0 引言

碳排放问题已成为制约社会发展的全球性议题，联合国于1992年通过的《气候变化框架公约》被视为人类社会应对气候问题的重要里程碑式公约。2015年12月巴黎气候变化大会通过的《巴黎协定》，确定了将21世纪全球平均气温上升幅度控制在2 ℃以内的长期目标。近年来，全球已有数十个国家先后提出减碳、零碳、碳中和等应对气候变化的目标，并上升为国家战略[1-2]。

为保障全球能源安全、应对全球气候变化，实现人类、社会和生态的可持续发展，需要建立以可再生能源为主导的电力供应体系。中国在可再生能源利用方面取得了举世瞩目的成就，拥有世界范围内领先的特高压输电和智能电网技术[3]，这为构建以新能源为主体的新型电力系统打造了坚实基础。

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将力争于2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和[4-5]。2021年3月召开的中央财经委员会第九次会议，提出了要实施可再生能源替代行动，会议要求：构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

这是中国在2020年9月提出“双碳”目标后，针对“碳达峰、碳中和”工作的进一步总体部署，也是对电力及能源行业推进“碳达峰、碳中和”的具体工作要求。构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”的主要途径。产业界、学术界针对新型电力系统展开了广泛深刻的研究和讨论[6-10]，然而，针对新型电力系统的概念、范围、边界、主要技术特征等方面，尚未达成统一的界定。

本文首先分析了构建新型电力系统的重要意义；然后从九个维度全面、系统阐述了新型电力系统的特征；最后，对如何打造新型电力系统、构建“中国电力4.0”格局发出了倡导和呼吁，旨在为政府、科研机构、电力企业、技术厂商和其他社会各界提供建议。

1 构建新型电力系统的重要意义

2020年，中国能源消费总量为49.8亿t标准煤，能源相关二氧化碳排放量约99亿t。从国内的碳排放构成来看，电力行业是中国碳排放占比最大的单一行业[11-13]，详见图1[14]；同时，其他行业的减碳、深度脱碳在很大程度上也依赖于能源领域的电能替代和电力行业的清洁替代。要实现“碳达峰、碳中和”目标，能源是主战场，电力是主力军，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统是必须长期坚持的行业发展主旋律。

图1 2020年中国工业领域各行业能源消费二氧化碳 直接排放占比
Fig.1 Proportion of direct carbon dioxide emissions from energy consumption by industry in China in 2020

构建以新能源为主体的新型电力系统是践行“把握新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局要求”的重要举措。这是中国在“十四五”乃至更长一段时间内经济社会发展的最高指引和根本遵循[15]。实现“碳达峰、碳中和”，是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，标志着中国生态文明建设整体布局进入了新阶段。在这场广泛而深刻的经济社会系统性变革中，电力和能源作为关乎国计民生的基础性行业，应深刻认识自身所承担的重大责任，坚持可持续发展理念和清洁低碳方向，满足人民美好生活对绿色电力、绿色能源的需求，以自身高质量发展赋能美丽中国建设，助力构建经济社会高质量发展的新格局。

构建以新能源为主体的新型电力系统是电力行业转型升级的内在要求。近年来，随着电力电子技术、数字技术等的广泛应用，中国新能源发电、分布式能源比重快速提升，储能、电动汽车规模不断扩大，电网、配电网结构不断优化，系统平衡及调控手段不断丰富，电力系统的技术形态正在发生前所未有的变化。同时，随着互联网理念和电力系统的深度融合，电力的应用领域不断拓展，服务和消费理念不断升级，综合能源、虚拟电厂、负荷集成等新业态不断涌现，对能源管理体制、组织形式等也造成了较大冲击。这些都要求行业主动适应变化、加快转型升级，构建以新能源为主体的新型电力系统。

2 新型电力系统应具备的主要特征

2.1 主要特征概述

以新能源为主体是新型电力系统的根本特征，实施可再生能源替代和深化电力体制改革是构建新型电力系统的实现路径[16]，二者相辅相成、缺一不可。伴随着可再生能源替代的实施和电力体制改革的深化，电力系统从基础支撑、功能定位、要素构成、技术特征、系统边界、市场机制、监管体系等方面将呈现出一系列变化，这些变化既是从当前电力系统转向新型电力系统的发展趋势，更是未来新型电力系统应具备的关键特征（如图2所示）。

图2 新型电力系统的主要特征
Fig.2 The main features of the new power system

2.1.1 全面数字化

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等数字技术的发展，人类社会已经进入了数字化时代，数据成为经济社会最为关键的生产资料之一。对正处于转型阶段的电力系统来说，可再生能源的大比例接入、新型电力负荷的规模化发展、电力改革的市场化推进，以及由此带来的随机性、波动性、不确定性等，都对电力系统的安全稳定运行带来了极大的挑战，数字化是认知这种不确定性、应对风险挑战的基础手段[17]。从这个意义上说，数字化是构建新型电力系统的基础。

近年来，电力企业已逐渐意识到这一点，纷纷提出数字电厂、数字电网等概念（见表1），力图推动电力生产和消费全过程的数字化，通过数字孪生等技术的应用，更好地认识和驾驭电力这一最为复杂的信息物理系统，实现安全、高效、经济运行。

表1 部分电力央企数字化转型要点
Table 1 Key points of digital transformation of some power enterprises

电力央企 数字化转型要点中国华能 打造统一的智慧能源数据平台，全面实现数字化转型，作为国企改革三年行动重要成果中国大唐 打造数字大唐，建设世界一流能源企业，确定了“3549”数字化转型战略中国华电 数字化转型2025行动计划：完善升级数字化底座、全面建设数字化应用、优化提升数字化价值国家电投建设综合智慧能源生态体系，到2035年，数字化水平达到能源行业“世界一流”，全面建成“数字国家电投”中广核 加快智慧核电、智慧矿山、智慧新能源建设，实施云化战略，构建坚实技术底座华润集团智慧华润2028：全面推进数字化转型和智能化发展，到2028年初步实现智能化，成为数字化、智慧化发展的先行者国家能源 着力打造协同调度智能化智慧指挥平台；着力打造工业互联网平台国家电网 夯实数字化发展基础，推进业务数字化转型，积极拓展数字产业化和提升数字化保障能力南方电网打造数字电网，以数字技术助推能源消费革命；以数字电网提升能源配置效率；以数字产业提升能源产业链竞争力和价值中国电建搭建以BIM（building information modeling，建筑信息模型）为核心的基础数字技术平台，形成支撑服务工程建管运的大数据平台

2.1.2 电网平台化

长期以来，电网在中国电力系统中一直处于中心环节和核心地位，对整个电力生产和消费的全过程有着很强的掌控力，其在物理和功能层面的作用未能得到有效的区分和拆解。

随着电力体制改革的推进，电网在物理层面的管道输送作用仍将保持，但在功能层面的作用将会发生分化，在基本公共服务和市场化交易方面承担不同的职能。对于公共服务部分，电网仍将维持传统的中心作用，以保障基本的用电需求；对于市场化交易部分，电网将在其中发挥平台作用（见图3），服务电力交易的双方，满足多元化、个性化的用电需求。

图3 电网向平台型转变
Fig.3 The transformation of the power grid to platform

总体来看，未来电力系统将从传统的以电网为中心逐渐转向以用户为中心，电网在发挥管道作用的同时，其中心作用将会逐步减弱，而平台功能将在算法和数据的驱动下逐步增强，更好地服务新能源、服务客户。

2.1.3 电源分散化

分布式能源主要包括分布式光伏、分散式风电、冷热电三联供等，与其他能源形式和集中式发电相比，具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活、系统经济性好等特点。

今年以来，在“碳达峰、碳中和”目标的指引下，中国政府研究出台了一系列政策，引导和支持分布式能源的发展。新能源设备厂商、运营商等纷纷加大投入力度，将屋顶光伏、光伏建筑一体化等作为重点投资布局的方向。

中国户用光伏正在经历爆发式增长阶段，从2016年至2021年预计年均增长率为114%，然而，户用光伏累计装机规模尚不足，短期内缺乏承担新型电力系统主力电源的能力。

在政策引导和技术驱动下，分布式光伏快速发展（见图4），有望实现“人人光伏”的规划目标，在构建以新能源为主体的新型电力系统，实现碳达峰、碳中和方面发挥重要作用。此外，分布式能源的发展还将使电力用户同时成为电力生产者[18]，实现“产消一体”和“隔墙售电”等，推动电力市场化改革和能源互联网的发展。

图4 中国户用光伏新增装机容量
Fig.4 China’s new installed capacity of household PV

2.1.4 配网有源化

传统配电网内只存在电力负荷，所有电力需求均由电网供给，电力潮流为骨干电网向配电网的单向流动。随着分布式能源、可中断负荷、用户侧储能的发展，配电网逐渐呈现有源化特征，电网与配电网之间的潮流由单向转为双向，有源配电网将成为配电网的标准模式（见图5）。

图5 交直流混合的有源配电网
Fig.5 AC-DC hybrid active distribution network

配电网的有源化使得本地的电力需求可由本地电源供给或部分供给，局域电网的就地自平衡开始成为可能，配电网的独立性逐渐增强，与电网之间的电力交互需求相对减弱[19]。

未来电力系统的形态可能发生变化，由无数个与电网弱联系的微网和骨干电网组成，电力以微网内自平衡为主。随着分布式光伏、直流负荷的广泛发展，直流或交直流混合的配电网也成为研究探索的热点方向之一，以减小能量转换损失和配网投资。

2.1.5 边界交融化

传统电力系统为边界清晰、功能单一的封闭系统，除发电过程使用化石能源外，仅与煤炭、天然气等能源系统存在供需等宏观层面的联系。

近年来，随着综合智慧能源系统的发展，从宏观到微观层面，电、热、冷、气等不同能源品种之间的联系都在增强，电力系统逐渐转向以电为枢纽、以价格为引导、多种能源协同互济的综合能源体系。同时，随着电力系统全面数字化的推进，以及以电动汽车为代表的能源终端消费领域再电气化的推进，不同系统、网络之间的联系不断增强，边界日益模糊，信息网、交通网等逐渐融入能源网[20]（见图6），成为新型电力系统的重要组成部分，新型电力系统逐渐成为边界开放、多网融合、信息共享的跨领域生态系统。

图6 信息、交通、能源三网融合
Fig.6 Integration of information, transportation and energy

2.1.6 调度智能化

调度在电力系统运行中居于中心地位，其作用是保持电力系统平衡，实现电力系统安全稳定和经济运行。

随着大规模新能源、分布式能源、新型电力负荷的快速发展，电力系统的规模和复杂程度不断增加，随机性和不确定性大大增强，运行控制的难度也在不断上升。

以事前仿真计算、有限应急预案和人工指令等为主的传统调度方式越来越难以满足运行控制需求，必须转向以全面监测、实时计算、智能决策、自动执行为主要特征的新型调度方式[21]（见图7），才能适应以新能源为主体的新型电力系统的新要求。

图7 国网杭州公司推出全国首个虚拟人工智能配网调度员
Fig.7 The first virtual artificial intelligence distribution network dispatcher proposed by Hangzhou Electric Company of SGCC

未来新型电力系统的调度将主要由数据和算法决定，电力系统可调度的规模、颗粒度和响应速度都会大大提升，传统分层分级的调度管理体系也将面临智能化的技术变革。

2.1.7 储能要素化

传统电力系统一般由电源、电网和负荷构成，“源随荷走”是实现系统平衡的主要手段，必要时也会采用有序用电、需求侧响应等管理手段，电力系统的灵活性十分有限。储能的大规模应用将彻底改变这一现状[22]。

储能具有可充可放的特性，能够承担在电源与负荷之间摇摆的“自由人”角色，使得电力的生产和消费不再需要同时完成，从而极大增强了电力系统的灵活调节能力。

在新型电力系统中，储能将成为系统平衡的第四要素，在发电侧、电网侧、用户侧均可发挥巨大作用（见图8）。目前抽水蓄能电站在储能设施中占据绝对地位，但随着技术进步、成本下降和改革推进，电化学储能的比重将会持续增大。与此同时，氢气作为一种能量载体，也有望在电力系统的长时储能中发挥重要作用。

图8 储能在电力系统中的作用
Fig.8 The role of energy storage in power system

2.1.8 价格市场化

以还原电力商品属性为核心的电力体制改革是构建新型电力系统的前提，其中的关键是完善价格机制[23]（见图9）。

图9 “放开两头、管住中间”的市场化改革
Fig.9 Power system reform program of China

通过电力市场的建设与交易规则的设计，电力的供需、质量、可靠性、清洁度等属性均可在交易中得到体现，与其他商品一样实现按需、按质论价，同时还可通过价格引导市场供需，确保电力平衡与系统安全。

在新型电力系统中，价格是源、网、荷、储之外，系统平衡的第五要素。价格机制的完善将影响到其他要素的发展，例如赋予储能独立的市场地位，允许其参加市场交易，对于储能产业的发展意义重大。价格机制的完善也将推动分布式能源的发展。交叉补贴问题是分布式能源发展道路上最大的拦路虎和绊脚石；现阶段通过补贴的“暗改明”，可有效推动并逐步解决交叉补贴问题。

2.1.9 改革适应化

深化电力体制改革是实施可再生能源替代行动的重要保障，也是构建以新能源为主体的新型电力系统的关键举措。

在2015年中发9号文新一轮电力体制改革的总体框架下[24]（见图10），“以新能源为主体”这一根本特征，为行业进一步明晰了深化电力体制改革的方向。

图10 中国电力体制改革历程
Fig.10 The history of China’s power system reform

中国的能源立法、政策体系、管理架构、监管方式、市场组织、规则设计等都要围绕这一根本特征，适应新型电力系统转型需要，积极服务新能源大规模快速发展，全力保障能源安全、优化能源结构、提高能源效率，在促进能源高质量发展的同时，助力中国“碳达峰、碳中和”目标的实现。

3 打造新型电力系统——“中国电力4.0”

要实现以新能源为主体绝非一朝一夕所能，实施可再生能源替代和深化电力体制改革尚需久久为功，对新型电力系统的认识也需要我们在交流中逐步清晰，在碰撞中逐步统一，在实践中逐步深化。

借鉴“工业4.0”、“中国制造2025”等对于制造业转型升级的引导和加速作用，有必要就新型电力系统提出一个引领性的概念，以便各方有所依托，更好地群策群力，更快地统一思想，加快新型电力系统战略体系的构建。

从中国电力系统发展现状和历程出发，基于源、网、荷、储四个维度，本文勾勒了中国电力发展的主要过程和阶段，并特此提出“中国电力4.0”的概念（见图11和图12）。

图11 中国电力4.0的发展过程
Fig.11 The development process of China Power 4.0

图12 中国电力4.0的主要特征
Fig.12 The key features of China Power 4.0

从电力系统形态来看，中国电力4.0重点发展可再生能源和分布式能源，建设平台型电网，适应配电网有源化，发展综合智慧能源，支撑交通等领域的全面电气化转型，实现电力系统和以信息网、交通网为代表的多网融合；从电力系统运行来看，中国电力4.0重点推进储能的发展，增强源网荷储协同，提升电力系统的灵活性，全面实现电力系统的数字化、调度运行体系的智能化；从电力体制机制来看，中国电力4.0重点推进电力市场改革，完善价格机制，逐步还原电力商品属性。

要实现中国电力4.0，需要政府、科研机构、电力企业、技术厂商以及社会各行各业的共同努力（见图13），共同携手锐意进取。

图13 群策群力打造中国电力4.0
Fig.13 China Power 4.0 industry landscape

政府方面，应做好顶层设计与系统谋划，统筹制定宏观战略、规划设计、扶持措施、技术标准、监管办法等全方面的政策体系；地方政府要结合各自资源禀赋与产业基础，因地制宜，以抓铁有痕的劲头狠抓落地实施。

科研机构方面，应深入研究中国电力4.0所需要的新思想、新理论、新方法，全面构建适应发展要求的新型电力系统知识体系，夯实理论基础，集中力量突破“技术瓶颈”。

电力企业方面，应以主力军和责任人的姿态，主动承担建设中国电力4.0的主体任务，迅速把思想认识、战略方向、资源投入都统一到新型电力系统上来，要勇于创新、敢于创新、善于创新，要以“功成不必在我”的态度，坚持“一张蓝图绘到底”。

技术厂商方面，要深入研究中国电力4.0所带来的技术需求，及早动手，全面布局，构建完备的上下游产业链，支撑新型电力系统建设运行。

社会各行各业，要积极响应中国电力4.0，全面倡导简约适度、绿色低碳，加快形成与新型电力系统相适应的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局。

4 结论

实现“碳达峰、碳中和”目标，事关中华民族的永续发展和构建人类命运共同体的宏图伟业，新型电力系统是实现“双碳”目标的重要依托路径。中国具备实现“双碳”目标、构建新型电力系统的良好基础，应在电力发、输、配、用等全产业链条上下游不断加大投入力度。这是推动中国能源电力行业高质量发展、实现“双碳”目标的必要之举。

以新能源为主体的新型电力系统具备全面数字化、电网平台化、电源分散化、配网有源化、边界交融化、调度智能化、储能要素化、价格市场化和改革适应化等九个特征。可以以“中国电力4.0”概念为引领，全社会统一思想、群策群力，加快打造新型电力系统，助力“双碳”目标达成。