界条件主要是未来所研究水平年(2030年、2050年)的电源、电网、负荷方案。本文结合国家非化石能源战略目标、新能源规划目标等约束条件,综合考虑当前经济“新常态”情况以及未来经济发展形势、人口增速、技术条件等,测算新能源开发规模、电源布局等。为更加真实模拟风、光出力的间歇性对系统运行的影响,本文选择中国2015年全年8 760 h的省级历史数据出力特性代替典型日,进行全年的时序电力生产模拟。


优化模型的目标函数为规划期内(多周期,各周期计算一次电力电量平衡)各地区、各类资源的供电成本(投资+运行-余值)总和最小,跨区电力流按电力供应成本最低原则确定跨区交换规模。同时考虑电力电量平衡、发电能源平衡、分区域接纳分布式电源能力、调峰平衡、环境减排要求等约束条件。


2.2 多元能源供应体系

基于电力系统规划模型模拟,未来新能源比重逐渐提高。2050年全国有效装机容量超过22.4亿kW,其中传统化石能源装机比重约为20%,常规非化石能源装机比重约为14.5%,新能源装机比重约为54%。

2050年风、光等间歇式电源电量比重将达到40%,某些时段某些地区间歇式电源供应比重甚至将达到80%以上。与冬季相比,秋季的电力负荷较低,在系统消纳高比例的风、光等间歇式电源时面临的压力更大。运行困难一般发生在需求的低谷期,包括春、秋季的夜间时段。


未来煤电的功能定位从电量型电源转向电力型电源,全年利用小时数约2 300 h,多用来满足由间歇式电源发电随机波动、电力负荷峰谷差持续加大等因素带来的系统调节需求。将全年分为4个季节,统计各个季节的煤电利用情况,发现在春、秋季负荷较低时,煤电的利用小时数折算为2 000 h,低于冬、夏季折算的利用小时数2 500 h。因此,需要各类电源侧、电网侧、负荷侧措施和技术协调配合,才能满足高比例的间歇式电源带来的实时运行层面的巨大挑战。


2.3 全国电力流格局

中长期来看,中国电力流向将呈现“西电东送”、“北电南供”、“西南西北互济”的总体格局。从区域来看,西北、东北、华北(含蒙西、山西)、川渝藏区域为电力送端,西北、东北、华北送端电力流为煤、风、光打捆电力,川渝藏主送水电。东中部受端13省市、南方区域为电力受端。川渝藏与西北区域资源禀赋具有互补特性,因此两区之间电力流主要是在不同季节和日间不同时段交换电量。东中部受端与南方区域之间同为交换电量。


2030年,中国新增电力流以西南水电及“三北”新能源电力流为主,煤电布局将进一步优化。中国陆上、近海风电将并重发展,并开展远海风电示范。太阳能发电布局方面,原有基地规模进一步扩大,新增新疆中部、北部、蒙西腾格里沙漠地区等风电基地毗邻的千万千瓦光伏基地,建设青海东部、西藏日喀则等大型光电基地。四川、云南水电基本开发完毕,西藏金沙江上游、怒江上游和雅鲁藏布江流域的水电将成为西电东送电力流接续电源。2030—2050年,煤电、水电等能源资源潜力基本开发完毕,风电、太阳能发电将成为电力流大规模增加的主要推动力。


考虑到清洁能源大规模开发利用和电源布局调整,2030年全国跨区输送电力流规模将达到4.6亿kW,其中东中部负荷受入电力流达到3.7亿kW。2050年,全国跨区电力流规模达到6.8亿kW,其中,东中部负荷中心受入电力流达到5亿kW。2030年和2050年,通过跨区通道输送的电能将分别占当年全社会用电量的20%和25%。2050年,受经济发展和技术改进推动,东中部负荷中心地区微电网将达到一定的自给程度,但大容量远距离输送电力的基本需求依然存在,电网形态将会呈现大容量远距离输电与智能微网并存互补。


3 电网功能定位模型

3.1 电网发展关键要素识别

基于前文的规划模拟结果,预判未来能源体系和格局变化,从而识别影响电网发展的关键要素。此外,电网发展还受到外部经济、制度、技术、环境等影响,如图3所示。

图 3 电网发展关键要素


新一轮能源革命将由水电和煤电等传统电源的传输需求推动,逐步过渡到传统电源与风电、太阳能发电等新型可再生能源发电共同推动。未来能源系统多元化发展和大规模清洁能源纳入系统,对电网的规划、建设、运行、管理等都将产生广泛影响,要求电网更为柔性灵活、坚强可靠,也对电网的安全运行带来挑战。


从技术创新方面来看,输电技术、运行调度技术、信息技术等是决定电网发展程度的关键驱动因素。经济发展是影响能源电力消费的主要因素,对电力需求提出新的要求,从而影响电网功能和形态变化。体制机制因素是引导电网有序发展的关键因素。不同时期国家对于宏观调控、产业调整、能源总量控制、能源结构调整等政策发挥了巨大作用。生态环境管制趋严,也将对电网规划选址和建设等方面带来挑战。


3.2 电网功能定位模型

基于对未来多元能源系统的发展趋势分析,本研究运用SWOT与AHP相结合的方法分析电网在能源革命中的定位和功能。SWOT-AHP电网战略分析模型将运用层次分析法的原理[15-16],主要包括以下两部分。


(1)关键环境要素选择层次模型主要是根据传统的SWOT分析模型原理,将影响企业电网战略制定的要素分为企业内部的优势(S)、劣势(W)因素和企业外部的机遇(O)、挑战(T)因素。


(2)最优战略选择层次模型将SWOT模型确定的影响企业最优战略选择的关键环境因素放入准则层,再使用层次分析法对最优定位方案进行选择。


首先,为了保证权重计算的客观准确,在确定权重时需要对各要素的重要性进行评判,运用1-9的比例标度法作为依据给出分值,如表1所示。


表1 比较标度法中的标度含义


为了得到不同阶数的矩阵均适用的一致性检验的临界值,还需引入平均随机一致性指标RI。通过CR=CI/RI,求得随机一致性比率CR。当CR≤0.1时,认为该判断矩阵具有较好的一致性;当CR>0.1时,则认为该判断矩阵不具有一致性,应该调整判断值,直到通过一致性检验为止。基于关键因素,构造最优定位选择层次模型,如图4所示。

图 4 未来电网功能定位模型


基于不同矩阵组合,共有4种发展战略定位模式。发展型定位是指要充分抓住外部有利环境的机遇,发挥自身优势赢得先机的战略定位;竞争型定位是指充分利用外部有利环境,弥补自身不足和短板,加强竞争实力的战略定位;遵循型定位是指在外部压力环境下依靠自身优势保证顺利发展的战略定位;规避型定位是指在外部不利环境中,尽量规避直接竞争立足于弥补自身不足的保守型战略定位。


3.3 模型结果

为了构造判断矩阵,确定未来电网功能定位的各个评价指标的重要程度,以1-9级标度进行衡量和计算。首先对“优势”、“不足”、“机遇”和“压力”这四大评价指标的重要性进行比较,然后分别对这四大评价指标下的4个子指标进行两两比较。计算各层级评价体系得分,并最终计算算术平均值,得出评价层次得分,如表2所示。

表2 电网功能定位评价指标和得分


按各方案的最终总得分的高低做排序可得:发展型>竞争型>遵循型>规避型,因此未来电网功能定位的最优选择为发展型。发展型是指未来电网要充分依托将来外部环境优势,立足于自身优势积极推动以再电气化为特征的新一轮能源革命。


3.4 电网功能形态定位

(1)电力传输功能与形态定位。为了满足新一轮能源革命发展下电力负荷的大幅增长和供电质量的要求,电网的电力传输功能向更大容量、更安全、更智能的方向发展,形态转变为支撑再电气化的交直流混联输电系统,具有强大的适应性和高度稳定性。网架结构更坚强、输电容量更大、传输距离更远,电网的互联将使得各级电网联系更紧密,传输配送电力的范围和距离将进一步扩大,满足负荷需求的能力也得以进一步提升。


(2)资源配置功能与形态定位。电网的功能拓展为多种能源物理互联网络,形态升级为综合能源互联互补的高级形态,其主要特征是系统规模大、接入主体多。通过电力调度合理配置发电能源,各个区域、各种形式的可再生能源都能通过能源互联网柔性联接,进一步推动清洁能源的协调互补和优化配置。作为中国能源综合运输体系的重要组成部分,电网将在促进煤电优化布局的同时,促进清洁能源的大范围配置和远距离输送,在满足中国能源电力大规模输送及能源综合运输体系构建中发挥重要作用。


(3)市场交易功能与形态定位。电网将逐步由简单满足用户用电需求功能向落实电力交易结果、促进电力市场有效竞争、推动电力市场有序运作的方向转变。电网功能将拓展出更广泛的市场功能,并以智能互动和技术创新将电力市场各主体紧密融合。一方面,更加智能、柔性、开放的电网能够实现信息的高效流动,促进电力市场有效配置资源;另一方面,电网范围的扩大使得电力市场的范围进一步扩大,市场主体随之增加,从而降低市场集中度,促进市场竞争,并催生能源领域新业态的产生。


(4)信息交互功能与形态定位。随着智能电网的发展,电网将突破电力供应的服务范围,通过智慧促进能源与信息深度融合,成为连接新能源、信息技术、新材料等与用户之间的重要纽带,未来电网是构建经济、灵活、便捷的智能能源系统的关键,系统具有高度智慧化和交互性。未来电网将为社会提供多元化、立体式、智能化、综合性的能源服务。


4 结语

(1)新一轮能源革命将推动多元能源供应体系逐渐形成,这一过程将以优化能源结构、提高能源效率、促进节能降耗、共享社会资源、实现可持续发展为目标,以清洁低碳为主要方向,再电气化是其重要特点。


(2)未来电网形态的演变,受到能源电力系统内部和外部经济、体制、环境等因素共同影响。未来中国电网功能将显著提升,既要满足能源电力大规模远距离输送的需要,又要满足受端地区多种能源电力协同运行的需要,还要满足新能源发展和新型用电服务的需要。


(3)为适应未来中国电网功能的发展变化,未来的电网必然是“坚强”与“智能”并重。随着特高压输电不断取得重大突破,智能电网建设也同步推进,形成特高压为核心的坚强电网与智能化相辅相成、相互促进的电网发展路线,实现特高压电网与各级电网的协调发展。


来源:《中国电力》杂志

作者:谭雪 刘俊 郑宽 闫晓卿 石磊


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