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電力系統應對極端天氣自然災害存在的薄弱環節及對策建議

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）的發生頻率增加。根據環境智庫德國觀察（Germanwatch）發布的《全球氣候風險指數2021》^[1]，我國氣候風險指數全球排名第32位，受極端天氣自然災害事件影響導致的經濟損失全球排名第4位。中國氣象局氣候變化中心發布的《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和影響顯著區，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，將呈現出更強的“天氣耦合性”和“系統脆弱性”^[3]，供電安全面臨前所未有的風險挑戰，亟需轉變思路、統籌謀劃，從設計標準、應急手段、預警系統和協同機制等方面全面提升電力系統的應急保供能力。

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電力系統的影響

極端天氣自然災害通常會從兩個方面對傳統電力系統供電安全產生影響。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余個居民區長時間停電。

(二）極端天氣自然災害對新型電力系統的影響

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

首先，對傳統電力系統影響較小的無風、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，對傳統電力系統輸配電設施和用電需求影響較大、但對發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風電機組大規模脫網導致的，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，電網中新能源占比較高，系統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的典型停電事故

極端天氣自然災害事件的發生頻率不高，但其導致的故障占電力系統故障的比例很高。據統計，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，每年造成的直接經濟損失超過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，輸電線路故障引發電壓跌落，風電機組因低電壓穿越能力不足大規模脫網。澳大利亞南部地區電網網架結構薄弱，僅通過兩條聯絡線與東側維多利亞州聯接。風電機組脫網后，導致大規模潮流轉移，聯絡線因嚴重過載而跳閘，澳大利亞南部電網成為孤立電網。進而，因其有功功率和無功功率的缺失，引發系統頻率和電壓的崩潰，最終導致該地區大停電，而隨后的黑啟動失敗導致澳大利亞南部地區長達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，英國發生大規模停電事故。事故發生前，英格蘭與威爾士電網的總負荷約2535萬千瓦。位于貝德福德郡的Little Barford燃氣電站出力73萬千瓦，占全網總負荷的2.88%，風電總出力約為880萬千瓦，占全網總負荷的34.71%。Little Barford燃氣電站突然停機，系統頻率下降，霍恩海的海上風電風機大量脫網，出力突降90萬千瓦左右。隨后，系統頻率大幅下降引發低頻減載動作，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月美國加州地區出現連續極端高溫天氣，由于炎熱天氣和疫情居家，加州地區的用電負荷突增。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電出力迅速下降。8月15日下午2時至3時，太陽能發電出力受雷雨天氣影響下降幅度超過190萬千瓦，但負荷仍在繼續增加，下午5時至6時，風力發電出力降低120萬千瓦，下午6時28分，系統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穩定性。隨后，8月16日至19日，因極端高溫天氣，又陸續出現部分停電事故。最終，導致約3000萬家庭受停電影響，電力現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，最終引發得州400多萬用戶停電。

三、我國電力系統應急保供體系存在的薄弱環節

(一）設計標準亟需完善，精細化程度不足

目前，我國電力系統的通用設計標準是基于傳統的電力系統供電安全性和投資經濟性而制定的，無法滿足“高比例新能源、高頻率極端天氣、高代價停電損失”新型電力系統的發展要求，對非常規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電占比不足10%，且大部分為與天氣強耦合的光伏發電；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，而非用戶側，極端情況下可調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，未形成市場化調配機制。

(三）預警系統缺乏支撐，專業化程度較低

目前，電力系統的預警主要是基于氣象部門提供的區域性氣象預測數據，缺少有針對性的電力氣象數據、詳細的地理信息數據和實時的系統狀態數據，導致電力系統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，無法根據災害發展動態、故障恢復進度、應急物資分布等實時信息制定“在線式”聯動方案，導致供電恢復時間較長。

四、提升我國電力系統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濟性的“再平衡”研究，科學制定新型電力系統的抗災型設計標準，防止頻繁停電影響經濟社會發展，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”轉為應急備用電源，有序發展分布式發電，引導適度配置用戶側新型儲能，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，探索建立有效調用用戶自備應急電源、用戶側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、專業化”的預警系統

結合電力部門的實際需求，充分利用高分辨衛星、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據平臺，形成高預見性、高精度的事故預警預報系統。通過物聯網、數字孿生等先進技術，對自然災害發生概率和電力系統停電的影響范圍、破壞程度進行定時、定量預測，實現全方位、多層次、多時間尺度的提前預警。

(四）盡快形成“實時性、協同化”的應急機制

積極開發“5G+無人機+衛星”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“事中聯動”相結合的供電恢復機制，以及電力企業與氣象、交通、水利、通信、地震等部門的“多向協同”應急機制。同時，最大限度獲取相關部門對電力搶修的支持，優化供電恢復方案，優先保障相關部門的救災用電需求。

圖2 “5G+無人機+衛星”技術在多部門協同搶修的應用

本文分析了新型電力系統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所呈現的脆弱性及薄弱環節，從設計標準、應急手段、預警系統、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絡。