李云峰 谭忠富 潘 伟
2022年国务院常务会议确定了7大项新基建，电力行业作为国民经济的重要支撑，每一项新基建均与之息息相关。“双碳”目标是我国对国际社会的庄严承诺，能源领域排碳占比很高，践行低碳，电力行业需要充当排头兵。实现碳中和需要从能源供给与消费侧革命入手，而其具体手段是电力行业融入新基建。
调整能源供需结构， 助力“双碳”目标实现
2020年我国二氧化碳排放103亿吨，占全球碳排放将近1/3；其中，燃烧石油碳排放15.4亿吨，燃烧天然气碳排放6亿吨，燃烧煤炭碳排放72.6 亿吨。2 0 2 1年碳排放量达到114.7亿吨；2022年第二季度碳排放量下降了8%，减少了2.3亿吨。2021年3月，欧盟议会决定，为了保护欧盟企业国际竞争力，2023年起，对进口水泥、钢铁、铝、炼油厂、造纸、玻璃、化工和化肥会考虑碳边境税；类似地，英国对一些种类进口产品考虑加收碳调节税；美国《清洁能源安全法案》谈到，有权对不实施碳减排国家的进口产品征收碳税。我国每年出口贸易中产生的“碳顺差”至少超过10亿吨。可见，“双碳”对于我国来说是一场硬仗。
从能源供给侧来看。2022 年底， 我国发电装机2 5 . 6 亿千瓦， 其中煤电装机占全球超50%， 煤电发电量占全球52.2%；风光发电装机达到了7 亿千瓦，风光发电量达到1.19 万亿千瓦时；风光电量本国占比中，德国33%，英国28%， 欧盟19%，澳大利亚17%，我国12%。可见，我国需要加大投资风力发电、光伏与储能。我国城乡建筑屋顶面积达到250 亿平方米，只要开发25%，就可以安装7.5亿千瓦光伏，按照年1000小时发电，年发电量可以达到0.75万亿千瓦时，相当于一年全国用电量的1/11左右。其中， 676个县屋顶光伏申报试点获批，学校、医院总面积 40%以上安装光伏；工商业屋顶总面积30%以上安装光伏；农村居民屋顶总面积20%以上安装光伏，若按照这个比例安装，年发电量可以达到0.18万亿千瓦时。1千瓦光伏设备生产过程中耗电400千瓦时，其中含火电240千瓦时；按照1000千瓦时火电排放二氧化碳0.81吨碳计算，光伏设备生产过程排0.2吨二氧化碳；按照光伏设备全寿命周期25年、年发电1200小时计算， 年发电3万千瓦时，可以替代燃煤发电产生的24吨碳，1千瓦光伏寿命周期减碳达到23.8 吨。一些大企业正在通过发展光伏获得绿证或者实现减碳。万达在河南、山西、湖北、山东的19 个广场安装屋顶光伏，一座广场月发电量90万千瓦时，相当于9000户家庭一个月的用电量。阿里巴巴在菜鸟网络物流园区安装屋顶光伏30万千瓦，年发电量3.6亿千瓦时。京东在车棚/物流园区安装屋顶光伏95万千瓦，年发电量11.4亿千瓦时，用于50个城市5000辆电动物流车的充电，以及仓内照明、自动分拣、打包、拣货用电等。中国邮政遍及城乡的工作场所屋顶安装2000万平方米光伏，年电量55亿千瓦时。
从能源消费侧来看。高铁每小时按照350公里的速度，消费电能9600千瓦时，高铁的发展是“以电代油”，逐渐取代近距离城市之间的飞机航班。我国电动汽车的保有量已经达到了1099万辆；唐山市已经对4700辆重型运输卡车改造为电动式，实现“以电代油”；许多城市公交车改造为电动式；海南省2030年停止燃油车的销售。
发展“特高压”新基建，助力国家能源低碳安全
新型基础设施建设是以新发展理念为指导，以技术创新为驱动，以信息网络为基础， 面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级等，主要包括5G基站、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域的建设。国家能源安全旨在对能源供应中断、能源价格暴涨等紧急情况，以合作和协调的方式做出长远规划，以维持能源供应的长期稳定性。能源安全与气候变化问题密切相关，如近50年来，随着二氧化碳排放浓度的增加，全球变暖正以过去2000多年来前所未有的速度发生，伴之而来的洪涝、干旱、极热、极寒气候极端现象正在增多。1985年以来，我国中部、东部、南部非取暖地区，出现寒潮43次，气温一夜之间可以突降1 4 度。2021年初， 发生在美国得克萨斯州的极端暴雪天气导致该州一半的风力涡轮机被冻住， 风力发电占电力的比重从42% 下降到8%。2021年1月6日到8日来袭我国的寒潮，使全国负荷达到了11亿千瓦，同比增长25%；寒潮过后，风电电力从1.1亿千瓦掉到0.6亿千瓦， 而电力负荷却增加了0.5亿千瓦。2022年7月，美国俄亥俄州气温达到了47摄氏度，加利福尼亚州达到了54.4摄氏度； 科威特达到了53摄氏度；阿尔及利亚达到了60摄氏度；阿拉伯局部地区达到了70摄氏度； 丹麦格陵兰岛，每天出现了60 亿吨的冰融化，相当于430个西湖的水量；7月20日，英国气温突破40摄氏度，空调用电激增， 英国公用事业公司支付发电电价11.685美元/千瓦时，比平均支付电价0.215美元千瓦时高出50 倍。2022年夏天我国四川出现了60年一遇的高温、干旱，汛期水电输出大省变为缺电大省。
我国大西北的荒滩、沙漠、戈壁滩，西南的大江大河等，可以充分开发清洁能源。“十四五”电力规划中，青海开发光伏4580万千瓦、风电1650 万千瓦，即新能源发电6230万千瓦；宁夏开发12个风电百万千瓦基地，5450万千瓦风光并网； 甘肃开发3853万千瓦风电，4169 万千瓦光伏，即新能源发电8022 万千瓦，打造千万千瓦“ 风光火储输”基地；新疆开发3个千万千瓦新能源基地，2个120 万千瓦抽蓄电站，新能源发电6752万千瓦；内蒙古开发新能源1.35亿千瓦。我国的能源规划方式是“建设大基地，融入大电网，建立大市场”。金沙江等地开发大型水电基地；酒泉等地开发9个千万千瓦级大型风电基地；青藏高原等地开发大型光伏基地。通过特高压新基建，实现“西电东送，北电南供”，2025年实现跨区跨省送电3.6亿千瓦；2035年跨区跨省送电5.5亿千瓦；2050 年跨区跨省送电7.4亿千瓦。
发展“大数据中心” 新基建，助力能源领域精准投资
利用“ 大云物移智” 现代信息技术与能源技术深度融合，通过数字化、智能化实现能源领域的精准投资与经济运行。电源侧打造新能源云平台，促进新能源大规模、高比例并网和消纳；打造风光水火储多能互补系统，实现多能协同供应和梯级利用，打破各类能源“相对独立，各自为政” 的壁垒。电网侧打造“源网荷储”友好互动平台，促进电网向智慧、泛在、友好的能源互联网升级，提高能源供给清洁化、终端消费电气化、系统运转高效化水平；通过“电从身边来”实现分散化自我平衡， 通过“电从自远方来”实现不平衡能量交换。负荷侧打造电力负荷弹性管理平台，支撑储能、电动汽车、弹性负荷等广泛接入；能源主体由单一能源的生产、传输、存储和消费者， 向集多种能源生产、传输、存储和消费为一身的自平衡体转变。通过“源网荷”平台的综合，实现新能源发电全息感知，精准预测，支撑高比例新能源并网消纳；提高电力系统灵活调节能力；实现能源全过程实时感知、可视可控、精益高效；提高“源网荷”的精准投资与经济运行。
利用数据感知层， 采集投资、运行、营销、检修业务流运营的数据流，采集源网荷储的能量流的数据流，采集冷热电气、辅助服务、碳交易的资金流的数据流；利用数据网络层，传输数据流、能量流； 利用数据平台层，进行数字孪生，挖掘业务流之间的数据流匹配关系，挖掘资金流之间的数据流匹配关系，挖掘能量流之间的数据流匹配关系，横向纵向对比数据流，构建数据之间匹配关系； 利用数据应用层，优化分配投资流，优化调度能量流，优化提升业务流。通过微电网、分布式能源、冷热电三联供、储冷储热储电、充电桩的融合，利用互联网的客户聚合功能、物联网的信息通信功能、人工智能的调度功能、楼宇的智慧控制功能，实现多能一体化、源网荷储一体化、能碳一体化、产消一体化；实现对每个建筑、每个供能设备、每个用能设备，可以精准智能控制到小时级、分钟级、秒级的运行。
发展“工业互联网” 新基建，助力能源资产提质增效
利用互联网技术，提升能源生产、传输、存储、消费等各个环节的灵活性，进化能源的生产方式、供应方式和消费方式，提升清洁能源在生产端与消费端的比重；打通各节点、各主体间的服务流、信息流、资金流，实现大网与分布式微能网双向互动，实现覆盖能源生产、传输、交易、消费多环节即时感知与监测；利用各类能源信息的共享，发掘能源大数据价值，实现能源系统动态优化。
利用互联网技术， 实现电源、电网、负荷和储能之间的源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动， 打造能源互联网。源源互补， 指通过灵活发电资源与清洁能源之间的协调互补，解决清洁能源发电出力受环境和气象因素影响而产生的随机性、波动性问题，提高新能源的利用效率。源网协调，指通过电网调节技术解决新能源大规模并网及分布式电源接入电网时的柔性，让新能源和常规电源一起参与电网调节。网荷互动，指将负荷转化为电网的可调节资源，即柔性负荷，在电网出现频率偏离时，通过负荷主动调节和响应来平稳电网频率，确保电网安全经济可靠运行。网储互动，指发挥储能装置的双向调节作用，在用电低谷时作为负荷充电，在用电高峰时作为电源释放电能，为电网提供调峰、调频、备用服务。源荷互动指时空分布广泛的多类电源和负荷， 均可作为可调度的资源参与电力供需平衡控制，用户聚合改变用电时间来消纳新能源。
利用互联网技术， 整合一个区域内的可再生能源、煤炭、石油、天然气等多种资源，实现异质能源间的协调规划、优化运行、多能转换、交互响应，满足客户多元化用能需求，提升能源利用效率。整合一个园区内的综合能源服务，实现天然气冷热电联供、分布式能源、微网、储能设施、电动汽车充放电等的互补互济，实现多能协同供应和能源综合梯级利用，降低能源生产成本，提高能源消费效率。
利用互联网技术，对线路/变电站运行状态实时感知，隐患实时监控，故障自动定位、自动隔离，精准抢修、主动检修，减少停电次数和停电范围， 实现配电线路变电站智能检修； 对温度、湿度、水位、气体， 通过传感器全面感知，数据传回中心，发生变化时自动报警，不需运维人员进入隧道监测，实现电缆隧道智能监测；主变/环网柜/杆塔，内置传感器，设备状态实时感知，数据远程回传中心，实时防破坏防盗窃，实现设备资产智能管理。
发展“人工智能”新基建，助力能源绿色低碳
用先进的人工智能技术， 对分布在不同地点的电厂可以实现远程预警、分析、诊断、优化和调度；通过持续学习历史数据和实时数据，形成设备预警、设备诊断、能耗分析、自动品质评估、燃料分析、负荷优化、技术监控，帮助电厂降低煤耗，提高设备可靠性，满足环保要求，获得经济效益。
风能、太阳能具有间歇性，其发电取决于天气条件， 如风吹或阳光照射，一旦能源需求激增，新能源不一定能满足需求，需要一种可以确保供需始终处于均衡状态的智能技术，来解决能源供需的精准预测。风电与光伏，需要通过现货市场来消纳，现货市场体现的是实时电价；风电、光伏低价时，售电商希望用户及时生产“冷热气水”；若用户只按照固定的分时电价，往往出现滞后。若通过人工智能技术来让用户设备实时感应现货市场的实时电价，逆电价智能启停或者调整电器，如电储热、电蓄冷、电采暖、储电、制氢、电转气、电动车、热水器、洗衣机、电饭煲等各类电器，如遥控启停空调以提前预热或者预冷，智能对电动汽车峰谷充放电，引导设备负荷曲线与发电实时电价曲线“互补”，可以实现用电削峰填谷，消纳新能源；用户节电节费，获得用电权转让效益；售电公司降低购电成本；发电与电网企业减少备用，电网减少线损，发电降低煤耗；用户可以不需要投资， 售电商可以从用户节省电费中收回投资，即合同能源管理。
电力的稳定是依赖于发电侧和用户侧的供需实时平衡， 通过智能技术构建“ 虚拟电厂”，即聚合各类可控负荷、分布式发电资源、储能等，针对分布式资源，快速响应，实时协调控制，实现精准的需求侧响应及调峰调频服务等。将分布式能源聚合为可控的负荷资源，通过“虚拟电厂”调配电力资源，可以参与电力现货交易市场和辅助服务市场，实现资源价值充分利用。在收到电力调度中心的指令后快速下发给“虚拟电厂”的各个主体， 作为“正电厂”向电网供电削峰，作为“负电厂”消纳电力填谷，实现高效的电力调配。“虚拟电厂”相当于聚合分布式能源参与电力市场的大脑， 在实时调度特殊要求下，每一个主体如光伏发电、储能、微电网、电动汽车、需求响应负荷等不是等着大脑计算完成后再通过5G/光纤等进行通知，这样会产生时延问题，降低“虚拟电厂”的快速执行能力，影响参与市场的功能作用与经济收益。需要云端大脑和边缘计算联动，将计算资源部署靠近“虚拟电厂”各个主体和数据源的网络边缘侧；利用通信技术和物联网技术，将众多用电设备削减负荷的能力视为虚拟出力，从而参与市场和电网运行；对内将商业楼宇、分布式电源、储能装置与电动汽车充电桩等资源聚合，通过大数据研判及客户细分，对内先进行供需平衡，然后对外参与电能量市场与辅助服务市场，如国网冀北泛在电力物联网“虚拟电厂”，实时接入与控制蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等11类19家泛在可调资源，容量约160兆瓦（MW）。“虚拟电厂”可以在破解清洁能源消纳难题、实现绿色能源转型方面发挥重要的作用，实现对分布式能源的负荷预测、响应分配、实时协调控制和储能充放电管理，参与电力交易市场和需求响应。
可见，通过人工智能技术把分散在不同空间的小型太阳能、风能等新能源发电装置、储能电池和各类可控制（ 调节）的用电设备（负荷）整合集成，协调控制，对外等效形成一个可控电源，辅助电力系统运行，并可参与电力市场交易，同时优化资源利用，维护用电稳定与用电安全。
发展“电动汽车充电站”新基建，助力能源行业节能减排
为了全面推进乡村振兴建设，国家电网、南方电网等除了完善高速公路服务区充电设施，正在推进以县城为重要载体的城镇化建设，补齐县城、乡镇充电基础设施建设短板， 加快实现电动汽车充电站“县县全覆盖”、充电桩“乡乡全覆盖”。电动汽车充电站作为“新基建”，可以发挥聚合分散电动汽车的功能形成聚合商，参与现货市场购售电，获得价差收益；聚合商还可以基于电网公司代理工商业购电价格表，充电站基于其峰谷电价价差，获得价差收益；参与调峰市场， 消纳新能源，获得调峰市场回报，以及消纳绿电获得绿证； 参与用电高峰阶段的顶峰，获得备用市场价值；顶峰时减少煤电顶峰，减少煤电发电量，获得减少碳排放价值。电动车充电聚合商获得的回报需要转换成给电动车客户的分时电价。
构建“车联网”管理平台， 电动汽车与分布式光伏、储能、可调节负荷等资源进行耦合，参与现货市场、辅助服务市场及需求响应，发挥平台经济优势。充电桩、充电站打捆联合参加批发电力市场，以长期合同、代理竞价等不同方式进行市场化交易；基于电动汽车与绿色电力之间的时空关联关系，设计电动汽车充电运营商购买绿证或绿色电力的交易机制，促进电动汽车对新能源的消纳；分析电动汽车充放电行为与电力系统运行之间的关系，优化调整充放电行为，削峰填谷，降低电力系统投资成本，提高运行效率；电动汽车作为一种特殊的储能设施，可以帮助平衡新能源发电的影响，新能源大发时进行充电，新能源不足时进行放电，实现对新能源的消纳及对电网的削峰填谷。针对电动汽车充电站，需要设计分时电价或者可中断电价，电动汽车聚合打捆后由售电公司代理进行长协购电与现货市场购电。基于电力批发市场的现货价格信号， 高峰价格时段放电，低谷价格时段充电，实现充电与电力系统的协调运行。打通充电站网、能源网、车联网、互联网、交通网，充放电设施的互通机制， 多网融合， 参与平衡电网负荷，并消纳绿色能源。
作者单位：中国大唐集团公司/ 华北电力大学经济管理学院/国网溧阳市供电公司