中国电科院曾平良：智能低碳电网规划与运行

2014年3月31日，《2014全球智能电网建设分布式能源及技术储备展览会暨高峰论坛》在国家会议中心举行，在下午主题为“中外智能电网大战规划与国际合作”的演讲环节，北极星电力网整理国家电网公司中国电科院中央“千人计划”入选专家曾平良博士关于“智能电网规划与运行”的演讲，全文如下。

曾平良：各位嘉宾，各位老师下午好，我准备的ppT是英文的，我用英文讲，不对的地方请大家包含。

我今天想给大家做一个介绍，是智能低碳电网的一个规划。

我的发言主要分为三个部分，首先介绍一下背景，然后介绍一下在电网规划中的挑战，之后再来给大家介绍一下对于低碳电网的智能规划工作。我是来自于中国电科院，我们是在中国国家电网的下属单位，我们的总部是在北京，我们现在有大概2600名员工。首先介绍一下电网规划的背景，大家知道电力系统可以分成两个部分。

比如说发电部分，输电端还有配电端，包括我们所说的用户端，也就是最终消费者的这一部分。首先在电网的规划方面，可以把它划分成为短期、中期和长期的规划，在短期的规划里面我们一般是指未来两到五年的规划。重点的主要是在项目的优化以及调整方面，另外是根据时间来进行调整。中期的规划主要是未来的5到15年，它的最主要的目的就是对于投资项目来进行筛选，以及对于这个项目以最优化的网络结构进行评估和调查。长期规划主要指的是15年以上的规划，长期规划的重点就是在电网的战略以及结构性的框架方面进行调查和投资。

下面，我来介绍一下规划的框架。通过这张图简单的来进行总结，首先它最主要的目的是来实现可靠性和它的经济性之间的平衡。同时还要满足整个电网的安全的需要，比如说规划只是做可靠性，你尽可能多的投资就可以了，经济性就代表着如果你来投资过多的话，投资来建立电网规划的话，你要看它的一个经济回报是多少，这样的话我们可能尽可能减少它的投资。最主要的一点就是在这两点之间来实现它的平衡，同时关键的一点就是来实现整个电力系统的安全供应和保障。

在实现平衡方面，听起来好像是比较容易的，但是我觉得会影响到整个电网规划当中的一些因素，包括很多层面，比如说像国家的一个电力的政策等等，这些都会影响。国家的能源政策都会影响我们的规划，气候变化会影响发电的组成部分，另外还有包括用电的需求，用电的需求也是需要和国家的GDp增长和国家的增长相关。另外，还有包括现有的基础设施和基础架构，以及包括像电力市场等等。同时在发电的部分，不仅要考虑到新发电量，还要考虑到现有的发电量，以及我们所说的整个规划的状况。除此之外，这个系统还包括了整个电力供应的安全性，还有它的稳定性，以及它的电网的编码，或者说我们在传输电能的过程当中需要满足它的环境和社会的要求以及运营的需要。

在传统的电网的规划的一些方法，实际上是非常纵向的，自上而下的，比如说看我们全国能源的政策包括附载的政策，同时做了一个电网的规划，规划出你需要多少电量来满足它的需求。同时在发电量当中不仅考虑它的数量还有地点等等，在这个过程中进入电网的规划阶段。根据你的发电量需求，看一看你需要建多少输电站和配电站。其实传统的方法是过去50年的经验中积累出来的，在整个的发电端和电网规划过程中两者协调度是比较高的，同时它在规划未来得项目的时候，有很大的确定性。所以，你做出来的规划就会很正常的建立，它是一种比较确定性的方法。你可以确定你的直流、交流，包括你整个的快速负载流和它的电压等等。

一般说来在这种随机的安全方法，我们一般采用的是N1、N2的方法，它是根据高峰，也就是波峰用电的需求来进行计算的，比如还有一些其他的需求也需要考虑进去，另外要对它做一个敏感性的分析。

在这种规划使用的工具方面，一般说来我们在传统的电网规划当中大家知道的pSS、BpA等等，同时在中国大部分的分析都是通过BpA和pSD来做出来的。这个是见到了我们的一个背景情况，下面谈一下在规划方面的挑战。

将来我们如果来做规划的话，有几方面的挑战，今天上午有人谈到了一部分。首先第一个就是我们所说的，比如说来开发间歇性的可再生能源发电，比如说风能、太阳能等等。它的规模都比较大，而且它应该是嵌入到整个电网当中。另外整个能源比例比较高，比如说欧洲30%以上都是可再生能源。在中国，可再生能源占到了15%以上的比例。所以我们可以看到可再生能源在整个能源当中占的比例非常高，从需求来看，将来越来越多的需求响应增加，特别是我们所说的分布式能源，还有嵌入式的发电，还有包括CHp，热点联产，还有包括微电网等等。

另外一个不确定性就是我们所说的双重需求的设备，还有包括一些能源来源的特点，这个主要是我们所说的电动车和储能装置，这两个的需求不仅仅是要求电网来进行发电，同时他们也可以作为输电端，他们一方面是来存储，另外一方面还可以作为这种输电装置。另外还需要考虑到电力市场的影响，也就是市场监管的影响，比如说从原来的输电还有配电、发电端不同的分开，所以这就是要考虑到进行更多的规划。所以在智能电网，还有一些新的技术开发方面，确实是有很大的进展，但是这也需要我们在电网方面进行更多的规划，把更多的、更新的技术来进行部属。比如说直流网等等，可以增加整个系统的流动性或者说灵活性。同时，它也可以不仅从运营的角度，而且可以从更多的配电和输电来看。

我们看一下中国的电力需求的变化，在过去的15年当中，电力行业实际上需求增长是非常快的，大概从2000年到2009年，每年平均增长速度接近12%。同时到2030年时候，中国全国的输出电力有可能会超过一万太瓦时，这个是非常大的一个数字。

当然，我们还需要考虑到相应的成本和代价，比如说二氧化碳的排放，从发电端的二氧化碳的排放占到了整个二氧化碳的排放，在2000年大概是44.4%，现在已经超过了50%以上。所以我们可以看到在减少二氧化碳的排放，包括节能减排方面，对于电力行业，特别是发电的行业将会发挥着非常重要的作用。

另外，我们也和西方的很多专家进行交流过，谈到中国的电力发展面临着哪些挑战。我觉得在中国的电力行业的发展，实际上面临着一些特定的挑战，首先第一个是在气候变化方面做出的承诺，这个在中国和在其他的欧洲、西方国家其实都是一样的。我觉得中国现在还设定了一些具体的目标，比如说减少二氧化碳的排放等等。但是我们现在已经向国际社会做出承诺，到2020年减少2005年的40%到45%的碳强度。到2020年的时候，我们有50%的能源是来自于这种非化石能源的，比如说像水能、水电能，或者说像核能等等。

另外一个，我觉得中国的GDp每年增长7.5%，这也就代表着对于电力的需求会有很大的增加。在发达的经济体增长速度没有这么快，就没有这么一个问题。另外全国的资源分配是不平衡的，有三分之二的煤和风能都主要集中在北部和东北部，二分之二的水力发电主要是在西方，但是三分之二用电的需求集中在东部和中部，我们可以看到建立一个全国的输电系统，把这些电力从发电的中心传输到输电的使用经济地区是一个很大的挑战。也就是说在这个过程当中，我们看到了全国的资源分配是不平衡的，同时在每个省当中，它的能源的使用分配同样是不均匀的。

所以我们可以看到在中国现在的装机容量，这个是刘紫阳(音译)在2012年出版的书中的预测，最关键的一点是2011年的时候，全国的装机容量已经超过了一千级瓦，但是到2020年时候有可能达到两千级瓦，2030装机容量达到三千多。可以看到黑色的部分是我们预测最高的需求，或者说是来自于煤电的。所以可以看到2020年在能源当中大部分的仍然是采用煤进行供给的，也有很大一部分是来自于可再生能源，2050年更是这样，有一半是来自于可再生能源。可再生能源将在维护我们能源供给方面是很重要的。这里显示风能的容量达到三百级瓦，太阳能达到五十级瓦，所以它确实是不断地发生变化的。

另外，根据不同的能源类型划分不同的市场份额，比如说煤电仍然是继续下降。到2050年的时候，煤只占到了全国发电量中的50%，其他的这些都是来自于非化石能源的。

如果我们看一下在欧洲的情况，这张图显示的是在欧洲的统计，每年都会不断地进行更新，他们管这个叫做2050年的预测简报。他们与错2020年的时候，希望减少80%的二氧化碳排放，这是根据2013年的时候进行了一个更新。从这张图中你可以看到他们预测的风能，比如说太阳能、光伏发电，到2020、2030年都有一个大幅度的增加。同时，他们整个在欧洲的装机容量也会从原来的2010年的14%到2050年的50%左右。所以我们可以看到，尽管这些数字是比较大，但是它现在还是一个预测的情况，里面还有很多的不确定性，到底能不能实现，但是可以看到这种趋势是非常明显的。

也就是说对于可再生能源的将来会在全国的发电当中占有越来越大的比例，同时大部分的欧洲国家现在已经制定了自己的规划来降低他们的碳排放，降低整个发电过程中的碳排放。同时，有一些欧洲的国家也需要能够来实现从原来的化石燃料，把一些交通运输的方式改变，比如说鼓励采用更多的电动车等等。

接下来介绍一下能源方面在发电方面今后的欧盟28的计划，我们可以看到可再生能源占到5%，5%来自于可再生能源，这个比例将会增加20%到2020年的时候。其中，会在2050年的时候增长到35%，这个是整个示意图。

从规划的角度来说，它意味着什么呢?大家都知道有一些可再生能源的输出是间歇性的，是可变的。在这个图上我们可以看到风能输出的情况在24小时之内的变化，然后是12个月的变化趋势。这里我们可以看到在风能的输入情况和输出的情况，在这样的示意图中大家可以看到有非常明显的季节性的特征，最高峰的9月到11月份的时候，一天之内最高功率输出的小时数，这是德国的情况。德国的示意图和英国是有区别的，德国我们可以看到风力发电的高峰时期是更高更长，但是我们也可以看到从地理分布的角度来说，我们可以看到在我们的可再生能源的输电方面，尤其是在功率输出方面有一些特征。之前，我们也看了在供应方面的情况，需求方面我们看到变的越来越多，具有多元化的特征，需求越来越多样化，也就是说我们能够从输电的角度来说，我们将会有分布式的发电，有更多的风能和太阳能，进一步增加不确定性，在需求方面。我们还有微电网，除此之外还有重要的一点因素考虑，就是需求方的响应，我们现在需求方响应还是比较小的，但是未来进一步的需求还是会增加的。同时，我们在设备方面进一步的整合，就像我提到的在电动汽车和能源储存方面，这张图我们举了一个例子，关于电动车的例子，这是一个单一的用户。

我们可以看到这个电动汽车首先是由工厂制作出来，而且对电动汽车进行分析的时候，对它的交通、充电设施方面有要求，它会有这样一个分布的时间图，我们也看到电动车的行驶和交通有关系。充电来讲，大家都非常关注，在哪个地方对电动汽车进行充电呢?这里是美国的例子，在美国非常典型的电动汽车的状况。目前，在美国我们可以看到电动汽车已经非常的常见，但是对于不同的车型进行充电的时候，对于快速充电的，还有在需求方面我们可以看到从3.3千瓦到6千瓦之间的范围之内。最近，在电池技术方面的进展的话，如果大家对于最新的泰斯拉汽车比较关注的话，我们就会看到电动汽车目前的充电速度比以前快的多，我们可以进行快速充电。

对家庭的需求影响而言，如果我们要是进行快速充电的话，它就会使得现有的家庭的需求量增加一倍。除此之外，我们也可以看到在美国的汽车工程方面，他们正在进一步推出更多的，美国工程协会推出更多的层级，尤其在三级电上没有更多的标准化，但是能够实现全电池的电动汽车，也就是说电动车的充电速度进一步达到提升。影响的话，我们也继续看到了，对于需求产生什么影响?对电网产生什么样的影响?我们知道对于电动车而言，可以在一个有控制的方式，或者说可控的方式下进行充电，对于可控的形式而言，我们可以看到在可控的模式之下，电动汽车充电的时候就会使得电网中出现用电负荷的增加。而无控制的充电，尤其对电动汽车来说，它将会增加负荷峰值的需求32%，或者是到2030年的时候，在整个国家整体上来说，电动汽车的充电将会进一步增加600级瓦的需求，在英国来讲，2030年采取不可控制的充电模式，将会使峰值增加一倍到2030年的时候，还有另外一个情景，荷兰也做了这样的研究，荷兰的研究得出了同样类似的结论。我们看到对于75%的电动汽车的渗透率，如果说充电率达到3K瓦或者是10K瓦的时候，充电将会在家里进行，也会导致变压器升到22.1%和31.4%的过渡负荷。我们来看一看智能电网和互联网之间的关系，在英国我们可以看到对于国家的负荷的峰值会进一步增加，这样的增加的速度是非常快的，我们也在中国做过这样的调查。

在北京夏季用电高峰的时候做过分析，我们也看到对电动车的充电分析，对于一百万辆电动汽车的充电，将会使得北京在夏季的时候，用电高峰峰值增加32%，如果按此速度计算的话，到2030年的时候，使整个国家的功率增加600级瓦。北京和荷兰的类似，在这里我们是如何影响用户的行为，这一点对于我们未来得项目而言，还需要在这方面开展具体的项目。

展望未来，在这次论坛上，我们探讨的主题是智能电网以及智能电网技术的发展，在智能电网的技术发展过程中，关键的特征对于技术而言，我们将实现终端用户以及系统运营商之间的互动，这一点非常关键。为了促进这样的互动，我们就需要建立起特征，首先要使用更多的可再生能源，促进可再生能源的高渗透率，我们还要做智能建筑。分会论坛上的主题是智能建筑，还有电动汽车的广泛使用范围，还有电网能量储存也需要提升，还需要手机等等智能技术，这些智能技术也使得终端用户与系统运营商之间加强互动。

我们也知道还会有一些智能用户以及智能管理，有云计算支撑着这个技术，所有这些技术加起来，将意味着我们在终端用户方面有更大的需求，也要求运营商有这样的能力。

我们在这张图上看到，有一些非控制电动汽车的充电和放电，另外有可再生能源和可再生能源发电的输出，这是可变的，而且有间歇性的付出。接下来有互动性的负荷，也就是电动车的充电和放电。还有智能用户，就是说这些用户可以关闭一些电子设备在峰值的时候，另外还有高度不确定性，但是却是高度互动性的电力系统。

我们在规划的角度来说，应该做一些什么样的工作呢?我们目前还需要进一步的认识到我们系统的可靠性与我们系统的规划之间密切相关的，密不可分的。对于未来得挑战而言，我们面临的挑战是有能力进一步应对不断增加的不确定性，也就是说复杂度的不断增加，尤其在系统的运营和控制方面，在发电端我们需要有更多可再生能源的渗透率。在需求方我们会看到有更多的对需求方响应的要求，另外还需要有更多分布式的电网以及微电网，还有电动汽车、能源存储，这些都是一些新的策略，这些策略将会使得我们的系统更加的具有灵活度，而且我们还需要进一步的应对可再生能源的发电可靠性。

作为一个国家，我们知道我们现在需要进一步提高人们的生活水平，随着人们的生活水平提升，就要求更加的安全性和可靠性，我们如何来实现这个目标呢?我们需要进一步的对低概率的事件和高影响的事件做更好的规划。而且对于我们的规划，我们要使得我们的发展是用的起的，可负担的起的。

最后，作为规划者，我们能够利用智能电网以及技术的发展，这一点非常的关键，我们必须使得系统更具有灵活性。除此之外，可能我们还需要一些新的规划工具，新的规划的方法论以及新的流程。因为目前所有的这些规划的工具基本上来说都是用于传统的一些规划工作的，接下来我想要跟大家来介绍一些做规划的时候，尤其是不确定性方面的一些概念。

第一个就是基于情景的方法，我们现在可以采用一些随机性的方法，我们可以对未来做更好的预测。我们在做情景的时候，对多种未来做规划，每种未来都代表可产生的结果。确定性的分析技术都是需要加以使用的，在实践中，我们在应用的时候，比如说我们国家电网的网络战略小组就是这样的一种机构来专门负责基于情景方法论的研究。除此之外，我们也可以看到在英国，还有在美国，还有在美国的中东部的电网规划的过程中是使用了这样一个情景基础的方法，这样的情景方法有自己的不足之处。首先是建立的情景无法捕获未来的趋势，在不确定方面缺乏代表性，比如说再生能源和增值电网，本质而言有确定性的本质，但是对于情景分析的时候，是在因素基础之上的，除此之外还需要考虑立法和监管方面的不确定性。

现在看一看另外一种方法，就是我们的随机方法，随机方法是对不确定性进行建模，用正确的方式对不确定性进行建模。它能够让我们建立许多目标的随机性的优化和对问题的解决方式。这种方法是在过去几年中由世界各国的研究者做了大量的深入的研究，目前已经取得了非常积极的进展。但是它还是需要得到进一步的广泛实施，在这方面有一个实际的例子，就是有一些行业的实践者需要积累更多的经验。他们没有建立起全球优化的解决方案，我们还需要进一步对于解决方面进行优化。除此之外，它还面临着纬度的问题，而且对计算时间来说也是要求比较长的，数据的要求一般来说没有办法永远得到满足，对实际的应用来说，目前的应用工具不是特别的到位。

这也是一个例子，是在不确定下进行规划的例子，在这个例子中，我们可以看到有一个输电边界在这个系统中。在这里我们可以看到对于这个区域而言，如果要是规划者只考虑这个区域的话，那么就不会对它进行优化投资了。如果要是在这个区域，我们可以看到存在很多的问题，我们需要对电路上的传导器进行替换，我们需要进行输电路上的传导器进行替换，我们还需要潜在的一些情景分析，这里虚线的地方，我们在这里建立起一个解决方案的模型，如果有问题的话就需要建立一条新的电线了，所以我们在做决策的过程中是有几个不同的阶段，就工具的开发而言，目前我们在这方面有一些例子。

首先是希望能够对不确定性进行分析，而且是对不确定性进行评估。另外我们还需要来分析实施的项目，然后在这个基础之上，我们还是要在不确定性的条件之上进行规划的工具。在下面我们会有一个平台，也就是所有这些工具的支撑，在整个区域是应该综合起来利用的，在不确定性的基础之下，基础之上进行规划。