美国能源部电网现代化度量分析及对我国电网发展的启示

田 鑫，韩新阳

(国网能源研究院有限公司，北京 102209)

随着全球各国“碳达峰、碳中和”目标的提出，世界范围内都在经历着深刻的能源转型[1-2]。进入21世纪以来，美国电网已经无法满足现代社会的发展需求，由美国能源部(DOE)主导，推动美国电网现代化转型，编制规划、提出思路、建立度量体系，积累一些经验。

1 美国能源部电网现代化的提出

美国电网需要转型发展，主要来自5个因素的推动：一是不同类型及特征的发电形式混合(特别是分布式能源和清洁能源)；二是对更稳定、更可靠的电网需求的不断增长(尤其是天气、网络和物理攻击的影响)；三是用户侧参与电力市场的机会增多；四是互连电力信息和控制系统的出现；五是电力基础设施的老化。

2014年11月，美国能源部主导并联合其多个国家实验室建立了共同致力于电网现代化的战略合作联盟——美国电网现代化实验室联盟(Grid Modernization Laboratory Consortium，简称GMLC)。

2015年11月，美国能源部发布了电网现代化规划(Multi-Year Program Plan，简称MYPP)。该规划定义了美国现代化电网的图景：未来的电网将解决无缝集成传统能源和可再生资源、储能以及集中和分布式发电的挑战。它将为全球清洁能源经济中美国的繁荣、竞争力和创新提供重要平台。它将为用户提供韧性、可靠、安全、经济、灵活和可持续的电力，并满足其任何时间、任何地点、任何方式的多样化需求。

2020年，GMLC发布了电网现代化度量分析报告(Grid Modernization Metrics Analysis，简称GMMA)，对美国电网现代化的内涵特征进行了更为细致的分析，阐述了6个关键特征(韧性、可靠性、安全性、经济性、灵活性、可持续性)及其度量指标。

2 电网现代化内涵及度量分析

美国MYPP指出，“电气化”进程作为20世纪最伟大的工程成果，已为国家的发展作出了巨大贡献。然而20世纪的电网结构已无法适应当前的发展需求。传统电网的架构主要基于大规模远距离终端用户的发电设备、垂直化的控制方式、有限容量的储能设备以及被动负荷。而现代化的电网必须更加灵活、鲁棒、敏捷[3-5]。现代化电网需要具备的能力有：动态优化电网运行及资源的能力；快速检测并缓解扰动的能力；接纳百万级以上智能设备的能力；整合源荷双侧电源及需求响应的能力；允许用户侧参与电力市场的能力；抵御物理及网络攻击的保护能力等。为适应现代社会的发展需要，现代化电网需满足以下特性。

2.1 更强的应对各种灾害的电网韧性(Resilience)

韧性是指适应条件变化、抵御并从破坏中快速恢复的能力，包括抵御并从蓄意攻击、事故或自然发生的威胁或事件中恢复的能力。采用以下两种方法确定韧性评价指标。

(1)基于多标准决策分析方法的电网韧性指标：该指标主要从电网灾害处置的准备、缓解、响应、恢复4个阶段分别提出相应的韧性指标，从电网具备的能力方面进行评价。

(2)基于性能分析方法的电网韧性指标：该指标主要根据特定电力中断事件下可能导致的后果对指标进行界定，从电网供电效果方面进行评价，适合用于成本效益分析和规划分析。

2.2 提升电网日常运行可靠性(Reliability)

可靠性是指电网在运行状态面对常规不确定性冲击时向用户维持输电服务的能力。对于配电系统，可靠性的衡量主要关注用户用电需求无法得到保质、保量满足时的电力中断情况。对于发输电系统，可靠性的衡量时间尺度分别侧重于运行时间尺度(当前或近期)和规划时间尺度(长期)。

可靠性性能指标的建立主要涵盖以下3个方面。

(1)配电系统可靠性；

(2)互联输电系统可靠性；

(3)概率输电规划。

2.3 加强面对更多电网威胁的安全性(Security)

安全性是通过物理手段降低关键基础设施风险的能力或防御网络入侵、攻击等措施以及自然、人为灾害。美国Grid Metrics研究团队主要侧重于物理手段的性能指标制定，该性能指标的目的是使电力公司、监管者和利益相关者能够评估电力公司的物理安全状况或准备情况。

2.4 维持电网经济效益的经济性(Affordability)

经济性是指电网以不超出客户购买意愿或支付能力的价格提供电力服务的能力。美国Grid Metrics研究团队的初始工作重点侧重于居民用电，经济性指标主要分为以下8个方面。

(1)家庭用电负担；

(2)家庭用电负担能力缺口；

(3)家庭用电负担能力缺口指数；

(4)家庭用电负担能力人口指数；

(5)年均用户成本；

(6)用户平均成本指数；

(7)商业用电边际收益产品；

(8)工业边际收益产品。

2.5 应对多时间尺度不确定运行状态的灵活性(Flexibility)

灵活性是指电网对未来的不确定性响应的能力。这两种时间尺度可解释为电网灵活性的不同角度：从运行角度出发，灵活性依赖于现有电网对已知或无法预料的变化适应的敏捷性，例如电网对由于可再生能源发电预测误差带来的负荷突变的应对能力；从规划角度出发，灵活性依赖于改变电网网架结构来应对政策和新规的变化，以及技术突破等。

2.6 包含高比例清洁能源的可持续性(Sustainability)

可持续性是指电网在尽量减小对人类健康及自然环境的影响前提下为用户提供电力服务的能力。可持续性通常包含环境、社会以及经济三大支柱。目前美国Grid Metrics研究团队只针对环境方面进行了指标分析，其相关性能指标体系主要关注以下2个方面。

(1)发电产生的温室气体排放；

(2)发电容量的水资源依赖性。

2.7 美国电网现代化MYPP落实成效

2017年4月，美国能源部举行了第一次年度电网现代化同行评审会议，多方代表就电网现代化进程在下一个十年的发展挑战与机遇发表了相关论述。美国能源部正式对GMLC工程涉及的6个关键技术领域(设计与规划工具，系统运行、电网潮流及控制，感知与测量，设备与综合系统，安全与韧性，制度支撑)进行了评审，并发布了第一版电网现代化同行评审报告。截至该报告发布，该项目已累计筹集资金2.2亿美元，涉及多达100家战略伙伴。资金重点支持了先进储能系统、清洁能源一体化、标准与测试规程以及其他在电网现代化MYPP纲要中列出的关键技术研究。

3 对我国电网发展的启示与建议

(1)美国电网现代化研究成果可以为我国构建以新能源为主的新型电力系统提供参考，为我国电力系统的发展指明方向。我国已建成世界上并网新能源装机容量最大的电网，建议结合经济社会发展对电网的需求，对传统电网的可靠性、稳定性等概念进一步拓展，阐述新型电力系统下电网的必备特征。对新型电力系统进行更为详尽的特征描述，可进一步明确我国电网的发展方向。

(2)美国电网现代化研究成果系统可为我国电网特征的度量分析提供研究思路，为电网规划制定提供定量指引。电网特征度量指标体现电网不同业务部门和电力用户对电网的需求，建议加强我国电网发展特征的量化分析。GMLC对美国电网现代化的特征量化分析结果可明确美国电网现代化的重点关切点，便于指导我国电网产业内部和外部各部门针对度量指标建立更为完善的实施方案，为电网发展规划的制定提供参考。