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电力安全改善需“十四五”规划提供应对方案

  • 2020-02-03
  • 来源:能源杂志
当前的国际形势下,对于安全问题的关切不断上升,涉及电力系统运行以及网络安全的约束必须在“十四五”规划中制定显性的应对方案。

2017年颁布的《能源发展“十三五”规划》,提出构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系的总体目标,安全是8个核心关切之一。能源供应安全与稳定是一个重要话题,传统上更多的是指石油(以及天然气), 往往包括“买得到,运得回,用得起”三个维度的问题。

有意思的是,这种安全视角往往是消费者的视角,但是像俄罗斯、沙特这样的能源出口国,其关注需求的稳定性同样也被他们理解为“能源安全”问题。

最近几年,随着以国际集体治理与规则为基础的国际秩序的弱化,在油价、煤价与气价都处于稳定并且历史相对低位的背景下,能源供应安全保障问题重新回到人们的视野。今年10月,国家能源委员会会议召开,强调中国以煤为主的资源禀赋,多元发展能源供给,提高能源安全保障水平。

电力的安全保障由于系统需要实时平衡覆盖多个时间维度。在“十三五”电力规划中,广泛涉及了电力系统方方面面的安全关切,特别是大电网与配电网的安全稳定运行,以及网络与信息安全问题。无论何种的政策文件或者宣示,对电力系统规划与运行的任何改变,往往都强调“在确保电力系统安全稳定的前提下”。可见这个问题在决策者关注目标序列中的优先级。

本专栏专题中,我们讨论电力供应安全这一话题。由于安全问题涉及的层面很多,我们在此分成短期运行的可靠性、长期系统的充足性、可再生能源特性以及与之相关的系统灵活性。在此基础上,我们讨论中国特色的若干安排,包括僵直“大飞线外送”、调度与电厂的平衡责任界面、以及可再生能源贵金属依赖的潜在安全问题与含义等。

我们认为,目前的国际形势下,对于安全问题的关切在上升,涉及电力系统运行以及网络安全的约束必须在规划中制定显性的应对方案。我国传统调度的“战场指挥官”范式,带来了系统平衡上的过度安全与保障问题,造成了系统运行者与发电商之间的责任界面不清楚,从而无法实现长期系统进化(比如可以不断进化的电力辅助服务体系)的目标。运行与调度层面的本质性改变,是我国电力体制改革以及“十四五”规划工作中需要着眼的具有重大意义与长期价值的内容。

电力安全改善需“十四五”规划提供应对方案

一般化的能源安全关切无关乎电力部门

2019年10月,国家能源委员会会议召开。李克强总理指出,要立足我国基本国情和发展阶段,多元发展能源供给,提高能源安全保障水平。根据我国以煤为主的能源资源禀赋,科学规划煤炭开发布局,加快输煤输电大通道建设,推动煤炭安全绿色开采和煤电清洁高效发。

这一表态,被很多国内外研究人士,解读为我国重新确定了煤炭的主体地位,并且有可能放缓可再生能源发展的信号。

笔者认为这无疑是引申太多了。中国的能源安全问题,更多的是依存度高的石油和天然气问题,而电力部门更多的是煤电与可再生能源互相替代的问题。煤炭已经足够安全了,而可再生能源都是本地化的。这二者都不涉及对外依存度类型的能源安全问题。

过去,电力行业依靠部分可调度的煤电、水电与核电满足不断增长、峰谷差变大的电力需求。现在,不可控的随机性、间歇性的可再生能源的加入,客观上产生了对完全可调度、异常灵活的天然气单循环机组的需求。无疑,这将新增天然气资源的利用。

作为弥补风不刮、没太阳情况下的天然气机组,满足一年有限的小时数,这并不会增加可观的天然气消费。我国的天然气也并不是“有还是没有”的二值问题,而在一个广大的几千亿的区间上。

比如,对于一个年运行小时数300小时的20MW的天然气单循环电厂,可以充分满足夏季(90天)傍晚(2-3小时)的需求,其年天然气用量也就120万立方米,相当于一个LNG处理站的日处理能力。我国即使再新增1000个这种调峰灵活电源,其平均成本也大大低于重资产不灵活的大煤电,从现在的500万千瓦总量上升到2500万千瓦,新增天然气用量也就10亿立方米,也就北京市居民10天的用气量,占目前天然气利用总量的5%不到。

这会导致何种能源供应安全问题呢,给定目前的40%左右的对外依存度?因为100%天然气份额是可怕的(全世界天然气给我们都不够),所以目前5%的状态就是正常的?这是典型的连续问题二值化的逻辑错误。这种5%的增量完全只是边际上的小程度变化而已。

电力供应安全并不具有无穷价值

电力安全很重要,但是将这种价值无穷化,无疑就走了极端。现实中往往需要讨论的问题是:实现哪种水平的安全是合适的?基于目前的现状保障措施,实现安全获得的收益,是否付出了过大的代价?是否存在额外的能动空间,在不损失安全表现的情况下,改善其他维度的系统表现,比如经济效率?

安全与其说是一个目标,不如说是个约束。约束跟目标存在本质上的区别,目标是“越极端越好”,而约束只要满足某个水平即可。超过这个水平的安全表现,必然意味着对其他所追求目标的不成比例的牺牲(比如金钱)。当然,如何界定是否成比例,需要统一的度量单位,比如经济成本。

电力系统存在一个指标,叫做电力中断的损失价值(VOLL),它表征了消费者出现电力供应中断所代表的经济损失。它显然会大于零,但是也不会是个无穷大的数字。工业用户的停电损失往往要大于居民,因为它代表着工业活动的停止与产量损失;居民的停电损失随着时间有迅速扩大的趋势(比如停电6小时以上,冰箱的食物开始坏掉了),但是长期损失又有下降,停的长了也就习惯了,比如过去中国缺电时期仍未通电的农村。

这一损失多大,不同的方法给出了很大区间的值。不同的市场也根据自己市场的情况(比如是否有其他收入渠道)进行了具体的设定。比如存在容量市场的法国市场,在3欧元/度,也就意味着电力价格行政设定不允许超过3欧元/度。美国德州市场通过剩余储备价格曲线(ORDC) 来招标供需紧平衡下的备用资源,其VOLL的上限是9美元每度电。也意味着,超过这一价格,系统运行者不再提供招标价格了。

电力系统的可靠、灵活性与长期充足性

从供给侧,电力安全性可以定义为电力系统在最小可接受的服务中断情况下,能够承受干扰(比如产生异常系统条件的事件或事故)或意外事件(比如系统部件的故障或停机)的能力。无疑,这是一个覆盖所有时间尺度与空间范围的定义。

离散地来看,电力系统的安全关切,往往包含短期运行与长期系统充足性两方面的含义。前者,可以称为一种可靠性,往往指的是运行的安全,以及面临各种扰动仍旧保持稳定状态;而后者,往往更系统不能在正常情况下存在“硬缺电”——缺少足够装机有关。

在传统上短期可靠性与长期充足性之间,目前系统运行的灵活性成为另外一个关注的热点。由于可再生能源更大波动性的特点,系统频繁的上下调节、爬坡以及高比例可再生能源情况下仍旧保持系统稳健等问题变得更加重要。

我国的电力系统,长期维持一套按照预测最大负荷8760小时运行(再加上10%-20%的备用)安排装机以及电网资源的习惯,尽管这一最大负荷出现的时间往往是非常有限的。

这种安全就类似所有的交通基础设施都按照春运的需求来安排一样,过度地保障了长期的系统充足性,而造成了整体利用水平的下降。

这一安排对短期的系统灵活性具有关联与含义。按照最大负荷安排,那么必然有机组需要在需求不再那么大的时刻退下来。选择哪些机组退下来,在我国执行的也不是专业化原则——那些适合退下来的轻资产机组,而是大锅饭原则——所有的机组都轮流退点,利用率普遍上不去,但是都还过得去。

这一操作方式对于系统的灵活运行绝对不是好消息。很简单,在一个高度过剩的系统中,如果还继续有能力“退出出力”,那么无疑将成为进一步损失市场份额的那个,所以机组争取的更加不灵活,而不是相反。所有的机组都在运行,而其出力水平都压得很低,系统的调节能力(特别是进一步降出力)越来越差。

过去维持系统安全的基本范式,在可再生能源出现之后,已经越来越难以为继。通过提供激励来促进灵活性的释放,成为为数不多的选择。但是东北的所谓调峰辅助服务市场设计显示,这一激励又走向了另一极端,产生了过度激励问题,度电高达8毛,甚至1块的灵活性成本,已经大大超过了灵活性的价值,还不如直接弃掉可再生能源给补偿呢,他们满足的是同样的系统目的——低谷时段有功平衡。

这是“十四五”期间必须解决的部分机组以“辅助服务”为名对其他机组的抢劫问题。

服从调度指挥——实现这一安全是否付出了过大的代价?

我国的《电网调度管理条例》规定,并网运行的发电厂或者电网,必须服从调度机构的统一调度。在操作中,这往往成为了任何时间尺度上发电方对调度机构的“仆从关系”。目前,我国煤电占据整个电力系统的主导地位,可以讲整个煤电系统都是调度的备用资源,而不是调度只是市场的一个平等参与者,利用备用资源,而不是全部发电资源实现系统的安全运行与电能质量要求。服从调度指挥往往成为一个不容讨论、涉及电力系统安全的基本原则。任何的改变与改革措施,往往从来不挑战这一基本原则。

比如,国家发改委与能源局2015年电力体制改革配套文件提及,并网自备电厂要严格执行调度纪律,服从电力调度机构的运行安排。从道理上讲,自备电厂是企业的车间,自己完全应该掌握自己发多少电,什么时候发电,唯一需要做的是及时以协议的形式通知调度而已。这是欧美市场的惯例。但是,在我国,无疑给予了调度“指挥权”,所有的机组都有必须服从“调度指令”一说。在年度尺度以内,调度调成什么样就按此进行财务结算。

这种半军事化安排,的确很有效地保证了安全。但是,显然现实中我们评价一个事情的好坏,从来不是“有效就行”的单一价值观。对于一个问题解决与改善的方案,往往还需要问两个问题。第一,这一问题解决带来的效率,是否大过了方案的成本,从而取得了总体成本的降低,也就是经济效率问题;第二,是否存在能够带来同样收益且成本更低的其他解决方案,也就是成本有效性。

这种安排的一个明显弊端,就是运行范式钳制交易层面的灵活性,完全没有平衡责任划分的工作界面,造就了调度这一特权集团,以及无法对机组提出明确但是有限的平衡义务要求(因为要求随时在变)。因此,所谓建设辅助服务市场无从谈起,这往往需要明确的责任划分界面。

基于以上的认识,我们就需要问:这种基荷的煤电,以及高度自由量裁的调度,是否意味着保证安全的过高的代价?关于这个问题的系统性回答,已经超过了本文关注的范围,我们将在2020年对5年的电力体制改革历程进行系统总结的基础上进行重新思考。

可再生能源的贵金属依赖安全

可再生能源相比传统化石能源,不需要燃料成本,但是投资成本都很高,属于资本密集型的发电技术。而这些发电设备,往往需要使用包括稀缺金属、稀土等原料制备。这些贵金属,往往分布得非常不均衡,从而面临着国际竞争,某些国家会对其他国家的依存度非常高。

当然,这一问题在某些人看来也属于夸大了。落基山研究所的创始人Amory Lovins曾经说:稀土只是另一种不寻常的重要商品,但无法超越经济、创新和贸易的现实。

跨省区僵直外送带来的依存“武器化”问题

中美贸易战的发生,使得更多的人开始从危机视角考察平时的一些潜在经济与社会安全问题。其中,网络依存带来的“武器化”可能性被格外地强调。

这其中的逻辑起点与推演是:现实世界中的彼此依存,很多时候参与者的地位并不像想象中地那么平等,而是一个非对称的网络结构。比如美国对于互联网域名系统、金融国际清算结算系统(SWIFT)、美元结算体系等网络的主导,形成一种“权力”。一方对另一方面单向依赖太大,网络化依存不对称,在某些环境与条件下就有“特权参与者”,从而为对抗提供可能的“武器工具”。

我国跨省跨区的电力僵直外送网络无疑也是这方面一个很好的例子。过去的经验显示:有的时候送出地不愿意送,而有的时候(越来越多的时候),接收地不愿意要。

比如,华润鲤鱼江电厂地处湖南省南部,是“西电东送”项目,接入广东电网。但是,湖南电力逐年紧缺,湘南地区严重缺乏电源支撑。2019年,鲤鱼江电厂转接湖南电网已经逐渐形成共识,并得到国家能源主管部门的认同和支持。

回到从前的故事,2016年,河南省政府发布《关于促进煤炭行业解困的意见》强调,将省外来电纳入对省电力公司目标考核体系,控制国家计划以外的省外来电,稳定省内发电市场,从而促进煤炭企业解困。

这一体系之所以稳健性如此之差,从政治视角,就在于这种外送完全是单向的,一方对另一方的完全依赖,而不是互通有无的互联互通与双向流动。这种僵直外送体系,已经到了必须立刻取消的时刻了。

要解决“武器化”问题,关键在于消灭点对网、点对点的长距离高压送电僵直安排。这是一个国外不存在,而格外具有中国特色的问题与挑战。在“十四五”期间,需要这方面的结构性改变。

电力互联是否安全——互通有无往往是安全的

与僵直外送不同的是,电力的联网,包括跨国联网具有频繁多变的电力潮流,往往前一个小时还是A国到B国,下一个小时就从B国到A国。这种情况下,互通有无条件下,武器化的可能就比较低,因为往往这样的网络是对称依赖的。

典型的比如北欧与欧洲大陆的电力联网。在夏天,绝对部分时间,北欧丰富的水电输往欧洲大陆,但是也存在反向的可能性;在冬天,二者之间的潮流走向往往是在小时尺度上频繁改变的,从而形成一个高度互相依存的对称网络。

基于以上的讨论,我们可以看出,在我国的能源安全形势有所恶化的大背景下,电力行业需要解决的恰恰是另外一个极端的问题——过度安全。这一过度安全造成了其他方面巨大的代价,包括僵直外送的无法维持与潜在的“武器化”问题、调度体系的落后以及无法进化,辅助服务规则设计是“抓壮丁斗地主”,系统运行灵活性无法提升等问题。

对这些问题,“十四五”规划编制无疑提供了一个改善的机会窗口。

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