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編者按：我國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關中華民族永續(xù)發(fā)展和構建人類命運共同體。能源領域碳排放總量大、占比高，是實現綠色低碳轉型和高質量發(fā)展的關鍵。公司能源業(yè)務部成立了以張宗玟等部門領導為核心、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、儲能、煤炭等方面高質量發(fā)展進行了探索性研究，以推動構建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進研究成果的應用，本公眾號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。

碳達峰碳中和背景下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的風險挑戰(zhàn)與對策研究

梁雙 潘小海 張宗玟 張茗洋

摘要：碳達峰碳中和目標愿景下，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，電源結構、系統(tǒng)特性、運行方式和主要風險等方面均將發(fā)生深刻變革，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提出新的挑戰(zhàn)。本文結合我國電力系統(tǒng)發(fā)展現狀，分析了電源結構變革、系統(tǒng)特性變革、極端天氣頻發(fā)和網絡外力攻擊等因素對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的風險挑戰(zhàn)，并從能源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展、可再生能源角色轉變、風險管理和技術變革等角度提出了“六個轉變”的對策建議。

關鍵詞：碳達峰碳中和；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，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，明確了我國綠色低碳發(fā)展的時間表。循跡溯源，我國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，隨著終端電氣化水平的提升，這一比例呈上升趨勢。因此，加快電力系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展是實現碳達峰碳中和目標的必由之路。

2020年12月12日，習近平總書記在氣候雄心峰會上發(fā)表重要講話并宣布，到2030年，我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上提出，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

電源結構的革命性變化，必然帶來電力系統(tǒng)運行特性的深刻變化，風光等可再生能源發(fā)電具有明顯的隨機性和間歇性，且不具備常規(guī)電源的轉動慣量特性、穩(wěn)定的頻率支撐和動態(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)定運行將面臨巨大挑戰(zhàn)[1][2]，需要提前謀劃，采取差異化應對策略。

一、電力系統(tǒng)發(fā)展現狀

目前，我國電網已形成以華北、華中、華東、東北、西北、南方等區(qū)域電網為主體，區(qū)域電網間交直流互聯(lián)，覆蓋全部?。▍^(qū)、市）的大型電網。截至2020年底，全國220千伏及以上輸電線路長度78.98萬千米，同比增長4.6%；220千伏及以上變電設備容量448680萬千伏安，同比增長為5.2%。全國電網發(fā)電裝機22億千瓦，同比增長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、風電2.82億千瓦、太陽能發(fā)電2.53億千瓦（見圖1）。我國電網規(guī)模和發(fā)電裝機規(guī)模均居世界首位。2020年全社會用電量75110億千瓦時，同比增長3.1%，“十三五”年均增速5.7%。

圖1 2020年底我國電源結構

注：數據來源于2020年國家能源局全國電力工業(yè)統(tǒng)計數據

根據國際能源署（International Energy Agency，IEA）和英國石油公司（British Petroleum，BP）公布數據，2020年全球能源相關二氧化碳排放323億噸，我國二氧化碳排放量約99億噸，占全球總排放量的30%。我國能源行業(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領域電氣化進程的推進，電力行業(yè)碳排放壓力將持續(xù)上升。因此，電力系統(tǒng)低碳轉型將關系到全社會深度脫碳目標的實現。

二、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行風險

（一）電源結構變革帶來的供應風險

長期以來，我國電力供應以煤電等高碳電源為主，裝機占比始終在50%以上，2020年煤電裝機達到10.8億千瓦，發(fā)電量4.63萬億千瓦時，裝機占比首次降至50%以下，但發(fā)電量占比仍超過60%。

碳達峰、碳中和目標愿景下，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召，電力供應轉向風、光等低碳電源，但風、光具有明顯的隨機性、間歇性，光伏夜間出力為零，風電出力低于20%的概率高達50%、出力高于70%的概率不高于10%。據歷史資料顯示，新疆某地風電低于裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過8天，陜西某地光伏低于裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過4天。間歇性電源供電保障能力弱，而配套的抽水蓄能、儲能等靈活性資源又受站址、成本回收機制等制約，發(fā)展嚴重滯后。《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，僅完成了目標增長量的47%、72%，較目標值低900萬千瓦、1400萬千瓦。因此，電力供應或長期處于緊平衡甚至區(qū)域性短缺狀態(tài)。

由于經濟快速恢復增長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，全國用電負荷連續(xù)4次創(chuàng)歷史新高。特別是2021年1月7日，晚間用電負荷高峰達到11.89億千瓦，在22億千瓦電力裝機中，2.5億千瓦光伏出力為零，2.8億千瓦風電出力僅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%，電力供應逼近安全極限。2021年初，湖南、江西、浙江、江蘇等省都出現了不同程度的限電，影響了居民取暖照明等基本生活保障。

（二）系統(tǒng)特性變革帶來的運行風險

未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)呈現“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設備）、“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，新的運行特征導致電力系統(tǒng)的頻率、電壓、功角三大核心特性均發(fā)生深刻變化，具體表現為：轉動慣量降低導致調頻能力下降[3],無功支撐不足導致電壓穩(wěn)定問題突出[4]，耦合關系復雜導致功角穩(wěn)定難度加大[5]，電力電子裝置易誘發(fā)次/超同步振蕩[6]。結果導致：一方面，系統(tǒng)的運行風險加?。涣硪环矫?，隨著煤電等電網友好型機組的減少，預防、抵御和清除風險使得系統(tǒng)恢復并保持安全穩(wěn)定運行的措施手段“捉襟見肘”。

據國家電網有限公司測算，“十四五”期間其經營區(qū)域內最大日峰谷差將達到4億千瓦，最大日峰谷差率（峰谷差與最高負荷的比率）將增至35%，疊加可再生能源的“反調峰”特性，系統(tǒng)的調峰能力將面臨較大挑戰(zhàn)。

近十年來，我國甘肅、內蒙古、河北等地發(fā)生多起風機大規(guī)模脫網事故；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)風電場產生的次同步諧波引發(fā)花園電廠機組軸系次同步扭振保護動作，導致3臺66萬千瓦機組同時跳機。

其他國家也出現過很多類似的案例，如2019年8月，英國電網線路遭到雷擊停運后發(fā)生霍恩風電場脫網、燃氣電站停機等連鎖故障，損失負荷93.1萬千瓦，導致包括首都倫敦在內多地的100萬人受停電影響，社會秩序混亂。

（三）極端天氣頻發(fā)帶來的停電風險

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”的災害不時出現，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天內打破了206項高溫記錄；2020年，我國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)面臨極端天氣負荷需求高漲、化石燃料供應短缺、可再生能源發(fā)電量降低、發(fā)輸變電設備故障等風險。

2008年，湖南電網遭遇冰災，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；500千伏變電站停運數達50%，導致電網解列，450萬人受停電影響兩個星期。

2016年9月，澳大利亞南部電網受臺風暴雨影響，多條輸電線路故障跳閘，風電機組因運行調節(jié)能力不足而大規(guī)模脫網，全網損失負荷183萬千瓦，導致約170萬人受停電影響7小時；2017年2月受極端高溫天氣影響，用電負荷激增，而風電出力又低于預測，導致澳大利亞南部電網內機組旋轉備用緊張，區(qū)外受電電力持續(xù)超越聯(lián)絡線穩(wěn)定限額，不得不拉閘限電，損失負荷30萬千瓦。

2021年2月，美國得克薩斯州經歷百年一遇的寒潮，用電需求激增、天然氣管線受凍輸送受阻、風電機組被凍結等多重因素作用下發(fā)生大面積、長時間停電，400多萬戶家庭受到影響，部分家庭停電時間超過72小時，電費暴漲。

（四）網絡外力攻擊帶來的調控風險

風電、光伏等可再生能源發(fā)電多點分散接入的特點使得電力系統(tǒng)安全控制難度增大，加之數字化、信息化技術在電力系統(tǒng)感知與控制中的大規(guī)模滲透，如數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、廣域測量系統(tǒng)（WAMS）等，以及源網荷儲融合互動需求的增強，導致電力調控系統(tǒng)受到人為外力破壞或通過網絡攻擊引發(fā)大面積停電事故的風險增加。

近年來，黑客或其他組織通過網絡攻擊手段入侵電、水、油、氣等能源工控系統(tǒng)并最終對目標進行破壞的事件頻發(fā)。2010年，伊朗納坦茲核電站遭受“震網”病毒攻擊，核設備產生故障，造成了核發(fā)展計劃的延緩，又在2020年發(fā)生了疑似由網絡攻擊引發(fā)的核設備事故；2014年，“蜻蜓”黑客組織制造“超級電廠”病毒，阻斷多國電力供應；2015年12月，烏克蘭電網遭遇網絡攻擊，導致包括首都基輔在內的140萬人受停電影響3～6小時，據信息安全組織報道，黑客采用了多種手段對烏克蘭電網進行了網絡攻擊，包括：植入“BlackEnergy”惡意軟件使調度中心無法遠程監(jiān)控變電站狀態(tài)；通過穿透通信協(xié)議，進行惡意倒閘，切除變電站負荷；通過拒絕式服務攻擊阻斷事故報告；通過惡意軟件擦除攻擊痕跡。

三、對策建議：實現“六個轉變”

總的來看，2030年之前，由于可再生能源比例相對較低，且煤電等電網友好型電源還發(fā)揮著基石作用，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的風險相對可控。2030年之后，隨著碳中和進程加快，可再生能源占比持續(xù)上升，與此相關的風險和挑戰(zhàn)也將大幅上升。需提前做好認識和行動的準備，堅持居安思危、未雨綢繆、系統(tǒng)施策，做到“六個轉變”（見圖2），保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖2 “六個轉變”應對措施

（一）堅持各種能源統(tǒng)籌協(xié)同發(fā)展

以電力安全保障需求為導向，提早研究煤電的去留與定位，推動煤電由“主體電源”向“基礎性和調節(jié)性電源”轉變，統(tǒng)籌電力供應安全與綠色低碳發(fā)展；以保障可再生能源消納為導向，提早研究抽水蓄能、氣電、儲能等靈活性資源的發(fā)展與定位，實現可再生能源發(fā)展與系統(tǒng)消納能力相適應，統(tǒng)籌發(fā)展質量與發(fā)展速度。

（二）加快可再生能源角色轉變

可再生能源發(fā)電正在逐步從“補充電源”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《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》（GB/T19963-2011）、《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》（GB/T19964-2012）等標準的修訂，推動可再生能源發(fā)展從“他助”到“自助”的轉變，增強自身的頻率、電壓等主動支撐能力；另一方面，需完成從“免費”到“付費”的轉變。在可再生能源電源自身已經盡力調節(jié)的基礎上，還需電力系統(tǒng)其它成員提供的調峰、調頻、調壓等輔助服務，建立合理的市場機制和盈利模式，并按“誰提供、誰獲益；誰受益、誰承擔”的原則加快并規(guī)范輔助服務市場建設。

（三）強化細化電力系統(tǒng)風險管理

對于極端天氣帶來的風險，建立高預見性、高精度的天氣預測系統(tǒng)和極端天氣預警系統(tǒng)，按極端天氣概率和影響范圍，建立差異化的電力保障預案，實現從“臨時應對”到“事前預案”的轉變，優(yōu)先保障居民的電力供應，同時應完善網絡結構，著力解決電網薄弱環(huán)節(jié)，加強電網彈性。對于網絡攻擊風險，應進一步加強安全防護，實現調控系統(tǒng)從“被動防御”到“主動防御”的轉變，設置調控設備準入機制，加強漏洞排查，健全事故預警和應急響應機制，提升網絡安全事件取證和追蹤能力。

（四）加快推動電力系統(tǒng)技術變革

隨著可再生能源比例的逐步提高，可再生能源將實現從“并網”到“組網”的轉變，需超前研究超高比例可再生能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定機理、仿真分析模型，推動源網荷儲和多能互補，避免路徑依賴，建立全新的電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行、管理體系。

參考文獻

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[3]  陳國平,李明節(jié),許濤等.關于新能源發(fā)展的技術瓶頸研究[J].中國電機工程學報,2017,37(1):20-26.

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[5]  楊鵬,劉鋒,姜齊榮等."雙高"電力系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定性：問題、挑戰(zhàn)與展望[J].清華大學學報(自然科學版),2021,61(05):403-414.

[6]  馬寧寧,謝小榮,賀靜波等.高比例新能源和電力電子設備電力系統(tǒng)的寬頻振蕩研究綜述[J].中國電機工程學報,2020,40(15):4720-4732.

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