景 銳，周 越，吳建中

（英國卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院，卡迪夫CF10 3AT，英國）

0 引言

氣候變化已成為目前人類社會共同面臨的最重大的環(huán)境與發(fā)展挑戰(zhàn)之一。2020年9月22日，中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，鄭重宣布中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和（簡稱“30·60目標(biāo)”）。盡管還未明確實現(xiàn)碳中和的具體路徑，但作為全球最大的碳排放和能源消費主體，中國實現(xiàn)碳中和需要能源系統(tǒng)的顛覆性變革［1］。

電力系統(tǒng)在能源清潔低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的引領(lǐng)和支撐作用，“碳達(dá)峰、碳中和”對電力系統(tǒng)發(fā)展提出了新的更高要求［2］。電源側(cè)具有隨機性與間歇性特征的可再生能源的大規(guī)模、高比例并網(wǎng)，用能側(cè)儲能技術(shù)、分布式能源、電動汽車等交互式能源技術(shù)的迅速發(fā)展，從源、網(wǎng)、荷、儲各個環(huán)節(jié)對電力系統(tǒng)的規(guī)劃與運行產(chǎn)生深刻影響，并不斷涌現(xiàn)各種新型的能源服務(wù)需求［3-4］。

全球越來越多的國家開始重視電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的需求與機遇，并制定了相應(yīng)的發(fā)展目標(biāo)［5］。英國在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面起步較早，并已于2019年通過立法正式承諾將于2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)。英國的電力系統(tǒng)零排放戰(zhàn)略目標(biāo)總體上圍繞“能源三難”（energy trilemma）問題即環(huán)境可持續(xù)性、能源安全、能源公平3個方面展開。顯然，零排放是轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，同時也是主要驅(qū)動力，而能源安全和公平作為必要的約束條件，同樣需要引起高度重視。

本文基于英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型已開展的工作，首先系統(tǒng)性地回顧英國氣候變化、能源與排放的相關(guān)政策，同時介紹英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的發(fā)展現(xiàn)狀與目標(biāo)，并針對轉(zhuǎn)型迫切性、電力系統(tǒng)安全性以及經(jīng)濟社會參與性3個方面的挑戰(zhàn)，剖析應(yīng)對挑戰(zhàn)所采取的跨界聯(lián)動的全系統(tǒng)戰(zhàn)略，進一步細(xì)化為4個實現(xiàn)成功轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域，其中清潔與低碳為核心驅(qū)動，安全與韌性是必要前提，架構(gòu)與層次貫穿全局，政策與市場保障轉(zhuǎn)型推進。最后，總結(jié)了英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗，以期通過系統(tǒng)性梳理英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型歷程與發(fā)展趨勢，對中國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型有所啟示。

1 英國相關(guān)政策回顧

英國在能源發(fā)展方面做了大量探索，政策規(guī)劃的引航作用至關(guān)重要。本文對與電力系統(tǒng)密切相關(guān)的英國氣候政策進行了梳理，如圖1所示。

圖1 英國氣候變化、能源與溫室氣體排放政策時間線Fig.1 Timeline of UK’s policy on climate change,energy,and greenhouse gas emission

1990年，英國出臺了一系列控制環(huán)境污染的法案，并于1997年簽署《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》［6］。21世紀(jì)以來，英國先后發(fā)布多項舉措，將能源發(fā)展的重點轉(zhuǎn)移到可再生能源上。2002年到2005年間，在全英逐步推行可再生能源責(zé)任機制（renewable obligation，RO），要求持牌售電公司有義務(wù)在其出售的電力中逐步擴大可再生能源的比例，以促進大規(guī)?？稍偕茉错椖康陌l(fā)展，該機制已于2017年完結(jié)。2006年，英國議會通過《氣候變化與可持續(xù)能源法案2006》，鼓勵小型熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)［7］。2008年 英 國 政 府 通 過 了《氣 候 變 化 法 案2008》，使其成為全球首個針對長期氣候政策立法的國家，在應(yīng)對氣候變化問題的政策法規(guī)方面全球領(lǐng)先［8］。2010年，英國實施與RO配套的上網(wǎng)電價補貼機制（feed-in tariff，F(xiàn)IT），用于鼓勵安裝小規(guī)?？稍偕茉醇夹g(shù)，該機制已于2019年完結(jié)。2015年，英國作為核心主導(dǎo)國家之一，促成全球達(dá)成《巴黎協(xié)定》，將全球升溫目標(biāo)定在2℃之內(nèi)［9］。2017年英國超額完成原計劃目標(biāo)，實現(xiàn)較1990年減排43%的成績。同年10月，英國政府出臺《清潔發(fā)展戰(zhàn)略》（The Clean Growth Strategy），重點關(guān)注碳移除技術(shù)、家庭能效提升并確定到2040年禁售燃油車的計劃（現(xiàn)已提前至2035年）。2019年3月7日，英國政府頒布《離岸風(fēng)電產(chǎn)業(yè)政策》（Offshore Wind Sector Deal），進一步明確未來10年將投資400億英鎊實現(xiàn)30 GW離岸風(fēng) 電裝機 容量［10］。同 年5月2日，英國氣候變化委員會發(fā)布報告《凈零：英國對阻止全球變暖的貢獻(xiàn)》（Net Zero—The UK’s Contribution to Stopping Global Warming），指出英國可以設(shè)定更加宏 偉的新目標(biāo)［11］。同年6月27日，《2008年氣候 變化法案（2050目標(biāo)修訂案）》通過，正式確立英國到2050年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的新目標(biāo)，成為全球首個承諾凈零排放時間表的主要經(jīng)濟體［12］。

2020年新冠疫情陰霾籠罩全球，2020年11月18日英國首相鮑里斯·約翰遜提出綠色工業(yè)革命十點計劃，重點針對后疫情時代經(jīng)濟復(fù)蘇與零碳轉(zhuǎn)型［13］。同年12月14日，英國政府商務(wù)能源與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）出版戰(zhàn)略性指導(dǎo)文件《能源白皮書》，進一步明確英國為實現(xiàn)2050凈零排放目標(biāo)的能源系統(tǒng)低碳發(fā)展方向［14］。受英國脫歐影響，自2021年1月1日起，英國不再參與歐盟碳排放交易體系（EU ETS），而是啟用英國碳排放交易體系（UK ETS），采取“總量控制與交易”（cap and trade）的原則，控制并將逐步減少各部門的總許可排放量，同時允許參與者在總許可排放量內(nèi)通過二級市場競拍的方式交易排放份額，促進2050凈零排放目標(biāo)的實現(xiàn)。

2 英國電力系統(tǒng)現(xiàn)狀、發(fā)展目標(biāo)與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 現(xiàn)狀

英國在零碳轉(zhuǎn)型進程中始終走在世界前列，從發(fā)電量角度看，近10年來風(fēng)電和太陽能的占比顯著提高，到2019年各能源技術(shù)發(fā)電量占比如圖2（a）右側(cè)百分比所示，其中煤電的占比已不足2%。從裝機容量角度看，到2019年各能源技術(shù)的發(fā)電裝機占比如圖2（b）右側(cè)百分比所示［15］，其中可再生能源的裝機容量占比已達(dá)45%，而傳統(tǒng)蒸汽式發(fā)電裝機容量占比則降至12%。

圖2 1996—2019年英國發(fā)電量與發(fā)電裝機容量演變示意圖Fig.2 Schematic diagram of transition of electricity generation and installed generating capacity in the UK from 1996 to 2019

2.2 參與主體

英國電力系統(tǒng)主要的參與主體如圖3所示。從電力傳輸角度看，主要包括發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)。輸電網(wǎng)層面，大不列顛主要由三家輸電網(wǎng)運營商（transmission network owner，TNO）持有固定資產(chǎn)并負(fù)責(zé)維護；還有離岸輸電網(wǎng)運營商（offshore transmission owner，OFTO）負(fù)責(zé)離岸輸電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的運維，并與陸上主干輸電網(wǎng)的互聯(lián)；國際聯(lián)網(wǎng)（interconnector）實現(xiàn)英國電網(wǎng)與歐洲大陸電網(wǎng)的互聯(lián)互通。以上均由National Grid集團旗下的獨立公司電力系統(tǒng)運營商（electricity system operator，ESO）負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度，確保電網(wǎng)實時的供需平衡與安全穩(wěn)定［16］。

圖3 英國電力系統(tǒng)架構(gòu)與主要參與主體示意圖Fig.3 Schematic diagram of architecture and main participants of electric power system in the UK

大不列顛共有隸屬于六大集團的14個持牌配電網(wǎng)運營商（distribution network operator，DNO），同時還存在若干獨立配電網(wǎng)運營商分散在各許可區(qū)域中。從電力市場角度看，由售電公司（supplier）作為中介將電力賣給用戶，并向發(fā)電公司（主要為六大發(fā)電企業(yè)，The Big Six）及輸、配電網(wǎng)運營商支付相關(guān)費用，形成批發(fā)、零售、容量和輔助服務(wù)四大市場。大不列顛電力系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)和相關(guān)主體均受電力和燃?xì)馐袌霰O(jiān)管機構(gòu)（Ofgem）監(jiān)管，并受英國政府BEIS的政策指導(dǎo)。

2.3 發(fā)展目標(biāo)

英國政府BEIS的《能源白皮書》明確了實現(xiàn)2050凈零排放的能源系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)，并給出2050年2種預(yù)測電力需求與2種預(yù)測發(fā)電結(jié)構(gòu)，如圖4所示［14］。其中，從電力需求看，其較2019年可能翻倍，2種預(yù)測結(jié)果的主要差別在于交通與供熱的電氣化發(fā)展情況不同。從發(fā)電結(jié)構(gòu)看，將形成可再生能源、核能、氣電＋碳捕集利用與封存（CCUS）為主，并輔以氫能發(fā)電與國際聯(lián)網(wǎng)購電的總體發(fā)電結(jié)構(gòu)。然而，官方尚未明確發(fā)布具體的實現(xiàn)路徑，目前圍繞電氣化、氫能利用、行為改變、提高能效幾大方向展開探討，而電力、熱能、建筑、交通等部門具體的轉(zhuǎn)型路徑仍在制定中。

圖4 《能源白皮書》預(yù)測的2050年英國發(fā)電結(jié)構(gòu)與電力需求Fig.4 Electricity generation structure and power demand of the UK in 2050 from forecast in“Energy White Paper”

2.4 面臨的挑戰(zhàn)

英國電力系統(tǒng)在向零排放、能源安全和公平的轉(zhuǎn)型過程中，面臨如下四重挑戰(zhàn)。

1）從氣候變化的迫切性來看，要求電力系統(tǒng)盡快向零排放的目標(biāo)轉(zhuǎn)型，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)。

2）從電力系統(tǒng)的安全性來看，高比例且高間歇性的可再生能源可能帶來電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3）從經(jīng)濟社會的參與性來看，確保居民與工商業(yè)用戶公平地分?jǐn)傓D(zhuǎn)型的成本，確保身處能源貧困地區(qū)的居民也可承擔(dān)（affordable）能源費用，避免貧困用戶被忽視，同時避免不公平地強制要求用戶去改變用能習(xí)慣。

4）從轉(zhuǎn)型過程中角色轉(zhuǎn)變來看，整個電力系統(tǒng)自上而下探索轉(zhuǎn)型過程中的角色定位、模式轉(zhuǎn)變及突破創(chuàng)新，很多電力公司不再僅僅作為基礎(chǔ)設(shè)施運營商，而是力求轉(zhuǎn)型從而可以提供安全穩(wěn)定、清潔低價、多元靈活的能源服務(wù)。

3 英國電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)型總體趨勢

3.1 跨界聯(lián)動的全系統(tǒng)戰(zhàn)略

在英國政府通過立法正式承諾將于2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放，并計劃在2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)后，形成了自上而下、跨界聯(lián)動的零碳轉(zhuǎn)型全系統(tǒng)戰(zhàn)略，各級組織機構(gòu)從各自視角制定了翔實的行動計劃，如圖5所示［14，17-18］。

圖5 英國各級機構(gòu)提出的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略之間的關(guān)聯(lián)示意圖Fig.5 Relationship between electric power system transition strategies proposed by different organizations in the UK

以下從4個角度對各行動計劃之間的關(guān)聯(lián)進行梳理。

1）從政府視角來看，首相鮑里斯·約翰遜提出綠色工業(yè)革命十點計劃后，BEIS相應(yīng)出版戰(zhàn)略性指導(dǎo)文件《能源白皮書》，明確其下一步的工作計劃，在離岸風(fēng)電與陸上互聯(lián)、電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域加大投入，同時將與Ofgem密切配合構(gòu)建全球領(lǐng)先的數(shù)字化電力能源系統(tǒng)，并發(fā)布Smart System Plan進一步明確儲能在系統(tǒng)中扮演的角色。

2）從Ofgem視角來看，其充分發(fā)揮監(jiān)管與創(chuàng)新的職能，建議政府考慮建立職能獨立于英國國家電網(wǎng)公司的獨立系統(tǒng)運營商（independent system operator，ISO），通過完全分離使其在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中扮演更加積極的角色，同時確保未來的能源系統(tǒng)決策更能夠符合用戶利益，并有助于將成本保持在最低水平。

3）從能源網(wǎng)絡(luò)（輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)）視角來看，為適應(yīng)轉(zhuǎn)型需求并提供更靈活的服務(wù)，英國已于2019年成立獨立公司National Grid ESO負(fù)責(zé)輸電網(wǎng)的調(diào)度［19］。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)型過程中的重點改革環(huán)節(jié)之一。隨著越來越多分布式電源與產(chǎn)消者的接入，DNO盈利模式與角色正發(fā)生根本改變，如圖6所 示［20］。同 時，DNO將 承 擔(dān) 主 動 網(wǎng) 絡(luò) 管 理（active network management，ANM）職能并提供多元化的靈活性服務(wù)，其角色將逐漸發(fā)展為配電系統(tǒng)運營商（distribution system operator，DSO）。這一轉(zhuǎn)變使得DSO的決策更加面向用戶，更好地管理本地分布式電源與負(fù)載，同時提供低碳且靈活的服務(wù)，且可避免非必要的電網(wǎng)投資。目前，探索輸電系統(tǒng)運營商（transmission system operator，TSO）和DSO的交互接口（TSO/DSO interface），實現(xiàn)不同公司的互相協(xié)同和支持是英國電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢。

圖6 DNO向DSO轉(zhuǎn)型的角色轉(zhuǎn)變與發(fā)展趨勢Fig.6 Role change and development trend of DNO towards DSO

4）從發(fā)電企業(yè)視角來看，自2021年起，所有發(fā)電企業(yè)必須參與可再生能源溯源（Renewable Energy Guarantees of Origin，REGO）認(rèn)證計劃［21］，歐盟將該計劃稱之為Guarantees of Origin（GoOs），旨在讓消費者更加透明地知悉發(fā)電企業(yè)所發(fā)電力中可再生能源的比例。

3.2 以創(chuàng)新作為跨界聯(lián)動的紐帶

創(chuàng)新作為各級電力系統(tǒng)組織機構(gòu)的紐帶，將政府、監(jiān)管機構(gòu)、電力企業(yè)與用戶緊密聯(lián)系，從技術(shù)、政策、商業(yè)、服務(wù)等多維度塑造創(chuàng)新環(huán)境，下面從3個方面對英國電力系統(tǒng)的創(chuàng)新戰(zhàn)略進行梳理。

1）政府加大創(chuàng)新投資力度。2015年秋，英國政府承諾在5年內(nèi)將用于能源創(chuàng)新的資金投入翻倍至40億英鎊［22］，其中政府的直接投資包括：出臺《The Clean Growth Strategy》，斥資25億英鎊用于低碳技術(shù)、系統(tǒng)與商業(yè)模式創(chuàng)新［23］；成立能源系統(tǒng)創(chuàng)新中心（Energy Systems Catapult）和離岸可再生能源技術(shù)創(chuàng)新中心（Offshore Renewable Energy Catapult），斥資12億英鎊鼓勵采用全系統(tǒng)戰(zhàn)略加速能源系統(tǒng)低成本的零碳轉(zhuǎn)型；斥資5.5億英鎊加速清潔能源技術(shù)的商業(yè)化與創(chuàng)新；以及斥資2.46億英鎊發(fā)起法拉第挑戰(zhàn)（Faraday Challenge），使英國在未來的電池技術(shù)創(chuàng)新中保持優(yōu)勢地位等。各創(chuàng)新平臺都強調(diào)研發(fā)創(chuàng)新既要有戰(zhàn)略高度，又要以市場為導(dǎo)向，同時形成企業(yè)與科研院所一體的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)和鏈條以實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新［24］。同時，政府投資也關(guān)注勞動力市場以及低碳行為等社會經(jīng)濟領(lǐng)域的創(chuàng)新，例如啟動了零排放目標(biāo)下的再培訓(xùn)提升計劃以及引領(lǐng)行為習(xí)慣的良性改變等［25］。

2）Ofgem制定創(chuàng)新規(guī)則。通過設(shè)置基于收 益（revenue）＝激 勵（incentives）＋創(chuàng) 新（innovation）＋產(chǎn)出（outputs），簡稱RIIO的價格控制規(guī)則，監(jiān)管大不列顛電網(wǎng)公司的收益和定價，同時鼓勵競爭與創(chuàng)新，以確保電價合理并不斷為用戶提供新產(chǎn)品與新服務(wù)。通過RIIO規(guī)則將收益的一定比例作為創(chuàng)新資金，形成網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新促進機制（network innovation stimulus，NIS），促進英國電網(wǎng)及氣網(wǎng)相關(guān)企業(yè)向高能效、強韌性、高靈活性及零碳轉(zhuǎn)型。NIS主要包含分別針對電網(wǎng)企業(yè)和氣網(wǎng)企業(yè)的兩大能源網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新競賽（network innovation competitions，NICs）［26］以 及 一 個 能 源 網(wǎng) 絡(luò) 創(chuàng) 新 津 貼（network innovation allowance，NIA）［27］。

3）能源網(wǎng)絡(luò)公司積極創(chuàng)新。由電力網(wǎng)絡(luò)及天然氣管網(wǎng)企業(yè)形成的非營利性行業(yè)協(xié)會（energy network association，ENA）提出了“共創(chuàng)未來能源網(wǎng)絡(luò)”計劃，其中與電力網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)且最具代表性的戰(zhàn)略計劃是“開放電網(wǎng)戰(zhàn)略”（open networks project，ONP）［28］，促進所有電網(wǎng)企業(yè)提供適應(yīng)零碳轉(zhuǎn)型的智能化、靈活性服務(wù)，從ESO開始，到各配電網(wǎng)公司之間的協(xié)調(diào)，再到配電網(wǎng)與本地規(guī)模較大的能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，進而到電力與其他能源行業(yè)之間的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)全行業(yè)的轉(zhuǎn)型評估，確立長-中-短期目標(biāo)；建立行業(yè)規(guī)范使得分布式可再生能源（風(fēng)電和太陽能）與多元化負(fù)荷（電動汽車和大規(guī)模家用熱泵）盡可能便捷地接入配電網(wǎng)，重點關(guān)注靈活性服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)協(xié)議、DNO向DSO轉(zhuǎn)型以及全系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃等功能的實現(xiàn)。

4 關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域

為了2035年實現(xiàn)零排放或近零排放電力系統(tǒng)以及2050年實現(xiàn)凈零溫室氣體排放的宏偉計劃，英國電力系統(tǒng)形成全系統(tǒng)-全鏈條系統(tǒng)集成創(chuàng)新戰(zhàn)略，如圖7所示，其中關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域如下所述。

圖7 英國電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域Fig.7 Key development areas in zero-carbon transition of electric power system in the UK

4.1 安全與韌性

在后化石燃料時代，提供安全可靠且具有韌性的電力服務(wù)至關(guān)重要。在學(xué)術(shù)界，英國負(fù)責(zé)科研創(chuàng)新的工程與自然科學(xué)研究委員會（EPSRC）在其2019年發(fā)展規(guī)劃中將韌性（resilience）與高效、互聯(lián)、健康作為未來10年英國建設(shè)全球最富創(chuàng)新經(jīng)濟體的4個關(guān)鍵詞［29］。在工業(yè)界，英國國家電網(wǎng)ESO負(fù)責(zé)保障當(dāng)意外寒流、新能源過剩或電站故障發(fā)生時的電網(wǎng)穩(wěn)定運行，相應(yīng)采取的一系列措施包括：①利用火電機組的靈活性，同時規(guī)劃建設(shè)電網(wǎng)級電化學(xué)儲能，實現(xiàn)頻率管理；②與發(fā)電企業(yè)通力合作，確保電壓波動不超限，實現(xiàn)電壓管理；③通過使大型輪機保持旋轉(zhuǎn)以保障慣量；④采取頻率響應(yīng)、旋轉(zhuǎn)備用、臨時運行備用相結(jié)合的措施確保系統(tǒng)備用。

當(dāng)前及未來英國電力系統(tǒng)中的主要技術(shù)和與之可提供的輔助服務(wù)匯總?cè)鐖D8所示，該圖根據(jù)文獻(xiàn)［30］進行了修改。預(yù)計未來可通過基于大工商業(yè)、智能家居及電動汽車入網(wǎng)（vehicle-to-grid，V2G）的需求響應(yīng)，抽水蓄能、電池、壓縮空氣儲能等不同儲能技術(shù)，以及未來燃?xì)怦詈咸疾都?、燃?xì)漭啓C等多種能源技術(shù)的協(xié)調(diào)互濟，確保系統(tǒng)的韌性與安全運行。在現(xiàn)階段，基于生物質(zhì)與燃?xì)獾幕痣姍C組仍將作為重要的系統(tǒng)備用。

圖8 英國電力系統(tǒng)主要能源技術(shù)與可提供輔助服務(wù)的能力匯總Fig.8 Summary of major energy technologies and their capabilities to provide auxiliary services in electric power system in the UK

4.2 架構(gòu)與層次

英國電力系統(tǒng)向零碳未來轉(zhuǎn)型的主要趨勢是以電為核心，實現(xiàn)多能源、多層次、多維度的系統(tǒng)集成的整體架構(gòu)發(fā)展，如圖9所示，具體呈現(xiàn)三大特征。

圖9 英國電力系統(tǒng)架構(gòu)多層次-多維度的關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域Fig.9 Multi-level and multi-dimensional key development areas in architecture of electric power system in the UK

1）清潔和融通主導(dǎo)的去碳化和電氣化。英國首相鮑里斯·約翰遜提出的綠色工業(yè)革命十點計劃中有七點與電氣化密切相關(guān)，通過發(fā)展風(fēng)電、核電增加清潔能源供應(yīng)，同時通過推廣熱泵的供熱電氣化、加速向電動汽車轉(zhuǎn)型的交通電氣化、基于住宅節(jié)能與智能化改造的用能高效化等一系列措施，進一步明確了電氣化與電力系統(tǒng)在轉(zhuǎn)型中的作用和定位。英國政府BEIS相應(yīng)出版戰(zhàn)略性指導(dǎo)文件《能源白皮書》，進一步明確了電力、燃?xì)?、交通電氣化、供熱電氣化等多部門融通的能源系統(tǒng)低碳發(fā)展路徑，試圖通過多部門耦合增強全系統(tǒng)靈活性并與歐洲大陸互聯(lián)互濟形成規(guī)模效應(yīng)，在實現(xiàn)碳減排的同時最小化可再生能源高間歇性帶來的風(fēng)險、最大化能源利用效率與效益。

2）物理和信息耦合的數(shù)字化和智能化。推廣普及智能電表是英國電力系統(tǒng)向智能化發(fā)展的重要舉措［31］。通過先進智能電表與智能電價機制鼓勵用戶更多地參與電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、形成新的靈活性資源，如通過利用谷電為電動汽車充電節(jié)約成本，同時鼓勵本地富余的新能源上網(wǎng)實現(xiàn)增收，實現(xiàn)物理與信息系統(tǒng)的耦合。2020年6月英國政府發(fā)布全國性加速智能電表安裝的新計劃，并預(yù)計每年為零碳轉(zhuǎn)型節(jié)約超過160億英鎊的成本。截至2020年9月，全英國住宅與小工商業(yè)用戶累計安裝智能電表（smart/advanced metering）超過2 000萬只［32］。

3）本地到跨國協(xié)同的層次化。英國電力系統(tǒng)采取“大互聯(lián)”與“本地化”多層次協(xié)同的全系統(tǒng)方法。在跨國電力互聯(lián)網(wǎng)層面，在目前已與法國、荷蘭、愛爾蘭互聯(lián)的累計容量達(dá)4 GW基礎(chǔ)上，進一步計劃與比利時、挪威、丹麥新建電力聯(lián)網(wǎng)，同時擴容與法國、愛爾蘭的電力互聯(lián)［33］。

在輸電網(wǎng)層面，2020年英國實現(xiàn)15%的終端能源來自可再生能源，超過30%的電力來自可再生能源，且這一比重還將繼續(xù)增大，其中可再生能源絕大部分來自海上風(fēng)電。因此，進一步強化主干輸電網(wǎng)與海上風(fēng)電的互聯(lián)將至關(guān)重要。同時，Ofgem建議將現(xiàn)有隸屬于National Grid的ESO完全獨立為ISO以適應(yīng)未來發(fā)展需求，目前仍在探討之中。此外，TSO與DSO的交互接口將成為能否充分發(fā)揮系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在配電網(wǎng)層面，未來將加大配電網(wǎng)的投資力度，同時加速從現(xiàn)有被動式DNO向主動式DSO轉(zhuǎn)型，通過創(chuàng)新市場設(shè)計提供全新能源服務(wù)，未來依靠本地能源系統(tǒng)提供電力系統(tǒng)平衡與靈活性服務(wù)，從而實現(xiàn)全網(wǎng)穩(wěn)定且韌性的運行。重點發(fā)展本地端對端能源交易市場，同時探索“光伏＋電池”的社區(qū)能源模式，利用電池匹配光伏出力的間歇性，預(yù)計2030年70%的屋頂光伏系統(tǒng)將配備電池［20］。

在本地能源系統(tǒng)層面，自2018年，英國政府啟動能源革命繁榮挑戰(zhàn)（prospering from the energy revolution challenge，PFER），斥資超過1億英鎊探索智慧的本地能源系統(tǒng)（smart local energy system）［34］。通過在本地實現(xiàn)電、氣、熱、交通、儲能、數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域的耦合協(xié)同，提供更加靈活、更加清潔、低價并高效的本地能源服務(wù)。重點關(guān)注基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠、基于太陽能驅(qū)動的熱化學(xué)跨季節(jié)儲熱、電動汽車智能充電、本地智慧熱泵與智慧儲熱耦合系統(tǒng)、端對端能源交易平臺軟件、智慧住宅能源管理系統(tǒng)等技術(shù)。

英國地方政府和相關(guān)企業(yè)亦非常關(guān)注本地能源的發(fā)展。地方政府層面，威爾士政府領(lǐng)導(dǎo)了一個由電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)售電企業(yè)、地方政府和高校組成的“本地虛擬私有網(wǎng)絡(luò)”（local virtual private network）工作組，在北威爾士地區(qū)利用公共電網(wǎng)促進可再生能源的就地消納，制定了涵蓋技術(shù)、商業(yè)模式和政策法規(guī)在內(nèi)的綜合創(chuàng)新方案［35］。作為企業(yè)方面的一個典型案例，Power Transition公司在其建設(shè)和開發(fā)的Corby居民社區(qū)建設(shè)了包含屋頂光伏、電池儲能、季節(jié)性熱儲能和地源熱泵等在內(nèi)的本地能源系統(tǒng)，并參與了PFER的概念設(shè)計項目，開發(fā)了基于分布式賬本技術(shù)的端對端能源交易和社區(qū)微網(wǎng)管理系統(tǒng)［36］。

4.3 政策與市場

在市場建設(shè)方面，未來10年英國電力系統(tǒng)的投資規(guī)模巨大，迫切需要設(shè)計一個能夠以最低的成本來激勵低碳能源和網(wǎng)絡(luò)投資的市場機制。同時，風(fēng)能和太陽能的高間歇性也亟需功能更加完善的輔助服務(wù)市場。因此，政府（BEIS）、監(jiān)管機構(gòu)（Ofgem）與ESO多方協(xié)同，致力于參考容量市場（capacity market）的發(fā)展經(jīng)驗，建設(shè)靈活性市場與慣性市場，以及通過氫能耦合交通與供熱實現(xiàn)以較低的成本提供靈活性資源，從而應(yīng)對可再生能源出力的不確定性。

在政策方面，未來非常規(guī)（甚至極端）氣候事件愈發(fā)不可避免，政策導(dǎo)向也將從減緩氣候變化逐漸過渡到減緩與適應(yīng)氣候變化并重，迫切需要提升電力系統(tǒng)的靈活性和韌性。英國能源研究中心（UK Energy Research Centre，UKERC）2020年最新版年度能源政策評述指出“如何保障電力系統(tǒng)在高不確定環(huán)境下提供安全穩(wěn)定的電力服務(wù)”是下一年政策工作的首個要點［37］。新冠疫情期間電力負(fù)荷驟減，ESO不得不在配電網(wǎng)大量切除分布式小型機組并將位于Sizewell B的核電站出力下調(diào)50%，為此花費高達(dá)5億英鎊，同時放大了英國電力系統(tǒng)存在多年的問題，即尚缺少監(jiān)管控制配電網(wǎng)分布式機組的配套機制。為確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定且經(jīng)濟運行，小型機組應(yīng)當(dāng)被允許和鼓勵參與電力市場與靈活性市場。

同時，能源監(jiān)管機構(gòu)（Ofgem）在通過RIIO調(diào)控電價及各電力系統(tǒng)利益相關(guān)方的利益分配時面臨風(fēng)電項目進度、疫情影響等巨大的不確定性外部環(huán)境。Ofgem批準(zhǔn)了多項“保底”資金，并預(yù)備多項“不確定性”資金，同時各利益相關(guān)方都對將更多資金用于創(chuàng)新和研發(fā)表示歡迎。盡管可能不存在完美的解決方案，但加大靈活性資源的投資力度具有廣泛共識。同時，能源政策的前瞻性和連續(xù)性必須得到重視，建議采用“實事求是”（pragmatism）與“邊干邊學(xué)”（learning-by-doing）的模式。

4.4 社會科學(xué)

成功的轉(zhuǎn)型離不開全社會的共同參與，同時轉(zhuǎn)型的成功必須做好全民需求、社會發(fā)展、能源公平三者的權(quán)衡與協(xié)同。英國政府努力營造多種多樣途徑保障公民在能源轉(zhuǎn)型中的參與度，主要包括以下4個方面：

1）鼓勵發(fā)展以社區(qū)為單位的本地能源系統(tǒng)，通過參與零售市場的競爭，促進零碳轉(zhuǎn)型成本更加合理地攤派至各利益相關(guān)方，居民和工商業(yè)用戶公平地均攤轉(zhuǎn)型成本。

2）普及智能家居與智能住宅能源管理系統(tǒng)，通過住宅能效提升以及智能家居普及的補貼計劃，創(chuàng)造機會為居民降低能源費用并減排。

3）促進用能行為的積極改變，特別是當(dāng)僅僅依靠調(diào)低電價不能有效改變用戶行為時。Ofgem于2017年開始試行OPT-IN Switching Trials，研究發(fā)現(xiàn)通過社交媒體宣傳及加強與用戶的溝通，可有效促進用戶積極地改變用能行為。同時，Ofgem聯(lián)合專業(yè)機構(gòu)在先進智能電表推廣方面開展大量社會滿意度的調(diào)研［14］。

4）加大保障轉(zhuǎn)型公平的支持力度，通過開展能源 企 業(yè) 義 務(wù)（energy company obligation，ECO）計劃，加強住宅采暖補貼（warm home discount，WHD）計劃與綠色住宅（green homes grant）計劃的實施力度。

5 經(jīng)驗與啟示

當(dāng)前英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型在減排量、安全性和經(jīng)濟性方面均取得顯著成效。據(jù)CarbonBrief最新報道，2020年英國年度溫室氣體排放創(chuàng)紀(jì)錄地下降了11%（疫情也是一個重要因素），全英溫室氣體排放水平已降至1990年的51%，完成2050年凈零排放目標(biāo)的一半［38］。同時，其工商業(yè)及居民平均售電價格約為0.175英鎊/（kW·h），在歐洲屬于平均水平，略低于歐盟15國的中位數(shù)［39］。從系統(tǒng)平均中斷頻率指數(shù)（SAIFI）與系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時間指數(shù)（SAIDI）來看，英國電力系統(tǒng)的可靠性在歐洲居于前列［40］。

盡管如此，2019年8月9日英格蘭與威爾士地區(qū)由于燃?xì)鈾C組與海上風(fēng)電機組連續(xù)跳機引發(fā)大規(guī)模的停電事故，暴露出一直以來備受關(guān)注的問題，即高比例可再生能源電力系統(tǒng)的慣性下降及其導(dǎo)致的系統(tǒng)整體可靠性的降低。Ofgem針對該事件的官方評估報告給出提升系統(tǒng)韌性的建議包括：①評估ESO應(yīng)對突發(fā)事件的預(yù)案并加強發(fā)電機組的可靠性檢測；②評估并提升分布式發(fā)電對DNO和ESO的價值；③評估并更新負(fù)荷切除預(yù)案［41］。

總體而言，上述轉(zhuǎn)型進展得益于英國電力系統(tǒng)采用全系統(tǒng)集成創(chuàng)新的總體戰(zhàn)略，通過政策、市場、技術(shù)與社會等多維融合，形成有導(dǎo)向、有計劃、有方法的行動方案。

5.1 注重系統(tǒng)集成

英國電力系統(tǒng)采取包括3個層面在內(nèi)的系統(tǒng)集成戰(zhàn)略。

1）多能源系統(tǒng)集成。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設(shè)以發(fā)-輸-配-用的縱向延伸為主；而能源安全、環(huán)保低碳和科技進步的因素使得能源電力的供需模式逐漸發(fā)生變革。構(gòu)建未來以電為主、多能融合、互補利用的綜合能源系統(tǒng)，實現(xiàn)各能源優(yōu)化配置和高效低碳利用，在未來能源格局中搶占先機，已成為包括英國在內(nèi)的主要發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略共識［42］。英國政府一方面大力推進海上風(fēng)電建設(shè)，另一方面通過積極推進終端電力與交通、供熱耦合，挖掘多能源集成系統(tǒng)中的靈活性資源。

中國正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，構(gòu)建電力、燃?xì)?、石油、煤炭與新能源等多種能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)互濟的綜合能源系統(tǒng)可打通不同能源子系統(tǒng)間的技術(shù)、市場以及體制壁壘；通過形成“多進多出”的能源體系，有助于降低對單一能源的依賴度從而提升能源安全性；通過多個能源子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與多能相互轉(zhuǎn)換，有助于破解新能源消納的難題；通過跨領(lǐng)域交叉的協(xié)同創(chuàng)新，有助于突破能源科技創(chuàng)新的瓶頸；最終有效推動能源生產(chǎn)和消費的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

2）本地能源與廣域互聯(lián)相協(xié)調(diào)。在沒有一種“靈丹妙藥”能完全解決“能源三難”困境的情況下，結(jié)合“大互聯(lián)”和“本地化”的全系統(tǒng)方法將是應(yīng)對未來全球能源挑戰(zhàn)的必由之路［43］。二者相輔相成，在廣域?qū)用嫱ㄟ^跨區(qū)域甚至跨國的電力互聯(lián)，因地制宜地發(fā)揮西部、北部地區(qū)新能源資源富集的優(yōu)勢，持續(xù)建設(shè)清潔能源基地并提升新能源消納和跨區(qū)輸送能力，改善可再生能源在空間上分布不均造成的問題。同時，在大能源系統(tǒng)框架下可借鑒英國強化本地能源的理念，通過大力支持本地聚集商發(fā)展、降低用戶參與輔助服務(wù)市場（如頻率響應(yīng)市場）的容量準(zhǔn)入門檻、促進用戶從傳統(tǒng)用能者轉(zhuǎn)型為產(chǎn)消者（prosumer）等措施，增強用戶側(cè)的轉(zhuǎn)型參與度，同時開發(fā)具有自我管理能力的本地能源管理單元，在實現(xiàn)本地電力平衡的同時支撐大電力系統(tǒng)的零碳轉(zhuǎn)型。

3）物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)耦合。英國電力系統(tǒng)將數(shù)字化與智能化作為重要發(fā)展方向，通過大力推廣智能電表力圖實現(xiàn)全民能源數(shù)據(jù)的獲取與管理，并取得可喜進展。中國電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展方興未艾，如何將電力系統(tǒng)的數(shù)字化與智能交通、智慧家庭、智慧園區(qū)，以及智慧城市、智慧農(nóng)村等多方協(xié)同從而創(chuàng)造效益有待進一步探索［44］。目前，通過將電力系統(tǒng)數(shù)字化與數(shù)字新基建相呼應(yīng)，開展多站合一、共享桿塔、多表合一及智慧路燈等新模式、新業(yè)態(tài)的探索均是有益嘗試。與此同時，實現(xiàn)數(shù)字化要求打破能源系統(tǒng)中各要素之間的行業(yè)壁壘，迫切需要政府各部門的協(xié)調(diào)和推動。

5.2 配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一

配電網(wǎng)是未來能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心環(huán)節(jié)之一，零碳轉(zhuǎn)型對配電網(wǎng)提出了3個方面的新要求：①結(jié)構(gòu)模式方面，電力系統(tǒng)從電能單向流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向互動，大量分布式電源與新型負(fù)荷的接入對配電網(wǎng)的承載能力和靈活性提出新要求；②智能發(fā)展方面，配電網(wǎng)端終端采集與狀態(tài)感知能力的實時性和安全性不足，難以適應(yīng)未來智慧能源網(wǎng)絡(luò)、智慧城市等工作的推進；③市場機制方面，英國電力系統(tǒng)致力于探索從DNO向DSO的角色轉(zhuǎn)變，在電力雙向互動的新結(jié)構(gòu)中強化未來開展新業(yè)務(wù)、提供新服務(wù)的能力。為滿足上述新要求，英國預(yù)計投資3億英鎊用于升級配電網(wǎng)［45］。

中國輸電網(wǎng)技術(shù)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是世界領(lǐng)先的，長期以來中國投資都存在“重輸輕配”的現(xiàn)象［46］，導(dǎo)致配電網(wǎng)信息化、智能化水平相對較低，市場過于封閉，適應(yīng)新業(yè)務(wù)模式的能力有待加強，亟須進一步提升配電網(wǎng)數(shù)字化、智能化水平，引領(lǐng)多能耦合新模式、培育新業(yè)態(tài)、創(chuàng)造新價值，從服務(wù)模式、功能技術(shù)、市場政策等多維度上推動配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級。2015年以來，黨中央、國務(wù)院對配電網(wǎng)建設(shè)改造工作做出了部署，在2015—2020年間配電網(wǎng)建設(shè)改造投資將不低于2萬億元。2020年配電變壓器信息采集覆蓋率達(dá)到100%，智能電表覆蓋率達(dá)到95%［47］。

5.3 政策與市場積極引導(dǎo)

英國電力與能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的成功離不開政策與市場的積極引導(dǎo)。2019年3月發(fā)布的“海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃”提出在2030年前實現(xiàn)海上風(fēng)電裝機容量30 GW，為英國提供30%以上的電力。通過制定目標(biāo)清晰且計劃明確的政策，從而保障英國在未來的國際海上風(fēng)電創(chuàng)新中保持競爭力和領(lǐng)導(dǎo)地位。同時，英國政府將繼續(xù)采用RIIO模式監(jiān)管電網(wǎng)企業(yè)的收益，并確保其提供高效的能源服務(wù)。該模式通過定價機制的動態(tài)調(diào)整，對電網(wǎng)企業(yè)當(dāng)前及未來投資的總體策略進行有計劃的引導(dǎo)和調(diào)整。2013年生效的RIIO-1于2021年3月到期，目前已完成新一輪RIIO-2的部分定價策略的商議與制定［48］?？傮w上，英國電力系統(tǒng)通過政策積極引導(dǎo)，以確保容量市場的快速調(diào)整與輔助服務(wù)市場的迅速發(fā)展，促進DNO向DSO轉(zhuǎn)型及其定位、新商業(yè)模式與市場機制的及時更新。

英國始終致力于電力市場的改革升級，中國可根據(jù)自身需求，通過創(chuàng)新來開發(fā)適合自己的改革發(fā)展模式，為推進能源轉(zhuǎn)型，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》并承認(rèn)了能源的商品屬性，提出破除投資主體所有制限制、突出競爭與監(jiān)管并重等開放性理念，更加堅定了能源市場化方向［49］。一方面通過建立市場化機制，使用價格信號可有序引導(dǎo)電力系統(tǒng)向清潔零碳穩(wěn)步發(fā)展［50］；另一方面還需加大研發(fā)力度，通過技術(shù)創(chuàng)新手段降低成本，利用新技術(shù)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)有序推進能源轉(zhuǎn)型。

5.4 以人為本與創(chuàng)新驅(qū)動

零碳轉(zhuǎn)型需要全社會的共同參與，英國政府從以人為本的角度出發(fā)開展了大量工作。在轉(zhuǎn)型過程中不僅致力于提供排放和成本更低的能源服務(wù)，同時兼顧轉(zhuǎn)型成本分?jǐn)偟墓叫浴l(fā)展的不平衡性等，創(chuàng)造更多的綠色能源就業(yè)崗位。

英國一直以來都十分注重電力與能源領(lǐng)域的創(chuàng)新，以確保其在氣候變化與電力能源方面的領(lǐng)先地位。在工業(yè)界，英國由Ofgem制定創(chuàng)新規(guī)則，通過RIIO將能源企業(yè)收益的一定比例作為創(chuàng)新資金，鼓勵競爭與創(chuàng)新。在學(xué)術(shù)界，英國采用跨部門-跨學(xué)科交叉的全系統(tǒng)研究戰(zhàn)略（interdisciplinary whole systems research landscape），提 出“泛 能 源 系 統(tǒng)”（wider definition of energy system）的理念，內(nèi)容覆蓋能源技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、組織架構(gòu)、政策市場等多個方面，重點梳理能源系統(tǒng)各部門、各學(xué)科的重點研究領(lǐng)域，注重基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究與示范相結(jié)合，注重設(shè)備研發(fā)與模型數(shù)據(jù)研究相補充，構(gòu)建全英能源研究網(wǎng)絡(luò)，同時積極參與歐盟及全球合作創(chuàng)新［51］。通常，能源領(lǐng)域的創(chuàng)新并非一蹴而就，需要構(gòu)建長效的創(chuàng)新機制和長時間的積累。因此，在創(chuàng)新政策方面，需要保持連貫性與全面性；在創(chuàng)新投入方面，需要保持充足性與連續(xù)性，從而促成全行業(yè)積極參與的創(chuàng)新環(huán)境。

6 結(jié)語

電力系統(tǒng)在能源零碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的引領(lǐng)作用。英國政府在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面開展了大量先驅(qū)性工作。本文首先簡要回顧了英國在氣候變化、能源與溫室氣體排放方面的政策，同時分析了英國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，進一步詳細(xì)介紹了英國電力系統(tǒng)以創(chuàng)新為紐帶、跨界聯(lián)動的零碳轉(zhuǎn)型總體戰(zhàn)略，并從安全與韌性、架構(gòu)與層次、政策與市場、社會科學(xué)4個層面梳理轉(zhuǎn)型過程中的關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域，最后從系統(tǒng)集成、配電網(wǎng)的作用、政策和市場引導(dǎo)、以人為本的創(chuàng)新驅(qū)動4個方面歸納英國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的成果和經(jīng)驗，旨在對中國電力系統(tǒng)在制定“30·60目標(biāo)”下轉(zhuǎn)型路徑時有所啟示。

應(yīng)當(dāng)指出，中英兩國在碳排放交易、系統(tǒng)集成、需求側(cè)響應(yīng)以及配電網(wǎng)運營等方面的轉(zhuǎn)型發(fā)展思路上存在相似之處，同時兩國的資源稟賦、資源總量、經(jīng)濟社會發(fā)展階段、科技水平以及電力系統(tǒng)構(gòu)架均有差異，有必要在未來研究中進一步就中英兩國電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢的異同點作對比探討。