李 鵬,王 瑞,冀浩然,宋 毅,袁智勇,于 浩
(1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津市 300072;2. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209;3. 中國(guó)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,廣東省廣州市 510080)
推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展已成為全球共識(shí)[1]。中國(guó)政府于2020 年9 月在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重承諾:中國(guó)的二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和(carbon neutrality)[2]。碳中和是指某一地區(qū)在一定時(shí)期內(nèi)由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳排放量和吸收量相平衡,從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放(net zero carbon dioxide emission)[3]。以碳中和為核心目標(biāo),不僅有益于應(yīng)對(duì)氣候變化[4],更有利于引導(dǎo)和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí),是關(guān)系到世界各國(guó)能源安全和人類(lèi)未來(lái)發(fā)展前景的重要議題[5]。
實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑主要包括2 個(gè)方面:一是增強(qiáng)對(duì)二氧化碳的吸收固定能力[6],如擴(kuò)大植被覆蓋面積、發(fā)展碳捕集利用和封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)技術(shù)[7]等;二是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型,進(jìn)一步提升清潔能源的占比,降低對(duì)煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài),從根本上減少二氧化碳的排放[8]。目前,化石燃料的使用仍然是中國(guó)最主要的二氧化碳排放源,約占全部二氧化碳排放的88%[9]。因此,為實(shí)現(xiàn)2060 年碳中和目標(biāo),開(kāi)展能源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)體系的變革需求迫切。
電網(wǎng)是連接能源生產(chǎn)和消費(fèi)的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施,在承擔(dān)主要減排責(zé)任的同時(shí),將在碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮積極作用[10]。例如,在能源供給側(cè),電網(wǎng)作為新能源消納的主要承載平臺(tái),大力發(fā)展以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生能源,將有效削減高碳排放能源占比;在能源消費(fèi)側(cè),城市交通、綠色建筑、工業(yè)制造等行業(yè)的電氣化程度不斷加深,不同形式的終端碳排放需求持續(xù)向電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和匯集[11];此外,能效提升和“電-氣-熱”多能互補(bǔ)等業(yè)務(wù)也大多以電能為核心實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化及利用[12],電力系統(tǒng)將成為能源綜合利用技術(shù)和模式創(chuàng)新的中心環(huán)節(jié)。在碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的這些積極變化與“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的發(fā)展定位具有高度的內(nèi)在一致性,將有助于“清潔、低碳、安全、高效”能源體系的建立。
配電網(wǎng)直接面向用戶(hù),不僅在生產(chǎn)上有滿(mǎn)足碳中和的內(nèi)在要求,而且作為優(yōu)質(zhì)電力服務(wù)的提供者,在利導(dǎo)能源消費(fèi)升級(jí)、推動(dòng)用戶(hù)側(cè)碳資產(chǎn)管理等方面具有不可替代的作用[13]。對(duì)前者而言,分布式電源在配電側(cè)的廣泛接入是主要手段[14],其目的是實(shí)現(xiàn)清潔能源的就地消納,促使源荷局域自平衡,有利于緩解新能源遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸送給大電網(wǎng)帶來(lái)的隨機(jī)性以及外送通道不足等問(wèn)題[15],降低系統(tǒng)整體建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于后者而言,電能替代已成為能源清潔化和產(chǎn)業(yè)智能化的主要趨勢(shì)[16],例如港口岸電、民航機(jī)場(chǎng)推行“以電代油”,廠房燃煤燃油鍋爐開(kāi)展電氣化改造,依托“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”平臺(tái)建設(shè)的電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)等;借助負(fù)荷監(jiān)測(cè)、需求側(cè)響應(yīng)等技術(shù)手段[17],設(shè)計(jì)以碳減排為導(dǎo)向的用戶(hù)電力服務(wù)機(jī)制,加強(qiáng)對(duì)設(shè)備能耗的感知和調(diào)控水平,在電力消費(fèi)數(shù)據(jù)深度解析的基礎(chǔ)上制定用戶(hù)碳排放檔案,通過(guò)完善價(jià)格機(jī)制挖掘電力市場(chǎng)各主體的調(diào)峰資源,將有效促進(jìn)供需兩端碳循環(huán)的良性互動(dòng)。
碳中和不僅僅是指風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源裝機(jī)容量的單調(diào)增長(zhǎng),而是要構(gòu)建集“發(fā)儲(chǔ)變用”為一體的碳中和綜合能源系統(tǒng),打通電力與市政、交通、信息、市場(chǎng)等多個(gè)社會(huì)生產(chǎn)生活領(lǐng)域的接口,涵蓋清潔生產(chǎn)、廣泛存儲(chǔ)、靈活調(diào)制和即插即用等多個(gè)方面。目前,配電網(wǎng)以上級(jí)變電站為電源,與用戶(hù)之間單向的供需關(guān)系將難以滿(mǎn)足碳排放約束下的新發(fā)展要求,這意味著需要變革傳統(tǒng)的配電模式,未來(lái)智能配電網(wǎng)的形態(tài)將逐步向碳中和的方向演變。在規(guī)劃階段,探索碳排放需求和能量供給的本地化解決方案,避免碳的大范圍轉(zhuǎn)移性支付和補(bǔ)償[18],充分釋放配電側(cè)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)規(guī)劃下的碳調(diào)節(jié)潛力,對(duì)全局碳中和目標(biāo)的達(dá)成將起到重要作用,也成為新形勢(shì)下發(fā)展智能配電網(wǎng)規(guī)劃新理論和新技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。
本文面向碳中和目標(biāo)導(dǎo)向下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題,提出了以“碳中和區(qū)”作為新型配電單元的規(guī)劃設(shè)計(jì)理念,分析了新要素、新路徑和配電網(wǎng)形態(tài)演變的相互影響,并針對(duì)低碳微生態(tài)配置方案和碳中和能力評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),闡述了在時(shí)間和空間維度上涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,最后對(duì)未來(lái)可能的研究方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
以碳中和目標(biāo)為導(dǎo)向,碳排放約束將成為強(qiáng)約束,智能配電網(wǎng)所包含的資源要素、業(yè)務(wù)技術(shù)和服務(wù)機(jī)能等都將發(fā)生深刻變革。
首先,分布式電源消納的重要性被進(jìn)一步加強(qiáng),成為經(jīng)濟(jì)性、可靠性之外另一關(guān)鍵指標(biāo),這就要求清潔能源的滲透率要和所在區(qū)域的負(fù)荷需求適度匹配,最大程度實(shí)現(xiàn)碳中和的就地化平衡。然而,這將帶來(lái)以下挑戰(zhàn):①風(fēng)機(jī)光伏比例、裝機(jī)位置和容量如何確定,配置方案如何根據(jù)負(fù)荷特性實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整;②如何解決電力電子化裝備高比例接入后帶來(lái)的系統(tǒng)慣性降低等運(yùn)行控制問(wèn)題[19];③包含風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能以及燃?xì)庠趦?nèi)的多源協(xié)調(diào)運(yùn)行面臨的能量管理問(wèn)題;④以燃燒化石能源為主要電能供給的變電站如何為新能源主導(dǎo)的配電網(wǎng)提供可靠且經(jīng)濟(jì)的后備容量支撐??傊瑸闈M(mǎn)足碳排放約束,分布式電源不再作為單一的調(diào)控資源去考慮,以它為核心關(guān)聯(lián)起多重要素相協(xié)同的整體,使配電網(wǎng)所包含的資源稟賦耦合更加緊密,形式更加多樣。
其次,光伏和儲(chǔ)能電池普遍輸出直流電,各類(lèi)數(shù)字裝備、智能家居也大都是直流負(fù)載,在源荷都出現(xiàn)直流化的趨勢(shì)下,為滿(mǎn)足碳排放約束,有必要提升源荷匹配中間環(huán)節(jié)的低碳化效能。因此,低壓直流配用電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯[20],不僅可以降低清潔能源的接入成本,實(shí)現(xiàn)低損耗、高可靠的傳輸和控制,而且可以承載更多電能替代產(chǎn)生的新型負(fù)荷。原來(lái)單一的交流配電系統(tǒng)將逐步發(fā)展成為交直流混聯(lián)配電系統(tǒng),使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜。
此外,智慧交通網(wǎng)和智能配電網(wǎng)之間的碳交互過(guò)程也將愈加深刻地影響配電網(wǎng)的發(fā)展。例如,電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是交通碳減排的重要舉措,充換電站本身就具有分布式特征[21],站點(diǎn)布局與道路規(guī)劃、行車(chē)流量等因素密切相關(guān),因而供能模式也將更加靈活,例如在城市核心區(qū)可以采用電網(wǎng)為主、分布式光伏為輔的方式,在城際高速等開(kāi)闊地域則可以采用自主式光儲(chǔ)一體化的供能生態(tài)。這就意味著交通碳排放向配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)移,對(duì)配電網(wǎng)的內(nèi)部組織,尤其是電氣邊界均具有較強(qiáng)的塑造作用。
能源的綜合利用模式同樣是影響智能配電網(wǎng)在“碳約束”下發(fā)生變革的重要外在因素。用戶(hù)的冷熱需求一直以來(lái)都是碳排放的主要來(lái)源,隨著電能替代在冷熱供應(yīng)環(huán)節(jié)的推進(jìn),電制氣、電采暖等技術(shù)不斷成熟,配電運(yùn)營(yíng)商、供熱公司和燃?xì)夤局g的部門(mén)耦合將更加緊密。智能配電網(wǎng)作為用戶(hù)側(cè)綜合能源互聯(lián)的樞紐,一方面可以將電能消耗作為碳基準(zhǔn)用于衡量轉(zhuǎn)換效能,另一方面可以提升清潔能源并網(wǎng)后對(duì)冷熱負(fù)荷的支撐比例。因此,為統(tǒng)籌碳要素在各能源介質(zhì)中的流通,需要將智能配電網(wǎng)納入多能協(xié)同的整體性結(jié)構(gòu)中去考慮,不僅可以增強(qiáng)電網(wǎng)側(cè)的阻塞管理能力,更有利于緩解能源綜合利用趨勢(shì)下系統(tǒng)性的脫碳?jí)毫?,逐步擴(kuò)大碳中和在生產(chǎn)、生活各個(gè)環(huán)節(jié)中影響的廣度和深度。
最后,碳中和意味著對(duì)源荷匹配的精確對(duì)接和精細(xì)化調(diào)度,意味著可以對(duì)碳排放實(shí)行精準(zhǔn)溯源和定位,因此對(duì)智能配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)感知能力提出更高的要求,物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)將發(fā)生更加深刻的融合,不同能源形式的數(shù)據(jù)共享和價(jià)值挖掘機(jī)制也亟須建立。換流器、柔性設(shè)備等高度電力電子化裝置本身對(duì)控制信號(hào)具有較高依賴(lài),稍加改造后即可成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的碳信息嵌入節(jié)點(diǎn),同時(shí)借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)手段,將給配電網(wǎng)的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造新的發(fā)展契機(jī)。更進(jìn)一步,當(dāng)數(shù)據(jù)的泛在采集和安全保護(hù)得到充分滿(mǎn)足時(shí),碳交易市場(chǎng)與能源交易市場(chǎng)之間也將建立更加密切復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)關(guān)系,從而在市場(chǎng)層面對(duì)智能配電網(wǎng)發(fā)展形成新的推動(dòng)力量。
綜上所述,“碳約束”是智能配電技術(shù)發(fā)展與融合的重要?jiǎng)恿?,“低碳”將成為智能配電網(wǎng)的又一重要特征,“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)都在向促進(jìn)清潔能源消納、節(jié)能降損的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變,對(duì)智能配電網(wǎng)的規(guī)劃理論和方法提出新的要求和挑戰(zhàn)。
在目前的電力供需關(guān)系中,用戶(hù)的電能需求主要由發(fā)電側(cè)燃燒化石燃料提供,盡管大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的對(duì)外輸送容量逐年提升,但是隨著大電網(wǎng)承載新能源總量的增大,消納難度將進(jìn)一步增加,并給大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[22]。同時(shí),大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站在發(fā)電側(cè)的集中并網(wǎng),將給電力系統(tǒng)的源端帶來(lái)巨大的不確定性[23],對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰能力和應(yīng)對(duì)極端天氣能力提出更高的要求。因此,促進(jìn)分布式風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電在配電側(cè)的就地消納,把可再生能源的大規(guī)模消納適當(dāng)轉(zhuǎn)移至配電側(cè)實(shí)現(xiàn)其自身的供需平衡,并將局域碳排放最小化作為全局碳中和的重要舉措,可能成為解決電力系統(tǒng)新能源消納問(wèn)題的有效途徑,也是配電網(wǎng)規(guī)劃思路新的出發(fā)點(diǎn)。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的組織方式基本上以行政單元、街道走向以及山川地理等因素為原則,按歸屬變電站臺(tái)區(qū)的供電網(wǎng)格進(jìn)行劃分。引入“碳約束”概念后,負(fù)荷所引起的碳排放和可再生能源消納間的連接匹配關(guān)系需要得到新的審視,原有的組織方式也因此需要進(jìn)行調(diào)整和修正。
為了形成新的配電網(wǎng)組織方式,首先要明確碳和電能的生產(chǎn)關(guān)系和流動(dòng)路徑,將以發(fā)生碳排放為代價(jià)而生產(chǎn)的電能稱(chēng)為碳基電能,將不發(fā)生碳排放而生產(chǎn)的電能稱(chēng)為清潔電能。隨著未來(lái)能源結(jié)構(gòu)愈發(fā)多元,配電網(wǎng)中的電能供給將主要由2 個(gè)部分組成:一是來(lái)自上級(jí)電網(wǎng)輸送,包括火電廠發(fā)出的碳基電能,以及風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、水電站、核電站發(fā)出的清潔電能;二是來(lái)自安裝在配電側(cè)的分布式發(fā)電裝置,包括微型燃?xì)廨啓C(jī)等小型電源發(fā)出的碳基電能,以及分布式風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)出的清潔電能。
因此,在狹義上認(rèn)為,當(dāng)某區(qū)域在一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷全部由本地清潔能源供給,具備不需要同外部發(fā)生能量交換的能力,則認(rèn)為該區(qū)域形成了“零碳排放區(qū)”,即“碳中和區(qū)”。而廣義上的“碳中和區(qū)”則允許清潔能源發(fā)生內(nèi)外流動(dòng),共同參與更大范圍內(nèi)的碳交換過(guò)程。所以,對(duì)廣義“碳中和區(qū)”而言,清潔能源不僅來(lái)自域內(nèi)生產(chǎn),還可能包括上級(jí)電網(wǎng)輸送,所以在考慮碳排放約束作用時(shí),要提前確定來(lái)自上級(jí)電網(wǎng)輸送的清潔能源利用比例。可以看到,不論是狹義上的還是廣義上的“碳中和區(qū)”,顯性特征都是清潔能源對(duì)負(fù)荷電能需求的完全滿(mǎn)足。其中,狹義“碳中和區(qū)”實(shí)現(xiàn)的是就地源荷自平衡,其邊界約束更加嚴(yán)格,而二者的隱性特征則均體現(xiàn)為電力調(diào)節(jié)的靈活性和充裕性。
從數(shù)學(xué)優(yōu)化的角度來(lái)看,在智能配電網(wǎng)規(guī)劃模型中考慮碳排放約束,分解后將對(duì)其可行域形成“供需平衡”“經(jīng)濟(jì)可靠”“低碳高效”的多重切割,使模型充分滿(mǎn)足具體場(chǎng)景下技術(shù)準(zhǔn)確度和時(shí)空分辨率的要求[24],從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“碳中和區(qū)”邊界的精準(zhǔn)刻畫(huà)。同時(shí),優(yōu)化模型應(yīng)具備對(duì)新興低碳技術(shù)進(jìn)行拓展兼容的能力,充分計(jì)及配電網(wǎng)設(shè)備全生命周期的碳排放特性[25],在規(guī)劃目標(biāo)中增加碳不平衡量所造成的懲罰成本,將引導(dǎo)配電網(wǎng)向“碳中和區(qū)”的模式發(fā)生形態(tài)重塑,使之最大程度地實(shí)現(xiàn)配電側(cè)可再生能源對(duì)發(fā)電側(cè)碳基能源的等效替代。
“碳中和區(qū)”的概念與常規(guī)微網(wǎng)等自治運(yùn)行區(qū)域存在顯著差異[26]。首先,“碳中和區(qū)”作為低碳化智能配電網(wǎng)規(guī)劃新的組織方式,著眼點(diǎn)是碳中和目標(biāo)的就地實(shí)現(xiàn),建立的是以碳要素流通為核心的有機(jī)主體,需要考慮“碳約束”和電氣約束之間的強(qiáng)耦合關(guān)系,更加強(qiáng)調(diào)清潔能源對(duì)域內(nèi)負(fù)荷電能需求的全面支持。其次,“碳中和區(qū)”的構(gòu)建對(duì)象是智能配電網(wǎng)包含“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”在內(nèi)的整體形態(tài),涵蓋范圍比微網(wǎng)更加廣泛。最后,“碳中和區(qū)”的組織結(jié)構(gòu)在時(shí)空維度上會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)演變,與碳資產(chǎn)管理相關(guān)的技術(shù)和裝置也會(huì)逐步引入,層次和元素構(gòu)成相較于微網(wǎng)會(huì)更加豐富。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃通常采用負(fù)荷預(yù)測(cè)的峰值來(lái)確定變電站的容量和位置,然后根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則和經(jīng)濟(jì)性原則來(lái)分配各臺(tái)區(qū)引出的饋線數(shù)量和傳輸容量,配電網(wǎng)架“閉環(huán)建設(shè),開(kāi)環(huán)運(yùn)行”,具有明顯的輻射狀拓?fù)涮卣?,而且往往只考慮投資和運(yùn)維成本的最小化,因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃主要采用的是“自上而下”的規(guī)劃路徑[27]。
考慮碳排放約束的智能配電網(wǎng)規(guī)劃,除了要兼顧傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃中變電站、架空線或電纜、無(wú)功補(bǔ)償裝置的選址定容與優(yōu)化設(shè)計(jì),其規(guī)劃對(duì)象也將更加廣泛且多樣,不僅涵蓋“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”等多個(gè)環(huán)節(jié),而且由于投資利益主體不同而更加復(fù)雜。碳排放約束也將促使各規(guī)劃要素實(shí)現(xiàn)規(guī)范化配置,所形成的低碳微生態(tài)將在下文中進(jìn)行詳細(xì)介紹。與此同時(shí),由于資源要素配置的就地化和“碳約束”機(jī)制的局域化,規(guī)劃思路也將向“自下而上”的路徑轉(zhuǎn)變,愈加扁平化的架構(gòu)成為開(kāi)展配電網(wǎng)規(guī)劃的重要前提,如圖1 所示。
圖1 2 種配電網(wǎng)規(guī)劃方法的比較Fig.1 Comparison between two types of distribution network planning methods
對(duì)于新建城鎮(zhèn)或開(kāi)發(fā)區(qū)的配電網(wǎng)規(guī)劃,無(wú)論是土地使用、電站布局還是線路鋪設(shè)都可以沿著碳中和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行整體性的匹配優(yōu)化[28]。一種可能的技術(shù)路線如下:首先,明確上級(jí)電網(wǎng)輸送清潔電能的最大容量,劃定規(guī)劃期內(nèi)配電網(wǎng)的碳減排目標(biāo),開(kāi)展多時(shí)空尺度下新建區(qū)域電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷與新能源承載能力的分析計(jì)算;然后,以達(dá)到一定規(guī)模的分布式電源聚集中心作為“碳中和區(qū)”的組織起點(diǎn),逐步向四周負(fù)荷延展連接形成配電網(wǎng)絡(luò),同時(shí)完成對(duì)域內(nèi)各資源要素的優(yōu)化配置;最后,將“碳中和區(qū)”與鄰近電站相連以保證其后備容量和電壓支撐,而各“碳中和區(qū)”之間也可以通過(guò)智能軟開(kāi)關(guān)(soft open point,SOP)等建立電氣聯(lián)絡(luò)關(guān)系,由此形成以局域就地消納和廣域柔性互聯(lián)為主要特征的智能配電網(wǎng)發(fā)展新形態(tài)。
然而,基于現(xiàn)狀電網(wǎng)進(jìn)行碳中和方案改造將會(huì)面臨更多條件的制約。例如:分布式電源由于缺乏政策引導(dǎo)和收益調(diào)節(jié),在安裝和運(yùn)行上的無(wú)序性將進(jìn)一步凸顯,碳排放和新能源替代難以獲得最佳適配;原有市政功能分區(qū)可能導(dǎo)致用電特性的單一化聚集,土地飽和式開(kāi)發(fā)也給新式裝備的配置造成空間布局上的困難;“碳中和區(qū)”劃分和現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)分區(qū)之間的沖突,等等。但同時(shí)有利的一方面是,現(xiàn)狀電網(wǎng)除了電動(dòng)汽車(chē)充換電可能帶來(lái)一定程度的負(fù)載擴(kuò)容需求,工商與居民負(fù)荷容量基本保持穩(wěn)定,相關(guān)預(yù)測(cè)和特性分析會(huì)比較準(zhǔn)確。所以,基于現(xiàn)狀城區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行碳中和方案改造,研究經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)路線,不僅要在宏觀上充分發(fā)揮全局統(tǒng)籌的協(xié)調(diào)作用,更要注重微觀上具體策略的靈活施用。
智能配電網(wǎng)規(guī)劃在碳中和驅(qū)動(dòng)下,規(guī)劃路徑、電網(wǎng)形態(tài)和評(píng)價(jià)指標(biāo)等都將發(fā)生變化,要盡可能地在尊重傳統(tǒng)延續(xù)性的同時(shí)保證技術(shù)方案的先進(jìn)性。綜合考慮配電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求和未來(lái)愿景,以“碳中和區(qū)”作為智能配電網(wǎng)規(guī)劃的組織方式,將具有以下優(yōu)勢(shì)和意義。
1)可以將碳中和的發(fā)展理念落實(shí)到電力系統(tǒng)中,有利于推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型。
2)為配電網(wǎng)區(qū)域劃分提供依據(jù),符合電網(wǎng)分層分群、區(qū)間柔性互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)[29]。
3)以分布式電源為核心組織電網(wǎng)結(jié)構(gòu),可以充分提高新能源消納比例,減少變電站和線路的建設(shè)容量并延緩?fù)顿Y。
4)對(duì)用戶(hù)側(cè)豐富的可控資源進(jìn)行有效組織,提高設(shè)備利用率和配電網(wǎng)控制水平。
5)為配電側(cè)市場(chǎng)交易主體的形成創(chuàng)造條件,為碳補(bǔ)償和碳交易等經(jīng)濟(jì)行為提供實(shí)現(xiàn)路徑。
6)以碳中和為目標(biāo)形成若干局域自治單元,為“自治-互聯(lián)”的配電網(wǎng)規(guī)劃新格局奠定基礎(chǔ)。
碳中和在配電網(wǎng)中最顯著的特征是分布式電源的高滲透接入,利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源滿(mǎn)足負(fù)荷用電需求,從而降低發(fā)電側(cè)的碳排放量。然而,“碳中和區(qū)”作為一個(gè)具有自循環(huán)功能的系統(tǒng),不等于風(fēng)機(jī)、光伏的簡(jiǎn)單安裝和并網(wǎng)發(fā)電,以“風(fēng)光儲(chǔ)直柔”為核心的低碳微生態(tài)架構(gòu),可能是未來(lái)構(gòu)建“碳中和區(qū)”較為可行的整體性方案。其中,風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源作為清潔能量轉(zhuǎn)化裝置是“碳中和區(qū)”成立的必要條件;儲(chǔ)能系統(tǒng)是平抑峰谷波動(dòng)的主體,用來(lái)保證“碳中和區(qū)”的靈活性裕度;直流配電環(huán)節(jié)的加入可以省去直流設(shè)備和交流主網(wǎng)間數(shù)目眾多的變換裝置,對(duì)電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能效提升有重要意義;柔性設(shè)備在提高電網(wǎng)響應(yīng)控制水平的同時(shí),可以賦予碳中和更多時(shí)空調(diào)節(jié)上的靈活性,如圖2 所示。
圖2 配電網(wǎng)低碳微生態(tài)要素配置Fig.2 Configuration of low-carbon microecology factors in distribution networks
風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電設(shè)備隨著成本的降低和體積的小型化[30],在配電系統(tǒng)中的安裝可行性和普及程度越來(lái)越高[31],并網(wǎng)控制技術(shù)的日益成熟和多種能源間的互補(bǔ)特性也將進(jìn)一步提升新能源滲透率,但是仍存在以下2 個(gè)方面的問(wèn)題:一是在負(fù)荷側(cè)目前以用戶(hù)自行投建為主,呈現(xiàn)無(wú)序、分散、容量小等特點(diǎn);二是電能轉(zhuǎn)化受風(fēng)速、光照、溫度等自然因素影響較大,具有顯著的間歇性和波動(dòng)性[32]。然而,隨著配電側(cè)可再生能源并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策規(guī)范的陸續(xù)出臺(tái),低能耗建筑逐步將風(fēng)機(jī)、光伏建造納入總體設(shè)計(jì)方案[33],虛擬同步機(jī)等技術(shù)推廣應(yīng)用后對(duì)分布式電源并網(wǎng)兼容性的有效改善[34],“碳中和區(qū)”將獲得更加可靠可控的新能源支撐。
儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)充放電特性,可以在時(shí)間上有效改善分布式電源和負(fù)荷間功率不匹配的情況[35],它的調(diào)節(jié)能力在很大程度上決定了所在區(qū)域的對(duì)外碳特性,是維持當(dāng)前“碳中和區(qū)”約束邊界穩(wěn)定的關(guān)鍵系統(tǒng)。儲(chǔ)能裝置自身在要求高能量密度、低轉(zhuǎn)化損失之外,需要進(jìn)一步考慮能量存儲(chǔ)介質(zhì)和方式的低碳化,電制氫儲(chǔ)能技術(shù)日益得到關(guān)注和發(fā)展[36]。電氫轉(zhuǎn)化不僅可以實(shí)現(xiàn)零碳排放,而且氫作為重要的工業(yè)原料和二次能源的有效補(bǔ)充,電解制氫也有助于消納過(guò)剩的分布式發(fā)電[37]。因此,以電制氫為代表的新型儲(chǔ)能系統(tǒng),以及氫能和電能之間相互獨(dú)立而又較為高效的綜合利用機(jī)制,將成為低碳微生態(tài)的重要組成部分。
直流配電環(huán)節(jié)可以充分釋放光伏和儲(chǔ)能并網(wǎng)的潛力,節(jié)省大量電力電子變換裝置的分散式配置成本,直接滿(mǎn)足數(shù)字通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、直流快充電站等新型直流負(fù)載的用電需求,避免多元源荷為接入傳統(tǒng)交流主網(wǎng)而產(chǎn)生的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制策略,從而進(jìn)一步提高碳中和的適配度和能效比。低壓直流供用電系統(tǒng)在獨(dú)立組網(wǎng)、節(jié)能降損和電磁兼容等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[38],可以作為低碳微生態(tài)供配電技術(shù)的重要借鑒。
柔性設(shè)備具有靈活可調(diào)、精準(zhǔn)可控等特點(diǎn),目前主要有2 類(lèi):一類(lèi)是柔性負(fù)荷[39],如空調(diào)和電熱水器可以利用溫度變化的遲滯特性進(jìn)行短期電功率調(diào)節(jié),洗衣機(jī)和洗碗機(jī)可以自動(dòng)延時(shí)啟動(dòng)或錯(cuò)峰工作[40],通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)等手段改變?cè)械奶寂欧盘匦?;另一?lèi)是柔性配電裝置[41],如靜止無(wú)功補(bǔ)償器既可以吸收也可以發(fā)出無(wú)功功率,智能軟開(kāi)關(guān)可以對(duì)饋線間的潮流進(jìn)行轉(zhuǎn)移調(diào)配,從而對(duì)歸屬各區(qū)的可控資源進(jìn)行優(yōu)化重組,削減因?yàn)榭臻g阻隔造成的碳不平衡量,在廣域范圍內(nèi)重塑碳排放約束下的配電網(wǎng)組織和運(yùn)行方式。
綜上所述,“風(fēng)光儲(chǔ)直柔”的低碳微生態(tài)配置方案在經(jīng)濟(jì)性、可拓展性等方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì),是“碳中和區(qū)”落實(shí)碳排放約束的重要組織形式,為智能配電網(wǎng)規(guī)劃提供了新的技術(shù)路線,可以面向?qū)嶋H場(chǎng)景開(kāi)展更加深入的探討。
考慮到智能配電網(wǎng)的低碳化發(fā)展特征,在采用供電安全性、用電可靠性[42]和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)的基礎(chǔ)上,有必要從碳排放的視角對(duì)規(guī)劃方案開(kāi)展進(jìn)一步的量化分析,碳中和能力評(píng)估將成為智能配電網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)體系[43]的重要組成部分,為規(guī)劃方案的前期研討和后期審定提供更加全面的引導(dǎo)和規(guī)范。
3.2.1 碳消費(fèi)指標(biāo)
為了衡量某區(qū)域范圍內(nèi)配電網(wǎng)(碳評(píng)估區(qū))在不同評(píng)估時(shí)長(zhǎng)下的碳中和能力,提出碳消費(fèi)指標(biāo)ci,τ如下所示,ci,τ值越小,說(shuō)明碳評(píng)估區(qū)i的碳中和能力越強(qiáng)。
式中:τ為評(píng)估時(shí)長(zhǎng);、和分別表示碳評(píng)估區(qū)i在時(shí)間τ內(nèi)上級(jí)電站端口輸送、配電網(wǎng)本地產(chǎn)生和負(fù)荷消耗的電能;αi和βi分別為上級(jí)電站輸送和配電網(wǎng)本地產(chǎn)生電能中清潔能源所占比例;φ和ω分別為上級(jí)電站輸送和配電網(wǎng)本地產(chǎn)生的碳基電能和碳排放之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)。
3.2.2 碳凈比指標(biāo)
考慮空間尺度的差異,“碳中和區(qū)”的范圍可能是某條街道、某個(gè)供電轄區(qū),也可能是整個(gè)城市配電網(wǎng);考慮到不同位置的區(qū)塊又可以劃分為商業(yè)、居民、工業(yè)等多種建設(shè)用途,由于空間覆蓋范圍和負(fù)荷類(lèi)型的不同導(dǎo)致碳不平衡量的絕對(duì)值也會(huì)有顯著差異,從而影響對(duì)區(qū)域碳中和能力評(píng)估的判斷。因此,提出如式(3)所示碳凈比指標(biāo)ri,τ,表示單位負(fù)荷電能消耗所對(duì)應(yīng)的碳排放量,以抵消“碳中和區(qū)”自身負(fù)荷規(guī)模所帶來(lái)的影響。
3.2.3 碳均衡指標(biāo)
針對(duì)城市配電網(wǎng)規(guī)劃中的碳中和問(wèn)題,在初始階段以各供電轄區(qū)為基礎(chǔ)形成若干碳評(píng)估區(qū),然后對(duì)各區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀電網(wǎng)和可開(kāi)發(fā)利用的調(diào)節(jié)資源進(jìn)行分析研判,進(jìn)而推動(dòng)原轄區(qū)布局下各優(yōu)勢(shì)資源的優(yōu)化重組,為“碳中和區(qū)”的形成創(chuàng)造地理拓?fù)浜唾Y產(chǎn)管理上的條件。例如,通過(guò)安裝柔性配電裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域之間優(yōu)勢(shì)資源的優(yōu)化重組時(shí),可以將某區(qū)域原來(lái)無(wú)法消納而不得不棄置的風(fēng)光出力轉(zhuǎn)移到存在電量缺額的相鄰區(qū)域,在提高本地清潔能源利用率的同時(shí),減少總體上對(duì)碳基能源的消耗,從而達(dá)到碳中和能力互濟(jì)的效果。
為了評(píng)估城市配電網(wǎng)各區(qū)域間碳中和能力的互濟(jì)程度,提出碳均衡指標(biāo)g如下所示,g值越小,說(shuō)明碳評(píng)估區(qū)之間的互補(bǔ)能力越強(qiáng),城市配電網(wǎng)的碳消費(fèi)在整體上更加均衡。
式中:M和N分別為優(yōu)化重組前后碳評(píng)估區(qū)的數(shù)量;r′k,τ為優(yōu)化重組后碳評(píng)估區(qū)的碳凈比值;c′k,τ為優(yōu)化重組后碳評(píng)估區(qū)的碳消費(fèi)值;′為優(yōu)化重組后碳評(píng)估區(qū)負(fù)荷消耗的電能。由于優(yōu)化重組前后城市配電網(wǎng)總體負(fù)荷的電能需求保持不變,所以滿(mǎn)足
智能配電網(wǎng)規(guī)劃在時(shí)間維度上呈現(xiàn)多層次、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)[44],如圖3 所示。多層次是指規(guī)劃涵蓋了年、日、小時(shí)等多種顆粒度不同的時(shí)間尺度,反映了規(guī)劃和運(yùn)行之間的相互作用;強(qiáng)耦合是指下一步的規(guī)劃方案建立在上一步規(guī)劃結(jié)果的基礎(chǔ)之上,需要同時(shí)考慮當(dāng)前的時(shí)效性和未來(lái)拓展的充裕性,從而盡可能地減少閑置或短缺。
圖3 多時(shí)間尺度下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃Fig.3 Planning of smart distribution network based on multiple time-scales
遠(yuǎn)景規(guī)劃一般考慮的是15 至20 年及以上的發(fā)展需要,根據(jù)實(shí)際進(jìn)度安排將總體規(guī)劃進(jìn)一步細(xì)分為短期、中期等若干階段[45]。在以年為單位的時(shí)間跨度上,要首先考慮碳均衡指標(biāo)的導(dǎo)向作用,從配電網(wǎng)全局規(guī)劃的視角出發(fā),開(kāi)展對(duì)環(huán)境承載能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展能耗的預(yù)測(cè)分析。量化未來(lái)若干年內(nèi)潛在的新能源可開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量和可能產(chǎn)生的碳排放分布,大致確定各區(qū)塊內(nèi)的供需關(guān)系以及各區(qū)塊間的互濟(jì)程度,決定配電網(wǎng)變電站和網(wǎng)架的基礎(chǔ)布局和容量配置以及“碳中和區(qū)”的大致數(shù)量和規(guī)模,從而為劃定“碳中和區(qū)”邊界和預(yù)留由柔性配電裝置形成的功率輸送通道提供條件。
由于規(guī)劃和運(yùn)行2 個(gè)層面上的問(wèn)題聯(lián)系日益緊密[46],同時(shí)為了確保碳評(píng)估區(qū)獲得最大中和能力,有必要在規(guī)劃各階段開(kāi)展典型場(chǎng)景選取和融合方法研究,在以日為單位的時(shí)間跨度上,充分計(jì)及“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”交互的不確定性過(guò)程,建立日碳排放特性數(shù)據(jù)庫(kù)和碳減排日程清單,優(yōu)化低碳微生態(tài)的日前調(diào)度和能量管理機(jī)制,盡可能地降低碳凈比指標(biāo)值,從而對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的復(fù)雜適應(yīng)性和運(yùn)行時(shí)的靈活策略調(diào)整提出更高的要求。
配電網(wǎng)規(guī)劃中重要的一項(xiàng)是設(shè)備選型問(wèn)題[47],配電側(cè)分布式電源的功率輸出將削減負(fù)荷峰值,在一定程度上緩解了電力傳輸容量的限制。但由于分布式電源出力具有間歇性和波動(dòng)性,在以小時(shí)乃至分鐘為單位的時(shí)間跨度上,線路傳輸?shù)姆逯等萘咳允谴蠼獾囊?guī)劃變量。線路、開(kāi)關(guān)以及換流器等設(shè)備的容量?jī)?yōu)選,對(duì)保證系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高“碳中和區(qū)”各配置環(huán)節(jié)的資產(chǎn)利用率具有重要意義。
智能配電網(wǎng)在整個(gè)規(guī)劃周期內(nèi)分階段遞進(jìn)式發(fā)展,也意味著配電網(wǎng)在空間形態(tài)上將發(fā)生動(dòng)態(tài)演變,如圖4 所示,包括“碳中和區(qū)”的延拓、收縮、融合與解裂等過(guò)程,主要涉及以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。
圖4 智能配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)演變Fig.4 Dynamic evolution of smart distribution network
一是“碳中和區(qū)”電力邊界如何確定的問(wèn)題。電力邊界是內(nèi)外功率交換的位置,“碳中和區(qū)”內(nèi)部源荷平衡與對(duì)外交換功率為零具有等價(jià)關(guān)系,所以負(fù)荷與風(fēng)機(jī)、光伏的容量增減、位置變動(dòng)在很大程度上決定了“碳中和區(qū)”的邊界,是促使“碳中和區(qū)”發(fā)生動(dòng)態(tài)演變的主要驅(qū)動(dòng)力,而邊界的穩(wěn)定性則取決于儲(chǔ)能、柔性配電設(shè)備等可控資源的調(diào)控能力。電力邊界的改變?cè)谛问缴媳憩F(xiàn)為配電網(wǎng)各部分間的優(yōu)化重組,實(shí)質(zhì)上反映的是投資經(jīng)濟(jì)性和碳中和能力兩者相權(quán)衡后的發(fā)展斷面。
二是“碳中和區(qū)”之間的聯(lián)絡(luò)問(wèn)題。一些“碳中和區(qū)”在滿(mǎn)足自身約束的情況下,如果能量存儲(chǔ)和調(diào)度空間仍有裕度,那么就可以發(fā)揮輔助服務(wù)的作用,即通過(guò)多端柔性配電裝置與相鄰區(qū)域連接,形成“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)和常態(tài)閉環(huán)運(yùn)行方式[48],然后各區(qū)域以對(duì)等市場(chǎng)主體的角色開(kāi)展碳中和機(jī)制下的能量交易[49],提高系統(tǒng)整體的資源利用效益,擴(kuò)大碳排放約束的影響范圍。
三是“碳中和區(qū)”在多電壓層級(jí)間的構(gòu)建問(wèn)題。變電站目前對(duì)由分布式電源引起的潮流倒送大都有較為嚴(yán)格的容量限制,所以變電環(huán)節(jié)是“碳中和區(qū)”之間良好的分界點(diǎn)。柔性變電站[50]和具有電壓變換功能的柔性配電裝置[51]響應(yīng)速度快、數(shù)字化水平高,不僅是電能量測(cè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),同樣也是信息收發(fā)鏈路的重要組成部分,它們對(duì)傳統(tǒng)變電站和變壓器的升級(jí)替代將進(jìn)一步增強(qiáng)智能配電網(wǎng)不同電壓層級(jí)之間對(duì)“碳足跡”的監(jiān)控和管理水平[52],促進(jìn)清潔能源多級(jí)調(diào)度協(xié)同響應(yīng)。
四是電動(dòng)汽車(chē)對(duì)“碳中和區(qū)”的影響。電動(dòng)汽車(chē)既可以作為電力負(fù)載,也可以反向?qū)﹄娋W(wǎng)充電,其跨區(qū)域的機(jī)動(dòng)性也決定了其作為移動(dòng)式碳載體的靈活性[53],從而具備對(duì)“碳中和區(qū)”邊界彈性的塑造能力。開(kāi)展對(duì)公交車(chē)、出租車(chē)等不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)出行規(guī)律的特性分析[54],研究電動(dòng)汽車(chē)集群式調(diào)度方法和充換電站選址定容的規(guī)劃方法[55],對(duì)“交通-電力”交叉領(lǐng)域的碳中和具有重要意義。
碳中和理念的落實(shí)不會(huì)一蹴而就,將漸進(jìn)式地經(jīng)歷“高碳—低碳—零碳”的發(fā)展階段,所以在此期間制定合理的能源組合利用方式將具有更為現(xiàn)實(shí)的意義[56]。變電站從上級(jí)電網(wǎng),即目前以火力為主的發(fā)電廠輸入電能,其實(shí)際投運(yùn)容量將逐漸減小,配套的高碳基礎(chǔ)設(shè)施也將隨著碳中和的深化推進(jìn)而降低投資。但是,目前電網(wǎng)主體對(duì)傳統(tǒng)能源仍維持較強(qiáng)依賴(lài),冬夏季呈現(xiàn)“雙峰”特征的用電需求主要依靠常規(guī)電源來(lái)保障電量平衡和調(diào)峰靈活性,傳統(tǒng)能源在基數(shù)和占比上的優(yōu)勢(shì)將在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)作用于電網(wǎng)形態(tài)的發(fā)展。特別指出的是,美國(guó)得克薩斯州于2021 年2 月15 日發(fā)生的大范圍停電事件[57],其中一個(gè)直接原因是得克薩斯州電源結(jié)構(gòu)以燃?xì)夂惋L(fēng)電機(jī)組為主(約占總裝機(jī)容量的77%)。在極寒天氣下,天然氣管網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備因凍結(jié)而被迫停運(yùn),從而導(dǎo)致電源出力急劇下降,在外部供電能力不足的情況下只能大規(guī)模削減負(fù)荷,實(shí)行輪流停電。因此,如何協(xié)調(diào)新能源和傳統(tǒng)能源間的投建比例和運(yùn)營(yíng)方式,如何正確處理經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)、電力安全可靠供應(yīng)和能源低碳化轉(zhuǎn)型三者的關(guān)系,是當(dāng)下研究智能配電網(wǎng)規(guī)劃需要首先考慮的務(wù)實(shí)問(wèn)題。
城市配電系統(tǒng)具有高負(fù)荷密度和高供電可靠性等特點(diǎn)[58],但是可開(kāi)發(fā)空間資源日益緊缺,碳排放量在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法自我抵消。農(nóng)村配電系統(tǒng)雖然負(fù)荷分散、電網(wǎng)建設(shè)薄弱,但是風(fēng)能、光能等可再生能源蘊(yùn)藏豐富且建設(shè)成本較低。隨著農(nóng)村居民生活水平不斷提高,農(nóng)村和鄰近城鎮(zhèn)的碳排放需求日益增長(zhǎng),機(jī)械、灌溉、溫室大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的電能替代快速發(fā)展,清潔能源的就近開(kāi)發(fā)利用可以有效減少農(nóng)村燃油燃煤的消耗。研究如何將中心城市和周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的源荷情況進(jìn)行統(tǒng)籌考量,開(kāi)展碳排放約束下的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃,建立城鄉(xiāng)一體化的碳排放管控和發(fā)展機(jī)制,不僅可以為拓展規(guī)劃創(chuàng)造新的實(shí)現(xiàn)路徑,而且將極大地改善新能源來(lái)源單一和過(guò)度集中的問(wèn)題,從而提高區(qū)域整體的供電安全性和可靠性。
未來(lái)智能配電網(wǎng)將逐步發(fā)展成為“協(xié)同、開(kāi)放、綠色、共享”的綜合性能源服務(wù)應(yīng)用體系[59],運(yùn)行模式與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在諸多不同,將對(duì)碳中和理念下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生重大影響。首先,不同品類(lèi)能源間的耦合互補(bǔ)關(guān)系將進(jìn)一步加強(qiáng),源荷單向跟蹤轉(zhuǎn)化為源荷協(xié)調(diào)互動(dòng)[60],長(zhǎng)短期儲(chǔ)能需求總量和結(jié)構(gòu)配比不斷優(yōu)化[61],碳捕集電廠可以通過(guò)改變運(yùn)行方式調(diào)節(jié)碳排放和凈發(fā)電之間的數(shù)量關(guān)系[62],這一系列變化將導(dǎo)致碳足跡與能量產(chǎn)銷(xiāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系愈加復(fù)雜,這意味著智能配電網(wǎng)的規(guī)劃方案需要具備更高的兼容性和靈活性,對(duì)互聯(lián)結(jié)構(gòu)下碳流動(dòng)通量和路徑優(yōu)化調(diào)度提出更高的要求。其次,信息流和能量流將發(fā)生更加緊密的結(jié)合,通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將給智能配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)感知、計(jì)算決策和代理協(xié)作等提供新的控制手段[63],這意味著碳排放監(jiān)管的數(shù)字化和智能化水平進(jìn)一步提高,智能配電網(wǎng)規(guī)劃必須計(jì)及“信息-能量-碳排放”多元網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行層面的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用,從而確保系統(tǒng)整體配置在碳信息采集、計(jì)量轉(zhuǎn)換和潮流調(diào)控等底層物理實(shí)現(xiàn)上的完備性。
電力碳排放權(quán)交易市場(chǎng)作為電力市場(chǎng)的衍生體[64],在能源互聯(lián)趨勢(shì)下將具備海量終端、多邊接入和平等參與等新特征[65],為實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域更加廣泛的碳源減排和碳匯增容創(chuàng)造新條件[66],從而成為加速智能配電網(wǎng)碳中和進(jìn)程的有效手段。通過(guò)制定安全高效的碳排放權(quán)結(jié)算與出清規(guī)則,利用經(jīng)濟(jì)層面的轉(zhuǎn)移支付方式,對(duì)地區(qū)間的異質(zhì)互補(bǔ)性資源進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào),將對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃中不同利益主體的投資行為形成積極引導(dǎo)。同時(shí),資本的流通不僅會(huì)讓各地域的碳排放權(quán)交易更加緊密,也會(huì)反作用到配電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)體層面。例如,為了獲取市場(chǎng)博弈中的更大優(yōu)勢(shì),局域“碳中和區(qū)”將優(yōu)化規(guī)劃方案,努力提升自身的碳調(diào)節(jié)裕度和靈活性,而跨電壓層級(jí)“碳中和區(qū)”間的關(guān)聯(lián)機(jī)制也將增擴(kuò)傳輸通道和提高響應(yīng)速度。
“碳達(dá)峰、碳中和”作為國(guó)家重要戰(zhàn)略決策,決定了中國(guó)能源利用體系未來(lái)發(fā)展的價(jià)值方向。風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源的高比例滲透是能源清潔化轉(zhuǎn)型的重要支撐點(diǎn),為配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)碳中和創(chuàng)造了條件,同時(shí)對(duì)先進(jìn)裝備的制造能力、安全穩(wěn)定的生態(tài)建設(shè)和高效協(xié)同的控制方法提出了新挑戰(zhàn),將對(duì)智能配電網(wǎng)規(guī)劃理論和技術(shù)變革產(chǎn)生深刻影響。本文在碳中和成為新時(shí)代電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的背景下,對(duì)低碳化智能配電網(wǎng)規(guī)劃的路徑轉(zhuǎn)變、評(píng)估方法和關(guān)鍵問(wèn)題等展開(kāi)探討,在后續(xù)工作中將對(duì)智能配電網(wǎng)規(guī)劃中所涉及碳排放約束的數(shù)學(xué)描述和建模方法展開(kāi)進(jìn)一步研究,期望能夠?yàn)樘贾泻蛯?dǎo)引下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展提供有益的思考和借鑒。