電力行業需要深度融入新基建

李云峰 譚忠富 潘 偉

2022年國務院常務會議確定了7大項新基建，電力行業作為國民經濟的重要支撐，每一項新基建均與之息息相關。“雙碳”目標是我國對國際社會的莊嚴承諾，能源領域排碳占比很高，踐行低碳，電力行業需要充當排頭兵。實現碳中和需要從能源供給與消費側革命入手，而其具體手段是電力行業融入新基建。

調整能源供需結構，助力“雙碳”目標實現

2020年我國二氧化碳排放103億噸，占全球碳排放將近1/3；其中，燃燒石油碳排放15.4億噸，燃燒天然氣碳排放6億噸，燃燒煤炭碳排放72.6億噸。2021年碳排放量達到114.7億噸；2022年第二季度碳排放量下降了8%，減少了2.3億噸。2021年3月，歐盟議會決定，為了保護歐盟企業國際競爭力，2023年起，對進口水泥、鋼鐵、鋁、煉油廠、造紙、玻璃、化工和化肥會考慮碳邊境稅；類似地，英國對一些種類進口產品考慮加收碳調節稅；美國《清潔能源安全法案》談到，有權對不實施碳減排國家的進口產品征收碳稅。我國每年出口貿易中產生的“碳順差”至少超過10億噸。可見，“雙碳”對于我國來說是一場硬仗。

從能源供給側來看。2022年底，我國發電裝機25.6 億千瓦，其中煤電裝機占全球超50%，煤電發電量占全球52.2%；風光發電裝機達到了7億千瓦，風光發電量達到1.19萬億千瓦時；風光電量本國占比中，德國33%，英國28%，歐盟19%，澳大利亞17%，我國12%。可見，我國需要加大投資風力發電、光伏與儲能。我國城鄉建筑屋頂面積達到250億平方米，只要開發25%，就可以安裝7.5億千瓦光伏，按照年1000小時發電，年發電量可以達到0.75萬億千瓦時，相當于一年全國用電量的1/11左右。其中，676個縣屋頂光伏申報試點獲批，學校、醫院總面積 40%以上安裝光伏；工商業屋頂總面積30%以上安裝光伏；農村居民屋頂總面積20%以上安裝光伏，若按照這個比例安裝，年發電量可以達到0.18萬億千瓦時。1千瓦光伏設備生產過程中耗電400千瓦時，其中含火電240千瓦時；按照1000千瓦時火電排放二氧化碳0.81噸碳計算，光伏設備生產過程排0.2噸二氧化碳；按照光伏設備全壽命周期25年、年發電1200小時計算，年發電3萬千瓦時，可以替代燃煤發電產生的24噸碳，1千瓦光伏壽命周期減碳達到23.8噸。一些大企業正在通過發展光伏獲得綠證或者實現減碳。萬達在河南、山西、湖北、山東的19個廣場安裝屋頂光伏，一座廣場月發電量90萬千瓦時，相當于9000戶家庭一個月的用電量。阿里巴巴在菜鳥網絡物流園區安裝屋頂光伏30萬千瓦，年發電量3.6億千瓦時。京東在車棚/物流園區安裝屋頂光伏95萬千瓦，年發電量11.4億千瓦時，用于50個城市5000輛電動物流車的充電，以及倉內照明、自動分揀、打包、揀貨用電等。中國郵政遍及城鄉的工作場所屋頂安裝2000萬平方米光伏，年電量55億千瓦時。

從能源消費側來看。高鐵每小時按照350公里的速度，消費電能9600千瓦時，高鐵的發展是“以電代油”，逐漸取代近距離城市之間的飛機航班。我國電動汽車的保有量已經達到了1099萬輛；唐山市已經對4700輛重型運輸卡車改造為電動式，實現“以電代油”；許多城市公交車改造為電動式；海南省2030年停止燃油車的銷售。

發展“特高壓”新基建，助力國家能源低碳安全

新型基礎設施建設是以新發展理念為指導，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級等，主要包括5 G 基站、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網等七大領域的建設。國家能源安全旨在對能源供應中斷、能源價格暴漲等緊急情況，以合作和協調的方式做出長遠規劃，以維持能源供應的長期穩定性。能源安全與氣候變化問題密切相關，如近50年來，隨著二氧化碳排放濃度的增加，全球變暖正以過去2000 多年來前所未有的速度發生，伴之而來的洪澇、干旱、極熱、極寒氣候極端現象正在增多。1985 年以來，我國中部、東部、南部非取暖地區，出現寒潮43次，氣溫一夜之間可以突降14 度。2021 年初，發生在美國得克薩斯州的極端暴雪天氣導致該州一半的風力渦輪機被凍住，風力發電占電力的比重從42%下降到8%。2021年1月6日到8日來襲我國的寒潮，使全國負荷達到了11億千瓦，同比增長25%；寒潮過后，風電電力從1.1億千瓦掉到0.6億千瓦，而電力負荷卻增加了0.5億千瓦。2022年7月，美國俄亥俄州氣溫達到了47攝氏度，加利福尼亞州達到了54.4攝氏度；科威特達到了53攝氏度；阿爾及利亞達到了60攝氏度；阿拉伯局部地區達到了70攝氏度；丹麥格陵蘭島，每天出現了60億噸的冰融化，相當于430個西湖的水量；7月20日，英國氣溫突破40攝氏度，空調用電激增，英國公用事業公司支付發電電價11.685美元/千瓦時，比平均支付電價0.215美元千瓦時高出50倍。2022年夏天我國四川出現了60年一遇的高溫、干旱，汛期水電輸出大省變為缺電大省。

我國大西北的荒灘、沙漠、戈壁灘，西南的大江大河等，可以充分開發清潔能源。“十四五”電力規劃中，青海開發光伏4580萬千瓦、風電1650萬千瓦，即新能源發電6230萬千瓦；寧夏開發12個風電百萬千瓦基地，5450萬千瓦風光并網；甘肅開發3853萬千瓦風電，4169萬千瓦光伏，即新能源發電8022萬千瓦，打造千萬千瓦“風光火儲輸”基地；新疆開發3個千萬千瓦新能源基地，2個120萬千瓦抽蓄電站，新能源發電6752萬千瓦；內蒙古開發新能源1.35億千瓦。我國的能源規劃方式是“建設大基地，融入大電網，建立大市場”。金沙江等地開發大型水電基地；酒泉等地開發9個千萬千瓦級大型風電基地；青藏高原等地開發大型光伏基地。通過特高壓新基建，實現“西電東送，北電南供”，2025年實現跨區跨省送電3.6億千瓦；2035年跨區跨省送電5.5億千瓦；2050年跨區跨省送電7.4億千瓦。

發展“大數據中心”新基建，助力能源領域精準投資

利用“大云物移智”現代信息技術與能源技術深度融合，通過數字化、智能化實現能源領域的精準投資與經濟運行。電源側打造新能源云平臺，促進新能源大規模、高比例并網和消納；打造風光水火儲多能互補系統，實現多能協同供應和梯級利用，打破各類能源“相對獨立，各自為政”的壁壘。電網側打造“源網荷儲”友好互動平臺，促進電網向智慧、泛在、友好的能源互聯網升級，提高能源供給清潔化、終端消費電氣化、系統運轉高效化水平；通過“電從身邊來”實現分散化自我平衡，通過“電從自遠方來”實現不平衡能量交換。負荷側打造電力負荷彈性管理平臺，支撐儲能、電動汽車、彈性負荷等廣泛接入；能源主體由單一能源的生產、傳輸、存儲和消費者，向集多種能源生產、傳輸、存儲和消費為一身的自平衡體轉變。通過“源網荷”平臺的綜合，實現新能源發電全息感知，精準預測，支撐高比例新能源并網消納；提高電力系統靈活調節能力；實現能源全過程實時感知、可視可控、精益高效；提高“源網荷”的精準投資與經濟運行。

利用數據感知層，采集投資、運行、營銷、檢修業務流運營的數據流，采集源網荷儲的能量流的數據流，采集冷熱電氣、輔助服務、碳交易的資金流的數據流；利用數據網絡層，傳輸數據流、能量流；利用數據平臺層，進行數字孿生，挖掘業務流之間的數據流匹配關系，挖掘資金流之間的數據流匹配關系，挖掘能量流之間的數據流匹配關系，橫向縱向對比數據流，構建數據之間匹配關系；利用數據應用層，優化分配投資流，優化調度能量流，優化提升業務流。通過微電網、分布式能源、冷熱電三聯供、儲冷儲熱儲電、充電樁的融合，利用互聯網的客戶聚合功能、物聯網的信息通信功能、人工智能的調度功能、樓宇的智慧控制功能，實現多能一體化、源網荷儲一體化、能碳一體化、產消一體化；實現對每個建筑、每個供能設備、每個用能設備，可以精準智能控制到小時級、分鐘級、秒級的運行。

發展“工業互聯網”新基建，助力能源資產提質增效

利用互聯網技術，提升能源生產、傳輸、存儲、消費等各個環節的靈活性，進化能源的生產方式、供應方式和消費方式，提升清潔能源在生產端與消費端的比重；打通各節點、各主體間的服務流、信息流、資金流，實現大網與分布式微能網雙向互動，實現覆蓋能源生產、傳輸、交易、消費多環節即時感知與監測；利用各類能源信息的共享，發掘能源大數據價值，實現能源系統動態優化。

利用互聯網技術，實現電源、電網、負荷和儲能之間的源源互補、源網協調、網荷互動、網儲互動和源荷互動，打造能源互聯網。源源互補，指通過靈活發電資源與清潔能源之間的協調互補，解決清潔能源發電出力受環境和氣象因素影響而產生的隨機性、波動性問題，提高新能源的利用效率。源網協調，指通過電網調節技術解決新能源大規模并網及分布式電源接入電網時的柔性，讓新能源和常規電源一起參與電網調節。網荷互動，指將負荷轉化為電網的可調節資源，即柔性負荷，在電網出現頻率偏離時，通過負荷主動調節和響應來平穩電網頻率，確保電網安全經濟可靠運行。網儲互動，指發揮儲能裝置的雙向調節作用，在用電低谷時作為負荷充電，在用電高峰時作為電源釋放電能，為電網提供調峰、調頻、備用服務。源荷互動指時空分布廣泛的多類電源和負荷，均可作為可調度的資源參與電力供需平衡控制，用戶聚合改變用電時間來消納新能源。

利用互聯網技術，整合一個區域內的可再生能源、煤炭、石油、天然氣等多種資源，實現異質能源間的協調規劃、優化運行、多能轉換、交互響應，滿足客戶多元化用能需求，提升能源利用效率。整合一個園區內的綜合能源服務，實現天然氣冷熱電聯供、分布式能源、微網、儲能設施、電動汽車充放電等的互補互濟，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用，降低能源生產成本，提高能源消費效率。

利用互聯網技術，對線路/變電站運行狀態實時感知，隱患實時監控，故障自動定位、自動隔離，精準搶修、主動檢修，減少停電次數和停電范圍，實現配電線路變電站智能檢修；對溫度、濕度、水位、氣體，通過傳感器全面感知，數據傳回中心，發生變化時自動報警，不需運維人員進入隧道監測，實現電纜隧道智能監測；主變/環網柜/桿塔，內置傳感器，設備狀態實時感知，數據遠程回傳中心，實時防破壞防盜竊，實現設備資產智能管理。

發展“人工智能”新基建，助力能源綠色低碳

用先進的人工智能技術，對分布在不同地點的電廠可以實現遠程預警、分析、診斷、優化和調度；通過持續學習歷史數據和實時數據，形成設備預警、設備診斷、能耗分析、自動品質評估、燃料分析、負荷優化、技術監控，幫助電廠降低煤耗，提高設備可靠性，滿足環保要求，獲得經濟效益。

風能、太陽能具有間歇性，其發電取決于天氣條件，如風吹或陽光照射，一旦能源需求激增，新能源不一定能滿足需求，需要一種可以確保供需始終處于均衡狀態的智能技術，來解決能源供需的精準預測。風電與光伏，需要通過現貨市場來消納，現貨市場體現的是實時電價；風電、光伏低價時，售電商希望用戶及時生產“冷熱氣水”；若用戶只按照固定的分時電價，往往出現滯后。若通過人工智能技術來讓用戶設備實時感應現貨市場的實時電價，逆電價智能啟停或者調整電器，如電儲熱、電蓄冷、電采暖、儲電、制氫、電轉氣、電動車、熱水器、洗衣機、電飯煲等各類電器，如遙控啟停空調以提前預熱或者預冷，智能對電動汽車峰谷充放電，引導設備負荷曲線與發電實時電價曲線“互補”，可以實現用電削峰填谷，消納新能源；用戶節電節費，獲得用電權轉讓效益；售電公司降低購電成本；發電與電網企業減少備用，電網減少線損，發電降低煤耗；用戶可以不需要投資，售電商可以從用戶節省電費中收回投資，即合同能源管理。

電力的穩定是依賴于發電側和用戶側的供需實時平衡，通過智能技術構建“虛擬電廠”，即聚合各類可控負荷、分布式發電資源、儲能等，針對分布式資源，快速響應，實時協調控制，實現精準的需求側響應及調峰調頻服務等。將分布式能源聚合為可控的負荷資源，通過“虛擬電廠”調配電力資源，可以參與電力現貨交易市場和輔助服務市場，實現資源價值充分利用。在收到電力調度中心的指令后快速下發給“虛擬電廠”的各個主體，作為“正電廠”向電網供電削峰，作為“負電廠”消納電力填谷，實現高效的電力調配。“虛擬電廠”相當于聚合分布式能源參與電力市場的大腦，在實時調度特殊要求下，每一個主體如光伏發電、儲能、微電網、電動汽車、需求響應負荷等不是等著大腦計算完成后再通過5G/光纖等進行通知，這樣會產生時延問題，降低“虛擬電廠”的快速執行能力，影響參與市場的功能作用與經濟收益。需要云端大腦和邊緣計算聯動，將計算資源部署靠近“虛擬電廠”各個主體和數據源的網絡邊緣側；利用通信技術和物聯網技術，將眾多用電設備削減負荷的能力視為虛擬出力，從而參與市場和電網運行；對內將商業樓宇、分布式電源、儲能裝置與電動汽車充電樁等資源聚合，通過大數據研判及客戶細分，對內先進行供需平衡，然后對外參與電能量市場與輔助服務市場，如國網冀北泛在電力物聯網“虛擬電廠”，實時接入與控制蓄熱式電采暖、可調節工商業、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11類19家泛在可調資源，容量約160兆瓦（MW）。“虛擬電廠”可以在破解清潔能源消納難題、實現綠色能源轉型方面發揮重要的作用，實現對分布式能源的負荷預測、響應分配、實時協調控制和儲能充放電管理，參與電力交易市場和需求響應。

可見，通過人工智能技術把分散在不同空間的小型太陽能、風能等新能源發電裝置、儲能電池和各類可控制（調節）的用電設備（負荷）整合集成，協調控制，對外等效形成一個可控電源，輔助電力系統運行，并可參與電力市場交易，同時優化資源利用，維護用電穩定與用電安全。

發展“電動汽車充電站”新基建，助力能源行業節能減排

為了全面推進鄉村振興建設，國家電網、南方電網等除了完善高速公路服務區充電設施，正在推進以縣城為重要載體的城鎮化建設，補齊縣城、鄉鎮充電基礎設施建設短板，加快實現電動汽車充電站“縣縣全覆蓋”、充電樁“鄉鄉全覆蓋”。電動汽車充電站作為“新基建”，可以發揮聚合分散電動汽車的功能形成聚合商，參與現貨市場購售電，獲得價差收益；聚合商還可以基于電網公司代理工商業購電價格表，充電站基于其峰谷電價價差，獲得價差收益；參與調峰市場，消納新能源，獲得調峰市場回報，以及消納綠電獲得綠證；參與用電高峰階段的頂峰，獲得備用市場價值；頂峰時減少煤電頂峰，減少煤電發電量，獲得減少碳排放價值。電動車充電聚合商獲得的回報需要轉換成給電動車客戶的分時電價。

構建“車聯網”管理平臺，電動汽車與分布式光伏、儲能、可調節負荷等資源進行耦合，參與現貨市場、輔助服務市場及需求響應，發揮平臺經濟優勢。充電樁、充電站打捆聯合參加批發電力市場，以長期合同、代理競價等不同方式進行市場化交易；基于電動汽車與綠色電力之間的時空關聯關系，設計電動汽車充電運營商購買綠證或綠色電力的交易機制，促進電動汽車對新能源的消納；分析電動汽車充放電行為與電力系統運行之間的關系，優化調整充放電行為，削峰填谷，降低電力系統投資成本，提高運行效率；電動汽車作為一種特殊的儲能設施，可以幫助平衡新能源發電的影響，新能源大發時進行充電，新能源不足時進行放電，實現對新能源的消納及對電網的削峰填谷。針對電動汽車充電站，需要設計分時電價或者可中斷電價，電動汽車聚合打捆后由售電公司代理進行長協購電與現貨市場購電。基于電力批發市場的現貨價格信號，高峰價格時段放電，低谷價格時段充電，實現充電與電力系統的協調運行。打通充電站網、能源網、車聯網、互聯網、交通網，充放電設施的互通機制，多網融合，參與平衡電網負荷，并消納綠色能源。