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    面向碳中和的未來能源發展數字化轉型思考
    來源:中國電力建設股份有限公司 吳張建 | 作者:中國電力建設股份有限公司 吳張建 | 發布時間: 2021-05-26 | 794 次瀏覽 | 分享到:
    碳中和背景下,未來能源體系將面臨著一系列難題,如何理解未來電力系統的架構及實現路徑?數字化技術又將如何加快能源轉型?
    縱觀社會發展史,人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。在數字化時代,通過數字化技術加快能源轉型已成為行業共識。但是能源行業存在的體制、機制、市場、技術等多重壁壘,為轉型帶來了新的挑戰。

    碳中和背景下,未來能源體系將面臨著一系列難題,如何理解未來電力系統的架構及實現路徑?數字化技術又將如何加快能源轉型?

    縱觀社會發展史,人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。在數字化時代,通過數字化技術加快能源轉型已成為行業共識。但是能源行業存在的體制、機制、市場、技術等多重壁壘,為轉型帶來了新的挑戰。

    01

    未來能源發展的主要問題

    面對“2030碳達峰、2060碳中和目標”,新能源與化石能源在總能耗中的比例,將從目前的15%VS85%,轉變為85%VS15%,這會引發能源行業顛覆性的變革。未來40年將分為幾個發展階段,各個發展階段細化的目標以及技術的進步,將為能源類企業帶來哪些新的市場機遇需要研究。

    能源變革離不開政府對市場的政策引導,在能源快速變化發展的過程中,政府可能制定并頒發相應的政策,如進一步推進可再生能源政府補貼與綠證交易、碳交易、新能源替代等,指引發展方向,同時構建有效競爭的市場主體和市場體系,還原能源商品屬性,激發市場活力,鼓勵各市場主體充分參與,讓市場發揮資源配置的決定性作用。電力企業需要探討這一形勢變化可能對行業的規劃、設計、建設產生的影響。

    (一)電網側,現有的電網結構和運行管控方式,很難保證大規模可再生能源接入和消納。現有的電網調度體系,很難適應大量不可控、不可調新能源接入,高度離散的新能源發電設備和高度離散的參與電網負荷變化調整的設備很難進入現有調度體系,電網的靈活性、可靠性和安全性將受到嚴重影響。從技術層面看,可再生能源發電、儲能等一些瓶頸性技術尚未突破,技術方向仍未清晰,導致電力系統難以承受無任何約束的新能源大規模發展。如何將高度離散化的設備規模化的集成,可調可控,即插即用,或能實現自我平衡,亟需在規劃、設計、建設、運行中探索新的做法。

    (二)發電側,化石能源發電廠,尤其是煤電逐步退出市場將成為不可逆轉的趨勢。從目前電源結構看,化石燃料發電仍然占據主導地位,在未來40年的脫碳進程中,化石能源電力基礎設施將逐漸失去主導地位,要找準新定位挖掘新價值,部分電廠不可避免地面臨資產沉沒的風險,化石能源電廠如何退出市場,電力設計、施工企業將在其演變過程中發揮何種作用都需要進一步探索。

    (三)用電側,用電終端將呈現復雜多樣化的趨勢。用戶側可能包括電網供電、自發電、儲能設備、充電汽車、空調冰箱等,既是電力的使用端,又可能是參與到電網負荷變化調節的設備,又可能面臨電氣冷熱綜合用能調節的需求,情況呈現出復雜化,自主平衡要求進一步加大,自主支撐能力要進一步加強。用戶資產參與電網負荷變化調節,可以大幅度降低電力總投資,但現有的技術手段及運行模式距離這一目標的實現存在很大差距,但也存在巨大的市場空間。

    02

    核心方向與架構設計

    從解決上述問題的角度出發,可以基于現有電網不斷完善、優化、提升,以適應新能源的大量投入;也可以基于未來新技術介入支撐新電網,反過來迎接大量新能源的投入,比如從增量電網、微網開始,去提前改革適應,等在下一個路口。

    (一)“數字化+可再生能源時代”電力系統的架構。未來的能源體系是以可再生能源為主的體系。未來的電力系統架構可能是“NET+GRID+NET”模式,它的系統分工、組織模式、控制方式將會發生變化。

    NET結構是一種扁平化的自平衡結構,具有三個特征:第一是多能協同、源網荷儲一體,即負荷與電源不分;第二是要基于物聯網、大數據、云平臺、區塊鏈和智能控制,把新能源的不可控、不可調變成可控、可調;第三是要用兩端的NET,來保證中間GRID更好地發揮作用,解決電網未來可能出現的問題。

    電網可能形成新的GRID架構,成為核心管道,貫通上下游,調節上下游,電網結構、運行方式和管控模式可能發生根本性改變,需要可再生能源發電技術、電網技術、數字技術的持續進步來支撐。GRID未來可能趨向公益化,擺脫既要承擔電力改革的中間主體責任又要承擔市場主體的責任,進一步離開兩端電力市場,真正起到公平調節平衡作用;擺脫既要照顧方方面面的利益又要通過五級調度來保證電網的安全的責任,進一步強化安全逐層分工合作,讓各主體首先負起安全責任,實現自我安全平衡。

    基于政策、市場規則和數字化智能控制平臺,GRID和兩端NET之間責權利將更加明確,更多的NET資產將進入市場,成為市場競爭主體的一部分。隨著技術的進步、政策的明確和市場規則的完善,納入NET市場化的GRID資產越來越多,GRID主要承擔解決大的區域性能源不平衡和各NET的應急責任,靈活性、可靠性、安全性、可接入性、可及性壓力將主要由NET企業承擔。

    (二)電源側NET。未來具有規模性的發電市場可能形成電源側的NET,是基于低碳環保、高質量發展的規劃、建設、運營的“風光水火儲一體化”電源側NET結構。電源側將根據資源稟賦,可能形成多個基于數字化智能控制的風光水火儲等多種形式的一體化控制平行網絡架構(NET),基于資本連接的市場主體或者基于數字平臺的虛擬市場主體,最大限制的分擔電網(GRID)靈活性壓力。未來電源側,可形成多種類型的NET,由一個電源、多個電源等各類電源NET自平衡控制節點組成,這些節點基于低碳、報價等實現自平衡、自我控制。類似虛擬聯合電廠運營模式將大量出現,不同能源主體之間基于碳,可能形成新的交易形式并且自動運行,這一全新的架構需要新的自動化體系、控制體系、結算體系,需要新的基于工業互聯網的操作系統的支撐。

    (三)未來用電側的NET結構。隨著用能方式的多樣化,可能形成“源網荷儲一體化”的用戶側NET架構。隨著對復雜性、即時性要求的不斷提高,智慧化實踐應運而生,未來可能形成多個基于數字化智能控制的多能協同、源網荷儲不分的,能夠實現自我平衡的智慧能源網絡(NET),共同分擔電網(GRID)的靈活性、可靠性、安全性、可及性壓力。智慧能源網絡以實體或虛擬的形式呈現,但都是真正的市場競爭主體。

    未來,一個家庭可能作為一個NET節點,如何自我調節、自我平衡,如何在電網、調度、用戶之間確保安全進行交互,如何讓設備、電網、用戶之間就利益提前設定進行交互,如何就電氣冷熱低碳低成本綜合實時平衡進行控制,需要有新的辦法來解決。一個家庭,一棟建筑物,一所醫院,一個小區,一個區域等都將形成不同規模的NET。

    (四)未來能源的調度模式。傳統電網調度模式,面對不可控、不可調的大量新能源的接入,如何調度、如何實現新的平衡、如何控制安全穩定,都是需要關注的問題。分散的屋頂太陽能、充電汽車、家用設備等參加電網調節,將更加復雜,需要在電網、汽車家用設備(端)等之間建立有效的溝通協調,需要在端平臺、邊緣平臺、云平臺間實現自動化的調度通信,需要充分融合信息化、數字化、智能化手段,建立自動化、智慧化的智慧能源新體系,形成在確保GRID平衡下的各NET節點實時自我智慧平衡,這一個全新的體系需要攻關。

    探討如何實現自動交易,對離散資源實現規模化控制。基于區塊鏈技術的相互直接、間接自動平衡交易、碳交易等等,標定清楚每一度電、每一個碳的來源,實現交易自動化。

    (五)數字化平臺對未來能源系統的作用。未來智慧能源“NET+GRID+NET”“風光水火核儲一體化”“源網荷儲一體化”的自動化系統、控制系統、管理系統、市場系統、結算系統、操作系統等,將會改變。

    新體系的建立,需要強大的信息化、數字化平臺協同,需要物聯網、大數據、云平臺、區塊鏈、智能控制等全面支撐,需要建立新的數字體系、數據平臺和數學模型,建立跨平臺、跨維度、跨區域、跨業務的數據孿生體,需要新的基于數據孿生體電源端平臺、基于超級數據孿生體區域電源邊平臺和基于超級數據孿生體電源控制協同云平臺,需要借助云、邊、端等一體化強大的算力支持。

    基于大數據的各類技術,自我平衡、互相平衡、實時平衡、安全平衡、碳平衡、碳中和等新技術,新體系,新能力,率先擁有意味著在未來的能源變革中擁有核心競爭力,占有主動權。

    (六)未來智慧能源新體系的工程全生命管理架構。“NET+GRID+NET”、“風光水火核儲一體化”、“源網荷儲一體化”,基于碳控制,新能源規劃、設計、施工、運維全產業鏈、全過程、全壽命的工程架構將發生變革。不同主體之間如何規劃、策劃、投資、建設,以及面對高度離散的電源點,規劃新的模式、新的操作方式,并網設備質量如何保證等等,傳統電力建設規劃、設計、施工企業以何種方式參與到市場競爭中,都是值得研究的。

    03

    技術路線與行動方案

    面向未來,要抓住這一重大戰略、重大需求和重大市場機遇,加快做好頂層設計,提前做好準備。隨著大量新能源接入,大批新政策出臺,要提前研究、預測變化、提供支持。研究目標包括三個方面:第一是支撐高比例可再生能源開發;第二是提高行業合規管理的效能;第三是降低行業和社會的整體成本。

    面對大量新能源接入電網,電力系統可能采取的平衡策略包括:第一,為增加可靠性,大量建設化石能源電廠,這與目前政策相背離,也整體推高電力系統的成本;第二,加快抽水蓄能等具有高度靈活性的新型電源建設,既能解決電力,也能解決電量,但也存在政策不到位,整體推高電力系統成本的問題;第三,建設各類小容量靠近負荷離散配置的儲能設施;第四,負荷跟隨電網的波動參與到電網調節,大量降低電力系統傳統設備的投入,但要大量投入智能化、智慧化設施。

    針對電廠、電網、綜合能源、智慧能源、智慧社區等建設,如何更好地發揮信息化、數字化手段的作用?針對大量新能源建設,新能源規劃、建設、運維等領域信息化和產業化將有哪些新的市場機會?

    從技術體系上,云、邊、端,算力部署,云支邊,邊支端,需進一步研究演變及部署路徑。

    從底層技術上,電力數字化技術體系分為五個層級:一是多維度數據采集平臺。通過物聯網、互聯網、5G、北斗等技術,建立物聯感知網絡,全面感知工程生命特征。具備“多維”“高頻”“高精度”采集和傳輸數據的能力,實現更加全面的數據采集。二是融合的一體化數據庫平臺。通過物理集中或邏輯集中,把不同類型的、不同標準的數據存好、管好。三是可視化的數據管理平臺。基于物理對象辨識的數據管理,基于GIS+BIM的時空大數據,活靈活現的展示數據和數據關系,上、下、左、右,過去、今天和未來,在物理空間三維重現、孿生,讀懂數據是應用數據的基礎。四是多層多模的數據分析應用平臺。靈活的、能全面調用、能加載模型的數據開發平臺,把大腦建在云上,在云上建立數據中臺,建立數據加工中心(中央廚房)。五是多場景數據應用展示平臺。包括大屏,計算機,手機,應用系統、APP等等。通過五個平臺提高泛在的連接能力、強大的云資源能力、數據融合能力、賦能增值能力和安全能力。建立各個層面的數據一體化,各項業務建在數據之上,實現數據驅動,業務智能化。

    從技術應用上,需要研究開發新的產品。制約的技術并不多,關鍵是缺少應用場景,用場景組合技術。例如,一是建設高度離散的新能源規劃、設計、施工、運維平臺;二是建設新能源的一體化運維平臺;三是就高度離散設備(充電汽車、家用電器等)參與電網負荷變化調節的新體系、新技術、新平臺、新能力開展研究等等。

    從布局上,著眼于高比例可再生能源接入,各類能源綜合利用后,實現高可靠低成本能源利用方式的新體系、新架構、新平臺、新技術,逐步去層層挖深、挖透。目標上從大到小,實施上從小到大。這些研究時間緊、任務重、發展快,需要邊研究、邊示范、邊推廣,邊交流、邊提升,各個項目之間協同推進、共同提升。應有所為有所不為,研究判斷長期堅持的項目和短期見效的項目,長期效益與短期效益相結合。

    電源側、送端,規劃:“風光水火儲一體化”,基于數字化智能控制,發電基本平衡的一體化的平行網絡架構(NET),如何規劃、設計、預測。未來能否基于一個集團、一個地區,基于碳中和,基于各種資源、能源成本最低化,來規劃測算電源點的選擇、配置和聯合調度運行。

    電源側利用大數據,更好的規劃、設計,在獲取市場、規劃開發資源、服務用戶的同時,為建設、運營提供幫助。同時,挖掘建設、運營積累大數據價值,更好地服務于規劃、設計。

    用戶側、受端,規劃:“源網荷儲一體化”,基于數字化智能控制的多能協同、源荷儲不分的能夠實現自我平衡的智慧能源網絡(NET),如何規劃、設計、預測、平衡,未來能否從一個家庭、一棟樓宇、一個(社、園)小區等出發,遞進研究,一方面整體去運作,另一方面作為配套體系參與社會各類競爭主體之中。

    以云控平臺為基礎,建立各個用電單元智慧能源規劃、設計、運營、維護平臺,建立每一臺設備的IP地址,運用5G通信,把變電站、數據中心、充電基地聯合起來。