转型背景下中国电力系统协同演化机理及路径研究

摘要

全球能源体系的变革促进了未来智能电力系统的快速发展，电力系统作为支撑国家发展的中流砥柱，其智能演化和可持续性转型备受关注。但是，电力系统自身的复杂特性注定了它必需要经历一个漫长的演化过程，而且，这个过程不仅涉及到技术的变革，还受政府管控、公众行为习惯、电力市场发展、规章制度变革、基础设施更新和社会文化进步等众多因素的影响。在不同因素的影响下，系统中各演化参与主体间的演化行为相互反馈且达到彼此匹配的状态，电力系统就会进入一种协同的演化状态，从而，加速新系统的成型。所以说，“协同”是衡量电力系统演化程度的关键指标；但是，各演化参与主体会因自身发展程度和演化驱动因素的作用范围，产生推动亦或抑制电力系统协同演化的影响力，进而带来各种协同演化问题。本文通过分析电力系统协同演化的影响因素和作用机理，构建出电力系统协同演化的概念模型，提出电力系统协同演化的路径规划，旨在解决电力系统的协同演化问题，进一步提升电力系统协同演化能力。
　　目前，暂时没有一个详细的框架可以用于刻画电力系统协同演化的作用机理，也没有一个有效的指标来衡量电力系统在不同演化阶段的协同程度。因此，本文首先基于社会—技术系统转型理论、已有研究成果和电力系统改革文件等，提取出参与电力系统演化的14个参与主体、6种主体间的关联关系、4种演化驱动因素，并构建出电力系统协同演化的概念模型，旨在理清电力系统协同演化的作用机理。模型包括反映协同演化程度的两个维度、四个阶段和五种路径。然后，基于耗散结构理论和Brusselator模型，构建出评价协同演化程度的指标——演化协同熵，用正熵值和负熵值的概念反映电力系统的协同演化程度，进一步揭示电力系统协同演化的发展规律。利用社会网络分析方法和熵权法，分析各演化参与主体协同演化能力的变化规律，并揭示了不同阶段电力系统演化驱动因素的作用力变化情况，进一步充实电力系统的协同演化机理框架。随后，针对电力系统“源—网”间的协同问题，利用演化博弈论的方法，构建电网企业和可再生能源发电企业之间演化博弈方程，寻找协同演化的动态均衡点，提出“源—网”协同演化的路径建议；针对“储—网”间协同演化，构建分布式光伏微网成本评价模型，通过对比储能装置对用户购电成本的影响情况，提出提升储能端协同发展的演化路径；结合内蒙古扎鲁特局域智能电力系统建设项目，分析“源—荷—储”间的协同演化，最终揭示电力系统“源—网—荷—储”间的多种协同演化路径。综上，根据电力系统协同演化存在的问题，提出提升其协同演化效果的政策建议，达到全面推进电力系统协同演化的目标。
　　本文的主要研究内容和研究结论如下：
　　（1）电力系统的演化不仅体现在发电端、输配电端和用电端之间的交互行为中，还受宏观环境和微观利基的影响。根据中国电力大事件和电力行业政策法规，本研究首先划分了中国电力系统的3个演化阶段：电力系统建设期、电力系统市场化改革期和电力系统体制改革深化期；然后，构建了电力系统演化分析的基本框架。研究结果表明：宏观环境对电力系统的转型压力越来越大，微观利基层的发展较为活跃。
　　（2）本研究提取了电力系统的14个演化参与主体和主体间的6种关联关系，并理清了主要的4种协同演化驱动因素，构建了电力系统协同演化的概念模型，分析电力系统协同演化的作用机理。电力系统演化参与主体的协同演化能力和驱动因素的协同作用力相互影响共同推进系统演化。因此，根据演化参与主体的协同演化能力和演化驱动因素的协同演化作用这两个维度，划分出四个电力系统的协同演化阶段，分别是协同演化初始阶段、被驱动的协同演化阶段、被抑制的协同演化阶段和协同演化阶段，并且构建出电力系统的动态协同演化路径，并且提出了分阶段的协同演化作用机理。
　　（3）基于耗散理论和Brusselator模型，本文构建出评价电力系统协同演化程度的指标——演化协同熵：正熵主体带给系统较大内耗，负熵主体提升系统的协同性能。接下来，将演化协同熵应用在中国电力系统的3个演化阶段，分阶段评价中国电力系统的协同演化效果并揭示其协同演化的发展规律。研究结果发现：基于政府主导的体制，中国电力系统宏观环境层的熵值保持负值，有效协调了电力系统的演化；微观利基层在政策推动下熵值变化幅度大，但基本为负；中观体制层因路径依赖效应，熵值为正，影响了协同演化效果。
　　（4）针对电力系统“源—网—荷—储”间的协同演化问题，从提升系统协同演化的路径研究入手，对“源—网”间协同演化，构建出电网企业和可再生能源发电企业之间的协同演化博弈模型，发现加大政府对不积极参与电力系统协同演化策略企业的处罚力度，或者降低电力系统协同演化策略的投资成本，就可以有效推动电网企业和可再生能源发电企业之间的协同演化；对“储—网”间协同演化，构建出分布式光伏微网电力均衡成本模型，对比分析储能装置对用户日购电成本的影响，发现储能装置的确可以有效提升整体系统的稳定性，但是高成本成为制约其发展的关键因素（不加储能的购电成本2237.5元<加入储能的购电成本2033.6+600元，其中600元为储能装置的日折旧费），所以说，加大科技创新可以推动电力系统协同演化；对“源—荷—储”间的协同演化，分析了扎鲁特多能互补集成优化区域电网的演化过程，发现多源互补、稳定负荷和协调储能可以有效解决“源—荷—储”间的协同演化问题，并且针对以上研究提出促进电力系统协同演化的若干政策建议。