當(dāng)前的國際形勢下,對于安全問題的關(guān)切不斷上升,涉及電力系統(tǒng)運行以及網(wǎng)絡(luò)安全的約束必須在“十四五”規(guī)劃中制定顯性的應(yīng)對方案。
2017年頒布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,提出構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的總體目標(biāo),安全是8個核心關(guān)切之一。能源供應(yīng)安全與穩(wěn)定是一個重要話題,傳統(tǒng)上更多的是指石油(以及天然氣), 往往包括“買得到,運得回,用得起”三個維度的問題。
有意思的是,這種安全視角往往是消費者的視角,但是像俄羅斯、沙特這樣的能源出口國,其關(guān)注需求的穩(wěn)定性同樣也被他們理解為“能源安全”問題。
最近幾年,隨著以國際集體治理與規(guī)則為基礎(chǔ)的國際秩序的弱化,在油價、煤價與氣價都處于穩(wěn)定并且歷史相對低位的背景下,能源供應(yīng)安全保障問題重新回到人們的視野。今年10月,國家能源委員會會議召開,強調(diào)中國以煤為主的資源稟賦,多元發(fā)展能源供給,提高能源安全保障水平。
電力的安全保障由于系統(tǒng)需要實時平衡覆蓋多個時間維度。在“十三五”電力規(guī)劃中,廣泛涉及了電力系統(tǒng)方方面面的安全關(guān)切,特別是大電網(wǎng)與配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,以及網(wǎng)絡(luò)與信息安全問題。無論何種的政策文件或者宣示,對電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行的任何改變,往往都強調(diào)“在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下”。可見這個問題在決策者關(guān)注目標(biāo)序列中的優(yōu)先級。
本專欄專題中,我們討論電力供應(yīng)安全這一話題。由于安全問題涉及的層面很多,我們在此分成短期運行的可靠性、長期系統(tǒng)的充足性、可再生能源特性以及與之相關(guān)的系統(tǒng)靈活性。在此基礎(chǔ)上,我們討論中國特色的若干安排,包括僵直“大飛線外送”、調(diào)度與電廠的平衡責(zé)任界面、以及可再生能源貴金屬依賴的潛在安全問題與含義等。
我們認為,目前的國際形勢下,對于安全問題的關(guān)切在上升,涉及電力系統(tǒng)運行以及網(wǎng)絡(luò)安全的約束必須在規(guī)劃中制定顯性的應(yīng)對方案。我國傳統(tǒng)調(diào)度的“戰(zhàn)場指揮官”范式,帶來了系統(tǒng)平衡上的過度安全與保障問題,造成了系統(tǒng)運行者與發(fā)電商之間的責(zé)任界面不清楚,從而無法實現(xiàn)長期系統(tǒng)進化(比如可以不斷進化的電力輔助服務(wù)體系)的目標(biāo)。運行與調(diào)度層面的本質(zhì)性改變,是我國電力體制改革以及“十四五”規(guī)劃工作中需要著眼的具有重大意義與長期價值的內(nèi)容。
一般化的能源安全關(guān)切無關(guān)乎電力部門
2019年10月,國家能源委員會會議召開。李克強總理指出,要立足我國基本國情和發(fā)展階段,多元發(fā)展能源供給,提高能源安全保障水平。根據(jù)我國以煤為主的能源資源稟賦,科學(xué)規(guī)劃煤炭開發(fā)布局,加快輸煤輸電大通道建設(shè),推動煤炭安全綠色開采和煤電清潔高效發(fā)。
這一表態(tài),被很多國內(nèi)外研究人士,解讀為我國重新確定了煤炭的主體地位,并且有可能放緩可再生能源發(fā)展的信號。
筆者認為這無疑是引申太多了。中國的能源安全問題,更多的是依存度高的石油和天然氣問題,而電力部門更多的是煤電與可再生能源互相替代的問題。煤炭已經(jīng)足夠安全了,而可再生能源都是本地化的。這二者都不涉及對外依存度類型的能源安全問題。
過去,電力行業(yè)依靠部分可調(diào)度的煤電、水電與核電滿足不斷增長、峰谷差變大的電力需求?,F(xiàn)在,不可控的隨機性、間歇性的可再生能源的加入,客觀上產(chǎn)生了對完全可調(diào)度、異常靈活的天然氣單循環(huán)機組的需求。無疑,這將新增天然氣資源的利用。
作為彌補風(fēng)不刮、沒太陽情況下的天然氣機組,滿足一年有限的小時數(shù),這并不會增加可觀的天然氣消費。我國的天然氣也并不是“有還是沒有”的二值問題,而在一個廣大的幾千億的區(qū)間上。
比如,對于一個年運行小時數(shù)300小時的20MW的天然氣單循環(huán)電廠,可以充分滿足夏季(90天)傍晚(2-3小時)的需求,其年天然氣用量也就120萬立方米,相當(dāng)于一個LNG處理站的日處理能力。我國即使再新增1000個這種調(diào)峰靈活電源,其平均成本也大大低于重資產(chǎn)不靈活的大煤電,從現(xiàn)在的500萬千瓦總量上升到2500萬千瓦,新增天然氣用量也就10億立方米,也就北京市居民10天的用氣量,占目前天然氣利用總量的5%不到。
這會導(dǎo)致何種能源供應(yīng)安全問題呢,給定目前的40%左右的對外依存度?因為100%天然氣份額是可怕的(全世界天然氣給我們都不夠),所以目前5%的狀態(tài)就是正常的?這是典型的連續(xù)問題二值化的邏輯錯誤。這種5%的增量完全只是邊際上的小程度變化而已。
電力供應(yīng)安全并不具有無窮價值
電力安全很重要,但是將這種價值無窮化,無疑就走了極端?,F(xiàn)實中往往需要討論的問題是:實現(xiàn)哪種水平的安全是合適的?基于目前的現(xiàn)狀保障措施,實現(xiàn)安全獲得的收益,是否付出了過大的代價?是否存在額外的能動空間,在不損失安全表現(xiàn)的情況下,改善其他維度的系統(tǒng)表現(xiàn),比如經(jīng)濟效率?
安全與其說是一個目標(biāo),不如說是個約束。約束跟目標(biāo)存在本質(zhì)上的區(qū)別,目標(biāo)是“越極端越好”,而約束只要滿足某個水平即可。超過這個水平的安全表現(xiàn),必然意味著對其他所追求目標(biāo)的不成比例的犧牲(比如金錢)。當(dāng)然,如何界定是否成比例,需要統(tǒng)一的度量單位,比如經(jīng)濟成本。
電力系統(tǒng)存在一個指標(biāo),叫做電力中斷的損失價值(VOLL),它表征了消費者出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷所代表的經(jīng)濟損失。它顯然會大于零,但是也不會是個無窮大的數(shù)字。工業(yè)用戶的停電損失往往要大于居民,因為它代表著工業(yè)活動的停止與產(chǎn)量損失;居民的停電損失隨著時間有迅速擴大的趨勢(比如停電6小時以上,冰箱的食物開始壞掉了),但是長期損失又有下降,停的長了也就習(xí)慣了,比如過去中國缺電時期仍未通電的農(nóng)村。
這一損失多大,不同的方法給出了很大區(qū)間的值。不同的市場也根據(jù)自己市場的情況(比如是否有其他收入渠道)進行了具體的設(shè)定。比如存在容量市場的法國市場,在3歐元/度,也就意味著電力價格行政設(shè)定不允許超過3歐元/度。美國德州市場通過剩余儲備價格曲線(ORDC) 來招標(biāo)供需緊平衡下的備用資源,其VOLL的上限是9美元每度電。也意味著,超過這一價格,系統(tǒng)運行者不再提供招標(biāo)價格了。
電力系統(tǒng)的可靠、靈活性與長期充足性
從供給側(cè),電力安全性可以定義為電力系統(tǒng)在最小可接受的服務(wù)中斷情況下,能夠承受干擾(比如產(chǎn)生異常系統(tǒng)條件的事件或事故)或意外事件(比如系統(tǒng)部件的故障或停機)的能力。無疑,這是一個覆蓋所有時間尺度與空間范圍的定義。
離散地來看,電力系統(tǒng)的安全關(guān)切,往往包含短期運行與長期系統(tǒng)充足性兩方面的含義。前者,可以稱為一種可靠性,往往指的是運行的安全,以及面臨各種擾動仍舊保持穩(wěn)定狀態(tài);而后者,往往更系統(tǒng)不能在正常情況下存在“硬缺電”——缺少足夠裝機有關(guān)。
在傳統(tǒng)上短期可靠性與長期充足性之間,目前系統(tǒng)運行的靈活性成為另外一個關(guān)注的熱點。由于可再生能源更大波動性的特點,系統(tǒng)頻繁的上下調(diào)節(jié)、爬坡以及高比例可再生能源情況下仍舊保持系統(tǒng)穩(wěn)健等問題變得更加重要。
我國的電力系統(tǒng),長期維持一套按照預(yù)測最大負荷8760小時運行(再加上10%-20%的備用)安排裝機以及電網(wǎng)資源的習(xí)慣,盡管這一最大負荷出現(xiàn)的時間往往是非常有限的。
這種安全就類似所有的交通基礎(chǔ)設(shè)施都按照春運的需求來安排一樣,過度地保障了長期的系統(tǒng)充足性,而造成了整體利用水平的下降。
這一安排對短期的系統(tǒng)靈活性具有關(guān)聯(lián)與含義。按照最大負荷安排,那么必然有機組需要在需求不再那么大的時刻退下來。選擇哪些機組退下來,在我國執(zhí)行的也不是專業(yè)化原則——那些適合退下來的輕資產(chǎn)機組,而是大鍋飯原則——所有的機組都輪流退點,利用率普遍上不去,但是都還過得去。
這一操作方式對于系統(tǒng)的靈活運行絕對不是好消息。很簡單,在一個高度過剩的系統(tǒng)中,如果還繼續(xù)有能力“退出出力”,那么無疑將成為進一步損失市場份額的那個,所以機組爭取的更加不靈活,而不是相反。所有的機組都在運行,而其出力水平都壓得很低,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力(特別是進一步降出力)越來越差。
過去維持系統(tǒng)安全的基本范式,在可再生能源出現(xiàn)之后,已經(jīng)越來越難以為繼。通過提供激勵來促進靈活性的釋放,成為為數(shù)不多的選擇。但是東北的所謂調(diào)峰輔助服務(wù)市場設(shè)計顯示,這一激勵又走向了另一極端,產(chǎn)生了過度激勵問題,度電高達8毛,甚至1塊的靈活性成本,已經(jīng)大大超過了靈活性的價值,還不如直接棄掉可再生能源給補償呢,他們滿足的是同樣的系統(tǒng)目的——低谷時段有功平衡。
這是“十四五”期間必須解決的部分機組以“輔助服務(wù)”為名對其他機組的搶劫問題。
服從調(diào)度指揮——實現(xiàn)這一安全是否付出了過大的代價?
我國的《電網(wǎng)調(diào)度管理條例》規(guī)定,并網(wǎng)運行的發(fā)電廠或者電網(wǎng),必須服從調(diào)度機構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度。在操作中,這往往成為了任何時間尺度上發(fā)電方對調(diào)度機構(gòu)的“仆從關(guān)系”。目前,我國煤電占據(jù)整個電力系統(tǒng)的主導(dǎo)地位,可以講整個煤電系統(tǒng)都是調(diào)度的備用資源,而不是調(diào)度只是市場的一個平等參與者,利用備用資源,而不是全部發(fā)電資源實現(xiàn)系統(tǒng)的安全運行與電能質(zhì)量要求。服從調(diào)度指揮往往成為一個不容討論、涉及電力系統(tǒng)安全的基本原則。任何的改變與改革措施,往往從來不挑戰(zhàn)這一基本原則。
比如,國家發(fā)改委與能源局2015年電力體制改革配套文件提及,并網(wǎng)自備電廠要嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度紀(jì)律,服從電力調(diào)度機構(gòu)的運行安排。從道理上講,自備電廠是企業(yè)的車間,自己完全應(yīng)該掌握自己發(fā)多少電,什么時候發(fā)電,唯一需要做的是及時以協(xié)議的形式通知調(diào)度而已。這是歐美市場的慣例。但是,在我國,無疑給予了調(diào)度“指揮權(quán)”,所有的機組都有必須服從“調(diào)度指令”一說。在年度尺度以內(nèi),調(diào)度調(diào)成什么樣就按此進行財務(wù)結(jié)算。
這種半軍事化安排,的確很有效地保證了安全。但是,顯然現(xiàn)實中我們評價一個事情的好壞,從來不是“有效就行”的單一價值觀。對于一個問題解決與改善的方案,往往還需要問兩個問題。第一,這一問題解決帶來的效率,是否大過了方案的成本,從而取得了總體成本的降低,也就是經(jīng)濟效率問題;第二,是否存在能夠帶來同樣收益且成本更低的其他解決方案,也就是成本有效性。
這種安排的一個明顯弊端,就是運行范式鉗制交易層面的靈活性,完全沒有平衡責(zé)任劃分的工作界面,造就了調(diào)度這一特權(quán)集團,以及無法對機組提出明確但是有限的平衡義務(wù)要求(因為要求隨時在變)。因此,所謂建設(shè)輔助服務(wù)市場無從談起,這往往需要明確的責(zé)任劃分界面。
基于以上的認識,我們就需要問:這種基荷的煤電,以及高度自由量裁的調(diào)度,是否意味著保證安全的過高的代價?關(guān)于這個問題的系統(tǒng)性回答,已經(jīng)超過了本文關(guān)注的范圍,我們將在2020年對5年的電力體制改革歷程進行系統(tǒng)總結(jié)的基礎(chǔ)上進行重新思考。
可再生能源的貴金屬依賴安全
可再生能源相比傳統(tǒng)化石能源,不需要燃料成本,但是投資成本都很高,屬于資本密集型的發(fā)電技術(shù)。而這些發(fā)電設(shè)備,往往需要使用包括稀缺金屬、稀土等原料制備。這些貴金屬,往往分布得非常不均衡,從而面臨著國際競爭,某些國家會對其他國家的依存度非常高。
當(dāng)然,這一問題在某些人看來也屬于夸大了。落基山研究所的創(chuàng)始人Amory Lovins曾經(jīng)說:稀土只是另一種不尋常的重要商品,但無法超越經(jīng)濟、創(chuàng)新和貿(mào)易的現(xiàn)實。
跨省區(qū)僵直外送帶來的依存“武器化”問題
中美貿(mào)易戰(zhàn)的發(fā)生,使得更多的人開始從危機視角考察平時的一些潛在經(jīng)濟與社會安全問題。其中,網(wǎng)絡(luò)依存帶來的“武器化”可能性被格外地強調(diào)。
這其中的邏輯起點與推演是:現(xiàn)實世界中的彼此依存,很多時候參與者的地位并不像想象中地那么平等,而是一個非對稱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。比如美國對于互聯(lián)網(wǎng)域名系統(tǒng)、金融國際清算結(jié)算系統(tǒng)(SWIFT)、美元結(jié)算體系等網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo),形成一種“權(quán)力”。一方對另一方面單向依賴太大,網(wǎng)絡(luò)化依存不對稱,在某些環(huán)境與條件下就有“特權(quán)參與者”,從而為對抗提供可能的“武器工具”。
我國跨省跨區(qū)的電力僵直外送網(wǎng)絡(luò)無疑也是這方面一個很好的例子。過去的經(jīng)驗顯示:有的時候送出地不愿意送,而有的時候(越來越多的時候),接收地不愿意要。
比如,華潤鯉魚江電廠地處湖南省南部,是“西電東送”項目,接入廣東電網(wǎng)。但是,湖南電力逐年緊缺,湘南地區(qū)嚴(yán)重缺乏電源支撐。2019年,鯉魚江電廠轉(zhuǎn)接湖南電網(wǎng)已經(jīng)逐漸形成共識,并得到國家能源主管部門的認同和支持。
回到從前的故事,2016年,河南省政府發(fā)布《關(guān)于促進煤炭行業(yè)解困的意見》強調(diào),將省外來電納入對省電力公司目標(biāo)考核體系,控制國家計劃以外的省外來電,穩(wěn)定省內(nèi)發(fā)電市場,從而促進煤炭企業(yè)解困。
這一體系之所以穩(wěn)健性如此之差,從政治視角,就在于這種外送完全是單向的,一方對另一方的完全依賴,而不是互通有無的互聯(lián)互通與雙向流動。這種僵直外送體系,已經(jīng)到了必須立刻取消的時刻了。
要解決“武器化”問題,關(guān)鍵在于消滅點對網(wǎng)、點對點的長距離高壓送電僵直安排。這是一個國外不存在,而格外具有中國特色的問題與挑戰(zhàn)。在“十四五”期間,需要這方面的結(jié)構(gòu)性改變。
電力互聯(lián)是否安全——互通有無往往是安全的
與僵直外送不同的是,電力的聯(lián)網(wǎng),包括跨國聯(lián)網(wǎng)具有頻繁多變的電力潮流,往往前一個小時還是A國到B國,下一個小時就從B國到A國。這種情況下,互通有無條件下,武器化的可能就比較低,因為往往這樣的網(wǎng)絡(luò)是對稱依賴的。
典型的比如北歐與歐洲大陸的電力聯(lián)網(wǎng)。在夏天,絕對部分時間,北歐豐富的水電輸往歐洲大陸,但是也存在反向的可能性;在冬天,二者之間的潮流走向往往是在小時尺度上頻繁改變的,從而形成一個高度互相依存的對稱網(wǎng)絡(luò)。
基于以上的討論,我們可以看出,在我國的能源安全形勢有所惡化的大背景下,電力行業(yè)需要解決的恰恰是另外一個極端的問題——過度安全。這一過度安全造成了其他方面巨大的代價,包括僵直外送的無法維持與潛在的“武器化”問題、調(diào)度體系的落后以及無法進化,輔助服務(wù)規(guī)則設(shè)計是“抓壯丁斗地主”,系統(tǒng)運行靈活性無法提升等問題。
對這些問題,“十四五”規(guī)劃編制無疑提供了一個改善的機會窗口。