“双碳”目标下电力转型路径分析及启示建议

邱小燕，蔡元纪，陈启鑫

(清华大学电机系，北京 100084)

1 研究背景

随着我国“双碳”目标的确立，国家上下积极制定低碳转型行动方案，但是由于“双碳”目标的落实处于起步阶段，技术路线仍不明确、体制机制尚不完善、行业内外多层级诉求难以贯通等问题难以克服。以电力行业为主要对象，国家政府对于电力行业具有怎样的转型要求，电力行业对于自身转型具有怎样的战略规划及社会用户对于电力行业转型具有怎样的消费驱动，仍缺乏明确的电力能源转型路径分析与标准化解决方案模型作为理论支撑，以引导电力行业供给侧、电网侧、消费侧的互动转型以及体制机制的协同支撑。

目前已有不少研究探讨了“双碳”目标下的电力转型路径。在电力转型之初，部分研究选择借鉴英国、智利等国外绿色低碳发展经验，为我国制定电力转型发展路径提供启示建议，如杨儒浦等［1］、汪洋子等［2］、耿海军［3］、景瑞等［4］。还有研究从不同视角出发，展示了电力转型路径的差异性，如在能源政策方面，论证了上网电价补贴、可再生能源电力投资补贴等可再生能源发电政策的实施能够提高可再生能源电力的市场竞争力，促进可再生能源发展［5］；在电力消费侧方面，分析了碳中和背景下能源电力消费侧的需求，探索了能源绿色消费转型的发展方向，从不同领域探究了电力消费侧发展新模式［6］；在电力转型技术方面，分析了电力系统关键技术进步与低碳转型经济可行性的耦合与匹配关系，并提出了二者协同优化的框架和方法［7］；在电力转型路径方面，设置了深度低碳、零碳、负碳多场景，提出不同场景下的电力低碳转型路径［8］。除此以外，部分文献通过基于多情景模拟分析，对我国电力行业未来的技术选择、减排路径以及成本等进行分析，如：采用电力部门与终端部门耦合的C3IAM/NET 模型对电力需求进行预测，设计关键低碳技术发展的保守预期和积极预期多种情景，开展了电力低碳转型路径优化和成本效益研究［9］；针对电力系统不同时期低碳发展形势，针对近中期阶段构建了考虑碳排放外部成本的规划模型，针对远期阶段提出了电氢及电氢碳协同发展路径，以此构建全链条技术经济评价模型［10］；基于电力平衡的电力行业长期规划与短期运行相结合的优化模型，研究了我国电力行业的低碳转型路径［11］；以SWITCH模型为框架构建了我国省级电力行业优化模型，讨论了1.5 ℃目标下2050 年中国电力行业的可能性，详细探究了电力行业脱碳路径和实施方案［12］；通过建立能源系统模型，模拟优化了中国电力行业的未来发展路径，分析了3 种典型情景下电力脱碳技术路径以及相应的实施方案［13］。

在研究方法上，发现上述文献多采用案例分析以及建模分析等方法开展电力低碳转型路径研究，但是案例分析方法具有单一特性，无法综合应用到整体行业研究，建模分析未对外公开详细参数及设定方法，对其具体的时间精度、电网负荷的分析等无法深入了解［12］。然而，聚类分析法解决了案例单一化、个性化以及模型信息不透明的问题，在相似的基础上收集数据或资料来进行分类分析。聚类分析不同于按照某种事先准备好的标准给对象贴标签的分类分析，而是一种将研究对象分为相对同质群组的统计分析技术，是通过某种成团分析找出事物之间存在聚集性原因的过程［14］。传统共词聚类分析方法通常是把高频关键词的共词矩阵导入SPSS、UCINET 等软件进行聚类分析，生成树状图、共现网络图谱、多维尺度图等可视化图表，然后得出相关研究领域的内部主题结构并开展分析［15］。

当前，我国“双碳”目标全面进入落实阶段，面临着时间紧、任务重的巨大压力，行业分析与国外经验借鉴无法系统解决我国低碳减排等实际问题［16］，亟需提出能够指导电力行业内外部主体互动、多环节协同的低碳转型标准化模型。因此，本研究利用多维度拆解分析法，将“双碳”目标下电力行业的行动举措与关键技术进行国家、行业、社会多层级以及供给侧、电网侧、消费侧、体制机制多环节的维度拆解，提出基于专家评判法的核心要素聚类模型进行立体化分析，构建基于多要素集迭代驱动的电力转型发展路径分析体系，形成电力低碳转型的标准化模型，并围绕行业内外主体层级给出具体的分析及建设启示。

2 多层级全环节的“双碳”目标下电力转型要素分析

2.1 多层级主体电力转型要素分析

不同层级主体考虑的以“双碳”目标为导向的电力转型要素彰显差异，为满足不同层级主体的电力转型要素分析需求，本研究立足不同层级视角，分析“双碳”目标驱动下电力行业内外部主体的电力转型要素及其关联关系，如图1 所示。国家层面，对外引领国际政策，重视能源安全，制定“双碳”目标战略，彰显我国坚持绿色低碳发展道路的决心和大国使命；对内考虑国家经济发展、地缘政治，制定发展框架和战略方针，引导行业积极响应。行业层面，对上贯彻国家战略布局、能源政策，提出行业发展目标和行动路径；对下权衡市场环境、保障电网安全，实现企业提质增效和低碳转型。社会层面，对上紧随政策指引、行业风向，激励社会共同参与；对下建立低碳意识、鼓励高效用能，实现低碳共享新生态。“双碳”目标确立以来，国家层面、行业层面、社会层面多层级关联主体相继提出针对碳达峰、碳中和目标的解决思路和关键举措。国家层面，以《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》及《2030 年前碳达峰行动方案》为主要研究依据；行业层面，集合了电网公司和电网企业各级企业公司（如国家电网有限公司［17］、国家电网公司西北分部［18］、国网江苏省电力有限公司［19］、国网天津市有限公司［20］、国网河北省电力有限公司［21］、国网江苏省电力有限公司张家港市供电分公司［22］、南方电网有限公司［23-24］），发电集团（如中国华电集团有限公司［25］）以及相关产业集团（如中国能源建设集团有限公司［26］、全球能源互联网发展合作组织［27-28］、哈尔滨电气集团有限公司［29］）等的战略规划及行动方案；社会层面，引入了典型电力消费企业制定的服务“双碳”行动计划，包括信息通信行业的中国移动通信集团有限公司［30］、中国电信集团有限公司［31］，以及金融行业的中国银行股份有限公司［32］。现有行动方案中涉及的关键举措条目众多、信息繁杂、路径不清晰，难以有效促进电力行业内外部主体的行动一致性，因此，基于上述构建的多层级主体行动方案库1）进行核心要素聚类分析，有利于挖掘电力行业内外部主体对于电力转型的共性认知，以便于电力转型发展路径的驱动分析。

图1 不同层级视角下电力行业内外部主体的电力转型驱动因素

2.2 基于专家评判法的全环节电力转型核心要素聚类

电力行业涉及发电、输电配电以及用户等不同主体，各主体间立足角度各异，本研究将现有“双碳”目标下电力转型发展路径按照物理维度的供给侧、电网侧、消费侧进行全环节要素分析。在供给侧，以发电企业为行业主体，突破电源建设规划、能源低碳生产、辅助系统运行等技术，实现供给侧能源结构优化；在电网侧，以电网公司为行业主体，解决电源安全接入、可靠运行、稳定供应等问题，实现“双高”电力系统的安全可靠运行；在消费侧，以供电服务商和电力用户为主体，实现个性化用电、精准价值传导、低碳智慧用能，激励清洁能源消费。然而，供给侧、电网侧、消费侧具有环节依附性关联关系，例如，供给侧的资源配置需要考虑电网侧的物理约束，电网侧的运行规划需要考虑消费侧的个性化低碳用能。在我国全面进入“双碳”目标落实阶段，亟须建立打破行业信息壁垒、促进各环节协同发展的体制机制，解决各环节行业主体合力推进碳中和过程中路径不匹配、机制不相容的难题。因此，本研究提出基于“3 环节+1 机制”的全环节要素解析方法，并根据具体举措要素进行关键词聚类分析。传统的共词聚类分析方法无法考虑术语之间表达的差异性问题，仅将共词分析停留在词频、共词频率统计的语法层面，导致共词信息冗余及共词分析结果的失真［16］。本研究打破传统的共词聚类分析法，在计算机统计出关键词频次后，选用表意性较强且具有一定频次的关键词构建核心关键词集合，然后再基于专家评判法进行人工聚类分析。传统聚类分析法与基于专家评判法的聚类分析法的对比分析如图2 所示。其中，输入信息为电力转型行动举措关键词，输出信息为基于聚类分析模型得出的聚类关键词。其中，A、A′与A′′分别表示具有相同含义、语言表述相异的关键词，如电能替代与电气化；B+β表示与关键词B具有相同含义但语言表述稍有差异的行动举措，如低碳化与低碳发展。利用传统聚类分析法无法考虑表达术语之间的模糊性问题，当输入关键词A、A′、A′′时，聚类关键词输出为A、A′、A′′，造成信息冗余，无法体现共词聚类的科学性；本研究提出的基于专家评判法的聚类分析方法是指，利用专家的知识与经验对电力转型要素关键词进行综合分析，将关键词按照语义进行合并及分类，提炼出语义相关性强、分类有效性高的关键词集合，即当输入关键词A、A′、A′′、B、B+β时，输出高频关键词为A1、B1，有效避免了关键词语义模糊性，提高了聚类分析效率与结果的真实性。

图2 传统聚类分析方法与基于专家评判法的聚类分析对比

基于专家评判法的聚类分析法提炼的电力转型核心要素如表1 所示。

表1 “双碳”目标下电力转型核心要素集

表1（续）

2.3 电力转型核心要素分析

立足供给侧、电网侧、消费侧与体制机制多个环节，围绕国家层面对电力转型的要求、电力行业层面对自身转型的认知及社会层面对电力转型的驱动等问题，进行核心要素提取，具体分布情况如图3 所示。需要强调的是，核心要素是各层级主体围绕自身业务所提出的关键举措，但作用范围不仅限于主体所在层级，可能需要跨层级协同。举例来说，源网荷协同发展是国家和行业共同关注的技术议题，但其作用范围涉及社会消费层面，而社会层面对于电网运行知识的欠缺并不会促使其在行动方案中考虑对电网转型的技术要求。

图3 电力转型核心要素

为实现“双碳”目标，促进电力转型，在供给侧，国家层面和行业层面提出了要加快清洁能源开发与能源结构优化、能源生产低碳化与高效化建议，行业层面重点关注了发电装备升级与替代；在电网侧，相对于其他环节，电网环节彰显了较强的全层级共通性。为了保障“双碳”目标下电网稳定运行与可靠供电，国家层面、行业层面针对电力系统调节能力与保障能力提升、电网数字化转型与能源互联网升级、新型电力系统构建与能源优化配置、氢能与储能关键技术、源网协同发展方面、交易与调度机制优化、辅助服务与综合能源技术、碳排放与碳市场管控技术作出了展望；在消费侧，为实现全社会智慧低碳用能，各层级主体在能源消费方式和消费水平、节能增效与用能高效方面给出了共同倡导建议，国家层面与行业层面聚焦了服务多元化与产业新生态方面，行业层面及社会层面针对绿色金融与低碳金融提出了要求；在体制机制方面，社会层面主要承担决策的落实角色，国家及行业层面更多承担决策的主导角色。因此，相对于社会层面，国家和行业层面对促进“双碳”目标的有序落实提出了更高的要求。国家层面、行业层面致力于建设碳中和政策与碳市场建设机制、电网数字化转型与新型电力系统配套机制，为“双碳”目标下电力转型发展实现提供体制机制保障。深化气候变化的国际合作机制是国家层面、行业层面、社会层面共同关注的议题，通过加强国际技术交流和合作共享，加速我国电力转型升级。

3 “双碳”目标下电力转型发展路径分析

基于多层级、全环节多维度拆解分析方法的“双碳”下电力转型发展路径要素解析，本研究构建了电力行业各主体具有共通性的核心要素集，但是，核心要素集缺乏特殊性考量，在“双碳”目标下的电力转型发展路径需要提高全面性、系统性、准确性及兼容性。由于资源禀赋、产业基础、发展阶段的不同，驱使各产业主体需要紧密立足自身条件优势，构建条件要素集；基于主体性质、战略定位、产业布局，各产业主体充分融合自己的发展规划需求，构建需求要素集；为了鼓励技术创新、激发行业竞争、加快驱动落实，要求各产业主体自主寻求差异化发展，构建差异要素集。因此，本研究提出涵盖核心要素集、条件要素集、需求要素集、差异要素集的“双碳”目标下电力低碳转型标准化模型，如图4 所示。

图4 电力低碳转型标准化模型

基于资源禀赋理论，在“双碳”目标下的电力转型中，将自然资源、技术、经济、生态等要素定义为广义上的资源，是电力转型发展的必要条件。在“双碳”目标落实的起步阶段，形成资源赋能为主导的电力转型发展模式，本研究将之称为“被动赋能体系”，这是一种非人为决策导向的驱动力。围绕“双碳”愿景，各层级主体基于自身转型基础，分类施策、协同推进，国家制定方针、行业优化布局、属地运筹规划、企业精准定位，形成需求与优势耦合导向的转型发展路径，全面进入落实推进阶段。“双碳”目标的落实不是一蹴而就的短期任务，是长期使命。落实推进阶段向加速实现阶段过渡，需要结合条件要素的基础和需求要素的推动，衍生出新的差异发展诉求，形成人为使能为主导的电力转型发展模式，本研究将之称为“主动使能体系”，这是一种人为决策导向的驱动力。基于被动赋能与主动使能的定义，给出了被动赋能体系向主动使能体系过渡的电力转型发展路径，同时后者推动前者迭代更新，形成闭环驱动的循环发展生态，如图5 所示。

图5 电力转型发展路径分析

条件要素作为被动赋能子模型，主要包含自然资源、技术基础、发展水平、行业生态、企业特征等。在自然资源方面，如西北、东北、内蒙古等地区多风电，西南地区多水电，因地制宜促进风电、水电等新能源开发利用，从根本上带动地区及全国电力转型发展。在技术基础方面，光伏发电、风力发电等新能源发电技术，以及智能电网关键技术具备良好的发展基础和国际竞争力，充分将技术优势转化为实现电力转型发展的新动力。在发展水平方面，北京、上海、深圳等经济发达地区发挥融资支持、价格发现、资源配置和风险管理等优势，深入挖掘绿色电力产业链场景，推动绿色金融业务创新发展，以绿色金融助力电力转型发展。在行业生态方面，以绿色数据中心为代表，由于数字服务与技术采用普遍提升，数据中心设施无法满足绿色发展需求，推动绿色数据中心优化用能结构，助力电力转型发展。在企业特征方面，发电企业、电网企业、消费用户扮演角色不同，根据自身性质考虑具有针对性的要素，如发电企业通过扩大清洁能源装机规模、降低火电发电量，电网企业通过加强线损管理，降低电能损耗促进电力转型发展。

需求要素是基于条件要素基础，结合发展需求，属于一种具有需求性的要素集，具体可包含国家调控、行业布局、属地规划、企业定位等。在国家调控方面，面向“双碳”目标，国家提出到2025 年非化石能源消费比重达到20%左右，对新能源发展作出了新的要求。随着国家顶层设计政策的落地，新型能源发展力度加码，行业布局随之发生改变。行业布局方面，以新能源汽车为代表的绿色低碳产业成为发展需求，新能源汽车的发展促进了新能源消纳，对电力转型发展具有积极意义。在属地规划方面，满足当地运筹规划，如张家港市致力于建设智慧能源高效能的县域能源互联网，推动张家港市在江苏省范围内率先实现“双碳”目标。在企业定位方面，南方电网公司立足于国家战略目标，着力于打造清洁低碳电网典范，提出“十四五”期间推动新能源新增装机1 亿kW·h，为电力转型发展作出了实际行动。

差异要素作为主动赋能子模型，主要包含技术创新、战略升级、风险对抗等要素。技术创新方面，各产业主体需要不断激发自主创新意识，推动技术创新和产业迭代升级，形成电力产业的良性竞争生态，加快推动电力转型发展。在战略升级方面，随着《中美关于在21 世纪20 年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》的发布，两国未来关于可再生能源政策、跨地域输电政策等的合作为我国电力转型发展提供了新的机遇。在风险对抗方面，美国与中国之间的贸易争端逐步升级，中美能源合作关系受到影响，进一步加强了我国对俄罗斯能源的需求，以电力供给、油气资源输送等为核心的中俄能源合作，对于我国引进境外二次清洁能源、减少国内一次能源消耗、助推电力转型发展等具有重要意义。

4 启示分析与建议

本研究以电力转型核心要素为抓手，利用条件要素、需求要素、差异要素的迭代驱动发展模式，满足不同层级主体根据各自的资源禀赋、区域特征、发展需求、角色定位等制定特色化电力转型发展路径需求。标准化模型的提出，有利于国家政府从宏观层面动态调整低碳转型目标，也有利于行业社会从微观层面动态制定电力转型发展方案，形成国家、行业、社会多层级互动，供给侧、电网侧、消费侧和体制机制多环节协同的“双碳”动态治理模式，确保如期完成“双碳”目标任务。基于上述启示，提出以下建议：

（1）实现“双碳”目标是一项长期任务，需要基于具有共识的电力转型发展路径构建标准化模型，从而实现电力行业不同层级关联主体的相互协同和良性互动。在坚持把政府顶层设计作为落实电力行业任务的根本遵循，坚持把社会绿色消费需求作为电力行业升级的重要动力的标准化协同模式下，国家以核心要素为重点依据制定“双碳”宏观调控和转型目标，行业以条件要素、需求要素和差异要素为主要模块制定满足国家目标的阶段性行动方案，以条件为基础、需求为目标、差异为驱动，打造梯度化赋能体系。同时，需要国家、行业、社会不同主体共同参与协商转型路线，电力行业主体的转型发展既要符合国家的战略部署，也要保障电网的安全稳定，还要满足社会的用能需求，打破信息在不同层级主体间的贯通壁垒，形成有效的立体化解决方案，便于政府把握行业走向和社会诉求，从而动态调整顶层技术路线，形成良性闭环生态，多方力量多措并举循环迭代，奋力实现“双碳”目标任务。

（2）“双碳”目标下的低碳转型不仅仅要注重供给侧的能源结构优化和消费侧的绿色意识提升，以电网升级为主导的电力低碳转型是重要的发展趋势。传统观点认为实现“双碳”目标需要电力从供需两端同时发力，但本研究通过分析不同层级主体各环节的核心要素发现，随着电力消费方式向低碳化、高效化转变，以分布式电源、增量配电网为代表的新兴业态将越来越多，电网运营逐步下沉，并通过配电网这一载体实现资源互通互联、协同互动和就近消纳。未来，配电网不仅将承担输电网降压供电需求，也将承担更多的本地分布式电源电力传输和消纳职责，实现更广泛电力用户的低碳用能需求，因此，需要以电网侧转型升级为目标导向，推动电网向更加智慧、更加泛在、更加友好、更加安全的能源互联网升级，与供给侧、消费侧同步推进电力低碳转型。

（3）电力行业不同层级主体的产业信息壁垒难以贯通，亟须建立灵活的配套机制发挥电力行业在电力转型发展中的贯穿作用。通过研究发现，行业层级的核心要素贯穿供给侧、电网侧、消费侧和体制机制多个环节，应对源侧的能源结构优化，在网侧构建新型电力系统，满足荷侧的绿色用能需求，建立与内外部合作共赢机制，打造全新的行业转型生态。但是，受行业专业知识和产业信息不对称的影响，社会层级主体作为电力消费用户，主要承担电力消纳责任，其行动方案主要围绕自身业务开展和转型布局进行整合制定，更多集中于消费环节，缺乏与电力行业的互动协同，容易造成电力行业规划与产业用能发展不匹配的问题，因此，亟须建立多方协同互动机制，让社会层级的产业发展规划与电力行业的转型发展规划并轨运行。

（4）全面推进“双碳”目标落实，需要建立基于可信评估体系的低碳减排、绿色消费价值认证。在低碳减排实施路径方面，国家层面重点强调了碳达峰、碳中和标准计量体系的构建，提升统计监测能力，为碳减排目标提供技术和数据支撑。通过研究发现，现有的行动方案中，其他层级主体对于碳技术的相关举措并不多，主要的原因有两点：一是碳计量与碳溯源技术仍不成熟，对于电-碳耦合下的系统运行仍存在技术盲区；二是低碳减排和绿色用能的价值认证仍未建立可信机制，无法激励电力行业关联主体加快向碳技术的投资转型。因此，亟须加快电力行业基于精准碳计量的低碳减排和绿色消费的溯源技术研发，建立基于可信评估体系的认证机制，提高电力行业低碳转型的积极性。

5 结论

本研究提出了基于专家评判法的关键词聚类分析方法，通过该方法实现了电力行业不同层级主体、电力能源不同环节的电力转型核心要素提取，给出了以条件驱动需求、需求瞄准创新、创新迭代条件的电力转型闭环发展路径，构建了“双碳”目标下电力低碳转型的标准化模型。具体意义如下：

（1）提出了基于专家评判法的聚类分析模型，打破了信息边界模糊带来的共词聚类冗余问题，高效解构出了电力转型的核心技术要素；

（2）构建了以核心要素集为基础，条件要素集、需求要素集、差异要素集阶梯式低碳转型标准化模型，既满足不同层级主体的个性化发展需求，也能加强电力行业内外部主体的行动一致性；

（3）提出了从被动赋能体系向主动使能体系的电力转型发展路径，解析了不同要素集间的关联关系，为电力低碳转型提供顶层设计方案。

注释：

1）“双碳”目标下电力行业内外部主体行动举措（方案）备索。