“双碳”背景下新型电力系统规划新问题及主要技术

刘洲红

（国网湖南省电力有限公司邵阳供电分公司 湖南邵阳 422000）

碳排放问题已成为一项全球性议题，对社会发展形成极大制约。联合国大会于1992年制定并颁布了《气候变化框架公约》，由此开始日益加强优化对气候变化的应对。另外，巴黎气候变化大会于2015年制定并颁布了《巴黎协定》，提出了让全球平均气温上升幅度小于2℃这一长期目标。当前，许多国家都已明确将“零碳”“碳中和”作为气候目标，而且上升至国家战略层面。而作为一项关键技术前提，通过规划新型电力系统，能够促使电力系统朝着绿色低碳的方向发展。

1 “双碳”背景下新型电力系统规划新问题

新型电力系统将新能源作为主体，其特征与优势鲜明，如高比例新能源、低转动惯量等。由于源—荷不确定性以及低碳诉求，导致电网结构及其运行模式面临新的问题，应从不同维度力求技术突破。在新型电力系统规划方面，需要以其形态特征为依据，综合分析各种新问题［1］。

1.1 源—荷不确定性加剧

一方面电源侧具有波动性，另一方面用户侧含源负荷具有随机性。由于两者共同作用，进一步加大不确定性，并且日益扩大在新型电力系统中的影响范围。对于新型电力系统规划而言，只有以源—荷不确定性为中心精准建立模型，同时，制定可以展示不同运行场景的负荷预测方法，才可以为其奠定良好基础。

1.2 低碳电力市场化发展

近年来，我国电力不断加强市场化改革，而电力系统所提出的低碳要求使其具有全新内涵，基于该背景下，碳交易市场在电力市场中的地位日益提升［2］。对于新型电力系统来说，当下的电力市场与碳市场是其基本应用场景，正因如此，需要全面深入探析两者的交互方法，科学合理地建立规划模式，以此达到低碳电力市场场景要求。

1.3 碳水平评估

当使用传统规划方法进行电源规划时，往往在保持电离平衡的基础上，将经济性作为目标［3-4］。而电网规划一般是在达到相应稳定性要求的基础上，增强方案经济性。基于碳市场环境下，在实施新型电力系统规划时，不仅要分析可靠性与经济性，而且需要将碳水平视为评估体系的一部分，同时，其模型评估决策等同于三方博弈：一是经济指标；二是可靠指标；三是环境指标。通过有机结合碳水平评估问题和电力系统规划决策问题，构建科学完善的低碳评价体系，能够帮助新型电力系统规划处理新问题［5］。

1.4 新能源的运行模拟

新型电力系统涉及丰富的电源形式，如火、风、水等，并且决策环境具有较强复杂性、物理运行环境类型众多等，因此，新型电力系统需要进一步提高自身灵活性。在运行方面，要相对精准地掌握规划方案潜在问题，应当制定针对性较强的运行模拟方法，准确评估方案在多样化运行场景中的具体运行指标，从而有效处理新型电力系统自身波动性和随机性带来的问题。

1.5 多主体协同规划

传统电力系统规划通常单独实施三方面的规划工作：一是电源规划；二是输电网规划；三是配电网规划。但是新型电力系统在各侧都可采取具有较强灵活性且丰富的运行对策，包括电源侧、电网侧及负荷侧，同时，众多利益主体充分参与到电量平衡中。如果只是围绕某一环节对其规划思路进行分析考虑，势必不能达到源网荷储每一环节的互动深度提出的要求，应当综合考虑分析多主体协同规划理论［6］。

2 “双碳”背景下新型电力系统规划的主要技术

根据新型电力系统规划方面出现的新问题，本文分析了新型电力系统规划的主要技术，包括碳水平评价、源—荷预测、低碳市场机制、大数据理论与运行模拟。

2.1 碳水平评价

以碳水平为对象，在量化评价过程中，一般将碳核算作为最关键的依据，合理利用此种方法，对于科学完善评价体系的构建意义重大。当前，利用率较高的评价方法包括实测法、质量平衡法与排放因子法，这些方法既可以达到微观要求，也可以达到宏观要求。就实测法而言，其特征为，根据当下掌握的监测数据，基于实地探测碳排放源的条件下，结合得到的数据明确碳排放量。而排放因子法主要是根据碳排放清单中的排放因子，准确计算碳排放量，具体公式为：

上式中，E 表示的是碳排放量，AC 表示的是燃料消耗量，NCV表示的是燃料低热值，C表示的是碳排放因子。虽然ISO已经在制定的相关标准中对排放因子作出明确规定，并且IPCC 也发布相应指南，但是由于每个国家的能源品味以及使用方法等都有较大差异，所以在实际开展工作的过程中，工作人员需要结合具体情况合理调整排放因子，从而增强其实际意义。此外，质量平衡法始终将质量守恒作为严格遵守的依据，一般参照生产行为投入产出数据准确估算碳排放量。

从低碳评估体系的角度来讲，首先需要清晰掌握碳排放机理及系统运行特征，然后归纳整合关键要素，从而为工作人员以更快速地为把控技术途径提供极大帮助。现阶段，迫切需要解决的问题是采取何种措施完成对指标的定量分析，全面评估系统水平［7］。由当前已得研究成果发现，为在较短时间中有效构建低碳评价体系，需要重视以下内容。以空间尺度和时间尺度为出发点。首先，就时间尺度而言，在此基础上开展工作，关键是分析研究相关影响因素，根据不同空间环节的特征，整合归纳当前既有的指标，在此前提下，结合新型电力系统具体需求，构建起科学完善的评价体系，进而全方位精准评估该系统发展水平，从根本上做到借助反馈控制，在理论上正确指导今后规划方案的编制［8］。

2.2 源—荷预测

相较于传统的电力系统，新型电力系统的随机性更加突出。由于清洁能源的随机性较强，有利于构建能够达到准确预测要求的模型。在实际生活中，利用率较高的清洁能源主要有太阳能和风能，它们的出力波动性非常容易受到光照强度及风速的干扰，因为这两种干扰因素呈现出分布特性，所以需要以清洁能源为基础构建随机出力模型。通过出力预测得到的结果，一般能够直接影响规划方案是否可以获取应有成效，如果按照时间尺度，能够将预测方式分为3 类：一是中长期预测；二是短期预测；三是超短期预测。而第一种预测方式的应用范围更广。

针对新型电力系统来说，能源出力的主要影响因素包括区域布局、地理环境等，对于中长期预测，往往使用两种方法：一种是智能学习法；另一种是统计学法。围绕光伏发电所进行出力预测分析研究，通常利用LSTM、k-means，但是对于风力发电，若按照输入数据类型，能够将其分为两方面：一方面是推导电量序列；另一方面是分析气象数据，以这些数据为基础进行出力预测，一般使用预测模型与多样化信息。

本文探讨的电力系统的消费侧大多情况下涉及大量关于电网调度的新型负荷，用能比例以及用户需求往往会对能源设备配置容量产生影响，在大规模使用储能的条件下，围绕负荷特性进行研究分析非常重要。当前，在开展上述工作的过程中，能够发挥辅助作用的方法一般有3 种：一是小波分析；二是神经网络；三是支持向量机。随着近些年大数据以及人工智能不断发展，越来越倡导应用深度学习预测法，全面应用于预测负荷方面，由此为新型电力系统负荷精准预测打下良好基础。针对可再生能源的多元负荷与出力数据采取中长期预测方法，十分有利于构建与电力系统相符的模型，另外，通过使用人工智能，能够大幅增强模型实用性，此为今后研究的重点，相关人员需要高度重视［9］。

2.3 低碳市场机制

低碳市场是电力系统的应用场景，正因如此，应当全面深入分析其互动机制、运营模式及内部交易市场，这自始至终都是全社会范围内的一大热点。从京都议定书签署至今，诸多国家都已经投入碳交易市场建设中。当前，仍旧没有统一碳交易市场需要遵守的规则。为将碳配额工作落到实处，主要使用两种方法：一种是拍卖；另一种是免费分配。从2013年开始，中国逐步建立起众多碳交易试点，这一举措极大增加碳市场运行经验。为保证构建的电网架构与电源结构达到碳排放规则，应当根据原先建立的规划模型，科学合理分析碳排放额度。

例如，有的研究人员立足于“双碳”目标，以能源互联网特征为依据，建立起能够达到需求侧在管理方面要求的调度模型；也有的研究人员提出需要有机结合电力系统以往的经济调度与碳交易机制，保证通过应用所建立的模型，能够预测二氧化碳排放产生的经济价值。以上研究都与运行调度相关，很少涉及碳交易影响及规划方面，为实现所建立模型作用和价值的最大化，应当综合分析低碳市场各项要素，这也是今后需要重点研究的内容。

2.4 大数据理论与运行模拟

新型电力系统主要依靠于大数据处理分析技术，通过处理分析各项电力数据信息以及环境监测数据，能够从技术层面帮助降低系统碳水平。我国生态环境部和国家电网于2020年在北京签署了《电力大数据助力打赢打好污染防治攻坚战战略合作协议》，密切结合碳排放监测及核算等，深入探究大数据技术在这些方面的创新应用。与此同时，电网高比例可再生能源应用范围日益扩大，并且电力电子设备利用率越来越高，从而对电力系统产生极大影响，使其运行形态深刻改变。当前既有的具有代表性的运行场景已经无法反映实际情况，而且面对不可计数的运行数据，相较于方法的选择，方案的选择更加难以满足系统在低碳性、经济性及安全性方面的需求。在运行方面，为准确辨认规划方案可能出现的问题，在系统运行分析过程中，应加强对大数据理论的借鉴与应用，针对以数据驱动为基础的新型电力系统，科学合理地制订精细化运行模拟方法，准确评估基于海量运行场景的规划方案相关指标，如清洁能源消纳率等，从而有效应对系统不确定性［10］。

对于数据处理分析，相较于传统电力系统，新型电力系统存在较大差异，以抽样数据为基础的规划运行目前已经不能达到跨能流、跨主体数据融合前提下的多维度数据关于准确性以及时效性的要求。从数据理论体系角度来看，新型电力系统能够划分成4个部分：一是数据分析；二是数据处理；三是数据融合；四是数据学习。近些年，通信—物理系统日益提高交互深度，并且数据存储和数据挖掘同样能够适应系统结构，即分布式与扁平化结构，对于海量运行场景，采取分布形式存储于众多数据节点中。相关人员先要有效利用数据分析处理技术，以此深入探究数据信息，同时，还原实际运行过程，然后进行局部学习以及模型融合，从而得到具有代表性的技术指标，进一步投入具有代表性的规划运行场景中。通过使用大数据技术能够改善优化电力系统，大幅提升其运行管理水平与效率，然而也在技术层面面临严峻挑战。针对该情况，各方应当明确大数据技术能够创造极大效益，在此前提下达成共识，做到产学研有机结合，促进以新型电力系统为主体的大数据理论研究及技术发展。

结合新型电力系统实际情况来看，无论是随机性还是不确定性都日益增强，正因如此，在评估规划方案的过程中必须应用精细化运行模式。当实施电力系统规划时，运行模式主要用于模拟以不同时间尺度为切入点的系统运行情况，相对精准的校验方案所具有的可行性。从2018年至今，中国电科院不断启动生产模拟系统，在国家电网展开新能源运行计算时，充分利用新能源生产模拟软件以及源网荷一体化运行模拟软件，以此从技术层面改善新能源运行方式。

通过应用以数据驱动为基础的精细化运行模拟方法，可以及时准确地改进海量运行数据条件下规划方案的可行性，从而适应新型电力系统多种特征，如稳定机理复杂、运行方式多样等。今后，迫切需要解决的问题是在加强大数据理论研究的基础上，构建以数据驱动为前提的生产运行模拟系统，同时，将数学求解和运行模拟集为一体，构建起完善的低碳规划理论技术体系［5-6］。

3 结语

综上所述，通过构建科学完善的新型电力系统，不仅可以促进能源结构转型，还可以加快实现“双碳”目标。本文根据传统电力系统模拟，在建立新模型的前提下，立足于碳水平评价、大数据理论与运行模拟等主要技术，参照当前获得的研究成果整合今后研究重点，希望可以今后支撑电网规划决策，以更快速地贯彻落实“双碳”目标。