薛禹胜：大能源观下的电力系统控制与保护

（作者系中国工程院院士、国网电力科学研究院名誉院长）

环境安全是生命延续的基本保障，能源是社会发展的重要物质基础。经济可靠的电力支撑了能源安全及环境安全，更是对现代文明的重要支持。

电网是电力传输及电力市场的物理平台，其稳定性的分析与控制一直被高度关注，但充裕性的分析与控制则长期被忽视。

南瑞公司在25年前创立的稳定性定量分析理论，至今仍在国际上独一无二。以此为核心技术，开发了广域监测分析保护控制系统WARMAP。WARMAP的防御范围覆盖了中国4/5的电网，已日常运行在：国调、南网总调、华东、华北、西北、江苏、四川、河南、广东、陕西、山西、安徽、云南、湖南、福建、新疆、上海、江西、浙江、贵州、宁夏、辽宁、吉林、内蒙、西藏、广西、云南、海南等28 个省级以上的调度中心。

中国在电力安全预警防御技术上引领世界，但是，至少在下述方面不能满足需求：问题之一，充裕性问题被粗犷处理为固定比率的备用容量；问题之二，即使对稳定性的研究也是在给定边界条件下，故不能真实反映上下游环节的变化对电网的影响；问题之三，缺乏对外部环节的自适应能力。

能源分为三个层次：一次能源；二次能源；终端能源。电力流是一次能源与终端能源之间的绿色通道，但电力流毕竟只是能源流的一部分，即使在二次能源中也还有其它形式。因此，电网仅是能源网中的一部分。

1、综合能源网上游的变化对电力流的影响如下

1）系统的安全稳定性遇到新的挑战：可再生能源都难以直接输送及使用，需要通过电力转换；强间歇性及强随机性增加了不可预测性及不可控性；电网规模扩大化及结构复杂化使风险加大；潮流的不确定性大，难以预测，负荷峰谷差增大。

2）备用容量的矛盾日益突出：调频容量、旋转备用、热备用、冷备用；降低运行经济性，甚至影响可再生能源发电的初衷；为满足上海183h/年的峰荷，所增输配电能力的年均利用率不到2%，因此适当容量的储能调峰效果更好；协调预测技术、需求侧管理、可中断及可调节负荷的作用。

3）需要强大的输电网及灵活的智能配电网。

2、《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》

国家能源局于2015年4月发布该报告，指出2050年中国终端能源消费量约为32亿吨标准煤，届时发电用的一次能源中化石能源只占9 %。其中：一次能源中的化石类能源仅占34%；终端能源中的电力占62%，比2010年高36个百分点；终端能源中直接消费的化石能源为9亿吨标准煤。

虽然我觉得上述预测有些超前，但不失为参考路径。

3、综合能源网下游的变化对电力流的影响如下

1）终端能源消费模式的改革。2）电能替代，用电量继续增加。3）用户高度参与：分布式发电，用户兼具发电和耗电双重身份；不确定性增加；也带来很大的负荷弹性。4）配网电力流成为方向不确定的双向流动。

4、能源的两个替代是能源安全及环境安全的必要条件，如下

1）一次能源中的清洁替代：2013年全球约77.9%的电力来自化石类能源；化石类能源日趋枯竭，环境压力日益加剧，清洁发电任重道远。

2）终端能源中的电能替代：燃料及动力类的终端需求都可以用电能替代；电能在终端能源的占比增加1个点，能源强度将降3.7个点；中国将从2009年的18.5% 增长到2020年的28.0%及2030年的32.0%。

3）非化石类能源成为终端能源的主要方式是发电：电能是联系一次能源及终端能源的高效、灵活而绿色的纽带。

5、大能源观下的备用调度

1）调频、旋转、热、冷备用的协调优化。2）大力发展各种储能技术及其综合应用，包括煤矿多层地下水库群的抽水蓄能。3）充分发挥煤电机组的运行弹性：支撑循环开停机；供热机组及非供热机组的快速深度调峰；与可中断负荷协调调度，以总风险最小为优化目标。4）必须仅靠一次能源-发-输-配-储-用电的时空协调：提高风电预报精度；完善风机并网技术标准；在更大范围内互联，特高压输电，智能配电网；科学地对待弃风弃光问题。

6、智能电网的框架并不能完整地反映能源革命赋予电力系统的使命

1）智能电网内涵需要深化：可再生能源在电能生产中绝对占优；分布式发电及分布式储能系统遍地皆是；电动汽车充电负荷在电力负荷中占优时。

2）智能电网功能需要外延：更好发挥电能作为核心二次能源的作用；承担一次能源与终端电源之间大范围协调优化的桥梁作用；在确保电力可靠性的同时支撑大能源安全及环境安全。

3）需要更全面地概括能源革命及电力系统在其中的使命：与自然环境、社会发展、经济系统、一次能源、用电模式、基础建设、信息系统、科技、人才、博弈竞争、监管的交互。

7、研究智能电网如何在能源流中承上启下，兼顾左右

1）中国的RE将从一次能源的13% 增到2050年的66 %。2）RE在发电用的一次能源中最终将高于90%。3）电力必须适应并支撑大能源的变革。4）一次能源的清洁替代：化石类能源的清洁燃烧；非化石能源发电的大规模入网。5）终端能源的电能替代：大规模电动汽车与电网的互动。6）能源流与自然界生态自愈能力的交互影响。7）能源经济的安全稳定性。8）新术语存在合理性，但其内涵必须不同于智能电网。

8、各国关注着能源领域的顶层设计

1）美能源部2001年要求综合规划电力和天然气系统：高效、低投资、可靠灵活的集成能源系统。2）欧洲强调可再生能源（RES）的综合开发及利用：传统能源和RES的互补及优化；大规模RES与电网的协调；交通运输的清洁化；集中式与分布式能源系统的协调。3）日本2010年提出电力、燃气、氢能、交通、供水和信息系统的集成。

9、大能源观

1）国网公司领导提出大能源观。2）可持续发展有赖于密切交互的能源、经济和环境安全。3）注重以电力为主的全方位的能源安全。4）电力可靠性与一次能源与终端能源的革命密切相关。5）智能电网清晰阐明了信息流与电力流深度融合的理念。6）进一步的拓展应从电力系统延伸到相关的外部环节：研究各种非电力环节对电力可靠性及经济性的影响；避免电力系统及电力市场发展中不必要的弯路；避免突发的极端事件引起长时间内难以恢复的大面积停电；也应研究电力如何更好地推动大能源及环境安全。7）需要从大能源观点研究电力流的上、下游。

10、大能源观需要信息技术与物理系统的深度融合

1）综合能源网是由物理系统（电网、气网、热力网、交通网）与信息网络构成的信息物理融合系统。2）大能源框架中的信息采集范围大大超出智能电网。3）建模与分析涉及大量一次能源、市场、环境环节。4）决策与控制必须提高自适应能力，专用网的可靠性及实时性。5）决策支持必须面对多领域的风险管理及大量博弈行为。6）对社会开放的售电业务、新能源业务紧密融合互联网。

11、信息事件影响电力可靠性，需要专用网，但目前忽视了信息系统不可靠的影响

1）当前在线预警及决策中隐含的假设：所需信息都能及时采集到，并精确地反映系统状态；发生的事件都在预案范围之内；决策支持系统运作正确；运行人员头脑清醒；命令能及时下达，正确执行。

2）不了解信息系统可靠性与电力系统可靠性之间的关系：2003年9月意大利大停电反映了电网与互联网间的复杂交互；综合能源网基于开放信息网络，黑客入侵途径大大增加；综合能源网覆盖不同的物理系统，漏洞增加，防护困难；缺乏联合仿真的手段。

3）缺乏信息系统安全防御系统的概念。

12、开放的网络经济需要互联网平台，因此Internet与专用网两者都不可或缺

1）整合能源链中的清洁替代与电能替代；2）清洁能源一体化解决方案；3）售电业务对社会资本开放；4）销售电力产品，经营绿色能源和碳资产；5）融资租赁业务为基础的金融业务；6）建设开放式平台，提高效益；7）Internet用于开放参与的场合，但信息安全及实时性较差；8）专用（通信）网用于对信息安全性或实时性要求高的场合，非开放式接入；9）Internet不能代替专用网，反之亦然。

13、大能源网vs智能电网

1）智能电网：电网本身就意味着互联及大范围优化电能，但未涉及与自然环境、一次能源、市场行为的交互。2）若新术语的内涵与智能电网相同，就无必要引入。3）研究的需求：从电能扩展到各种二次能源的综合；从二次能源扩展到其上下游，针对大能源；从物理系统扩展到环境系统及金融系统；从数学模型扩展到理性/非理性博弈。

14、信息网vs Internet

1）信息系统与物理系统的融合也要有相应的扩展。2）Internet是计算机按通信协议交互的一种技术：专用术语，如IP地址、路由器、通信协议等；可指定接受者，调度路径，可缓冲、存储或滞后传送。3）计算机通信除了通过Internet外，还有各种专用网。4）Internet不能覆盖全部的通信网。

15、信息能源系统vs Energy Internet

1）电力流服从的物理规律与信息流不同：电功率在任何时间断面上一定平衡；电力流服从Kirchhoff Law，不能缓冲或滞后；功率的不平衡只会发生在转子，而引起机电稳定性问题。

2）直购电（特定用户购买指定电厂的电能）仅能从市场结算的含义去理解，在物理层面上，不可能指定。

3）不宜用互联网的术语及规律来描述能源流：简单地将电网与信息网“一体化”只能引入困惑；不能反映一次能源之间，终端能源之间的互相转换；不能反映一次能源、二次能源及终端能源之间的关系。

4）需要拓展的概念是integrated（综合的），即使沿用“能源互联网”，也应读为信息能源网，不是energy Internet，而是comprehensiveenergy network 或integrated energy networks。

16、在大能源层次上研究充裕性和稳定性风险

自然环境、能源环境、经济环境、社会环境、人才环节、创新环境、基础设施、政策与监管的扰动都会影响供电可靠性。反之，电力系统的充裕性与稳定性也影响各外部环节。

应认真考虑极端灾害的风险，将停电防御范围相应扩大（研究其外部灾害的演化过程及其机理；监测点及预测尽量推前，支撑早期预警），从大能源观点研究电力流的上下游，如：电力与一次能源及终端电源的交互，如何适应大能源变革？能源转换及储能技术的影响；针对大规模可再生能源、分布发电、V2G及储能，要哪些外延？

利用风险观点协调安全与经济性，安全约束不再单独需要，量化分析是约束优化及控制优化的基础。

17、结语

1）综合能源网之类的新概念必须不同于智能电网，也区别于“Energy Internet”。

2）大能源观下，电力系统监控与分析的概念也需要延伸：电厂与电网，设备与系统，博弈与机理的交互影响；技术措施、经济领域与管理决策；能源、经济与环境的综合分析与控制；多领域、跨学科的系统工程。

3）自适应的多道防线是重要的发展趋势。

4）全面提升应对高风险极端事件的能力：勿以概率小而不设防，也勿因太自信而不思进；“XX年不遇”的准则并不科学。

（本文根据“2015第十届中国电工装备创新与发展论坛”会议PPT编辑而成）