美國能源部電網(wǎng)現(xiàn)代化度量分析及對(duì)我國電網(wǎng)發(fā)展的啟示

田 鑫，韓新陽

(國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209)

隨著全球各國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，世界范圍內(nèi)都在經(jīng)歷著深刻的能源轉(zhuǎn)型[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國電網(wǎng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需求，由美國能源部(DOE)主導(dǎo)，推動(dòng)美國電網(wǎng)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，編制規(guī)劃、提出思路、建立度量體系，積累一些經(jīng)驗(yàn)。

1 美國能源部電網(wǎng)現(xiàn)代化的提出

美國電網(wǎng)需要轉(zhuǎn)型發(fā)展，主要來自5個(gè)因素的推動(dòng)：一是不同類型及特征的發(fā)電形式混合(特別是分布式能源和清潔能源)；二是對(duì)更穩(wěn)定、更可靠的電網(wǎng)需求的不斷增長(尤其是天氣、網(wǎng)絡(luò)和物理攻擊的影響)；三是用戶側(cè)參與電力市場的機(jī)會(huì)增多；四是互連電力信息和控制系統(tǒng)的出現(xiàn)；五是電力基礎(chǔ)設(shè)施的老化。

2014年11月，美國能源部主導(dǎo)并聯(lián)合其多個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室建立了共同致力于電網(wǎng)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略合作聯(lián)盟——美國電網(wǎng)現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟(Grid Modernization Laboratory Consortium，簡稱GMLC)。

2015年11月，美國能源部發(fā)布了電網(wǎng)現(xiàn)代化規(guī)劃(Multi-Year Program Plan，簡稱MYPP)。該規(guī)劃定義了美國現(xiàn)代化電網(wǎng)的圖景：未來的電網(wǎng)將解決無縫集成傳統(tǒng)能源和可再生資源、儲(chǔ)能以及集中和分布式發(fā)電的挑戰(zhàn)。它將為全球清潔能源經(jīng)濟(jì)中美國的繁榮、競爭力和創(chuàng)新提供重要平臺(tái)。它將為用戶提供韌性、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、靈活和可持續(xù)的電力，并滿足其任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何方式的多樣化需求。

2020年，GMLC發(fā)布了電網(wǎng)現(xiàn)代化度量分析報(bào)告(Grid Modernization Metrics Analysis，簡稱GMMA)，對(duì)美國電網(wǎng)現(xiàn)代化的內(nèi)涵特征進(jìn)行了更為細(xì)致的分析，闡述了6個(gè)關(guān)鍵特征(韌性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可持續(xù)性)及其度量指標(biāo)。

2 電網(wǎng)現(xiàn)代化內(nèi)涵及度量分析

美國MYPP指出，“電氣化”進(jìn)程作為20世紀(jì)最偉大的工程成果，已為國家的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。然而20世紀(jì)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已無法適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展需求。傳統(tǒng)電網(wǎng)的架構(gòu)主要基于大規(guī)模遠(yuǎn)距離終端用戶的發(fā)電設(shè)備、垂直化的控制方式、有限容量的儲(chǔ)能設(shè)備以及被動(dòng)負(fù)荷。而現(xiàn)代化的電網(wǎng)必須更加靈活、魯棒、敏捷[3-5]?，F(xiàn)代化電網(wǎng)需要具備的能力有：動(dòng)態(tài)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行及資源的能力；快速檢測并緩解擾動(dòng)的能力；接納百萬級(jí)以上智能設(shè)備的能力；整合源荷雙側(cè)電源及需求響應(yīng)的能力；允許用戶側(cè)參與電力市場的能力；抵御物理及網(wǎng)絡(luò)攻擊的保護(hù)能力等。為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要，現(xiàn)代化電網(wǎng)需滿足以下特性。

2.1 更強(qiáng)的應(yīng)對(duì)各種災(zāi)害的電網(wǎng)韌性(Resilience)

韌性是指適應(yīng)條件變化、抵御并從破壞中快速恢復(fù)的能力，包括抵御并從蓄意攻擊、事故或自然發(fā)生的威脅或事件中恢復(fù)的能力。采用以下兩種方法確定韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)基于多標(biāo)準(zhǔn)決策分析方法的電網(wǎng)韌性指標(biāo)：該指標(biāo)主要從電網(wǎng)災(zāi)害處置的準(zhǔn)備、緩解、響應(yīng)、恢復(fù)4個(gè)階段分別提出相應(yīng)的韌性指標(biāo)，從電網(wǎng)具備的能力方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)基于性能分析方法的電網(wǎng)韌性指標(biāo)：該指標(biāo)主要根據(jù)特定電力中斷事件下可能導(dǎo)致的后果對(duì)指標(biāo)進(jìn)行界定，從電網(wǎng)供電效果方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，適合用于成本效益分析和規(guī)劃分析。

2.2 提升電網(wǎng)日常運(yùn)行可靠性(Reliability)

可靠性是指電網(wǎng)在運(yùn)行狀態(tài)面對(duì)常規(guī)不確定性沖擊時(shí)向用戶維持輸電服務(wù)的能力。對(duì)于配電系統(tǒng)，可靠性的衡量主要關(guān)注用戶用電需求無法得到保質(zhì)、保量滿足時(shí)的電力中斷情況。對(duì)于發(fā)輸電系統(tǒng)，可靠性的衡量時(shí)間尺度分別側(cè)重于運(yùn)行時(shí)間尺度(當(dāng)前或近期)和規(guī)劃時(shí)間尺度(長期)。

可靠性性能指標(biāo)的建立主要涵蓋以下3個(gè)方面。

(1)配電系統(tǒng)可靠性；

(2)互聯(lián)輸電系統(tǒng)可靠性；

(3)概率輸電規(guī)劃。

2.3 加強(qiáng)面對(duì)更多電網(wǎng)威脅的安全性(Security)

安全性是通過物理手段降低關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)的能力或防御網(wǎng)絡(luò)入侵、攻擊等措施以及自然、人為災(zāi)害。美國Grid Metrics研究團(tuán)隊(duì)主要側(cè)重于物理手段的性能指標(biāo)制定，該性能指標(biāo)的目的是使電力公司、監(jiān)管者和利益相關(guān)者能夠評(píng)估電力公司的物理安全狀況或準(zhǔn)備情況。

2.4 維持電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)性(Affordability)

經(jīng)濟(jì)性是指電網(wǎng)以不超出客戶購買意愿或支付能力的價(jià)格提供電力服務(wù)的能力。美國Grid Metrics研究團(tuán)隊(duì)的初始工作重點(diǎn)側(cè)重于居民用電，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要分為以下8個(gè)方面。

(1)家庭用電負(fù)擔(dān)；

(2)家庭用電負(fù)擔(dān)能力缺口；

(3)家庭用電負(fù)擔(dān)能力缺口指數(shù)；

(4)家庭用電負(fù)擔(dān)能力人口指數(shù)；

(5)年均用戶成本；

(6)用戶平均成本指數(shù)；

(7)商業(yè)用電邊際收益產(chǎn)品；

(8)工業(yè)邊際收益產(chǎn)品。

2.5 應(yīng)對(duì)多時(shí)間尺度不確定運(yùn)行狀態(tài)的靈活性(Flexibility)

靈活性是指電網(wǎng)對(duì)未來的不確定性響應(yīng)的能力。這兩種時(shí)間尺度可解釋為電網(wǎng)靈活性的不同角度：從運(yùn)行角度出發(fā)，靈活性依賴于現(xiàn)有電網(wǎng)對(duì)已知或無法預(yù)料的變化適應(yīng)的敏捷性，例如電網(wǎng)對(duì)由于可再生能源發(fā)電預(yù)測誤差帶來的負(fù)荷突變的應(yīng)對(duì)能力；從規(guī)劃角度出發(fā)，靈活性依賴于改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)政策和新規(guī)的變化，以及技術(shù)突破等。

2.6 包含高比例清潔能源的可持續(xù)性(Sustainability)

可持續(xù)性是指電網(wǎng)在盡量減小對(duì)人類健康及自然環(huán)境的影響前提下為用戶提供電力服務(wù)的能力?？沙掷m(xù)性通常包含環(huán)境、社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)三大支柱。目前美國Grid Metrics研究團(tuán)隊(duì)只針對(duì)環(huán)境方面進(jìn)行了指標(biāo)分析，其相關(guān)性能指標(biāo)體系主要關(guān)注以下2個(gè)方面。

(1)發(fā)電產(chǎn)生的溫室氣體排放；

(2)發(fā)電容量的水資源依賴性。

2.7 美國電網(wǎng)現(xiàn)代化MYPP落實(shí)成效

2017年4月，美國能源部舉行了第一次年度電網(wǎng)現(xiàn)代化同行評(píng)審會(huì)議，多方代表就電網(wǎng)現(xiàn)代化進(jìn)程在下一個(gè)十年的發(fā)展挑戰(zhàn)與機(jī)遇發(fā)表了相關(guān)論述。美國能源部正式對(duì)GMLC工程涉及的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域(設(shè)計(jì)與規(guī)劃工具，系統(tǒng)運(yùn)行、電網(wǎng)潮流及控制，感知與測量，設(shè)備與綜合系統(tǒng)，安全與韌性，制度支撐)進(jìn)行了評(píng)審，并發(fā)布了第一版電網(wǎng)現(xiàn)代化同行評(píng)審報(bào)告。截至該報(bào)告發(fā)布，該項(xiàng)目已累計(jì)籌集資金2.2億美元，涉及多達(dá)100家戰(zhàn)略伙伴。資金重點(diǎn)支持了先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)、清潔能源一體化、標(biāo)準(zhǔn)與測試規(guī)程以及其他在電網(wǎng)現(xiàn)代化MYPP綱要中列出的關(guān)鍵技術(shù)研究。

3 對(duì)我國電網(wǎng)發(fā)展的啟示與建議

(1)美國電網(wǎng)現(xiàn)代化研究成果可以為我國構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)提供參考，為我國電力系統(tǒng)的發(fā)展指明方向。我國已建成世界上并網(wǎng)新能源裝機(jī)容量最大的電網(wǎng)，建議結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的需求，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性等概念進(jìn)一步拓展，闡述新型電力系統(tǒng)下電網(wǎng)的必備特征。對(duì)新型電力系統(tǒng)進(jìn)行更為詳盡的特征描述，可進(jìn)一步明確我國電網(wǎng)的發(fā)展方向。

(2)美國電網(wǎng)現(xiàn)代化研究成果系統(tǒng)可為我國電網(wǎng)特征的度量分析提供研究思路，為電網(wǎng)規(guī)劃制定提供定量指引。電網(wǎng)特征度量指標(biāo)體現(xiàn)電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)部門和電力用戶對(duì)電網(wǎng)的需求，建議加強(qiáng)我國電網(wǎng)發(fā)展特征的量化分析。GMLC對(duì)美國電網(wǎng)現(xiàn)代化的特征量化分析結(jié)果可明確美國電網(wǎng)現(xiàn)代化的重點(diǎn)關(guān)切點(diǎn)，便于指導(dǎo)我國電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部和外部各部門針對(duì)度量指標(biāo)建立更為完善的實(shí)施方案，為電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃的制定提供參考。