双碳”目标下 新型电力系统发展路径的优化思路

       习近平总书记宣布中国将力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和，这意味着中国作为世界上最大的发展中国家，将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和。
（来源：微信公众号“中国电力企业管理”  ID：zgdlqygl  作者：冷俊 薛禹胜）
       正如两点之间可以画无数条曲线，“双碳”目标是确定的，但是要从中国当前的状态达到期望中的状态，中间可供选择的路径有无数种。为了优化实现“双碳”目标的路径，需要明确以下三个问题：第一，对“双碳”达标路径的准确描述和评估，这需要考虑与能源、经济、环境及社会等环节的关联，以及合理预估各种不确定性因素的影响；第二，“双碳”目标与能源安全、经济安全、环境安全的协同优化；第三，电力系统如何主动支撑“双碳”目标的实现。
       电力系统是能源链的枢纽环节，以及经济社会发展的重要支撑。以新能源为主体的新型电力系统是电力发展与“双碳”目标之间关系的官方表述，而能源的信息-物理-社会系统（Cyber-Physic-Social System in Energy，或CPSSE）是实现“双碳”目标与能源转型路径优化的框架。
       CPSSE中的信息元素，是指支撑大规模交流直流混合输电及电力电子装备入网，系统动态特性越加复杂的先进信息技术，在迈向“双碳”目标的同时，保证我国的电力安全、能源安全、经济安全和环境安全。
       CPSSE中的物理元素，是指在中国经济社会发展的碳约束条件下，能源领域是减少碳排放的主战场，新能源大规模替代火电，能源系统的复杂性、不确定性大幅提高，电力系统的枢纽角色将更为突出。
       CPSSE中的社会元素，是指大规模新型负荷涌现，辅助服务与需求侧参与的问题更加紧迫，大量社会参与者的博弈行为，特别是政策与规则将影响电力系统的工况与响应，电力系统必须依靠更加智能的规划、调度及市场引导，才能支撑“双碳”目标。
       本文尝试从电力系统、智能电网、CPSSE发展的过程，统筹考虑信息、物理、社会三个元素，提出实现“双碳”目标及能源转型路径优化的框架。
能源链转型与“双碳”目标紧密耦合
       习总书记在2021年考察福建时强调：“要把碳达峰、碳中和纳入生态省建设布局，科学制定时间表、路线图，建设人与自然和谐共生的现代化。”笔者认为，这里面的“人”即社会因素，“自然”即物理因素，“科学制定”和“现代化”反映了信息因素；为了顺利实现“双碳”目标，就要在时间表、路线图上做文章，即在发展路径下功夫；要优化建设路径，就必须对路径的代价实现量化评估，进而优化决策。
       能源链中的一次能源通过电力系统转换成二次能源，将清洁、方便使用的电能传输、分配成为用户消费的终端能源。在可以预见的将来，大规模可再生能源的应用，能否顺利克服其不确定性与不易控制等技术特征带来的困难，很大程度上取决于电力系统能否实现有效而可靠的转换和平衡。
       能源链在支撑经济社会发展的同时，也向大气层排放了大量以二氧化碳为主要代表的温室气体，后者严重制约了经济社会的可持续发展。能源链中的电力系统则是温室气体的主要排放源。随着应对气候变化成为全球共识，经济社会的发展也促使人们通过植树造林、碳捕获、利用与封存（CCUS）等手段增加碳汇。大气层温室气体浓度是增加抑或减少，取决于碳排放和碳汇之间的关系：当碳排放大于碳汇时，温室气体的浓度就会不断增加造成全球平均温度的上升，若其超过了大自然能自我修复的极限时，就会带来极端的自然灾害。
       因此，能源链和碳元素链是紧密耦合的。以全球碳循环（2010~2019）情况为例，每年我们人为的化石燃料燃烧造成的碳排放（约340亿吨每年）远远超出自然的土地生态活动形成的碳汇（约130亿吨每年）与海洋生态活动形成的碳汇（约90亿吨每年）之和。因为动物的呼吸、火山活动、山火等都会产生碳排放，所以碳排放不可能降到零值，仅仅依靠碳减排难以实现碳中和。必须要增加足够的碳汇来抵消这部分的碳排放。当离碳中和目标越来越近时，不论是进一步减少碳排放，还是进一步增加碳汇，都会越来越困难。而社会资源在碳减排与碳增汇的配置决策上也需要优化。
       为此，需要获取碳排放与碳汇的演化轨迹，并从中定性及定量评估碳中和的程度（例如取为碳汇量与碳排量的差值）；优化碳中和的边际成本。由于目前我国的减排能力与经济发展要求之间还存在很大差距，因此碳排量还处于增速减缓的爬坡阶段，达峰后的碳排放量将经历波动下降、变速下降的阶段，而最终实现碳中和。其中，必须科学评估碳减排和增加碳汇的效益与机会成本，选择最优的决策来实现“双碳”达标。
那么，如何找到时间最短而机会成本最低的路径呢？
       我国采用了市场机制来优化资金链：建立了碳排放市场及碳抵消市场，分别引导碳减排及优化社会资金的投入，从而对碳减排、碳增汇相关领域的科技进步、产业发展起到促进作用。能源电力系统是我国首个进入碳市场的行业。
       值得注意的是，如果碳排放市场和碳抵消市场互相孤立运行，没有有效的协调，就可能起不到原先设想的作用。两个市场之间需要协调机制，根据对双碳进程的分析及预测，通过对抵消市场中的碳汇和排放市场中的碳排放权的态势分析，调节两个市场商品之间的折算当量，来有序推进“双碳”目标的实现。
电力行业是“双碳”目标的主战场
       发电、输电、配电系统都有其经济模型和物理模型。以新能源为主体的新型电力系统是一个典型的跨领域跨学科系统，不但要打破各环节之间的信息壁垒，保证信息流的畅通及安全，还必须统筹考虑能源链、碳元素链、资金链、大量参与者的行为，以及信息、物理、社会元素引入的各种风险源，才能有效支撑新型电力系统的规划及运行。
       新型电力系统发展路径的优化与“双碳”目标的顺利实现紧密耦合。能源系统在整个碳排放中占比约80%，而电力行业的碳排放占比超过能源行业的40%，也即约占全国碳排放总量的三分之一。另一方面，能源领域推进“双碳”目标的关键在于新能源对化石能源的大规模替代，以及终端能源侧的大范围电能替代。因此，电力行业无疑是实现“双碳”目标的主战场中的主力军。
       2021年3月15日，习近平总书记主持中央会议，明确了新能源在未来电力系统中的主体地位。2030年，我国风、光装机预计将达到12~18亿千瓦，煤电从基础电力有序地转为调控的保证。为此，电力系统必须实现重大转型。建设新型电力系统的关键和掣肘不仅在于新能源的出力难以预测及控制，转动惯量的缺乏使电力系统抗故障冲击的能力降低，还在于大规模分布式新能源、新型负荷及大量电力电子装备的入网，使系统动态特性复杂化，更由于大量社会参与者的博弈行为，以及政策调整对电力系统工况与动态响应的影响。
       为此，电力及能源系统都必须依靠更加智能的规划、调度及市场引导，才能保证其安全稳定性及高效运行，进而主动支撑“双碳”目标的顺利实现。电力系统需要在各自随机变化的供电侧和用电侧之间，实现不同时间尺度的动态平衡，保证电力安全、能源安全、经济安全和环境安全。2016年，笔者研究团队发表在PIEEE上的文章指出：智能电网就是信息物理系统在电力领域中的实现（CPS in Power）。2017年，笔者研究团队又在PIEEE发表了一篇观点性文章，指出：智能电网的未来是CPSSE。考虑到实际情况，笔者研究团队将以经济发展水平、能源安全、环境安全、社会参与为约束条件，不断动态优化从当前状态趋于目标状态的实施路径，从而达到能源转型净收益的最大化。实现路径的量化评估，是一个巨大而复杂的系统工程，需要全新的研究范式。其中包括：跨领域的建模、大数据的采集、多领域仿真平台的搭建、基于混合仿真的沙盘推演、大数据中的知识提取及决策支持、各种不确定因素的考虑。
       在双碳目标及演化路径的优化研究中，笔者团队按运行分析与控制的要求拓展了充裕性的风险评估概念，包括长期电量的充裕性、可中断负荷参与运行控制及辅助服务、水能和核能在能源安全中的重新定位、各种储能装备的协调运行。同时，也拓展了安全稳定性的风险评估，包括非常态事件的应对、数据驱动与因果驱动的融合分析，宽频振荡行为的分析与控制。此外，在创立电力碳减排和碳中和的机会成本算法、碳排放市场与碳抵消市场的协调方法的基础上，研究了碳中和的路径优化算法。
       这场广泛而深刻的经济社会系统的变革，应该以“双碳”目标最优实现路径为决策的依据。新型电力系统的时空发展规划，应该嵌入到整个能源转型及“双碳”目标的路径优化过程中，计及来自信息、物理、社会环节的各种不确定性，并涉及信息技术、自然科学、社会科学等多领域的交叉，复杂非线性系统的时空演化规律的研究。
结语
       能源领域通过一次能源的清洁替代、终端能源的电能替代，以及新型电力系统的主动支撑，来保证“双碳”目标的顺利实现。新型电力系统作为能源系统的枢纽环节，其发展路径的优化与“双碳”目标的顺利实现紧密耦合。这不但在规划层面上反映为电力（能源）规划与“双碳”路径设计的融合，也在运行层面上反映为能量管理系统（EMS）与碳管理系统（CMS）的协同。（本刊编辑部邓卓昆对本文亦有贡献）
作者简介：
冷俊
       研究员级高级工程师，长期从事电力系统自动化领域技术研究及企业经营管理，现任南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）董事长、党委书记，中国电机工程学会常务理事，享受国务院政府特殊津贴。曾获十余项省部级科技奖项。
薛禹胜
       稳定性理论及电力系统自动化专家，中国工程院院士，现任国网电力科学研究院名誉院长。开创了非自治系统运动稳定性的量化理论和电力系统暂态稳定的定量算法，并广泛应用于国内外。他设计的停电防御体系的防御范围覆盖了中国4/5的电网。提出了能源领域的信息-物理-社会系统的研究框架，实现了通过数学模型-多代理-真实人的混合仿真来支持决策。