褚 燕，庄 峻

(1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.锐珂(上海)医疗器材有限公司，上海 201206)

基于自组织理论的我国智能电网可持续发展路径研究

褚 燕1，庄 峻2

(1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.锐珂(上海)医疗器材有限公司，上海 201206)

基于自组织理论，构建我国智能电网的产业生态系统，并分析设计了基于功能区域划分的智能电网可持续发展路径选择模式，进而对我国智能电网提出了区域性可持续发展建议。

自组织理论；智能电网；产业生态系统；可持续发展

区域经济社会发展差异大，能源资源分布很不平衡，人均资源少，产业结构、消费结构、经济增长模式及电源电网发展状况等都有着自身的阶段性特点。我国能源工业要实现可持续发展，可通过智能电网建设来转变电网发展方式，进而促进能源开发、输送和利用方式的转变，以缓解我国日益突出的能源安全、效率与环境问题。

我国发展智能电网的驱动主要来自电力需求呈快速增长态势、电力用户对供电可靠性、电能质量及多元化服务的要求越来越高、可再生清洁能源开发力度不断加大、整体网架结构相对薄弱，配电网自动化水平较低、以及电力行业自身可持续发展的需要。智能电网的发展，促进电网输电效率和电能终端使用效率的提高，带动水电、风能及太阳能等清洁能源规模化开发利用，据估算，到2020年，可减排CO213.8亿t，节约标煤4.7亿t[8]。 此外，智能电网建设在拉动我国经济增长和劳动就业也发挥着重大作用。

智能电网是实施新的能源战略和优化能源资源配置的重要平台，提高能源利用效率，可实现清洁能源的大规模接入与利用，确保安全、可靠、优质的电力供应。因而，在考虑我国智能电网可持续发展路径选择上，将基于区域自然资源和能源资源禀赋，发挥区域比较优势，因地制宜地促进智能电网的可持续发展。

1 自组织理论与可持续发展

自组织理论作为一种系统理论，其全新的理论体系和思维方法为人与环境问题的分析解决提供了研究框架，其主要研究对象是复杂自组织系统的形成和发展机制问题，比如生命系统和社会系统，研究这些系统在一定条件下，如何自动地从无序走向有序，从低级有序走向高级有序。

产业生态系统是一类自组织系统，具有多样性、开放性和要素之间非线性关系等特征。自组织系统形成必须满足三个条件：必须有三个以上的系统组成要素、要素之间呈非线性关系和系统具有开放性。因为自组织理论认为，复杂非均衡开放系统，与外界进行能量、信息和物质交换过程中，有可能通过众多的系统基本组成要素之间的相互作用，在系统层次上自发形成高级的有序结构。高级有序结构的形成是由系统内部固有的特性和相互作用关系来决定的，不是由外在的设计所决定。因而，这种系统自组织演化的动力来源于系统内部各个子系统之间的竞争和协同，而不是外部指令。

产业生态系统达到自组织运作状态或总体趋势时，系统就达到了可持续发展。系统要素相互作用形成动态平衡态势决定了自组织系统能否有序演化[1]。单独的经济发展或社会发展或生态持续都不是可持续发展，可持续发展是社会、经济与自然的协调发展，其本质就是建立人与环境之间呈动态平衡态势上的发展。产业生态系统呈多样性特征，其是由自然、社会、经济等多因素组成的复合系统，这些因素之间既相互联系又相互独立，既相互支持又相互制约，既相互作用又共同变化。产业生态系统的要素之间关系呈非线性特征，产业生态系统内自然、社会、经济三个子系统的非线性关系组成为耗散结构，此外，由于该系统的开放性，作为负熵如资金、先进的管理思想方法等引入系统，子系统之间通过系统内的非线性关系发生协同作用，相互促进，相互配合，系统不断从无序变为有序，从低级有序变为高级有序，使得系统具有来各子系统不具有的新功能，子系统间达到和谐一致的自组织状态，产业生态系统进化到新的动态平衡，系统就达到了可持续发展状态。

2 基于自组织理论的智能电网产业生态系统构建

产业生态系统是各类产业组织之间、产业组织与其外部环境之间通过相互作用、相互影响而形成的相互依存的动态平衡系统。产业生态系统是具有一定结构和功能的有序体系，是不断演进的动态平衡系统，是具有自我调节机制的开放系统[2,3]。政府、电网公司、发电企业、终端用户、装备和服务供应商、协会和科研支持机构以及金融机构等利益相关方共同组成了我国智能电网产业的生态系统。

针对我国智能电网“政府主导，电网公司、发电企业、终端用户作为实施核心，科研机构、设备与服务提供商、金融机构作为发展支撑”的产业格局，和新型清洁能源、储能、电动汽车构建基于智能电网的良好产业生态系统，实现智能电网可持续发展。各利益相关方以智能电网为纽带组成了一个完整的产业生态系统，该系统具有明显的共生关系(见图1)，其中政府、发电企业、电网企业和终端用户处于主导地位，其对智能电网的态度与行动直接关系到智能电网能否顺利推进，装备和服务供应商、协会和科研机构和金融机构处于辅助地位，其可替代性和竞争性较强，但他们对智能电网的推进速度和发展质量具有一定影响。智能电网的可持续发展要求照顾到各方的利益，否则任何一方持消极态度都将阻碍智能电网顺利发展。

图1 智能电网产业生态系统

在我国智能电网产业生态系统中，政府处于核心支配地位，也是智能电网发展最大的受益者，须设计良好的生态系统运行机制和利益分配机制，既能促进智能电网的可持续发展，又能实现智能电网利益相关方的共赢，从而强化产业吸引力，形成集聚效应有助于其多项执政目标的实现；电网公司和发电企业是智能电网的实施主体，对于处于自然垄断地位的电网公司，应加强规划引导和行政监管，使智能电网建设想着全社会利益最大化的方向发展，而对于有限竞争的发电企业，应通过行政与市场相结合的手段，激发其开发利用新型清洁能源的积极性；但智能电网发展对其经济利益的实现影响不明朗；终端用户是智能电网的较大受益者，应加强节能和智能用电宣传，加深用户对智能电网便利性和经济性的了解，扩大终端市场对智能电网的需求，进而由智能电网实现智能用电、深度参与电网互动和节约电费支出；装备和服务供应商、协会和科研机构、金融机构均属智能电网的支撑服务部门，其均可从智能电网发展中获益，应在补贴支持的基础上，充分引入竞争，提高支撑服务市场运行效率和成果产出水平，但这只是其收益的一部分，对其整体经营格局影响有限。智能电网的可持续发展有利于智能电网产业生态系统的发展壮大，也有利于各利益相关方的利益实现。

3 基于功能区域划分的我国智能电网可持续发展路径选择模式设计

3.1 我国能源功能区划分

基于能源功能区分类依据[4-6]，综合考虑社会经济发展、环境制约、能源资源、消费行为和用能技术和等多约束要素，设计基于能源功能区的智能电网路径选择模式。基于能源数量和流动情况，考虑经济、社会、环境和技术等要素条件，可把我国划分为以下五大区域。

第Ⅰ区为能源强输入区。主要包括京津冀、长三角地区、福建、珠三角地区(广东省)、广西、海南和湖北，集中分布于我国东部地区。

第Ⅱ区为能源基础输入区。包括湖南和江西(中部)、山东和辽宁省(东部)，主要分布于我国中部和东部地区。

第Ⅲ区为能源供需平衡区。主要包括安徽和河南(中部)、贵州和甘肃(西部)，主要分布于我国中、西部地区。

第Ⅳ区为能源基础保障区。主要包括重庆和云南(西南)、内蒙古和天津(华北)、青海与宁夏(西北)，主要分布于我国西南、华北和西北地区。

第Ⅴ区为能源强保障区。主要包括四川省(西南)、黑龙江和吉林(东北)，山西省(华北)，新疆和陕西省(西北)，集中分布于我国西南地区和“三北”地带。

持续到21世纪中叶，电能消费仍集中分布于中国东部沿海经济发达地区，电能对外依存度最高的区域也集中分布在该地区。而电能供给则集中分布在东北、华北与西北区，而电能对外依存度最小的省份也主要分布于此。

3.2 我国智能电网可持续发展路径选择模式

(1)能源强输入区须注重电力能源结构优化与多元化

能源强输入区以北京、天津、江苏、上海、浙江、福建、广东为代表，主要位于我国东部沿海地区，区位优势显著。由于能源强输入区承担着率先发展、辐射全国的重任，在我国经济中占据主导地位，因而，保障该区域能源可持续发展是维持我国经济稳健发展的基本前提。在该区里，煤炭资源储量十分匮乏，但是新能源与可再生能源却较为丰富，例如福建、江苏、浙江、广东与广西五省位于沿海风能与太阳能丰富带，且为中国核电重点布局区，且湖北省拥有十分丰富的水能资源；湖北、江苏、广东和广西拥有较为丰富的可供利用的废水与垃圾等非粮生物质资源。

属于能源强输入区的地区，着力构建可持续发展的智能电网时，需立足于本地优势电力能源资源和区位优势，服务于该区社会经济发展长远需求，要充分利用区外来电，加大本地新能源开发，加强智能电网关键技术研发和用电侧智能化建设。其一，充分发挥本区资本与技术优势，积极挖掘本地优势电力能源资源潜力，最大程度地优化电源结构，不断提升新能源发电比重，大力开发与利用风电、太阳能、核电等新能源和非粮生物质能等与可再生能源，增强本地电力自我保障供应能力；其二，充分利用中西部能源资源，加强建设“西气东输”和“西电东送”等通道，，加大用于电力调峰和应急备用电源的天然气分布式电源和储能系统建设，实现国内能源资源的优化配置；其三，由于本区聚集各类高端人才，充分利用本区的人才优势，聚焦新能源服务产业，着力建设智能电网关键技术、装备制造的研发基地；最后，本区的城镇化水平50%以上，高于全国水平，且居民生活水平较高，互联网普及度高，在大力推广用户侧智能表计的基础上，加强智能用电建设和需求侧响应技术的应用，推动支撑电动汽车发展的电网技术，加强相应的示范工程建设。

(2)能源基础输入区属于次强输入区，须关注电力能源结构多元化和本地化发展

根能源资源禀赋状况特，能源基础输入区主要分布于我国胶东半岛、辽东半岛环渤海湾地区及长江中游地区，拥有较丰富的可再生能源、新能源与非可再生能源。例如山东与辽宁有较为丰富的煤炭和油气资源，太阳能、风能及非粮生物质能也较为丰富，辽宁有着较丰富的水能资源，山东却较为缺乏，两省且均有核电布局；湖南和江西拥有较丰富的水能、太阳能及非粮生物质能资源，较缺乏非可再生能源，不适宜开发风能资源。因而，该区的主要任务是实现电力能源资源的本地化和结构多元化。

在能源输入区域，为实现东北与华北地区能源资源的优化配置，应加强建设能源管网与通道，促进华北与东北能源资源向本区域的有效流动；如果本地区具有较丰富的可再生能源与新能源、可再生能源，应积极开发具有比较优势的太阳能、风能及非粮生物质能。此外，充分利用液化天然气进口的有利区位，建设作为常规电源的满足本地用电需求的燃气电厂，鼓励建设发展大规模储能系统，在实现满足本地电力需求自我供给的基础上，逐步构建外向型电力供应体系。在能源输入区域，如果本地区仅拥有较丰富的可再生能源，走本地化发展是保障该地区电能供应安全的关键，应着力于本地能源资源优势，大力开发具有比较优势的水电、太阳能和非粮生物质能，促进间歇式能源并网，发展大规模储能系统，增强本地区电力供应安全，从而增强本地区电能可持续性。

(3)能源供需平衡区属于电力能源自给自足区域，须关注电力能源替代与结构优化

能源供需平衡区分布于我国内陆，由于该区拥有较为丰富的可再生能源和非可再生能源，基本上能实现电力供需上自给自足，因而，该区电力能源的可持续发展核心在于优化电源结构，大力发展可再生能源和新能源发电，不断提升清洁能源及可再生能源发电对火力发电的替代力度。

处于能源供需平衡区的地区的城镇化率低于40%，城镇化水平较低，经济发展和居民生活质量水平较低。随着该区域经济发展，必然会带来用电量的大幅提升。因而，实现该区能源可持续发展的核心是促进可再生能源与新能源发电替代火力发电，不断优化电源结构，以解决电力能源可持续发展可能导致的能源生产与消费过程中的环境问题，保持该区域电力供应自给自足。根据所拥有的能源资源禀赋特点，处于本地区的省份需选择依托具有比较优势的太阳能、水能及非粮生物质能资源，加大可再生能源对煤炭非可再生能源的替代力度，大力发展太阳能热利用、光电、水电等，不断优化电源结构，实现大规模间歇式风能并网，发展大规模储能系统，努力建设大型风电基地或大型光伏发电基地，在保障电力供应能力的基础上，不断提升电力供应质量。

(4)能源基本保障区属于电力能源次强输出区，作为区域电能安全缓冲区

能源基本保障区在我国电力能源供应体系中属电力能源资源次强输出区，其电力能源供给存在大量盈余，作为周边区域电能的安全缓冲区。

能源基本保障区拥有较丰富的可再生能源或非可再生能源资源，挖掘所在该区的各省具有比较优势的电力能源资源潜力，煤炭比较丰富的地区，不断提高火力发电的电煤转化效率，提高最大发电利用小时数，同时加强天然气或水电的发电比例，提升新能源发电比重，如在内蒙古、青海和宁夏太阳能与风能资源十分丰富的地方，加强建设发展大型风电基地或大型光伏发电基地。因而，当前该区域需加强电力传输通道与管网建设力度，畅通该区电能外输渠道，促进该区电能资源在周边区域范围内有效配置，更好地服务于周边区域电力需求。

(5)能源强保障区作为电能安全保障区，属于电能强输出区

能源强保障区属于电能净输出区，且电能外输幅度最大，集中分布于我国“三北”和西南地区。该区作为国家电力能源基地和电力能源安全保障区。

能源强保障区是我国非可再生能源与可再生能源的大型供应基地，拥有十分丰富的新能源、非可再生能源和可再生能源资源。首先，积极开发水电、火电、光电，风电、因为该区拥有具有绝对优势的水能、煤炭、太阳能、风能以及非粮生物质能源资源，等。如山西、陕西和新疆的煤炭资源均极为丰富，四川次之。其次，进一步挖掘非可再生能源资源潜力的同时，大力发展可再生能源发电并网，大力发展大规模储能系统，不断优化电力能源供应结构，实现非可再生能源与可再生能源的有序结合，提高本地新能源或可再生能源电能质量，快速增强本区域新能源或可再生能源电力对外输送能力。在油气方面，四川、新疆和陕西有着丰富的天然气资源，黑龙江和吉林次之，均具有可用于发电的水能、太阳能和非粮生物质能资源均较丰富，且除四川之外，五省风能资源也十分丰富。第三，立足于更好地服务于我国电力能源的长远需求，保证国家电力能源安全，该区应加强建设电力输出管网与通道，发挥本地能源资源潜力，促进“三北”与西南的电力能源资源和电能资源向中、东部的有效流动，实现“三北”和西南地区电力能源资源和电能资源在我国各区域间的优化配置。

4 我国智能电网区域性可持续发展建议

我国智能电网的可持续发展必须充分考虑我国的区域差异性和各利益相关方的利益实现，致力于建立良好的产业生态环境。结合上述基于能源功能区的智能电网路径选择模式，对我国智能电网提出区域性可持续发展建议。

(1)能源强输入区

能源强输入区经济发展水平较高，用电量大，但本区发电量较低，相当一部分电力需求需要区外输入支持。此类地区的智能电网可持续发展应侧重输配侧和用电侧，并利用本地区的人才、技术和资金优势，开展智能电网关键技术与设备研发，依托智能电网充分开发本地清洁能源，实现能源资源的本地化和来源的多元化。

(2)能源基础输入区

能源基础输入区经济相对发达，用电量大，本区传统化石能源和新型清洁能源储量中等，在用电高峰期部分电力负荷需要区外支持。此类地区的智能电网可持续发展应侧重输配侧和用电侧，并充分挖掘本地新型清洁能源发电潜力，实现能源来源的多元化与能源供应的本地化。

(3)能源供需平衡区

能源供需平衡区能源资源比较丰富，经济欠发达，用电量较低，电力供需基本可以达到区内平衡，但是本地区人口众多，经济发展潜力大，随着区域经济发展，电力需求有望大幅提升。此类地区的智能电网可持续发展应侧重输配侧和电网结构优化，并不断提升可再生能源对非可再生能源的替代力度，为今后用电需求提升做好准备。

(4)能源基础保障区

能源基础保障区的主要职责和功能是作为周边区域电能的安全缓冲区，此类地区的智能电网可持续发展应侧重输电智能和新型清洁能源开发利用，为我国能源资源的大范围调配提供通道保障。

(5)能源强保障区

能源强保障区能源资源十分丰富，其首要职责和功能是作为国家电力能源基地和电力能源安全保障区属于电能净输出区，且电能外输幅度最大，此类地区的智能电网可持续发展应侧重发电智能和新型清洁能源大规模利用，保障我国现在及未来的能源安全。

5 结语

智能电网的可持续发展作为影响能源体系重塑的重要问题之一，可持续发展路径是实现智能电网发展的重要途径，良好的生态系统运行机制和利益分配机制，既能促进智能电网的可持续发展，又能实现智能电网利益相关方的共赢，从而强化产业吸引力，形成集聚效应，对提高智能电网的可持续性发展具有重要意义。

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(本文编辑：杨林青)

Research on Smart Grid Sustainable Development Path in China Based on Self-Organization Theory

CHU Yan1, ZHUANG Jun2

(1.State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China; 2. Reike (Shanghai) Medical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Based on self-organization theory, this paper constructs the industrial ecosystem of the smart grid in China, analyzes and designs the smart grid sustainable development route choice model based on division of function regions, and then puts forward suggestions on the regional sustainable development of smart grid in China.

self-organization theory; smart grid; industrial ecosystem; sustainable development

10.11973/dlyny201606011

褚 燕(1976)，女，博士，研究方向为电力经济、电价研究、管理决策等。

TM76

A

2095-1256(2016)06-0716-05

2016-08-31