隨著全球各國“碳達峰、碳中和”目標的提出, 世界范圍內都在經歷著深刻的能源轉型。進入21世紀以來,美國電網已經無法滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展需求,由美國能源部(DOE)主導,推動美國電網現(xiàn)代化轉型,編制規(guī)劃、提出思路、建立度量體系,積累一些經驗。

1 美國能源部電網現(xiàn)代化的提出

美國電網需要轉型發(fā)展,主要來自5個因素的推動:

一是不同類型及特征的發(fā)電形式5混個合因(素特 別是分布式能源和清潔能源);

二是對更穩(wěn)定、更可靠的電網需求的不斷增長(尤其是天氣、網絡和 物理攻擊的影響);

三是用戶側參與電力市場的機會增多;

四是互連電力信息和控制系統(tǒng)的出現(xiàn);

五是電力基礎設施的老化。

2014年11月,美國能源部主導并聯(lián)合其多個國家實驗室建立了共同致力于電網現(xiàn)代化的戰(zhàn)略合作聯(lián)盟—美國電網現(xiàn)代化實驗室聯(lián)盟 (GridModernizationLaboratoryConsortium,簡稱 GMLC)。

2015年11月,美國能源部發(fā)布了電網現(xiàn)代化規(guī)劃(Multi-YearProgramPlan,簡稱 MYPP)。該規(guī)劃定義了美國現(xiàn)代化電網的圖景:未來的電網將解決無縫集成傳統(tǒng)能源和可再生資源、儲能以及集中和分布式發(fā)電的挑戰(zhàn)。它將為全球清潔能源經濟中美國的繁榮、競爭力和創(chuàng)新提供重要平臺。它將為用戶提供韌性、可靠、安全、經濟、靈活和可持續(xù)的電力,并滿足其任何時間、任何地點、任何方式的多樣化需求。

2020年,GMLC發(fā)布了電網現(xiàn)代化度量分析報告(Grid Modernization Metrics Analysis,簡稱 GMMA),對美國電網現(xiàn)代化的內涵特征進行了更為細致的分析,闡述了6個關鍵特征(韌性、可靠性、 安全性、經濟性、靈活性、可持續(xù)性)及其度量指標。

2 電網現(xiàn)代化內涵及度量分析

美國 MYPP指出,“電氣化”進程作為20世紀最偉大的工程成果,已為國家的發(fā)展作出了巨大貢獻。然而20世紀的電網結構已無法適應當前的發(fā)展需求。傳統(tǒng)電網的架構主要基于大規(guī)模遠距離終端用戶的發(fā)電設備、垂直化的控制方式、有限容量的儲能設備以及被動負荷。而現(xiàn)代化的電網必須更加靈活、魯棒、敏捷。現(xiàn)代化電網需要具備的能力有:動態(tài)優(yōu)化電網運行及資源的能力;快速檢測并緩解擾動的能力;接納百萬級以上智能設備的能力;整合源荷雙側電源及需求響應的能力;允許用戶側參與電力市場的能力;抵御物理及網絡攻擊的保護能力等。為適應現(xiàn)代社會的發(fā)展需要,現(xiàn)代化電網需滿足以下特性。

2.1 更強的應對各種災害的電網韌性(Resilience)

韌性是指適應條件變化、抵御并從破壞中快速恢復的能力,包括抵御并從蓄意攻擊、事故或自然發(fā)生的威脅或事件中恢復的能力。采用以下兩種方法確定韌性評價指標。

(1)基于多標準決策分析方法的電網韌性指標:該指標主要從電網災害處置的準備、緩解、響應、恢復4個階段分別提出相應的韌性指標,從電網具備的能力方面進行評價。

(2)基于性能分析方法的電網韌性指標:該指標主要根據(jù)特定電力中斷事件下可能導致的后果對指標進行界定,從電網供電效果方面進行評價, 適合用于成本效益分析和規(guī)劃分析。

2.2 提升電網日常運行可靠性(Reliability)

可靠性是指電網在運行狀態(tài)面對常規(guī)不確定性沖擊時向用戶維持輸電服務的能力。對于配電系統(tǒng),可靠性的衡量主要關注用戶用電需求無法得到保質、保量滿足時的電力中斷情況。對于發(fā)輸電系統(tǒng),可靠性的衡量時間尺度分別側重于運行時間尺度(當前或近期)和規(guī)劃時間尺度(長期)。可靠性性能指標的建立主要涵蓋以下3個方面。

(1)配電系統(tǒng)可靠性;

(2)互聯(lián)輸電系統(tǒng)可靠性;

(3)概率輸電規(guī)劃。

2.3加強面對更多電網威脅的安全性(Security)

安全性是通過物理手段降低關鍵基礎設施風險的能力或防御網絡入侵、攻擊等措施以及自然、人為災害。美國GridMetrics研究團隊主要側重于物理手段的性能指標制定,該性能指標的目的是使電力公司、監(jiān)管者和利益相關者能夠評估電力公司的物理安全狀況或準備情況。

2.4 維持電網經濟效益的經濟性(Affordability)

經濟性是指電網以不超出客戶購買意愿或支付能力的價格提供電力服務的能力。美國 Grid Metrics研究團隊的初始工作重點側重于居民用電,經濟性指標主要分為以下8個方面。

(1)家庭用電負擔;

(2)家庭用電負擔能力缺口;

(3)家庭用電負擔能力缺口指數(shù);

(4)家庭用電負擔能力人口指數(shù);

(5)年均用戶成本;

(6)用戶平均成本指數(shù);

(7)商業(yè)用電邊際收益產品;

(8)工業(yè)邊際收益產品。

2.5 應對多時間尺度不確定運行狀態(tài)的靈活性 (Flexibility)

靈活性是指電網對未來的不確定性響應的能力。這兩種時間尺度可解釋為電網靈活性的不同角度:從運行角度出發(fā),靈活性依賴于現(xiàn)有電網對已知或無法預料的變化適應的敏捷性,例如電網對由于可再生能源發(fā)電預測誤差帶來的負荷突變的應對能力;從規(guī)劃角度出發(fā),靈活性依賴于改變電網網架結構來應對政策和新規(guī)的變化,以及技術突破等。

2.6 包含高比例清潔能源的可持續(xù)性(Sustainability)

可持續(xù)性是指電網在盡量減小對人類健康及自然環(huán)境的影響前提下為用戶提供電力服務的能力。可持續(xù)性通常包含環(huán)境、社會以及經濟三大支柱。目前美國 GridMetrics研究團隊只針對環(huán)境方面進行了指標分析,其相關性能指標體系主要關注以下2個方面。

(1)發(fā)電產生的溫室氣體排放;

(2)發(fā)電容量的水資源依賴性。

2.7 美國電網現(xiàn)代化MYPP落實成效

2017年4月,美國能源部舉行了第一次年度電網現(xiàn)代化同行評審會議,多方代表就電網現(xiàn)代化進程在下一個十年的發(fā)展挑戰(zhàn)與機遇發(fā)表了相關論述。美國能源部正式對GMLC工程涉及的6個關鍵技術領域(設計與規(guī)劃工具,系統(tǒng)運行、電網潮流及控制,感知與測量,設備與綜合系統(tǒng), 安全與韌性,制度支撐)進行了評審,并發(fā)布了第一版電網現(xiàn)代化同行評審報告。截至該報告發(fā)布,該項目已累計籌集資金2.2億美元,涉及多達100家戰(zhàn)略伙伴。資 金重點支持了先進儲能系統(tǒng)、清潔能源一體化、標準與測試規(guī)程以及其他在電網現(xiàn)代化MYPP綱要中列出的關鍵技術研究。

3 對我國電網發(fā)展的啟示與建議

(1)美國電網現(xiàn)代化研究成果可以為我國構建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)提供參考,為我國電力系統(tǒng)的發(fā)展指明方向。我國已建成世界上 并網新能源裝機容量最大的電網,建議結合經濟社會發(fā)展對電網的需求,對傳統(tǒng)電網的可靠性、穩(wěn)定性等概念進一步拓展,闡述新型電力系統(tǒng)下電網的必備特征。對新型電力系統(tǒng)進行更為詳盡的特征描述,可進一步明確我國電網的發(fā)展方向。

(2)美國電網現(xiàn)代化研究成果系統(tǒng)可為我國電網特征的度量分析提供研究思路,為電網規(guī)劃制定提供定量指引。電網特征度量指標體現(xiàn)電網不同業(yè)務部門和電力用戶對電網的需求,建議加強我國電網發(fā)展特征的量化分析。GMLC對美國電網現(xiàn)代化的特征量化分析結果可明確美國電網現(xiàn)代化的重點關切點,便于指導我國電網產業(yè)內部和外部各部門針對度量指標建立更為完善的實施方案,為電網發(fā)展規(guī)劃的制定提供參考。