薛禹勝院士在2015年7月10日第四屆中國電力發展和技術創新院士論壇上的演講激起與會者極大興趣與反響。應小編之邀, 薛院士就其演講涉及的學術問題進行了問答式闡述。現匯編于此, 以饗讀者。

一、如何看待電力工業在能源革命中的作用?

一次能源是指自然界中以原有形式存在的天然能源，包括化石類能源及可再生能源;用戶直接消費的能源形式則被稱為終端能源。將一次能源直接作為終端能源既低效，又不環保。為了使終端用戶可以直接使用原本難儲存或難輸送的可再生能源，或者使化石類能源的利用更高效、安全、清潔，都需要先將一次能源轉換為二次能源的形式，如電能、氫能等。其中，電能在終端能源中的占比往往被用來從一個側面衡量社會文明的程度。

中國必須盡快由高碳經濟轉向低碳經濟， 能源的綜合優化問題更為凸出。其要點是一次能源中的清潔替代及終端能源中的電能替代。如果不能實現能源的這兩個替代， 就無法持久地保障國家安全、環境安全及社會發展。而電力則是一次能源與終端能源之間的樞紐橋梁， 在能源的兩個替代中均處于核心地位。

二、怎樣理解電力的可靠性?

各種一次能源在其對應類型的發電站中轉換為電能， 通過電網輸送， 供廣域的電力用戶消費。不論從哪個視角來看， 電網都被公認為是最復雜的人造系統之一， 包括地域分布之廣袤、時間尺度的多樣、模型維數之高、非線性之強， 以及潛在風險之大。電能又是一種極其特殊的商品， 其生產與消費之間的平衡必須在每個瞬間都保持住， 任何內外故障引起的電力不平衡都必須立即消除。嚴重故障的處理往往涉及整個系統范圍， 并必須在1秒以內處理好， 否則就可能觸發多米諾骨牌的傾覆， 大停電使人們想起來都不寒而栗。電力可靠性包括以下兩方面： 安全性要求電力系統承受可信的擾動而不崩潰; 充裕性則要求電力系統在擾動消除后保持供需平衡。

三、智能電網的概念是否能充分應對能源革命的使命?

智能電網的框架在能源革命中， 需要深化其內涵， 并拓展到與非電環節及其交互。包括在能源革命的整個進程中， 如何主動發揮一次能源與終端能源之間大范圍協調優化的核心紐帶作用， 在支撐環境安全及經濟安全的同時， 提高全局能效， 減少能源流全程中的風險。智能電網的框架是上述目標中的核心環節， 但還不是全部， 概念上至少存在著以下拓展的必要性。

從整個能源流的視角看， 電力系統除了要根據智能電網概念來發展本身， 還需要在能源流大規模的兩個替代中， 主動地承上(一次能源) 啟下(終端能源)， 兼顧左右(與其他二次能源協調)， 提高整體能效及可持續發展能力。

從全局可靠性的視角看， 一次能源的開發、二次能源的轉換及終端能源的消費模式都會影響到電力可靠性; 反之亦然。因此必須將電力可靠性問題放在能源流整體中考慮。此外， 還必須計及相關的非能源環節的影響， 包括與資金、減排、物流、人才、信息、政策與監管等環節可靠性的交互作用。

從信息融合的視角看， 智能電網框架強調了信息系統與電力系統的深度融合， 但外部環節中的事件必然會影響電力系統的運行工況及潛在故障的風險。因此， 信息物理融合的理念需要在更大范圍內拓展。

四、那么您如何看待拓展后的框架?

信息能源融合的兩個要素是物理對象與信息系統， 見圖a。前者包括電力系統、非電的能源系統， 以及相關的非能源系統; 后者包括機密性和實時性好的專用通信網及支持公開接入和廣泛參與者無障交互的互聯網(Internet)。核心基礎設施的決策與控制需要采用專用通信網; 開放的售電服務、廣泛的用戶參與、分布式發電與儲能的社會化參與、以融資租賃業務為基礎的金融業務、電力市場化等則需要互聯網的支撐。

智能電網討論的范疇見圖b。如果討論信息與能源的融合問題， 不但必須涵蓋電力系統及非電的能源系統， 而且必須涵蓋Internet 與專用網兩者。不論是用電力系統替換能源系統(圖c)， 還是用Internet替換信息系統(圖d)， 都難免以偏概全之嫌。

電力流與信息流服從的物理規律不同。如果將他們之間的融合引導到表面上名詞的統一， 例如用互聯網的術語及規律來描述能源流， 不但違背了物理規律， 并且也誤導了真正需要的深度融合。在這個新領域的開啟階段， 應該盡量避免用詞不當而誤導， 例如不要直接譯自國外IT專家提出的“Energy Internet”。Internet是IT行業的專用名詞， “Energy Internet”是指關于能源系統的互聯網， 還是指能源互聯的網呢? 我認為名詞“綜合能源網”或“信息能源網”可以較好地反映問題涉及的各個組分， 見圖e。

即使由于某些原因， 沿用“能源互聯網”的中文描述， 也應默認為“綜合能源網”。而對應的英文名詞則不應該是Energy Internet， 而是Comprehensive Energy Network或Integrated Energy Networks。

五、中國電力系統可靠性的預警防御技術有哪些主要的不足?

雖然中國在電力安全性的預警防御技術上引領世界， 但至少還不能滿足下述需求。這包括充裕性問題被粗獷處理為固定比率的備用容量; 即使對于穩定性的研究也還不能真實反映上下游環節及信息可靠性對電網的影響; 缺乏對電力系統外部環節的自適應能力。應認真考慮極端災害的風險， 將停電防御范圍相應擴大， 研究其外部災害的演化過程及其機理。在科研體制中， 繼續發揮集中力量占領前沿的同時， 也應該鼓勵瞬間即逝的發散思維。

六、綜合能源系統的可靠性面臨哪些新的挑戰?

需要在大能源的層次上研究綜合能源系統的充裕性和穩定性風險。自然環境、能源環境、經濟環境、社會環境、人才環節、創新環境、基礎設施、政策與監管的擾動都會影響電力可靠性。

值得關注的方向包括： 電力系統監控與分析計及電廠與電網， 設備與系統， 博弈與機理的交互影響; 技術措施、經濟領域與管理決策的交互; 能源、經濟與環境的綜合分析與控制的交互; 兩個替代下的發、輸、用電充裕性框架模型及備用調度; 加強安全穩定性的基礎研究和大小擾動的統一穩定性理論， 自適應的穩定控制系統; 引入博弈行為的混合仿真平臺及能源發展的仿真研究。這個任務是多領域、跨學科的系統工程。

七、請簡要歸納一下您的觀點

智能電網的框架尚未完整地反映能源革命賦予電力系統的使命。在大規模的兩個替代中， 需要深化其內涵， 外延其范疇; 在能源革命的推進中， 更好地支撐環境安全和經濟安全。需要的新名詞是綜合能源網或綜合能源系統， 其概念不同于智能電網， 也有別于Internet。針對現有電力可靠性研究之不足， 大能源觀下電力系統監控與分析的概念要延伸， 信息物理融合的理念也要拓展到整個能源流。綜合能源系統的可靠性研究的重要方向是考慮能源流的上下游對電力可靠性的影響， 提高多道防線的自適應能力， 全面提升應對高風險極端事件的能力。