能源转型背景下亟须加强电网建设与研究

■ 贵州电网有限责任公司电力科学研究院 邓 松 蔡永翔

据国家能源局统计数据，2021 年新增光伏发电并网装机中，分布式光伏新增约2900 万千瓦，约占全部新增光伏发电装机总量的55%，历史上首次突破50%。户用光伏已经成为我国如期实现碳达峰、碳中和目标和落实乡村振兴战略的重要力量。当前“千家万户沐光行动”和“整县（区）屋顶分布式光伏开发”规范有序推进，许多融合“乡村振兴”理念的光伏新村应运而生，农光、林光、牧光、渔光等“光伏+”形式体现出电力和绿色生态产业逐步融合的新趋势。

对于山区电网来说，既有极为丰富的屋顶和光照资源，又有支撑“乡村振兴”的重要使命，但面临的难题极为显著。

一是山区电网投资和设备利用率间难以平衡。农村山区现有网架和投资方式难以支撑源荷两端即将发生的趋势性变革。以贵州、云南和广西等为典型的山区负荷具有“季节性+迁移性”特征。冬季采暖需求驱动下负荷高峰较为明显，务工人员的大规模迁移，大量台区全年用电峰谷差在8倍以上，但是峰值时间在全年占比很低，而谷值时间在全年占比却很高。长时间尺度来看，电网设备轻载，但是一些负荷峰值时段，设备及线路重载、过载问题非常突出。叠加规模化农村屋顶光伏开发，光伏和负荷不匹配的特点进一步拉大了功率曲线的峰谷差，很多台区光伏同期渗透率超过300%，个别光伏台区超过500%，在光伏富余和用电高峰时都会导致设备及线路重过载，不仅加大年度峰谷差，日负荷特征也发生显著的变化，设备长期利用率非常低，短期容量不足，对电网运行提出了严峻的挑战。

二是山区电网供电品质与薄弱网架结构间难以平衡。山区电网低负荷密度特征下难以避免远距离供电，光伏并网叠加如电动汽车、电动农用器具的出现，使得一些台区过电压和欠电压并存，导致电器烧损和无法启动的风险同时存在；此外，三相不平衡、电压波动和谐波等问题直接影响了设备的运行环境、线路损耗、用电以及通信，现有网架结构难以适应乡村振兴持续性推进和海量分布式光伏的消纳。

三是山区电网供电可靠性提升和资源受限难以平衡。大量农村区域结合“乡村振兴”推进形成诸如炒茶、烤烟、酿酒、智慧养殖和农产品加工等特色产业，并且通过“电能替代”来进一步稳定产品品质；此外，为了保证效益，大量的屋顶光伏也存在持续并网发电的需求，这都对电网可靠性提出了很高的要求。然而，按照传统电力系统的发展模式，在多山、多林木、多灾的区域提升电网的可靠性，每增加一个点，投资将成几何倍数增加，在低负荷密度难以算清投资与收益间的平衡账。

电网发展模式从大基地大网络为主逐步向“主网+分布式”兼容互补转变

在能源系统分散化、扁平化、去中心化的背景下，能源生产逐渐向集中式与分散式并重转变，电网的发展模式由大基地大网络为主逐步向“智能主网”和“分布式智能电网”兼容互补转变，其中核心是发挥好电网的“桥梁”和“纽带”作用。

多层次的结构是分布式智能电网的主要特征，新型的运行控制架构和方式是必然选择。传统电力系统，通过发输变配用等系列环节构成平衡、稳定的闭环系统。由于新增屋顶光伏、储能、充电桩等元素，在配电和用电侧，电力产出和消耗形成微型的电能量生态，有的甚至可以形成闭环的独立运行。分布式智能电网的本质是分布式电力系统，主要特征就是多层次:（1）网络结构多层次，出于便捷并网和柔性可控的目的，直流网络和交流网络并存并加深融合，同时也有冷热氢等其他能源形式加入构建以电为枢纽、具有耦合关系的微型能源互联网。（2）设备多层次，配电和用电侧从传统的无源向具备“源网荷储充”的有源网转变，可控设备增多、利益主体有别，同时不同设备的波动特性、响应特性和动作特性都存在很大的差异。（3）参与者多层次，传统电力系统中供电用户接受来自电网提供的电能，随着配用电侧的分布式电源的加入，电能产销者逐渐增加，在智能化与信息化技术的助推下，一些智能产销者（包括农村的特色产业）也具备一定的能量管理和灵活调节能力，并且电压等级逐渐下沉。

未来，由上而下的调度管控方式将会融合自下而上的分层集群聚合模式，在中低压侧形成结构清晰，局部坚韧、快速恢复智能体，对现有的主干网架形成有机的补充。在扰动发生时可做出自愈的响应，在紧急状态下能分片实现自适应孤岛运行，缓解主网架的投资和复电压力，并在其后快速恢复全系统的正常运行。每一个分布式智能电网都是一个独立的电力系统，具备灵活性、自洽性、适应性、智能性，采用互联网的协议、即插即用和异构兼容等技术形成开放架构，支撑源荷储充的规模化便捷并网，同时利用自身的柔性网架特征形成潮流的控制能力。最终，将被动消纳的清洁电力和新型的用电需求转变为电网的主动调节资源和潜力。

多层次智能配电网

数字化技术是实现分布式智能电网的重要依托。分布式智能电网的构建，还需要一套以数字为尺的绿色低碳价值体系，形成“数字-能量-碳排放”的立体价值标签，引导清洁能源有序并网，形成能源低碳流，让低碳节能与收益、效率形成强相关:（1）借助智能传感、万物互连和人工智能等技术，满足分布式资源接入后的“可观、可测、可控、可调”，同时强化电网对于能量流和碳流的感知能力，精准感知源、荷、储、充的灵活潜力，充分挖掘由电网传统调节能力以及柔性网架所构成调控裕度。（2）构建能源数据中心，基于人工智能、大数据等技术，推动电力网、信息网与海量数据的深度融合，实现分散资源的主动聚合和主动同步，同时通过边云协同推动“智能主网”与“分布式智能电网”的协同发展。（3）通过数字技术扩展电网服务平台和服务领域，建立电网和用户能量管理系统互动机制，刺激并鼓励大量的产销者进入这一绿色低碳价值链，此外发挥好电网的平台优势，为整县光伏开发商、综合能源服务商等提供辅助服务（如光伏板覆尘、电网故障等）。

清洁电力向分布式和集中式并重发展转变

在能源清洁低碳转型过程中，电网起到能源转换利用、优化配置和供需对接的平台作用:（1）采取光照和风力发电具有清洁、高效、便捷的特点，已成为能源清洁开发利用的主要方式，也能充分利用好我国存量的网架优势。（2）产业及消费升级带来的智能化、精细化和清洁化需求，驱动了电力替代终端化石能源消费的趋势。

清洁电力的发展已经从以传统的集中式为主，向分布式与集中式并重发展转变:一方面，受制于通道资源、土地资源和光照资源的限制，大规模的清洁能源基地新建及并网受环境制约，发电效益也存在一定的边界递减趋势；另一方面，我国大量的屋顶和建筑资源还未充分利用，加之“绿色低碳”思维观念逐渐深入人心，以屋顶光伏为代表的分布式电源存在广阔的发展空间。