背景和挑戰
(一)新型電力系統的時代背景
1.新型電力系統是國家能源安全的堅實保障
我國一次能源自給率穩定在80%左右，能效不斷提升，但與現代化建設要求和世界先進水平相比仍存在一些問題：一是能源結構不合理?；茉凑急冗^高，2020年煤炭消費占比仍達56.7%，石油、天然氣分別為19.1%和8.5%，非化石能源為15.7%。二是石油、天然氣自給能力不強。我國是油氣進口第一大國，2020年對外依存度分別攀升到73%和43%。三是能源資源與消費市場逆向分布。煤炭、油氣、水電等主要分布在華北、西北、西南，而能源消費主要集中在東南、華南，制約了能效提升。
因此，為切實保障我國能源安全，支撐雙碳目標按計劃實現，需要構建以新能源為主體的新型電力系統，新型電力系統應包括以下特征：供給側以可再生能源等非化石能源發電為主，發電量占70%以上；需求側電能替代比例不斷升高，電能占終端用能比例達到50%；電網側適應源荷隨機變化的智能調度與自治自愈技術得到充分發展；堅強大電網、主動配電網與新能源微網相結合，城市電網作為大電網的堅強支撐。
2.新型電力系統是國家雙碳目標的重要支撐
雙碳目標在能源領域的顯性方向是在源荷兩側，源側是大規模新能源的消納，包括集中式的“管道”模式，以及分布式的“海綿”模式；荷側則是能源消費端的電氣化替代。源荷兩側均需要從政策、市場和技術等多維度進行綜合考量。同時，實現源荷雙碳目標存在隱性前提，即“主網”的足夠堅強和“配網”的足夠彈性。
雙碳約束下的電網調度具有極大挑戰，既要保障含大規模新能源電網的安全穩定運行，亦需將碳排放約束進行目標分解，形成“功率平衡”、“安全穩定”、“經濟優化”以及“碳量曲線”多重約束下的新型電力系統調度機制。
(二)新型電力系統面臨的挑戰
1.以新能源為主體給電力系統帶來的挑戰
隨著新能源的高比例接入，其發電的波動性、間歇性與不確定性將對電力系統的安全穩定運行帶來極大挑戰。在該背景下，新型電力系統的電力平衡、電量平衡、調峰調壓調頻、參數精準辨識、態勢實時感知等關鍵技術需求將難以得到滿足。
同時，新能源設備的復雜物理特性將造成難以建立大規模新能源場站的精準模型，多階變量將產生維數災，難以模擬電力系統遭受擾動與故障后的暫態與動態特征。
2.高度電力電子化給電力系統帶來的挑戰
傳統的機電暫態模型將難以描述電力電子器件的微秒級特性，電磁暫態模型受制于系統規模增大、設備特性復雜與元件數量巨大等難題。因此需要構建精準描述電磁-機電耦合下的高度電力電子化電力系統的全時間尺度特性。
與此同時，電力電子器件的低抗擾性與瞬時開關特點將導致大電網系統慣量降低，難以進行系統級穩定控制與故障自愈，容易引起故障連鎖反應，對電網產生更強的沖擊性與安全風險。
3.碳達峰與碳中和給電力系統帶來的挑戰
基于雙碳目標的新型電力系統建設需要清晰的量化目標和過程管控。例如：單位GDP和CO2排放的核算基準和未來預期基數、森林的碳匯能力以及風電和太陽能發電的能力等均不明確，碳足跡在整個能源產生、傳輸、消費等過程的準確評估和追蹤尚缺乏理論和技術支撐。如何對新型電力系統建設進行清晰的量化和過程管控是目前面臨的挑戰之一。
碳約束對新型電力系統調控帶來沖擊，電網傳統調控模式將發生根本性變化。例如傳統火電運行方式、分布式儲能運行方式、負荷在電網調控中的參與方式等都將發生較大變化。如何在碳約束下對新型電力系統進行調控，在保障新型電力系統安全穩定的前提下，降低碳排放是目前新型電力系統面臨的挑戰之一。
在新型電力系統碳足跡追蹤上，目前電網有功源、無功源在不同運行工況下煤耗量、天然氣耗量不同，碳排放量難以定量計算。且現有技術手段難以對新型電力系統碳足跡進行在線追蹤，難以精準分析電源碳流在電網中的流動情況、分布情況、流動趨勢，以及碳排放量在各負荷中的分攤比例。如何對新型電力系統碳足跡進行有效追蹤，是目前新型電力系統面臨的挑戰之一。
新型電力系統運行控制的新技術
(一) 數據物理聯合驅動的新型電力系統建模
隨著交直流混聯電網規模的不斷擴大，以及新能源等電力電子化設備的大規模并網，現代電力系統呈現出以新能源為主體的新型電力系統發展態勢，其模型構建存在極大挑戰。
電力系統模型構建通常有物理方法與數據方法，前者基于詳細的機理分析，構建電網特征與待研究問題間的因果關系，可解釋性高，無歷史數據依賴，具有全局性，但難以平衡復雜問題下計算精度與速度間的矛盾；后者基于數據間的關聯分析，構建特征與研究問題間的關聯關系，計算效率高，可處理復雜問題，但可解釋性差，且受限于有限場景下的數據，具有局部性特點。因此，將物理方法與數據方法進行融合，可以實現兩者特點的互補，構建性能更佳的數據-物理融合模型，為分析新型電力系統提供基礎保障。
(二)考慮碳排約束的新型電力系統調度技術
新型電力系統環境下，調度將受到碳排放約束的極大影響，需要掌握電網中各類電源的碳流追蹤模型，分析電網碳流分布情況。分別從時空維度，研究新型電力系統中碳分布與電分布時空交互機理?？紤]碳排約束的新型電力系統調度技術包括電網調控設備協同、負荷用電行為低碳引導等技術，并需要研發碳約束條件下的新型電力系統調控輔助決策軟件系統，實現新型電力系統安全穩定經濟低碳運行。
(三) 碳足跡追蹤在新型電力系統調度的應用
在新型電力系統碳足跡追蹤技術中，需要構建電網電源不同運行工況下電網碳排放模型，實現對不同運行工況下電源碳排放的量化計算。研究新型電力系統電源和負荷的碳足跡追蹤技術，從電源側，可量化分析電源輸出功率在電網中的電能狀況以及相對應的碳流實時分布狀況，從負荷側，可量化溯源其所消耗功率在電網中的電能狀況以及相應的碳流實時分布狀況；剖析各種電網調控設備對碳足跡的影響，從而實現碳流分布的實時量化計算，為新型電力系統低碳調度提供技術支撐。
(四) 人工智能在電力系統調度運行中的應用
新型電力系統面臨的諸多挑戰促使電網調度系統正向開放式、一體化和集成化的綜合自動化方向發展。在海量數據資源與相匹配數據處理能力的支撐下，通過人工智能技術，可提升電力系統源網荷的模型精度，通過全自動信息集成、交換與共享流程，構建新型調度系統應用(調度全景可視化、自動調度機器人、電網運行告警智能診斷、智慧輔助決策等)。從而形成電力系統調度運行的自我進化機制，實現多層級融合知識經驗的智能化電網調度系統，為新型電力系統的調度運行提供強有力技術支撐。
城市電網主動支撐新型電力系統的思考
(一)樹立城市電網長時間尺度自保供電的新思維
以新能源為主體的新型電力系統將面臨諸多技術挑戰，有可能對傳統電網運行控制理論與技術造成極大沖擊，甚至影響到大電網的安全可靠性?，F有的大電網足夠堅強的調度理念有可能不適用于波動性和間歇性電源為主體電源的新型電力系統。
有必要超前研究城市電網面臨主網不可靠供電時如何保障自身供電可靠性的全新場景，樹立城市電網長時間尺度自保供電的新思維。通過大力建設城市電網中的分布式電源和儲能電站，充分挖掘城市電網中各種柔性負荷的響應能力，激發城市電網中不同調控手段的潛力，形成以天為單位的長時間尺度自保供電能力。
(二)探索城市電網主動支撐大電網運行的新途徑
新型電力系統的運行控制要進一步利用城市電網的彈性和韌性，在城市電網具備一定自保供電能力的基礎上，探索城市電網主動支撐大電網安全穩定運行的新途徑。
通過對城市電網功率平衡、穩定特性、運行模式、控制手段等方面的深入研究，城市電網將不僅僅被視為負荷節點，同時也將具有電源特性，從大電網角度而言，城市電網可視為同時具備“產銷者”雙重身份。不同城市電網之間相互協同，主動支撐以新能源為主體的新型電力系統的運行，為主網的安全穩定經濟低碳運行提供重要保障。
深圳供電局電力調度控制中心總經理助理 劉雪飛
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