從智能電網到新型電力系統

摘 要：構建以新能源為主體的新型電力系統，加速能源生產側清潔替代和能源消費側電能替代是我國能源體系轉型以及實現“雙碳”目標的關鍵舉措。立足于電力與能源系統的發展進程，分析了新型電力系統建設的主要特征和技術路徑。通過梳理從智能電網到新型電力系統的歷史發展脈絡，總結出以融合、互動、開放、消納等為關鍵詞的新型電力系統發展的主要特點。圍繞能源－信息－社會融合、源－網－荷－儲協同互動、能源市場開放共享、新能源高比例安全消納等能源發展形勢，重點闡述了我國電力與能源系統向安全高效、清潔低碳的能源體系轉型的主要技術方向和實現路徑，以期為我國新型電力系統建設的高標準落地提供參考。

關 鍵 詞：新型電力系統；碳達峰；碳中和；智能電網；能源－信息－社會；源－網－荷－儲；能源市場；安全消納

中圖分類號：ＴＫ０１ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０５７９－１１

能源是國民經濟的命脈，攸關國計民生和國家安全。２１世紀以來，大規模開發利用化石能源帶來的能源危機、環境危機凸顯，世界范圍內興起以電為中心、以新能源大規模開發利用為特征的新一輪能源變革［１］。２０２０年９月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于２０３０年前達到峰值，努力爭?。玻埃叮澳昵皩崿F碳中和［２］。隨著“雙碳”目標的不斷落實，我國電力與能源系統的發展也邁入了新的階段。

首先是電源形成了集中式發電與分布式發電相兼容并存的格局［３］，其中，前者主要包含傳統的化石能源發電以及大規模集中式的新能源發電；后者則以分布式可再生能源以及小規模企業或者園區級的集中式新能源發電為主。其次，在電網形態方面，逐漸轉變為柔性輸電網與有源配電網交互協同的新形態，由傳統單向逐級輸電向多元雙向混合結構轉變，并呈現出直流占比高、容量大的發展趨勢；而在負荷特性方面，由于電動汽車、分布式儲能、智慧樓宇等新型負荷的大規模應用，電力系統的負荷由傳統被動型、消費型終端向靈活互動的主動型、產銷型逐漸過渡，使得其能夠廣泛參與電力輔助服務市場。最后，在技術和運行特性方面，新型電力系統呈現出高比例可再生能源和高比例電力電子的“雙高”特征［４］，并由“源隨荷動”的單向調控轉向“源－網－荷－儲”協同互動的新模式，整體呈現出安全高效、清潔低碳、柔性靈活和智慧融合等重要特征。

隨著新基建的不斷推進與完善，以特高壓為骨干網架的堅強智能電網建設已基本完成［５］。通過特高壓交直流輸電網絡實現長距離大范圍的能源輸送技術相對比較成熟，而對于有源配電網的新能源就地消納的運行模式及電網在其中的形態角色仍有待進一步探討。因此，本文以我國電力與能源系統從智能電網到新型電力系統的建設發展歷程為依托，分析了我國能源系統的主要特征和發展路徑，并以新型電力系統的有源配電網為對象，分別圍繞能源－信息－社會融合、源－網－荷－儲協同互動、能源市場開放共享、新能源高比例安全消納等能源發展形勢，重點剖析了我國電力與能源系統由生產型向服務型轉變以及數智化轉型關鍵問題及主要解決思路，為我國新型能源體系的構建提供參考。

１ 電力與能源系統發展概況

隨著信息技術的飛速發展和對新型能源需求的不斷擴大，自２１世紀初以來，電力與能源系統先后出現智能電網、綜合能源系統、電力物聯網、能源互聯網、新型電力系統等一系列核心理念，促進了能源體系向清潔低碳、安全高效方向轉型，其發展過程如圖１所示。

１）智能電網。２０００年前后，美國電力科學研究院和能源部首次發起ＩｎｔｅｌｌｉＧｒｉｄ項目和Ｇｒｉｄ-Ｗｉｓｅ項目［６］，掀起了國內外學者關于智能電網的研究熱潮［７－８］，其核心在于通過引入通信、自動控制等智能化信息技術，實現對電力網絡改造升級，從而實現電網經濟環保、安全穩定的運行目標［９］。對電網運行的快速響應，提高分布式能源的兼容能力是其主要特點。

２）綜合能源系統。２００１年，美國能源部首次提出綜合能源系統發展計劃［１０］，而后頒布的能源獨立和安全法要求社會主要供用能環節必須開展綜合能源規劃，其核心在于通過對能源的生產、傳輸與分配、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化，形成能源產供銷一體化系統［１１］。主要特征在于實現電、氣、熱等不同能源形式的耦合，提高能源使用效率并實現了能源的梯級利用。

３）電力物聯網。國網信息通信有限公司從２００９年９月起就全面開展物聯網技術的研發［１２］，隨后我國開啟了物聯網與電力系統融合的廣泛研究，并于２０１０年提出電力物聯網的概念［１３］。電力物聯網是指實現電網基礎設施，人員及所在環境識別、感知、互聯與控制的網絡系統，其核心在于實現電力系統終端間的互聯互通、協同互動，使其具有全面感知和智能決策的能力。

４）能源互聯網。２０１１年，ＲＩＦＫＩＮ著作《第三次工業革命》［１４］中提出了能源互聯網設想。同年，ＨＵＡＮＧ等［１５］提出了一種適用于分布式能源即插即用的能源互聯網架構，掀起了能源互聯網的研究熱潮。能源互聯網是指以電力系統為核心，以互聯網及其他前沿信息技術為基礎，以分布式可再生能源為主要一次能源，與天然氣網絡、交通網絡等其他系統緊密耦合而形成的復雜多網流系統［１６］，其核心在于實現能源的對等開放、即插即用、廣泛分布等，支持大規模分布式設備接入。

５）新型電力系統。２０２１年，為應對高比例可再生能源的入網和消納，新型電力系統［１７］概念被提出。隨后，國家電網、南方電網公司分別提出建設行動方案［１８－１９］，其核心在于通過源網荷儲互動與多能互補促進高比例新能源接入系統，同時實現電網柔性、智慧、開放化轉變，保障電力系統經濟、安全和清潔協同發展。新型電力系統核心任務是應對高比例可再生能源和高比例電力電子設備的廣泛接入對系統的影響，進而提高新能源的消納能力。

我國電力與能源系統領域始終服務于清潔低碳、安全高效的能源系統發展總目標，從智能電網發展到新型電力系統，伴隨著能源、技術、模態不斷更迭，主要呈現出以下幾個特點：１）融合。多種類能源、信息技術和社會需求融合互補，加速能源生產側清潔替代和消費側電能替代。２）互動。用戶終端泛在參與互聯，能源網絡可調度資源互動協同。３）開放。以信息安全為保障，能源市場開放共享水平不斷提高。４）消納。新能源的消納模式，由供給補充轉變成供能主體，助力能源消費形式的低碳化轉型。因此本文分別以“融合”“互動”“開放”“消納”為切入點，探討我國能源體系建設的新模態以及新形勢。

２ 能源－信息－社會融合

新型電力系統的發展伴隨著與多能源領域、先進信息技術及社會系統的智慧融合，系統力圖打破不同行業、產業間的壁壘，協同發展，優勢互補，助推電力系統實現能源的綜合利用、系統的智慧高效以及社會行為的精準決策等目標，其技術結構如圖２所示。

２.１ 多能源耦合

構建電力、天然氣、熱力等不同形式能源耦合的多能源系統是提高能源綜合利用效率、促進可再生能源消納的有效途徑。而僅依靠電力系統的自身運行特性，難以滿足高比例新能源接入的發展需要［２０－２１］。通過多能源系統的協調規劃，可以打破各能源子系統運行局限性，在能量生產、傳輸、消費、存儲等方面深度耦合，以實現能源優勢互補與融合。目前，多能源系統的研究主要聚焦在能源流建模分析、優化運行及系統規劃等方向。

能源流建模分析是多能源系統基本運行規律的統一描述，而多能源耦合裝置是能源流混合建模的基礎。在能源生產側，燃氣輪機、燃氣鍋爐分別利用天然氣產生電能和熱能，熱電聯產機組同時產生電能和熱能［１１］；在能源傳輸中，利用循環泵對天然氣、供熱網絡運行維持電加壓；在能源消費側，空調、電熱爐、熱泵、燃氣灶、電磁爐等大量耦合裝置廣泛分布，實現能量的變換和轉移。而多能源系統優化運行的核心思想則是通過協調管理供能側、用能側及輸送管網，從經濟、安全、環保等方面出發設計優化目標，如最小化系統總運行成本、最大化可再生能源利用率等。系統規劃則根據上述優化結構，確定包括各種類型能源占比結構、耦合裝置的選址定容等方面內容，以實現能源系統的互補特性和能量的梯級利用。

２.２ 信息與能源技術融合

先進數字技術的發展能有效促進電力系統的升級轉型。應用“大云物移智鏈”等先進數字科學技術，實現電力系統能量流和信息流的深度融合，使得電力與能源系統呈現出數字化、網絡化、智慧化的特點［５］，是新型電力系統的一類重要特征。電力系統與信息技術的深度融合，催生出“數字電網”發展理念［２２］，其在技術上主要分為物理電網數字化和電網數字孿生構建兩方面。

物理電網數字化研究可以從數據采集、計算、傳輸３個方面進行。首先，需要依托先進智能傳感技術將電網物理過程轉換為數字信號，建立海量、準確、完備的數據體系。其次，需要利用邊緣計算初步完成數據的分析計算和服務響應，進一步形成云－邊協同框架，從而有效緩解海量數據通信壓力、增強電力系統運行靈活性。最后，需要通過高效可靠的通信技術將電網數據和信息傳輸至云端數字平臺，以待進行數字孿生鏡像與深入分析決策。

電網數字孿生構建是在物理電網數字化研究基礎上，進一步搭建數字平臺來實現多元業務的智能決策和運營。數字平臺能夠實時完整映射物理實體系統，具備實時態勢感知和超實時虛擬推演的能力［５］，可以面向電網開展監測分析、運行優化等工作，并最終將決策指令下達給物理對象，實現閉環控制。例如電力設備故障診斷、電網安全分析與自主調控、負荷預測和用戶行為分析等均為數字孿生的典型應用場景［２３］。

２.３ 社會系統融合

隨著高比例新能源的滲透，能源系統與社會系統的融合愈加深入，人的博弈與決策行為對能源系統發展產生巨大影響，因此新型電力系統的構建還需考慮政策、行為等社會因素［２４］。社會系統包括人類社會實體活動和虛擬系統中基于多智能體等先進信息技術形成的人工社會內容等兩重含義［２５］，具體表現在：大規模新型負荷參與的需求側管理和輔助服務，以及大量社會參與者博弈行為等社會元素將影響電力系統的工況與響應。由于考慮社會因素的決策模型有別于自然科學機理模型，因此對社會行為的建模與仿真是關鍵難題。

社會行為建模是一個涉及多層面的復雜過程，其核心要素包括行為主體、環境、手段、結果以及效用。參與者的決策行為通常可以用多代理模型或系統動力學模型表示，具體的建模方法分為解析法和數據驅動法［２６］。由于社會行為具有非完全理性、不透明及高度復雜等特性，建模仿真需要重點考慮以下問題：首先，主體的社會行為并無傳統意義上的定律或公式，而是與經濟、氣候等社會因素的因果驅動關系；其次，行為主體具有非完全理性特征，模型復雜度和不確定性問題凸顯；再者，社會行為是動態變化的過程，需要構建行為屬性動態更新的策略。上述問題導致社會系統數學模型表現為離散及連續方程、微分和代數方程并存的形態，因此需要構建跨領域動態混合交互仿真平臺，解決多領域、多尺度、多種社會行為接入的不協調、差異大等問題。

３ 源－網－荷－儲協同互動

新型電力系統使能源生產、傳輸、使用、存儲等方面發生了深刻變革，運行機制也由傳統“源隨荷動”轉向“源－網－荷－儲”協同互動，包括源－源互補、源－網協調、源－荷互動、網－荷互動以及網－儲互動等多種交互形式，機制關鍵支撐技術主要包含分布式協同控制和分布式優化等策略。

３.１ 分布式協同控制

新型電力系統存在可再生能源的波動性及間歇性大、終端負荷可控性強、儲能容量受限等特性，系統的能量平衡面臨嚴峻挑戰。常用的控制方式可以分為集中式、分散式和分布式３種。傳統集中控制需要與系統內所有分布式資源通信，收集節點被控變量信息到中央控制器［２７］，集中決策后再將執行信息返回。因此，傳統集中控制無法解決新型電力系統海量分布式終端接入帶來的計算復雜性高、通信壓力大等問題。分散式控制即在各能源單元設置本地局部控制器［２８］，子單元間無通信連接，實時性和靈活性較好。但該策略難以實現整體協同，無法做到無差調節，不適用于大規模網架體系。相較而言，分布式協同控制不需要設置中央控制器，通過局部智能體之間的交互協同來實現整體的共同控制目標［２９］。該種策略可以有效減緩網絡通信壓力，提高系統穩定性，是實現新型電力系統源－網－荷－儲協同互動的重要技術手段，其控制網絡如圖３所示。

分布式協同控制通過協調管理系統內的分布式能源資源，如太陽能光伏、風力渦輪機、儲能系統、可控負荷等來實現系統內的動態供需平衡，并能夠實現分布式能源終端的即插即用功能。其基本原理是參與調節的各個能源主體通過與其鄰居能源主體之間進行通信連接，根據多主體間所設定的狀態更新規則，多主體自行更新自身的狀態信息［３０］，其中最基本規則為一致性算法［３１］，通常表達為

ｚｉ（ｔ）＝ｋΣａｉｊ（ｔ）［ｘｊ（ｔ）－ｘｉ（ｔ）］ （ｉ，ｊ∈Ｉ） （１）

式中：ｚｉ（ｔ）為各能源主體節點更新規則；ｘｉ（ｔ）為能源主體被控狀態；ｋ為控制增益；ａｉｊ（ｔ）為多能源主體間的鏈接權重；Ｉ為參與能源調節的能源主體集合。

通過與先進的自動化控制策略相結合，分布式協同控制策略能夠實現多種功能，如能源主體間的非連續通信、有限時間收斂、固定時間收斂等［２７］。在可再生能源高滲透率的背景下，分布式協同控制的方式更能滿足能源系統的需求。

３.２ 分布式優化

源網荷儲協同規劃還通過分布式優化的方法進行能量管理和經濟調度，其以多智能體一致性理論為核心。通過智能體系統鄰居節點間的通信和計算，以交替迭代算法實現多目標協調優化。本文以多個負荷聚合商協同優化調度［３２］問題為例，闡述分布式優化過程。

對于單個負荷聚合商，其成本函數表示為

Ｗ＝Ｗｐｏ＋ＷＬＡ ＋ＷＤＲ ＋Ｗｏｍ （２）

式中：Ｗｐｏ為向能源企業購售電成本；ＷＬＡ為向其他負荷聚合商購售電成本；ＷＤＲ為需求響應補償成本；Ｗｏｍ為設備運行成本。

對于多個負荷聚合商，協同優化的目標函數為各負荷聚合商運行成本之和最小［３０］，由于負荷聚合商間電量交易成本可互相抵消，目標函數可表示為

ｆ＝ｍｉｎΣＮｎ＝１（Ｗｐｏ，ｎ＋ＷＤＲ，ｎ＋Ｗｏｍ，ｎ） （３）

在實際求解過程中，由于集中式優化模型需要大量的信息交互，可基于拉格朗日對偶松弛原理對問題進行分解協調［３３］。利用各負荷聚合商間交易電量平衡進行約束，即

式中，ＰＬＡ，ｂ，ｎ、ＰＬＡ，ｓ，ｎ分別為向其他負荷聚合商購電功率、售電功率。

可進一步將目標函數改寫構成拉格朗日函數，將問題轉換為拉格朗日對偶優化的主子問題，此時，負荷聚合商不需要交換優化調度信息。通過更新拉格朗日乘子即可實現協同尋優，使得多負荷聚合商運行成本之和最小。

４ 能源市場開放共享

隨著經濟發展和市場結構的放開，新能源深入滲透到電力系統各個環節。這也驅使電網公司由傳統的電力生產者向能源服務者轉型，其業態和市場由傳統集中管控轉向開放共享，以能源和系統安全為基礎，開放、包容及主動的市場特性日益顯著。

４.１ 市場機制

新型電力系統概念的提出進一步推動了電力市場的轉型。為實現現有的體系、機制及規則等革新，亟須建設成更加開放、靈活的市場形態。本文借鑒互聯網企業商品營銷的模式［３４］，根據用戶對能源需求時間、價格及穩定性等關鍵因素，試圖構建適用于電力中長期交易和現貨交易的市場機制。

針對中長期交易，可參照“某寶”的Ｃ２Ｃ營銷模式，建立全國區域內電力交易，服務于具備能源需求量大、負荷可預測性強、用能需求不急切、有儲能設備的用戶群體；針對現貨交易中的日前交易，可參照“某東”的Ｂ２Ｃ營銷模式，同樣建立全國范圍內電力交易，不同的是能源企業需要分散式自建儲能設施，提前購入各能源供應商電能，服務于用電能需求急切、追求能源供應穩定的用戶群體；針對現貨交易中實時交易，可參照“某團”的Ｏ２Ｏ營銷模式，整合局部區域優質能源供應商的售賣信息，服務于臨時性用電、需求十分急迫的用戶群體。

在實際市場交易中，參與建設的利益主體可以分為分布式電源供應商、配電公司、負荷聚合商及儲能運營商等單元。利益主體彼此之間存在利益沖突且行為決策互相影響，形成多方博弈態勢［３５］。因此，各參與主體可以基于博弈論方法解決利益分配問題，實現電力市場的全局均衡、提高整體規劃水平。多主體間博弈關系如圖４所示。

博弈過程可以用不完全信息下的靜態貝葉斯博弈［３６］表示：ｎ個不同電力主體類型空間為θ１，θ２，…，θｎ，條件概率為ｐ１，ｐ２，…，ｐｎ，電力主體ｉ的類型依存空間ａｉ（θｉ）∈Ａｉ（θｉ），類型依存效用函數ｕｉ（ａ１，ａ２，…，ａｎ；θｉ），各電力主體同時行動，選擇ａｉ（θｉ）最大化自己的期望效用，即

當各主體不能單方面改變均衡解的策略來提高收益時，即為最優決策方案，此時博弈達到平衡，各決策變量為博弈的均衡解。

４.２ 能源主體開放特征

隨著電力市場改革深化，分布式電源、新型負荷、新型儲能等能源主體開放多元參與到市場環節中，同時自身特性向著彈性靈活轉變，并承擔著系統穩定、供需平衡等重要調節作用。

１）發電側。分布式電源的大規模接入改變了新型電力系統發電側的供給結構［１６］，為更加開放的市場模式提供了可能。所產生電量可以不再單一地由電網公司進行全額收購。分布式能源生產者可以選擇“自發自用、余電上網”的經營模式，即風電、光伏發電單位在滿足企業或電力用戶自身電力需求的前提下，如有能量剩余，可自主進行余量售出。同時，余電上網也不只有保障性收購這種傳統的模式，“隔墻售電”有可能是未來分布式交易的重要選項，可以使電力用戶參與到發電側的生產、交易和決策過程中，更加凸顯開放性特征。

２）用能側。用能側負荷由剛性、消費型逐漸向柔性、產銷型轉變，體現出重要的系統平衡調控能力，即可以通過改變用電行為參與需求響應，以平抑可再生能源波動性和間歇性，實現削峰填谷［３７］。參與需求響應的柔性負荷主要可以分為３類［３７］：①按能量互動方式分為雙向能量交換型負荷和單向能量交換型負荷；②按調度響應方式分為可轉移負荷、可平移負荷和可削減負荷；③按用戶及設備類型分為工業負荷、商業負荷和居民負荷。隨著負荷彈性水平提高，合理引導用戶參與需求響應，將有效支撐電網調峰、調頻等輔助服務需求，促進供需平衡，增強電力系統穩定性。

３）儲能側。儲能是應對新能源發電、電網優化、隨機負荷不確定性的關鍵環節，在電力系統調峰、調頻、改善電能質量及提高系統穩定性等方面具有不可替代的重要作用。按照能量存儲的方式，通常可以分為機械儲能、電磁儲能、熱儲能、化學儲能及電化學儲能等類別［３８］，主要技術分類如表１所示。

由于儲能設施普遍具有投資成本高、利用率低的特點，限制了很多市場主體的使用意愿。共享儲能是有效解決上述問題的一種商業模式［３９］，即允許多個市場主體租賃使用儲能設施，提高了設備利用率，并且租賃方無需承擔設施建設和維護的成本。未來，規?；瘧脙δ芗夹g將是新型電力系統經濟、穩定運行的重要趨勢，并在能源變革中發揮重要作用。

４.３ 信息開放安全

能源市場開放共享需要信息安全作為前提保障。隨著系統中傳感器數量、通信規模、計算決策單元及業務場景的不斷增多，信息安全性面臨的挑戰也愈加嚴峻［４０］。網絡攻擊雖然不能直接對電力設備造成破壞，但可以通過削弱或者破壞信息系統的正常功能，影響物理系統設備的運行與控制，達到類似物理攻擊的效果［４１］。外部網絡攻擊包括信息攻擊與通信攻擊，前者是針對傳輸數據竊取和篡改來傳遞虛假信息；后者則是通過中斷通信鏈路和通道進而影響信息傳輸。

欺騙攻擊是信息攻擊的典型代表，包括虛假數據注入（ＦＤＩ）攻擊和重放攻擊。ＦＤＩ攻擊通過注入虛假數據影響系統運行和決策，進而造成經濟損失［４２］，其信息交換模型為

～ｘｉｊ（ｔ）＝ｘｉｊ（ｔ）＋δｉｊ（ｔ） （６）

式中：ｘｉｊ（ｔ）為ｔ時刻節點ｉ向節點ｊ傳輸的原始數據；δｉｊ（ｔ）為注入的虛假數據；珓ｘｉｊ（ｔ）為攻擊后的數據。

重放攻擊通過惡意攔截并重新發送信息的方式達到欺騙系統的目的，其信息交換模型［２２］為

～ｙｉ（ｔ）＝ａ（ｔ）ｙｉ（ｔ－ｋ）＋［１－ａ（ｔ）］ｙｉ（ｔ） （７）

式中，珓ｙｉ（ｔ）為ｔ時刻節點ｉ受到攻擊后向外傳輸的數據。當ａ（ｔ）＝１時代表發生重放攻擊，此時傳輸數據為ｔ－ｋ時刻通信數據ｙｉ（ｔ－ｋ）。

Ｄｏｓ攻擊是通信攻擊中最主要的類型，其通過向節點發送大量無效信息實現通信鏈路中斷的效果。遭受攻擊后通信網絡拓撲結構將發生改變。

針對以上系統外部網絡攻擊，可以在攻擊發生的不同進程采取預防、檢測和抑制手段，如攻擊前進行通信認證、數據加密等預防措施；攻擊中基于統計學和人工智能等多種方法檢測，以及使用攻擊向量移除、設計補償器等方式抑制網絡攻擊影響。

５ 高比例新能源安全消納

在“雙碳”目標建設背景和新型能源體系轉型推動下，新型電力系統大規模可再生能源裝機并網，消納需求日益提升。同時其出力隨機性、波動性、間歇性及反調峰的特性，以及高比例電力電子設備化特征給新型電力系統的安全穩定運行帶來了嚴峻的挑戰。

５.１ 新能源消納方式與入網特性

隨著我國新能源總裝機容量的不斷擴大，新能源發電的方式呈現出集中式大規模新能源企業發電與分布式小規模用戶側發電相結合的特點。可再生能源的發電地位從傳統的能量補償向能量主體進行轉變，其消納方式主要分為大規模集中消納和分布式靈活消納。

１）大規模集中消納。我國能源與負荷呈逆向分布［３］，國家先后提出“西電東送”“東數西算”等國家戰略要求，優化電力資源配置和能源結構?！拔麟姈|送”工程是將能源中心與負荷中心互聯互通，在新能源大規模開發和消納的需求下，“三北”地區新能源基地、深遠海上風電等電能傳輸需求日益提高，通過交直流混聯電網進行長距離、大容量電力輸送，是集中消納的主要手段。而“東數西算”工程是構建數據中心、云計算、大數據一體化的算力體系，將東部算力引導到西部，而算力與能源關聯緊密，算力越高對能源的需求就越大，與“西電東送”工程相輔相成。建成全國一體化能源網絡、算力網絡，實現能源和數據的按需調度是實現高比例可再生能源消納的關鍵［４３］。

２）分布式靈活消納。隨著分布式電源、儲能、柔性負荷等分布式能源多元持續增長，新能源就地靈活消納的需求日益提升。傳統配電網由供方主導、單向輻射狀供電模式向智能化、主動式配電網轉變［４４］。微電網和虛擬電廠等分布式能源管理技術的快速發展，也進一步促進了電力供需互動，從而增強了分布式能源的靈活消納能力。目前，我國已在多個地區實施需求響應試點項目，在保障電網供需平衡、減少經濟投資成本、提高新能源消納能力等方面取得了良好的效果。

在新能源入網特性方面，關于并網消納傳統研究將電網看成了一個具有“無限”包容能力的大系統［４］，顯然這種假設對于高比例的可再生能源消納是不合理的。新能源的高比例入網給電力系統的運行特性帶來了較為顯著的變化。隨著新能源消納能力以及消納需求不斷提升，電力系統逐步向“高比例可再生能源”和“高比例電力電子設備”的“雙高”方向發展。

５.２ 新能源安全消納關鍵問題

新型電力系統的“雙高”特性為其穩定運行帶來了巨大的挑戰。在此背景下，電力系統的不確定性、時變性、非線性及復雜性增強，對電力系統的安全穩定運行有很大的影響。主要體現在高比例新能源不確定性問題和高比例電力電子低慣性及弱阻尼問題。

５.２.１ 高比例新能源不確定性問題

大規模的可再生能源并網，導致發電側的隨機性顯著增加，容易使“源－荷”間呈現出更極端的隨機性與不確定性以及電網發展的不協調性。用戶用電需求較低時高比例分布式發電無法完全被電網吸收，造成了“棄電”“窩電”等現象。而在用戶用電高峰時，由于風能、太陽能可調度性很差，系統可能會出現功率缺額。因此，新能源出力及負荷精準預測技術是解決高比例新能源不確定性問題的重要方法［４５］。

高比例新能源接入預測研究一般從時間尺度和技術方法２個維度分析。按照預測的時間尺度大小，可以分為超短期、短期、中期以及長期預測，不同時間尺度的預測在控制運行、優化調度和系統規劃等方面也不相同［１６］。按照預測使用的技術方法，可以分為經典預測方法和智能預測方法２種［２０］。經典預測方法是通過數學模型描述或擬合的精確算法，包括時間序列分析法、趨勢分析法和統計分析法等；而智能預測方法是應用機器學習處理預測中的非線性問題，包括支持向量機、模糊邏輯以及神經網絡等方法。提高預測精度可以有效解決新能源及柔性負荷帶來的源－荷不確定性問題，進而對產能變化進行調整和補償，以保障新型電力系統的穩定運行［４５］。

５.２.２ 高比例電力電子低慣性及弱阻尼問題

絕大多數可再生能源通過電力電子接口并網，且配網側儲能裝置、軌道交通、電動汽車及變頻／調頻等負荷也是通過電力電子變換器接入配電網。這使得電力系統各部分電力電子化程度不斷加深，導致系統產生低慣性和弱阻尼兩方面問題。

１）低慣性問題。傳統同步發電機等大量旋轉設備所蘊含的動能可以作為系統沖擊擾動的有效平抑手段，而可再生能源通過電力電子變換器以靜止的形式接入電網，導致系統轉動慣量的缺失。在承受大擾動沖擊的時候容易產生較大的能量不匹配，從而造成頻率、功率響應速度過快，嚴重威脅電力系統的穩定。目前解決系統低慣性問題的技術方案可以分為基于旋轉設備的轉動慣量支撐和基于靜止設備的虛擬慣量支撐２種。其中，基于旋轉設備的轉動慣量支撐包括同步調相機、抽水儲能以及空氣壓縮儲能等技術；基于靜止設備的虛擬慣量支撐包括虛擬同步機、綜合慣量控制和快速頻率控制等技術。

２）弱阻尼問題。新型電力系統中大量電力電子設備及控制設備可以等效為負阻抗，進而致使系統阻尼變弱，對振蕩及波動能量吸收不足，導致系統失穩［４５］。一方面體現在鎖相環跟蹤電壓相位時引入負阻抗，另一方面體現在新能源并網過程產生等效負阻抗。目前系統弱阻尼優化問題可以從設備層、場站層和系統層進行研究，其中，設備層阻尼優化包括控制器優化和附加阻尼優化，ＷＡＮＧ等［４６］在一級控制中使用比例諧振控制器，增大諧波頻率處阻抗幅值來降低負阻尼現象。場站層阻尼優化包括運行方式優化和多機阻尼優化，胡鵬等［４７］指出靜止無功發生器的固定無功功率輸出模式能增大系統阻尼，增強系統穩定性。系統層阻尼優化包括網側阻尼優化和系統優化配置，陳鵬偉等［４８］提出一種阻抗靈敏度指標，通過衡量系統中關鍵參數的敏感度來進行優化設計，進而改善系統阻尼特性。

６ 結束語

以新能源為主體的新型電力系統是新型能源體系建設的核心方向與關鍵支撐。從智能電網概念提出發展至今，歷經了綜合能源系統、電力物聯網、能源互聯網等系列發展理念，電力與能源系統的發展主要呈現出融合、互動、開放、消納等特征。新型電力系統著力于與多能源系統深度耦合以實現能源的安全與梯級利用，與信息技術深度耦合以實現系統智慧化決策與運行，與社會系統深度耦合以實現能源均衡與公平。能源體系愈加開放、包容、主動發展，進而實現高比例新能源的安全消納。

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（ＭＡＮＮ，ＸＩＥＸＲ，ＨＥＪＢ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｗｉｄｅｂａｎｄｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｈｉｇｈｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０２０，４０（１５）：４７２０－４７３２．）

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（ＨＵＰ，ＡＩＸ，ＸＩＡＯＳＷ，ｅｔａｌ．Ｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｓｔａｔｉｃｖａｒｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｎｓｕｂｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０２０，３５（１７）：３７０３－３７１３．）

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（ＣＨＥＮＰＷ，ＪＩＡＮＧＷ Ｗ，ＲＵＡＮＸＢ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｅｄａｎｃｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｏｉｎｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｂａｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆａｃｔｉｖｅｄａｍｐｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０２１，４１（１９）：６６１６－６６３０．）

（責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英）

特邀專家 孫秋野，沈陽工業大學副校長、教授、博士生導師，入選國家高層次人才計劃，教育部課程思政教學名師，ＩＥＴＦｅｌｌｏｗ，國務院政府特殊津貼專家。主要研究方向為能源互聯網的建模與優化運行、新能源并網控制、分布式多能源綜合互補優化、機器學習及其在能源系統中的應用等。發表ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ系列期刊論文６５篇，ＳＣＩ引用近４０００次，１１篇ＥＳＩ高被引論文。以通信作者分別獲得２０２１年ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ最佳論文獎（全球每年３篇）、２０２４年ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｎｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ最佳論文獎（全球每年１篇）等學術論文獎勵。以第三完成人獲得國家自然科學二等獎和國家科技進步二等獎，以第一完成人獲得中國自動化學會自然科學一等獎、中國自動化學會科技進步一等獎、中國自動化學會科普獎、中國人工智能學會吳文俊人工智能科學技術發明二等獎。擔任自動化學會能源互聯網專委會秘書長、ＣＣＤＣ組委會副主席等。兼任ＩＥＥＥＴＮＮＬＳ，ＩＥＴＣＰＳ：Ｔ＆Ａ，Ｉｎｔ．Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒ．Ｅｎｅｒｇ．Ｓｙｓｔ．，《自動化學報》《中國電機工程學報》《控制與決策》等國內外權威期刊編委。主持國家變革性技術課題、國家自然科學基金重點項目、軍科委后勤保障部重點課題、國家電網公司重點攻關項目等多項研究課題。

基金項目：國家自然科學基金項目（６２０７３０６５，Ｕ２０Ａ２０１９０）；國家重點研發計劃項目（２０１８ＹＦＡ０７０２２００）。