1、DOI:10.15918/j.jbitss1009-3370.2023.0043电力部门省际虚拟水流动模式与影响分析曲申1，林瑾1，王永豪1，喻可1，张佳琪1，刘洲屹2，贲雅雯3，佘运磊1（1.北京理工大学管理与经济学院能源与环境政策研究中心，北京100081；2.华北电力大学经济与管理学院，北京102206；3.中国地质大学(武汉)经济管理学院，湖北武汉430074）摘要：能源、电力为水资源密集型行业，电力商品隐含的虚拟水资源通过跨省电力交换，进行地区间水资源的再分配。利用基于复杂网络的电力交换模型，实现对无限高阶的省际电力交换网络和电力部门的虚拟水转移网络的高精度模拟。结果表明，电力部门的
2、虚拟水转移网络比电力直接交换网络的连接更加紧密与复杂，链路增加超过 5 倍，存在大量间接电力交换。2020 年，电力部门跨省运输导致的虚拟水转移量约占全国用水量的 3%。对于电力输出大省，支撑外省电力供应增加了本地电力部门取水量的 20%30%。电力部门的虚拟水转移使北京、上海、浙江、安徽、福建和湖北六省水资源压力变动较大。上述结果表明，统筹考虑电力资源和水资源之间的协同关系，是保障能源安全、提升电力系统气候韧性的重中之重，未来应加快构建电力资源和水资源协同发展新格局。关键词：能水纽带；跨省电力传输；虚拟水；水资源压力；转移网络中图分类号:F113.3;F124.5文献标志码:A文章编号:10
3、09-3370(2023)02004512水资源危机被 2020 年世界经济论坛视作全球最大社会风险1。2022 年 6 月，中国生态环境部等 17 部门联合印发国家适应气候变化战略 2035中明确气候变化已对中国水生态系统带来严重不利影响，中国水安全风险明显升级，威胁能源，尤其是威胁电力基础设施的安全稳定运行2。能源、电力作为水资源密集型行业，电力商品隐含的虚拟水资源通过跨省电力交换，进行了地区间水资源的再分配，对地区电力生产方式、水资源使用情况及利用方式产生广泛影响3。如何在应对水安全问题的同时保证能源资源的安全供给与合理分配，已成为阻碍中国经济社会健康发展最严峻的现实问题之一。水和能源具
4、有高度依存关系，水资源的短缺将严重影响能源系统的稳定发展4。水能关系主要是指用于能源生产的水（包括能源的提取、净化、输送、加热、处理等消耗的水资源）与生产、处理水所消耗的能源之间的关系5。电力供应与发展依赖于水资源6。在电力生产环节中，除原料外，还需要大量的水参与其中，例如煤炭洗选、运输、水力发电、火电机组冷却等，其中冷却环节则是需水量与耗水量最大的一环7。跨省跨区电力传输带来虚拟水转移8。全国电力的远距离跨省输送，优化了电力资源的配置，同时造成了水资源的空间转移。近年来，已有大量研究聚焦于不同电力生产方式的取水和耗水差异比较9-10，电力行业用水的核算方法11、节水潜力分析12以及水资源短缺
5、对电力系统运行发展的制约13等方面。张超等14通过构建中国20002015 年火电机组的取水、耗水清单，认为中国火电行业通过采用空冷技术、海水淡化等缓解了中国火电的水资源依赖性。然而，Webster 等15和 Byers 等16认为，气候变化将加剧水资源危机，进而威胁各地区的电力系统运行。同时，少量研究对跨省跨区电力传输对地区水资源影响进行分析。例如 Chini 等17收稿日期：2023-01-11基金项目：国家重点研发项目（2021YFC3200200）；国家优青项目（72022004）作者简介：曲 申（1986 ），男，教 授，博 士 生 导 师，E-mail:；林 瑾（1996 ），女，
6、博 士 研 究 生，E-mail:；王永豪（1998），男，硕士研究生，E-mail:；喻可（2001），女，硕士研究生，E-mail:；张佳琪（2000），女，硕士研究生，E-mail:；刘洲屹（2001），女，本科生，E-mail:；贲雅雯（2001），女，本科生，E-mail:；佘运磊（1998），男，博士研究生，E-mail:第25卷第2期北京理工大学学报（社会科学版）Vol.25No.22023年3月JOURNALOFBEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(SOCIALSCIENCESEDITION)Mar.2023采用资源统计模型分析了 20102017 年欧洲各
7、国电力贸易隐含的虚拟水贸易规模和转移情况，认为其转移量具有明显的季节特征。Chini等18构建了 20102016 年美国电力网络的蓝水和灰水转移图谱，比较了 2010 年和 2016 年美国电力贸易的蓝水和灰水的转移结构变化。张超等19构建了省际输电的节点流模型，分析了中国 2011 年电力部门跨省传输的虚拟水转移情况。廖夏伟等20量化了 2015 年黄河流域八个省份电力行业对外其他地区的虚拟水转移。本文基于复杂网络的电力交换模型，模拟无限高阶的省际电力交换网络和电力部门的虚拟水转移网络，回答以下几个问题：（1）电力生产及贸易使得省际间虚拟水流动格局产生怎样的变化？（2）电力部门的虚拟水转移
8、对各省水资源压力有什么影响？一、模型构建（一）基于复杂网络的电力交换模型为能够模拟无穷高阶电力转移，刻画地区间复杂电力贸易和电力部门的虚拟水转移网络，本文采用基于复杂网络的电力交换模型21，评估中国 2020 年电力跨省运输隐含的虚拟水转移量。基于复杂网络的电力交换模型根据一定时期内（如一年）各省电网发电、跨省电力交换和电力生产用水的统计汇总数据，将一个电网的发电直接用水与另一个电网的电力消费联系起来。在模型中，将发电端和用电端视作节点，地区间的电力传输线路视作链接，电能在这个网络中流动。同时，电能的流动带动电力产品中隐含的虚拟水流动，形成了一个虚拟的水流动网络。如果一个电网从另一个电网进口电
9、力，而另一个电网又从第三个电网进口，那么第一个电网可能间接从第三个电网进口一些电力。传统的研究方法22-23将某个电网直接进口的电力全部视作该电网的消费，忽略了其中一部分电力可以通过该电网传输给其他电网的可能性。因此，利用复杂网络的思维，假设某电网进口的电力一部分用于满足该地区的电力需求，同时也出口到其他电网，模拟复杂互联、无穷高阶的电力交换网络，能够更加精确地刻画和反映一定时期内电力交换隐含的虚拟水转移和流动。将各省份电网视作复杂网络中的节点，每个节点的总流入由该节点的发电量和从其他节点的直接进口量两部分组成。每个节点的总流出由该节点的本地消费量和直接出口量两部分组成。根据电力电量平衡原则，
10、每个节点的总流入等于该节点的总流出，如式（1）所示xi=pi+nj=1Tji=ci+nj=1Tij(1)xiipiiciiTjijiB其中，为 电网的总流入或总流出；为 电网的本地发电量；为 电网的本地电量需求；则表示一年中由 电网出口给 电网的总交换量。此外，给定一个时期的各电网的发电、消费和跨省电量交换的数据，需要假定进口的电量首先与本地发电混合，然后再提供给负荷侧使用或传输到其他电网，则电力直接流出矩阵，如式（2）所示B=x1T=|0T12x1T1nx1T21x20.T2nx2.Tn1xnTn(n1)xn0|(2)BBijijixiTTijij其中，电力直接流出矩阵 的每个元素表示 电网
11、出口给 电网的电量占 电网总流入 的比例；为直接电量交换矩阵，其每个元素为 电网和 电网的直接交换电量。G总流出系数矩阵量化了直接电量交换和间接电量交换，如式（3）所示G=(IB)1=I+B+B2+.(3)GGijijIBB2其中，总流出系数矩阵的每个元素表示 电网向 电网输出的总电量。如式（3）等式右侧所示，每个省份的电量交换存在直接电量交换（由 表示），经过一个省级电网传输的一阶电量交换（由 表示），经过两个省级电网传输的二阶电量交换（由表示），或者经由多个省级电网传输的更为高阶的电量46北 京 理 工 大 学 学 报（社 会 科 学 版）2023 年 3 月交换。H本文基于投入产出理论中
12、由供给侧驱动的 Ghosh 模型的思想，定义发电消费矩阵，从而将不同省份的发电侧和消费测联系起来H=G c x1(4)?c?xcxHHij=Gijci/xiij其中，和分别表示电量消费向量 和总电量流向量 的对角矩阵；发电消费矩阵的每个元素为经由所有可能的电量传输路径，电网的发电量中由 电网消费的比例。（二）电力部门的虚拟水转移网络构建各省级电网火力发电的取水量根据不同冷却技术和发电方式计算，如式（5）所示wGi=kWFkEGk,i(5)WFkkEGk,iik其中，为采用 种冷却方式的机组每发 1 度电所需要的取水量；为 电网采用 冷却方式机组的发电量，各省级电网火力发电的耗水量同理可得。?W
13、GiwGiHWE为对角矩阵，其中第 个对角元素为。发电消费矩阵将发电过程的取水量/耗水量与电量消费联系起来，形成了虚拟水流矩阵WE=?WGH(6)WEij其中，虚拟水流矩阵的每个元素代表了从 电网流向 电网隐含虚拟水。（三）数据来源模型模拟中的 2020 年跨省电力交换数据、各省份总发电量、各省份分类型发电量、全国出口电量来自电力企业联合会发布的2020 年电力工业统计资料汇编24。跨省电力交换数据中电力送端地区均为省份，电力受端地区也大多为省份，个别受端地区为区域电网。针对这种情况，根据实际的电网传输路线，将输电电量依次分解到省级单位。由于输电线路线损电量的用水也计入发电厂年许可用水量中，因
14、此不扣除输电线损电量。中国机组冷却技术组合参考文献25-26设定，廖夏伟等25整理了中国各省份 2015 年煤电机组不同冷却技术的装机容量；唐葆君等26统计了 2015 年中国燃气机组的冷却技术，即均采用直流冷却技术。由于数据可得性，假定 2020 年中国各省火电机组冷却技术组合保持不变。中国核电机组取水水源均为海水，而水库具备统筹防洪、供水、灌溉、生态、航运和发电等多种需求，水电用水量在核算上具有较大争议，因此本文仅考虑火力发电的用水情况，基于各省发电的平均取水、耗水系数27，核算了省际输电导致的电力虚拟水流动。二、结果分析与讨论（一）中国电力部门省际虚拟水转移网络模拟结果虚拟水转移网络比电
15、力直接交换网络互相连接更加紧密，存在大量间接电力交换。电力直接交换链路共有 115 条，这表明在没有直接进行电力传输的省份之间，存在着大量的隐形间接电力交换。图 1 绘制了 2020 年中国跨省直接电量交换的网络流动图，图中节点的大小和颜色深浅分别代表各省份本地发电量的大小，箭头由电量送端省份指向受端省份，其粗细代表了 2020 年直接电量传输量的多少。图 2 中节点的大小代表各省电力生产的取水量大小，箭头的指向代表虚拟水的流动方向，箭头的粗细则代表了虚拟水转移量的大小。图 1 仅显示大于 50 亿千瓦时的电力交换；虚拟水转移链路共有 761 条，图 2 仅显示大于 0.1 亿立方米的虚拟水转
16、移链路。中国跨省电力传输的总体方向是从西北地区往华北、华东地区输送，西南地区向东南沿海、长三角地区输送，即煤炭、水能资源集中但经济水平不发达的地区向经济发达、用电负荷集中的东部地区输送，具有输送距离远、输送体量大、跨多个省份输送的特点。2020 年跨省直接输送电量占总发电量的19.80%，输送总量约为 1511.42 亿千瓦时，直接外送电量最大的省份是内蒙古，在 2020 年总共输送了约229.69 亿千瓦时的电量。2020 年直接受电最多的省份是广东省，接收外省输送电量达到 222.21 亿千瓦2023 年第 2 期曲申等:电力部门省际虚拟水流动模式与影响分析47时。广东省跨省进口电量主要来自云南输送的 130.88 亿千瓦时，占全国省际电力交换的 8.66%，是流量最大的跨省电力传输。100300500直接电力转移海南青海山东新疆吉林甘肃黑龙江河南安徽辽宁宁夏湖南江西内蒙古陕西河北湖北贵州山西天津西藏江苏北京广东浙江上海四川福建广西重庆云南发电量/亿千瓦时 图12020 年中国跨省直接电量交换网络图虚拟水流动发电用水/亿立方米102040海南青海山东新疆吉林甘肃黑龙江河南安徽辽宁宁