电力系统应对极端天气自然灾害存在的薄弱环节及对策建议

梁双  严超  王涉  王程

一、引言

近年来，温室气体排放导致全球气候和环境变化加剧，洪涝、飓风、雷暴、寒潮和高温等极端天气自然灾害事件（图1）的发生频率增加。根据环境智库德国观察（Germanwatch）发布的《全球气候风险指数2021》^[1]，我国气候风险指数全球排名第32位，受极端天气自然灾害事件影响导致的经济损失全球排名第4位。中国气象局气候变化中心发布的《中国气候变化蓝皮书（2021）》^[2]显示，我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，升温速率明显高于同期全球平均水平；高温、强降水等极端天气事件增多增强，气候风险水平趋于上升。1991-2020年，中国气候风险指数平均值（6.8）较1961-1990年平均值（4.3）增加了58%。可见，我国面临极端天气自然灾害事件的频率和风险不断升高。

极端天气自然灾害通常会对电力基础设施带来不利影响，严重情况下甚至威胁供电安全。比如，极端高温天气情况下，用电负荷剧增，“极热无风”导致风电机组出力远低预期，引发电力供应短缺；极端寒潮天气导致输电线路、风电机组覆冰倒塌；洪涝灾害导致变电站、输电杆塔、调度通信等关键电力设施损毁，影响正常供电。碳达峰碳中和背景下，以新能源为主体的新型电力系统，将呈现出更强的“天气耦合性”和“系统脆弱性”^[3]，供电安全面临前所未有的风险挑战，亟需转变思路、统筹谋划，从设计标准、应急手段、预警系统和协同机制等方面全面提升电力系统的应急保供能力。

二、极端天气自然灾害对供电安全的影响

(一）极端天气自然灾害对传统电力系统的影响

极端天气自然灾害通常会从两个方面对传统电力系统供电安全产生影响。一方面，极端天气导致电力负荷激增，如2020年美国加州大停电由极端高温引起空调负荷剧增所致，而2021年美国得州大停电与极端寒潮引起取暖负荷剧增密切相关；另一方面，极端天气导致发电厂、输电线路、用电设备等设施损坏，如2021年7月我国河南大停电，“百年一遇”强降雨导致500余条线路、9座变电站损毁，1100余个居民区长时间停电。

(二）极端天气自然灾害对新型电力系统的影响

新型电力系统中风电、光伏等新能源发电占比不断提高，新能源发电的天气强耦合性、运行弱支撑性带来了三方面的运行风险：

首先，对传统电力系统影响较小的无风、阴雨、沙尘天气，将阻碍新能源出力，导致电源不足，事故风险点大幅增加。以2021年7月28日东北电网为例，用电负荷高达7058万千瓦，同比增长8.2%；而“极热无风”导致风电出力仅3.4万千瓦，不足风电装机容量4026万千瓦的0.1%，电力缺口超过800万千瓦。

其次，对传统电力系统输配电设施和用电需求影响较大、但对发电机组影响较小的台风、暴雨、寒潮、冰灾天气，也将阻碍新能源出力，导致网络传输受阻、用电负荷激增叠加电源不足，事故影响面明显扩大。比如，2016年澳大利亚南部大停电就是由强台风诱发风电机组大规模脱网导致的，而2021年美国得州大停电，与寒潮导致部分风机故障、风电出力下降密切相关。

此外，煤电、气电等强支撑性电源减少，风电、光伏等弱支撑性电源增加，导致电力系统抵御风险能力下降，事故连锁链显著延长。比如，2021年得州大停电，电网中新能源占比较高，系统支撑电源和备用电源明显不足^[4]，无法平衡负荷激增、风电和气电出力下降产生的电力缺口和运行扰动，导致大面积拉闸限电。

(三）极端天气自然灾害引发的典型停电事故

极端天气自然灾害事件的发生频率不高，但其导致的故障占电力系统故障的比例很高。据统计，全球80%以上的停电事故由台风、暴雨、寒潮、冰灾和地震等极端天气自然灾害引发，每年造成的直接经济损失超过300亿美元，且呈逐年上升趋势。

表1 极端天气停电事故按类型统计表^[5]

1.2016年澳大利亚南部大停电

2016年9月28日下午，一股强台风伴随暴风雨、闪电、冰雹袭击了澳大利亚南部地区，输电线路故障引发电压跌落，风电机组因低电压穿越能力不足大规模脱网。澳大利亚南部地区电网网架结构薄弱，仅通过两条联络线与东侧维多利亚州联接。风电机组脱网后，导致大规模潮流转移，联络线因严重过载而跳闸，澳大利亚南部电网成为孤立电网。进而，因其有功功率和无功功率的缺失，引发系统频率和电压的崩溃，最终导致该地区大停电，而随后的黑启动失败导致澳大利亚南部地区长达50小时的大停电。

2.2019年英国大停电

2019年8月9日下午5点左右，英国发生大规模停电事故。事故发生前，英格兰与威尔士电网的总负荷约2535万千瓦。位于贝德福德郡的Little Barford燃气电站出力73万千瓦，占全网总负荷的2.88%，风电总出力约为880万千瓦，占全网总负荷的34.71%。Little Barford燃气电站突然停机，系统频率下降，霍恩海的海上风电风机大量脱网，出力突降90万千瓦左右。随后，系统频率大幅下降引发低频减载动作，切除部分负荷导致停电事故，约有100万人受到停电影响。

3.2020年美国加州大停电

2020年8月美国加州地区出现连续极端高温天气，由于炎热天气和疫情居家，加州地区的用电负荷突增。8月14日负荷峰值达到4682万千瓦，超出当年负荷峰值预期（4591万千瓦），加州独立系统运营商（CAISO）分阶段削减负荷约100万千瓦。在此期间，电力需求保持较高水平而太阳能发电出力迅速下降。8月15日下午2时至3时，太阳能发电出力受雷雨天气影响下降幅度超过190万千瓦，但负荷仍在继续增加，下午5时至6时，风力发电出力降低120万千瓦，下午6时28分，系统所需的最低备用水平无法维持，CAISO再次削减负荷约50万千瓦来维持系统稳定性。随后，8月16日至19日，因极端高温天气，又陆续出现部分停电事故。最终，导致约3000万家庭受停电影响，电力现货价格飞涨至每千瓦时1美元以上。

4.2021年美国得州大停电

2021年2月初，美国得州接连遭遇冻雨、冰凌、降雪等极端天气。受采暖需求影响电力负荷波动增长，逐步超过预期负荷，并在2月15日达到7000万千瓦，创下得州冬季电力负荷记录。受极端天气影响，井口冻结导致天然气开采量骤降，气源供应严重不足，气电机组出力下降约2500万千瓦。同时，由于得州常年温度处于0摄氏度以上，风电企业为降低成本并未给风电机组的涡轮安装防寒措施，导致在温度降至0摄氏度以下时风电出力受限，降低约1700万千瓦。负荷剧增，而电源支撑能力明显不足，导致大面积拉闸限电，最终引发得州400多万用户停电。

三、我国电力系统应急保供体系存在的薄弱环节

(一）设计标准亟需完善，精细化程度不足

目前，我国电力系统的通用设计标准是基于传统的电力系统供电安全性和投资经济性而制定的，无法满足“高比例新能源、高频率极端天气、高代价停电损失”新型电力系统的发展要求，对非常规情景缺乏抗灾性设计，对重要用户缺乏精细化管理，导致供电应急能力先天不足。

(二）应急手段捉襟见肘，市场化程度偏低

目前，我国靠近负荷中心的分布式发电占比不足10%，且大部分为与天气强耦合的光伏发电；而电化学储能等新型储能装机不足600万千瓦，占比不足0.3%，且大部分位于电源侧，而非用户侧，极端情况下可调配的应急资源极其有限，而用户的自备应急电源、快速增长的电动汽车等新型应急资源却长期闲置，未形成市场化调配机制。

(三）预警系统缺乏支撑，专业化程度较低

目前，电力系统的预警主要是基于气象部门提供的区域性气象预测数据，缺少有针对性的电力气象数据、详细的地理信息数据和实时的系统状态数据，导致电力系统对极端天气自然灾害影响的感知力弱，无法提供及时有效的事故预警。

(四）应急机制有待完善，协同化程度不高

极端天气导致的自然灾害通常会破坏交通、通信、电力、水利等多类基础设施，电力设施抢修依赖并影响交通、通信、水利等设施抢修，但不同部门的协同机制尚显不足，影响供电抢修效率。除此以外，目前的电力抢修仍以“离线式”预案为主，信息化程度低，无法根据灾害发展动态、故障恢复进度、应急物资分布等实时信息制定“在线式”联动方案，导致供电恢复时间较长。

四、提升我国电力系统应急保供能力的对策建议

(一）科学制定“抗灾型、精细化”的设计标准

基于对新型电力系统事故风险点、影响面和连锁链的“再认识”，开展供电安全性和投资经济性的“再平衡”研究，科学制定新型电力系统的抗灾型设计标准，防止频繁停电影响经济社会发展，同时避免盲目提高设防标准导致用电成本大幅上涨。有效利用数字化技术，结合地理信息、气象条件和电力设备特性，制定差异化防灾标准，着力发掘用户精细化管理能力，全力保障重要用户和民生用户用电需求。

(二）持续完善“多元化、市场化”的应急手段

筑牢安全底线意识，积极推动退役机组“退而不拆”转为应急备用电源，有序发展分布式发电，引导适度配置用户侧新型储能，形成多元化的应急手段。按照“谁提供、谁获益；谁受益，谁承担”的原则，探索建立有效调用用户自备应急电源、用户侧储能和电动汽车等应急资源的市场化应急保供机制。

(三）尽快建立“高精度、专业化”的预警系统

结合电力部门的实际需求，充分利用高分辨卫星、气象雷达、勘察无人机等先进技术，建立专门针对电力部门的气象数据平台，形成高预见性、高精度的事故预警预报系统。通过物联网、数字孪生等先进技术，对自然灾害发生概率和电力系统停电的影响范围、破坏程度进行定时、定量预测，实现全方位、多层次、多时间尺度的提前预警。

(四）尽快形成“实时性、协同化”的应急机制

积极开发“5G+无人机+卫星”应急通信技术，全面提高灾难感知和应对能力，从而建立“事前预案”与“事中联动”相结合的供电恢复机制，以及电力企业与气象、交通、水利、通信、地震等部门的“多向协同”应急机制。同时，最大限度获取相关部门对电力抢修的支持，优化供电恢复方案，优先保障相关部门的救灾用电需求。

图2 “5G+无人机+卫星”技术在多部门协同抢修的应用

本文分析了新型电力系统高比例新能源趋势下“天气强耦合性”和“运行弱支撑性”带来的深刻变化，剖析了洪涝、飓风、雷暴、寒潮和高温等极端天气自然灾害情况下电力系统所呈现的脆弱性及薄弱环节，从设计标准、应急手段、预警系统、应急机制等方面提出了对策建议，推动建立适应气候变化、具有极端天气韧性的供电应急保供体系。

注：原文载自《中国工程咨询》2022年第9期。文中部分图片来源于网络。