薛禹勝：未來能源系統的核心是電力和電網

發布日期：2018-03-27 瀏覽次數：1010

在萬物互聯時代，您對于未來能源系統有何期待和評價?

薛禹勝：未來的能源系統應該讀為能源領域中的信息-物理-社會系統，它由廣義的物理系統，包括綜合能源系統及廣義的環境系統，綜合信息系統，以及各種社會行為深度融合而成。其中的綜合能源系統的核心是當前在二次能源中占絕對主導的電力和電網，但為了保證電力的安全，必須考慮整個能源流的上下游，即一次能源和終端電源，可再生能源對于化石類能源的替代對電力安全性和充裕性的影響，用戶用能模式的改變對于電力安全性和充裕性進行互動等等。

人類的可持續發展不僅需要能源，還有賴于經濟和環境的安全，它們彼此之間是相互影響相互關聯的，不能孤立地研究某一方面、某一領域，而應該從全局高度考慮。

與傳統能源系統相比，在現代化能源系統中，相關要素間的關系有何不同?

薛禹勝：在原來的系統中，不同的一次能源如煤炭、石油、天然氣，以及不同的產業如電動汽車、制造業、智慧城市等等，都是完全孤立的領域，現在則連接成了一個無法分割的整體。但是因為不同領域中的信息源、信號組織形式并不一樣，所以如果缺乏完整的設計和良好的信息系統溝通機制，不可能把相關領域中的任務連接成一個整體的任務。

既然這些聯系越來越緊，那么是否意味著電力系統需要把關注目標擴展到周邊領域?

薛禹勝：這種必要性、重要性越來越突出。比如，智能電網中的專用通信網的功能就需要從電力系統擴展到其他環節,不僅要考慮各種非電的能源系統,而且要考慮相關的非能源領域。在電網內部的物理系統，需要和信息系統深度融合，以保障電力供應安全、清潔、靈活和經濟，所以需要引入不同類型的數據，包括經濟領域、人的用電習慣，自然界中的云圖、臺風圖、影像、照片等等非文本形式的信息，實現信息系統和電力系統的真正互聯。

但要注意的是，這種融合不是把能源網和信息網簡單地混雜在一起,更不能把IT領域的詞匯生搬硬套到能源領域中。因為因特網(Internet)是支持信息流的計算機技術，而能源流服從的物理規律與信息流不同，同樣需要專用網的傳輸。所以能源互聯系統應該實現二者在支撐層面的深度融合，才能保證能源流的全面監控及優化。

有人認為，隨著清潔能源崛起，基荷和基荷電廠的概念將逐步失去意義，因為基荷電廠也需要靈活運行，在靈活運行下實現電力系統可靠性才是王道。您怎么看?

薛禹勝：是這樣的。從能源流來看，一次能源轉換成電能后，才接入電力系統。在一次能源可控，負荷平穩可預測的情況下，才有可能孤立考慮備用容量及備用電量。當一次能源實現了大規模可再生能源發電替代后，按傳統方式保留固定比例的備用容量的方式，不再能保障能源安全充裕。此外，除了能源流，綜合能源系統還要和自然界、社會主體進行交互，也會和通信系統、應急管理、市場監管發生關系，任何一個環節發生重大事件，都會通過交互耦合的關系，造成整個能源系統的故障。

目前，大規模可再生能源接入電網之后的嚴峻挑戰還沒有被充分認識到。我們真正要解決的問題是，當可再生能源占比達到70%，甚至更多時，電力系統和電網應該如何支撐，怎樣保證綜合能源系統中各個環節的安全，尤其需要從頂層設計上給予考慮。

研究需要以人為本

您認為，電力系統和信息系統深入融合后，未來還會如何演進?

薛禹勝：到現在為止，絕大多數的研究都是把電力系統與信息系統的安全性、經濟性兩者隔離開進行的。未來要拓展到更大的物理系統中，要從電力系統向它的上游拓展，要研究煤炭、風電等不同類型的能源品類出力變化的關聯、可再生能源的波動性如何引起負荷和一次能源的不平衡與損失等。從系統角度而言，電力系統要了解外部的環境，比如污染排放、自然災害等的影響，從事氣象、自然災害防御的人也應了解電力系統的安全運行機理。

目前電力經濟研究還沒有很好解決人的行為和需求問題，您認為挑戰在哪里?

薛禹勝：從信息物理系統(CPS,Cyber-PhysicalSystems)視角看智能電網，電網系統關注的對象只是能源系統中的一個核心環節。要保障電網運行安全，需要廣域采集能源及廣義環境系統，以及社會行為的數據，挖掘知識并做出決策支撐。人的行為涉及所有的環節，性質不僅包括正常博弈的不確定性，以及惡意攻擊。在緊急狀態下，人的反應能力跟不上的情況下，要靠計算機系統實現閉環控制。

雖然社會元素原來也被納入經濟性研究范疇，但是沒有很好地融合到整體框架中。我們現在強調以人為本，就是要充分考慮廣大的共同需要和個別人群的特殊需要，以及這些人是怎樣參與到市場博弈中去的問題。

以前，我們只是定性地去講、僅僅用語言去描述這個問題，如果要進行精細化研究，就一定要有定量的分析。這需要在社會學、人類行為學當中找到新的研究方法，需要數學模型，也要考慮不同角色的參與者行為的影響，包括：他們在不同的環境和場景之下，是如何理性及非理性地博弈，又是如何影響能源系統運行的，這是很大的一個挑戰。

在具體的能源應用中，該如何處理這種參與者的博弈行為與整個能源系統運行的關聯?

薛禹勝：在市場框架之下，不考慮人的因素，用完全理想的數學模型來解決、分析和控制問題，是不接地氣的方法。

以電動汽車充放電為例。目前廣泛研究的V2G技術是指電動汽車的電池參與備用輔助服務市場，減少可再生能源發電波動性對電網的壓力。但這是建立在一個假設的前提下，即汽車停在充放電站時，電池就可以被服務商或者調度人員調用。這是一個脫離市場環境的假設。但現實因素是如何取得車主的認可，包括充放電之間的電量損失及電池壽命如何補償?用戶臨時改變行程出行，但發現電池電量不足的補償問題。實際上，要解決V2G參與電網的分析和控制方法，一定要充分考慮電動汽車發展的各個環節，包括購買、出行、充電和備用服務等不同場景下，人們的行為怎么樣參與博弈。當然，也不能為了補償而“用力過猛”，甚至違背市場規律。

對于戰略性問題，比如能源轉型路徑優化的問題，您認為，這樣的科學方法該如何發揮作用?

薛禹勝：這樣的方法同樣可以應用于關于能源轉型的科學決策。比如，我們現在制定的2030年和2050年能源轉型目標，僅以非化石能源占比為例，相關數字是怎么算出來的，為什么會是20%和30%，為什么不是少一點或者多一點?

在我們承擔的中國工程院重大研究和咨詢項目中，針對我國能源轉型到2050年的目標、路徑和優化問題，給出了相應的解答：作為一個多領域的交互問題，需要先確定能源轉型問題涉及的物理系統的數據模型，包括一次能源的石油、煤炭，以及清潔能源的技術經濟特性等。然后建立經濟模型，對每一種系統都有對應的市場行為，要能夠反映市場交易方式，以及參與者的互動，包括參與者的理性和不理性的各種行為，如政府補貼政策的改變怎樣影響市場行為。最后，對于能源系統、經濟系統、環境系統等相關市場的互動，需要通過實時和分時間段的仿真推演進行驗證。

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