智能电网技术发展的低碳经济研究

卢 璐， 肖 莹， 诸德律， 吴 雪， 陈 丹

（国网江苏省电力有限公司经济技术研究院， 江苏 南京 210008）

0 引言

目前，世界各国都在大力倡导低碳经济。电力工业作为国家二氧化碳的主要排放源，其减排任务艰巨[1]。智能电网将各种先进的低碳技术引入到电力系统中，从而实现电力系统的低碳运行，从而带来更多的低碳效益。具备低碳特征的智能电网已经成为全球发展低碳能源、降低碳排放的重要途径[2]。目前，我国的智能电网已经进入了全面建设的阶段，因此，对智能电网技术发展的低碳经济进行辩证分析，并对其低碳效益展开了评估，这有助于为我国的智能电网推动低碳的建设提供了决策依据[3]。

1 智能电网与低碳经济的协同性

智能电网并不是一个新的概念，在最近几年。21世纪，随着信息通信技术、自动化控制技术和现代管理技术的不断进步，世界上所有的工业都在向着数字化的方向发展。“智能电网”是美国IBM于2006 年首次提出的，按照中信证券的说法，它是一种基于感知、通讯、计算、决策、控制等多个功能的新型电力系统[5]。同时，随着自动化技术与现代化管理手段的广泛运用，实现了对电力系统的实时调度，以及对设备的自动监测与优化。上述技术的综合应用，使电网在安全、稳定、灵活、高效运行的同时，更好地保障了电网的高效运行。从需求的角度来看，如果说技术是智能电网的可能，那么用电规模的不断扩大，清洁能源的替代率的不断提高，则是电网的智能化。

2 智能电网体系简介

为了缓解电力供需不平衡、传输损耗大、能源利用率低下的问题，配合新能源的接入，国家开始建设智能电网。与国外的智能电网发展模式最大的区别在于，我国的智能电网建设采用的是以特高压骨干网和各级电网共同发展的模式，它对发电、输电和用电的每一个环节都进行了全面的覆盖，涵盖了生产、经营和管理的整个生命周期过程。所以，在我国，智能电网的建设周期很长，涉及的领域也很广，必须从电网基础设施、关键技术、智能应用、标准规范等多个方面对智能电网的建设和发展进行全面的支持，推动电力、信息和业务在智能电网中的深度融合。

3 智能电网技术的低碳发展模式

智能电网在节能减排方面具有显著优势，同时也是实现电力系统低碳运行的重要基础。智能电网对环境污染的影响主要有直接影响和间接影响两个方面。它的直接好处是减少了矿物能源，因此减少了二氧化碳的排放；通过优化投资、提升终端能效、降低过程损耗、实施能效项目，降低源头能耗，实现CO2减排。来自发电站的生活、工商业用电，通过升压变压器与输电线相连，由输电线输送到变电站，经过变电站的降压后，再由变电站输送到用户。电网是电力传输与消纳的重要载体，它包含了发电、配、输、用电等多个重要环节，是电力系统的重要组成部分。本项目拟从发电侧、网侧和用户侧三个角度，深入研究智能电网中的关键低碳技术在当前电力系统中的应用机制。在这一过程中，智能电网中的低碳发展模型对各个阶段的技术都有不同的需求。

3.1 可再生能源发电可靠并网技术

3.1.1 可再生能源发电优化控制技术

可再生能源发电的最优控制技术采用能量储存技术、以先进的控制方法为基础的实时通信技术，可以使可再生能源与其他分布式能源之间的无缝连接。在实现电网集成时，所遇到的最大的问题就是可再生能源的可控程度不高，例如，风力和太阳能具有间隔性和波动性。通过对源端输出功率及需求侧负载响应的分析与调控，可在一定程度上降低可再生能源的变化量，提高可再生能源的可调度性，实现最大限度地绿色发电接入。利用智能电网中的通讯基础设施及终端智能装置，可为电力系统中的间歇性风电资源提供调度辅助服务，使风电接入到电力系统中，从而合理地解决了风电的间歇性问题。

3.1.2 储能技术

因为风力和太阳能是间歇性的，这种能量的起伏，如果没有得到实时的平衡，就会引起频率失衡，从而破坏电网的稳定。而与智能电网有关的技术，例如更准确的负荷控制、调度以及实时通讯技术等，能够为系统的稳定性提供必需的平衡。

在智能电网的架构中，储能设备的配置对提升分布式电源的运营水平及供电质量起到了关键作用。储能技术指的是将电能利用一定的设备，转化为其他容易储存的能量，并将之有效地储存起来。当有必要的时候，它能很容易地把存储的能源转换成想要的能源。通过在系统中配置一定容量的储能装置，能够实现适度可调度的间歇电源，从而保证持续、可靠的供电，同时能够充分发挥系统的稳定性。

3.2 基于降低损耗的智能电网低碳效益实现技术

从输配电环节来看，以减损为核心的智能电网实现低碳效益的技术途径有三条。

1）传输方面，以强大的特高压主干网为基础，以协调发展的各级电网为基础，采用先进的传输技术，尤其是超高压传输技术和柔性传输技术，与新型的导线、新型的变压器相结合，以提高传输效率，直接降低传输过程中的线路损失，进而降低发电侧的火电机组的能耗，间接地降低CO2的排放量。

2）在输配电领域采用先进的传输技术和智能调度技术，有利于智能电网充分发挥清洁能源和火电互补优势，实现产电与负荷间的动态平衡，例如通过新能源与火电间的互济移峰操作优化系统负载曲线，提高负载率，从而提高电网传输效率。这些技术可以帮助智能电网实现清洁能源大量接入与动态调度，弥补其间歇性和不可预测性的缺陷，同时通过智能调度充分发挥火电站调度灵活性，实现系统负荷平滑，降低系统运行成本。通过，采用先进传输和智能调度技术可以提高智能电网的可靠性和经济性，间接地降低传输损失，实现CO2减排。

3）在配电环节，利用智能调度与先进的配电自动化技术，将负荷端的海量分布式能源与智能电网无缝融合，实现各种分布式能源的协同、有序运行，降低因长距离传输而造成的线路损失，进而降低发电端的火电设备能耗，减少燃煤等化石能源的消耗，进而间接减排CO2。

3.3 配电与用电智能化技术能体系

尽管“需求侧”的目标是降低负荷或通过转移负荷来降低峰位，但通过“动态收费”等一系列的“需求响应”服务，再加上智能电网对客户“需求响应”事件的迅速响应，将会在节约能源的同时，降低二氧化碳的排放。

减少用电量是实现低碳经济的最直接的方法，智能电网基于智能用电技术，使用智能交互终端，为用户与发电机构搭建了一个双向互动的平台。智能交互式终端使得电力管理者可以依据电网的实际情况，对用电业务进行有效的管理。在电力市场中，电力市场中的电价管理主要有：电价分时定价、电力价格控制、电量价格控制、预提费用管理、电费催收等。同时，还可通过智能交互式终端，实现对电力系统电压波形、无功、功率因数、电压谐波、EMI 等信息的实时监测，保障电力系统的安全、稳定、可靠运行。智能电网系统还可以为用户实时跟踪用电情况，向用户提供灵活的、个性化的用电服务，让用户的有序用电和节约用电的需求得到满足。将传统的电能表改造成具有计量功能、人机交互功能和通讯功能的智能化电能表，从而实现智能交互技术。这种电能表除了具备基本的计量功能之外，还有许多功能，如双向计量、自动收集等，为民用、工商业用户提供了一种智慧电力的应用平台，并且与智能家电、智能大楼、智能小区的建设和发展有着紧密的联系。

4 环境损失评估价值标准

环境价值就是将环境利益从经济学的角度加以量化和货币化，以便于人们对环境利益有一个更加直观的认识。表1 详细说明了电力行业对环境造成的污染的价值。其中，二氧化硫的环境价值以处理成本间接反映，选择处理效果最好的石灰—石膏法脱硫成本作为二氧化硫排放成本。在此基础上，结合国际上对二氧化碳的处理成本，确定二氧化碳的环境价值为51 美元/t。氮氧化物的治理方法比较复杂，排放成本为8 000 元/t。

表1 电力行业污染物环境价值标准 单位：元/t

4.1 智能电网环境效益计算

4.1.1 节能减排效益计算

为了更好地实现大规模清洁能源接入智能电网，需要对其进行智能节能调度，以及对储能装置的应用。从式Vj=ΣajWi中计算出了智能电网的节能减排收益，将所得的数值分别引入到了公式PjλajTiICi+δ 中，最后，计算总结出了智能电网在节能减排过程中所产生的环境效益，具体如表2 所示。

表2 智能电网节能减排环境价值 单位：亿元

从表格中可以看到，智能电网的环境效益是相当可观的，并且它的数值和增量都是随著智能电网的发展而不断上升的。

4.1.2 可持续发展效益计算

从用户的需求反应和减少线路损耗两个方面探讨了可持续发展的效益。将火力发电厂发电时产生的节电效益、因燃煤发电效率提升而产生的节煤能力、因特高压技术、大截面输送而减少的电能损耗都纳入到这个变量中计算了可持续发展的智能电网收益，其次，根据环境价值标准，对其进行了经济化换算。最终得到了由智能电网建设所带来的可持续发展性收益，如表3 所示。

表3 智能电网可发展环境价值 单位：亿元

表4 智能电网综合环境价值 单位：亿元

4.2 环境效益计算

从总体上可以看出，在电网建设中，从2013—2022 年，由于清洁能源接入、需求响应和线损降低而产生的环境收益。

通过国电工程项目的投资方案，得到了智能电网和常规电网在环境方面的效益比较资料。其中，经过了几年的发展，非传统电网的建设已经进入了一个相对的成熟期，边际投资所带来的环境效益增幅每年都在下降。但是，当智能化投资达到一定水平之后，电网的运行和维护费用都要低于传统电网的运行和维护费用，这再次证明了智能电网的投资在环境效益上要比传统电网的投资收益更高。

5 结语

本文对智能电网与低碳经济的协同特征进行了论述，将智能电网视为实现低碳电力的关键，并对其实现低碳经济的关键技术展开了分析。在此基础上，评估智能电网在实现低碳经济后所产生的环境效应，构建2013—2022 年智能电网推动低碳发展的动态反馈模型。评估结果显示，伴随着我国对智能电网的投资的增加，可以推动电力系统实现更多的CO2减排，从而产生明显的低碳效益。