碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警研究框架

劉思捷，白楊，陳中飛，宋慧，吳國炳，蔡秋娜，趙越

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600)

能源是人類發(fā)展賴以生存和發(fā)展的核心要素之一，也是關(guān)乎國家經(jīng)濟命脈、民生大計、國家安全和國際政治的重要戰(zhàn)略對象。當(dāng)前，世界能源正在經(jīng)歷化石能源低碳化、可再生能源規(guī)模化、能源配置市場化、能源管理智能化的能源革命[1]。在中國，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)熱潮推動形成了以電力行業(yè)為核心的能源電力產(chǎn)業(yè)鏈，并向著智能、融合、開放、共享的方向發(fā)展[2]。然而，一方面能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)鏈條長，跨行業(yè)信息融合度差，容易出現(xiàn)漏洞導(dǎo)致各環(huán)節(jié)的供需風(fēng)險、市場風(fēng)險在產(chǎn)業(yè)鏈上下游傳導(dǎo)；另一方面，當(dāng)前能源電力產(chǎn)業(yè)鏈智能化的監(jiān)測預(yù)警手段仍局限于各環(huán)節(jié)內(nèi)部，全鏈條的跟蹤、分析、預(yù)測和協(xié)調(diào)過程主要依靠人工，常常需要多次迭代，反復(fù)協(xié)調(diào)。以廣東省為例，其作為南方電力負荷中心、電力改革的先行地區(qū)，面臨能源電力供應(yīng)風(fēng)險與電力市場風(fēng)險的雙重挑戰(zhàn)。能源電力產(chǎn)業(yè)鏈全環(huán)節(jié)預(yù)警方法研究和系統(tǒng)開發(fā)迫在眉睫。

能源預(yù)警是指發(fā)現(xiàn)能夠威脅能源安全的潛在因素，進而采取措施消除危險，確保能源產(chǎn)業(yè)安全的行動。能源預(yù)警評價指標(biāo)體系是對能源產(chǎn)業(yè)評價的依據(jù)[3]。建立完整的、動態(tài)的能源產(chǎn)業(yè)評價指標(biāo)體系，才能對能源系統(tǒng)做出科學(xué)的評估，并最終實現(xiàn)能源預(yù)警。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者和研究機構(gòu)從不同的角度出發(fā)提出了諸多指標(biāo)體系[4]。

早期的能源預(yù)警關(guān)注能源供應(yīng)的穩(wěn)定以及經(jīng)濟價格的合理性，因此，影響一次能源穩(wěn)定供應(yīng)的政治、資源稟賦、運輸以及價格等因素經(jīng)常被研究人員重點關(guān)注并以此為核心構(gòu)建指標(biāo)體系。文獻[5]從資源、運輸、政治、經(jīng)濟和軍事這5個影響資源安全的方面入手，初步組成了涵蓋14項指標(biāo)的資源安全評估指標(biāo)體系。文獻[6]則進一步選取了煤炭、電力、石油和綜合這4個子系統(tǒng)的54個預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建了中國能源預(yù)警指標(biāo)矩陣，并運用主成分分析法和二階回歸方法建立了中國能源預(yù)警模型，對中國能源的安全狀況進行了測度。此后，在氣候變化的背景下，部分學(xué)者開始關(guān)注環(huán)境安全的因素，在常規(guī)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上擴充了環(huán)境維度。如文獻[7]建立了涵蓋災(zāi)變、效益、供需、環(huán)保、效率的能源安全監(jiān)測系統(tǒng)。而后，文獻[8]從能源供給、需求管理、能源效率、經(jīng)濟、環(huán)境、人類安全、軍隊、社會文化、公共關(guān)系、技術(shù)、國際關(guān)系和公共政策多個維度，分別選取定性和定量指標(biāo)構(gòu)建了針對亞洲區(qū)域的能源安全指標(biāo)評價體系。文獻[9]則指出文獻[8]仍不夠全面，在廣泛的專家意見調(diào)查的基礎(chǔ)之上，將能源安全預(yù)警的維度拓寬至20個維度，共200余個指標(biāo)。隨著預(yù)警指標(biāo)體系研究維度的不斷增加，龐大而全面的預(yù)警體系的缺點初見端倪，例如短期預(yù)警靈敏性不足，對區(qū)域級省級等局部范圍內(nèi)能源供需緊張預(yù)警的能力不足。部分能源子領(lǐng)域的學(xué)者轉(zhuǎn)向?qū)ｎ}性的預(yù)警評價體系研究，即對能源系統(tǒng)涉及的代表性專題領(lǐng)域制訂相應(yīng)的指標(biāo)體系，例如能源短期供應(yīng)、能源效率和能源可持續(xù)發(fā)展等。在建設(shè)能源多元供應(yīng)體系和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，以電力行業(yè)為中心的能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的安全預(yù)警開始受到關(guān)注。文獻[10]構(gòu)建了能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的中長期電力需求預(yù)警理論框架。文獻[11]則考慮惡劣天氣對電力系統(tǒng)安全的威脅，基于改進決策樹算法，提出了電力氣象預(yù)警方法。

2018年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)發(fā)布《全球升溫1.5 ℃特別報告》提出碳中和。隨后幾年，碳中和逐漸成為全球共識，目前已有包括中國在內(nèi)的28個國家實現(xiàn)或承諾碳中和，另有99個國家正在討論碳中和目標(biāo)。中國承諾在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。

我國能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的碳排放約占全國CO2排放的40%[12]，同時電力需求還將持續(xù)增長。在碳達峰、碳中和目標(biāo)下，能源電力行業(yè)將徹底擺脫對化石能源的依賴，以煤炭為主的一次能源將加速讓步于以太陽能、風(fēng)能、水能為主的清潔能源[13-15]；但是，太陽能與風(fēng)能發(fā)電具有間歇性、波動性，高比例的可再生能源上網(wǎng)將給電網(wǎng)運行帶來挑戰(zhàn)[16]。此外，隨著碳排放權(quán)市場[17](簡稱“碳市場”)建設(shè)試點運行，未來能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的投資、規(guī)劃與運行被劃定嚴(yán)格的碳約束邊界。因此，可以預(yù)見在碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警研究面臨新內(nèi)涵、新目標(biāo)、新方法和新的邊界。

為了應(yīng)對碳中和給能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警帶來的挑戰(zhàn)，本文提出碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警研究框架。首先闡述了碳中和背景下，能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警研究面臨的新目標(biāo)和新內(nèi)涵，介紹新背景下預(yù)警的要素、原則和一般方法。在此基礎(chǔ)之上，考慮新能源消納、碳排放、供需平衡、電力市場與碳市場等因素，搭建碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的預(yù)警指標(biāo)框架，總結(jié)預(yù)警建模方法的相關(guān)研究思路，建立能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)框架。

1 碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警要素分析

1.1 碳中和背景下預(yù)警的目標(biāo)與內(nèi)涵

能源電力產(chǎn)業(yè)鏈上下游風(fēng)險及傳導(dǎo)如圖1所示，主要包括以下幾類風(fēng)險。

一次能源供應(yīng)風(fēng)險：能源電力產(chǎn)業(yè)鏈上游的天然氣、煤炭等一次能源供給受國內(nèi)外經(jīng)濟大環(huán)境影響較大，可能出現(xiàn)供應(yīng)量受限、價格持續(xù)攀升等問題。

圖1 能源電力產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險傳導(dǎo)Fig.1 Risk transmission diagram of energy and power industry chain

碳市場風(fēng)險：碳市場為排放權(quán)市場，政府的碳排放量預(yù)期與實際碳排放量出入過大，或市場機制不夠完善，將導(dǎo)致碳市場價格過高，市場秩序被擾亂。

常規(guī)機組運行風(fēng)險：一次能源供應(yīng)緊張問題將拉高電廠燃料購買成本，若電力系統(tǒng)無有效的成本傳導(dǎo)機制，則電廠可能采取少發(fā)電或不發(fā)電策略，暫緩或少購入高價一次能源，進而導(dǎo)致機組因缺燃料而發(fā)電受限；電廠或調(diào)度對機組的檢修管理安排不當(dāng)，或氣候環(huán)境惡劣，也可能造成機組發(fā)電受限的運行風(fēng)險；另外，在碳中和背景下，碳排放額緊張，碳價較高，可能導(dǎo)致燃煤機組發(fā)電成本升高，同樣產(chǎn)生機組發(fā)電成本難以疏導(dǎo)的問題。

新能源機組運行風(fēng)險：在新型電力系統(tǒng)中，新能源裝機容量占比較高，保障新能源有效發(fā)電尤為重要。對于新能源機組來說，惡劣或異常天氣可能導(dǎo)致新能源機組無法按預(yù)測發(fā)電；另外，新能源機組的選址、對電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃不合理，也可能導(dǎo)致新能源機組出現(xiàn)棄電、發(fā)電受限等問題。

電網(wǎng)運行風(fēng)險：電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃未與負荷發(fā)展相適應(yīng)以及市場主體惡意競爭，可能導(dǎo)致電網(wǎng)阻塞；突發(fā)的惡劣天氣可能造成電網(wǎng)故障，進而導(dǎo)致電網(wǎng)運行風(fēng)險。

電力平衡風(fēng)險：電力難以大規(guī)模存儲，需滿足發(fā)用實時平衡是電力系統(tǒng)的典型特征。機組發(fā)電無法滿足用戶需求，以及機組運行問題、惡劣氣候造成負荷急劇變化及輸配電網(wǎng)運行問題，都可能導(dǎo)致電力平衡風(fēng)險增大。

電力市場風(fēng)險：若電力系統(tǒng)具備電價傳導(dǎo)機制，則一次能源供應(yīng)風(fēng)險和碳市場價格抬升風(fēng)險可直接傳導(dǎo)至電力市場，導(dǎo)致電力市場價格急劇拉升。機組運行風(fēng)險、輸配電運行阻塞風(fēng)險、電力市場平衡風(fēng)險都可能造成部分機組具備市場力并行使市場力，導(dǎo)致電力市場價格異常。

能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的本質(zhì)是對系統(tǒng)未來可能出現(xiàn)的風(fēng)險和危害進行預(yù)測與警示。預(yù)警工作是安全界定與預(yù)測工作的延伸。從能源電力的流向路徑來看，能源電力產(chǎn)業(yè)鏈包含一次能源供應(yīng)、發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節(jié)；從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，能源電力產(chǎn)業(yè)鏈包括一次能源供應(yīng)商、可再生能源發(fā)電商、發(fā)電公司、電網(wǎng)公司、售電公司和用戶等不同主體。能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的目的，是為了在未來一段時間內(nèi)監(jiān)測影響產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)、交易、運輸和消費等環(huán)節(jié)的風(fēng)險，確保產(chǎn)業(yè)鏈不會出現(xiàn)供需緊張和交易異常，保證系統(tǒng)安全運行。

已有的研究主要關(guān)注一次能源的穩(wěn)定供應(yīng)，然而在碳中和背景下，發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為了新目標(biāo)，影響能源電力產(chǎn)業(yè)鏈安全的因素已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，高比例可再生能源的安全消納成為了主要矛盾，新能源消納的監(jiān)測與預(yù)警需要被納入能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的目標(biāo)中。另一方面，碳中和背景下，全國碳排放權(quán)交易配額的實施與碳市場的加速推廣運行，使得能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的運行受到碳邊界的嚴(yán)格約束，因此預(yù)警也需要同時考慮碳排放與碳交易。由以上2個方面可知，在新背景下，能源電力安全內(nèi)涵擴展為在碳約束條件下，以新能源為主體的能源電力系統(tǒng)的供需平衡。

能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警研究的基本方法是通過預(yù)警的要素分析和目標(biāo)原則，建立一套科學(xué)、合理、敏感地反映碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)Ш獾念A(yù)警指標(biāo)體系，并通過數(shù)據(jù)分析和指標(biāo)計算對未來一段時期影響產(chǎn)業(yè)鏈安全的風(fēng)險進行預(yù)警，確定相應(yīng)的預(yù)警等級，發(fā)出預(yù)警信號。

1.2 預(yù)警的要素分析

能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的基本要素包括警義、警兆、警源幾個方面[18]。

1.2.1 明確警義

警義即警情的含義，明確警義是預(yù)警的前提。能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的警情是指系統(tǒng)的不正常狀態(tài)或即將出現(xiàn)風(fēng)險和危害，其本質(zhì)上就是供需不平衡，所有影響供需不平衡的因素均可視為預(yù)警的警情。需對警情進行明確的定義(例如碳排放總量超過一定數(shù)值，可再生能源消納率低于一定比例，系統(tǒng)備用率低于某個數(shù)值等)，同時明確警情相關(guān)指標(biāo)的閾值，從而構(gòu)建預(yù)警識別系統(tǒng)。

1.2.2 尋找警源

警源是警情產(chǎn)生的根源，是能源電力系統(tǒng)運行過程中已經(jīng)存在的病兆，大體上可以分為供需因素、環(huán)境因素和市場因素。

供需因素是能源電力預(yù)警最為核心的內(nèi)容之一，包括供與需2個方面[19]。主要因素有能源資源量和資源等級、資源需求量、庫存量、儲備量、地區(qū)平衡度等。

環(huán)境因素是能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的重要因素，環(huán)境問題在近年來備受關(guān)注，能源電力與環(huán)境問題息息相關(guān)。環(huán)境因素大體包括SO2、煙塵、PM2.5等有害物質(zhì)的排放限制，以及碳中和背景下CO2的排放限制。

市場因素是影響能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的重要因素，包括一次能源價格、電力市場力和電力市場價格、碳市場價格等[20]。

有時候警情是在多個警源的作用下發(fā)生，可以進行相關(guān)分析，進一步鎖定引發(fā)警情的警源。

1.2.3 分析警兆

警兆是指系統(tǒng)發(fā)生異常變化導(dǎo)致警情爆發(fā)之前出現(xiàn)的先兆。能源電力預(yù)警的警兆表現(xiàn)為在能源電力經(jīng)濟活動中可能出現(xiàn)的重大問題，例如：高耗能產(chǎn)品增長過快帶來的能源消費增長不合理；區(qū)域可再生能源的投資過剩、運營不當(dāng)導(dǎo)致棄電率高、年利用小時數(shù)低等現(xiàn)象；關(guān)停小煤礦、小電廠后新能源電廠建設(shè)沒有跟上，導(dǎo)致能源供應(yīng)不足或偏緊的情況；新能源的低運行成本、定價不合理導(dǎo)致電力市場價格扭曲等等[21]。

1.3 建立預(yù)警指標(biāo)體系的原則與一般過程

碳中和背景下，能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警描述預(yù)警時段新能源消納是否正常，碳排放余量是否緊張，電力供需是否平衡，電力市場與碳市場是否公平合理運行。系統(tǒng)地構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)體系應(yīng)遵循科學(xué)性、動態(tài)性、靈敏性、易得性原則。指標(biāo)體系的建立需要遵循一定的方法論，科學(xué)地設(shè)計指標(biāo)體系框架和指標(biāo)層次，同時還要根據(jù)社會經(jīng)濟、政策方向、能源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)劃、電力市場的發(fā)展，動態(tài)地分析監(jiān)測能源電力產(chǎn)業(yè)鏈運行狀況。所選擇指標(biāo)能夠及時、準(zhǔn)確地反映能源電力產(chǎn)業(yè)鏈安全的變化，起到警報器的作用。選取的指標(biāo)必須能夠及時獲取，真實可靠。預(yù)報的信號應(yīng)明確，判斷要簡單，直觀實用。建立預(yù)警指標(biāo)體系的原則與一般過程如圖2所示。

2 碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警指標(biāo)框架

基于碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的新目標(biāo)和新內(nèi)涵，本文提出的能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警指標(biāo)框架如圖3所示。對于碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警指標(biāo)的研究可以分為3個方面，分別是供需方面、市場方面和環(huán)境方面。

2.1 供需方面預(yù)警

2.1.1 可再生能源消納

可再生能源行業(yè)的發(fā)展瓶頸已經(jīng)從技術(shù)裝備和開發(fā)建設(shè)能力約束，向能源電力系統(tǒng)消納能力和運行機制制約方面轉(zhuǎn)變[22]。在碳中和背景下，可再生能源裝機容量加速增長，在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，可再生能源的消納情況將極大地影響能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的安全運行。為了科學(xué)定量評估并預(yù)警不同地區(qū)新能源消納水平，可以綜合考慮以下幾個指標(biāo)：

a)棄電率——可再生能源棄電量與可再生能源規(guī)劃發(fā)電量(可再生能源發(fā)電量與棄電量之和)之比，能夠反映不同地區(qū)可再生能源棄電程度。

圖2 建立預(yù)警系統(tǒng)的一般過程Fig.2 The general process of setting up an early warning system

圖3 碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警指標(biāo)框架Fig.3 Early warning index framework of energy and power industry chain under carbon neutrality background

b)年利用小時數(shù)——平均發(fā)電設(shè)備容量在滿負荷運行條件下的年度運行小時數(shù)，即年發(fā)電量與平均裝機容量之比，反映不同地區(qū)可再生能源發(fā)電設(shè)備利用率。

c)可再生能源消納比重——本地區(qū)消納的可再生能源電量，在本地區(qū)全社會用電量的比重，反映該地區(qū)消納可再生能源電量的能力和水平。其中，本地區(qū)消納可再生能源電量為本地區(qū)可再生能源發(fā)電量加上/扣減跨省區(qū)可再生能源受入/外送電量。

2.1.2 電力系統(tǒng)供需平衡

電力系統(tǒng)供需平衡是電網(wǎng)最重要的預(yù)警對象。長期、宏觀的因素(電力消費增長率、電網(wǎng)規(guī)劃輸送容量、裝機容量增長率等)能夠為電力系統(tǒng)的長期平衡提供預(yù)警，電力供需比與電力平衡趨勢指數(shù)能夠為短期平衡提供預(yù)警指標(biāo)。在碳中和背景下，大量可再生能源帶來的波動性導(dǎo)致電網(wǎng)短期平衡受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

a)電力供需比——電力供應(yīng)量與電力需求量之比，主要反映電力供應(yīng)量和需求量之間的平衡狀態(tài)，是描述電力系統(tǒng)供需平衡狀態(tài)最關(guān)鍵的指標(biāo)。

b)電力平衡趨勢指數(shù)——現(xiàn)時段電力供需比(代表當(dāng)前的電力供需平衡情況)與上一時段電力供需比(代表原有的電力供應(yīng)平衡情況)之比，反映電力平衡變化的趨勢。短時間內(nèi)電力平衡趨勢指數(shù)的下降意味著電網(wǎng)即將面臨電力供應(yīng)緊張的危險。

c)負荷變化因子——某一時段內(nèi)最大負荷、平均負荷的差值與平均負荷之比，主要反映電力負荷變化對電力系統(tǒng)安全供應(yīng)的影響大小，是影響我國電力中短期供應(yīng)安全性和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電力系統(tǒng)的一個重要特征，是負荷變化具有一定的周期性，且短期內(nèi)的變化可能非常顯著。

d)電網(wǎng)輸送能力因子——反映電力輸變電能力的綜合評價指標(biāo)。該指標(biāo)受到多方面因素影響，包括：電網(wǎng)輸送容量越大，說明電網(wǎng)輸送能力越強；電網(wǎng)線損率越小，說明電網(wǎng)輸送能力越強；此外還有電網(wǎng)建設(shè)投資率和電網(wǎng)運行安全度等。

2.2 環(huán)境方面預(yù)警

2.2.1 碳排放預(yù)警

燃煤電廠是我國最大的碳排放源頭之一，是能源電力產(chǎn)業(yè)鏈上碳排放監(jiān)測與管理的最重要對象。建立燃煤電廠的碳排放預(yù)警是碳中和背景下的必然趨勢。

a)碳排放量——一段時間內(nèi)(如一個月內(nèi))電廠的累積碳排放量，是電廠碳排放體量直接衡量指標(biāo)，也是影響電廠每年碳排放權(quán)配額多少的參考因素。

b)單位電量碳排放強度——單位機組發(fā)電量所產(chǎn)生的CO2氣體量，能夠反映電廠節(jié)能減排的水平。

c)碳排放權(quán)余量——一段時間內(nèi)電廠所獲免費碳排放配額，加上已獲得的中國核證自愿減排量(China certified emission reduction，CCER)，扣除碳排放量，其監(jiān)測結(jié)果將作為電廠計算碳成本從而安排發(fā)電機組和計劃的參考。

2.2.2 電力氣象預(yù)警

電力氣象預(yù)警對能源電力產(chǎn)業(yè)鏈安全預(yù)警的作用，主要體現(xiàn)在揭示以下2個方面的氣象風(fēng)險：一是隨著氣候變化越發(fā)明顯，各類自然災(zāi)害發(fā)生的頻率也在增加，氣象災(zāi)害對電力設(shè)備、電網(wǎng)安全運行的威脅越來越大；二是碳中和背景下，隨著分布式風(fēng)電和光伏等可再生能源裝機容量的不斷增長，復(fù)雜多變的氣象因素導(dǎo)致光伏風(fēng)電具有間歇性和波動性，氣象狀況對電力供應(yīng)的影響日益突出，電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)隨風(fēng)、跟云、逐光的特點。

a)電力設(shè)備的氣象災(zāi)害預(yù)警。電力設(shè)備大多暴露在大氣環(huán)境中，氣象災(zāi)害是對其運行安全的最大威脅。不同的災(zāi)害事件影響設(shè)備的機理方式、時間長短和作用范圍存在差異：雷電的主要危害是過電壓導(dǎo)致導(dǎo)線對地短路，過電壓波還會侵入到變電站，威脅電網(wǎng)設(shè)備；臺風(fēng)帶來的強風(fēng)造成線路桿塔傾倒、線路斷線等損害；暴雨形成尖端水線，降低空氣間隙的放電電壓；覆冰對輸電線路的不利影響主要是過荷載、張力差(由不均勻覆冰或不同期脫冰導(dǎo)致)、絕緣子串冰閃、導(dǎo)線舞動；山火的主要危害是破壞導(dǎo)線的電氣外絕緣引起線路放電。

b)可再生能源發(fā)電的氣象預(yù)警。風(fēng)力發(fā)電直接受到風(fēng)速的影響，滿足貝茲理論：當(dāng)風(fēng)速位于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時，風(fēng)電機組處于降額輸出功率狀態(tài)，機組輸出功率是風(fēng)速的二次函數(shù)。除風(fēng)速外，影響風(fēng)電機組出力的因素還有氣溫、氣壓2個氣象因素。光伏發(fā)電遭受惡劣的氣象因素沖擊較小，其發(fā)電功率與太陽輻射的變化趨勢同步，太陽輻射越強，光伏發(fā)電功率越大，因此影響光伏電站出力的因素包括云量、日照時間、相對濕度、能見度等。

c)負荷的氣象預(yù)警。影響負荷的氣象因素主要是氣溫與降雨，如采暖和降溫的負荷、灌溉和排漬負荷等等。電力負荷往往在極端氣溫下達到峰值，并且具有明顯的季節(jié)性變化特征。忽略其他隨機因素，可將年高峰負荷分為基礎(chǔ)負荷和氣溫敏感負荷，分別對其進行分析以提高負荷預(yù)警準(zhǔn)確度。

2.3 市場方面預(yù)警

2.3.1 碳市場預(yù)警

目前我國主要的碳排放權(quán)一級市場發(fā)放手段仍然是政府免費配置，已有多個試點實行少量碳排放配額競價發(fā)放機制，但實施配額競價的量占總配額的比例依然很小[23]。在二級市場上大多數(shù)交易所都會有3種交易機制，分別是掛牌點選、協(xié)議轉(zhuǎn)讓、競價轉(zhuǎn)讓[24]。由于碳排放權(quán)的計劃分配屬性，碳市場力的風(fēng)險存在的概率較低。碳市場的預(yù)警主要包括碳價預(yù)警、碳市場供需預(yù)警。

a)碳價波動——碳價增長或下降的幅度。碳中和背景下，碳排放配額總量必然呈逐步收緊趨勢。監(jiān)測碳價的波動十分重要：碳價增幅過高時將影響工業(yè)企業(yè)產(chǎn)量，限制國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展；碳價過低時將損傷高能源利用率的企業(yè)，有弊于碳中和目標(biāo)。

b)碳排放權(quán)供需平衡。影響碳排放權(quán)供需平衡的因素眾多。從供給角度看：碳排放配額總量的縮緊趨勢直接減少了碳排放權(quán)的供給；CCER數(shù)量的增加會在一定程度上增加碳排放權(quán)的供給。從碳排放配額需求看：石油、煤炭、天然氣等能源價格的變化對碳排放權(quán)的需求起關(guān)鍵作用，呈現(xiàn)負相關(guān)性，能源價格降低將使碳排放權(quán)需求上升；新能源的使用與推廣對化石能源起替代作用，降低碳市場的需求；減排技術(shù)的進步將降低碳排放權(quán)的需求。綜合來看，碳排放配額總量的收緊與新能源的推廣將是造成碳市場供需波動的主要因素。

2.3.2 電力市場風(fēng)險預(yù)警

電力市場風(fēng)險預(yù)警對象主要包括價格波動風(fēng)險、市場力風(fēng)險和主體信用風(fēng)險。電力市場力風(fēng)險是指發(fā)電商采取限制出力、制造阻塞、利用市場結(jié)構(gòu)缺陷等手段，造成短時間內(nèi)電價較大地偏離市場出清價格的行為。電力市場的價格波動則直接反映了電力市場的風(fēng)險。市場主體信用風(fēng)險是參與市場的主體由于各種原因所可能產(chǎn)生的違約風(fēng)險。

a)電價波動風(fēng)險。電價的波動受到諸多因素的影響，能夠反映電力供需和電網(wǎng)運行緊張的程度、范圍和時間，最直觀地表現(xiàn)在價格波動的幅度、范圍和持續(xù)的時間3個方面，其中價格漲幅是比較敏感的指標(biāo)。國內(nèi)多數(shù)電力市場尚未采用分時分區(qū)電價，但對電價波動范圍和波動時間的監(jiān)測結(jié)果能夠反映價格波動造成的危害程度，對現(xiàn)貨市場預(yù)警具有十分重要的意義。

b)市場力風(fēng)險。行使市場力將直接導(dǎo)致電價升高、電價尖峰甚至電力危機爆發(fā)。發(fā)電商行使市場力的行為往往很難通過某一方面的指標(biāo)反映。從科學(xué)性、動態(tài)性和敏感性原則出發(fā)，市場力風(fēng)險的指標(biāo)應(yīng)該包含市場結(jié)構(gòu)、市場行為和市場績效3個方面。

在市場結(jié)構(gòu)方面，最小/最大市場份額比是指發(fā)電商將全部容量以最高價格競價獲得的最小市場份額，與其以低價競價獲得的最大市場份額之比。最小/最大市場份額比越大意味著發(fā)電商將價格提高時市場份額減少的程度越小，發(fā)電商的市場力越大。必須運行率是指發(fā)電商必須運行出力占其可發(fā)電容量的比例，其值越高，發(fā)電商的市場力越大。

在市場行為方面，申報容量持留度能夠反映發(fā)電商對電量供應(yīng)的控制程度。邊際機組形成率是指發(fā)電商形成邊際機組的時段占全部競價時段的比例，其值可以判斷發(fā)電商在市場中行使市場力的水平。申報最高限價中標(biāo)率是指發(fā)電商申報了最高限價并中標(biāo)的次數(shù)與申報次數(shù)的占比，其值較大時市場力也較大。

在市場績效方面，Lener指數(shù)可用于度量市場出清價格與發(fā)電商邊際成本偏離程度，Lener指數(shù)越大，市場的競爭程度越低，發(fā)電商操縱市場價格的能力越大。市場化交易電量占總用電量的比值，描述了發(fā)電側(cè)市場主體參與市場化交易的積極性，反映了競爭的程度，指標(biāo)越大，則說明參與市場化交易的電量越多，參與競爭的市場主體也越多，說明市場競爭也越激烈。

c)主體信用風(fēng)險。隨著電力市場交易類型的多元化，電力市場主體類型更加多樣化，將為電力市場帶來更多風(fēng)險；因此，防范市場主體帶來的風(fēng)險，電力市場主體信用風(fēng)險的監(jiān)測與預(yù)警變得更有必要。主體信用風(fēng)險預(yù)警主要監(jiān)控對信用風(fēng)險影響較大的指標(biāo)，同時又不侵犯主體的隱私信息(例如企業(yè)資質(zhì)、信用記錄數(shù)、電費結(jié)算及時性、償債能力、盈利能力、市場份額、報低價比例、報價相對比、持留比例，低價中標(biāo)率等)。

d)輔助服務(wù)市場風(fēng)險。在碳中和背景下，新能源裝機容量占比較高，而新能源發(fā)電的波動性、隨機性、間歇性要求電力系統(tǒng)提供更多的靈活性爬坡資源、備用資源等，加大了輔助服務(wù)市場的運行風(fēng)險。輔助服務(wù)市場風(fēng)險預(yù)警主要監(jiān)測輔助服務(wù)資源的充裕性、價格波動性，如結(jié)合天氣情況和歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測新能源發(fā)電的置信區(qū)間及輔助服務(wù)資源的供應(yīng)情況，從而計算輔助服務(wù)的供需比及輔助服務(wù)價格波動的幅度、范圍和時間。

3 能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警模型與系統(tǒng)開發(fā)

3.1 預(yù)警模型

能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警模型的建模思路主要有自上而下型、自下而上型和混合型。

自下而上型思路一般通過局部或下層指標(biāo)的監(jiān)測，觸發(fā)上層預(yù)警，進而發(fā)布能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的全局預(yù)警。缺點在于只能進行垂直式的觸發(fā)，無法反映風(fēng)險因子在指標(biāo)體系中的傳遞。例如，當(dāng)碳排放權(quán)余量過低時，只會觸發(fā)碳排放預(yù)警，但由于風(fēng)險傳遞的時滯特性，很有可能會引起碳排放權(quán)供需緊張和碳價上漲，從而約束發(fā)電廠的發(fā)電計劃，引起電力供需失衡。

自上而下型思路通常以宏觀預(yù)測分析方法為基礎(chǔ)，以發(fā)電預(yù)測、負荷預(yù)測、價格預(yù)測為紐帶，集中表現(xiàn)能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)與消費的平衡關(guān)系。例如，根據(jù)電力平衡趨勢指數(shù)的預(yù)測結(jié)果，能夠得知能源電力產(chǎn)業(yè)鏈即將面臨的供需失衡警情，從而做出預(yù)警部署。然而此時其他方面的指標(biāo)(如電價、碳排放約束)監(jiān)測還未出現(xiàn)異常；因此，自上而下型方法雖能夠較為靈敏地發(fā)現(xiàn)警情，但缺乏對能源電力產(chǎn)業(yè)鏈運行內(nèi)部的技術(shù)描述，較難鎖定警源。

混合型則結(jié)合上述2種思路的優(yōu)點：一方面，市場方面、環(huán)境方面和供需方面的各種指標(biāo)之間存在較強的相關(guān)性，通過時滯相關(guān)性分析，提取主成分，剔除指標(biāo)相互之間的交叉因素，量化各指標(biāo)對能源電力產(chǎn)業(yè)鏈警情的超前、滯后關(guān)系；另一方面，結(jié)合宏觀預(yù)測預(yù)警和各層指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果確定警情，提高預(yù)警的準(zhǔn)確度，同時鎖定警源。此外，使用決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[25]、支持向量機等機器學(xué)習(xí)方法，通過學(xué)習(xí)已經(jīng)被打分的先驗知識，進行是否預(yù)警或預(yù)警級別的分類訓(xùn)練，訓(xùn)練得到的模型能夠?qū)χ笜?biāo)數(shù)據(jù)進行全局的預(yù)警和預(yù)警級別分類。

3.2 預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)框架

結(jié)合前述內(nèi)容，碳中和背景下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)如圖4所示，包含安全管理、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)管理、指標(biāo)檢測、模型計算和預(yù)警發(fā)布6個模塊。

a)數(shù)據(jù)接入層通過一定渠道收集預(yù)警分析所需數(shù)據(jù)(如新能源場站數(shù)據(jù)、其他類型電廠數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電力市場和碳市場數(shù)據(jù))，并在系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)庫或云端數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲。

b)數(shù)據(jù)管理層能夠?qū)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行常規(guī)的預(yù)處理工作，解決數(shù)據(jù)錯漏、冗余等問題，能夠進行基本的數(shù)據(jù)查找、修改、添加、刪除的操作。

c)指標(biāo)監(jiān)測層包含根據(jù)多組指標(biāo)計算式和所建立的指標(biāo)體系，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，計算并監(jiān)測相應(yīng)指標(biāo)的數(shù)值。

d)模型計算層的功能是根據(jù)各項指標(biāo)計算結(jié)果的組合分析，得到能源電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)評估的預(yù)警結(jié)果，包含多種預(yù)警模型方法，包括關(guān)聯(lián)性分析法、預(yù)測分析法、專家評價法和機器學(xué)習(xí)等。

e)預(yù)警發(fā)布層的功能是根本不同的預(yù)警目標(biāo)選擇不同的預(yù)警模型，并根據(jù)模型計算結(jié)果發(fā)布或解除預(yù)警。

f)安全管理層需要實現(xiàn)對所有系統(tǒng)用戶角色及權(quán)限進行管理，以及對數(shù)據(jù)進行加密與備份。

4 結(jié)束語

碳中和背景下，能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警系統(tǒng)面臨高比例可再生能源的波動和嚴(yán)格的碳排放約束兩大挑戰(zhàn)。本文提出了新形勢下能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警的研究框架，從預(yù)警的目標(biāo)、要素、原則和一般過程出發(fā)，從市場、環(huán)境和供需3個方面，建立系統(tǒng)的能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的預(yù)警指標(biāo)框架，并總結(jié)預(yù)警模型的研究思路，提出預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)框架，為能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警方法和系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)提供參考。但能源電力產(chǎn)業(yè)鏈涉及一次能源供應(yīng)、源網(wǎng)荷儲等多方主體，且碳中和背景催生了虛擬電廠、儲能、微網(wǎng)等新興主體，以及多樣化的商業(yè)模式，賦予了能源電力產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險預(yù)警新的任務(wù)和目標(biāo)。后續(xù)應(yīng)根據(jù)碳中和相關(guān)政策、市場、資源環(huán)境的變化，及時更新能源電力產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險預(yù)警的內(nèi)涵，量化碳中和對能源電力產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險預(yù)警的約束和要求。

圖4 能源電力產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)警系統(tǒng)框架Fig.4 Early warning system framework of energy and power industry chain