近年来，我国逐步形成特高压交直流混联大电网，大量电力电子装备进入电网，新能源大规模发展，电动汽车等新型负荷不断涌现……
为实现碳达峰碳中和，近年来，我国能源系统正在发生深刻的变革与转型。如何选择一条最优路径实现“双碳”目标，也成为研究的热点问题。
8月13日，在国际工程科技发展战略高端论坛暨第七届紫金论电国际学术研讨会上，中国工程院院士、国网电力科学研究院名誉院长薛禹胜指出，“双碳”目标的实现绝不是单纯的技术问题，必须建立一个从信息、物理、社会等维度协同考虑的框架，即能源的信息物理社会系统，以此系统为框架，对实现“双碳”目标与能源转型的最优路径进行持续推演。
能源转型依旧任重道远
今年夏季，欧洲和中国长江流域的反常高温天气，不仅刷新了多地的极端高温纪录，而且对人们的正常生活和工作带来巨大影响。
科学界的普遍共识是：工业革命以来，人类活动造成的额外碳排放加速了全球气候变化，而越来越频发的极端天气现象是全球气候变化的后果。
以2010年-2019年的全球碳循环为例，每年人为的化石燃料燃烧造成的碳排放(约340亿吨/年)，远远超出自然的土地生态活动形成的碳汇(约130亿吨/年)与海洋生态活动形成的碳汇(约90亿吨/年)之和。
因此，气候变化已成为当今人类面临的重大挑战，控制大气层温室气体浓度成为全球共识。
近年来，我国能源转型取得显著成绩，截至2019年底，单位GDP碳排放量相比2005年已经下降48.1%。但是，化石能源在能源结构中的比例仍然高达84.7%，排放总量依然保持增长态势。
习近平总书记宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这意味着中国作为世界上最大的发展中国家，将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和。
实现“双碳”目标，能源系统是减少碳排放的主战场。
能源系统在支撑经济社会发展的同时，也向大气层排放了大量以二氧化碳为主要代表的温室气体，后者严重制约了经济社会的可持续发展。
目前，能源系统在整个碳排放中占比约80%，而电力行业的碳排放占比超过能源行业的40%，也即约占全国碳排放总量的三分之一。因此，不难想象能源系统减排责任的重要性。
选择最优路径不能“拍脑袋”
就像远洋航行需要根据导航来不断地调整航向，实施“双碳”目标的路线图，也需要通过科学方法来及时修正。
“以现实状态为初始点，以转型的目标状态为终点。在这两点之间的时空物演化过程，就是需要优化的路径。”薛禹胜说，当经济社会发展环境发生重大变化时，都需要以当时状态为新的起始点，重新优化，就如同导航中需要根据偏航情况及时重新规划路径。
实现“双碳”目标的路径，与物理层面、信息层面及社会层面的众多因素相互作用。
薛禹胜表示，这样复杂的多领域、多时间尺度、多目标的演化路径，几乎不可能靠“拍脑袋”的方式来优化。通过计算机分析比较不同的演化路径，量化其经济代价的方式成为必然趋势。
薛禹胜所带领的团队已经在相关问题的研究中探索了近20年，2017年他将相关研究理念总结凝练为CPSSE，即能源的信息物理社会系统。
“经济安全、能源安全、环境安全等都是‘双碳’目标的应有之义，最优路径必定是协同发展，而不是片面强调某个侧面。”薛禹胜说，这个框架全面考虑了环境、技术、经济、社会、行为等因素的交互影响。
例如，当前我国大力发展风电、光伏等新能源，将更多的不确定性带入电网的规划、建设及运行。传统模型局限于电力系统内部的分析，CPSSE则把碳元素流、能源流、资金流、信息流、行为流等纳入分析研判。
2015年以来，南瑞集团一直与国家能源集团、华能集团、青海省电力公司等能源企业联合开展能源电力转型的研究，用CPSSE的理念指导能源企业制定碳达峰行动方案与碳中和目标，以及中长期能源电力发展规划。目前，薛禹胜的团队正全力攻关碳减排碳增汇路径仿真推演与协同、新型电力系统运行与规划协同、能源环境市场调控优化等关键技术，致力于为我国“双碳”目标实现与能源转型路径优化提供科技支撑。
为推动能源、电力、环境系统监测评估体系的统筹融合，进一步指导双碳变革下各类碳排放管理主体的低碳运营，2021年，在薛禹胜院士的倡议下，南瑞集团组建碳管理系统专项攻关团队。目前，已完成具有全景监视、评估诊断、态势感知、双碳规划和资产配置五大模块二十余项功能的碳管理系统(Carbon Management System，CMS)研发，攻克了跨领域信息感知与采集、多源异构数据融合分析与知识提取等关键技术，实现了面向电网企业和大型工业企业的碳管理系统现场部署试运行和示范应用。目前，正持续为区域政府、电网企业、能源集团和工业园区等不同碳管理主体提供多层次多场景解决方案，全面赋能不同碳管理主体，提升其双碳变革过程中碳足迹的可观、可测和可控水平。(科技日报记者 张晔)
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