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

梁雙  嚴超  王涉  王程

一、引言

近年來，溫室氣體排放導致全球氣候和環(huán)境變化加劇，洪澇、颶風、雷暴、寒潮和高溫等極端天氣自然災害事件（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《全球氣候風險指數(shù)2021》^[1]，我國氣候風險指數(shù)全球排名第32位，受極端天氣自然災害事件影響導致的經(jīng)濟損失全球排名第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、強降水等極端天氣事件增多增強，氣候風險水平趨于上升。1991-2020年，中國氣候風險指數(shù)平均值（6.8）較1961-1990年平均值（4.3）增加了58%?？梢?，我國面臨極端天氣自然災害事件的頻率和風險不斷升高。

極端天氣自然災害通常會對電力基礎設施帶來不利影響，嚴重情況下甚至威脅供電安全。比如，極端高溫天氣情況下，用電負荷劇增，“極熱無風”導致風電機組出力遠低預期，引發(fā)電力供應短缺；極端寒潮天氣導致輸電線路、風電機組覆冰倒塌；洪澇災害導致變電站、輸電桿塔、調(diào)度通信等關鍵電力設施損毀，影響正常供電。碳達峰碳中和背景下，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險挑戰(zhàn)，亟需轉(zhuǎn)變思路、統(tǒng)籌謀劃，從設計標準、應急手段、預警系統(tǒng)和協(xié)同機制等方面全面提升電力系統(tǒng)的應急保供能力。

二、極端天氣自然災害對供電安全的影響

(一）極端天氣自然災害對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的影響

極端天氣自然災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，極端天氣導致電力負荷激增，如2020年美國加州大停電由極端高溫引起空調(diào)負荷劇增所致，而2021年美國得州大停電與極端寒潮引起取暖負荷劇增密切相關；另一方面，極端天氣導致發(fā)電廠、輸電線路、用電設備等設施損壞，如2021年7月我國河南大停電，“百年一遇”強降雨導致500余條線路、9座變電站損毀，1100余個居民區(qū)長時間停電。

(二）極端天氣自然災害對新型電力系統(tǒng)的影響

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

首先，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)影響較小的無風、陰雨、沙塵天氣，將阻礙新能源出力，導致電源不足，事故風險點大幅增加。以2021年7月28日東北電網(wǎng)為例，用電負荷高達7058萬千瓦，同比增長8.2%；而“極熱無風”導致風電出力僅3.4萬千瓦，不足風電裝機容量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)輸配電設施和用電需求影響較大、但對發(fā)電機組影響較小的臺風、暴雨、寒潮、冰災天氣，也將阻礙新能源出力，導致網(wǎng)絡傳輸受阻、用電負荷激增疊加電源不足，事故影響面明顯擴大。比如，2016年澳大利亞南部大停電就是由強臺風誘發(fā)風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)導致的，而2021年美國得州大停電，與寒潮導致部分風機故障、風電出力下降密切相關。

此外，煤電、氣電等強支撐性電源減少，風電、光伏等弱支撐性電源增加，導致電力系統(tǒng)抵御風險能力下降，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]，無法平衡負荷激增、風電和氣電出力下降產(chǎn)生的電力缺口和運行擾動，導致大面積拉閘限電。

(三）極端天氣自然災害引發(fā)的典型停電事故

極端天氣自然災害事件的發(fā)生頻率不高，但其導致的故障占電力系統(tǒng)故障的比例很高。據(jù)統(tǒng)計，全球80%以上的停電事故由臺風、暴雨、寒潮、冰災和地震等極端天氣自然災害引發(fā)，每年造成的直接經(jīng)濟損失超過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，一股強臺風伴隨暴風雨、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，風電機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)架結構薄弱，僅通過兩條聯(lián)絡線與東側(cè)維多利亞州聯(lián)接。風電機組脫網(wǎng)后，導致大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移，聯(lián)絡線因嚴重過載而跳閘，澳大利亞南部電網(wǎng)成為孤立電網(wǎng)。進而，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，最終導致該地區(qū)大停電，而隨后的黑啟動失敗導致澳大利亞南部地區(qū)長達50小時的大停電。

2.2019年英國大停電

2019年8月9日下午5點左右，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)的總負荷約2535萬千瓦。位于貝德福德郡的Little Barford燃氣電站出力73萬千瓦，占全網(wǎng)總負荷的2.88%，風電總出力約為880萬千瓦，占全網(wǎng)總負荷的34.71%。Little Barford燃氣電站突然停機，系統(tǒng)頻率下降，霍恩海的海上風電風機大量脫網(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，切除部分負荷導致停電事故，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)的用電負荷突增。8月14日負荷峰值達到4682萬千瓦，超出當年負荷峰值預期（4591萬千瓦），加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）分階段削減負荷約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時至3時，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，但負荷仍在繼續(xù)增加，下午5時至6時，風力發(fā)電出力降低120萬千瓦，下午6時28分，系統(tǒng)所需的最低備用水平無法維持，CAISO再次削減負荷約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，導致約3000萬家庭受停電影響，電力現(xiàn)貨價格飛漲至每千瓦時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荷波動增長，逐步超過預期負荷，并在2月15日達到7000萬千瓦，創(chuàng)下得州冬季電力負荷記錄。受極端天氣影響，井口凍結導致天然氣開采量驟降，氣源供應嚴重不足，氣電機組出力下降約2500萬千瓦。同時，由于得州常年溫度處于0攝氏度以上，風電企業(yè)為降低成本并未給風電機組的渦輪安裝防寒措施，導致在溫度降至0攝氏度以下時風電出力受限，降低約1700萬千瓦。負荷劇增，而電源支撐能力明顯不足，導致大面積拉閘限電，最終引發(fā)得州400多萬用戶停電。

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

(一）設計標準亟需完善，精細化程度不足

目前，我國電力系統(tǒng)的通用設計標準是基于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供電安全性和投資經(jīng)濟性而制定的，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)情景缺乏抗災性設計，對重要用戶缺乏精細化管理，導致供電應急能力先天不足。

(二）應急手段捉襟見肘，市場化程度偏低

目前，我國靠近負荷中心的分布式發(fā)電占比不足10%，且大部分為與天氣強耦合的光伏發(fā)電；而電化學儲能等新型儲能裝機不足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)配的應急資源極其有限，而用戶的自備應急電源、快速增長的電動汽車等新型應急資源卻長期閑置，未形成市場化調(diào)配機制。

(三）預警系統(tǒng)缺乏支撐，專業(yè)化程度較低

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

(四）應急機制有待完善，協(xié)同化程度不高

極端天氣導致的自然災害通常會破壞交通、通信、電力、水利等多類基礎設施，電力設施搶修依賴并影響交通、通信、水利等設施搶修，但不同部門的協(xié)同機制尚顯不足，影響供電搶修效率。除此以外，目前的電力搶修仍以“離線式”預案為主，信息化程度低，無法根據(jù)災害發(fā)展動態(tài)、故障恢復進度、應急物資分布等實時信息制定“在線式”聯(lián)動方案，導致供電恢復時間較長。

四、提升我國電力系統(tǒng)應急保供能力的對策建議

(一）科學制定“抗災型、精細化”的設計標準

基于對新型電力系統(tǒng)事故風險點、影響面和連鎖鏈的“再認識”，開展供電安全性和投資經(jīng)濟性的“再平衡”研究，科學制定新型電力系統(tǒng)的抗災型設計標準，防止頻繁停電影響經(jīng)濟社會發(fā)展，同時避免盲目提高設防標準導致用電成本大幅上漲。有效利用數(shù)字化技術，結合地理信息、氣象條件和電力設備特性，制定差異化防災標準，著力發(fā)掘用戶精細化管理能力，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”的應急手段

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

(三）盡快建立“高精度、專業(yè)化”的預警系統(tǒng)

結合電力部門的實際需求，充分利用高分辨衛(wèi)星、氣象雷達、勘察無人機等先進技術，建立專門針對電力部門的氣象數(shù)據(jù)平臺，形成高預見性、高精度的事故預警預報系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等先進技術，對自然災害發(fā)生概率和電力系統(tǒng)停電的影響范圍、破壞程度進行定時、定量預測，實現(xiàn)全方位、多層次、多時間尺度的提前預警。

(四）盡快形成“實時性、協(xié)同化”的應急機制

積極開發(fā)“5G+無人機+衛(wèi)星”應急通信技術，全面提高災難感知和應對能力，從而建立“事前預案”與“事中聯(lián)動”相結合的供電恢復機制，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”應急機制。同時，最大限度獲取相關部門對電力搶修的支持，優(yōu)化供電恢復方案，優(yōu)先保障相關部門的救災用電需求。

圖2 “5G+無人機+衛(wèi)星”技術在多部門協(xié)同搶修的應用

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

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。