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電力系統(tǒng)應(yīng)對極端天氣自然災(zāi)害存在的薄弱環(huán)節(jié)及對策建議

梁雙  嚴(yán)超  王涉  王程

一、引言

近年來，溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候和環(huán)境變化加劇，洪澇、颶風(fēng)、雷暴、寒潮和高溫等極端天氣自然災(zāi)害事件（圖1）的發(fā)生頻率增加。根據(jù)環(huán)境智庫德國觀察（Germanwatch）發(fā)布的《全球氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)2021》^[1]，我國氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)全球排名第32位，受極端天氣自然災(zāi)害事件影響導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失全球排名第4位。中國氣象局氣候變化中心發(fā)布的《中國氣候變化藍(lán)皮書（2021）》^[2]顯示，我國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，升溫速率明顯高于同期全球平均水平；高溫、強(qiáng)降水等極端天氣事件增多增強(qiáng)，氣候風(fēng)險(xiǎn)水平趨于上升。1991-2020年，中國氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值（6.8）較1961-1990年平均值（4.3）增加了58%。可見，我國面臨極端天氣自然災(zāi)害事件的頻率和風(fēng)險(xiǎn)不斷升高。

極端天氣自然災(zāi)害通常會對電力基礎(chǔ)設(shè)施帶來不利影響，嚴(yán)重情況下甚至威脅供電安全。比如，極端高溫天氣情況下，用電負(fù)荷劇增，“極熱無風(fēng)”導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出力遠(yuǎn)低預(yù)期，引發(fā)電力供應(yīng)短缺；極端寒潮天氣導(dǎo)致輸電線路、風(fēng)電機(jī)組覆冰倒塌；洪澇災(zāi)害導(dǎo)致變電站、輸電桿塔、調(diào)度通信等關(guān)鍵電力設(shè)施損毀，影響正常供電。碳達(dá)峰碳中和背景下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，將呈現(xiàn)出更強(qiáng)的“天氣耦合性”和“系統(tǒng)脆弱性”^[3]，供電安全面臨前所未有的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，亟需轉(zhuǎn)變思路、統(tǒng)籌謀劃，從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急手段、預(yù)警系統(tǒng)和協(xié)同機(jī)制等方面全面提升電力系統(tǒng)的應(yīng)急保供能力。

二、極端天氣自然災(zāi)害對供電安全的影響

(一）極端天氣自然災(zāi)害對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的影響

極端天氣自然災(zāi)害通常會從兩個方面對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)供電安全產(chǎn)生影響。一方面，極端天氣導(dǎo)致電力負(fù)荷激增，如2020年美國加州大停電由極端高溫引起空調(diào)負(fù)荷劇增所致，而2021年美國得州大停電與極端寒潮引起取暖負(fù)荷劇增密切相關(guān)；另一方面，極端天氣導(dǎo)致發(fā)電廠、輸電線路、用電設(shè)備等設(shè)施損壞，如2021年7月我國河南大停電，“百年一遇”強(qiáng)降雨導(dǎo)致500余條線路、9座變電站損毀，1100余個居民區(qū)長時(shí)間停電。

(二）極端天氣自然災(zāi)害對新型電力系統(tǒng)的影響

新型電力系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電占比不斷提高，新能源發(fā)電的天氣強(qiáng)耦合性、運(yùn)行弱支撐性帶來了三方面的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：

首先，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)影響較小的無風(fēng)、陰雨、沙塵天氣，將阻礙新能源出力，導(dǎo)致電源不足，事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)大幅增加。以2021年7月28日東北電網(wǎng)為例，用電負(fù)荷高達(dá)7058萬千瓦，同比增長8.2%；而“極熱無風(fēng)”導(dǎo)致風(fēng)電出力僅3.4萬千瓦，不足風(fēng)電裝機(jī)容量4026萬千瓦的0.1%，電力缺口超過800萬千瓦。

其次，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)輸配電設(shè)施和用電需求影響較大、但對發(fā)電機(jī)組影響較小的臺風(fēng)、暴雨、寒潮、冰災(zāi)天氣，也將阻礙新能源出力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸受阻、用電負(fù)荷激增疊加電源不足，事故影響面明顯擴(kuò)大。比如，2016年澳大利亞南部大停電就是由強(qiáng)臺風(fēng)誘發(fā)風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致的，而2021年美國得州大停電，與寒潮導(dǎo)致部分風(fēng)機(jī)故障、風(fēng)電出力下降密切相關(guān)。

此外，煤電、氣電等強(qiáng)支撐性電源減少，風(fēng)電、光伏等弱支撐性電源增加，導(dǎo)致電力系統(tǒng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力下降，事故連鎖鏈顯著延長。比如，2021年得州大停電，電網(wǎng)中新能源占比較高，系統(tǒng)支撐電源和備用電源明顯不足^[4]，無法平衡負(fù)荷激增、風(fēng)電和氣電出力下降產(chǎn)生的電力缺口和運(yùn)行擾動，導(dǎo)致大面積拉閘限電。

(三）極端天氣自然災(zāi)害引發(fā)的典型停電事故

極端天氣自然災(zāi)害事件的發(fā)生頻率不高，但其導(dǎo)致的故障占電力系統(tǒng)故障的比例很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球80%以上的停電事故由臺風(fēng)、暴雨、寒潮、冰災(zāi)和地震等極端天氣自然災(zāi)害引發(fā)，每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過300億美元，且呈逐年上升趨勢。

表1 極端天氣停電事故按類型統(tǒng)計(jì)表^[5]

1.2016年澳大利亞南部大停電

2016年9月28日下午，一股強(qiáng)臺風(fēng)伴隨暴風(fēng)雨、閃電、冰雹襲擊了澳大利亞南部地區(qū)，輸電線路故障引發(fā)電壓跌落，風(fēng)電機(jī)組因低電壓穿越能力不足大規(guī)模脫網(wǎng)。澳大利亞南部地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，僅通過兩條聯(lián)絡(luò)線與東側(cè)維多利亞州聯(lián)接。風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，導(dǎo)致大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移，聯(lián)絡(luò)線因嚴(yán)重過載而跳閘，澳大利亞南部電網(wǎng)成為孤立電網(wǎng)。進(jìn)而，因其有功功率和無功功率的缺失，引發(fā)系統(tǒng)頻率和電壓的崩潰，最終導(dǎo)致該地區(qū)大停電，而隨后的黑啟動失敗導(dǎo)致澳大利亞南部地區(qū)長達(dá)50小時(shí)的大停電。

2.2019年英國大停電

2019年8月9日下午5點(diǎn)左右，英國發(fā)生大規(guī)模停電事故。事故發(fā)生前，英格蘭與威爾士電網(wǎng)的總負(fù)荷約2535萬千瓦。位于貝德福德郡的Little Barford燃?xì)怆娬境隽?3萬千瓦，占全網(wǎng)總負(fù)荷的2.88%，風(fēng)電總出力約為880萬千瓦，占全網(wǎng)總負(fù)荷的34.71%。Little Barford燃?xì)怆娬就蝗煌C(jī)，系統(tǒng)頻率下降，霍恩海的海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)大量脫網(wǎng)，出力突降90萬千瓦左右。隨后，系統(tǒng)頻率大幅下降引發(fā)低頻減載動作，切除部分負(fù)荷導(dǎo)致停電事故，約有100萬人受到停電影響。

3.2020年美國加州大停電

2020年8月美國加州地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)極端高溫天氣，由于炎熱天氣和疫情居家，加州地區(qū)的用電負(fù)荷突增。8月14日負(fù)荷峰值達(dá)到4682萬千瓦，超出當(dāng)年負(fù)荷峰值預(yù)期（4591萬千瓦），加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（CAISO）分階段削減負(fù)荷約100萬千瓦。在此期間，電力需求保持較高水平而太陽能發(fā)電出力迅速下降。8月15日下午2時(shí)至3時(shí)，太陽能發(fā)電出力受雷雨天氣影響下降幅度超過190萬千瓦，但負(fù)荷仍在繼續(xù)增加，下午5時(shí)至6時(shí)，風(fēng)力發(fā)電出力降低120萬千瓦，下午6時(shí)28分，系統(tǒng)所需的最低備用水平無法維持，CAISO再次削減負(fù)荷約50萬千瓦來維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。隨后，8月16日至19日，因極端高溫天氣，又陸續(xù)出現(xiàn)部分停電事故。最終，導(dǎo)致約3000萬家庭受停電影響，電力現(xiàn)貨價(jià)格飛漲至每千瓦時(shí)1美元以上。

4.2021年美國得州大停電

2021年2月初，美國得州接連遭遇凍雨、冰凌、降雪等極端天氣。受采暖需求影響電力負(fù)荷波動增長，逐步超過預(yù)期負(fù)荷，并在2月15日達(dá)到7000萬千瓦，創(chuàng)下得州冬季電力負(fù)荷記錄。受極端天氣影響，井口凍結(jié)導(dǎo)致天然氣開采量驟降，氣源供應(yīng)嚴(yán)重不足，氣電機(jī)組出力下降約2500萬千瓦。同時(shí)，由于得州常年溫度處于0攝氏度以上，風(fēng)電企業(yè)為降低成本并未給風(fēng)電機(jī)組的渦輪安裝防寒措施，導(dǎo)致在溫度降至0攝氏度以下時(shí)風(fēng)電出力受限，降低約1700萬千瓦。負(fù)荷劇增，而電源支撐能力明顯不足，導(dǎo)致大面積拉閘限電，最終引發(fā)得州400多萬用戶停電。

三、我國電力系統(tǒng)應(yīng)急保供體系存在的薄弱環(huán)節(jié)

(一）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)亟需完善，精細(xì)化程度不足

目前，我國電力系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是基于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供電安全性和投資經(jīng)濟(jì)性而制定的，無法滿足“高比例新能源、高頻率極端天氣、高代價(jià)停電損失”新型電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，對非常規(guī)情景缺乏抗災(zāi)性設(shè)計(jì)，對重要用戶缺乏精細(xì)化管理，導(dǎo)致供電應(yīng)急能力先天不足。

(二）應(yīng)急手段捉襟見肘，市場化程度偏低

目前，我國靠近負(fù)荷中心的分布式發(fā)電占比不足10%，且大部分為與天氣強(qiáng)耦合的光伏發(fā)電；而電化學(xué)儲能等新型儲能裝機(jī)不足600萬千瓦，占比不足0.3%，且大部分位于電源側(cè)，而非用戶側(cè)，極端情況下可調(diào)配的應(yīng)急資源極其有限，而用戶的自備應(yīng)急電源、快速增長的電動汽車等新型應(yīng)急資源卻長期閑置，未形成市場化調(diào)配機(jī)制。

(三）預(yù)警系統(tǒng)缺乏支撐，專業(yè)化程度較低

目前，電力系統(tǒng)的預(yù)警主要是基于氣象部門提供的區(qū)域性氣象預(yù)測數(shù)據(jù)，缺少有針對性的電力氣象數(shù)據(jù)、詳細(xì)的地理信息數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)對極端天氣自然災(zāi)害影響的感知力弱，無法提供及時(shí)有效的事故預(yù)警。

(四）應(yīng)急機(jī)制有待完善，協(xié)同化程度不高

極端天氣導(dǎo)致的自然災(zāi)害通常會破壞交通、通信、電力、水利等多類基礎(chǔ)設(shè)施，電力設(shè)施搶修依賴并影響交通、通信、水利等設(shè)施搶修，但不同部門的協(xié)同機(jī)制尚顯不足，影響供電搶修效率。除此以外，目前的電力搶修仍以“離線式”預(yù)案為主，信息化程度低，無法根據(jù)災(zāi)害發(fā)展動態(tài)、故障恢復(fù)進(jìn)度、應(yīng)急物資分布等實(shí)時(shí)信息制定“在線式”聯(lián)動方案，導(dǎo)致供電恢復(fù)時(shí)間較長。

四、提升我國電力系統(tǒng)應(yīng)急保供能力的對策建議

(一）科學(xué)制定“抗災(zāi)型、精細(xì)化”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

基于對新型電力系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、影響面和連鎖鏈的“再認(rèn)識”，開展供電安全性和投資經(jīng)濟(jì)性的“再平衡”研究，科學(xué)制定新型電力系統(tǒng)的抗災(zāi)型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防止頻繁停電影響經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，同時(shí)避免盲目提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致用電成本大幅上漲。有效利用數(shù)字化技術(shù)，結(jié)合地理信息、氣象條件和電力設(shè)備特性，制定差異化防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，著力發(fā)掘用戶精細(xì)化管理能力，全力保障重要用戶和民生用戶用電需求。

(二）持續(xù)完善“多元化、市場化”的應(yīng)急手段

筑牢安全底線意識，積極推動退役機(jī)組“退而不拆”轉(zhuǎn)為應(yīng)急備用電源，有序發(fā)展分布式發(fā)電，引導(dǎo)適度配置用戶側(cè)新型儲能，形成多元化的應(yīng)急手段。按照“誰提供、誰獲益；誰受益，誰承擔(dān)”的原則，探索建立有效調(diào)用用戶自備應(yīng)急電源、用戶側(cè)儲能和電動汽車等應(yīng)急資源的市場化應(yīng)急保供機(jī)制。

(三）盡快建立“高精度、專業(yè)化”的預(yù)警系統(tǒng)

結(jié)合電力部門的實(shí)際需求，充分利用高分辨衛(wèi)星、氣象雷達(dá)、勘察無人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，建立專門針對電力部門的氣象數(shù)據(jù)平臺，形成高預(yù)見性、高精度的事故預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，對自然災(zāi)害發(fā)生概率和電力系統(tǒng)停電的影響范圍、破壞程度進(jìn)行定時(shí)、定量預(yù)測，實(shí)現(xiàn)全方位、多層次、多時(shí)間尺度的提前預(yù)警。

(四）盡快形成“實(shí)時(shí)性、協(xié)同化”的應(yīng)急機(jī)制

積極開發(fā)“5G+無人機(jī)+衛(wèi)星”應(yīng)急通信技術(shù)，全面提高災(zāi)難感知和應(yīng)對能力，從而建立“事前預(yù)案”與“事中聯(lián)動”相結(jié)合的供電恢復(fù)機(jī)制，以及電力企業(yè)與氣象、交通、水利、通信、地震等部門的“多向協(xié)同”應(yīng)急機(jī)制。同時(shí)，最大限度獲取相關(guān)部門對電力搶修的支持，優(yōu)化供電恢復(fù)方案，優(yōu)先保障相關(guān)部門的救災(zāi)用電需求。

圖2 “5G+無人機(jī)+衛(wèi)星”技術(shù)在多部門協(xié)同搶修的應(yīng)用

本文分析了新型電力系統(tǒng)高比例新能源趨勢下“天氣強(qiáng)耦合性”和“運(yùn)行弱支撐性”帶來的深刻變化，剖析了洪澇、颶風(fēng)、雷暴、寒潮和高溫等極端天氣自然災(zāi)害情況下電力系統(tǒng)所呈現(xiàn)的脆弱性及薄弱環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急手段、預(yù)警系統(tǒng)、應(yīng)急機(jī)制等方面提出了對策建議，推動建立適應(yīng)氣候變化、具有極端天氣韌性的供電應(yīng)急保供體系。

注：原文載自《中國工程咨詢》2022年第9期。文中部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。