面向碳中和的未来能源发展数字化转型思考

文 | 吴张建

作者供职于中国电力建设股份有限公司

碳中和背景下，未来能源体系将面临着一系列难题，如何理解未来电力系统的架构及实现路径？数字化技术又将如何加快能源转型？

纵观社会发展史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。在数字化时代，通过数字化技术加快能源转型已成为行业共识。但是能源行业存在的体制、机制、市场、技术等多重壁垒，为转型带来了新的挑战。

未来能源发展的主要问题

面对“2030碳达峰、2060碳中和目标”，新能源与化石能源在总能耗中的比例，将从目前的15%VS85%，转变为85%VS15%，这会引发能源行业颠覆性的变革。未来40年将分为几个发展阶段，各个发展阶段细化的目标以及技术的进步，将为能源类企业带来哪些新的市场机遇需要研究。

能源变革离不开政府对市场的政策引导，在能源快速变化发展的过程中，政府可能制定并颁发相应的政策，如进一步推进可再生能源政府补贴与绿证交易、碳交易、新能源替代等，指引发展方向，同时构建有效竞争的市场主体和市场体系，还原能源商品属性，激发市场活力，鼓励各市场主体充分参与，让市场发挥资源配置的决定性作用。电力企业需要探讨这一形势变化可能对行业的规划、设计、建设产生的影响。

（一）电网侧，现有的电网结构和运行管控方式，很难保证大规模可再生能源接入和消纳。现有的电网调度体系，很难适应大量不可控、不可调新能源接入，高度离散的新能源发电设备和高度离散的参与电网负荷变化调整的设备很难进入现有调度体系，电网的灵活性、可靠性和安全性将受到严重影响。从技术层面看，可再生能源发电、储能等一些瓶颈性技术尚未突破，技术方向仍未清晰，导致电力系统难以承受无任何约束的新能源大规模发展。如何将高度离散化的设备规模化的集成，可调可控，即插即用，或能实现自我平衡，亟需在规划、设计、建设、运行中探索新的做法。

（二）发电侧，化石能源发电厂，尤其是煤电逐步退出市场将成为不可逆转的趋势。从目前电源结构看，化石燃料发电仍然占据主导地位，在未来40年的脱碳进程中，化石能源电力基础设施将逐渐失去主导地位，要找准新定位挖掘新价值，部分电厂不可避免地面临资产沉没的风险，化石能源电厂如何退出市场，电力设计、施工企业将在其演变过程中发挥何种作用都需要进一步探索。

（三）用电侧，用电终端将呈现复杂多样化的趋势。用户侧可能包括电网供电、自发电、储能设备、充电汽车、空调冰箱等，既是电力的使用端，又可能是参与到电网负荷变化调节的设备，又可能面临电气冷热综合用能调节的需求，情况呈现出复杂化，自主平衡要求进一步加大，自主支撑能力要进一步加强。用户资产参与电网负荷变化调节，可以大幅度降低电力总投资，但现有的技术手段及运行模式距离这一目标的实现存在很大差距，但也存在巨大的市场空间。

核心方向与架构设计

从解决上述问题的角度出发，可以基于现有电网不断完善、优化、提升，以适应新能源的大量投入；也可以基于未来新技术介入支撑新电网，反过来迎接大量新能源的投入，比如从增量电网、微网开始，去提前改革适应，等在下一个路口。

（一）“数字化+可再生能源时代”电力系统的架构。未来的能源体系是以可再生能源为主的体系。未来的电力系统架构可能是“NET+GRID+NET”模式，它的系统分工、组织模式、控制方式将会发生变化。

NET结构是一种扁平化的自平衡结构，具有三个特征：第一是多能协同、源网荷储一体，即负荷与电源不分；第二是要基于物联网、大数据、云平台、区块链和智能控制，把新能源的不可控、不可调变成可控、可调；第三是要用两端的NET，来保证中间GRID更好地发挥作用，解决电网未来可能出现的问题。

电网可能形成新的GRID架构，成为核心管道，贯通上下游，调节上下游，电网结构、运行方式和管控模式可能发生根本性改变，需要可再生能源发电技术、电网技术、数字技术的持续进步来支撑。GRID未来可能趋向公益化，摆脱既要承担电力改革的中间主体责任又要承担市场主体的责任，进一步离开两端电力市场，真正起到公平调节平衡作用；摆脱既要照顾方方面面的利益又要通过五级调度来保证电网的安全的责任，进一步强化安全逐层分工合作，让各主体首先负起安全责任，实现自我安全平衡。

基于政策、市场规则和数字化智能控制平台，GRID和两端NET之间责权利将更加明确，更多的NET资产将进入市场，成为市场竞争主体的一部分。随着技术的进步、政策的明确和市场规则的完善，纳入NET市场化的GRID资产越来越多，GRID主要承担解决大的区域性能源不平衡和各NET的应急责任，灵活性、可靠性、安全性、可接入性、可及性压力将主要由NET企业承担。

（二）电源侧NET。未来具有规模性的发电市场可能形成电源侧的NET，是基于低碳环保、高质量发展的规划、建设、运营的“风光水火储一体化”电源侧NET结构。电源侧将根据资源禀赋，可能形成多个基于数字化智能控制的风光水火储等多种形式的一体化控制平行网络架构（NET），基于资本连接的市场主体或者基于数字平台的虚拟市场主体，最大限制的分担电网（GRID）灵活性压力。未来电源侧，可形成多种类型的NET，由一个电源、多个电源等各类电源NET自平衡控制节点组成，这些节点基于低碳、报价等实现自平衡、自我控制。类似虚拟联合电厂运营模式将大量出现，不同能源主体之间基于碳，可能形成新的交易形式并且自动运行，这一全新的架构需要新的自动化体系、控制体系、结算体系，需要新的基于工业互联网的操作系统的支撑。

（三）未来用电侧的NET结构。随着用能方式的多样化，可能形成“源网荷储一体化”的用户侧NET架构。随着对复杂性、即时性要求的不断提高，智慧化实践应运而生，未来可能形成多个基于数字化智能控制的多能协同、源网荷储不分的，能够实现自我平衡的智慧能源网络（NET），共同分担电网（GRID）的灵活性、可靠性、安全性、可及性压力。智慧能源网络以实体或虚拟的形式呈现，但都是真正的市场竞争主体。

未来，一个家庭可能作为一个NET节点，如何自我调节、自我平衡，如何在电网、调度、用户之间确保安全进行交互，如何让设备、电网、用户之间就利益提前设定进行交互，如何就电气冷热低碳低成本综合实时平衡进行控制，需要有新的办法来解决。一个家庭，一栋建筑物，一所医院，一个小区，一个区域等都将形成不同规模的NET。

（四）未来能源的调度模式。传统电网调度模式，面对不可控、不可调的大量新能源的接入，如何调度、如何实现新的平衡、如何控制安全稳定，都是需要关注的问题。分散的屋顶太阳能、充电汽车、家用设备等参加电网调节，将更加复杂，需要在电网、汽车家用设备（端）等之间建立有效的沟通协调，需要在端平台、边缘平台、云平台间实现自动化的调度通信，需要充分融合信息化、数字化、智能化手段，建立自动化、智慧化的智慧能源新体系，形成在确保GRID平衡下的各NET节点实时自我智慧平衡，这一个全新的体系需要攻关。

探讨如何实现自动交易，对离散资源实现规模化控制。基于区块链技术的相互直接、间接自动平衡交易、碳交易等等，标定清楚每一度电、每一个碳的来源，实现交易自动化。

（ 五）数字化平台对未 来能源系统的作用。未来智慧能源“NET+GRID+NET”“风光水火核储一体化”“源网荷储一体化”的自动化系统、控制系统、管理系统、市场系统、结算系统、操作系统等，将会改变。

新体系的建立，需要强大的信息化、数字化平台协同，需要物联网、大数据、云平台、区块链、智能控制等全面支撑，需要建立新的数字体系、数据平台和数学模型，建立跨平台、跨维度、跨区域、跨业务的数据孪生体，需要新的基于数据孪生体电源端平台、基于超级数据孪生体区域电源边平台和基于超级数据孪生体电源控制协同云平台，需要借助云、边、端等一体化强大的算力支持。

基于大数据的各类技术，自我平衡、互相平衡、实时平衡、安全平衡、碳平衡、碳中和等新技术，新体系，新能力，率先拥有意味着在未来的能源变革中拥有核心竞争力，占有主动权。

（六）未来智慧能源新体系的工程全生命管理架构。“NET+GRID+NET”、“风光水火核储一体化”、“源网荷储一体化”，基于碳控制，新能源规划、设计、施工、运维全产业链、全过程、全寿命的工程架构将发生变革。不同主体之间如何规划、策划、投资、建设，以及面对高度离散的电源点，规划新的模式、新的操作方式，并网设备质量如何保证等等，传统电力建设规划、设计、施工企业以何种方式参与到市场竞争中，都是值得研究的。

技术路线与行动方案

面向未来，要抓住这一重大战略、重大需求和重大市场机遇，加快做好顶层设计，提前做好准备。随着大量新能源接入，大批新政策出台，要提前研究、预测变化、提供支持。研究目标包括三个方面：第一是支撑高比例可再生能源开发；第二是提高行业合规管理的效能；第三是降低行业和社会的整体成本。

面对大量新能源接入电网，电力系统可能采取的平衡策略包括：第一，为增加可靠性，大量建设化石能源电厂，这与目前政策相背离，也整体推高电力系统的成本；第二，加快抽水蓄能等具有高度灵活性的新型电源建设，既能解决电力，也能解决电量，但也存在政策不到位，整体推高电力系统成本的问题；第三，建设各类小容量靠近负荷离散配置的储能设施；第四，负荷跟随电网的波动参与到电网调节，大量降低电力系统传统设备的投入，但要大量投入智能化、智慧化设施。

针对电厂、电网、综合能源、智慧能源、智慧社区等建设，如何更好地发挥信息化、数字化手段的作用？针对大量新能源建设，新能源规划、建设、运维等领域信息化和产业化将有哪些新的市场机会？

从技术体系上，云、边、端，算力部署，云支边，边支端，需进一步研究演变及部署路径。

从底层技术上，电力数字化技术体系分为五个层级：一是多维度数据采集平台。通过物联网、互联网、5G、北斗等技术，建立物联感知网络，全面感知工程生命特征。具备“多维”“高频”“高精度”采集和传输数据的能力，实现更加全面的数据采集。二是融合的一体化数据库平台。通过物理集中或逻辑集中，把不同类型的、不同标准的数据存好、管好。三是可视化的数据管理平台。基于物理对象辨识的数据管理，基于GIS+BIM的时空大数据，活灵活现的展示数据和数据关系，上、下、左、右，过去、今天和未来，在物理空间三维重现、孪生，读懂数据是应用数据的基础。四是多层多模的数据分析应用平台。灵活的、能全面调用、能加载模型的数据开发平台，把大脑建在云上，在云上建立数据中台，建立数据加工中心（中央厨房）。五是多场景数据应用展示平台。包括大屏，计算机，手机，应用系统、APP等等。通过五个平台提高泛在的连接能力、强大的云资源能力、数据融合能力、赋能增值能力和安全能力。建立各个层面的数据一体化，各项业务建在数据之上，实现数据驱动，业务智能化。

从技术应用上，需要研究开发新的产品。制约的技术并不多，关键是缺少应用场景，用场景组合技术。例如，一是建设高度离散的新能源规划、设计、施工、运维平台；二是建设新能源的一体化运维平台；三是就高度离散设备（充电汽车、家用电器等）参与电网负荷变化调节的新体系、新技术、新平台、新能力开展研究等等。

从布局上，着眼于高比例可再生能源接入，各类能源综合利用后，实现高可靠低成本能源利用方式的新体系、新架构、新平台、新技术，逐步去层层挖深、挖透。目标上从大到小，实施上从小到大。这些研究时间紧、任务重、发展快，需要边研究、边示范、边推广，边交流、边提升，各个项目之间协同推进、共同提升。应有所为有所不为，研究判断长期坚持的项目和短期见效的项目，长期效益与短期效益相结合。

电源侧、送端，规划：“风光水火储一体化”，基于数字化智能控制，发电基本平衡的一体化的平行网络架构（NET），如何规划、设计、预测。未来能否基于一个集团、一个地区，基于碳中和，基于各种资源、能源成本最低化，来规划测算电源点的选择、配置和联合调度运行。

电源侧利用大数据，更好的规划、设计，在获取市场、规划开发资源、服务用户的同时，为建设、运营提供帮助。同时，挖掘建设、运营积累大数据价值，更好地服务于规划、设计。

用户侧、受端，规划：“源网荷储一体化”，基于数字化智能控制的多能协同、源荷储不分的能够实现自我平衡的智慧能源网络（NET），如何规划、设计、预测、平衡，未来能否从一个家庭、一栋楼宇、一个（社、园）小区等出发，递进研究，一方面整体去运作，另一方面作为配套体系参与社会各类竞争主体之中。

以云控平台为基础，建立各个用电单元智慧能源规划、设计、运营、维护平台，建立每一台设备的IP地址，运用5G通信，把变电站、数据中心、充电基地联合起来。