國際電工委員會《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書解讀

舒印彪，范建斌，李 群，胡 浩，李琳嶙，魏欣宇，

（1.中國電機工程學會，北京市 100032；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇省南京市 211103；3.國際電工委員會國際標準促進中心（南京），江蘇省南京市 211135）

0 引言

全球氣候環(huán)境變化會造成自然災害頻發(fā)并導致社會經(jīng)濟損失，減少溫室氣體排放已成為社會各界的共識［1］。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）在第六次專題報告中指出，穩(wěn)定溫室氣體濃度需要能源供應系統(tǒng)徹底轉型［2］。能源產(chǎn)業(yè)是世界最大的碳排放源頭，2021 年能源產(chǎn)業(yè)溫室氣體排放量占世界溫室氣體排放總量的76%［3］，控制能源產(chǎn)業(yè)碳排放量已成為各國努力實現(xiàn)凈零碳排放的關鍵著眼點。

許多國家和地區(qū)均制定了能源產(chǎn)業(yè)減排目標。124 個國家承諾到2050 年實現(xiàn)凈零排放，另有13 個國家計劃在2050 年后實現(xiàn)這一目標［3-5］。中國也力爭于2030 年前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值、2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標。在全球能源行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放中，電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放總量占比在40%以上。因此，電力行業(yè)脫碳是減少溫室氣體排放的關鍵［6-9］。

零碳電力系統(tǒng)，即零碳排放量的電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，將在供給側、電網(wǎng)側、消費側發(fā)生革命性變化。為應對零碳電力系統(tǒng)轉型過程中面臨的重大挑戰(zhàn)，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）下設的市場戰(zhàn)略局（Market Strategy Bureau，MSB）發(fā)布《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書，旨在闡述為什么需要零碳電力系統(tǒng)，零碳電力系統(tǒng)與現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的區(qū)別，以及如何實現(xiàn)零碳電力系統(tǒng)。

基于上述現(xiàn)狀，本文首先對《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書發(fā)布背景進行介紹［1］；然后，從發(fā)電與并網(wǎng)互聯(lián)、電力傳輸、電力儲能、數(shù)字化等方面闡述了現(xiàn)有IEC 標準化工作；最后，對零碳電力系統(tǒng)標準化發(fā)展需求進行了展望，為后續(xù)零碳電力系統(tǒng)各方面的國際標準制定及修訂提供參考。

1 白皮書發(fā)布背景

MSB 成立于2008 年11 月，與標準管理局（Standardization Management Bureau，SMB）和合格評定局（Conformity Assessment Bureau，CAB）一起并列為IEC 的三大核心管理機構。其主要職責包括:1）根據(jù)市場和技術趨勢，向IEC 提供戰(zhàn)略建議；2）識別IEC 相關領域的未來技術發(fā)展趨勢，提供有關快速發(fā)展的市場、行業(yè)趨勢、技術和環(huán)境發(fā)展的內(nèi)部和外部前沿信息；3）成立特別工作組（special working group，SWG）深入調查、研究某些主題或制定專門的文件。

MSB 由主席、秘書、行政官員和15 名來自相關產(chǎn)業(yè)的專家成員組成。成立之初，MSB 設召集人作為MSB 負責人。2022 年IEC 治理體系改革后，MSB 負責人由召集人改為主席，并由IEC 副主席兼任。MSB 成員現(xiàn)由15 名各國產(chǎn)業(yè)頂級專家組成，來自電力系統(tǒng)、電力政策、信息與通信技術、智能家居等領域。

MSB 主要交付內(nèi)容包括白皮書、技術/市場展望報告和社會技術趨勢報告。其中，白皮書是IEC發(fā)布的官方文件，由MSB 的專家組織編寫，圍繞技術趨勢、市場需求、行業(yè)挑戰(zhàn)和解決方案等，向利益相關者提供權威、可靠的信息和指導，促進電工領域技術發(fā)展和標準化，并為各國制定政策提供依據(jù)。截至2023 年底，IEC 已經(jīng)發(fā)布17 本白皮書，如表1所示，涵蓋儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、智慧城市等諸多領域。中國委員共發(fā)起編寫4 本白皮書，分別為《大容量可再生能源接入電網(wǎng)及大容量儲能的應用》《物聯(lián)網(wǎng):無線傳感器網(wǎng)絡》《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》和《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》。

表1 IEC MSB 發(fā)布的白皮書Table 1 White papers published by IEC MSB

技術和市場展望報告由MSB 成員個人發(fā)起編寫，側重于特定主題，為標準開發(fā)及科研相關人員提供指導。社會技術趨勢報告由SWG 編制，用倒推法收集和分析新興技術趨勢，為IEC 受眾提供新技術領域相關信息。

《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書旨在綜述全球電力系統(tǒng)轉型面臨的挑戰(zhàn)，探討未來發(fā)展趨勢，并闡述與零碳電力系統(tǒng)相關的技術，以及這些技術對IEC 及其標準化工作的意義。

2 零碳電力系統(tǒng)標準化需求框架

在實現(xiàn)零碳電力系統(tǒng)路徑過程中，標準可以發(fā)揮關鍵作用，確保互操作性、統(tǒng)一性和安全性。雖然存在一系列與零碳愿景相關的標準，但零碳電力系統(tǒng)需要更廣泛的新標準，以確保系統(tǒng)可靠、高效和彈性運行。所需標準涵蓋范圍廣泛，這些標準不僅必須支持電力系統(tǒng)本身的集成，還必須支持電力系統(tǒng)與能源消費者和電力系統(tǒng)能源服務的外部供應商之間的交互。鑒于零碳電力系統(tǒng)的巨大復雜性，需要采取系統(tǒng)性方法，《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書從發(fā)電與并網(wǎng)互聯(lián)、電力傳輸、電力ESS、數(shù)字化等方面闡述了現(xiàn)有IEC 標準化工作。

2.1 發(fā)電與并網(wǎng)互聯(lián)標準化工作

多種發(fā)電技術都有非常詳細的標準，目前IEC內(nèi)有若干技術委員會（technical committee，TC）及分委員會（sub-committee，SC）制定和維護相關標準:TC2、TC4、TC5、TC45 和TC85 分別關注 旋轉電機、水輪機、汽輪機、核動力設備和核技術相關標準；TC82、TC117 和TC180 分 別 關 注 光 伏 發(fā) 電 系統(tǒng)、太陽能熱電廠和太陽能相關標準；TC88 和TC114 分別關注風力發(fā)電系統(tǒng)和海洋能源發(fā)電相關標準。

促進電力系統(tǒng)互聯(lián)、實現(xiàn)新能源并網(wǎng)是推動零碳電力系統(tǒng)發(fā)展的基本要求。TC8 在電能供應系統(tǒng)方向制定標準，重點關注電力供應整體系統(tǒng)方面以及電能用戶在成本和質量之間的平衡。下設3 個SC（SC8A、SC8B、SC8C）和一個工作組（working group，WG）。SC8A 在可再生能源接入方向制定標準，側重于關注高比例的可再生能源接入對電網(wǎng)的影響；SC8B 關注分布式電能系統(tǒng)，包括虛擬電廠和微電網(wǎng)，主要負責制定安全、可靠和具有成本效益的分散式電能供應管理系統(tǒng)相關標準；SC8C 在互聯(lián)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡方向制定標準，負責互聯(lián)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡管理領域設計、規(guī)劃、運行、控制和市場整合方面的標準化工作，涉及系列標準信息網(wǎng)絡安全、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性量化評估和電力市場相關信息；WG11 為電能質量工作組，負責維護技術規(guī)范（technical specification，TS）和 標 準，即IEC TS62749 和IEC TS63222 系列標準。

TC13 負責交、直流電能測量和控制領域的標準化，包括智能電網(wǎng)的智能計量設備和系統(tǒng)。其中，電力計量設備WG 負責型式試驗、驗收試驗和產(chǎn)品安全；抄表、收費和負荷控制數(shù)據(jù)交換WG 負責制定電表數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議；智能計量功能和流程WG 負責在電力計量系統(tǒng)的范圍內(nèi)定義業(yè)務功能、業(yè)務流程和系統(tǒng)要素；聯(lián)合工作組（joint working group，JWG）16 負責制定城市信息模型（city information model，CIM）、設備語言報文規(guī)范（device language message specification，DLMS）和能源計量配套協(xié)議（companion specification for energy metering，COSEM）數(shù)據(jù)模型之間的路線；項目工作組（project team，PT）62057 負責制定電能表的設備、技術和程序標準。

2.2 電力傳輸標準化工作

TC115 負責制定高壓直流輸電領域（＞100 kV）標準，包括設計制造、技術要求、施工調試、可靠性以及運行維護。主要標準涉及高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性和可用性評估、高壓直流架空輸電線路的電磁性能、高壓直流輸電裝置資產(chǎn)管理、高壓直流工程系統(tǒng)設計、高壓直流系統(tǒng)操作程序指南、高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流側諧波及其濾波、高壓直流輸電-直流側設備的系統(tǒng)要求、高壓直流系統(tǒng)規(guī)劃、高壓直流換流站、基于電壓源換流器的高壓直流輸電方案的測試和調試、高壓直流電網(wǎng)系統(tǒng)和高壓直流輸電線路參數(shù)測量等多個方面。除此之外，低壓直流電系統(tǒng)委員會旨在為低壓直流電接入領域提供系統(tǒng)級的協(xié)調和指導。

特高壓交流輸電系統(tǒng)TC122 負責800 kV 及以上電壓等級的交流輸電技術領域標準化，包括制定系統(tǒng)設計、變電站和輸電線路設計、調試和維護等方向標準。標準主要涉及面向系統(tǒng)的規(guī)范，如規(guī)劃、設計、技術要求、施工、調試、可靠性、可用性、運行和維護等方面。

TC20 為絕緣電力和控制電纜及其附件和電纜系統(tǒng)的設計、測試和最終使用建議（包括電流額定值）制定國際標準，不包含SC18A 涉及的海底電纜以及用于通信、數(shù)據(jù)傳輸和其他非電力應用的電纜。TC20 主要負責制定維護電纜、附件和電纜系統(tǒng)的標準和通用測試方法，電纜燃燒特性相關的測試方法標準，以及與電纜的額定電流和短路限制相關的標準。

TC90 專門為超導材料與器件制定標準，下設11 個WG，涵蓋鈮鈦復合超導體的臨界電流測量、氧化物超導體的臨界電流測量、銅-鈮鈦和鈮錫復合超導體殘余電阻率的測試、復合超導體的拉伸試驗、復合超導體的基體組成比、鈮錫復合超導體的臨界電流測量、電子特性測量、超導導線交流損耗的測量、大塊高溫超導體的測量、臨界溫度測量、電流引線、實用超導線的一般特性、超導電子器件等多個方面。

2.3 電力系統(tǒng)ESS 相關標準

ESS 和電池相關標準工作主要集中在TC21、TC105 和TC120，其分別聚焦蓄電池、燃料電池和電能存儲系統(tǒng)相關標準。

蓄電池和電池組TC21 為蓄電池的化學成分、產(chǎn)品尺寸、性能測試、設計安全、型式試驗以及安裝、操作、維護和處置的安全規(guī)則制定標準，其下設堿性和非酸性蓄電池SC21A，負責除電動道路車輛用以外的所有電池芯和電池組的全部標準的制修訂，包括便攜式設備用、工業(yè)設備用、場地車輛用、不間斷電源用鋰離子電池芯和電池組的性能、規(guī)格、安全標準。TC35 負責制定原電池的標準，與SC21A 共同負責鋰離子電池安全運輸標準等。在TC108 電子產(chǎn)品安全TC 中，也涉及鋰離子電池相關標準工作，其主要負責制定電子產(chǎn)品用鋰離子電池安全相關的補充安全要求，如電池組外殼阻燃等級、宿主設備充放電管理等。

燃料電池TC105 下設8 個WG 及多個維護組，具體負責固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、交通工具用燃料電池系統(tǒng)、燃料電池動力系統(tǒng)、便攜式燃料電池系統(tǒng)、微型燃料電池系統(tǒng)、燃料電池輔助動力系統(tǒng)等相關標準的研究和制定，主要圍繞燃料電池模塊和系統(tǒng)展開。

TC120 涉及EES 領域的標準化，主要負責電網(wǎng)集成的EES 領域的標準化工作，以支持電網(wǎng)的要求。TC120 劃分WG 時，為了和TC8、TC21、TC22等工作內(nèi)容不沖突，主要負責ESS 接入電力系統(tǒng)方面的問題，而不關注ESS 設備。TC120 還關注EES和電力系統(tǒng)之間的相互作用。TC120 所述的電網(wǎng)包括輸電、配電、獨立電網(wǎng)、用戶側設備、智能電網(wǎng)等，作為EES 而對電網(wǎng)產(chǎn)生貢獻的鐵路系統(tǒng)，也在TC120 的工作范圍內(nèi)。EES 包括任何技術、任何類型的并網(wǎng)ESS，其既可以存儲來自電網(wǎng)或其他任何來源的電能，又可以向電網(wǎng)提供電能。制定的標準包括EES 的單元參數(shù)的定義、測試方法、規(guī)劃和安裝、環(huán)境問題和系統(tǒng)安全等。

2.4 電力系統(tǒng)數(shù)字化與安全相關標準

伴隨數(shù)字化技術在電網(wǎng)中的大量運用，電網(wǎng)正在向信息物理系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）［10-13］轉型，其可靠性不僅取決于大型物理基礎設施，也同樣取決于各種數(shù)字化設備?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)數(shù)字化相關標準工作主要集中在電能測量和控制TC13、TC23，電器能效SC23K 和電力系統(tǒng)管理及其信息交互TC57。此外，智慧能源系統(tǒng)委員會關注智能能源領域的標準化，以便為智能電網(wǎng)和智慧能源領域提供系統(tǒng)級標準化、協(xié)調及指導，物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生分技術委員會（ISO/IEC JTC 1/SC 41）及相關技術分委會關注IoT 和數(shù)字孿生領域的標準化。

與所有其他CPS 一樣，電力系統(tǒng)會經(jīng)受網(wǎng)絡安全威脅，并且隨著智能傳感設備的增加，電網(wǎng)安全風險與日俱增［14］。IEC 已經(jīng)制定了相關標準來應對電力網(wǎng)絡安全風險。TC57 和WG15 專門針對多種通信協(xié)議的安全性制定了相關標準。其中，IEC 62351系列標準對能源管理系統(tǒng)和能源相關數(shù)據(jù)的安全交換提供了詳細建議。該系列標準闡述了系統(tǒng)體系結構并明確了有效的對策，以保護數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性；IEC 61850 標準定義了變電站的通信協(xié)議；IEC 62351 標準有助于防止惡意攻擊和電源中斷，為保護通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)以及管理安全風險提供了指導方針。智慧能源系統(tǒng)委員會第三工作組（網(wǎng)絡安全SWG）在2019 年發(fā)布《智能能源運營環(huán)境的網(wǎng)絡安全和恢復力指南》（cyber security and resilience guidelines for the smart energy operational environment）技術展望報告，對網(wǎng)絡安全政策、程序和技術進行闡述。除此之外，SMB 下設6 個咨詢委員會，包含信息安全和數(shù)據(jù)隱私咨詢委員會，主要處理信息安全和數(shù)據(jù)隱私問題。

3 零碳電力系統(tǒng)標準化規(guī)劃展望

技術標準在促進電力系統(tǒng)演變和向零碳排放轉型中發(fā)揮著重要作用。目前已有的與零碳電力系統(tǒng)轉型相關的標準覆蓋了多個方面，但是尚未形成完善的標準體系，現(xiàn)有標準無法完全適應零碳電力系統(tǒng)快速發(fā)展的需要。隨著近年來新技術的發(fā)展和應用實踐，新技術的標準化工作迫在眉睫。

標準化需求面廣泛龐雜，本文提出典型的標準化需求。

3.1 新能源發(fā)電領域

如前所述，目前已有TC88、TC114 等關注風力發(fā)電系統(tǒng)和海洋能源發(fā)電相關標準，隨著水電智能化和鈣鈦礦光伏電池的使用，這兩個領域標準化工作亟待開展。

3.1.1 水電智能化

傳統(tǒng)水電具備發(fā)電、防洪、灌溉、航運等功能，通過蓄水抬高水位并將水的勢能和動能轉換成電能。水力發(fā)電在溫室氣體減排、能源利用可持續(xù)性、運行成本經(jīng)濟效益、提供電網(wǎng)轉動慣量和調節(jié)能力、灌溉防洪等功能方面具有不可替代的作用。但是傳統(tǒng)水力發(fā)電存在以下問題:1）在壩體管控方面，傳統(tǒng)水電對多維態(tài)勢深度感知、數(shù)據(jù)深度分析的能力不足，現(xiàn)場監(jiān)測、仿真分析與控制融合程度不足；2）在生產(chǎn)運行維護方面，傳統(tǒng)水電難以對操作合理性、設備健康狀況進行評估，不具備識別潛在故障和預測故障發(fā)生的能力；3）在水電靈活性方面，受傳統(tǒng)水電機組穩(wěn)定性和調速系統(tǒng)限制，調節(jié)容量和響應速度不足，尚未充分發(fā)揮自身靈活調節(jié)能力，抗擾動、抗風險能力不足。

智慧水電是促進零碳電力系統(tǒng)構建的堅實力量，其發(fā)展前景廣闊且意義重大。同時，水電技術已比較成熟，隨著技術和社會發(fā)展，國際上已開展智慧水電廠和水-風-光一體化發(fā)電基地的建設和示范。智慧水電主要包括水資源智能調度與利用、水電工程安全監(jiān)測及風險防控、水電工程智能建設、水電廠智慧生產(chǎn)、抽水蓄能、水-風-光多能互補發(fā)電、流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價等技術方向，以及其間的協(xié)同統(tǒng)一，旨在實現(xiàn)助力水電資源開發(fā)、提高水電廠綜合效益、依托靈活調節(jié)能力推動新能源大規(guī)模消納等作用。標準對智慧水電的發(fā)展有著重要的推進作用，可推動構建技術體系框架，加快智慧水電領域各技術方向的發(fā)展，并促進技術之間協(xié)調統(tǒng)一。當前，智慧水電的國際標準匱乏，其標準化工作剛剛起步，主要工作尚停留在概念模型和技術架構研究、技術標準缺失識別、標準體系研究等基礎研究階段。

3.1.2 鈣鈦礦光伏發(fā)電材料

現(xiàn)有市場的光伏電池主要為硅基光伏電池和多元化合物薄膜太陽能電池。硅基光伏電池主要指單晶硅、多晶硅和非晶硅光伏電池，這類電池發(fā)展較成熟，已在商業(yè)和民用領域得到廣泛應用，占據(jù)全球光伏市場的90%［15］，但是其光電轉換效率一般，且制作工藝復雜，制作過程涉及嚴重的環(huán)境污染問題，目前已經(jīng)出現(xiàn)轉化率提升瓶頸等問題。多元化合物薄膜光伏電池主要包括砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒光伏電池等，這類薄膜光伏電池的轉換效率較高，器件穩(wěn)定性較好，電池器件制備工藝簡單，但其使用的部分原材料嚴重污染環(huán)境并且儲備量很少，成本較高，阻礙了薄膜電池商業(yè)化和工業(yè)量產(chǎn)。

鈣鈦礦光伏電池自2009 年被提出以來取得了迅猛發(fā)展，屬于一種新型薄膜電池［16］。與傳統(tǒng)光伏電池相比，鈣鈦礦電池的光電轉換效率極高，理論上晶硅單結電池極限效率僅為29.7%，但是多結鈣鈦礦電池的理論效率超50%［17-18］。經(jīng)過十余年發(fā)展，2022 年底鈣鈦礦弱光組件轉化效率最高已達36%［19］。此外，鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)鏈較晶硅產(chǎn)業(yè)大幅簡化且能耗更低，生產(chǎn)鈣鈦礦組件單瓦能耗只有晶硅組件的1/10。

然而，鈣鈦礦電池的大規(guī)模商業(yè)化應用仍存在兩大關鍵阻力:1）大尺寸鈣鈦礦電池的轉換效率較低，目前轉換效率較高的鈣鈦礦電池尺寸均為實驗室級別，未達到商業(yè)化尺寸，增大電池尺寸勢必會增加薄膜制備難度，極易出現(xiàn)制備不均勻等問題，導致效率損失；2）鈣鈦礦電池的使用壽命較硅基電池壽命短，目前已報道的鈣鈦礦電池使用壽命最高的是纖納光電a 系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品可實現(xiàn)12 年產(chǎn)品材料與工藝質保，而相似使用環(huán)境下單晶硅電池壽命可達25 年。此外，鈣鈦礦材料十分敏感，溫度、濕度、光照、氧氣等環(huán)境因素都會對鈣鈦礦電池穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，進一步推廣光伏發(fā)電技術、提高光伏電池轉化效率需要突破材料設計、設備制造、工程應用等技術難關［20-23］。

3.2 ESS 領域

零碳電力系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是具有高比例間歇性和波動性的可再生能源與剛性負荷的矛盾。ESS 增加了電力系統(tǒng)的靈活性，提供了額外的能量儲備，并在提供合成慣性方面發(fā)揮了關鍵作用，這對于保持電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性至關重要。

3.2.1 機械ESS

機械ESS 利用勢能或動能的轉換，以最簡單的基本原理實現(xiàn)能量的儲蓄和釋放，適用于多種場景，隨著效率的提升和成本的下降，商業(yè)化推廣蓄勢待發(fā)。但ISO、IEC 目前尚無機械ESS 的TC。壓縮空氣ESS 不依賴化石燃料，可實現(xiàn)大規(guī)模能量吞吐，功率大。飛輪ESS 的特點是功率密度高、充放效率高、適應性強、啟動速度快，其容量和功率介于電力ESS 和電池之間，但放電比蓄電系統(tǒng)長，可在電網(wǎng)中提供短路能力。同時，機械ESS 具有壽命長、維護成本低，無放電深度效應、幾乎沒有退化、穩(wěn)定性好、環(huán)境足跡小、無污染，模塊化程度好等優(yōu)點，在全球范圍內(nèi)的商業(yè)應用及研發(fā)項目呈爆發(fā)式增長。為滿足電力供應系統(tǒng)中電源側、電網(wǎng)側、用戶側對ESS 的需求，規(guī)范產(chǎn)業(yè)鏈上游（設備、資源供應）、中游（技術提供與項目建設）、下游（電網(wǎng)系統(tǒng)），籌建相關TC 制定機械ESS 集成、項目建設、性能評估等國際標準迫在眉睫。

3.2.2 氫能

氫是宇宙中最豐富的元素，可以用作大規(guī)模的ESS 介質，代替電力為能源運輸提供解決方案。與氫相關的現(xiàn)有國際標準由ISO/TC 197 制定。但是，尚無氫能在電力系統(tǒng)中應用的相關標準，氫技術可以為電網(wǎng)提供一種新的靈活性重要負荷（電解水以產(chǎn)生氫氣），同時也是一種存儲/發(fā)電（在燃料電池中使用氫氣來發(fā)電）的形式。這些功能都將與電力系統(tǒng)運行和可變發(fā)電機的波動密切相關。為促進系統(tǒng)之間的連接并確保系統(tǒng)安全可靠運行，新的標準化工作勢在必行。

3.2.3 長時ESS

長時ESS 目前正處于發(fā)展初期，持續(xù)時長定義尚未統(tǒng)一。美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的《長時儲能簡報》認為，長時ESS 是持續(xù)放電時間不低于4 h的ESS 技術［24］，而美國能源部在支持長時ESS 的相關報告中將其定義為額定功率下至少連續(xù)運行（放電）10 h 的ESS［25］。根據(jù)技術特點，長時ESS 技術可分為機械ESS（抽水蓄能、壓縮空氣ESS）、儲冷儲熱和化學ESS（電池ESS、氫ESS）3 種。機械ESS 中的抽水蓄能是目前規(guī)模最大且技術最為成熟的長時ESS 技術，具有容量大、技術成熟、運行效率高、運行壽命長、維護費用低等優(yōu)點，但其對環(huán)境要求高并且建設周期相對較長；壓縮空氣ESS 通過空氣內(nèi)能與電能之間相互轉換實現(xiàn)儲能，具有周期長、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、投資相對較小等優(yōu)點。儲冷儲熱技術根據(jù)存儲方式不同，可分為顯熱、潛熱和熱化學儲熱3 類，目的是通過提高儲存熱量的能量密度和優(yōu)化熱能轉化、轉移過程以提高儲熱技術的效率和經(jīng)濟性［26-29］。

3.3 數(shù)字化領域

數(shù)字化正在影響人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。預計到2025 年，全球產(chǎn)生和使用的數(shù)據(jù)總量將從2020年的64.2 ZB 增至180 ZB［30］。電力系統(tǒng)的發(fā)展也遵循著類似的趨勢，隨著測量、通信、數(shù)據(jù)存儲分析技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在加速數(shù)字化轉型。數(shù)字化技術的引入將顯著改變電能生產(chǎn)、傳輸和使用方式，電力系統(tǒng)的運行將更加互聯(lián)、智能和高效［31］。圖1總結了正在或可能在電力系統(tǒng)價值鏈中應用的數(shù)字技術及其影響。

圖1 數(shù)字化技術對電力系統(tǒng)的影響Fig.1 Influence of digital technologies on power system

3.3.1 IoT/智能感知

IEC 將IoT 定義為“互聯(lián)的實體、人員、系統(tǒng)和具有服務的信息資源的基礎設施，用于處理和反映來自物理世界和虛擬世界的信息（IEV 741-02-01—2020，ISO/IEC 20924—2018，3.2.1 節(jié)）”。IoT 系統(tǒng)包括IoT 設備、IoT 網(wǎng)關、傳感器和執(zhí)行器（IEV 741-02-07—2020，ISO/IEC 20924—2018，3.2.7 節(jié)）。文獻［32］通過計算發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)中使用IoT 技術后，與前10 年相比可減少15%的全球碳排放量。

電力系統(tǒng)中與IoT 相關的另一個術語是“智能傳感”。智能傳感器被看作是電力系統(tǒng)運行中已存在多年的各種用于測量電壓和電流、可溶氣體、溫度等測量傳感器的演變。智能傳感器除了擁有設備物理狀態(tài)監(jiān)測功能外，還能夠實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的評估功能。據(jù)估計，2018 年電力行業(yè)約有250 億臺IoT 設 備，預 計 到2025 年，將 增 長 至750 億 臺［33］。IoT 和智能感知技術具有減少人工現(xiàn)場巡視成本、更快識別故障、提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)勢。IoT 技術可為電力系統(tǒng)提供的功能包括以下兩點:一是對電能消耗進行實時監(jiān)測和控制，例如，家庭可使用IoT技術密切監(jiān)控電能使用情況，高效控制供暖和制冷，政府可借助IoT 技術，使用遠程控制管理的方式將街燈轉換為“智能街燈”，根據(jù)交通和天氣狀況調整其功率損耗［34］；二是對輸配電設備進行管理和控制。IoT 技術可以實時反饋電力系統(tǒng)中各種設備的實時運行狀態(tài)和性能。通過有效整合通信和電力系統(tǒng)基礎設施資源，提高電力系統(tǒng)信息化水平，改善電力系統(tǒng)現(xiàn)有基礎設施利用效率，為電網(wǎng)輸電、變電和配電等環(huán)節(jié)提供重要技術支撐。

3.3.2 大數(shù)據(jù)和人工智能

電力系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)主要來源于大量的IoT 設備。人工智能和大數(shù)據(jù)可提高電力能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、控制、監(jiān)控、優(yōu)化、保護、檢修和維護效率。人工智能和大數(shù)據(jù)是實現(xiàn)“智能感知”系統(tǒng)的核心。智能感知系統(tǒng)包括測量物理量的前端傳感器和基于人工智能的核心算法，大數(shù)據(jù)和人工智能技術不僅可用于預測未來可再生能源發(fā)電，還可用于監(jiān)測系統(tǒng)主要設備的異常情況，改善系統(tǒng)主要設備的運行能效并提高效率。

邊緣計算技術也是大數(shù)據(jù)和人工智能技術中的重要一環(huán)，這是因為隨著數(shù)字電力系統(tǒng)中智能儀表和傳感器數(shù)量的增加，需要采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也成倍增加，集中處理數(shù)據(jù)經(jīng)濟可行性差。因此，有必要就地分析和處理數(shù)據(jù)，這樣只有少量數(shù)據(jù)會被上傳至服務器集中處理，數(shù)據(jù)處理的實時性將會大幅提高，同時中央服務器的運行壓力也會大幅減少。

3.3.3 智慧傳感

如上文所述，智能傳感器已廣泛應用于發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等電網(wǎng)領域。為了滿足日益增長的需求，全球市場上的制造商正在為用戶的各種需求提供不同的解決方案。但是，這些解決方案之間的差異阻礙了先進技術在全球市場的推廣，并限制了組件的互換性和兼容性。此外，不同的產(chǎn)品還需要制造商和研究機構進行大量的自主研發(fā)工作，導致設計效率低，運行維護成本高。

為了解決這些問題，有必要建立關于智能電網(wǎng)傳感器的可用性、兼容性、互換性、安全性、環(huán)境保護和經(jīng)濟性的國際標準。這些標準化工作將促進智能傳感器系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應用。未來的標準化方向可能來自以下幾個方面。

1）電網(wǎng)智能傳感通用標準。規(guī)范未來電網(wǎng)智能傳感系統(tǒng)的通用性和指導性標準，包括術語定義、規(guī)劃設計、架構、測試與評估、運行維護等標準。

2）電網(wǎng)智能傳感器相關標準。規(guī)范智能電網(wǎng)傳感器及相關智能終端設備，包括不同應用場景下智能傳感器的配置和安裝位置優(yōu)化，智能電網(wǎng)傳感器的驗證、功能和性能測試，以及智能終端、邊緣代理和計算設備。

3）電網(wǎng)智能傳感器網(wǎng)絡相關標準。規(guī)范電網(wǎng)智能傳感器網(wǎng)絡的相關標準，包括傳感器網(wǎng)絡在不同應用場景下的組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡接口規(guī)范、網(wǎng)絡測試等相關標準。

4）智能傳感器數(shù)據(jù)傳輸和電網(wǎng)信息建模相關標準。包括研究如何將終端使用的IoT 標準與涵蓋電氣設備之間通信協(xié)議的傳統(tǒng)IEC 61850 標準相結合，實現(xiàn)電網(wǎng)中多個數(shù)據(jù)源共享和互連，以及與網(wǎng)格傳感信息建模相關的標準。

5）電網(wǎng)智能傳感系統(tǒng)安全相關標準。對網(wǎng)格智能傳感器系統(tǒng)的環(huán)境安全、感知數(shù)據(jù)加密、入侵檢測等方面進行規(guī)范。

3.4 碳管理領域

3.4.1 碳捕獲、利用和儲存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技術

作為一項碳管理技術，CCUS 技術可以補償其他經(jīng)濟部門的碳排放，推動向零碳電力系統(tǒng)過渡。CCUS 是一系列旨在捕獲二氧化碳排放的技術，以防止二氧化碳排放進入大氣層和加劇溫室效應。從廣義上講，CCUS 包括以下幾個階段:1）碳捕捉，從源頭或者大氣層中捕捉二氧化碳并壓縮；2）碳運輸，通過管道、油輪或者其他多種運輸方式運輸二氧化碳；3）碳存儲，將二氧化碳封存在地下或者含水層永久存儲；4）碳利用，將捕獲后的二氧化碳應用于后續(xù)工業(yè)過程，如將二氧化碳轉化為肥料、塑料或者其他碳材料。使用CCUS 技術是許多零碳電力系統(tǒng)的重要特征。中國、美國、加拿大、澳大利亞和德國都制定了部署CCUS 的重大計劃［35］。

3.4.2 電力裝備碳足跡評價和生命周期評估

零碳電力系統(tǒng)需要在電力系統(tǒng)及其設備的整個生命周期內(nèi)仔細核算和管理碳排放。為了對電力系統(tǒng)進行碳管理和生命周期評估，需要開展以下工作:

1）計算電力系統(tǒng)碳足跡。在實現(xiàn)零碳電力系統(tǒng)的過程中，量化與電力系統(tǒng)運營相關的碳排放是非常必要的，且這些量化方法需要在各種電氣技術、電力系統(tǒng)操作方法和地理位置中具有兼容性、可比性和一致性。制定關于碳測量或碳核算的標準將是實現(xiàn)這一目標的關鍵。雖然ISO TC207 環(huán)境管理委員會已有關于生命周期碳評估的標準，但仍需要針對電子設備和零碳電力系統(tǒng)主要設備的標準。

2）構建綠色電力市場。綠色或零碳產(chǎn)品的交易是所有零碳電力系統(tǒng)的關鍵特征。雖然此類交易計劃在世界各地都存在，但通常是針對其運營國家/地區(qū)而量身打造的。因此，國際統(tǒng)一的綠色電力交易標準可以加速零碳電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3）開發(fā)CCUS 技術。CCUS 技術在防止傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的碳排放進入大氣層和消除大氣中現(xiàn)有的碳排放方面可能具有關鍵作用，從而有助于阻礙氣候變化。目前這一領域的標準由ISO TC265 二氧化碳捕獲、運輸和地質封存委員會制定。隨著這項技術的成熟，未來將可能需要進一步制定新標準。

3.5 電力氣象領域

在全球氣候變化背景下，近年來風光水資源稟賦變異和極端天氣事件明顯增多，天氣因素特別是氣象災害，對氣象驅動型能源供給和電力設備安全穩(wěn)定運行的威脅愈加凸顯，對全電社會發(fā)電、輸電、配電、用電、ESS 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)要素的影響日益顯著。隨著未來新能源接入電網(wǎng)比例進一步提高，將氣象因素對電力系統(tǒng)的影響進一步數(shù)字化、智能化，構建氣象智能化的氣候適應性電網(wǎng)可以輔助電網(wǎng)更好地承受和適應極端天氣事件的影響，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供更加安全、可靠、清潔、經(jīng)濟、可持續(xù)的電力供應，推動能源轉型、提高能效、促進節(jié)能減排。此外，風電、光伏等新能源發(fā)電設備大多地處偏遠地區(qū)曠野，環(huán)境惡劣且自然災害頻發(fā)，設備安全性受到嚴重考驗。需要圍繞強對流、洪澇、臺風、洪澇、地震、火災、低溫冰凍、覆冰舞動等災害，提升極端天氣下設備預警防御能力，實現(xiàn)災害防控治理、災前監(jiān)測預警、災情跟蹤應急、災后受損評估。目前，IEC已經(jīng)成立了極端氣候、環(huán)境和災害條件下的電氣設備標準化評估組SEG13，旨在開展電力設備在極端自然環(huán)境及災害防控方面的標準化工作，評估電力設施極端自然環(huán)境及災害防控技術應用價值和市場潛力，但尚無針對極端環(huán)境下電力設備運行評估的TC 或SC。

4 結語

零碳電力系統(tǒng)的發(fā)展對電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的關鍵技術及其標準提出了新要求。本文基于新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，探討了零碳電力系統(tǒng)中的關鍵技術及其標準現(xiàn)狀與需求，主要結論如下:

1）零碳電力系統(tǒng)對電網(wǎng)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)均提出了新的技術要求，同時需要準確核算電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的碳排放，這都要求繼續(xù)加強零碳電力系統(tǒng)關鍵技術研究，為后續(xù)標準化體系建設提供技術支撐。

2）實現(xiàn)零碳電力系統(tǒng)將涉及系統(tǒng)層面的頂層設計以及與大型基礎設施密切交互的小型設備，這需要一種基于整個系統(tǒng)架構的自上而下的標準化方法?？梢酝ㄟ^發(fā)布和更新標準路線圖和架構，確保采用統(tǒng)一的方法和戰(zhàn)略來支撐電力系統(tǒng)轉型。

3）以中國牽頭發(fā)布IEC《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書為契機，持續(xù)加強在相關技術領域開展主導國際標準制定的布局，在IEC、ISO 中發(fā)起新TC 及新標準提案，借助國際標準化組織平臺輸出中國經(jīng)驗，積極提升中國的影響力和話語權，推動中國標準走向世界。