文_中國工程院院士 郭劍波

21世紀的能源安全將是以電力為主的全面能源安全，電力系統將是這一變革的中心環節。

20世紀出現的大規模電力系統是人類工程科學史上最重要的成就之一，讓人類生產和生活方式產生了顛覆性的改變。進入21世紀以來，化石能源逐漸面臨枯竭，全球氣候變化與環境污染問題愈發嚴峻，已成為未來人類面臨的最嚴峻挑戰之一。世界主要國家也紛紛將能源安全納入國家戰略，加快推動能源轉型。

能源清潔低碳轉型將帶來能源生產和能源利用的再一次變革，對人類生產和生活產生深遠的影響。20世紀的全球能源安全框架是以石油為基礎的，而21世紀的能源安全則將是以電力為主的全面能源安全，電力系統將是這一變革的中心環節。

能源安全關系國家安全。我國能源供給和消費的結構性矛盾突出，必須加快推進能源生產和消費革命，增強我國能源自主保障能力。在生產側，降低煤炭和石油占比，提高可再生能源比例（主要轉化為電能利用）；在消費側，提高電能在終端能源中的比重，在交通、建筑、工業等領域加快電能替代。據預測，我國電力占終端能源消費比重將從目前的26%提高至2050年的45%~50%。要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。

認識新型電力系統革命性變化

由于新能源利用小時數低，高比例新能源電量場景需要數倍于負荷的新能源裝機容量。豐饒的市場形態也必將催生新的交易機制、商業模式，帶來物質鏈、信息鏈和價值鏈重塑。這將對電力系統的規劃設計、生產管理、運行控制帶來一系列革命性變化，需要從多方面開展探索和研究。

機理認知。由于新能源的強不確定性和低保障性，要重新審視系統安全的定義和理論，保障電力系統供給安全（總量、結構、分區）、運行安全、生命線安全（極端條件下的安全）。高比例新能源電力系統中多狀態變量耦合、多時間尺度交織、非線性特征明顯、動態特性復雜多變，需要加大對穩定基礎理論的研究。

系統構建。新能源高占比的電力系統，新能源需實現從“并網”到“組網”的角色轉變。新能源發電機組要實現頻率、電壓、慣量等主動支撐，對新能源設備、運行、控制的標準體系以及新型電力系統的構建技術條件提出了新要求，是未來需重點解決的問題。

電網規劃。規劃方面，亟需強化國家層面的規劃及強制性作用。確定性規劃要向概率性規劃轉型，難點是統計數據和標準。規劃階段必須加入市場規則，讓輔助服務能力提供者和生產電量者都獲利。亟需研究適應能源轉型的法律法規以及相應的技術規范，面向系統的普遍技術要求需與接入系統所有利益主體的普遍強制性要求相匹配，如電源布局、負荷耐受水平等，用戶的特殊要求應采用特殊電價。

穩定控制。運行控制方面，按預案運行和防御需要向基于狀態感知、趨勢分析的自適應和分區層次化主動防御轉型。為克服含高比例新能源的新型電力系統設備數量多、分布廣、可控性差、不確定性等難題，需要清晰的電網結構、創新安全穩定控制方法和理論，同時應用“大云物移智鏈”等新技術，加強源網荷儲特性的動態匹配和協同及預防性控制。

高比例新能源電力系統的供需匹配需考慮供需雙側的不確定性。高比例新能源下供需雙側不確定性具有決策依賴性。在新能源發電功率預測技術研究的基礎上，還需研究考慮決策依賴的新能源發電不確定性評估方法，支撐高比例新能源電力系統安全運行。

標準規范。為解決調節能力不足的問題，需要通過對源、網、荷側進行改造提升和協調優化，增加系統內的靈活調節資源、發揮互聯電網對新能源出力的尺度平滑作用，促進新能源發電的高效消納。為實現源網荷協調，除了需要克服技術難題，還需要完善標準規范、政策機制。

電力市場與政策機制。新能源發電的不確定性、低邊際成本特性，使得新能源高占比場景中，電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出。豐饒的市場形態將催生商業模式，以及物質鏈、信息鏈和價值鏈重塑。市場和政策機制設計需要考慮新能源與常規電源以及用戶的配合機制，協調市場內多利益主體，實現價值提升和價值創造。

高比例新能源的接入，增加了電力系統對備用、調頻、無功等輔助服務的需求，應考慮建設容量市場，鼓勵常規電源承擔輔助服務，補償其利用小時降低的損失。此外，在市場設計中需要研究考慮新能源接入的輔助服務需求計算方法，合理界定新能源應該承擔的輔助服務義務，并在規劃設計階段加以考慮。

熱、冷、氣等能源深度耦合和工業、交通、建筑的深化電能替代，使新型電力系統呈現多利益主體關聯，多環節、多過程耦合，多能源共存的特征，需要構建以電網為樞紐的綜合能源系統，系統性應對和協調解決各種技術、機制問題，包括管理機制、技術需求、市場模式等多方面的挑戰。

跨學科融合與新技術應用。數字孿生和人工智能為高比例新能源系統的認知和控制提供了新的手段。利用數字孿生構建與物理能源電力系統實時聯動的數字運行體系，利用數字系統提升對物理系統的認知、診斷、預測、決策和管理水平。人工智能可應用于能源電力多個領域，應對復雜性和不確定性，提升系統的智能化水平。

系統動態平衡將更多引入基于信息交互的協同平衡機制。電力系統的網絡化和信息化使信息系統和物理系統進一步融合，開放性與多元化使其與人類社會活動和外部環境交織耦合，呈現信息物理社會系統（CPSS）特性。除了通過監測感知系統環境及變量變化，感知信息物理系統的安全風險和運行態勢，還需關注社會經濟、人類行為等對系統帶來的影響。

高比例新能源系統的運行控制高度依賴低延時、高可靠的信息通信網絡，但其網絡終端多、網絡結構復雜、業務開放廣泛、信息內容多樣、網絡暴露面廣，對系統網絡安全防御帶來極大技術挑戰。網絡戰已經成為未來國家之間戰略威懾和戰爭沖突的重要表現形式之一。電力系統作為國家關鍵基礎設施，其網絡安全關系能源電力安全，乃至社會穩定和國家安全。

隨著新能源發電的技術進步，成本將進一步降低，可以預期新能源必將迎來持續較長時間的高速發展期，將從局部地區開始，逐漸形成一個新能源電力和電量高占比的電力系統。該系統不確定性增大、非線性和復雜性增加、動態過程加快、多時間尺度耦合、可控性變差，新能源消納和電力系統安全的矛盾突出。新能源將成為能源轉型的中堅力量，就需要承擔相應的責任和義務，推動構建新型電力系統。

創新驅動建設智慧能源系統

新能源發電具有強波動性和不確定性、低能量密度、低利用小時數、低抗擾性、弱支撐性、控制響應快和可塑性強、低成本等特點，與常規能源發電有顯著不同。

新型電力系統將實現新能源高占比電力和電量場景，電力系統電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出，需要通過體制機制創新，形成新的商業模式、新業態。新能源發電特性與常規電源的差異，將引起系統特性和有功、無功平衡機制發生巨大變化，需要通過創新技術標準體系，構建高比例新能源電力系統。新能源出力大幅波動將給電力系統運行控制帶來巨大挑戰，需創新應用“大云物移智鏈”等技術，實現新能源高效消納和電力系統安全運行。為消納高占比、強不確定性新能源，需要通過拓展電力利用、多能互補和能源綜合利用，構建呈現能源互聯網特征的新型電力系統。

以新能源為主體的新型電力系統是一個復雜的、巨型信息物理社會系統（CPSS），也是一個智慧能源系統，面臨的問題和挑戰更加廣義、更加復雜。

科技創新是構建新型電力系統、應對高占比新能源電力系統挑戰、破解能源轉型發展難題的重要途徑。我們要通過加大科研投入、基礎前瞻性研究、學科交叉與合作、基礎設施和人才隊伍建設等舉措，實現體制機制、標準規范、規劃設計、建設運行以及商業模式等方面的創新，支撐我國能源安全和能源轉型。

（中國電力科學研究院有限公司郭劍波院士研究團隊對此文亦有貢獻）