賦能零碳未來——英國電力系統(tǒng)轉型歷程與發(fā)展趨勢

景 銳，周 越，吳建中

（英國卡迪夫大學工程學院，卡迪夫CF10 3AT，英國）

0 引言

氣候變化已成為目前人類社會共同面臨的最重大的環(huán)境與發(fā)展挑戰(zhàn)之一。2020年9月22日，中國國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，鄭重宣布中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和（簡稱“30·60目標”）。盡管還未明確實現(xiàn)碳中和的具體路徑，但作為全球最大的碳排放和能源消費主體，中國實現(xiàn)碳中和需要能源系統(tǒng)的顛覆性變革［1］。

電力系統(tǒng)在能源清潔低碳轉型中發(fā)揮著至關重要的引領和支撐作用，“碳達峰、碳中和”對電力系統(tǒng)發(fā)展提出了新的更高要求［2］。電源側具有隨機性與間歇性特征的可再生能源的大規(guī)模、高比例并網，用能側儲能技術、分布式能源、電動汽車等交互式能源技術的迅速發(fā)展，從源、網、荷、儲各個環(huán)節(jié)對電力系統(tǒng)的規(guī)劃與運行產生深刻影響，并不斷涌現(xiàn)各種新型的能源服務需求［3-4］。

全球越來越多的國家開始重視電力系統(tǒng)低碳轉型的需求與機遇，并制定了相應的發(fā)展目標［5］。英國在電力系統(tǒng)轉型方面起步較早，并已于2019年通過立法正式承諾將于2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)。英國的電力系統(tǒng)零排放戰(zhàn)略目標總體上圍繞“能源三難”（energy trilemma）問題即環(huán)境可持續(xù)性、能源安全、能源公平3個方面展開。顯然，零排放是轉型的目標，同時也是主要驅動力，而能源安全和公平作為必要的約束條件，同樣需要引起高度重視。

本文基于英國電力系統(tǒng)轉型已開展的工作，首先系統(tǒng)性地回顧英國氣候變化、能源與排放的相關政策，同時介紹英國電力系統(tǒng)轉型的發(fā)展現(xiàn)狀與目標，并針對轉型迫切性、電力系統(tǒng)安全性以及經濟社會參與性3個方面的挑戰(zhàn)，剖析應對挑戰(zhàn)所采取的跨界聯(lián)動的全系統(tǒng)戰(zhàn)略，進一步細化為4個實現(xiàn)成功轉型的關鍵發(fā)展領域，其中清潔與低碳為核心驅動，安全與韌性是必要前提，架構與層次貫穿全局，政策與市場保障轉型推進。最后，總結了英國電力系統(tǒng)轉型的經驗，以期通過系統(tǒng)性梳理英國電力系統(tǒng)轉型歷程與發(fā)展趨勢，對中國電力系統(tǒng)轉型有所啟示。

1 英國相關政策回顧

英國在能源發(fā)展方面做了大量探索，政策規(guī)劃的引航作用至關重要。本文對與電力系統(tǒng)密切相關的英國氣候政策進行了梳理，如圖1所示。

圖1 英國氣候變化、能源與溫室氣體排放政策時間線Fig.1 Timeline of UK’s policy on climate change,energy,and greenhouse gas emission

1990年，英國出臺了一系列控制環(huán)境污染的法案，并于1997年簽署《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》［6］。21世紀以來，英國先后發(fā)布多項舉措，將能源發(fā)展的重點轉移到可再生能源上。2002年到2005年間，在全英逐步推行可再生能源責任機制（renewable obligation，RO），要求持牌售電公司有義務在其出售的電力中逐步擴大可再生能源的比例，以促進大規(guī)?？稍偕茉错椖康陌l(fā)展，該機制已于2017年完結。2006年，英國議會通過《氣候變化與可持續(xù)能源法案2006》，鼓勵小型熱電聯(lián)產技術［7］。2008年 英 國 政 府 通 過 了《氣 候 變 化 法 案2008》，使其成為全球首個針對長期氣候政策立法的國家，在應對氣候變化問題的政策法規(guī)方面全球領先［8］。2010年，英國實施與RO配套的上網電價補貼機制（feed-in tariff，F(xiàn)IT），用于鼓勵安裝小規(guī)?？稍偕茉醇夹g，該機制已于2019年完結。2015年，英國作為核心主導國家之一，促成全球達成《巴黎協(xié)定》，將全球升溫目標定在2℃之內［9］。2017年英國超額完成原計劃目標，實現(xiàn)較1990年減排43%的成績。同年10月，英國政府出臺《清潔發(fā)展戰(zhàn)略》（The Clean Growth Strategy），重點關注碳移除技術、家庭能效提升并確定到2040年禁售燃油車的計劃（現(xiàn)已提前至2035年）。2019年3月7日，英國政府頒布《離岸風電產業(yè)政策》（Offshore Wind Sector Deal），進一步明確未來10年將投資400億英鎊實現(xiàn)30 GW離岸風 電裝機 容量［10］。同 年5月2日，英國氣候變化委員會發(fā)布報告《凈零：英國對阻止全球變暖的貢獻》（Net Zero—The UK’s Contribution to Stopping Global Warming），指出英國可以設定更加宏 偉的新目標［11］。同年6月27日，《2008年氣候 變化法案（2050目標修訂案）》通過，正式確立英國到2050年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的新目標，成為全球首個承諾凈零排放時間表的主要經濟體［12］。

2020年新冠疫情陰霾籠罩全球，2020年11月18日英國首相鮑里斯·約翰遜提出綠色工業(yè)革命十點計劃，重點針對后疫情時代經濟復蘇與零碳轉型［13］。同年12月14日，英國政府商務能源與產業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）出版戰(zhàn)略性指導文件《能源白皮書》，進一步明確英國為實現(xiàn)2050凈零排放目標的能源系統(tǒng)低碳發(fā)展方向［14］。受英國脫歐影響，自2021年1月1日起，英國不再參與歐盟碳排放交易體系（EU ETS），而是啟用英國碳排放交易體系（UK ETS），采取“總量控制與交易”（cap and trade）的原則，控制并將逐步減少各部門的總許可排放量，同時允許參與者在總許可排放量內通過二級市場競拍的方式交易排放份額，促進2050凈零排放目標的實現(xiàn)。

2 英國電力系統(tǒng)現(xiàn)狀、發(fā)展目標與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 現(xiàn)狀

英國在零碳轉型進程中始終走在世界前列，從發(fā)電量角度看，近10年來風電和太陽能的占比顯著提高，到2019年各能源技術發(fā)電量占比如圖2（a）右側百分比所示，其中煤電的占比已不足2%。從裝機容量角度看，到2019年各能源技術的發(fā)電裝機占比如圖2（b）右側百分比所示［15］，其中可再生能源的裝機容量占比已達45%，而傳統(tǒng)蒸汽式發(fā)電裝機容量占比則降至12%。

圖2 1996—2019年英國發(fā)電量與發(fā)電裝機容量演變示意圖Fig.2 Schematic diagram of transition of electricity generation and installed generating capacity in the UK from 1996 to 2019

2.2 參與主體

英國電力系統(tǒng)主要的參與主體如圖3所示。從電力傳輸角度看，主要包括發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)。輸電網層面，大不列顛主要由三家輸電網運營商（transmission network owner，TNO）持有固定資產并負責維護；還有離岸輸電網運營商（offshore transmission owner，OFTO）負責離岸輸電網絡設施的運維，并與陸上主干輸電網的互聯(lián)；國際聯(lián)網（interconnector）實現(xiàn)英國電網與歐洲大陸電網的互聯(lián)互通。以上均由National Grid集團旗下的獨立公司電力系統(tǒng)運營商（electricity system operator，ESO）負責統(tǒng)一調度，確保電網實時的供需平衡與安全穩(wěn)定［16］。

圖3 英國電力系統(tǒng)架構與主要參與主體示意圖Fig.3 Schematic diagram of architecture and main participants of electric power system in the UK

大不列顛共有隸屬于六大集團的14個持牌配電網運營商（distribution network operator，DNO），同時還存在若干獨立配電網運營商分散在各許可區(qū)域中。從電力市場角度看，由售電公司（supplier）作為中介將電力賣給用戶，并向發(fā)電公司（主要為六大發(fā)電企業(yè)，The Big Six）及輸、配電網運營商支付相關費用，形成批發(fā)、零售、容量和輔助服務四大市場。大不列顛電力系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)和相關主體均受電力和燃氣市場監(jiān)管機構（Ofgem）監(jiān)管，并受英國政府BEIS的政策指導。

2.3 發(fā)展目標

英國政府BEIS的《能源白皮書》明確了實現(xiàn)2050凈零排放的能源系統(tǒng)發(fā)展目標，并給出2050年2種預測電力需求與2種預測發(fā)電結構，如圖4所示［14］。其中，從電力需求看，其較2019年可能翻倍，2種預測結果的主要差別在于交通與供熱的電氣化發(fā)展情況不同。從發(fā)電結構看，將形成可再生能源、核能、氣電＋碳捕集利用與封存（CCUS）為主，并輔以氫能發(fā)電與國際聯(lián)網購電的總體發(fā)電結構。然而，官方尚未明確發(fā)布具體的實現(xiàn)路徑，目前圍繞電氣化、氫能利用、行為改變、提高能效幾大方向展開探討，而電力、熱能、建筑、交通等部門具體的轉型路徑仍在制定中。

圖4 《能源白皮書》預測的2050年英國發(fā)電結構與電力需求Fig.4 Electricity generation structure and power demand of the UK in 2050 from forecast in“Energy White Paper”

2.4 面臨的挑戰(zhàn)

英國電力系統(tǒng)在向零排放、能源安全和公平的轉型過程中，面臨如下四重挑戰(zhàn)。

1）從氣候變化的迫切性來看，要求電力系統(tǒng)盡快向零排放的目標轉型，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)。

2）從電力系統(tǒng)的安全性來看，高比例且高間歇性的可再生能源可能帶來電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3）從經濟社會的參與性來看，確保居民與工商業(yè)用戶公平地分攤轉型的成本，確保身處能源貧困地區(qū)的居民也可承擔（affordable）能源費用，避免貧困用戶被忽視，同時避免不公平地強制要求用戶去改變用能習慣。

4）從轉型過程中角色轉變來看，整個電力系統(tǒng)自上而下探索轉型過程中的角色定位、模式轉變及突破創(chuàng)新，很多電力公司不再僅僅作為基礎設施運營商，而是力求轉型從而可以提供安全穩(wěn)定、清潔低價、多元靈活的能源服務。

3 英國電力系統(tǒng)零碳轉型總體趨勢

3.1 跨界聯(lián)動的全系統(tǒng)戰(zhàn)略

在英國政府通過立法正式承諾將于2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)后，形成了自上而下、跨界聯(lián)動的零碳轉型全系統(tǒng)戰(zhàn)略，各級組織機構從各自視角制定了翔實的行動計劃，如圖5所示［14，17-18］。

圖5 英國各級機構提出的電力系統(tǒng)轉型戰(zhàn)略之間的關聯(lián)示意圖Fig.5 Relationship between electric power system transition strategies proposed by different organizations in the UK

以下從4個角度對各行動計劃之間的關聯(lián)進行梳理。

1）從政府視角來看，首相鮑里斯·約翰遜提出綠色工業(yè)革命十點計劃后，BEIS相應出版戰(zhàn)略性指導文件《能源白皮書》，明確其下一步的工作計劃，在離岸風電與陸上互聯(lián)、電動汽車充電基礎設施等領域加大投入，同時將與Ofgem密切配合構建全球領先的數(shù)字化電力能源系統(tǒng)，并發(fā)布Smart System Plan進一步明確儲能在系統(tǒng)中扮演的角色。

2）從Ofgem視角來看，其充分發(fā)揮監(jiān)管與創(chuàng)新的職能，建議政府考慮建立職能獨立于英國國家電網公司的獨立系統(tǒng)運營商（independent system operator，ISO），通過完全分離使其在電網基礎設施規(guī)劃中扮演更加積極的角色，同時確保未來的能源系統(tǒng)決策更能夠符合用戶利益，并有助于將成本保持在最低水平。

3）從能源網絡（輸電網、配電網）視角來看，為適應轉型需求并提供更靈活的服務，英國已于2019年成立獨立公司National Grid ESO負責輸電網的調度［19］。配電網是電力系統(tǒng)零碳轉型過程中的重點改革環(huán)節(jié)之一。隨著越來越多分布式電源與產消者的接入，DNO盈利模式與角色正發(fā)生根本改變，如圖6所 示［20］。同 時，DNO將 承 擔 主 動 網 絡 管 理（active network management，ANM）職能并提供多元化的靈活性服務，其角色將逐漸發(fā)展為配電系統(tǒng)運營商（distribution system operator，DSO）。這一轉變使得DSO的決策更加面向用戶，更好地管理本地分布式電源與負載，同時提供低碳且靈活的服務，且可避免非必要的電網投資。目前，探索輸電系統(tǒng)運營商（transmission system operator，TSO）和DSO的交互接口（TSO/DSO interface），實現(xiàn)不同公司的互相協(xié)同和支持是英國電網發(fā)展的重要趨勢。

圖6 DNO向DSO轉型的角色轉變與發(fā)展趨勢Fig.6 Role change and development trend of DNO towards DSO

4）從發(fā)電企業(yè)視角來看，自2021年起，所有發(fā)電企業(yè)必須參與可再生能源溯源（Renewable Energy Guarantees of Origin，REGO）認證計劃［21］，歐盟將該計劃稱之為Guarantees of Origin（GoOs），旨在讓消費者更加透明地知悉發(fā)電企業(yè)所發(fā)電力中可再生能源的比例。

3.2 以創(chuàng)新作為跨界聯(lián)動的紐帶

創(chuàng)新作為各級電力系統(tǒng)組織機構的紐帶，將政府、監(jiān)管機構、電力企業(yè)與用戶緊密聯(lián)系，從技術、政策、商業(yè)、服務等多維度塑造創(chuàng)新環(huán)境，下面從3個方面對英國電力系統(tǒng)的創(chuàng)新戰(zhàn)略進行梳理。

1）政府加大創(chuàng)新投資力度。2015年秋，英國政府承諾在5年內將用于能源創(chuàng)新的資金投入翻倍至40億英鎊［22］，其中政府的直接投資包括：出臺《The Clean Growth Strategy》，斥資25億英鎊用于低碳技術、系統(tǒng)與商業(yè)模式創(chuàng)新［23］；成立能源系統(tǒng)創(chuàng)新中心（Energy Systems Catapult）和離岸可再生能源技術創(chuàng)新中心（Offshore Renewable Energy Catapult），斥資12億英鎊鼓勵采用全系統(tǒng)戰(zhàn)略加速能源系統(tǒng)低成本的零碳轉型；斥資5.5億英鎊加速清潔能源技術的商業(yè)化與創(chuàng)新；以及斥資2.46億英鎊發(fā)起法拉第挑戰(zhàn)（Faraday Challenge），使英國在未來的電池技術創(chuàng)新中保持優(yōu)勢地位等。各創(chuàng)新平臺都強調研發(fā)創(chuàng)新既要有戰(zhàn)略高度，又要以市場為導向，同時形成企業(yè)與科研院所一體的創(chuàng)新網絡和鏈條以實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新［24］。同時，政府投資也關注勞動力市場以及低碳行為等社會經濟領域的創(chuàng)新，例如啟動了零排放目標下的再培訓提升計劃以及引領行為習慣的良性改變等［25］。

2）Ofgem制定創(chuàng)新規(guī)則。通過設置基于收 益（revenue）＝激 勵（incentives）＋創(chuàng) 新（innovation）＋產出（outputs），簡稱RIIO的價格控制規(guī)則，監(jiān)管大不列顛電網公司的收益和定價，同時鼓勵競爭與創(chuàng)新，以確保電價合理并不斷為用戶提供新產品與新服務。通過RIIO規(guī)則將收益的一定比例作為創(chuàng)新資金，形成網絡創(chuàng)新促進機制（network innovation stimulus，NIS），促進英國電網及氣網相關企業(yè)向高能效、強韌性、高靈活性及零碳轉型。NIS主要包含分別針對電網企業(yè)和氣網企業(yè)的兩大能源網絡創(chuàng)新競賽（network innovation competitions，NICs）［26］以 及 一 個 能 源 網 絡 創(chuàng) 新 津 貼（network innovation allowance，NIA）［27］。

3）能源網絡公司積極創(chuàng)新。由電力網絡及天然氣管網企業(yè)形成的非營利性行業(yè)協(xié)會（energy network association，ENA）提出了“共創(chuàng)未來能源網絡”計劃，其中與電力網絡密切相關且最具代表性的戰(zhàn)略計劃是“開放電網戰(zhàn)略”（open networks project，ONP）［28］，促進所有電網企業(yè)提供適應零碳轉型的智能化、靈活性服務，從ESO開始，到各配電網公司之間的協(xié)調，再到配電網與本地規(guī)模較大的能源系統(tǒng)的協(xié)調，進而到電力與其他能源行業(yè)之間的協(xié)調，實現(xiàn)全行業(yè)的轉型評估，確立長-中-短期目標；建立行業(yè)規(guī)范使得分布式可再生能源（風電和太陽能）與多元化負荷（電動汽車和大規(guī)模家用熱泵）盡可能便捷地接入配電網，重點關注靈活性服務、標準化數(shù)據協(xié)議、DNO向DSO轉型以及全系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃等功能的實現(xiàn)。

4 關鍵發(fā)展領域

為了2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)以及2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放的宏偉計劃，英國電力系統(tǒng)形成全系統(tǒng)-全鏈條系統(tǒng)集成創(chuàng)新戰(zhàn)略，如圖7所示，其中關鍵的發(fā)展領域如下所述。

圖7 英國電力系統(tǒng)零碳轉型中的關鍵發(fā)展領域Fig.7 Key development areas in zero-carbon transition of electric power system in the UK

4.1 安全與韌性

在后化石燃料時代，提供安全可靠且具有韌性的電力服務至關重要。在學術界，英國負責科研創(chuàng)新的工程與自然科學研究委員會（EPSRC）在其2019年發(fā)展規(guī)劃中將韌性（resilience）與高效、互聯(lián)、健康作為未來10年英國建設全球最富創(chuàng)新經濟體的4個關鍵詞［29］。在工業(yè)界，英國國家電網ESO負責保障當意外寒流、新能源過?；螂娬竟收习l(fā)生時的電網穩(wěn)定運行，相應采取的一系列措施包括：①利用火電機組的靈活性，同時規(guī)劃建設電網級電化學儲能，實現(xiàn)頻率管理；②與發(fā)電企業(yè)通力合作，確保電壓波動不超限，實現(xiàn)電壓管理；③通過使大型輪機保持旋轉以保障慣量；④采取頻率響應、旋轉備用、臨時運行備用相結合的措施確保系統(tǒng)備用。

當前及未來英國電力系統(tǒng)中的主要技術和與之可提供的輔助服務匯總如圖8所示，該圖根據文獻［30］進行了修改。預計未來可通過基于大工商業(yè)、智能家居及電動汽車入網（vehicle-to-grid，V2G）的需求響應，抽水蓄能、電池、壓縮空氣儲能等不同儲能技術，以及未來燃氣耦合碳捕集、燃氫輪機等多種能源技術的協(xié)調互濟，確保系統(tǒng)的韌性與安全運行。在現(xiàn)階段，基于生物質與燃氣的火電機組仍將作為重要的系統(tǒng)備用。

圖8 英國電力系統(tǒng)主要能源技術與可提供輔助服務的能力匯總Fig.8 Summary of major energy technologies and their capabilities to provide auxiliary services in electric power system in the UK

4.2 架構與層次

英國電力系統(tǒng)向零碳未來轉型的主要趨勢是以電為核心，實現(xiàn)多能源、多層次、多維度的系統(tǒng)集成的整體架構發(fā)展，如圖9所示，具體呈現(xiàn)三大特征。

圖9 英國電力系統(tǒng)架構多層次-多維度的關鍵發(fā)展領域Fig.9 Multi-level and multi-dimensional key development areas in architecture of electric power system in the UK

1）清潔和融通主導的去碳化和電氣化。英國首相鮑里斯·約翰遜提出的綠色工業(yè)革命十點計劃中有七點與電氣化密切相關，通過發(fā)展風電、核電增加清潔能源供應，同時通過推廣熱泵的供熱電氣化、加速向電動汽車轉型的交通電氣化、基于住宅節(jié)能與智能化改造的用能高效化等一系列措施，進一步明確了電氣化與電力系統(tǒng)在轉型中的作用和定位。英國政府BEIS相應出版戰(zhàn)略性指導文件《能源白皮書》，進一步明確了電力、燃氣、交通電氣化、供熱電氣化等多部門融通的能源系統(tǒng)低碳發(fā)展路徑，試圖通過多部門耦合增強全系統(tǒng)靈活性并與歐洲大陸互聯(lián)互濟形成規(guī)模效應，在實現(xiàn)碳減排的同時最小化可再生能源高間歇性帶來的風險、最大化能源利用效率與效益。

2）物理和信息耦合的數(shù)字化和智能化。推廣普及智能電表是英國電力系統(tǒng)向智能化發(fā)展的重要舉措［31］。通過先進智能電表與智能電價機制鼓勵用戶更多地參與電力系統(tǒng)轉型、形成新的靈活性資源，如通過利用谷電為電動汽車充電節(jié)約成本，同時鼓勵本地富余的新能源上網實現(xiàn)增收，實現(xiàn)物理與信息系統(tǒng)的耦合。2020年6月英國政府發(fā)布全國性加速智能電表安裝的新計劃，并預計每年為零碳轉型節(jié)約超過160億英鎊的成本。截至2020年9月，全英國住宅與小工商業(yè)用戶累計安裝智能電表（smart/advanced metering）超過2 000萬只［32］。

3）本地到跨國協(xié)同的層次化。英國電力系統(tǒng)采取“大互聯(lián)”與“本地化”多層次協(xié)同的全系統(tǒng)方法。在跨國電力互聯(lián)網層面，在目前已與法國、荷蘭、愛爾蘭互聯(lián)的累計容量達4 GW基礎上，進一步計劃與比利時、挪威、丹麥新建電力聯(lián)網，同時擴容與法國、愛爾蘭的電力互聯(lián)［33］。

在輸電網層面，2020年英國實現(xiàn)15%的終端能源來自可再生能源，超過30%的電力來自可再生能源，且這一比重還將繼續(xù)增大，其中可再生能源絕大部分來自海上風電。因此，進一步強化主干輸電網與海上風電的互聯(lián)將至關重要。同時，Ofgem建議將現(xiàn)有隸屬于National Grid的ESO完全獨立為ISO以適應未來發(fā)展需求，目前仍在探討之中。此外，TSO與DSO的交互接口將成為能否充分發(fā)揮系統(tǒng)靈活性的關鍵環(huán)節(jié)。

在配電網層面，未來將加大配電網的投資力度，同時加速從現(xiàn)有被動式DNO向主動式DSO轉型，通過創(chuàng)新市場設計提供全新能源服務，未來依靠本地能源系統(tǒng)提供電力系統(tǒng)平衡與靈活性服務，從而實現(xiàn)全網穩(wěn)定且韌性的運行。重點發(fā)展本地端對端能源交易市場，同時探索“光伏＋電池”的社區(qū)能源模式，利用電池匹配光伏出力的間歇性，預計2030年70%的屋頂光伏系統(tǒng)將配備電池［20］。

在本地能源系統(tǒng)層面，自2018年，英國政府啟動能源革命繁榮挑戰(zhàn)（prospering from the energy revolution challenge，PFER），斥資超過1億英鎊探索智慧的本地能源系統(tǒng)（smart local energy system）［34］。通過在本地實現(xiàn)電、氣、熱、交通、儲能、數(shù)據管理等領域的耦合協(xié)同，提供更加靈活、更加清潔、低價并高效的本地能源服務。重點關注基于區(qū)塊鏈技術的虛擬電廠、基于太陽能驅動的熱化學跨季節(jié)儲熱、電動汽車智能充電、本地智慧熱泵與智慧儲熱耦合系統(tǒng)、端對端能源交易平臺軟件、智慧住宅能源管理系統(tǒng)等技術。

英國地方政府和相關企業(yè)亦非常關注本地能源的發(fā)展。地方政府層面，威爾士政府領導了一個由電網企業(yè)、發(fā)售電企業(yè)、地方政府和高校組成的“本地虛擬私有網絡”（local virtual private network）工作組，在北威爾士地區(qū)利用公共電網促進可再生能源的就地消納，制定了涵蓋技術、商業(yè)模式和政策法規(guī)在內的綜合創(chuàng)新方案［35］。作為企業(yè)方面的一個典型案例，Power Transition公司在其建設和開發(fā)的Corby居民社區(qū)建設了包含屋頂光伏、電池儲能、季節(jié)性熱儲能和地源熱泵等在內的本地能源系統(tǒng)，并參與了PFER的概念設計項目，開發(fā)了基于分布式賬本技術的端對端能源交易和社區(qū)微網管理系統(tǒng)［36］。

4.3 政策與市場

在市場建設方面，未來10年英國電力系統(tǒng)的投資規(guī)模巨大，迫切需要設計一個能夠以最低的成本來激勵低碳能源和網絡投資的市場機制。同時，風能和太陽能的高間歇性也亟需功能更加完善的輔助服務市場。因此，政府（BEIS）、監(jiān)管機構（Ofgem）與ESO多方協(xié)同，致力于參考容量市場（capacity market）的發(fā)展經驗，建設靈活性市場與慣性市場，以及通過氫能耦合交通與供熱實現(xiàn)以較低的成本提供靈活性資源，從而應對可再生能源出力的不確定性。

在政策方面，未來非常規(guī)（甚至極端）氣候事件愈發(fā)不可避免，政策導向也將從減緩氣候變化逐漸過渡到減緩與適應氣候變化并重，迫切需要提升電力系統(tǒng)的靈活性和韌性。英國能源研究中心（UK Energy Research Centre，UKERC）2020年最新版年度能源政策評述指出“如何保障電力系統(tǒng)在高不確定環(huán)境下提供安全穩(wěn)定的電力服務”是下一年政策工作的首個要點［37］。新冠疫情期間電力負荷驟減，ESO不得不在配電網大量切除分布式小型機組并將位于Sizewell B的核電站出力下調50%，為此花費高達5億英鎊，同時放大了英國電力系統(tǒng)存在多年的問題，即尚缺少監(jiān)管控制配電網分布式機組的配套機制。為確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定且經濟運行，小型機組應當被允許和鼓勵參與電力市場與靈活性市場。

同時，能源監(jiān)管機構（Ofgem）在通過RIIO調控電價及各電力系統(tǒng)利益相關方的利益分配時面臨風電項目進度、疫情影響等巨大的不確定性外部環(huán)境。Ofgem批準了多項“保底”資金，并預備多項“不確定性”資金，同時各利益相關方都對將更多資金用于創(chuàng)新和研發(fā)表示歡迎。盡管可能不存在完美的解決方案，但加大靈活性資源的投資力度具有廣泛共識。同時，能源政策的前瞻性和連續(xù)性必須得到重視，建議采用“實事求是”（pragmatism）與“邊干邊學”（learning-by-doing）的模式。

4.4 社會科學

成功的轉型離不開全社會的共同參與，同時轉型的成功必須做好全民需求、社會發(fā)展、能源公平三者的權衡與協(xié)同。英國政府努力營造多種多樣途徑保障公民在能源轉型中的參與度，主要包括以下4個方面：

1）鼓勵發(fā)展以社區(qū)為單位的本地能源系統(tǒng)，通過參與零售市場的競爭，促進零碳轉型成本更加合理地攤派至各利益相關方，居民和工商業(yè)用戶公平地均攤轉型成本。

2）普及智能家居與智能住宅能源管理系統(tǒng)，通過住宅能效提升以及智能家居普及的補貼計劃，創(chuàng)造機會為居民降低能源費用并減排。

3）促進用能行為的積極改變，特別是當僅僅依靠調低電價不能有效改變用戶行為時。Ofgem于2017年開始試行OPT-IN Switching Trials，研究發(fā)現(xiàn)通過社交媒體宣傳及加強與用戶的溝通，可有效促進用戶積極地改變用能行為。同時，Ofgem聯(lián)合專業(yè)機構在先進智能電表推廣方面開展大量社會滿意度的調研［14］。

4）加大保障轉型公平的支持力度，通過開展能源 企 業(yè) 義 務（energy company obligation，ECO）計劃，加強住宅采暖補貼（warm home discount，WHD）計劃與綠色住宅（green homes grant）計劃的實施力度。

5 經驗與啟示

當前英國電力系統(tǒng)轉型在減排量、安全性和經濟性方面均取得顯著成效。據CarbonBrief最新報道，2020年英國年度溫室氣體排放創(chuàng)紀錄地下降了11%（疫情也是一個重要因素），全英溫室氣體排放水平已降至1990年的51%，完成2050年凈零排放目標的一半［38］。同時，其工商業(yè)及居民平均售電價格約為0.175英鎊/（kW·h），在歐洲屬于平均水平，略低于歐盟15國的中位數(shù)［39］。從系統(tǒng)平均中斷頻率指數(shù)（SAIFI）與系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時間指數(shù)（SAIDI）來看，英國電力系統(tǒng)的可靠性在歐洲居于前列［40］。

盡管如此，2019年8月9日英格蘭與威爾士地區(qū)由于燃氣機組與海上風電機組連續(xù)跳機引發(fā)大規(guī)模的停電事故，暴露出一直以來備受關注的問題，即高比例可再生能源電力系統(tǒng)的慣性下降及其導致的系統(tǒng)整體可靠性的降低。Ofgem針對該事件的官方評估報告給出提升系統(tǒng)韌性的建議包括：①評估ESO應對突發(fā)事件的預案并加強發(fā)電機組的可靠性檢測；②評估并提升分布式發(fā)電對DNO和ESO的價值；③評估并更新負荷切除預案［41］。

總體而言，上述轉型進展得益于英國電力系統(tǒng)采用全系統(tǒng)集成創(chuàng)新的總體戰(zhàn)略，通過政策、市場、技術與社會等多維融合，形成有導向、有計劃、有方法的行動方案。

5.1 注重系統(tǒng)集成

英國電力系統(tǒng)采取包括3個層面在內的系統(tǒng)集成戰(zhàn)略。

1）多能源系統(tǒng)集成。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設以發(fā)-輸-配-用的縱向延伸為主；而能源安全、環(huán)保低碳和科技進步的因素使得能源電力的供需模式逐漸發(fā)生變革。構建未來以電為主、多能融合、互補利用的綜合能源系統(tǒng)，實現(xiàn)各能源優(yōu)化配置和高效低碳利用，在未來能源格局中搶占先機，已成為包括英國在內的主要發(fā)達國家的戰(zhàn)略共識［42］。英國政府一方面大力推進海上風電建設，另一方面通過積極推進終端電力與交通、供熱耦合，挖掘多能源集成系統(tǒng)中的靈活性資源。

中國正處于能源轉型的關鍵階段，構建電力、燃氣、石油、煤炭與新能源等多種能源系統(tǒng)之間協(xié)調互濟的綜合能源系統(tǒng)可打通不同能源子系統(tǒng)間的技術、市場以及體制壁壘；通過形成“多進多出”的能源體系，有助于降低對單一能源的依賴度從而提升能源安全性；通過多個能源子系統(tǒng)間的協(xié)調與多能相互轉換，有助于破解新能源消納的難題；通過跨領域交叉的協(xié)同創(chuàng)新，有助于突破能源科技創(chuàng)新的瓶頸；最終有效推動能源生產和消費的戰(zhàn)略轉型。

2）本地能源與廣域互聯(lián)相協(xié)調。在沒有一種“靈丹妙藥”能完全解決“能源三難”困境的情況下，結合“大互聯(lián)”和“本地化”的全系統(tǒng)方法將是應對未來全球能源挑戰(zhàn)的必由之路［43］。二者相輔相成，在廣域層面通過跨區(qū)域甚至跨國的電力互聯(lián)，因地制宜地發(fā)揮西部、北部地區(qū)新能源資源富集的優(yōu)勢，持續(xù)建設清潔能源基地并提升新能源消納和跨區(qū)輸送能力，改善可再生能源在空間上分布不均造成的問題。同時，在大能源系統(tǒng)框架下可借鑒英國強化本地能源的理念，通過大力支持本地聚集商發(fā)展、降低用戶參與輔助服務市場（如頻率響應市場）的容量準入門檻、促進用戶從傳統(tǒng)用能者轉型為產消者（prosumer）等措施，增強用戶側的轉型參與度，同時開發(fā)具有自我管理能力的本地能源管理單元，在實現(xiàn)本地電力平衡的同時支撐大電力系統(tǒng)的零碳轉型。

3）物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)耦合。英國電力系統(tǒng)將數(shù)字化與智能化作為重要發(fā)展方向，通過大力推廣智能電表力圖實現(xiàn)全民能源數(shù)據的獲取與管理，并取得可喜進展。中國電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展方興未艾，如何將電力系統(tǒng)的數(shù)字化與智能交通、智慧家庭、智慧園區(qū)，以及智慧城市、智慧農村等多方協(xié)同從而創(chuàng)造效益有待進一步探索［44］。目前，通過將電力系統(tǒng)數(shù)字化與數(shù)字新基建相呼應，開展多站合一、共享桿塔、多表合一及智慧路燈等新模式、新業(yè)態(tài)的探索均是有益嘗試。與此同時，實現(xiàn)數(shù)字化要求打破能源系統(tǒng)中各要素之間的行業(yè)壁壘，迫切需要政府各部門的協(xié)調和推動。

5.2 配電網是電力系統(tǒng)零碳轉型的關鍵環(huán)節(jié)之一

配電網是未來能源網絡建設的核心環(huán)節(jié)之一，零碳轉型對配電網提出了3個方面的新要求：①結構模式方面，電力系統(tǒng)從電能單向流動逐漸轉變?yōu)殡p向互動，大量分布式電源與新型負荷的接入對配電網的承載能力和靈活性提出新要求；②智能發(fā)展方面，配電網端終端采集與狀態(tài)感知能力的實時性和安全性不足，難以適應未來智慧能源網絡、智慧城市等工作的推進；③市場機制方面，英國電力系統(tǒng)致力于探索從DNO向DSO的角色轉變，在電力雙向互動的新結構中強化未來開展新業(yè)務、提供新服務的能力。為滿足上述新要求，英國預計投資3億英鎊用于升級配電網［45］。

中國輸電網技術被業(yè)內認為是世界領先的，長期以來中國投資都存在“重輸輕配”的現(xiàn)象［46］，導致配電網信息化、智能化水平相對較低，市場過于封閉，適應新業(yè)務模式的能力有待加強，亟須進一步提升配電網數(shù)字化、智能化水平，引領多能耦合新模式、培育新業(yè)態(tài)、創(chuàng)造新價值，從服務模式、功能技術、市場政策等多維度上推動配電網的轉型升級。2015年以來，黨中央、國務院對配電網建設改造工作做出了部署，在2015—2020年間配電網建設改造投資將不低于2萬億元。2020年配電變壓器信息采集覆蓋率達到100%，智能電表覆蓋率達到95%［47］。

5.3 政策與市場積極引導

英國電力與能源系統(tǒng)轉型的成功離不開政策與市場的積極引導。2019年3月發(fā)布的“海上風電產業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃”提出在2030年前實現(xiàn)海上風電裝機容量30 GW，為英國提供30%以上的電力。通過制定目標清晰且計劃明確的政策，從而保障英國在未來的國際海上風電創(chuàng)新中保持競爭力和領導地位。同時，英國政府將繼續(xù)采用RIIO模式監(jiān)管電網企業(yè)的收益，并確保其提供高效的能源服務。該模式通過定價機制的動態(tài)調整，對電網企業(yè)當前及未來投資的總體策略進行有計劃的引導和調整。2013年生效的RIIO-1于2021年3月到期，目前已完成新一輪RIIO-2的部分定價策略的商議與制定［48］。總體上，英國電力系統(tǒng)通過政策積極引導，以確保容量市場的快速調整與輔助服務市場的迅速發(fā)展，促進DNO向DSO轉型及其定位、新商業(yè)模式與市場機制的及時更新。

英國始終致力于電力市場的改革升級，中國可根據自身需求，通過創(chuàng)新來開發(fā)適合自己的改革發(fā)展模式，為推進能源轉型，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》并承認了能源的商品屬性，提出破除投資主體所有制限制、突出競爭與監(jiān)管并重等開放性理念，更加堅定了能源市場化方向［49］。一方面通過建立市場化機制，使用價格信號可有序引導電力系統(tǒng)向清潔零碳穩(wěn)步發(fā)展［50］；另一方面還需加大研發(fā)力度，通過技術創(chuàng)新手段降低成本，利用新技術保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)有序推進能源轉型。

5.4 以人為本與創(chuàng)新驅動

零碳轉型需要全社會的共同參與，英國政府從以人為本的角度出發(fā)開展了大量工作。在轉型過程中不僅致力于提供排放和成本更低的能源服務，同時兼顧轉型成本分攤的公平性、發(fā)展的不平衡性等，創(chuàng)造更多的綠色能源就業(yè)崗位。

英國一直以來都十分注重電力與能源領域的創(chuàng)新，以確保其在氣候變化與電力能源方面的領先地位。在工業(yè)界，英國由Ofgem制定創(chuàng)新規(guī)則，通過RIIO將能源企業(yè)收益的一定比例作為創(chuàng)新資金，鼓勵競爭與創(chuàng)新。在學術界，英國采用跨部門-跨學科交叉的全系統(tǒng)研究戰(zhàn)略（interdisciplinary whole systems research landscape），提 出“泛 能 源 系 統(tǒng)”（wider definition of energy system）的理念，內容覆蓋能源技術、基礎設施、組織架構、政策市場等多個方面，重點梳理能源系統(tǒng)各部門、各學科的重點研究領域，注重基礎研究、應用研究與示范相結合，注重設備研發(fā)與模型數(shù)據研究相補充，構建全英能源研究網絡，同時積極參與歐盟及全球合作創(chuàng)新［51］。通常，能源領域的創(chuàng)新并非一蹴而就，需要構建長效的創(chuàng)新機制和長時間的積累。因此，在創(chuàng)新政策方面，需要保持連貫性與全面性；在創(chuàng)新投入方面，需要保持充足性與連續(xù)性，從而促成全行業(yè)積極參與的創(chuàng)新環(huán)境。

6 結語

電力系統(tǒng)在能源零碳轉型中發(fā)揮著至關重要的引領作用。英國政府在電力系統(tǒng)轉型方面開展了大量先驅性工作。本文首先簡要回顧了英國在氣候變化、能源與溫室氣體排放方面的政策，同時分析了英國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，進一步詳細介紹了英國電力系統(tǒng)以創(chuàng)新為紐帶、跨界聯(lián)動的零碳轉型總體戰(zhàn)略，并從安全與韌性、架構與層次、政策與市場、社會科學4個層面梳理轉型過程中的關鍵發(fā)展領域，最后從系統(tǒng)集成、配電網的作用、政策和市場引導、以人為本的創(chuàng)新驅動4個方面歸納英國電力系統(tǒng)轉型的成果和經驗，旨在對中國電力系統(tǒng)在制定“30·60目標”下轉型路徑時有所啟示。

應當指出，中英兩國在碳排放交易、系統(tǒng)集成、需求側響應以及配電網運營等方面的轉型發(fā)展思路上存在相似之處，同時兩國的資源稟賦、資源總量、經濟社會發(fā)展階段、科技水平以及電力系統(tǒng)構架均有差異，有必要在未來研究中進一步就中英兩國電力系統(tǒng)零碳轉型發(fā)展趨勢的異同點作對比探討。