電力系統應對極端天氣自然災害對策探析

馬靜 張鴻毓 馬進財

摘要：近幾年，由極端氣候和自然災害引起的大規模電力中斷在世界各地頻繁發生，造成了重大的經濟損失。在全球變暖背景下，十年一遇、百年一遇的極端天氣事件發生頻率和強度均呈上升趨勢。隨著碳達峰和碳中和目標的提出，以新能源為主的電網氣象耦合與系統脆弱性增強，電網運行的安全性與可靠性受到空前挑戰，迫切需要轉變思維、統籌謀劃，全方位提高電網的應急保障能力。基于此，本文將對電力系統應對青海地區極端天氣自然災害存在的薄弱環節進行分析，并提出相應的對策和措施，以供參考。

關鍵詞：電力系統；極端天氣；自然災害

DOI：10.12433/zgkjtz.20232446

一、電力系統概述

電力系統是由發電、供電、用電設施、調節控制及繼電保護和安全自動裝置、計量裝置、調度自動化、電力通信等輔助設施組成的有機整體。

電網是由發電廠、輸電線路、供配電所以及用戶構成的一種能源生產和消耗體系。其作用是將大自然中的一次能源，經過發電功率設備轉換為電能，再經過輸電、變電和配電，把電能供給到用戶。為達到這一目的，在每個環節和每個層級，都要有一個與之對應的信息與控制系統對電能的生產過程進行測量、調節、通信和調度，從而確保用戶得到安全、高質量的電能。電網各種檢測設備、通信設備、調度自動化系統等構成了電力系統的信息與控制系統。電網的配置必須以較高的技術水平和經濟效益為前提，使發電與用電達到最優平衡。

構建一個結構合理的大型電力系統，不但可以方便對電能生產與消費的集中管理、統一調度和分配，而且可以降低總裝機容量，節約電力設施投資，對區域能源資源的合理開發利用產生有利影響，最大限度地滿足區域國民經濟日益增長的用電需求。

二、極端天氣自然災害給電力系統和新能源帶來的不良影響

（一）極端天氣自然災害給電力系統帶來的不良影響

1.給電力線路設施帶來的不良影響

根據不完整的數據，每年有數千人被雷擊致死或者引發火災，造成數十億元的經濟損失，對社會治安和人們的生命財產構成了威脅。在雷電災害發生時，在被雷電劈到的電線上可能會形成一個過電壓，并在電線周圍形成一個過電壓和一個擾動電磁場，這種高電壓會對電力設備、用戶電氣設備造成嚴重破壞。雷電場還可能通過各類電纜竄入裝置，對裝置產生損害，尤其是輸（電）線竄入裝置中。突如其來的狂風和暴雨，往往會導致輸電線路發生碰撞，輸電線路斷裂。冰雪是引起尤其是高寒山區輸電線失效的重要氣象因素。覆冰不僅會增大電纜的負荷，增大電纜的受風面，還會引起不穩定的馳振動，引發跳頭扭曲、斷線、停電等重大電網安全問題。冰凍災害已導致一些省市發生有史以來嚴重的覆冰事件，許多地區的電力系統受到破壞，使許多地區出現大量的斷電、停水等情況，給人們的工作、生活帶來很大的沖擊。

2.給電力負荷帶來的不良影響

用電負載與氣候有很強的相關性。其中，天氣因素對其波幅變化有85%～90%。天氣對用電量有很大的影響。除了與季節、時間和各類用電用戶的行為有關外，還與最高氣溫、最低氣溫、天氣狀況等氣象因素有很大的關系。極端溫度和最大用電負載之間存在著顯著的正向關聯，極端溫度和極端溫度將極端溫度和極端溫度下的用電負載的大幅激增，導致供電能力下降。在下雨或有陰霾的天氣條件下，燈光消耗的電力急劇增加，而在陽光充足的天氣條件下，電力消耗的電力就會減少。

（二）極端天氣自然災害給新能源帶來的不良影響

1.極端天氣給光伏運行帶來的不良影響

沙塵暴、雪災、霧等天氣都會對光伏模塊進行遮擋，并削弱陽光輻射，進而對光伏發電運行產生不良影響。對太陽能發電系統危害最大的是積雪。若不及時清除光伏組件頂端的積雪，將導致光伏組件、支撐支架和結構倒塌。沙塵暴、霧、霾對光伏電站造成的最大的影響是會讓光伏模塊上產生塵埃或污跡，進而減少模塊所接受的陽光輻射強度，減少模塊的發電量。此外，粉塵覆蓋不僅會對發電產生不利影響，還會給電網帶來嚴重的安全風險。如果不及時清理，會產生粉塵閃爍等污染。

2.極端天氣給風機運行帶來的不良影響

如果風機的速度太快，則風扇超過切割速度而停止工作。風扇自動停止運轉的風速，即風扇并網發電的最大風速，通常為19～25 m/s （10級及以上大風）。截流速度與風扇葉片與單元負荷密切相關，如果已經到達截流速度而沒有截流，將會引起塔倒塔和葉輪飛車等嚴重的安全事故。另外，不僅會對當地的電壓和省內頻率調整產生較大影響，還會對風力發電預報精度產生較大影響。

三、電力系統在應對極端天氣自然災害方面存在的薄弱環節及對策建議

（一）電力系統在應對極端天氣自然災害方面存在的薄弱環節

1.極端天氣自然災害的預警系統水平較低

當前，電網的安全風險預警以氣象預報為主，缺乏針對性強的電網氣象數據和精細的地理位置數據，以及實時的電網運行數據，造成電網對惡劣氣候和災害的認識不足，難以實現電網安全風險的快速預警。

2.電力系統的設計標準不夠完善

當前，青海地區以傳統電網為基礎的電網安全與經濟運行模式，難以適應新能源比例高、極端天氣頻次高、停電代價高的新電網發展需求，且缺少對非常規場景的抗災設計，缺少對重點客戶的精細管控，造成電網應急響應能力先天不足。

3.缺少健全的應急制度

極端氣候引發的災害往往會對交通、通信、電力、水利等多個領域的基礎設施造成嚴重損害，電力設施的應急救援會影響到交通、通信和水利等多個領域的應急救援，加之目前各領域間缺乏有效的協調合作，嚴重制約應急救援的成效。此外，當前青海地區的應急救援主要采用離線式應急救援計劃，且信息化水平不高，不能依據災害發展動態、故障恢復進程、應急物資分布等實時信息，及時實施在線式應急救援計劃，造成應急救援周期漫長。

4.可用應急方法較少

當前，在接近電力系統的地方，電網所占比例還不到10%，并且以光電為主，與氣象條件密切相關。但是諸如電化學儲能之類的新型儲能的裝機數量不到6000萬千瓦，所占的比例還不到0.3%，而且這些儲能中的大多數都是在電源側，而不在用戶側。在極端環境下，可調配的應急資源非常少。但是像用戶的自備應急電源以及快速增長的電動汽車這樣的新興應急資源，都被長久擱置，并沒有形成市場化的調配機制。

（二）電力系統在應對極端天氣自然災害方面的對策建議

1.提升應急系統的整體水平

結合青海地區電力部門的實際需求，綜合運用高分辨率衛星、氣象雷達和無人機等多種技術手段，構建面向電網的高精度、高預見性的氣象信息服務平臺，實現電網安全運行的高精度、高預見性和高精度的電網安全運行預警和預測。利用物聯網和數字技術等高科技手段，定時定量地預測電網故障的影響范圍和破壞程度，實現全方位、多層次、多時段的全方位、多層次的預測。

2.完善電力系統的設計標準

在對青海地區新能源電網事故風險點、影響面及關聯鏈條再認識的基礎上，進行電網安全與投資經濟再平衡分析，并以此為基礎，科學制訂新能源電網的抗震設計規范，既要防范新能源電網發生過多的斷電事故，又要防范新能源電網發生過多的斷電事故，進而影響到經濟和社會發展。充分運用數字技術，并與地理信息、氣象條件以及電力設備特征相結合，制定差別化的防災標準，重點挖掘用戶的精細化需求，盡最大限度保障關鍵用戶的用電需求。

3.不斷健全應急制度

自然災害中存在著多種不可抗拒的原因，但也有一些是季節性的、地域性的，并且是可以預見的，可以通過技術手段和組織手段加以預防。在當前氣候變化加劇、環境惡化及資源過度開采的背景下，地震、臺風、暴雨及冰雪等極端災害的頻發程度及頻次進一步增加。在面臨災難時，青海地區應加速構建電網自身的災難早期預警體系。加強與氣象、地質、水利等有關部門之間的協作，建立起應對自然災害的體系，增強對災害的預報和預警的能力，切實將災害的危害控制在最小范圍內。通過研究“5G+ UAV+衛星”的應急通信技術，提升災害的認知與響應水平，構建事前預案和事中聯動的電網恢復機制，構建電網與氣象、交通、水利、通信、地震等多部門多方位的應急響應體系。在此基礎上，盡可能地獲得有關部門的應急救援支援，并優化供電修復計劃。

4.積極應用多樣化的應急方法

青海地區的相關單位強化安全底線觀念，大力開展“退而不拆”的退役單位轉型為后備能源工作，有序發展分散能源，合理指導用戶端新能源存儲，實現應對突發事件的多樣化。按照“誰獲益，誰負擔”的原則，研究構建能夠有效調動用戶自備應急電源、用戶側儲能和電動汽車等應急資源的市場化應急保供機制。在此基礎上，青海地區提出一種有效的電網防災減災措施。研發抗自然災難的新型防冰雪、防污閃涂層和絕緣材料，并廣泛普及；優化電力系統設備如導線、桿塔和金具進行，以增強其抗強風、防冰凍和抗震減振等災害的能力；開展電力設施故障定位、在線監測和預警系統、電力設施快速維修等技術的研發，提高裝備的安全監測和災害預防的整體水平。

5.提升電網的極端天氣預防效果

青海地區在對電網設計時，應堅持將普遍性與特殊性相結合的科學適用的原則，全面考慮政治、安全、經濟等因素，對不同線路的重要程度和差異性、同一線路不同地域的差異性、不同供電區域的差異性等因素進行。加強對重點供電線路、主干電網、用戶配電線路等重點線路的設防；對穿越干線鐵路、高等級公路、通航河道、重要電力線路，對部分路段的運營維修和應急救援難度較大的路段，可適當提升其等級；對于同一電壓級別的輸電線路，按其對電網的重要程度提出不同的可靠性要求；根據設計規程，應根據地域、地域、天氣等因素，制定更為詳盡的地域差別設計準則。

6.建設穩定的電網系統

目前，伴隨著電網架構逐步擴大，電力系統變得越來越復雜。因此，青海地區各級電網企業要面對的是電網系統中所存在的大面積停電風險、配網薄弱瓶頸制約等問題。近幾年，自然災害對電網造成的較大破壞，要增強風險意識，并加大對電網的建設投資，還要對電網中的一些重點和難點問題進行有效預防，從而提升電網的安全穩定水平，還要預防各種風險和災害的沖擊。綜合分析電網中的安全隱患和薄弱環節，同時還要改進輸、配電網中的薄弱環節，深入研究電力行業中的各種關鍵問題，從而采取安全穩定措施，構建堅實的電網安全穩定三道防線，加強電網安全的技術支撐，從而可以更好地掌控電網。

7.積極開展安全管理工作

青海地區要將安全管理工作都做得更好，并與電力行業的安全隱患排查治理工作和安全生產專項督查等活動相結合，做到舉一反三，有針對性地制定對策，不斷健全安全管理制度體系。在吸收并學習其他電力企業在安全管理方面的先進經驗和良好的管理方式，從而提升安全管理水平。要加強對電力生產現場控制，完善安全檢查和考核制度，將各個層次、各個崗位的安全生產職責都進行有效的落實，對各種安全生產事故進行綜合防治。

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作者簡介：馬靜（1990），女，回族，青海省西寧市人，本科，工程師，研究方向為數據運營及數據分析。