面向低碳發(fā)展的電網規(guī)劃新模式

路暢，孟繁駿，羅金山

(國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

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面向低碳發(fā)展的電網規(guī)劃新模式

路暢，孟繁駿，羅金山

(國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

實施面向低碳發(fā)展的電網規(guī)劃，是電網企業(yè)乃至電力系統應對“碳鎖定”效應，實現向低碳化轉型的重要基礎。從時空兩維度全面分析了電網規(guī)劃中的低碳要素；在常規(guī)電網規(guī)劃流程的基礎上，分析了低碳電網規(guī)劃的新模式，研究了低碳要素的引入對電網規(guī)劃流程中各環(huán)節(jié)的影響；在此基礎上，結合我國電力工業(yè)的稟賦特點及發(fā)展現狀，為我國電網的低碳化規(guī)劃提出了建議。

低碳電力；碳排放；電網規(guī)劃；規(guī)劃流程

0 引 言

為應對日益嚴重的全球氣候變化及能源危機，發(fā)展低碳經濟已經成為世界各國的共識。低碳經濟的核心目標是在經濟發(fā)展、能源需求和環(huán)境保護三者之間尋找最佳平衡點，從而實現人類社會的可持續(xù)發(fā)展。新形勢下的低碳發(fā)展理念給電力工業(yè)的發(fā)展提出了新的要求[1]。作為碳排放的主要行業(yè)之一，電力行業(yè)面臨著巨大的減排壓力，低碳經濟將給電力行業(yè)的發(fā)展注入新的理念。電力工業(yè)具有顯著的“碳鎖定”效應，即由于電力設備的服役年限一般較長，電力工業(yè)在未來相當長一段時間內的碳排放狀況將被當前的系統狀況鎖定。在電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃中充分考慮低碳發(fā)展目標，是應對“碳鎖定”效應的重要措施。

電網作為電力工業(yè)的中間環(huán)節(jié)，是連接電能生產和用戶消費的紐帶，承擔著關鍵的經濟責任與重大的社會責任，對于保證系統安全、確保民生用電、支撐系統經濟運行具有關鍵作用。實施面向低碳發(fā)展的新型電網規(guī)劃，可以充分發(fā)揮電網在資源優(yōu)化配置方面的關鍵作用，有效支撐電力工業(yè)的低碳發(fā)展。常規(guī)電網規(guī)劃是在已知電源規(guī)劃方案和負荷預測結果的基礎上，以可靠性高、電網經濟效益好為目標確定最佳的電網結構，以實現經濟可靠的電力輸送[2]。將低碳發(fā)展理念引入到電網規(guī)劃工作，考慮電網規(guī)劃方案的低碳效益，包括降低網損，提高電網對風電、太陽能發(fā)電等隨機性清潔能源消納能力，可以提升電網對低碳發(fā)展的支撐作用。

目前學術界在低碳電網規(guī)劃方面的研究已經取得了一系列進展與成果。文獻[3]綜述分析了低碳電網規(guī)劃的研究進展，并對未來的研究方向進行了展望。文獻[4]建立了考慮安全和環(huán)境約束的低碳電網規(guī)劃模型，基于直流潮流模型對線損進行了近似建模，并在目標函數中考慮了系統中的發(fā)電成本及對應的碳排放成本。文獻[5]所建立的模型在目標函數中考慮了低碳能源棄置的懲罰項，并區(qū)分了由于經濟調度和電網阻塞引起的棄置量。文獻[6]進一步將全壽命周期的評估理念引入到電網規(guī)劃模型中，將電網設備的制造與建設成本也引入到了模型的目標函數中。文獻[7]提出在電網規(guī)劃模型中協同考慮直接削減負荷和風電消納，可以延緩部分線路的建設，降低系統的總成本。文獻[8]研究了考慮分布式電源、智能電表和需求側響應的配電網規(guī)劃問題。文獻[9]從電網設備、電網運行、電網規(guī)劃和管理機制4個方面分析了實現低碳電網的技術途徑，全面總結了低碳電網規(guī)劃的可用技術選項。文獻[10]從全壽命周期角度分析了電網節(jié)能設備選型問題，將節(jié)能設備改造在全網范圍內可實現的節(jié)能低碳效益與其全壽命周期能耗排放進行對比，可以在全社會范圍內全面評估電網節(jié)能改造的低碳效益。

本文將在現有低碳電網規(guī)劃研究成果的基礎上，總結電網規(guī)劃中的低碳要素，并結合實際電網規(guī)劃的工作流程，分析評價低碳發(fā)展目標對電網規(guī)劃工作的影響，提出低碳電網規(guī)劃的新模式。在此基礎上，結合我國電力工業(yè)的特點，對我國電網的低碳發(fā)展規(guī)劃提出建議。

1 電網規(guī)劃中的低碳要素

為全面辨識電網規(guī)劃中的低碳要素，需從空間、時間2個維度全面分析電網在電力工業(yè)乃至全社會中的角色[11]?？臻g維度上，除考慮電網自身的節(jié)能減排外，還需考慮電網與發(fā)電及用電環(huán)節(jié)低碳資源間的相互配合。時間維度上，需要考慮設備制造、電網建設及運行全過程中可能在全社會范圍內產生的碳排放。從以上2個維度出發(fā)，可以全面總結電網規(guī)劃中的低碳要素，為低碳電網規(guī)劃新模式的制定奠定基礎，圖1為電網規(guī)劃中的低碳要素辨識框架。

圖1 電網規(guī)劃中的低碳要素辨識框架Fig.1 Identification framework of low-carbon factors in power grid planning

1.1 空間維度——兼顧電力系統全環(huán)節(jié)低碳要素

(1)降低輸配電損耗。除SF6氣體泄露造成等效碳排放外，電網并不直接產生碳排放，但是在電力傳輸過程中的輸配電損耗會造成發(fā)電環(huán)節(jié)的額外發(fā)電需求。降低輸配電損耗是電網環(huán)節(jié)最為直接的低碳要素，是低碳電網規(guī)劃中需要關注的核心問題之一，可通過網架結構、電壓等級、設備選型等的優(yōu)化降低電網的運行損耗，從而減少系統的碳排放。

(2)促進低碳電源并網發(fā)電。低碳電源尤其是波動性新能源的發(fā)電運行在很大程度上依賴于電網的支持。低碳發(fā)展模式下，應強化網、源的協調規(guī)劃，兼顧電網投資成本、電源投資成本、電源發(fā)電成本、電源碳排放成本及系統運行約束條件等，綜合決定最優(yōu)的電力系統規(guī)劃方案。目前，由于體制及技術等的限制，針對網、源協調規(guī)劃的研究及應用程度仍不足，在電網規(guī)劃中仍多通過對既定電源規(guī)劃方案的運行模擬，而缺乏電源規(guī)劃及電網規(guī)劃的迭代優(yōu)化過程，未來仍需加強相關研究。

(3)考慮需求側低碳資源。需求側響應和能效管理是用電環(huán)節(jié)參與電力系統碳減排的主要形式，可以起到提高用能效率、減少用電量和改善負荷特性等效果?，F階段，我國已經大規(guī)模實施了一系列能效管理項目[12]，分時電價等一些需求側響應措施也已在部分地區(qū)得到實際應用。在電網規(guī)劃中充分計及能效管理及需求側響應對用電負荷的影響，可在一定程度上減少對應尖峰負荷的電網投資，提高電網輸變電設備的利用率。文獻[13]分析了考慮需求側資源的新型電網規(guī)劃模式，可為低碳化的電網規(guī)劃提供有益參考。

1.2 時間維度——全壽命周期低碳效益評估

電網規(guī)劃涉及到大量的設備投資，盡管投資成本在一定程度上反映了電網設備的全壽命周期成本，在面對與節(jié)能低碳相關的問題，尤其是節(jié)能設備選型或節(jié)能改造等相關問題時，仍需開展全壽命周期的低碳效益評估。一些節(jié)能改造措施在電力系統內部是節(jié)能低碳的，然而如果在全社會范圍內反而造成了更多的碳排放，則也是不可取的。

2 低碳電網規(guī)劃的新模式

常規(guī)電源規(guī)劃主要包括數據收集、電力負荷預測、電源規(guī)劃方案分析、系統電力電量平衡、電網規(guī)劃方案擬定、電氣校核計算、經濟性評價和電網規(guī)劃方案優(yōu)選等流程。低碳發(fā)展要素將以不同的形式影響到常規(guī)電源規(guī)劃中的各項流程，由此形成低碳電網規(guī)劃的新模式，如圖2所示。下面針對低碳模式下需要著重關注的因素進行分析說明。

圖2 面向低碳發(fā)展的電網規(guī)劃新模式Fig.2 Novel power grid planning mode facing low-carbon development

2.1 基礎數據收集

常規(guī)電網規(guī)劃需要收集社會經濟發(fā)展、歷史用電負荷、電源電網發(fā)展現狀等基礎資料數據，提高電網規(guī)劃的針對性和準確性，為后續(xù)的電網規(guī)劃工作奠定基礎。低碳發(fā)展模式下，電網規(guī)劃需要關注收集的數據增多，主要包括設定的碳排放控制目標、碳排放管理政策以及碳市場的運行情況等，從而為低碳電網規(guī)劃設定好邊界條件。

2.2 電力負荷預測

電力負荷預測是根據所收集到的基礎數據，對未來的電力負荷進行科學的預測。需求側低碳資源如需求側響應和能效管理的引入可以在電力負荷預測中計及。結合各區(qū)域需求側資源的規(guī)模和實施效果，修正電力負荷預測結果。需求側低碳資源的靈活運用可以減少地區(qū)用電量，削減地區(qū)尖峰負荷，提高電網設備的利用率。

2.3 電源規(guī)劃方案分析

電源規(guī)劃為電網規(guī)劃設定了邊界條件。在既定的電源規(guī)劃方案中，需要分析各類電源的碳排放特性。在保證電源供應充裕度的前提下，應避免各類高碳電源的進一步發(fā)展。電源規(guī)劃方案與電網規(guī)劃方案間的迭代優(yōu)化對于實現電力系統全局低碳具有重要意義，如圖2中虛線所示。結合電網規(guī)劃的評價結果，修正對比不同的電源規(guī)劃方案，可以在兼顧電網投資成本的同時在發(fā)電側最大限度地減少碳排放。

2.4 系統電力電量平衡

系統電力電量平衡是在給定電源規(guī)劃方案的基礎上，確定各電源的運行情況，進一步確定各區(qū)域、各電壓等級間的電力電量流向，為后續(xù)的電網規(guī)劃方案擬定提供數據支持。在系統電力電量平衡中，應計及發(fā)電對應的碳排放成本，優(yōu)先安排低碳電源發(fā)電，提高對低碳電源的利用率，可以體現低碳電網規(guī)劃對低碳電源并網發(fā)電的促進作用。

2.5 電網規(guī)劃方案擬定

在系統電力負荷預測、電源規(guī)劃方案、電力電量平衡的基礎上，根據各類型輸電線路的輸送能力可以擬定若干待選的電網規(guī)劃方案，并針對各方案開展投資成本分析。在電網規(guī)劃方案擬定階段，應注意加強各類新型、高效輸配電技術的應用。

2.6 電氣校核計算

電氣校核計算主要是對各擬定電網規(guī)劃方案進行潮流、穩(wěn)定、短路電流等電氣計算。低碳電網規(guī)劃需要特別關注規(guī)劃方案的電網損耗，通過計算網損可以得到發(fā)電側對應的等效碳排放量。如果電網企業(yè)被納入碳排放管理體系中，則還需校核電網損耗對應的碳排放量是否超出電網所分配到的配額，并確定相應的碳交易計劃。

2.7 經濟性評價

經濟性評價階段需要計算各擬定電網規(guī)劃方案下的總成本，包括電網投資成本、運行成本及碳排放成本等；如果是從電力系統全局的角度出發(fā)，則還需考慮電源側的發(fā)電成本和碳排放成本。除計算總成本外，還可通過計算其他指標，如全壽命周期的能耗回報率、碳減排比[10]等，全面評價低碳發(fā)展模式下電網規(guī)劃方案的經濟性。

2.8 電網規(guī)劃方案優(yōu)選

在所有待選電網規(guī)劃方案技術經濟比選結果的基礎上，綜合考慮節(jié)能降損、促進低碳電源消納、全壽命周期節(jié)能低碳效益等低碳要素，從各待選電網規(guī)劃方案中選出最優(yōu)的電網擴展規(guī)劃方案。對于網損及低碳電源消納存在相反變化關系的規(guī)劃方案，需要結合各類型資源的價格信號等進行綜合成本評估，對電網規(guī)劃方案提出優(yōu)選結果。

3 對我國電網低碳規(guī)劃的建議

3.1 推進跨區(qū)電能交換

我國能源資源與負荷中心呈現逆向分布的態(tài)勢，大規(guī)模的風電、光伏發(fā)電、水電等清潔資源主要集中在西部與北部地區(qū)，建議優(yōu)化建設跨區(qū)輸電線路，實現能源資源的全局優(yōu)化配置。如我國“三北”地區(qū)具有豐富的風電資源，卻存在本地電源裝機過剩、外送能力薄弱等問題，導致大量風電發(fā)展受限[14]。根據電源發(fā)展規(guī)劃，到2020年風電等清潔能源將取得更大發(fā)展。積極推進跨區(qū)電能交換，協調利用多區(qū)域的負荷消納空間和系統調峰能力，有助于促進低碳電源的并網發(fā)電，符合電網的低碳化發(fā)展趨勢。目前，我國已經規(guī)劃建設了一系列大規(guī)模、遠距離輸電通道工程，有力促進了北部、西部地區(qū)能源資源的開發(fā)利用。

3.2 挖掘電網節(jié)能減損潛力

考慮到我國資源與負荷的分布狀況，我國電網的網損控制已經處于國際領先水平，但仍存在進一步的優(yōu)化降損空間，尤其是在配電網環(huán)節(jié)。在網損控制方面，電網公司可在合理控制成本的基礎上精益求精，通過采取優(yōu)化網架規(guī)劃方案、實施節(jié)能調度等措施挖掘電網的節(jié)能降損潛力。

3.3 挖掘用戶側低碳潛力

依托智能電網的發(fā)展，加強電網與終端用戶的信息交互。我國在推進用能環(huán)節(jié)低碳化方面已經開展了大量的工作，主要包括電能替代、能效管理及分時電價等。目前，我國需求側管理尚處在起步階段，與國外存在一定差距，直接負荷控制、可中斷負荷等措施在國外已經得到了廣泛應用，在提高系統可靠性、延緩系統投資建設方面表現出了良好的效果。在我國，需求側低碳潛力仍有待進一步挖掘。電網公司可加強需求側資源與電網規(guī)劃的協同研究，削減不必要的電網投資。

3.4 建立標準化的電網規(guī)劃低碳化評價體系

目前一些專家學者已經建立了電網低碳效益的評價體系[11，15-16]。為了支持全國各地區(qū)低碳電網的發(fā)展建設，需要建立標準化的電網規(guī)劃低碳化評價體系，主要是建立統一的電網低碳水平考核指標體系、建立標準化的評價方法和量化考核標準。由于各地區(qū)的資源稟賦不同，標準化評價體系需具備一定的靈活適應空間。

另外，我國電網公司目前已將全壽命周期理念貫徹入電網的經濟管理中。為適應低碳化的發(fā)展需求，應建立電網的全壽命周期能耗與碳排放的標準數據庫，促進全壽命周期理念在低碳電網規(guī)劃、電網節(jié)能改造等項目中的實際應用。

4 結 語

本文分析了低碳電網規(guī)劃的4項關鍵要素，分別為降低輸配電損耗、促進低碳電源消納、考慮需求側低碳資源和全壽命周期視角的低碳效益評估。分析了各項低碳要素對電網規(guī)劃流程中各環(huán)節(jié)的影響，建立了面向低碳發(fā)展的電網規(guī)劃新模式，為低碳化理念在當前實際電網規(guī)劃工作中的實施提供了思路。結合我國電力工業(yè)的特性，對我國低碳電網規(guī)劃工作的開展提出了建議。

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(編輯：張小飛)

Novel Power Grid Planning Mode Facing Low-Carbon Development

LU Chang，MENG Fanjun，LUO Jinshan

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The implementation of power grid planning facing low-carbon development is important basis for power grid enterprises and power industry to deal with the ’carbon lock-in’ effect and achieve the transition to the low-carbon power system. The low-carbon factors of power grid planning were firstly analyzed comprehensively from both the space and time dimension. Based on the process of conventional power grid planning, the novel mode of low-carbon power grid planning was analyzed, and the influences of the low-carbon factors on the power grid planning process were studied in detail. On this basis, some suggestions were proposed for the low-carbon power grid planning based on the characteristics and development status of the power industry in China.

low-carbon electricity; carbon emission; power gird planning; planning process

國家電網公司科技項目(電網規(guī)劃社會安全、低碳化綜合評估方法及實現技術研究)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0088-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.013

2015-07-13

2015-08-28

路暢(1986)，男，碩士，主要從事電網規(guī)劃設計研究工作；

孟繁駿(1985)，男，博士，主要從事電網規(guī)劃設計研究工作；

羅金山(1980)，男，碩士，主要從事電網規(guī)劃設計研究工作。