電力系統受極端天氣的影響分析及其適應策略

盧賡，鄧婧，王渝紅，曹靜，岳云峰

電力系統受極端天氣的影響分析及其適應策略

盧賡1，鄧婧2*，王渝紅3，曹靜1，岳云峰1

（1．中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東省 廣州市 510663；2．廣州城市理工學院電氣工程學院，廣東省 廣州市 510800；3．四川大學電氣工程學院，四川省 成都市 610065）

氣候變化對人類社會的影響越來越受關注，隨之而來的一系列極端天氣引發系統斷電的風險也越來越顯著。為應對氣候變化尤其是極端天氣，人類社會需采取減緩和適應2種應對策略，對于發展中國家與小島國，由于氣候變化已經發生，因此氣候問題將首先是適應問題。為解決電力系統如何從各個環節完整地適應氣候變化問題，建立了一個適應氣候變化的電力系統發展體系，提出一種涵蓋極端氣象因素的電力系統發展路徑構建方法。在總結各種極端天氣對電力系統影響的基礎上，對電網的脆弱性進行評價；研究了適應極端天氣的總體策略，并提出電力系統適應極端天氣事件的方案，即規劃–建設–應急管理–評估(planning-construction-emergency management-assessment，PCEA)抗災體系。在規劃階段重點進行保底電網規劃，構建不停電最小電網主干網；基于方案不同階段的應用實例，驗證了PCEA體系可以促使電力系統更好地適應極端天氣。

電力系統；氣候變化；極端天氣；保底電網規劃；不停電最小電網主干網

0 引言

全球氣候變暖、海平面上升等現象表明氣候變化是既成事實，各個國家和地區都面臨著極端天氣事件增加的風險，氣象極端事件對整個社會經濟發展也帶來了相當大的危害。由于氣候變化持續發生，隨之而來的一系列極端氣象引起的負面因素將變得越來越顯著，并對制定自然災害方面的應對策略上產生更重要的影響[1-4]。

電力基礎設施是能源基礎設施的重要組成部分，電能已成為人們生活不可或缺的一部分。而氣候變化正不斷影響著電力基礎設施的運行，一方面，由于氣候變化在短時間內沒有得到緩解，電力設施仍然面臨著極端氣象災害的威脅；另一方面，現有電力系統標準和法規尚未考慮氣候變化的調整和修改，以及對電力設施造成的危害。由于極端天氣等氣候變化可能引發系統斷電的風險，因此電力系統發展策略必須考慮氣候變化的因素。為應對氣候變化，電力系統發展策略可采取減緩和適應2種方式[5]。

減緩即通過提升光伏、風電等新能源的比例等措施減少溫室氣體的排放。文獻[6-8]提出應用新能源電力系統、能源互聯網等減緩對氣候變化的影響。文獻[9-11]通過電力系統節能減排措施達到電源出力優化。文獻[12-15]在低碳環境下對電源側的優化規劃進行研究。文獻[16-17]論述了我國在應對氣候變化時新能源的發展趨勢及帶來的新機遇。

適應即接受氣候變化的客觀事實，主動尋找解決的策略。文獻[18-19]將氣候災害預測運用于電力系統早期預警中。文獻[20-22]在不同極端氣候災害下，采取故障風險評估等措施來保證電力系統的穩定性并減少電力系統的損失。文獻[23-29]對極端天氣引發的停電事故進行分析與總結，并提出改進的措施及建議。文獻[30-33]分析全球暖化對電力系統發、輸、配、用電各環節的影響，總結電力系統主動和被動應對全球暖化的技術措施。文獻[34]面向彈性配電網防災減災，提出組件重要度評價指標與評估方法。

對于發展中國家與小島國，由于氣候變化已經發生，雖然減緩策略是根本性措施，但是適應策略是基于本國的經濟實力去主動尋找解決方案，收益明顯且迫在眉睫，因此，解決氣候對電力系統的影響問題將首先是適應問題。然而從以上研究來看，目前電力系統應對極端天氣的適應策略是從規劃、建設及運營等各階段尋求解決方案，未形成一個完整的體系。未來電力系統的發展也同樣需要統一考慮電力系統擴展的經濟性，以及應對氣候變化特別是應對極端天氣的能力，以最小化投資運行成本與氣象災害損失總和為目標，在加強抗災能力的同時，兼顧電力工業投資和運行的經濟性，建設經濟、安全和抗災的電力系統。

針對上述問題，本文從建立適應氣候變化的電力系統發展體系角度出發，提出構建涵蓋極端氣象因素的電力系統發展路徑的方法，即規劃–建設–應急管理–評估(planning-construction- emergency management-assessment，PCEA)抗災體系，從電力系統規劃階段開始就考慮電力設施應對氣候變化的因素。最后，通過實例分析驗證抗災體系的抗災能力。

1 氣候變化及其影響

1.1 氣候變化觀測及預測

全球氣候變暖已是事實，溫室氣體排放改變了大氣中的溫室氣體濃度，直接影響的氣候變量是氣溫和降水量。全球平均氣溫上升，降雨頻繁，氣象更加多變和極端。政府間氣候變化專門委員會(intergovernmental panel on climate change，IPCC)第5次評估報告指出：1880—2012年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，升高了0.85℃；2003—2012年平均溫度比1850—1900年平均溫度上升了0.78℃。全球海洋表面和陸地平均溫度趨勢如圖1所示。

圖1 全球海洋表面和陸地平均溫度趨勢

圖2為預測的6—8月RCP2.6與RCP8.5這2種情況下亞洲陸地區域溫度異常趨勢，其中粗線代表平均水平，細線代表模型預測。根據巴黎共識方案(RCP2.6)，預計到2050年亞洲陸地區域夏季平均變暖幅度達到2℃，到2100年將保持或低于這一水平，隨后，全球變暖趨勢趨于平穩，全球平均氣溫在21世紀末之前保持在2℃左右。在不采取節能減排調控措施的情況下(RCP8.5)，預計到2100年，亞洲陸地區域夏季氣溫將上升 6℃，氣候變暖的趨勢并沒有放緩的跡象。氣候模式預測表明，與高緯度地區相比，亞洲夏季增溫較強，氣溫上升可達8℃。

圖2 亞洲陸地區域的溫度預測

1.2 氣象災害變化

氣候變暖導致極端天氣、氣候事件和重大自然災害頻繁發生，在過去40年中，應急事件數據庫(emergency events database，EM-DAT)記錄的全球自然災害頻率增加了近3倍，從1975—1984年的1300多起增加到2005—2014年的3900多起(見圖3)。在此期間，水文(洪水)和氣象(暴雨、風暴、熱浪)事件的數量急劇增加[35-36]。雖然氣候變化與自然災害之間的因果關系尚未明確，但人類仍面臨著與氣候有關的自然災害頻發的事實。

圖3 1970—2014年按類型分列的全球自然災害頻次

1.3 典型氣象災害

1.3.1 極端氣溫

全球升溫1.5～4℃閾值下，對于不同的升溫閾值，亞洲地區平均溫度的升高幅度都高于全球，極端高(低)溫的平均值和變化幅度都將加大，未來出現極熱天氣的概率會大幅度提高，極冷天氣將會減少。

東南亞預計是受極端熱影響最嚴重的地區，在這一地區，如果氣候變暖按照RCP8.5的預測繼續上升，每年將會出現前所未有的夏季高溫。將全球變暖限制在2℃，可以在很大程度上減少極端熱的發生。

1.3.2 風暴

隨著全球平均氣溫上升，預計亞太地區發生強臺風的頻率將有所增加。1949—2016年，登陸中國熱帶氣旋的數量沒有明顯的變化趨勢(見圖4)，但是從強度更大、破壞力更強的強臺風(STY)和超強臺風(SuperTY)來看，自1990年以來有明顯增多的趨勢，尤其是進入21世紀以來，強臺風以上等級的數量顯著增加。

對于臨近西北太平洋臺風源地或北印度洋颶風源地的東南亞、東亞、南亞甚至西亞的沿海國家和地區，應在防御強度更大的熱帶氣旋上采取有效的措施。

1.3.3 強降水

受各種氣候因素的綜合影響，亞洲地區的降水有明顯的空間差異和季節差異。全球升溫1.5～4 ℃閾值下，隨著升溫閾值的提高，亞洲地區的平均降水量總體將會增加，但存在不同的區域特征，降水量增加主要出現在北亞和中亞，西亞地區的平均降水量雖然變化不大，但在模式和情景間的差別最大。未來隨著全球變暖，亞洲地區在極端降水過程的總量有所增加的同時，極端強降水事件所產生的概率也將增大。

從災情變化趨勢上看，中國多年強降雨事件發生頻次呈上升趨勢，強降雨事件的增多導致極端降雨洪澇災害損失絕對值也呈上升趨勢，如圖5所示。從經濟損失情況來看，中國極端降雨洪澇災害造成的經濟損失總量呈增加趨勢；從受災面積來看，其與成災面積均有上升的趨勢，特別是1970年以來的上升趨勢更加明顯。

1.3.4 低溫冰凍

冰凍主要由雨凇、霧凇、濕雪凍結而成。隨著電力、通信網絡的快速發展，冰凍已成為影響社會經濟發展的一種重要的氣象災害。導線覆冰是在0℃或以下，過冷卻水滴(或霧滴)在風等輸送因子促動下與輸電線路導線表面碰撞并凍結在導線表面產生的現象。導線覆冰形成的必要氣象條件是：0℃以下的凍結氣溫、較高的空氣濕度、較低的風速(2～7 m/s)。

圖5 中國1950—2010年暴雨洪澇災害災情變化

Fig. 5 Changes of rainstorm and flood disasters in China from 1950 to 2010

亞洲的低溫冰凍災害主要是因為來自極地的強冷空氣及寒潮侵入造成的連續多日氣溫下降，主要出現在緯度較高的地區，包括東亞北部、中亞、南亞北部等地區。

1.3.5 雷暴

雷暴是一種產生于強對流天氣系統下的常見災害性天氣現象。雷暴在亞洲分布廣泛，通常緯度越低，雷暴越多。東南亞各國地處低緯度，屬熱帶雨林氣候區，是雷暴發生較頻繁的地區。印度尼西亞是發生雷暴最多的國家之一，素有“雷暴王國”之稱，僅爪哇島的茂物一年就有322個雷暴日，平均每天打雷30～40次。在亞熱帶和溫帶等中緯度地區，雷暴則通常發生在夏季，有時在冬季也會受冷鋒影響而有短時性雷暴。不同地區的雷暴具有不同的年際變化特征和周期性。

2 極端天氣對電力系統的影響

極端天氣呈現不斷增多是近年來氣候變化的一個重要特征，極端天氣是指具有災害性和突發性的惡劣氣候事件。電力系統作為一種跨越遼闊地域的人造系統，總是在一定范圍內維持正常運行，而氣候條件往往又是決定其安全運行的關鍵因素。

由于電力系統的特殊性，大量電力設施需布置在戶外。極端天氣對該地域電力系統產生的直接影響將對戶外電力設施造成破壞，進而引發大規模的停電。極端天氣事件對電力系統最大的影響是造成突然和不可預見的電力供應中斷。

雖然極端天氣是小概率事件，但由其導致的故障占電網故障的比例相當大，對電力系統的危害不容忽視。隨著極端天氣發生的頻率和強度的加劇，其帶給電力系統的危害還將上升。

2.1 風暴災害對電力系統的影響

對于電力生產，風暴災害可導致風力發電機組因超過極限風速而停運，沿海發電廠受風暴潮淹沒而停運，火電廠因燃料運輸受阻而降低機組出力。

對于發電廠、變電站設施，風暴災害可導致高壓電氣設備外部漂浮物短接閃絡跳閘，風荷載過大造成外絕緣套管斷裂、金具附件脫落，以及建筑物門窗損壞，從而危及戶內設備安全運行。

對于輸電線路，風暴災害影響尤為嚴重，可導致導線風偏閃絡、外部漂浮物短接閃絡跳閘，風荷載過大造成絕緣子金具脫落、導地線斷股或斷線、桿塔結構損壞等[37-38]，使供電長期中斷。

2.2 低溫冰凍災害對電力系統的影響

對于電力生產，低溫冰凍災害可導致電廠循環冷卻塔結冰，使其冷卻能力下降，最終導致發電能力下降。另外，因燃料運輸受阻也會降低機組出力。

對于發電廠、變電站設施，低溫冰凍災害可導致高壓電氣設備絕緣部件覆冰閃絡、設備傳動結構覆冰無法動作、建筑物冰雪過載受損等。

對于輸電線路，低溫冰凍災害影響尤為嚴重，可導致導地線過載斷線、導線對地或導線相間間距不足閃絡、絕緣子覆冰閃絡、絕緣子及金具 脫落、桿塔結構損壞等[39]，使供電長期中斷。

2.3 雷暴災害對電力系統的影響

雷暴災害可引起發電機組跳閘停運、變電站和線路帶電體雷擊閃絡、絕緣部件受損、導地線斷股或斷線等故障。

2.4 強降雨災害對電力系統的影響

強降雨災害可導致太陽能電站停發、火電廠因燃料運輸受阻而降低機組出力，所引發的洪水淹沒低洼地區的發電廠、變電站，滑坡、泥石流等次生災害損壞線路桿塔等設施。

2.5 極端高溫天氣對電力系統的影響

極端高溫天氣導致火電廠冷卻效率下降，致使出力降低，造成輸電設備過熱受損、輸送容量減小。

3 電力系統應對極端天氣的總體策略

3.1 應對極端天氣的抗災策略概述

應對氣候變化，電力系統需要同時采取減緩和適應2種策略。其中：減緩策略能降低氣候變化的速率和范圍；而適應策略則能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。減緩策略是一項相對長期、艱巨的任務，而適應策略則更為現實、緊迫[5]。

氣候變化中的極端天氣是一種十分特殊的情景，雖然出現的概率低，但是危害性大，與日常情景區別非常大。從極端天氣對電力系統的影響來看，為使電力系統具備較強抵御極端天氣的能力，將損失控制在可接受范圍內并獲得更好的收益，需重視電網的氣候適應勘測。因此，本文從建立適應氣候變化的電力系統發展體系角度出發，提出構建涵蓋極端氣象因素的電力系統適應策略，即PCEA抗災體系，其包含4個流程，如圖6所示。

圖6 電力系統適應策略圖

1）規劃階段：需要識別極端天氣的風險，研究電網抵御能力，尋找薄弱環節。根據不同的風險，從系統規劃和氣象災害分布的角度評估電網的可靠性，識別區域內重要設施和負荷，并采取相應的適應措施，提出不停電最小電網主干網的概念、目標和建設范圍。

2）建設階段：結合氣象災害的分布、影響以及保底電網建設，提出應對各種氣象災害的電力設施對策、保護措施以及不同的電網加固方法(恢復或者局部重建)。

3）應急階段：根據氣候變化和氣象部門發布的預警信息制定應急預案，利用應急指揮平臺監測電網運行情況，極端天氣過程中根據電力系統狀態合理調度，根據受損情況和用戶重要度安排搶修，盡快恢復供電。

4）評估階段：從經濟、環境、社會3個方面進行評估，找出需要改進的問題。建立適應氣候變化的電力系統彈性指標，在項目實施后收集、計算和評估度量的變化，評估項目的投資收益。根據歷史極端天氣氣象資料、電力系統運行狀況、反應過程和破壞情況，驗證項目實施的效果，進而總結經驗教訓、提出改進措施，提升下一個周期的實施效果。

3.2 規劃階段

PCEA抗災體系下的電網規劃與傳統規劃最顯著的區別在于制定了一個保底電網規劃。

3.2.1 保底電網規劃的必要性

為合理地確定電力系統應對極端天氣的投入，需進行保底電網規劃。由于極端天氣往往作用范圍廣且破壞力巨大，若不加區別地提高防災等級以保全所有電力設施，則所導致的工程量和投資往往很大，在實踐中不具有可操作性。電力系統抗災需要在投入和效益之間做好平衡，若投入過多，投資將缺乏經濟效益；若投入不足，將不能產生有效的防災效果。實踐表明，通過保底電網規劃對一個區域20%～30%的站點和線路進行重點加強，可以獲取較好的抗災效益[40-41]。

3.2.2 保底電網規劃的內容

保底電網是針對極端天氣情況，以保障城市基本運轉、盡量降低社會影響為出發點，以應急機構、核心基礎設施等重要用戶為保障對象，選取重要變電站、重要線路和抗災保障電源進行差異化建設維護，保障城市應急機構不停電、核心基礎設施可快速復電的最小規模網架[42]。為實現這一最小規模網架而進行的規劃稱為保底電網規劃。在極端天氣下，區域電網可能解列為若干個保底電網，以維持最低限度的運行。

3.2.3 保底電網規劃的步驟

1）獲取重要用戶清單。通過對供電區內的用戶調查，梳理出重要客戶清單。重要用戶是對于保障社會運行有重要意義，電力供應中斷會給社會運行和經濟上造成重大損失的用戶。重要用戶通常包括：城市核心區域和用戶，如政府、醫院等；連續生產的工業，如鋼鐵廠、化工廠等；大量人員活動場所，如大型體育場、商業場所等。

2）確定輻射型基礎供電網架，即針對重要用戶基礎保障網架。按“向重要用戶供電的低壓到高壓路徑”的方式自下而上梳理向重要用戶的供電路徑，如10kV 線路—110kV站點—110kV 線路—220kV 站點—220kV 線路—500kV 站點，由點到面地形成電網向重要用戶供電的輻射型魚骨網架。

3）整合橫向網架，確定保底電網。在輻射型魚骨網架基礎上，根據重要用戶、快速恢復聯絡通道、保障電源等不同方面的目標進行統籌完善，進而形成完整的保底電網網架，在地圖上繪制保底電網地理接線圖。

4）識別面臨極端天氣的風險。不同類型的極端天氣發生的時間和空間可能相同，也可能不同，比如嚴寒和熱浪就必然作用在不同時間，而臺風和強降水則往往相伴而生。根據歷史資料和氣象分析，預測這一區域內可能發生的極端天氣、發生時間以及發生區域，繪制極端天氣分布地圖。如臺風登陸后將迅速衰減，故臺風侵襲的強風區主要位于沿海地區，發生時間為夏季，通過將極端天氣分布地圖與保底電網地理接線圖相疊加，識別保底電網面臨的極端天氣風險。

5）提出建設方案，估算投資，制定實施計劃。按照面臨的不同風險，分析保底電網中電力設施抵御極端天氣風險的能力。對于不能抵御極端天氣風險的設施，提出替代或改造方案(新設施的建設標準在PCEA的建設階段研究)，并估算投資。以優先解決緊迫問題為導向(如在臺風季來臨修復受損線路、加固關鍵線路等)安排資金，制定逐步實施計劃。

6）效益評估、資金籌措。保底電網所產生的投資可視為抗災的前期投入，僅從投資收益方面無法準確地反映保底電網的效益，需從社會效益和投資收益2個方面進行評估。社會效益包括重要用戶抗災能力、電網快速恢復供電能力、黑啟動能力等。保底電網的直接投資回報比較低，如電力部門自有資本不足，應設法獲得低息貸款。

3.2.4 保底電網規劃與傳統電網規劃的關系

保底電網規劃是在傳統電網規劃基礎上進行的，保底電網針對的是重要用戶，在傳統電網局部地區進行差異化的建設。通常先開展傳統電網規劃，再進行保底電網規劃。保底電網規劃提出的新建、替代、改造項目需要結合傳統規劃，盡量利用傳統規劃項目，以獲得較好的投入產出比。在傳統規劃階段需要充分考慮氣象因素，從整體上提升電網供電可靠性和安全性，避免保底電網規劃新增大量建設項目。

3.2.5 保底電網規劃案例

1）臺風經常侵襲的沿海城市

某沿海城市人口約800萬，臺風頻繁，面積超過13萬km2，2018年國內生產總值(gross domestic product，GDP)約為440億美元，中心城區和近郊地區GDP占比達70%。該城市保底電網規劃如圖7所示，計劃構建不停電最小電網主干網，以覆蓋90%的主要客戶和83%的大型住宅區。不停電最小電網主干網包括了該城市電網62%的220kV站點、49%的220kV線路、19%的110kV站點和18%的110 kV線路。由于該城市電網規模相對較小，且核心區域大部分處于強風區，因此不停電最小電網主干網中220kV電網占比相對較高。如果總的220kV系統停電，將至少有一個110kV快速備用電路。

未來5年將投入約3.5億美元，占該區域電網總投資額的37.5%，包括新建和改造37條 220kV、110kV輸電線路。

該城市中心地區與近郊地區的平均停電時間為24h，若因強臺風而導致中心城區及郊區50%區域停電，經濟損失采用產電比方法(以單位電能在不同地區所創造的經濟效益為基礎，對電能價值進行度量)進行簡化計算，則將損失約8500萬美元。

2）臺風較少的城市

某城市位于河流出?？诟浇?，距離海岸線約50km，受臺風影響較小，但經濟地位重要。該城市人口約850萬，面積約2500km2，2018年GDP約1 175億美元。該城市保底電網規劃如圖8所示，計劃構建不停電最小電網主干網，以覆蓋70%的重要客戶和80%中心城區的大型住宅區。不停電最小電網主干網包括了該城市電網10%的220kV站點、9%的220kV線路、4%的110kV站點和3%的110kV線路。如果每個220kV供電片區停電，將至少有一個110kV快速備用電路。

圖8 某臺風較少的城市保底電網規劃

未來5年將投入約1.4億美元，占該區域電網總投資額的8.7%，包括新建和改造8條220kV、110kV輸電線路。

該城市若因臺風而導致中心城區局部(10%)停電，平均恢復供電時間24h，經濟損失用產電比方法進行簡化計算，則將損失約0.32億美元。

3.3 建設階段

3.3.1 應對極端天氣的建設措施

1）風暴天氣應對措施

應對風暴天氣時，對于發電廠、變電站，在電氣設備領域的建設措施有：強風區電氣設備盡量采用戶內布置；提高電氣設備本體和附件的抗風能力；提高廠站用電源的可靠性。在建構筑物領域的建設措施有：充分收集并分析氣象資料，合理確定設計風壓，提高建構筑物的抗風能力；沿海廠站選址充分考慮風暴潮影響。

輸電線路應對措施有：充分收集并分析氣象資料，設立風速觀測裝置，修正區域設計風壓，合理確定設計風壓；路徑選擇避開極大風速區域；減少導線分裂根數，采用低風阻導線；耐張塔跳線采用硬跳線或固定型跳線串；直線塔采用V型懸垂串；提高桿塔在不均勻風作用下的承載能力，降低風振響應影響；補強加固現有桿塔及基礎；重要線路電纜化。

2）低溫冰凍天氣應對措施

應對低溫冰凍天氣時，對于發電廠、變電站，在電氣設備領域的建設措施有：提高開關設備的破冰能力；優化絕緣元件設計，防止冰閃；加裝直流融冰裝置。在建構筑物領域的建設措施有：結構設計充分考慮冰雪荷載及其不均勻性。

輸電線路應對措施有：充分收集并分析氣象資料，設立觀冰站，積累覆冰觀測數據，合理確定設計冰厚；路徑選擇盡量避開重覆冰區域；改善絕緣子串型，防止冰閃；減少導線分裂根數，降低桿塔荷載；減小耐張段長度，控制串倒事故的破壞范圍；加強桿塔承受覆冰縱向荷載能力；建設覆冰預警監測系統，配置線路融冰裝置。

3）雷暴天氣應對措施

應對雷暴天氣時，對于發電廠、變電站，在電氣設備領域的建設措施有：在斷路器的線路側安裝避雷器。在建構筑物領域的建設措施有：建筑物屋頂敷設置閉合避雷帶，構筑物頂部設置避雷針或避雷線。

輸電線路應對措施有：提高線路絕緣水平，包括加大絕緣子串長和塔頭尺寸；同塔多回線路采用差絕緣配置；合理布置導線相序；降低桿塔接地電阻和桿塔呼高；應用線路避雷器；架設耦合地線；減小地線保護角。

4）極端高溫天氣應對措施

應對極端高溫天氣時，對于發電廠、變電站，在電氣設備領域的建設措施有：通過改進制造工藝提高設備耐受高溫能力；通過加裝散熱器對設備降溫。在建構筑物領域的建設措施有：外圍護結構具備良好隔熱性能，適應高溫氣候。

輸電線路應對措施有：采用耐熱導線；對老舊線路進行增容改造。

5）強降水天氣應對措施

應對強降水天氣時，發電廠、變電站在電氣設備及建構筑物領域的建設措施有：廠站址選擇避免滑坡、泥石流影響；廠站場地的設計標高充分考慮洪澇的影響；站區做好完善的排水設施。

輸電線路應對措施有：塔位選擇避免滑坡、泥石流影響；選用巖石嵌固、挖孔樁等原狀土基礎，以降低滑坡災害風險；合理處置施工棄土，防止棄土誘發牽引式滑坡；合理設置排水溝，防止排水不良誘發滑坡；采用護面墻及抗滑樁穩定邊坡。

3.3.2 建設案例分析

以中國南部沿海輸電線路提高抗風能力改造為例，該地區處于易受臺風侵襲地帶，為加強某220kV輸電線路抗風能力，需進行防風評估及加固改造。首先對線路的防風能力進行全面評估，找出鐵塔構造和基礎方面的薄弱環節，并提出針對性的改造措施，具體如下：

1）采用鋼芯耐熱鋁金型線替換舊導線。如 圖9所示，采用單根JNRLH1X1/LB14-500/55型鋁包鋼芯耐熱鋁合金型線替代2mm×300mm規格導線，導線外徑減小41%，導線風荷載相應也減小41%。

2）對鐵塔進行加固，包括對鐵塔主材、斜材、橫材進行加固等。加固主要通過采用更大規格或更高強度的材料，或者在原材料背面附加一個相同規格材料，組成T形組合角鋼構件來實現。

圖9 單導線技術應用方案

3）對基礎進行加固，主要手段包括在原基礎主柱邊上澆筑一圈鋼筋混凝土連梁，或者在原基礎周邊擴寬以提高原基礎承載力。

通過改造，線路設計基本風速(離地10m高10min平均風速)從32.8m/s提升至37m/s，工程投資僅為新建工程投資的20%。根據保底電網規劃的要求，類似的輸電線路防風改造工程已經在多條線路上開展。根據某城市的數據統計，保底電網規劃防風改造工程完成前，平均每年因臺風災害造成的經濟損失達6 669.6萬元，按表1、2中推薦方案進行改造，增加投資約23 905萬元，在改造后的4年內減少損失共計26678.4萬元，投資回報率(投資后節約的資金總額/增加投資額)為111.6%。

表1 某城市500kV輸電線路防風改造方案對比

表2 某城市110～220kV輸電線路防風改造方案對比

3.4 應急階段

電力系統應急管理體系是指電力系統處理緊急事務或突發事件的職能及其載體系統，是應急管理的組織、預案與保障系統之和。加強應急管理體系建設，就要根據突發事件或危機事務，把握并設定應急職能和機構，進而形成科學、完整的應急管理體制。

電力系統應急管理體系主要包括應急組織、應急預案、應急保障三大部分。其中：應急組織涵蓋了人員架構設置及相應的管理制度；應急預案涵蓋了針對各種自然災害、突發事件的應對方法及流程；應急保障涵蓋了應急信息通信技術(information communication technology，ICT)、應急物資等相關支撐措施。

3.5 評估階段

3.5.1 評估目的及評估方法

評估是指在抗災體系項目實施一段時間后，對項目的前期工作、實施情況及應用效果進行的再評估。其目的是：通過對項目研究及應用全過程的綜合研究，衡量和分析項目實施的實際情況及其與預計情況的差距，確定有關預測和判斷是否正確并分析其原因，從而總結經驗教訓，為今后改進項目的決策、投資、研究、管理等工作創造條件，并為提高項目投資效益和改善應用效果提出切實可行的對策與措施。因此，對抗災體系進行評估具有重大的實踐指導意義。

評估的基本方法涉及因果分析法、模糊綜合評價法、層次分析法、對比分析法等，其中，對比分析法又根據具體評估對象和評估目的，分前后對比、有無對比和橫向對比。通過對比的方法，可找出投資預期目標和實際目標的差異。

因果分析法主要是用于對指標差異的分析，從而找出差異的本質原因。模糊綜合評價法及層次分析法則是針對抗災體系這類特殊的多目標決策問題進行綜合分析和歸納，從決策者的角度分析多個目標的實現情況，以及多個目標之間的相互關系，從而有針對性地提出相關對策，反饋電網投資。具體評估思路和方法如圖10所示。

3.5.2 評估的維度

評估工作既是上一個階段工作的最后一個步驟，也是下一個階段工作的開始。開展抗災體系評估工作時，需要充分考慮利益相關方的訴求，結合當地易發的極端天氣，匹配當地的社會經濟發展水平，從經濟、環境、社會3個維度進行評估。

圖10 抗災體系評估和思路

3.5.3 評估的步驟

1）建立評估指標體系。構建電力系統彈性指標體系，確立經濟收益指標。環境指標包括噪聲、水環境保護、污染物排放、溫室氣體排放、土地占用等；社會影響包括供電可靠性提升、勞工安全、貧困人群保障、非自愿移民、就業崗位創造等因素。

2）記錄數據。在規劃、建設、應急階段開展記錄工作，包括規劃完成率、應急階段的災情、救災處置以及其他記錄。

3）定量與定性分析相結合。評估以定量分析為主，分析指標完成率，對難以定量分析的指標(如社會影響等方面)需補充定性分析。

4）預測氣象。預測氣候變化對未來災害可能達到的強度與頻度，結合災區的人口密度、經濟發達程度，分析現有防災抗災能力(包括規劃、建設、應急)是否仍然適應，對下一階段規劃工作提供支持。

5）制定標準和改進措施。對于已被證明的有成效的措施，要進行標準化，制定成工作標準，以便以后的執行和推廣。對于存在的不足，要分析出現的原因，提出改進措施。

3.5.4 評估案例分析

以中國南部沿海某城市2014—2016年防風加固項目后評估為例，該城市防風加固項目建設目的主要是提高電網抗擊臺風的能力，以及沿海地區的供電質量、供電可靠性。本項目通過對比防風加固項目建設周期內(2014—2016年)的主要供電可靠性指標以及項目建設前后的2次臺風(威馬遜與莎莉嘉)對供電設備的影響，評估防風加固項目建設的投資效果。

1）投資概況

該電網防風加固工程從2014—2016年連續開展3年，項目改造范圍涵蓋110 kV、35 kV、10 kV及以下，重點針對易受臺風影響的線路進行改造和升級，穩固桿塔基礎、新建鐵塔，修復或更換舊損電桿。共投資110 kV項目9個、35 kV項目20個、10 kV項目78個，合計立項107個，立項投資11581萬元。

2）投資效果

①防風加固項目投資對用戶平均停電時間下降有積極影響，有效減少故障停電時間。

經過2014—2016年防風加固項目建設，該城市用戶平均停電時間下降比較明顯，每戶平均停電時間由2014年的25h下降至2016年的10h，如圖11所示。

圖11 2014—2016年用戶平均停電時間

經2014—2016年防風加固項目建設，該城市恢復供電平均時間下降較明顯，城區恢復供電平均時間由2014年的4 h下降至2016年的1.77h，農村恢復供電平均時間由2014年的5h下降至2016年的2.49h，如表3所示。

表3 2014—2016年恢復供電時間

②經濟效益和社會效益效果顯著，有效加強了電網網架結構，電網抵抗強臺風能力明顯提升。

在經濟效益方面，項目投資后，2016年比2014年設備受損情況減少，其中：35kV及以上輸電線路停運數量同比減少79.41%；10kV受損線路數量同比減少74.81%，斷桿數量同比減少100%，倒桿/傾斜桿數量同比減少97.91%，倒塌鐵塔數量同比減少100%；10kV公變損壞臺數同比減少91.67%；0.4kV斷桿數量同比減少98.44%，倒桿/傾斜桿數量同比減少96.13%，受損線路長度同比減少93.14%。由此可知，項目投資后，網架結構得到了有效加強，經濟損失減少，如圖12所示。

在社會效益方面，項目投資后，輸配電線路抗強臺風的能力和電網抗自然災害能力得到了提高，自然災害資產損失減少，保障了居民用電；并初步實現了避免超強臺風導致的大面積停電事件重演，項目建設提高了10kV網絡的供電能力和供電可靠性，為城市發展提供了有力保障。

4 結論

總結了亞洲地區氣候變化和極端氣象災害，分析了極端天氣對電力系統的影響，提出在減緩和適應這2種應對策略中，應對氣候問題將首先采取適應策略。重點研究了電力系統適應極端氣象災害的策略，并將其應用于實際案例中，主要結論如下：

1）氣候變化對電力系統的影響越來越大，電力系統設施和電力供應會承受各種氣象災害影響，電力系統發展策略必須考慮氣候變化的因素。

2）經過實際案例分析，應用提出的PCEA抗災體系及保底電網規劃，能夠降低極端氣候帶來的損失，提高供電可靠性，產生良好的效益。

本文著重研究電力系統適應極端天氣總體策略下的規劃與評估階段，忽略了各階段的協調及實施情況反饋，后續可在計及各階段反饋結果的情況下進一步優化總體策略，實現電力系統同時滿足經濟性和安全性的要求。

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Analysis of Power System Affected by Extreme Weather and Its Adaptive Strategy

LU Geng1, DENG Jing2*, WANG Yuhong3, CAO Jing1, YUE Yunfeng1

(1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, Guangdong Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Guangzhou City Institute of Technology, Guangzhou 510800, Guangdong Province, China; 3. School of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan Province, China)

The impact of climate change on human society has attracted more and more attention, and the risk of power outage caused by a series of extreme weather is becoming more and more significant.In order to deal with climate change, especially extreme weather, human society needs to adopt two coping strategies of mitigation and adaptation. For the developing countries and small island countries, since climate change has already taken place, the climate problem will first be adaptation. In order to solve the problem of how the power system can fully adapt to climate change from all aspects, a power system development system adapted to climate change was established, and a construction method of power system development path covering extreme meteorological factors was proposed. On the basis of summarizing the impacts of various extreme weather on the power system, the vulnerability of power grid was evaluated. The overall strategy of adapting to extreme weather was studied, and the scheme of power system adapting to extreme weather events was proposed, namely planning-construction-emergency management-assessment (PCEA) disaster resistance system.In the planning stage, the study focused on the minimum power grid planning and built the minimum power grid backbone network without power outage. Based on the application examples in different stages of the scheme, it was verified that the PCEA system can make the power system better adapt to the extreme weather.

power system;climate change; extreme weather; minimum power grid planning; minimum power grid backbone network without power outage

10.12096/j.2096-4528.pgt.21059

TM 71

2021-05-19。

四川省科技計劃資助項目(2021YFG0026)。

Project Supported by Science and Technology Program of Sichuan Province (2021YFG0026).

(責任編輯 尚彩娟)