中國(guó)工程院院士：未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是電力和電網(wǎng)

2018-03-27 10:11:09 《能源評(píng)論》　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

2018年，我國(guó)將在去年棄水棄風(fēng)棄光形勢(shì)有所好轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，有效解決好三棄問(wèn)題。在能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是什么?如何從頂層設(shè)

2018年，我國(guó)將在去年棄水棄風(fēng)棄光形勢(shì)有所好轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，有效解決好“三棄”問(wèn)題。在能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是什么?如何從頂層設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)系?怎樣處理高比例清潔能源消納與市場(chǎng)主體博弈問(wèn)題?為此，本刊日前采訪了中國(guó)工程院院士、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)薛禹勝。他認(rèn)為，未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是電力和電網(wǎng)。大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)的嚴(yán)峻性還沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)到，能源互聯(lián)系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單套用因特網(wǎng)的概念，需要物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)深度融合。

未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是電力和電網(wǎng)

——訪中國(guó)工程院院士薛禹勝

文/《能源評(píng)論》記者王偉

信息能源融合在向廣義的環(huán)境擴(kuò)展

《能源評(píng)論》：在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，您對(duì)于未來(lái)能源系統(tǒng)有何期待和評(píng)價(jià)?

薛禹勝：未來(lái)的能源系統(tǒng)應(yīng)該讀為能源領(lǐng)域中的信息-物理-社會(huì)系統(tǒng)，它由廣義的物理系統(tǒng)，包括綜合能源系統(tǒng)及廣義的環(huán)境系統(tǒng)，綜合信息系統(tǒng)，以及各種社會(huì)行為深度融合而成。其中的綜合能源系統(tǒng)的核心是當(dāng)前在二次能源中占絕對(duì)主導(dǎo)的電力和電網(wǎng)，但為了保證電力的安全，必須考慮整個(gè)能源流的上下游，即一次能源和終端電源，可再生能源對(duì)于化石類能源的替代對(duì)電力安全性和充裕性的影響，用戶用能模式的改變對(duì)于電力安全性和充裕性進(jìn)行互動(dòng)等等。

人類的可持續(xù)發(fā)展不僅需要能源，還有賴于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的安全，它們彼此之間是相互影響相互關(guān)聯(lián)的，不能孤立地研究某一方面、某一領(lǐng)域，而應(yīng)該從全局高度考慮。

《能源評(píng)論》：與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，在現(xiàn)代化能源系統(tǒng)中，相關(guān)要素間的關(guān)系有何不同?

薛禹勝：在原來(lái)的系統(tǒng)中，不同的一次能源如煤炭、石油、天然氣，以及不同的產(chǎn)業(yè)如電動(dòng)汽車、制造業(yè)、智慧城市等等，都是完全孤立的領(lǐng)域，現(xiàn)在則連接成了一個(gè)無(wú)法分割的整體。但是因?yàn)椴煌I(lǐng)域中的信息源、信號(hào)組織形式并不一樣，所以如果缺乏完整的設(shè)計(jì)和良好的信息系統(tǒng)溝通機(jī)制，不可能把相關(guān)領(lǐng)域中的任務(wù)連接成一個(gè)整體的任務(wù)。

《能源評(píng)論》：既然這些聯(lián)系越來(lái)越緊，那么是否意味著電力系統(tǒng)需要把關(guān)注目標(biāo)擴(kuò)展到周邊領(lǐng)域?

薛禹勝：這種必要性、重要性越來(lái)越突出。比如，智能電網(wǎng)中的專用通信網(wǎng)的功能就需要從電力系統(tǒng)擴(kuò)展到其他環(huán)節(jié),不僅要考慮各種非電的能源系統(tǒng),而且要考慮相關(guān)的非能源領(lǐng)域。在電網(wǎng)內(nèi)部的物理系統(tǒng)，需要和信息系統(tǒng)深度融合，以保障電力供應(yīng)安全、清潔、靈活和經(jīng)濟(jì)，所以需要引入不同類型的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、人的用電習(xí)慣，自然界中的云圖、臺(tái)風(fēng)圖、影像、照片等等非文本形式的信息，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的真正互聯(lián)。

但要注意的是，這種融合不是把能源網(wǎng)和信息網(wǎng)簡(jiǎn)單地混雜在一起,更不能把IT領(lǐng)域的詞匯生搬硬套到能源領(lǐng)域中。因?yàn)橐蛱鼐W(wǎng)(Internet)是支持信息流的計(jì)算機(jī)技術(shù)，而能源流服從的物理規(guī)律與信息流不同，同樣需要專用網(wǎng)的傳輸。所以能源互聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)二者在支撐層面的深度融合，才能保證能源流的全面監(jiān)控及優(yōu)化。

《能源評(píng)論》：有人認(rèn)為，隨著清潔能源崛起，基荷和基荷電廠的概念將逐步失去意義，因?yàn)榛呻姀S也需要靈活運(yùn)行，在靈活運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)可靠性才是王道。您怎么看?

薛禹勝：是這樣的。從能源流來(lái)看，一次能源轉(zhuǎn)換成電能后，才接入電力系統(tǒng)。在一次能源可控，負(fù)荷平穩(wěn)可預(yù)測(cè)的情況下，才有可能孤立考慮備用容量及備用電量。當(dāng)一次能源實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電替代后，按傳統(tǒng)方式保留固定比例的備用容量的方式，不再能保障能源安全充裕。此外，除了能源流，綜合能源系統(tǒng)還要和自然界、社會(huì)主體進(jìn)行交互，也會(huì)和通信系統(tǒng)、應(yīng)急管理、市場(chǎng)監(jiān)管發(fā)生關(guān)系，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生重大事件，都會(huì)通過(guò)交互耦合的關(guān)系，造成整個(gè)能源系統(tǒng)的故障。

目前，大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)之后的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)還沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)到。我們真正要解決的問(wèn)題是，當(dāng)可再生能源占比達(dá)到70%，甚至更多時(shí)，電力系統(tǒng)和電網(wǎng)應(yīng)該如何支撐，怎樣保證綜合能源系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的安全，尤其需要從頂層設(shè)計(jì)上給予考慮。

研究需要以人為本

《能源評(píng)論》：您認(rèn)為，電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)深入融合后，未來(lái)還會(huì)如何演進(jìn)?

薛禹勝：到現(xiàn)在為止，絕大多數(shù)的研究都是把電力系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性兩者隔離開進(jìn)行的。未來(lái)要拓展到更大的物理系統(tǒng)中，要從電力系統(tǒng)向它的上游拓展，要研究煤炭、風(fēng)電等不同類型的能源品類出力變化的關(guān)聯(lián)、可再生能源的波動(dòng)性如何引起負(fù)荷和一次能源的不平衡與損失等。從系統(tǒng)角度而言，電力系統(tǒng)要了解外部的環(huán)境，比如污染排放、自然災(zāi)害等的影響，從事氣象、自然災(zāi)害防御的人也應(yīng)了解電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行機(jī)理。

《能源評(píng)論》：目前電力經(jīng)濟(jì)研究還沒(méi)有很好解決人的行為和需求問(wèn)題，您認(rèn)為挑戰(zhàn)在哪里?

薛禹勝：從信息物理系統(tǒng)(CPS,Cyber-PhysicalSystems)視角看智能電網(wǎng)，電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)注的對(duì)象只是能源系統(tǒng)中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。要保障電網(wǎng)運(yùn)行安全，需要廣域采集能源及廣義環(huán)境系統(tǒng)，以及社會(huì)行為的數(shù)據(jù)，挖掘知識(shí)并做出決策支撐。人的行為涉及所有的環(huán)節(jié)，性質(zhì)不僅包括正常博弈的不確定性，以及惡意攻擊。在緊急狀態(tài)下，人的反應(yīng)能力跟不上的情況下，要靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

雖然社會(huì)元素原來(lái)也被納入經(jīng)濟(jì)性研究范疇，但是沒(méi)有很好地融合到整體框架中。我們現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)以人為本，就是要充分考慮廣大的共同需要和個(gè)別人群的特殊需要，以及這些人是怎樣參與到市場(chǎng)博弈中去的問(wèn)題。

以前，我們只是定性地去講、僅僅用語(yǔ)言去描述這個(gè)問(wèn)題，如果要進(jìn)行精細(xì)化研究，就一定要有定量的分析。這需要在社會(huì)學(xué)、人類行為學(xué)當(dāng)中找到新的研究方法，需要數(shù)學(xué)模型，也要考慮不同角色的參與者行為的影響，包括：他們?cè)诓煌沫h(huán)境和場(chǎng)景之下，是如何理性及非理性地博弈，又是如何影響能源系統(tǒng)運(yùn)行的，這是很大的一個(gè)挑戰(zhàn)。

《能源評(píng)論》：在具體的能源應(yīng)用中，該如何處理這種參與者的博弈行為與整個(gè)能源系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)聯(lián)?

薛禹勝：在市場(chǎng)框架之下，不考慮人的因素，用完全理想的數(shù)學(xué)模型來(lái)解決、分析和控制問(wèn)題，是不接地氣的方法。

以電動(dòng)汽車充放電為例。目前廣泛研究的V2G技術(shù)是指電動(dòng)汽車的電池參與備用輔助服務(wù)市場(chǎng)，減少可再生能源發(fā)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的壓力。但這是建立在一個(gè)假設(shè)的前提下，即汽車停在充放電站時(shí)，電池就可以被服務(wù)商或者調(diào)度人員調(diào)用。這是一個(gè)脫離市場(chǎng)環(huán)境的假設(shè)。但現(xiàn)實(shí)因素是如何取得車主的認(rèn)可，包括充放電之間的電量損失及電池壽命如何補(bǔ)償?用戶臨時(shí)改變行程出行，但發(fā)現(xiàn)電池電量不足的補(bǔ)償問(wèn)題。實(shí)際上，要解決V2G參與電網(wǎng)的分析和控制方法，一定要充分考慮電動(dòng)汽車發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括購(gòu)買、出行、充電和備用服務(wù)等不同場(chǎng)景下，人們的行為怎么樣參與博弈。當(dāng)然，也不能為了補(bǔ)償而“用力過(guò)猛”，甚至違背市場(chǎng)規(guī)律。

《能源評(píng)論》：對(duì)于戰(zhàn)略性問(wèn)題，比如能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的問(wèn)題，您認(rèn)為，這樣的科學(xué)方法該如何發(fā)揮作用?

薛禹勝：這樣的方法同樣可以應(yīng)用于關(guān)于能源轉(zhuǎn)型的科學(xué)決策。比如，我們現(xiàn)在制定的2030年和2050年能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，僅以非化石能源占比為例，相關(guān)數(shù)字是怎么算出來(lái)的，為什么會(huì)是20%和30%，為什么不是少一點(diǎn)或者多一點(diǎn)?

在我們承擔(dān)的中國(guó)工程院重大研究和咨詢項(xiàng)目中，針對(duì)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型到2050年的目標(biāo)、路徑和優(yōu)化問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解答：作為一個(gè)多領(lǐng)域的交互問(wèn)題，需要先確定能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題涉及的物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，包括一次能源的石油、煤炭，以及清潔能源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性等。然后建立經(jīng)濟(jì)模型，對(duì)每一種系統(tǒng)都有對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)行為，要能夠反映市場(chǎng)交易方式，以及參與者的互動(dòng)，包括參與者的理性和不理性的各種行為，如政府補(bǔ)貼政策的改變?cè)鯓佑绊懯袌?chǎng)行為。最后，對(duì)于能源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等相關(guān)市場(chǎng)的互動(dòng)，需要通過(guò)實(shí)時(shí)和分時(shí)間段的仿真推演進(jìn)行驗(yàn)證。

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