氣象災害下電力系統(tǒng)面臨的風險辨析及應對策略*

盧 賡，鄧 婧

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；2.華南理工大學廣州學院，廣州 510800）

0 引言

電力系統(tǒng)作為城市生命線系統(tǒng)工程的重要組成部分，其安全運行問題越來越受到人們的關注。由于電力的生產(chǎn)和輸配多暴露在自然環(huán)境中，容易受到自然災害的影響，主要包括風災、冰雪災害、雷電、極端氣溫、水災和地質(zhì)災害等[1]，其中絕大部分為氣象災害或氣象次生、衍生災害。

風暴（臺風、颶風、大風）、低溫冰凍、極端高溫、強降水（容易誘發(fā)洪澇、滑坡、泥石流等災害）和雷暴等可能對電力系統(tǒng)產(chǎn)生大規(guī)模、大范圍影響。掌握當?shù)氐闹饕獨庀鬄暮Ψ植记闆r并對電力系統(tǒng)所面臨的風險進行辨析，是減少電力系統(tǒng)受災害影響的基本前提。

目前為止，大部分的研究集中在氣候變化對電力系統(tǒng)整體影響及減緩策略研究，叢榮剛[2]歸納結了中國電力系統(tǒng)受自然災害影響的相關文獻，分析了7大自然災害對中國電力系統(tǒng)造成的影響，并從4個角度總結了中國電力系統(tǒng)防御自然災害的各種對策。鞠平等[3]總結了電力系統(tǒng)彈性策略框架。分為極端天氣事件前的預防性策略，極端天氣事件中的實時性策略，極端天氣事件后的恢復性策略。

本文從生產(chǎn)、消費、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)辨析氣象災害出現(xiàn)時電力系統(tǒng)面臨的風險，針對性地提出電力系統(tǒng)所采取的控制策略，可為電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設、運營提供指導。

1 氣象災害概述

1.1 氣象災害分布

亞洲大陸是地球上最大的陸地群，北臨北冰洋，東臨太平洋，南臨印度洋，跨寒、溫、熱三帶。氣候的主要特征是：氣候類型復雜多樣、季風氣候典型和大陸性顯著。

表1 亞洲各地區(qū)可能對電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響的主要氣象災害分布表

亞洲各地區(qū)可能對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響的主要氣象災害分布情況，以及各種災害在不同地區(qū)的危險性程度分別如表1和圖1所示。危險度的確定考慮的因素主要是災害的發(fā)生頻率，以及災害對電力系統(tǒng)的危害程度，1為低風險，5為高風險。參照ADB的區(qū)劃，將亞洲劃分為東亞、東南亞（含太平洋島國）、南亞、西亞和中亞5個片區(qū)。東亞、東南亞和南亞地區(qū)需要重點防御的災害是強降水引發(fā)的洪澇災害和臺風等風暴類災害[4-6]。西亞、中亞地區(qū)則需要更多考慮極端氣溫的影響。

圖1 亞洲各地區(qū)影響電力系統(tǒng)的主要氣象災害分布及其危險度

1.2 氣候變化及其影響

由于氣候變暖，導致了極端天氣、氣候事件和重大自然災害的頻繁發(fā)生。在過去40年中，應急事件數(shù)據(jù)庫（EM-DAT）記錄的全球自然災害頻率增加了近3 倍，從1975—1984年的1 300多起增加到2005—2014年的3 900多起（圖2）。在此期間，水文（洪水）和氣象（暴雨、風暴、熱浪）事件的數(shù)量急劇增加，而氣候事件和地質(zhì)災害增多的趨勢不明顯。雖然氣候變化與自然災害之間的因果關系尚未完全了解，但仍然面臨著與氣候有關的自然災害頻發(fā)的事實。

圖2 按類型分列的全球自然災害頻度（1970-2014年）

根據(jù)聯(lián)合國跨政府氣候變化小組（IPCC）的研究，氣溫上升給全球帶來極大影響，亞太地區(qū)將首當其沖，所面對的問題包括降雨形態(tài)改變、季風變化無常、海平面上升、洪災，以及威力更強的熱帶氣旋[7-8]。

亞洲是最容易受到全球氣溫上升影響的地區(qū)。據(jù)相關研究，現(xiàn)在自然災害影響亞洲及太平洋地區(qū)人民的可能性是非洲的4倍，比歐洲或北美地區(qū)高25倍。根據(jù)風險管理集團Maplecroft 編制的氣候變化脆弱性指數(shù)，被列為“極端風險”的所有7 個城市都在亞洲：達卡、馬尼拉、曼谷、仰光、雅加達、胡志明和加爾各答。據(jù)相關資料顯示，在全球變暖大背景下，亞洲地區(qū)氣溫升高、氣候變暖的變化帶來的強降水、洪澇、強臺風、極端氣溫、冰雪災害等氣象災害有所加劇[9]；在社會經(jīng)濟日益發(fā)展的情況下，極端氣象災害造成的損失呈增大趨勢[10]。

在氣候變暖、極端氣象災害頻發(fā)的背景下，提高電力系統(tǒng)抗災性能，可能需要更多關注極端氣溫、風暴、強降水、低溫冰凍、雷暴等典型氣象災害。

2 氣候變化下電力系統(tǒng)面臨的風險

近年來，全球氣候變暖，氣候異?，F(xiàn)象增多，大范圍氣候的變化對電力行業(yè)也產(chǎn)生了很多不良影響，在電力的生產(chǎn)、傳輸、消費各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生直接影響，諸如發(fā)電能力受到限制、不穩(wěn)定的峰值電力需求、系統(tǒng)損耗增加以及其他更多的方面?？梢哉f，氣候的改變將會深刻影響電力系統(tǒng)的長遠發(fā)展。氣候變化對電力系統(tǒng)長期影響綜述如表2所示。

表2 氣候變化對電力系統(tǒng)長期影響綜述

3 電力系統(tǒng)應對氣候變化的總體策略

應對氣候變化，需要同時采取“減緩”和“適應”兩種方式。其中,“減緩”就是減少排放，能夠降低氣候變化的速率和范圍；而“適應”則作為一種生存和發(fā)展戰(zhàn)略，能夠降低對氣候變化的敏感性，從而最終降低由氣候變化所帶來的脆弱性[11]。

3.1 積極發(fā)展可再生能源

發(fā)展可再生能源在應對氣候變化方面，第一個收益是減少化石能源燃燒（全球溫室氣體排放的主要來源）。根據(jù)國際能源署發(fā)布的《可再生能源2018—分析和預測至2023》報告2018—2023年期間，全球可再生能源發(fā)電裝機容量預計將增長1 000 GW以上。積極發(fā)展可再生能源已在全球范圍內(nèi)得到響應，逐漸減少對化石能源的依賴，新能源替代化石能源成為主流能源的趨勢。

發(fā)展可再生能源在氣候變化方面另一個收益是減少極端天氣發(fā)生頻度。全球氣候變暖導致的干旱、暴雨和冰凍等極端天氣頻發(fā)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全帶來了極大威脅。要維持電網(wǎng)安全可靠運行就不能不考慮全球暖化的影響，而要降低溫室氣體排放，延緩暖化進程，則發(fā)展可再生能源就是不可避免的選擇。

3.2 結合氣象因素調(diào)整、優(yōu)化電源結構

（1）保障能源供應

制定電源發(fā)展規(guī)劃時需考慮氣候變化因素對電力生產(chǎn)的影響。某些氣候變化會導致特定類型電源發(fā)電的減少，如長期降水減少將引起水資源競爭加劇，發(fā)電生產(chǎn)用水的減少，進而導致水電、火電發(fā)電的減少；氣溫的上升也會導致火電電廠出力的減少。

為此，需要將自身資源稟賦與氣候變化趨勢相結合，調(diào)整、優(yōu)化電源結構。制定電源發(fā)展計劃時需結合氣候因素考慮一次能源的特性，充分發(fā)揮不同類型電源間的互補性。比如一般情況下，風電、水電年度分布具有互補特性：冬春季雨少風多，水電為供（或枯）水期，水電少而風電為大發(fā)期；汛期雨多風少，正是水電大發(fā)，而風電少發(fā)正可檢修。

（2）加強系統(tǒng)靈活性，提高可再生能源消納率

隨著間歇性可再生能源份額的增加，對電力系統(tǒng)靈活性的要求將會增加。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的靈活性對于應對負荷變化、極端天氣事件、電網(wǎng)運行按以及其他重要目的也是非常重要的。提高靈活性可以使電力系統(tǒng)更清潔、更安全、更有彈性、更廉價。

為了更靈活地操作發(fā)電廠，并不一定需要大量的新資本投資。某些電廠通常通過改變數(shù)據(jù)收集和實時監(jiān)控方式來實現(xiàn)電廠運營實踐的改變，從而可以很好地提高現(xiàn)有電廠的潛在的靈活性。隨著具有獨特成本結構和技術特征的新一代技術大規(guī)模進入電力市場，在合理規(guī)劃、調(diào)度的前提下，許多現(xiàn)有發(fā)電廠可以更加靈活地運行。

3.3 加強區(qū)域間的電網(wǎng)互聯(lián)互通

加強區(qū)域間的互聯(lián)互通，可突破自然資源稟賦的地域限制以發(fā)展可再生能源，還可以可降低因氣候變化導致單一能源品種供應減少給整個電力系統(tǒng)帶來的損害。

可再生能源在亞洲分布廣泛，但負荷增長地區(qū)和可再生能源資源富集地區(qū)往往錯配，負荷增長迅速地區(qū)，人類活動密集，可再生能源分布較少，利用限制也較多；而很多可再生能源富集地區(qū)，自然條件較差，遠離經(jīng)濟增長中心。為充分利用可再生能源，需要將其從資源富集地輸送至負荷中心，而電力作為最適宜遠傳輸?shù)哪茉葱问?，具有無可比擬的天然優(yōu)勢。如亞洲中國西北部、蒙古以及哈薩克斯坦等中亞國家，太陽能資源十分豐富，開發(fā)條件良好，建設與區(qū)外負荷中心的送電通道后，可大規(guī)模開發(fā)，充分利用太陽能資源。同時電力交易、產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的收益，也可促進當?shù)氐纳鐣?jīng)濟的發(fā)展。

氣候變化會顯著影響可再生能源資源，云量的增多會影響太陽能的利用，干旱更是會造成水電特別是徑流式水電的停發(fā)。發(fā)展可再生能源，為獲得規(guī)模效益，往往會造成某一地區(qū)能源品種單一，氣候變化造成能源資源減少的風險顯著上升。例如老撾的水電裝機比例占電源總裝機比例的95%以上，且多年調(diào)節(jié)的大庫容水電站較少，其應對干旱能力較差，隨著當?shù)亟?jīng)濟增長，降水減少，電力供應將受到明顯制約。一個可行的解決途徑是將老撾電網(wǎng)與其他河流流域的電網(wǎng)相聯(lián)，也可與其他能源結構不同的電網(wǎng)相聯(lián)，在通過更大范圍的互相支援，增強湄公河次區(qū)域國家應對氣候變化的能力。

3.4 改變用能模式

（1）提高能源利用效率

提高能源利用效率是電力系統(tǒng)減少溫室氣體排放最經(jīng)濟實用的手段。電力行業(yè)是消耗一次能源的大戶，積極提高能效是電力系統(tǒng)節(jié)能減排和提高經(jīng)濟效益的重要手段。

電力系統(tǒng)在其生產(chǎn)過程中要消耗大量電能。給電廠的風機、水泵等設備加裝變頻調(diào)速器和改造磨煤機、省煤器等，可顯著提高能效。電能在傳輸和分配過程中的損耗也不容小覷。發(fā)展中國家電網(wǎng)的綜合線損率通常在8%甚至更高，美國、歐洲等國家的電網(wǎng)線損率僅為6%或更低。通過調(diào)整電源布局、優(yōu)化完善電網(wǎng)結構、更換高耗能變壓器和經(jīng)濟調(diào)度，可有效降低網(wǎng)損。在電力消費側也有較大的節(jié)能潛力。目前已有大量技術成熟、經(jīng)濟可行的節(jié)能技術，應對促使公眾建立能效觀念，加快節(jié)能技術的推廣應用。比如家電能效認證這一機制在一些市場成熟國家已成功推廣應用，對消費者起到了很好的引導作用。

（2）采用新型控制技術

在應對氣候變化帶來的諸多挑戰(zhàn)的新形式下，有必要引入新型控制方法及保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要結合技術進步從多個方面對電力系統(tǒng)進行升級改造。

首先，需要根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，探尋用電負荷受氣候現(xiàn)象影響的規(guī)律，提高極端天氣下負荷預測的精度，短期預先制定恰當?shù)陌l(fā)電和運行計劃。

其次，由于發(fā)生熱浪、寒潮等極端天氣的概率低，且全年尖峰負荷僅幾十小時，以提高備用容量的方式來保證電網(wǎng)安全運行，經(jīng)濟性差。利用需求側管理中的峰谷電價措施，可引導用戶削峰填谷，緩解電力需求高峰時段電網(wǎng)壓力。

再次，系統(tǒng)中的一部分用戶對供電可靠性要求不高，電力公司和用戶以合同形式確定在系統(tǒng)峰值或緊急狀態(tài)下，按合同要求由電網(wǎng)調(diào)度在高峰時段主動發(fā)起的中斷或削減負荷，并給予一定的電價補償，使之成為可中斷負荷?？芍袛嘭摵梢曌饕环N虛擬的備用發(fā)電容量資源和輸電容量資源，能有效加強負荷的可控性，提高電力系統(tǒng)的負荷率和運行靈活性，有可能以較小的代價保持電網(wǎng)供需平衡，強化對電網(wǎng)的調(diào)控能力，在調(diào)峰和降低阻塞等方面越來越受到關注。

最后，近年來興起的智能電網(wǎng)使裝有智能表計的中小用戶也能根據(jù)電價在線調(diào)整用電行為，這進一步延展了需求側管理的內(nèi)涵與外延。應用智能電網(wǎng)可以在正常運行情況下提高電網(wǎng)負荷率、降低損耗，當電網(wǎng)發(fā)生異常時，還能通過電價調(diào)控電網(wǎng)供需平衡，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4 結束語

本文總結了目前的氣象災害及其帶來的影響；從電力生產(chǎn)方面、電力傳輸方面、電力消費及系統(tǒng)運行方面辨析了氣候變化下電力系統(tǒng)所面臨的風險；根據(jù)電力系統(tǒng)應對氣候變化的解決方向——減緩與適應，提出的總體策略主要包含4方面：積極發(fā)展可再生能源；結合氣象因素優(yōu)化及調(diào)整電源結構；加強區(qū)域間的互聯(lián)互通；改變用能模式、構建涵蓋極端氣象因素的電力系統(tǒng)發(fā)展路徑。對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設、運營具有指導意義。