能源安全格局下新型电力系统发展战略框架

　　电力安全是能源转型发展的底线。近年来，世界多国电力安全问题频发，构建新型电力系统成为能源电力转型的必然要求，也是实现“双碳”目标的重要途径。新型电力系统以确保能源电力安全为基本前提，具有电力电源清洁化，电力系统柔性化、数字化、电力电子化的内在本质特征。

　　中国工程院汤广福院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2023年第2期发表《能源安全格局下新型电力系统发展战略框架》一文。文章结合我国能源安全转型面临的新形势、新挑战，明确了能源安全涉及的供给、环境、经济、科技等方面的内涵;探讨了能源转型的发展目标与战略路径，阐述了新型电力系统对于能源安全的重要性;剖析了影响新型电力系统安全发展的电源、电网、负荷、储能、市场、技术等关键环节。文章认为，需从应急预警、共享互济、安全防御3 个层面着手，构建新型电力系统安全发展所需的核心体系;进一步提出了新型电力系统发展路径研究的基本思路，以期为新型电力系统构建及安全发展研究提供基础参考。

　一、前言

　　党的二十大报告提出，积极稳妥推进碳达峰、碳中和(“双碳”)，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系，确保能源安全。目前，我国是世界第二大石油消费国、第三大天然气消费国;作为高碳能源类型的煤炭仍处核心消费能源地位，加之国际形势复杂多变、消费能源价格高企，我国从化石能源向可再生能源的转型过程具有显著的复杂度和挑战性。能源安全作为能源绿色转型、经济高质量发展的基本前提，与环境安全、经济稳定、产业链供应链安全等密切相关，对国家经济、社会、外交等具有不容忽视的影响。

　　电力安全是能源转型发展的底线。近年来，世界多国电力安全问题频发，如乌克兰电网系统遭网络攻击而中断(2015年)、美国得克萨斯州大停电(2021年)、我国东北部分地区拉闸限电(2021年)、我国四川省大规模高温限电(2022年)等。2021年3月，我国首次提出构建新型电力系统，这是能源电力转型的必然要求、实现“双碳”目标的重要途径。新型电力系统以确保能源电力安全为基本前提，具有电力电源清洁化，电力系统柔性化、数字化、电力电子化的内在本质特征。随着传统电力系统向新型电力系统转型升级不断加快，一次能源特性、电源布局功能、电网形态规模、负荷结构特性等都发生深刻变化;新能源的强不确定性、低保障性、电网灵活调节、多能源融合、信息网络防御等因素，都与新型电力系统的安全稳定发展密切关联。

　　近年来，针对国内外频繁发生的电力安全事故问题开展了一些研究分析。在电网系统调频方面，因高比例新能源的接入，电力系统惯量与以常规发电机组为主体的系统相比大幅降低，出现扰动或故障时的电网系统功率平衡出现变化，而惯量对电网的支撑能力不足可导致系统启动低频减载等措施;如英国“8·9”大停电事故、欧洲大陆同步电网“1·8”解列事故的研究表明，需提升电源侧抗干扰能力，合理配置系统保护资源，加强电网频率特性及调频能力。在应对极端天气方面，结合美国得克萨斯州大停电事故分析，提出了我国新能源在适应气候环境、电力互济能力、电力预测与调度技术、标准体系制定等方面的发展建议。在电网形态构建方面，分析了我国电力系统网架结构在能源低碳转型发展中存在的稳定性问题，提出了交 / 直流联合运行3种发展模式并以“交流分区+直流组网”为优。

　　随着高比例新能源、高度电力电子化新型电力系统的构建，电力系统的安全稳定运行不仅面临来自源侧、网侧变化的直接挑战，而且受到荷、储、市场、技术等新增关键因素的影响。因此，为了实现能源有序低碳转型、新型电力系统安全发展，需立足国家能源安全的宏大背景，聚焦源、网、荷、储、市场、技术等主要影响因素，深入探讨新型电力系统安全发展的战略架构。针对于此，本文解析能源转型形势下的能源安全内涵，明确能源安全转型的目标、路径、支撑，分析能源安全与新型电力系统发展的关系;提出反映源、网、荷、储、市场、技术六大影响因素，包含应急预警、共享互济、安全防御三大技术体系的新型电力系统发展战略框架，以期促进新型电力系统安全发展、高质量建设等研究。

　二、能源安全与新型电力系统发展

　　(一)能源安全的内涵与能源转型发展

　　1. 能源安全的内涵

　　20世纪70年代，因石油危机研究提出了能源安全概念;随后逐步形成了更为综合的能源安全概念，主要包括能源资源的可利用性，能源资源的可获得性，环境的可接受性，能源成本的可承受性。在全球能源转型的新形势下，因极端天气、科技发展、地缘政治等因素影响，全球能源供应问题频发，如价格波动、供应趋紧等，能源安全韧性的不足得以充分暴露。当前，我国进入了能源转型发展阶段，能源安全要求常态情况下的“长久安全”、极端情况下的“自主可控”;具体而言，可从供给安全、环境安全、经济安全、科技安全四方面把握其核心内涵。

　　供给安全是能源安全的基础。在传统能源系统中，石油供应是能源安全供应的核心内涵;而当今的能源体系，品种范围扩展至多种其他能源，纳入了能源供应链及基础设施，同时供给安全涉及的范围扩大至社会稳定、地缘政治、生态环境、经济福利等。我国作为世界最大的能源消费国，面临着较为严峻的能源安全形势。

　　① 传统能源供应风险增大，油气消费对外依存度居高不下，2021年的能源对外综合依存度达到20%(其中原油、天然气消费分别超过70%、40%)，油气消费的持续增长将放大传统能源安全风险。

　　② 新能源的安全风险逐步显现，能源系统受极端气候的影响更为明显，如2022年夏季四川省面临持续高温，水电日发电能力下降超过50%，全天电力电量“双缺”，每天外省入川支援电力约6×106kW仍无法对冲电力缺口。

　　③ 未来新能源规模的扩大，对矿产资源的需求保持高速增长并将呈现多样化，而部分关键矿产资源的对外依存度已超过80%。

　　环境安全是在适应生存的基础上反映人与环境和谐程度的量度，兼顾能源系统的绿色低碳发展才能更好实现“双碳”目标。化石能源燃烧产生的大量SO2、烟尘等气体和固体污染物，导致雾霾、酸雨、土壤、水资源污染等现象。以煤为主体的能源结构带来了温室气体排放量的持续增加，我国2021年能源产生的CO2排放量约为1.087×1010 t，占世界总量的32.1%;加之碳中和过程的窗口期偏短(全球从碳达峰到碳中和平均用时为53年，我国仅有30年时间)，实现碳中和目标可谓时间紧、任务重。此外，我国的单位国内生产总值产生的CO2强度较高，主要原因是煤炭在能源结构中占据主导地位，如2021年煤炭在一次能源消费结构中的占比达到56%。整体来看，“偏煤”的能源结构凸显了减碳与保供的矛盾，能源转型节奏把握难度较大，局部地区易因煤电供应不足出现规模性的“拉闸限电”。

　　经济安全指妥善解决能源价格日益上涨、稳定能源价格需求迫切之间的矛盾。近年来，受产业发展、国际形势等因素的影响，能源价格波动幅度加大，一次能源、关键矿产资源价格高启，抬高了能源转型成本，如锂的价格快速和大幅波动(1年时间价格上涨7倍多)。能源体系中新能源占比的提升推动了终端用能成本的增长，而随着碳市场的深化发展，化石能源使用成本也将随之走高，直接影响经济市场体系的运转稳定性。

　　科技安全是能源安全的根本保障。当前，我国能源安全的重点领域中存在诸多技术薄弱环节，如煤炭清洁利用与转换，新能源核心技术，先进核电技术，智能电网，智慧矿山，氢能产业链关键技术与装备，天然气上游勘探开发，现代煤化工(技术、装备、催化剂)等。着力补齐能源发展的技术短板，引领新兴领域前沿技术发展，才能保障能源科技自主可控与高质量发展。