1 研究背景
中国是当今世界大气污染最严重的国家之一。大气污染治理是我国建设生态文明、实现绿色发展的迫切要求。电力行业是重要的减排控制源，缓解电力行业导致的大气污染具有重要的战略意义和现实意义。多年来，电力行业采取了系列措施减少排放。包括制定更加严格的火电排放标准，逐步安装、升级减排设备来改善机组排放特性，提供补贴以激励清洁能源发展等。在大气污染治理过程中，重点区域重污染天气是主要治理对象。区域空气质量与污染物排放量和扩散条件紧密相关。在逆温效应、高气压云团与低风速情况下，大气的扩散能力较差，污染物排放容易累积，并促成空气中的气态污染物(SO2，NOx)等转化为二次雾霾。从环境经济学角度看，环境问题本质上是经济与环境的权衡，环保投入存在边际效应递减，既不能完全以牺牲环境为代价发展经济，也不能过度强调环境而影响经济发展。因此，可以根据气象条件，调整电力生产方式，从而实现环境和经济的平衡。
传统的电力系统调度运行并未充分考虑各类环境因素的影响，也没有充分考虑大气污染物的形成特征以及通过电力系统调度运行保障空气质量。在高比例清洁能源接入背景下，现有运行方式主要关注清洁能源自身发电特性与系统消纳能力。因此，在新形势的要求下，迫切需要在电力系统调度运行中充分考虑其与环境系统的相互影响、相互协同关系，本文称为环境协同的电力系统调度运行，简称环境协同调度。
2 环境协同调度的内涵阐述
开展环境协同电力系统调度的三个基本条件：
1)电力行业排放量大，不同地区污染物扩散条件有差异。
2)机组污染物排放特性有差异。
3)清洁能源的运行特征、能源消纳受气象条件影响显著。
环境协同的电力系统调度运行研究的内涵可阐述为以下两个方面：一是考虑实际环境气象条件的区域分布与动态变化，在满足电力系统安全运行的刚性条件下，协调多类型污染物的排放控制目标，保障空气质量，优化电力系统的运行方式，实现电网安全、发电调度、电热联供、负荷响应、大气污染治理的协同控制;二是在电力系统调度运行中充分考虑各种环境因素的变动，从而在保障电力系统安全运行的前提下，考虑环境因素，最大限度消纳随着环境气象因素动态变化的新能源发电。
3 环境协同调度的研究进展
环境协同的电力系统调度，其核心是面向电力系统与环境的相互影响与协同关系，相关的研究工作主要包括电力系统的排放特征及其对环境的影响(主要是火电机组)，考虑污染物排放的电力系统调度运行方式，以及电力系统中的电源运行特性受环境的影响等方面。
3.1 火电机组排放特性
已有国内外文献在热能、化工、环境等学科领域对于火电机组各类污染物排放水平和减排设备进行了比较充分的研究。其关注点主要集中在火电厂内部，主要分析各类火电设备的运行工况与协调关系，并探讨脱硫、脱硝、除尘等清洁发电设备对排放的影响。上述排放特性研究是开展环境协同调度的基础。已有文献尚未从电网调度运行的角度分析考虑减排设备后火电机组整体的运行特性与调度特性，也没有研究考虑排放约束后，机组不同的排放特性对系统运行的影响。
3.2 考虑排放的电力系统调度运行
已有电力系统调度研究中主要有以下4种方式处理排放因素：
1)将排放作为约束条件，最小化运行费用。
2)将排放作为最小化目标。
3)将排放和运行费用同时作为最小化目标。
4)将排放和运行费用作为最小化目标，同时将排放量作为约束条件。
现有研究主要集中在将排放问题考虑到发电计划模型中，但对于气象环境与电力系统排放之间相互影响的关系分析不多，也没有考虑各类清洁发电设备装置之后的影响。
3.3 环境敏感型电源的运行特性
部分电源的运行特性受到外部气象环境条件的较大影响，本文称为“环境敏感型”电源，例如风电、光伏、水电的出力特性高度依赖风、光、降水等气象条件;燃气电厂则是其运行参数会受到气压、气温等因素的影响。
现有环境敏感型电源研究工作中，对风电运行特性的研究已经比较充分，对光伏的研究工作正在开展，对燃气机组运行特性的研究较少，水电受环境影响则主要体现在长时间尺度上。整体上，现有研究多集中在电源自身运行特性的分析，但没有精细化考虑气象条件对电源的影响，以及与电力系统的协同运行关系。
4 中国开展环境协同调度的实践探索
《十三五规划》纲要明确将“绿色发展”作为五大发展理念之一。国家发改委、能源局发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》也指出，要推广应用清洁低碳能源开发利用技术。为此，我国在火电厂清洁化改造、电力系统的环境友好运行等方面开展了一系列工作，为实践环境协同的电力系统调度运行工作提供了很好的基础。
5 环境协同调度的研究思路
本文在深入分析大气环境与电力系统相互作用基础上，探讨环境协同调度的潜在研究方向，具体如图1所示。
图1 环境协同的电力系统调度研究思路
6 环境协同调度的研究挑战与展望
6.1 气象条件对电力系统运行方式的影响机理
需要总结提炼影响电力系统运行方式的环境因素与运行状态;描述电源运行状态受环境影响模型;分析环境因素对发、输、配、用各环节运行方式的影响;研究各种典型综合气象条件下电力系统运行方式呈现的环境敏感程度，分析其与常态运行方式之间的差异;从而实现环境因素、气象条件与电力系统运行方式的耦合建模分析。
6.2 电力系统多维度污染物排放特性
需对各种清洁发电技术的减排特性和运行机理进行基础性研究，对其在不同运行状态下的技术特性进行抽象提炼与数学描述，并分析发电机组运行状态对清洁发电设备运行状态的影响;考虑各种清洁发电技术的综合应用，描述发电机组在氮氧化物、二氧化硫、细颗粒物、二氧化碳等多维度污染物的排放特征，并分析多维度污染物排放间相互制约、相互协调的关系。
6.3 污染物对空气质量变化的作用规律
需要研究各种污染物在不同气象条件下的扩散机理，基于大气动力学等理论构建污染物扩散模型;研究不同城市地貌、人口对排放水平的承载能力，研究适应当地经济水平、环境特点与排放结构的最佳污染标准，提炼与环境气象因素协同的电力系统运行环境约束;分析发电的不同污染物排放水平与区域分布特征对于重污染气象条件形成的贡献，以及对于空气质量指数变化的作用规律。
6.4 环境协同的多能源系统调度决策方法
需要对采用不同类型清洁发电技术的“环境敏感型”发电机组的运行模型、技术约束与排放特征函数进行抽象归纳与数学建模，将其与各种环境因素关联起来，成为电力系统调度模型的新的基本组成单元;其次，将电力系统的运行方式与不同气象条件下环境的承载能力关联起来，提炼出不同气象条件下环境的扩散能力，并将其转化为可允许排放的污染物限额，对电力系统的调度运行形成环境约束，并考虑不同污染物排放情况对于空气质量的逆向影响，从而形成一个闭环协同的环境气象-电力调度复杂系统;再次，考虑不同城市、地区环境气象条件的差异与变化情况，将热电联产机组的热力供应与电能供应同时纳为决策变量，考虑电厂、热网与居民建筑的储热能力与热量辐射惯性，协调远方电源基地、城市中心热电机组群的发电计划与输电系统的联络线送电计划。从而构建了以电网为载体，在大电网控制区内大气污染防治、环境因素耦合、电热供应协调、多发电方式协同的复杂巨型能源系统，针对该复杂系统的基础建模、调度技术与决策方法开展全面的研究工作。
6.5 环境条件对于电力系统安全稳定的影响及应对的协同调度策略
需要研究大气污染防控带来的电力系统安全稳定问题，例如由于本地发电量急剧减少所引起的电源支撑与电压稳定问题、由于关键断面远距离大功率送电所引起的小干扰与暂态稳定问题、由于运行方式频繁切换所引起的系统爬坡不足问题、由于关键线路潮流阻塞所引起的局部调频与备用不足问题、由于极端发电方式所造成的调峰能力不足与弃风(弃光)问题等。对上述问题进行建模描述，研究考虑上述稳定问题的环境协同供调度策略。
7 结语
本文分析了开展环境协同的电力系统调度运行的时代背景及其内涵，围绕污染物排放特性、考虑排放的系统运行、环境敏感型电源三个方面总结了国内外环境协同调度研究进展，阐述了中国开展环境协同调度实践，构建了环境协同调度研究思路，挖掘了环境协同调度的研究方向，指出了实施环境协同调度所面临的重大挑战与亟待解决的研究问题。
需要指出，环境协同的电力系统调度运行，其本身是一个十分复杂的问题，涉及到环境、电工、化工、热能、经济等多个学科交叉。希望本文能够为中国未来环境协同的电力系统调度运行研究提供参考。
