編者按：我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。能源領(lǐng)域碳排放總量大、占比高，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。公司能源業(yè)務(wù)部成立了以張宗玟等部門領(lǐng)導(dǎo)為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組，貫徹新發(fā)展理念和能源安全新戰(zhàn)略，對(duì)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、碳排放和水電、新能源、核電、儲(chǔ)能、煤炭等方面高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行了探索性研究，以推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進(jìn)研究成果的應(yīng)用，本公眾號(hào)將核心研究成果以系列文章的形式陸續(xù)刊發(fā)，供業(yè)界同仁參考。

碳達(dá)峰碳中和背景下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)與對(duì)策研究

梁雙 潘小海 張宗玟 張茗洋

摘要：碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)愿景下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，電源結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特性、運(yùn)行方式和主要風(fēng)險(xiǎn)等方面均將發(fā)生深刻變革，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電源結(jié)構(gòu)變革、系統(tǒng)特性變革、極端天氣頻發(fā)和網(wǎng)絡(luò)外力攻擊等因素對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，并從能源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展、可再生能源角色轉(zhuǎn)變、風(fēng)險(xiǎn)管理和技術(shù)變革等角度提出了“六個(gè)轉(zhuǎn)變”的對(duì)策建議。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰碳中和；高比例可再生能源；新型電力系統(tǒng)；安全穩(wěn)定

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，明確了我國(guó)綠色低碳發(fā)展的時(shí)間表。循跡溯源，我國(guó)80%以上的碳排放來自能源系統(tǒng)，其中40%以上來自電力系統(tǒng)，同時(shí)，隨著終端電氣化水平的提升，這一比例呈上升趨勢(shì)。因此，加快電力系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的必由之路。

2020年12月12日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上發(fā)表重要講話并宣布，到2030年，我國(guó)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上提出，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

電源結(jié)構(gòu)的革命性變化，必然帶來電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的深刻變化，風(fēng)光等可再生能源發(fā)電具有明顯的隨機(jī)性和間歇性，且不具備常規(guī)電源的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性、穩(wěn)定的頻率支撐和動(dòng)態(tài)無功支撐能力，抗干擾能力弱，未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)[1][2]，需要提前謀劃，采取差異化應(yīng)對(duì)策略。

一、電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)電網(wǎng)已形成以華北、華中、華東、東北、西北、南方等區(qū)域電網(wǎng)為主體，區(qū)域電網(wǎng)間交直流互聯(lián)，覆蓋全部?。▍^(qū)、市）的大型電網(wǎng)。截至2020年底，全國(guó)220千伏及以上輸電線路長(zhǎng)度78.98萬千米，同比增長(zhǎng)4.6%；220千伏及以上變電設(shè)備容量448680萬千伏安，同比增長(zhǎng)為5.2%。全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)22億千瓦，同比增長(zhǎng)9.5%，其中火電12.45億千瓦、水電3.7億千瓦、核電0.50億千瓦、風(fēng)電2.82億千瓦、太陽能發(fā)電2.53億千瓦（見圖1）。我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模和發(fā)電裝機(jī)規(guī)模均居世界首位。2020年全社會(huì)用電量75110億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)3.1%，“十三五”年均增速5.7%。

圖1 2020年底我國(guó)電源結(jié)構(gòu)

注：數(shù)據(jù)來源于2020年國(guó)家能源局全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

根據(jù)國(guó)際能源署（International Energy Agency，IEA）和英國(guó)石油公司（British Petroleum，BP）公布數(shù)據(jù)，2020年全球能源相關(guān)二氧化碳排放323億噸，我國(guó)二氧化碳排放量約99億噸，占全球總排放量的30%。我國(guó)能源行業(yè)碳排放量占比約80%，其中電力排放占比40%。隨著工業(yè)、建筑、交通等能耗高、排放量大的能源消費(fèi)領(lǐng)域電氣化進(jìn)程的推進(jìn)，電力行業(yè)碳排放壓力將持續(xù)上升。因此，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型將關(guān)系到全社會(huì)深度脫碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

（一）電源結(jié)構(gòu)變革帶來的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)電力供應(yīng)以煤電等高碳電源為主，裝機(jī)占比始終在50%以上，2020年煤電裝機(jī)達(dá)到10.8億千瓦，發(fā)電量4.63萬億千瓦時(shí)，裝機(jī)占比首次降至50%以下，但發(fā)電量占比仍超過60%。

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)愿景下，部分省區(qū)提出不再新增煤電、減煤限發(fā)并加速退出的政策號(hào)召，電力供應(yīng)轉(zhuǎn)向風(fēng)、光等低碳電源，但風(fēng)、光具有明顯的隨機(jī)性、間歇性，光伏夜間出力為零，風(fēng)電出力低于20%的概率高達(dá)50%、出力高于70%的概率不高于10%。據(jù)歷史資料顯示，新疆某地風(fēng)電低于裝機(jī)容量20%的低出力最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間超過8天，陜西某地光伏低于裝機(jī)容量20%的低出力最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間超過4天。間歇性電源供電保障能力弱，而配套的抽水蓄能、儲(chǔ)能等靈活性資源又受站址、成本回收機(jī)制等制約，發(fā)展嚴(yán)重滯后。《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》明確提出，新增抽水蓄能電站1700萬千瓦、氣電5000萬千瓦。截至2020年底，僅完成了目標(biāo)增長(zhǎng)量的47%、72%，較目標(biāo)值低900萬千瓦、1400萬千瓦。因此，電力供應(yīng)或長(zhǎng)期處于緊平衡甚至區(qū)域性短缺狀態(tài)。

由于經(jīng)濟(jì)快速恢復(fù)增長(zhǎng)及大范圍寒潮天氣疊加影響，2020年12月14日、16日、30日以及2021年1月7日，全國(guó)用電負(fù)荷連續(xù)4次創(chuàng)歷史新高。特別是2021年1月7日，晚間用電負(fù)荷高峰達(dá)到11.89億千瓦，在22億千瓦電力裝機(jī)中，2.5億千瓦光伏出力為零，2.8億千瓦風(fēng)電出力僅10%，再加上冬季枯水的影響，3.7億千瓦水電出力1.7億千瓦，僅46%，電力供應(yīng)逼近安全極限。2021年初，湖南、江西、浙江、江蘇等省都出現(xiàn)了不同程度的限電，影響了居民取暖照明等基本生活保障。

（二）系統(tǒng)特性變革帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備）、“雙低”（低系統(tǒng)慣量、低抗干擾性）、“雙峰”（早晚高峰、冬夏高峰）等疊加的特征，新的運(yùn)行特征導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率、電壓、功角三大核心特性均發(fā)生深刻變化，具體表現(xiàn)為：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低導(dǎo)致調(diào)頻能力下降[3],無功支撐不足導(dǎo)致電壓穩(wěn)定問題突出[4]，耦合關(guān)系復(fù)雜導(dǎo)致功角穩(wěn)定難度加大[5]，電力電子裝置易誘發(fā)次/超同步振蕩[6]。結(jié)果導(dǎo)致：一方面，系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加劇；另一方面，隨著煤電等電網(wǎng)友好型機(jī)組的減少，預(yù)防、抵御和清除風(fēng)險(xiǎn)使得系統(tǒng)恢復(fù)并保持安全穩(wěn)定運(yùn)行的措施手段“捉襟見肘”。

據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司測(cè)算，“十四五”期間其經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)最大日峰谷差將達(dá)到4億千瓦，最大日峰谷差率（峰谷差與最高負(fù)荷的比率）將增至35%，疊加可再生能源的“反調(diào)峰”特性，系統(tǒng)的調(diào)峰能力將面臨較大挑戰(zhàn)。

近十年來，我國(guó)甘肅、內(nèi)蒙古、河北等地發(fā)生多起風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)事故；新疆等地發(fā)生寬頻帶振蕩100余次；2015年7月，哈密山北地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的次同步諧波引發(fā)花園電廠機(jī)組軸系次同步扭振保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致3臺(tái)66萬千瓦機(jī)組同時(shí)跳機(jī)。

其他國(guó)家也出現(xiàn)過很多類似的案例，如2019年8月，英國(guó)電網(wǎng)線路遭到雷擊停運(yùn)后發(fā)生霍恩風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)、燃?xì)怆娬就C(jī)等連鎖故障，損失負(fù)荷93.1萬千瓦，導(dǎo)致包括首都倫敦在內(nèi)多地的100萬人受停電影響，社會(huì)秩序混亂。

（三）極端天氣頻發(fā)帶來的停電風(fēng)險(xiǎn)

近年來，隨著全球氣候變暖，“十年一遇”“幾十年一遇”甚至“百年一遇”的災(zāi)害不時(shí)出現(xiàn)，傳統(tǒng)意義上罕見的極端天氣變得更加頻繁。2019年，澳大利亞在90天內(nèi)打破了206項(xiàng)高溫記錄；2020年，我國(guó)浙江省梅雨量破歷史記錄，7月雷暴天氣頻發(fā)，雷云向地面放電共計(jì)20萬余次。高比例可再生能源發(fā)電與天氣高度耦合，電力系統(tǒng)面臨極端天氣負(fù)荷需求高漲、化石燃料供應(yīng)短缺、可再生能源發(fā)電量降低、發(fā)輸變電設(shè)備故障等風(fēng)險(xiǎn)。

2008年，湖南電網(wǎng)遭遇冰災(zāi)，全省33條500千伏線路跳閘126次，斷線14條，倒塔182基；246條220千伏線路跳閘683次，斷線42條，倒塔633基；500千伏變電站停運(yùn)數(shù)達(dá)50%，導(dǎo)致電網(wǎng)解列，450萬人受停電影響兩個(gè)星期。

2016年9月，澳大利亞南部電網(wǎng)受臺(tái)風(fēng)暴雨影響，多條輸電線路故障跳閘，風(fēng)電機(jī)組因運(yùn)行調(diào)節(jié)能力不足而大規(guī)模脫網(wǎng)，全網(wǎng)損失負(fù)荷183萬千瓦，導(dǎo)致約170萬人受停電影響7小時(shí)；2017年2月受極端高溫天氣影響，用電負(fù)荷激增，而風(fēng)電出力又低于預(yù)測(cè)，導(dǎo)致澳大利亞南部電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用緊張，區(qū)外受電電力持續(xù)超越聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定限額，不得不拉閘限電，損失負(fù)荷30萬千瓦。

2021年2月，美國(guó)得克薩斯州經(jīng)歷百年一遇的寒潮，用電需求激增、天然氣管線受凍輸送受阻、風(fēng)電機(jī)組被凍結(jié)等多重因素作用下發(fā)生大面積、長(zhǎng)時(shí)間停電，400多萬戶家庭受到影響，部分家庭停電時(shí)間超過72小時(shí)，電費(fèi)暴漲。

（四）網(wǎng)絡(luò)外力攻擊帶來的調(diào)控風(fēng)險(xiǎn)

風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電多點(diǎn)分散接入的特點(diǎn)使得電力系統(tǒng)安全控制難度增大，加之?dāng)?shù)字化、信息化技術(shù)在電力系統(tǒng)感知與控制中的大規(guī)模滲透，如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）等，以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)融合互動(dòng)需求的增強(qiáng)，導(dǎo)致電力調(diào)控系統(tǒng)受到人為外力破壞或通過網(wǎng)絡(luò)攻擊引發(fā)大面積停電事故的風(fēng)險(xiǎn)增加。

近年來，黑客或其他組織通過網(wǎng)絡(luò)攻擊手段入侵電、水、油、氣等能源工控系統(tǒng)并最終對(duì)目標(biāo)進(jìn)行破壞的事件頻發(fā)。2010年，伊朗納坦茲核電站遭受“震網(wǎng)”病毒攻擊，核設(shè)備產(chǎn)生故障，造成了核發(fā)展計(jì)劃的延緩，又在2020年發(fā)生了疑似由網(wǎng)絡(luò)攻擊引發(fā)的核設(shè)備事故；2014年，“蜻蜓”黑客組織制造“超級(jí)電廠”病毒，阻斷多國(guó)電力供應(yīng)；2015年12月，烏克蘭電網(wǎng)遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊，導(dǎo)致包括首都基輔在內(nèi)的140萬人受停電影響3～6小時(shí)，據(jù)信息安全組織報(bào)道，黑客采用了多種手段對(duì)烏克蘭電網(wǎng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)攻擊，包括：植入“BlackEnergy”惡意軟件使調(diào)度中心無法遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站狀態(tài)；通過穿透通信協(xié)議，進(jìn)行惡意倒閘，切除變電站負(fù)荷；通過拒絕式服務(wù)攻擊阻斷事故報(bào)告；通過惡意軟件擦除攻擊痕跡。

三、對(duì)策建議：實(shí)現(xiàn)“六個(gè)轉(zhuǎn)變”

總的來看，2030年之前，由于可再生能源比例相對(duì)較低，且煤電等電網(wǎng)友好型電源還發(fā)揮著基石作用，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)可控。2030年之后，隨著碳中和進(jìn)程加快，可再生能源占比持續(xù)上升，與此相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)也將大幅上升。需提前做好認(rèn)識(shí)和行動(dòng)的準(zhǔn)備，堅(jiān)持居安思危、未雨綢繆、系統(tǒng)施策，做到“六個(gè)轉(zhuǎn)變”（見圖2），保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 “六個(gè)轉(zhuǎn)變”應(yīng)對(duì)措施

（一）堅(jiān)持各種能源統(tǒng)籌協(xié)同發(fā)展

以電力安全保障需求為導(dǎo)向，提早研究煤電的去留與定位，推動(dòng)煤電由“主體電源”向“基礎(chǔ)性和調(diào)節(jié)性電源”轉(zhuǎn)變，統(tǒng)籌電力供應(yīng)安全與綠色低碳發(fā)展；以保障可再生能源消納為導(dǎo)向，提早研究抽水蓄能、氣電、儲(chǔ)能等靈活性資源的發(fā)展與定位，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)展與系統(tǒng)消納能力相適應(yīng)，統(tǒng)籌發(fā)展質(zhì)量與發(fā)展速度。

（二）加快可再生能源角色轉(zhuǎn)變

可再生能源發(fā)電正在逐步從“補(bǔ)充電源”變?yōu)椤爸髁﹄娫础保鳛橹髁﹄娫磩t不可再那么“隨性”。一方面，加快《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T19963-2011）、《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T19964-2012）等標(biāo)準(zhǔn)的修訂，推動(dòng)可再生能源發(fā)展從“他助”到“自助”的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)自身的頻率、電壓等主動(dòng)支撐能力；另一方面，需完成從“免費(fèi)”到“付費(fèi)”的轉(zhuǎn)變。在可再生能源電源自身已經(jīng)盡力調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，還需電力系統(tǒng)其它成員提供的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)，建立合理的市場(chǎng)機(jī)制和盈利模式，并按“誰提供、誰獲益；誰受益、誰承擔(dān)”的原則加快并規(guī)范輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)。

（三）強(qiáng)化細(xì)化電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理

對(duì)于極端天氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)，建立高預(yù)見性、高精度的天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)和極端天氣預(yù)警系統(tǒng)，按極端天氣概率和影響范圍，建立差異化的電力保障預(yù)案，實(shí)現(xiàn)從“臨時(shí)應(yīng)對(duì)”到“事前預(yù)案”的轉(zhuǎn)變，優(yōu)先保障居民的電力供應(yīng)，同時(shí)應(yīng)完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，著力解決電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)電網(wǎng)彈性。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控系統(tǒng)從“被動(dòng)防御”到“主動(dòng)防御”的轉(zhuǎn)變，設(shè)置調(diào)控設(shè)備準(zhǔn)入機(jī)制，加強(qiáng)漏洞排查，健全事故預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，提升網(wǎng)絡(luò)安全事件取證和追蹤能力。

（四）加快推動(dòng)電力系統(tǒng)技術(shù)變革

隨著可再生能源比例的逐步提高，可再生能源將實(shí)現(xiàn)從“并網(wǎng)”到“組網(wǎng)”的轉(zhuǎn)變，需超前研究超高比例可再生能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定機(jī)理、仿真分析模型，推動(dòng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)和多能互補(bǔ)，避免路徑依賴，建立全新的電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理體系。

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注：原文載自《中國(guó)工程咨詢》2021年第8期，本次發(fā)表略有改動(dòng)。文中圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。