摘要
构建以新能源为主体的新型电力系统，是实现“双碳”战略目标的关键路径。“十四五”以来，中国电力系统在电源结构、电网形态和技术基础等方面正经历深刻变革，提升新形势下电力供需协同能力迫在眉睫。面向新型电力系统，定义供需协同的基本概念与内涵并系统梳理亟须提升供需协同能力的典型场景；分别从政策、市场、技术等方面，深入剖析影响供需协同的全要素影响因素与内在作用机理；从空间、时间、资源、形态等多重视角深入解构与认知，创新性构建全要素供需协同理论框架模型，旨在为新型电力系统的创新升级提供坚实的理论支撑，助力其高质量发展蓝图的有效绘制。
（文章来源 微信公众号：中国电力 作者：）
01
供需协同理论框架研究现状
在供需协同的概念和理论方面，目前国内外学者基于系统动力学（system dynamics，SD）等方法已有一些初步研究。文献[10]深入分析了区域电力供需系统结构及演化特性，评估中国电力供需系统发展状态与水平，构建SD模型以实现区域电力供需系统的演化仿真分析。文献[11]在供需协同的约束下，深入分析了制约新能源消纳能力的电力电量平衡、安全稳定约束和电能质量等关键因素。文献[12]提出了碳中和赋予能源供需双侧协同发展新内涵，从市场机制、政策体系等5个维度探究协同与耦合机理。
在对供需协同的认知与应用方面，文献[13]通过研究配电网供需双侧灵活性资源的协同规划策略，实现了对可再生能源高波动性的互补，提高了配电网灵活性和抗干扰能力。文献[14-15]提出灵活性供需平衡的关键是协调各类差异化资源，高效经济地匹配系统灵活性供给和需求。
在新型电力系统供需协同的模式方面，文献[16-19]从运营商、用户及双方视角，建立了基于博弈的微电网供需协同调度模式，优化了微电网供需协同问题中供电方与用户的互动问题。文献[20-21]构建了孤岛微电网供需侧能源管理的双层框架，通过消费者优化用电和发电侧经济调度，在满足电力系统运行约束下实现用户电费最小化。
在供需协同全要素分析方面，就分析视角而言，文献[22]对新型电力系统中供给侧和需求侧的灵活性资源（储能、可中断负荷等）进行分析与综合评价；文献[23]从智能电网的信息化、自动化和互动化三大特征出发，对电网供需侧各个环节进行智能化评价；文献[24-25]从电力系统与新能源协调发展的视角，深入分析电力系统与新能源之间的协调关系。就分析方法而言，文献[26-30]系列研究采用相关性分析法、显著性检验法等传统统计分析方法，以及决策树、随机森林、支持向量机等机器学习算法，系统分类构建模型，深入剖析各要素间的影响关系；文献[31]采用解释结构模型分析了电力需求各影响之间的结构层次关系，分析了低碳经济环境下影响电力需求变化的表层原因、浅层原因和深层原因。
此外，电碳耦合的深入发展，不仅为新型电力系统的迭代升级提供了核心驱动力，更在“双碳”目标背景下，为系统模式下的电力供需协同发展揭示了新方向。文献[34-38]研究探讨了电力供需互动的发展路径与关键技术，并分析了能源结构调整、电力市场改革及智能电网建设等关键支撑要素。表1梳理并对比了供需协同理论框架研究的现状。
表1 供需协同理论框架研究现状
Table 1 Current status of research on the theoretical framework for supply-demand synergy
综上所述，现有研究对于新型电力系统下的供需协同理论缺乏系统的全面认知，尚不能够从全要素视角出发，深入分析供需协同理论并构建相应理论框架。因此，目前亟须从供需协同的视角提出新型电力系统的理论框架，建立全要素供需协同理论模型。本文首先提出以供需协同为基础的新型电力系统五大特征理论框架，并分析亟须提升供需协同能力的典型场景；然后考虑政策、市场、技术等要素，分析影响供需协同的多维因素与机理；最后从多维度进行系统分析，研究供需协同理论基础，从空间、时间、资源、形态等多视角提出供需协同理论框架模型。
02
供需协同基本概念
2.1 新型电力系统基本特征
新型电力系统具备“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能”五大特征。其中清洁低碳是中国经济社会绿色转型、实现“双碳”目标的首要要求；安全充裕包括发电用能资源供给安全、电力系统运行安全、电源发电能力充足、电网配置能力充足等；经济高效体现在市场与治理维度，通过建立体现新型价值体系的新型电力市场，发挥市场对资源配置的决定性作用，减少机制性成本；供需协同体现在运行逻辑维度，随着新能源发电在电力系统占比（装机、电量）增高，电力供给侧与电力需求侧需要紧密协同，通过科学合理利用储能装置和挖掘需求侧调节潜力，形成源网荷储一体化运行新模式；灵活智能体现在技术手段维度，应对电源出力特性愈发复杂、不确定性明显等情况，数字化调控技术将使电网更加灵活可控，可实现新能源灵活、安全、高效广泛接入电网，以及分布式新能源高效就地消纳。新型电力系统未来的主要形态如图1所示，发电侧主要通过火电厂、水电厂、核电厂以及大型集中式新能源电站提供上网电量，配电侧包含各类型负荷与灵活性资源，如工厂园区、居民区、数据中心、电动汽车充电桩与储能设备，同时大量的屋顶光伏、分布式风电、光伏设备在配电侧广泛分布。此外，大量具有分布式新能源、储能设备以及工厂、用户负荷的园区微网接入电网，共同构成新型电力系统的未来形态。
图1 未来新型电力系统形态
Fig.1 New-type power system forms for the future
2.2 供需协同的内涵
从新型电力系统五大特征关系来看，供需协同是新型电力系统绿色、安全、经济运行的核心手段。从供应端的视角来分析，新能源占比持续提升，且具有间歇性与波动性，通过供需协同的手段可以促使传统能源与新能源相互配合，在新能源出力不稳时及时补位，保障电力稳定供应。从需求端的视角来分析，基于分时电价、需求响应、有序用电等机制，依托可调节负荷、分布式储能、电动汽车等灵活性资源，引导用户根据系统状态动态调整用电行为，如前置高峰负荷（负荷前移）、削减峰值需求、促进供需实时互动，从而提升系统稳定性。此外，通过供需协同手段能够提高能源利用效率、优化发电调度、促进新能源消纳，同时用户能效管理和分布式能源发展也有助于提升综合效率，推动新型电力系统向绿色低碳方向发展，实现可持续的能源转型。
新型电力系统的供需协同是通过源网荷储多类资源的协同运作以应对供应侧和需求侧巨大的波动性和不确定性，实现特定时间尺度和空间范围的电力电量动态平衡。其中从电源跟踪负荷的单向模式变成源-网-荷-储互动方式，是传统电力平衡扩展到新型电力系统供需协同的关键差别。供需协同能力反映的是系统应对供需两侧波动性和不确定性大小的能力，系统供需两侧的波动性和不确定性可以转化为系统运行的潜在场景空间，如果系统能够实现电力电量平衡的场景空间越大，则系统的供需协同能力就越强。
综上所述，新型电力系统理论框架如图2所示，供需协同即为供应端与需求端通过“互动”与“调控”双向作用，在经济社会系统与气候环境系统的框架下，基于新型电力系统“源-网-荷-储”多维协同架构与多时空尺度动态特性，实现电力电量动态平衡、新能源高效消纳与能源系统绿色低碳转型，推动电力平衡与系统高效运行。
图2 新型电力系统理论框架
Fig.2 Theoretical framework for new-type power systems
以新型电力系统五大特征为基础支撑，从微观角度出发，聚焦电力系统运行状态、区域可再生能源结构、能碳市场发展空间、新型电力供应链、产业链上下游技术迭代等。从宏观角度结合国内外政治经济形势、中国式现代化建设进程、政策经济要素、新技术迭代空间等，都对新型供需协同模式有着深远影响。整合新型电力系统下的供需协同体系需要全局考虑，既要有宏观引领，也要有具体模型，才能实现供需协同的全要素分析和全方位协同。因此在新型电力系统五大特征中，建立以供需协同为基础和底座，以政策、市场、技术、社会、气候为影响要素，以灵活智能为新型电力系统技术体系的显著特征，通过灵活智能的手段和支撑作用，实现安全充裕、清洁低碳和经济高效的运行目标的理论框架，通过三角锥的立体结构展示供需协同在新型电力系统五大特征中的关键地位，如图3所示。
图3 新型电力系统五大特征关系框架
Fig.3 A relational framework for the five features of new-type power system
2.3 亟须提升供需协同能力的典型场景
从新型电力系统供需协同未来发展的角度出发，供应端与需求端在互动响应与动态平衡的过程中，需要面对负荷高峰电力资源顶峰能力不足、新能源消纳能力不足、极端天气影响下调节能力不足的典型场景，梳理以下亟须提升供需协同能力典型场景，为后续研究提供参考与引导。
1）场景一：负荷高峰电力资源顶峰能力不足。
随着全社会电力需求快速增长、用电负荷逐年攀升，夏、冬季负荷高峰时段，各类电源顶峰出力及用户需求侧响应等供需协同能力对电网电力保供具有较大影响。
以中国东部某受端省级电网为例，该省电力需求持续快速增长，连续7年负荷破亿千瓦且多次刷新用电负荷纪录。然而，在新能源发展建设阶段，其总量有限且随机性强的现状导致其支撑能力相对薄弱，尤其在负荷高峰时段，新能源电力电量占比较低，难以满足用电需求。同时，区外来电虽然在一定程度上缓解了供电压力，但调节空间有限，且对省间电力交易及直流快速应急响应能力提出了更高要求。因此，亟须通过提升需求侧响应能力、加强调节性资源建设等措施提升供需协同能力。
2）场景二：新能源消纳能力不足。
随着高比例新能源的接入，电力系统在大规模承载风力发电和光伏发电方面面临严峻挑战。以中国东部某省级电网为例，分布式光伏的快速增长导致净负荷峰谷差逐年扩大，春秋季“鸭子曲线”特征逐渐凸显，给新能源消纳带来极大困难。此外，储能、抽蓄等灵活性调节资源的不足也加剧了系统调峰矛盾。因此，必须通过供需协同能力提升来有效解决资源利用及优化配置问题，加强新能源配套灵活调节能力规划建设、完善市场化机制引导用户主动参与“削峰填谷”，以保障清洁能源可靠消纳。
3）场景三：极端气象影响下调节能力与韧性不足。
近年来，随着气候变化的加剧，极端天气现象如高温、干旱、暴雨、台风等事件频发，对电力系统的稳定运行构成了严重威胁。台风等强对流天气易导致风力发电机组大规模脱网运行，覆冰、暴雪等天气加剧线路故障及倒塔风险，影响电力供应及输送；“极热无风”与“极寒无光”等现象则可能导致用电负荷大幅攀升，但可再生能源出力匮乏，系统供需平衡能力与保供能力面临极大考验。而当前尚未完全建立起完善的气象预测预警系统以及电网响应机制，电力生产组织难度增加，亟须通过强化提升供需协同能力，以应对极端天气下的供需平衡挑战。
03
供需协同全要素影响因素及机理
随着双碳目标逼近，新型电力系统供需转型迫在眉睫，需求与供给之间往往是平衡演化为不平衡、再演化为平衡的过程。新型电力系统以新能源出力为主，随着大量风光电源的快速渗透，源、荷两侧的气候敏感性和脆弱性特征逐渐显现。基于解释结构模型（interpretive structure modeling，ISM）分析电力系统供需协同影响因素，研究包括政策、市场、技术等维度对新型电力系统的影响机理，如图4所示。
图4 供需协同能力影响因素层级
Fig.4 Supply-demand synergy capability influencing factors hierarchy
解释结构模型（ISM）是一种用于分析复杂系统内部变量之间相互关系和影响的系统工程方法。在电力系统的供需协同分析中，通过确定影响电力系统供需协同的关键因素并构建解释结构模型，可将供需协同影响因素进行分类和层级化，以揭示彼此之间的直接和间接关系，如图5所示，可清晰地分析各因素对电力系统供需协同的影响机理。
图5 供需协同影响因素及机理
Fig.5 Influencing factors and mechanisms of supply-demand synergy
3.1 政策视角
电价政策：电价政策的设计对负荷侧的灵活调节能力能够产生巨大影响，同时基于经济学原理与电力系统特性可以实现电力供需双侧的精细调控。例如，分时电价政策是通过不同时段电价信号的差异化设置，引导用户发起基于经济激励的用电模式自发调整，从而有效平滑负荷曲线，提升电力系统的灵活性和稳定性。
需求响应激励政策：通过设置需求响应激励措施能够引导用户在特定时段减少或转移用电负荷，用户在接收到需求响应信号后，可以调整用电设备的运行时间或强度，从而减少高峰时段的电力消耗，进而实现削峰（在高峰时段减少用电）和填谷（在低谷时段增加用电），使得电力系统可以更好地应对负荷波动。
环境保护政策：环境保护政策主要体现为通过政策鼓励可再生能源的开发和利用，如风能、太阳能等，通过提供财政补贴、税收减免等激励措施，能够降低可再生能源项目的投资成本，提高其市场竞争力，减少对环境的破坏与化石燃料的依赖，从而降低二氧化碳排放量，进而提高电力系统的多样性和灵活性，增强其供需协同与互动能力。
图6具体展示了政策视角下电价政策、需求响应激励政策与环境保护政策影响供需协同能力的各项因素。
图6 供需协同政策影响因素机理分析
Fig.6 Mechanism analysis of supply-demand synergy influencing factor: policy
3.2 市场视角
市场机制：市场机制在促进柔性负荷调节方面起到关键作用，能够有效调节电力供需关系，促进资源的优化配置，通过现货市场和中长期合同，发电企业和用户可以根据自身需求和预期目标进行电力买卖，实现供需双方利益最大化。
电力交易：电力交易的灵活性直接影响用户侧与负荷侧的调节能力，在高度灵活的电力市场中，电价和电力供应能够迅速响应需求变化，从而使用户根据市场信号优化用电行为。多样化的电力交易资源（如需求响应、储能技术、抽水蓄能系统、虚拟电厂等）能够在不同的时间尺度上提供向上和向下的灵活调节能力，以应对可再生能源接入带来的波动性与不确定性。实现上述灵活性需要完善健全的市场规则和实时透明的信息流动，以确保用户与供应商能够快速适应市场动态变化，从而实现供需平衡和资源的高效利用。
竞争环境：市场良好的竞争环境能够大幅促进电力资源优化配置，使得电力资源能够更有效地流向需求最迫切的用户，减少资源浪费，促进供需协同。此外，市场竞争环境下电力价格能够更真实反映供需关系的变化，实时电价和峰谷电价制度的实施，使得电价能够根据电力需求的变化进行动态调整。
图7具体展示了市场视角下市场机制、电力交易与竞争环境影响供需协同能力的各项因素。
图7 供需协同市场影响因素机理分析
Fig.7 Mechanism analysis of supply-demand synergy influencing factor: market
3.3 技术视角
物联网技术：通过自动化控制，能够实现基于物联网技术的家庭和商业用电设备的智能管理，根据用户习惯和电价信号自动调节运行模式，从而优化用电时间和模式。此外，通过嵌入式传感器和先进的数据分析技术对用电情况进行实时监测，并在电价信号较低或需求响应触发信号激励的情况下，自动调整自身运行状态，增强负荷侧灵活性调节的响应能力，从而提高整体电力系统的供需匹配程度和运行效率。
电动汽车V2G技术：电动汽车作为负荷侧灵活可调资源能够通过智能充电与放电管理参与电网调节，在电力需求低谷时段，电动汽车通过充电行为存储多余电力；在需求高峰时段，通过车联网技术（V2G），电动汽车可以将电能反馈给电网，促进电力供需平衡。
储能技术：高效储能系统能够快速响应电网需求变化，提供瞬时的电力支持，避免电力短缺或过载，在电力需求低谷时储存电能，并在需求高峰时释放电能，能够平衡电力供需，应对可再生能源波动，进而提高电力系统的灵活性与稳定性。
图8具体展示了技术视角下物联网技术、电动汽车V2G技术与储能技术影响供需协同能力的各项因素。
图8 供需协同技术影响因素机理分析
Fig.8 Mechanism analysis of supply-demand synergy influencing factor: technology
3.4 社会视角
用户节能意识：用户节能意识能够直接影响柔性负荷调节裕度与系统供需协同能力。提高用户对节能措施和需求响应的理解和参与度，可有效增强负荷侧调节能力。用户在知悉电力价格波动和需求响应机制后，更愿意在高峰时段减少用电和在低谷时段使用电力，该行为转变需要长期的政策宣传普及和信息实时透明，确保用户能够充分理解并响应电力市场信号。
社会经济发展：资金投入、市场需求等社会经济发展要素影响到电力供应能力，充足的资金投入能够支持电力基础设施的扩建和维护，推进新技术的研发和应用；市场需求的变化也会影响电力公司的生产计划和供应策略，高需求时期增加生产和储备，低需求时期则减少生产，从而将充足的资金投入支持电力基础设施建设和技术研发。
用户参与意愿：用户参与需求响应可以显著优化电力系统的负荷管理。在高峰时段，用户通过减少非必要的用电，如关闭空调、延迟使用部分电器等，可以有效减轻电网的负荷压力；在低谷时段，用户通过增加用电，如电动汽车充电、启动热水器等，可以充分利用富余的电力资源。用户参与需求响应有助于实现电力供需的动态平衡，提高电力系统的整体运行效率和可靠性。
图9展示了社会视角下用户节能意识、社会经济发展与用户参与意愿影响供需协同能力的各项因素。
图9 供需协同社会影响因素机理分析
Fig.9 Mechanism analysis of supply-demand synergy influencing factor: society
3.5 气候视角
季节性气温变化：夏季典型高温大幅推升制冷负荷形成用电尖峰；冬季典型低温则显著增加取暖负荷。同时，夏季高温直接降低光伏组件发电效率，并限制火电、燃气轮机及输电线路最大出力；冬季低温可能影响部分发电设备运行或燃料供应。因此，气温季节性波动通过塑造显著的夏冬负荷峰谷差，并在峰值时段抑制关键电源顶峰能力，增加了维持电力平衡的难度，对系统灵活调节能力和备用容量提出更高要求。
水文气候波动：水电出力高度依赖流域降水、融雪/冰川和水库蓄水状况，干旱场景将导致径流减少、库容不足，显著削弱水电可调出力和年发电量；极端强降水虽然短期增水，但常引发洪水被迫弃水或损毁设施，同样削减有效发电。上述情形下水电出力下降直接造成基荷电力与灵活调节能力双重损失，迫使系统更大程度依赖波动性强（风光）或成本高（火电/储能）的电源进行替补，提高系统成本和碳排放。因此，水文气候波动通过削弱水电的支撑作用，严重制约新型电力系统的运行灵活性。
极端天气强度：台风、洪涝、极端高温/低温等极端天气对新型电力系统供需平衡构成严峻挑战。在供给侧，台风、洪涝极端场景直接物理损毁电力基础设施，导致出力骤降；在需求侧，极端高温/低温场景导致尖峰负荷剧增且变化剧烈。上述情形极易瞬间造成巨大电力缺口，进而引发电网崩溃，严重威胁新型电力系统供需平衡。
图10展示了气候视角下季节性气温变化、水文气候波动与极端天气强度影响供需协同能力的各项因素。
图10 供需协同气候影响因素机理分析
Fig.10 Mechanism analysis of supply-demand synergy influencing factor: climate
综上所述，政策、市场、技术、社会和气候各因素相互作用、共同影响电力系统供需协同能力。政策因素直接影响市场的运作方式，并通过促进技术创新间接影响市场的长期发展，市场需求进一步促进技术研发，而社会的态度和行为模式既受到政策的影响，也会同时影响政策的制定和实施。可见，上述电力系统供需协同影响因素存在复杂相互作用关系，多维度的协同作用是实现新型电力系统供需平衡的关键。
04
供需协同理论框架
4.1 供需协同理论基础
新型电力系统具有清洁低碳、安全充裕、经济高效等多维度目标，存在能源系统“不可能三角”困境，属于目标相互冲突、影响因素复杂、边界条件动态变化、解决方案具有高度不确定性的劣构问题。供需协同是实现新型电力系统多维目标协调的重要手段，同时供需协同能力的提升也受到各类因素的制约，必须以系统思维理论为基础，从整体性、关联性、动态性、层次性和随机性等维度进行系统分析，全面把握新型电力系统供需协同的特点和发展规律。
1）整体性。新型电力系统是一个复杂的整体，包括源、网、荷、储等多个环节，供需协同作为其中的关键环节，将供应侧和需求侧紧密联系起来，实现电力资源的优化配置和高效利用。同时，供需协同还与政策、市场、技术、社会、气候等系统外部环境密切相关，这些因素共同作用于供需协同，影响其发展方向和效果。
2）关联性。新型电力系统的供需协同需要考虑包括供应侧、需求侧、电网内部环节的特点和需求，筛选关键的影响因素，而且新型电力系统的供需协同并非孤立运行，而是与其他能源系统、交通系统、工业系统等相互作用，共同构成复杂的能源生态系统，供需协同需要考虑与多能源系统的耦合关联，实现协同发展。
3）动态性。新型电力系统是一个随时间动态变化的系统，供需协同的策略需要随着系统的运行和外部环境的变化而不断调整，建立有效的反馈和调节机制，保证系统的稳定运行和高效利用。
4）层次性。新型电力系统存在大电网、微电网、分布式电网等多种电网形态，平衡的范畴包括国家级、区域级、省级、地市级等多个层次，供需协同需要考虑各层次系统在运行特性、控制要求、资源特点的差异，实现多层次系统供需协同的统筹和协调。
5）随机性。新型电力系统的供需协同呈现出一定的随机性，来源于供电侧和需求侧的双重随机波动，因此需要供需协同加强新能源预测和调度，推动需求侧管理创新，构建智能友好型电力系统以及完善市场机制和政策支持。
4.2 供需协同理论框架
基于系统思维理论，具体可以从空间视角、时间视角、资源视角和形态视角深入理解新型电力系统中的供需协同。这4个视角提供了对电力系统理论框架全面认知，有助于揭示电力供需协同的复杂性，并探索如何在不同层次和条件下实现高效的电力电量平衡。
1）空间视角。空间视角反映供需协同的地理范围。该视角基于电力电量平衡的分层分区，是物理上的划分，涉及多个层级，包括全国电网Scountry、经营区电网Sregion、省级电网Sprovince、市级电网Scity、县级电网Scounty以及微电网Smicrogrid。全国电网作为最顶层，负责整个国家范围内的电力资源调度和全局平衡；经营区电网则跨越多个省份或区域，通过协调不同省份的电力资源来优化区域间的供需关系；省级电网在省内进行电力的调度与管理，确保省内各市县的电力需求得到满足；市级电网和县级电网进一步细化了电力管理，将关注点集中在城市和乡村的具体用电需求上；微电网可以为特定区域或小型用户提供独立或并网的电力服务。这种分层次的结构能够实现不同区域的电力资源有效配置和灵活调度，是确保电力系统稳定运行的基本保障。
定义空间层级集合S={Scountry, Sregion, Sprovince, Scity, Scounty, Smicrogrid}，用以表达空间视角。在每一个电网层级，都要满足的供需平衡关系为
式中：Pdemand为用电单元的用电功率需求；Pgeneration为发电单元的发电功率；Ploss为传输损耗功率；Psc为储能设备的净功率；Pstorageout、Pstoragein分别为储能设备的放电功率与充电功率；Pres为发电机组的旋转备用功率；Ptotal为发电机组的最大发电功率。
2）时间视角。时间视角反映供需协同的时间尺度。由于电力电量平衡涉及不同时间尺度，供需协同也需要关注不同时间尺度上各类可调节资源的调配。秒级Tsecond尺度主要关注电力系统的暂态稳定，确保电网在瞬间的功率波动下能保持稳定运行。分钟级Tminute尺度需要应对负荷的快速变化和小型发电单元的波动，如分布式电源的出力变化，通过自动发电控制等手段及时调整发电功率。小时级Thour尺度平衡重点在于根据负荷预测安排发电机组的启停计划、储能的充放电计划、需求侧资源的响应，实现电力电量平衡。月度Tmonth尺度平衡考虑季节性因素对负荷的影响，如夏季高温和冬季低温时的空调用电高峰，合理安排检修计划和跨区域电力调配。季度Tquarter尺度平衡主要关注因气候变化、可再生能源出力趋势及社会生产活动周期所引发的持续性电力供需矛盾，统筹协调优化大范围资源配置，合理安排季度性调度计划。年度Tyear尺度平衡则从宏观角度规划电力发展，确定新增装机容量、电网建设项目等，以满足经济社会发展对电力的长期需求，保障电力系统的安全稳定和可持续发展。
定义时间尺度集合T={Tsecond, Tminute, Thour, Tmonth, Tquarter, Tyear}，用以表达时间视角。每个时间尺度t∈T上的供需关系为
式中：
为电力总需求功率；
为电力总供应功率。
考虑的约束为
式中：P为发电机组功率；Pup为机组爬坡上限；Pdown为机组爬坡下限；Pmax为发电机组发电功率上限；Pmin为发电机组发电功率下限。
在{Tsecond,Tminute}层级，考虑发电机组爬坡约束，在{Thour,Tmonth,Tquarter,Tyear}层级，考虑平衡约束。
3）资源视角。资源视角关注供需协同可利用的源网荷储资源总量、结构及其特性。“ 源”Rgeneration指电力生产的环节，包括传统能源发电和可再生能源发电。“网”Rgrid则是电力的传输和分配网络，确保电力能够从发电端有效地传递到用户端，同时蕴含着跨省跨区的互济能力。“荷”Rload代表电力需求，即用户的负荷特性。而“储”Rstorage则是储能设施，能够在电力供应过剩时储存电能，并在需求高峰时释放。源网荷储各环节的各类资源都具有不同的调节能力和调节特性，“源”的灵活供应、“网”的智能调度、“荷”的可中断可调节与“储”的能量时移共同构成了供需协同的资源视角。
定义资源集合R={Rgeneration,Rgrid,Rload,Rstorage}，用以表达资源视角。在每一空间维度与时间维度，供需平衡约束为
式中：Pgridin、Pgridout分别为从本时空电网外部流入或向外流出的功率；Pload为负荷。
储能设备的充放周期能量约束为
式中：E(t)为t时刻储能设备的状态；ηch为充电效率（0＜ηch⩽1）；ηdis为放电效率（0＜ηdis⩽1），同时需满足初末状态能量平衡约束：E(0)=E(T)，经历一定次数充放电后，在0时刻与T时刻，储能设备电量相同。
可中断负荷中断容量上下限约束为
式中：Pload(t)为可中断负荷t时刻的中断容量；ν(t)为可中断负荷t时刻的启停状态，负荷中断为 1，不中断为 0；Ploadmax、Ploadmin分别为可中断负荷的最大最小中断量。
可中断负荷最小中断时间约束为
式中：TILmin为可中断负荷的最小中断时间。
可中断负荷最大中断时间约束为
式中：TILmax 为可中断负荷的最大中断时间。
可中断负荷中断次数约束为
式中：N为可中断负荷在周期T内最大中断次数。
4）形态视角。形态视角关注供需协同所依赖的技术、政策、市场等生产力和生产关系。技术方面的创新进步（技术形态Mtechnology）、政策方面的规划和调控（政策形态Mpolicy）、市场机制的灵活应用（市场形态Mmarket），都是影响电力系统供需协同能力的重要因素。例如，先进的智能电网技术能实现电力的高效传输和精准分配，提升供需匹配度，长时储能技术可以有效平抑供需波动，需求侧管理政策可以引导用户合理用电，降低高峰负荷，完善的电力市场机制可以助力用户常态化参与需求响应，实现需求侧资源的高效利用。
定义形态集合M={Mtechnology, Mpolicy, Mmarket}，每一形态分别对应安全充裕、清洁低碳与经济高效的新型电力系统运行目标，用以表达形态视角。
综上所述，在本文所构建的供需协同理论框架中，有清洁低碳、安全充裕、经济高效3个维度目标，存在能源系统“不可能三角”问题，是一类多目标优化问题。
定义清洁低碳的目标函数Fcar为
式中：Pstorageloss为储能充放电损耗功率；β为政策形态对清洁低碳目标的影响效率系数；θcarbon为碳排放因子。
定义安全充裕的目标函数Fsafe为
式中：Pstorageremain为储能设备剩余功率；ΔPload为用户参与需求响应减少使用的负荷。
定义经济高效的目标函数Fcost为
式中：
为发电成本；
为储能运行成本；
为传输损耗。
基于空间视角、时间视角、资源视角和形态视角的供需协同理论框架如图11所示。
图11 供需协同理论框架
Fig.11 Theoretical framework for supply-demand synergy
4.3 供需协同关键问题及方向
面向新型电力系统供需协同能力评估及提升关键技术研究涉及能源政策、市场经济、系统科学、能源规划、系统评价等多个学科门类，在研究过程中有如下关键点和难点。
1）“双碳”目标下电力供需协同理论体系如何构建。新型电力系统需要实现灵活、安全、高效、清洁、智能的多层级、多区域、多维度的供需协同，一方面，电力供需协同所涉及环节与主体较多，不同环节与主体对于促进电力供需协同能力的作用机理复杂、多重耦合下的作用效果难以解析；另一方面，海量单元参与的电力供需协同依托需求响应、人工智能等全新技术基础，需要把握这些关键技术在当前及中长期阶段下的应用基础、资源要求、发展变化。
2）供需双侧协同能力如何实现多维度特性评估。新型电力系统供应侧和需求侧资源时空分布特性各异，如何定义供应侧和需求侧的调节能力和调节需求，并基于各自的波动特性分别对调节能力和调节需求进行量化，是首先需要解决的基础问题；供需协同综合能力的影响因素复杂、不确定性大、极端天气影响程度增强，必须把资源、技术、机制和政策等特性迥异的多方面要素纳入综合评估，其模型和算法构建难度大。
3）提升供需协同综合能力的政策如何优化组合。影响电力供需协同能力的政策种类复杂、数量繁多，且政策之间可能会有交叉影响；供需协同能力用多维度的综合指标表述，在模型中精准刻画电力供需协同能力并分析政策影响程度具有较大难度；在“双碳”目标、极端天气频发等背景下，新型电力系统运行环境复杂，难以研究导致政策失灵的相关因素。
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结语
在全球能源结构深刻变革和“双碳”目标深入推进的背景下，电力绿色转型不断加速，以风电、光伏为代表的可再生能源装机规模爆发式增长及其在电力系统中渗透率持续攀升，智能化技术迅猛发展，电力技术创新水平持续提升，亟需建立以清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同和灵活智能为五大特征的新型电力系统，应对能源转型需求并提高电力系统灵活性、可靠性。基于此背景，本文通过耦合新型电力系统下清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同和灵活智能五大特征，提出了供需协同的内涵与理论框架，并梳理了亟须提升供需协同能力的典型场景；考虑政策、市场、技术等全要素对新型电力系统供需协同的影响，分析了影响供需协同的多维因素与机理；从整体性、关联性、动态性、层次性和随机性5个维度进行系统分析，研究了供需协同理论基础，从空间、时间、资源、形态等多视角深入认知，提出了理论框架，并建立数学模型。通过构建全要素供需协同理论框架，为新型电力系统的建设和发展提供系统性指导和理论支持。
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