能源轉(zhuǎn)型過程中
電力系統(tǒng)如何應對日益嚴峻的新型安全挑戰(zhàn)？
陳新華 2021年2月18日
昨天（2月17日）與身在德州休斯頓郊區(qū)的美國老朋友（75歲左右）Terry通郵件，問他有沒有受到本次斷電的影響。他說他們家經(jīng)受了36.5個小時斷電，外邊溫度負26攝氏度，室內(nèi)只有8度的嚴寒環(huán)境。幸好家里有燃氣，可以生火做飯取暖。他還把好久沒用的滑雪服套裝穿上，和衣而睡。他們的小區(qū)有水還好，休斯頓城里水供應壓力降低，昨天還全部停水了。
德州大停電的原因大家分析很多了：受暴雪嚴寒天氣影響，占發(fā)電量23%的風機渦輪葉片被凍結(jié)，天然氣井口與處理廠凍結(jié)使得產(chǎn)量下降，導致高比例的燃氣發(fā)電出力不足，德州是電力孤島，電力市場設計缺陷，相關部門職責不清，政府運作混亂等等。
水和電是現(xiàn)代生活的生命線，停電必然導致停水或水壓不足，停電也會導致通信系統(tǒng)的中斷，電力供應安全因此是新時代能源安全的核心。但我這位老朋友的經(jīng)歷告訴我們，光靠電力還不行。他家要是沒有天然氣供應，不知這36.5小時無電的時間如何熬過？
去年10月，IEA發(fā)布了《轉(zhuǎn)型中的電力系統(tǒng)：電力安全的挑戰(zhàn)與機遇》。報告指出，電力在能源轉(zhuǎn)型過程中將扮演越來越重要的角色，但電力供應安全形勢也越來越嚴峻。新挑戰(zhàn)包括可變可再生電源大規(guī)模接入致使電力系統(tǒng)運營模式改變，數(shù)字技術大規(guī)模滲透擴大了網(wǎng)絡攻擊的范圍，氣候變化導致更頻繁的極端天氣事件。各國政府和企業(yè)要充分意識到挑戰(zhàn)的嚴峻性，采取及時有效的措施，在能源轉(zhuǎn)型過程中，在電網(wǎng)和靈活性資源（包括需求側(cè)、分布式和存儲資源）方面進行更大規(guī)模、更為及時的投資，同時強化“虛擬空間韌性”（Cyber Resilience) 和氣候韌性（Climate Resilience）。
這是IEA首份關于綜合低碳能源轉(zhuǎn)型、數(shù)字化和氣候變化對電力安全負面影響的深度研究報告。這次德州大停電不是第一次因為極端氣候事件造成的電力中斷，類似的事件會不斷發(fā)生并且頻率會加大。IEA報告的主要結(jié)論及建議應引起電力相關部門的高度重視。
需要指出的是，IEA的報告沒有告訴電力用戶怎么辦，而受電力供應安全影響最大的卻是包括你我，還有眾多企業(yè)和商業(yè)在內(nèi)的用戶。電力的終端用戶應高度重視電力系統(tǒng)面臨的三大新挑戰(zhàn)，采取包括儲能、備用電源、備用能源來源等措施，保障自己在極端氣候事件中有充足穩(wěn)定的能源供應。
一、 電力在能源轉(zhuǎn)型過程中的決定性作用
IEA認為，電力是現(xiàn)代社會的生命線，安全的電力供應對社會的繁榮至關重要。最近新冠病毒疫情大流行造成的困難提醒我們，電力從保持醫(yī)療設備工作和IT系統(tǒng)穩(wěn)定運行，到遠程工作和視頻會議，已經(jīng)成為現(xiàn)代生活有序進展的基礎條件。確保安全可靠的電力供應對所有國家都至關重要。
電力也是能源轉(zhuǎn)型的主戰(zhàn)場。電力部門是最大的CO2排放源，可以通過非化石電源對化石電源的替代來實現(xiàn)零碳排放。包括工業(yè)、建筑和交通在內(nèi)的終端能源消費部門也要通過電氣化來減少溫室氣體的排放。
電力目前僅占全球終端能源消費總量的五分之一，但這一比例正在上升。IEA預測，要實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標，到2040年，電力需求將在目前基礎上增長50%，超過石油成為主要終端使用能源。電力將在供暖、制冷、交通等用能領域以及通信、金融和醫(yī)療等許多數(shù)字化集成領域發(fā)揮更大的作用。強有力的電力安全保障將成為現(xiàn)代經(jīng)濟正常運轉(zhuǎn)的先決條件，電力安全也因此將在能源政策議程中占據(jù)比以往任何時候更高的位置。
然而，電力行業(yè)正在經(jīng)歷著其100多年發(fā)展進程中最大的變革。行業(yè)格局從一個由數(shù)量相對較少的大型電廠為基礎的集中式垂直整合的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向一個由大量各種規(guī)模發(fā)電設備組成的市場，且越來越多地來自可變可再生資源。新的發(fā)電來源、新的儲能形態(tài)、新數(shù)字技術的應用以及新的商業(yè)模式給電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型帶來了無限希望，同時也給電力系統(tǒng)的安全運營帶來全新的挑戰(zhàn)。
二、 電力供應安全面臨三大新的挑戰(zhàn)
IEA認為，電力系統(tǒng)在運營安全、充足容量和系統(tǒng)韌性等傳統(tǒng)供應安全問題的基礎上，正面臨著日益嚴峻的三大新挑戰(zhàn)。
2.1 大規(guī)?？稍偕茉唇尤霂淼墓踩珕栴}
可變的可再生能源發(fā)電在過去的十年里已經(jīng)激增。隨著太陽能光伏和風能成為最便宜的電力資源，這一趨勢還會加速。
根據(jù)IEA《世界能源展望》的可持續(xù)發(fā)展情景，到2040年，風電和太陽能在全球總發(fā)電量中所占的比例將從目前的7%上升到45%，而所有可再生能源加在一起則可以超過70%?？勺兛稍偕Y源的快速增長有助于緩解傳統(tǒng)燃料的供應安全擔憂，但也要求電力系統(tǒng)的靈活性迅速提高。另一方面，至今為可變可再生能源的接入提供了絕大部分靈活性的傳統(tǒng)發(fā)電廠，正在停滯不前或衰退，尤其是那些使用煤炭和核能的發(fā)電廠。與此同時，全球電力系統(tǒng)投資在下降，電網(wǎng)投資總量自2015年以來已下降16.3%，2020年預計還要下降9%。新的投資需要長期規(guī)劃，施工需要較長時間，項目還經(jīng)常面臨社會能否接受的考驗。此外，全球在靈活可調(diào)度低碳電源（水電、燃氣電廠、儲能設施等）方面的投資也沒見增長，為未來的供應安全帶來風險。
可變可再生能源、儲能技術和電動汽車的大規(guī)模接入將改變電力供應安全的理念。面對這些變化，電力供應安全的傳統(tǒng)框架不再適應。面對更大的供需波動性，保持系統(tǒng)的可靠性需要在電網(wǎng)和靈活性資源（包括需求側(cè)、分布式和存儲資源）進行更大規(guī)模、更為及時的投資。靈活性電源投資尤為重要，需要在擴大太陽能和風能的同時開發(fā)新的靈活性資源，特別是在電力需求快速增長的新興經(jīng)濟體和發(fā)展中國家。
政策制定者和系統(tǒng)規(guī)劃者面臨的挑戰(zhàn)是更新政策法規(guī)和創(chuàng)新市場設計，以確保電力系統(tǒng)在其清潔能源轉(zhuǎn)型過程中保持安全穩(wěn)定運營。許多國家和地區(qū)利用不同方法和靈活的資源，成功地完成了可再生能源在保障電力安全的前提下高比例接入電力系統(tǒng)的任務，形成了一整套工具和經(jīng)驗教訓。優(yōu)先事項是更新市場設計和監(jiān)管機制，鼓勵各種形式的靈活性電源投資，包括電網(wǎng)互聯(lián)、儲能、天然氣發(fā)電、以及基于數(shù)字技術的需求側(cè)響應，并對現(xiàn)有可調(diào)度資產(chǎn)的退役計劃進行審慎評估。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃方法也需要更新，應超越簡單的備用容量（reserve margin）的規(guī)劃方式，開發(fā)基于電力系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)的變量（可再生電源發(fā)電量、發(fā)電機組和電網(wǎng)的故障率、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)輸電能力、系統(tǒng)備用能力、負荷變化、需求響應）以及它們之間相互影響的模擬分析，在系統(tǒng)層面更加精準地提供解決方案。
2.2 數(shù)字化以及系統(tǒng)互聯(lián)帶來的新安全風險
電力是數(shù)字技術最容易融合的實體行業(yè)之一，其應用正在呈指數(shù)級增長。數(shù)字技術在加強電網(wǎng)靈活性，吸納可再生能源，落實需求響應，幫助管理日益復雜的電力系統(tǒng)等方面發(fā)揮重要作用的同時，也使電力系統(tǒng)面臨與日俱增的網(wǎng)絡威脅。并網(wǎng)設備的快速增長擴大了潛在的網(wǎng)絡攻擊面，而電力系統(tǒng)互聯(lián)性和自動化程度的提高也增加了這方面的風險。
按照美國國家能源安全理事會“能源與虛擬空間安全中心”的分析，2006年是能源設施遭受外部攻擊的分水嶺。在1906—2006這100年里，能源設施遭受的主要是物理攻擊。2006年以后，通過網(wǎng)絡對能源設施實施攻擊的嚴重性要大于物理攻擊。2013年美國遭受的256次重大網(wǎng)絡攻擊事件中，有50%以上是針對能源系統(tǒng)的。任何通過芯片聯(lián)接的能源系統(tǒng)都存在被黑客攻擊的風險。能源系統(tǒng)聯(lián)接的設備越多，范圍越廣，風險也越大。智能電網(wǎng)在提高能源利用效率方面具有優(yōu)勢，但同時又在網(wǎng)絡安全方面留下隱患。美國許多地方因公眾反對潛在的信息泄露或網(wǎng)絡攻擊，智能電表無法入戶。
實施網(wǎng)絡攻擊的主體包括國家網(wǎng)絡部隊，商業(yè)競爭對手雇用的網(wǎng)絡黑客，也包括遭遇不順或被解雇的員工、極端的環(huán)保主義者、無政府主義者、對社會不滿者、恐怖分子等。未來的戰(zhàn)爭很可能不是通過武器來摧毀，而是在虛擬空間實施精準打擊。通過網(wǎng)絡打擊可以使敵國的能源和工業(yè)系統(tǒng)癱瘓，從而不需要流血犧牲而達到目的。
國際能源署的數(shù)據(jù)顯示，電力系統(tǒng)受到網(wǎng)絡攻擊的威脅巨大，而且還在不斷增長（圖1）。一次成功的網(wǎng)絡攻擊可能導致設備和流程失去控制，進而造成物理破壞和大范圍服務中斷。在實施襲擊方面，黑客們正變得越來越老練。
圖1 2006~2019年間全球重大網(wǎng)絡攻擊事件數(shù)量
IEA指出，雖然完全避免電力系統(tǒng)不受網(wǎng)絡攻擊是不可能的，但電力系統(tǒng)可以通過預防手段與補救措施相結(jié)合，使其更具虛擬空間韌性（cyber resilience）。這一韌性包括預防、響應并在遭受攻擊后迅速恢復，同時保持關鍵基礎設施連續(xù)性運作。
政策制定者、監(jiān)管機構、電力公司和設備供應商都可以在加強整個電力價值鏈虛擬空間韌性方面發(fā)揮重要作用。政府和監(jiān)管機構的工具可以是高度指令性的強制措施，也可以是以行動框架為導向、以效果為基礎的指南。非常重要的一點是，虛擬空間韌性應該成為電力企業(yè)組織文化的一部分，而不是一個獨立的技術問題。應將虛擬空間韌性作為組織運營的重大風險之一，對所存在的盲點和脆弱之處進行盤點，制定預防及響應措施，并對每次攻擊事件進行記錄和復盤，在經(jīng)驗教訓中不斷提升組織應對網(wǎng)絡攻擊的能力。
IEA還為電力企業(yè)、電力設備制造商、政府監(jiān)管部門提供了具體的建議舉措：
電力企業(yè)：
把虛擬空間韌性融入企業(yè)組織文化，并將網(wǎng)絡安全納入企業(yè)風險管理框架
識別和評估網(wǎng)絡風險，制定落實風控戰(zhàn)略及重點行動領域；
制定并落實扎實的響應與恢復流程，壓實責任，使得企業(yè)及設施在面臨攻擊時不受影響；
完善現(xiàn)有措施并結(jié)合內(nèi)部教訓和外部經(jīng)驗，制定實施新的措施；
開展網(wǎng)絡攻擊的預防演習，并甄別可能對本企業(yè)設施進行攻擊的潛在黑客來源。
設備供應商：
參與網(wǎng)絡安全方面的認證，提高企業(yè)產(chǎn)品、流程和服務的可信度和安全性；
在風險管理方法和流程上，聚焦網(wǎng)絡安全標準，使得設備投運后能夠長期維持高安全性；
倡導供應商之間的合作，避免同一類型設備有來自不同監(jiān)管機構的不同標準。
政策制定者：
充分認識網(wǎng)絡安全的重要性，并積極宣傳來提高認知程度；
要求主要利益攸關方采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡安全準則和工具；
開展網(wǎng)絡安全相關培訓，分享行業(yè)最佳實踐；
推動行業(yè)在應對網(wǎng)絡攻擊預案和響應措施方面的合作。
2.3 氣候變化引起的極端氣候事件影響
隨著大氣溫室氣體濃度的增加，電力系統(tǒng)正面臨著氣候變化帶來的越來越大的壓力。不斷上升的全球氣溫、更加極端和多變的降雨模式、不斷上升的海平面和更加頻發(fā)的極端氣候事件（熱浪、森林野火、颶風和洪澇），已經(jīng)對電力安全構成了重大威脅，并且呈加劇趨勢。今年夏天，美國加州和澳大利亞的熱浪和森林野火導致的電力大規(guī)模限供就是明顯的案例。在美國，90%的大規(guī)模（影響5萬家庭以上）電力中斷事件都與氣候事件相關。2005年1月，瑞典全國遭到風暴襲擊，承受了長時間的斷電。電網(wǎng)運營商的損失在2.5億歐元，但對全社會造成的損失卻高達30億歐元。
氣候變化對電力系統(tǒng)的影響包括：在發(fā)電端，降低火電廠的效率和可再生電源的發(fā)電量；在輸配領域，造成線路故障、線損增加和能力損失；在需求側(cè)，大幅度增加空調(diào)的電力需求。
雖然人們普遍認識到這些趨勢及其威脅，但迄今只有17個IEA成員國將電力系統(tǒng)氣候適應能力的具體行動納入國家適應戰(zhàn)略。其中，只有6國的氣候適應戰(zhàn)略覆蓋了整個電力價值鏈。
IEA指出，“氣候韌性”（climate resilience）是應對威脅的主要手段，應成為電力安全體系重要組成。氣候韌性指的是電力系統(tǒng)在預見、承受和適應氣候變化帶來的危害并很快恢復正常運營的能力。它包括三個方面的內(nèi)容：魯棒性（robustness），資源齊備性（resourcefulness）和恢復能力（recovery）。
魯棒性是電力系統(tǒng)在不斷惡化的氣候條件下保持高效運營的能力。比如說，不用水或用循環(huán)水進行冷卻的發(fā)電機組就要比從河流或湖泊取水進行冷卻的機組更具魯棒性。
資源齊備性指的是電力系統(tǒng)在極端氣候事件中繼續(xù)運營的能力。比如說，在洪水泛濫時，帶有防洪設施的水力發(fā)電站就要比沒帶防洪設施的更有能力保持繼續(xù)運營。
恢復能力是指系統(tǒng)在遭受氣候事件中斷后很快恢復運營的能力。具備應急計劃、臨時可用設備和能夠隨時調(diào)動的工作團隊的系統(tǒng)比不具備這些的可以在災難后恢復更快。
IEA認為，增強電力系統(tǒng)的氣候韌性將帶來很多好處。更具韌性的電力系統(tǒng)可以減少氣候影響造成的損害和損失，投資效益大于成本。IEA估算，在氣候韌性基礎設施上投資1美元可以在未來減少6美元的損失。比如，埋在地下的輸電線路比架在塔上的成本更高，但更能抵御極端氣候事件。世界銀行估計，如果在氣候韌性方面所需的投資延遲10年，電力系統(tǒng)將承受雙倍的危害成本。
此外，建設具有氣候韌性的電力系統(tǒng)有助于發(fā)展中國家應對氣候災害的直接威脅。如在經(jīng)常受洪澇影響的孟加拉，在防洪工程投資5.6億美元可以避免16億美元的損失。氣候韌性還有助于清潔能源轉(zhuǎn)型，使更多的電氣化解決方案成為可能，并加速電力系統(tǒng)向可再生能源轉(zhuǎn)型，因為這些可再生電源往往對氣候事件非常敏感。
IEA指出，在許多國家，電力部門在應對氣候變化方面的意識仍然落后。應將氣候適應能力納入能源和氣候政策的主流，向私營部門發(fā)出強烈信號，激勵電力企業(yè)在規(guī)劃和運營中考慮氣候適應能力，提高電力系統(tǒng)的氣候韌性。
三、 電力系統(tǒng)如何應對新的挑戰(zhàn)？
以上三大挑戰(zhàn)要求電力領域的政府部門、監(jiān)管機構、電力企業(yè)和終端用戶以全新視角審視電力安全系統(tǒng)框架，增加電力系統(tǒng)靈活性電源來保障能源轉(zhuǎn)型過程中的電力供應安全，提高虛擬空間的抗風險能力和適應氣候變化的韌性。這要求將技術、經(jīng)濟和政治層面的行動結(jié)合起來，在更廣的范圍達成共識并采取行動，最大限度地提高電力系統(tǒng)短期和長期的安全保障程度。
鑒于這三大挑戰(zhàn)具有一定的共性，IEA提出了應對挑戰(zhàn)的總體框架，包括以下5個層次的內(nèi)容：
（1） 制度建設：建立明確的責任義務和獎勵規(guī)則；
（2） 識別風險：定期進行全系統(tǒng)風險鑒別與分析；
（3） 風險管控：提高整個電力供應鏈的工作預案；
（4） 進度監(jiān)控：對所采取的舉措進行跟蹤、記錄和分享；
（5） 響應恢復：遭受中斷或攻擊時應采取的措施，事后復盤和經(jīng)驗教訓總結(jié)。
針對以上每一層次，IEA還為政策制定者、電力監(jiān)管者和電力系統(tǒng)運營商提出了建議，如表1~5所示。
作為能源領域的權威國際組織，IEA當然也強調(diào)國際合作的重要性。IEA呼吁各國政策制定者、監(jiān)管機構、運營商和其他利益攸關方相互借鑒，分享交流在應對這一全新挑戰(zhàn)方面的最佳實踐和創(chuàng)新做法，實現(xiàn)電力系統(tǒng)亟需的變革，確保能源轉(zhuǎn)型過程中的電力供應安全。
需要指出的是，IEA的報告沒有涉及到電力用戶，而受電力供應安全影響最大的卻是用戶。電力的終端用戶應高度重視電力系統(tǒng)面臨的三大新挑戰(zhàn)，采取包括儲能、備用電源、備用能源來源等措施，保障自己在極端氣候事件中有充足穩(wěn)定的能源供應。
資料來源：
國際能源署（IEA），Power System in Transition：challenges and opportunities ahead in electricity security，2020年10月。https://www.iea.org/reports/power-systems-in-transition
北京國際能源專家俱樂部，《虛擬空間與能源安全》，2014年9月5日。https://www.china5e.com/news/news-887639-1.html
來源：北京國際能源專家俱樂部
