能源轉型背景下亟須加強電網建設與研究

■ 貴州電網有限責任公司電力科學研究院 鄧 松 蔡永翔

據國家能源局統計數據，2021 年新增光伏發電并網裝機中，分布式光伏新增約2900 萬千瓦，約占全部新增光伏發電裝機總量的55%，歷史上首次突破50%。戶用光伏已經成為我國如期實現碳達峰、碳中和目標和落實鄉村振興戰略的重要力量。當前“千家萬戶沐光行動”和“整縣（區）屋頂分布式光伏開發”規范有序推進，許多融合“鄉村振興”理念的光伏新村應運而生，農光、林光、牧光、漁光等“光伏+”形式體現出電力和綠色生態產業逐步融合的新趨勢。

對于山區電網來說，既有極為豐富的屋頂和光照資源，又有支撐“鄉村振興”的重要使命，但面臨的難題極為顯著。

一是山區電網投資和設備利用率間難以平衡。農村山區現有網架和投資方式難以支撐源荷兩端即將發生的趨勢性變革。以貴州、云南和廣西等為典型的山區負荷具有“季節性+遷移性”特征。冬季采暖需求驅動下負荷高峰較為明顯，務工人員的大規模遷移，大量臺區全年用電峰谷差在8倍以上，但是峰值時間在全年占比很低，而谷值時間在全年占比卻很高。長時間尺度來看，電網設備輕載，但是一些負荷峰值時段，設備及線路重載、過載問題非常突出。疊加規模化農村屋頂光伏開發，光伏和負荷不匹配的特點進一步拉大了功率曲線的峰谷差，很多臺區光伏同期滲透率超過300%，個別光伏臺區超過500%，在光伏富余和用電高峰時都會導致設備及線路重過載，不僅加大年度峰谷差，日負荷特征也發生顯著的變化，設備長期利用率非常低，短期容量不足，對電網運行提出了嚴峻的挑戰。

二是山區電網供電品質與薄弱網架結構間難以平衡。山區電網低負荷密度特征下難以避免遠距離供電，光伏并網疊加如電動汽車、電動農用器具的出現，使得一些臺區過電壓和欠電壓并存，導致電器燒損和無法啟動的風險同時存在；此外，三相不平衡、電壓波動和諧波等問題直接影響了設備的運行環境、線路損耗、用電以及通信，現有網架結構難以適應鄉村振興持續性推進和海量分布式光伏的消納。

三是山區電網供電可靠性提升和資源受限難以平衡。大量農村區域結合“鄉村振興”推進形成諸如炒茶、烤煙、釀酒、智慧養殖和農產品加工等特色產業，并且通過“電能替代”來進一步穩定產品品質；此外，為了保證效益，大量的屋頂光伏也存在持續并網發電的需求，這都對電網可靠性提出了很高的要求。然而，按照傳統電力系統的發展模式，在多山、多林木、多災的區域提升電網的可靠性，每增加一個點，投資將成幾何倍數增加，在低負荷密度難以算清投資與收益間的平衡賬。

電網發展模式從大基地大網絡為主逐步向“主網+分布式”兼容互補轉變

在能源系統分散化、扁平化、去中心化的背景下，能源生產逐漸向集中式與分散式并重轉變，電網的發展模式由大基地大網絡為主逐步向“智能主網”和“分布式智能電網”兼容互補轉變，其中核心是發揮好電網的“橋梁”和“紐帶”作用。

多層次的結構是分布式智能電網的主要特征，新型的運行控制架構和方式是必然選擇。傳統電力系統，通過發輸變配用等系列環節構成平衡、穩定的閉環系統。由于新增屋頂光伏、儲能、充電樁等元素，在配電和用電側，電力產出和消耗形成微型的電能量生態，有的甚至可以形成閉環的獨立運行。分布式智能電網的本質是分布式電力系統，主要特征就是多層次:（1）網絡結構多層次，出于便捷并網和柔性可控的目的，直流網絡和交流網絡并存并加深融合，同時也有冷熱氫等其他能源形式加入構建以電為樞紐、具有耦合關系的微型能源互聯網。（2）設備多層次，配電和用電側從傳統的無源向具備“源網荷儲充”的有源網轉變，可控設備增多、利益主體有別，同時不同設備的波動特性、響應特性和動作特性都存在很大的差異。（3）參與者多層次，傳統電力系統中供電用戶接受來自電網提供的電能，隨著配用電側的分布式電源的加入，電能產銷者逐漸增加，在智能化與信息化技術的助推下，一些智能產銷者（包括農村的特色產業）也具備一定的能量管理和靈活調節能力，并且電壓等級逐漸下沉。

未來，由上而下的調度管控方式將會融合自下而上的分層集群聚合模式，在中低壓側形成結構清晰，局部堅韌、快速恢復智能體，對現有的主干網架形成有機的補充。在擾動發生時可做出自愈的響應，在緊急狀態下能分片實現自適應孤島運行，緩解主網架的投資和復電壓力，并在其后快速恢復全系統的正常運行。每一個分布式智能電網都是一個獨立的電力系統，具備靈活性、自洽性、適應性、智能性，采用互聯網的協議、即插即用和異構兼容等技術形成開放架構，支撐源荷儲充的規模化便捷并網，同時利用自身的柔性網架特征形成潮流的控制能力。最終，將被動消納的清潔電力和新型的用電需求轉變為電網的主動調節資源和潛力。

多層次智能配電網

數字化技術是實現分布式智能電網的重要依托。分布式智能電網的構建，還需要一套以數字為尺的綠色低碳價值體系，形成“數字-能量-碳排放”的立體價值標簽，引導清潔能源有序并網，形成能源低碳流，讓低碳節能與收益、效率形成強相關:（1）借助智能傳感、萬物互連和人工智能等技術，滿足分布式資源接入后的“可觀、可測、可控、可調”，同時強化電網對于能量流和碳流的感知能力，精準感知源、荷、儲、充的靈活潛力，充分挖掘由電網傳統調節能力以及柔性網架所構成調控裕度。（2）構建能源數據中心，基于人工智能、大數據等技術，推動電力網、信息網與海量數據的深度融合，實現分散資源的主動聚合和主動同步，同時通過邊云協同推動“智能主網”與“分布式智能電網”的協同發展。（3）通過數字技術擴展電網服務平臺和服務領域，建立電網和用戶能量管理系統互動機制，刺激并鼓勵大量的產銷者進入這一綠色低碳價值鏈，此外發揮好電網的平臺優勢，為整縣光伏開發商、綜合能源服務商等提供輔助服務（如光伏板覆塵、電網故障等）。

清潔電力向分布式和集中式并重發展轉變

在能源清潔低碳轉型過程中，電網起到能源轉換利用、優化配置和供需對接的平臺作用:（1）采取光照和風力發電具有清潔、高效、便捷的特點，已成為能源清潔開發利用的主要方式，也能充分利用好我國存量的網架優勢。（2）產業及消費升級帶來的智能化、精細化和清潔化需求，驅動了電力替代終端化石能源消費的趨勢。

清潔電力的發展已經從以傳統的集中式為主，向分布式與集中式并重發展轉變:一方面，受制于通道資源、土地資源和光照資源的限制，大規模的清潔能源基地新建及并網受環境制約，發電效益也存在一定的邊界遞減趨勢；另一方面，我國大量的屋頂和建筑資源還未充分利用，加之“綠色低碳”思維觀念逐漸深入人心，以屋頂光伏為代表的分布式電源存在廣闊的發展空間。