01、研究背景
美國西部時間8月14日，加利福尼亞州(以下簡稱加州)電力系統(tǒng)獨立運營商(California Independent System Operator，CAISO)發(fā)布三級緊急狀態(tài)，是近20年發(fā)布的最高等級緊急狀態(tài)，49.2萬企業(yè)與家庭的電力供應中斷，最長停電時間達150min；8月15日，CAISO再次對用戶實施輪流停電，停電時間最長達90min，影響32.1萬用戶。
02、事件過程
8月14日下午14:57，一臺燃氣機組因故障跳閘，損失出力為475MW。下午15:25，CAISO預測未來幾個小時將出現電力短缺，難以維持規(guī)定的備用容量要求，宣布進入二級緊急狀態(tài)。下午17:00，CAISO調用約800MW需求側響應資源以維持電力供需平衡。下午18:38，隨著傍晚光伏出力下降，系統(tǒng)無法滿足負荷需求和備用容量要求，CAISO宣布進入三級緊急狀態(tài)，切除500MW負荷。10min后，再次切除500MW負荷。下午19:40，發(fā)電側資源可滿足負荷需求和備用要求，CAISO命令恢復所有的負荷。
8月15日下午14:00—15:00，受暴風云影響，光伏出力下降超過1900MW，而負荷仍持續(xù)上升，導致備用容量下降不足。下午15:00左右，CAISO通過實時市場立即調用約891MW需求側響應資源以維持電力供需平衡。下午17:12—18:12，風電出力下降1200MW。下午18:13，調度員對電廠的錯誤指令導致一臺燃氣機組出力迅速降低，損失出力248MW。下午18:28，由于備用容量不滿足要求，CAISO宣布進入三級緊急狀態(tài)，切除約500MW負荷。下午18:48，風電出力逐步恢復，負荷水平也開始下降，CAISO命令恢復所有負荷。
圖1 加州停電事件時間線
03、原因初步分析
引發(fā)CAISO實施輪流停電的直接原因是系統(tǒng)供需不平衡，運行備用容量不滿足相關要求。CAISO對系統(tǒng)運行備用容量的要求遵循NERC標準BAL-002-3和WECC標準BAL-002-WECC-2a，最小的備用容量大約是負荷的6%。用于維持該要求的運行備用主要包括機組旋轉備用，以及可在10min內啟動的機組和可切負荷等非旋轉備用。圖2給出了8月14日加州電力系統(tǒng)運行備用曲線。
圖2 2020年8月14日加州運行備用曲線
初步分析，加州系統(tǒng)供需不平衡主要是以下原因導致：
1）罕見高溫引起負荷增長。8月加州地區(qū)日負荷峰值的平均值高于7月3197MW，其中8月14日負荷峰值首次突破45000MW，當天負荷峰值高達46 777MW，比2019年夏季負荷峰值(出現在2019年8月15日)高2629MW，超出CAISO在2020年年初對夏季峰荷預測的中位值870MW，負荷需求增幅明顯。
2）應對新能源波動的靈活調節(jié)能力不足。8月14日，由于傍晚太陽落山導致光伏出力驟降，加州地區(qū)凈負荷（負荷減去新能源出力）從29783MW(中午13:30)迅速攀升至42240MW (傍晚18:55)，如圖3所示，意味著CAISO需要在約5h內調出12457MW常規(guī)電源容量，以滿足地區(qū)電力供需平衡。而為了響應加州SB 100清潔能源法案要求，作為主力電源的燃氣機組大量退出運行，當天更是由于計劃檢修、故障停運、燃料供應等原因，燃氣機組出力能力進一步受限。加之，配套的儲能設施滯后，削弱了系統(tǒng)靈活調節(jié)能力，無法應對新能源并網帶來的出力波動。
圖3 2020年8月14日加州負荷曲線
3）區(qū)域間電力協調互濟能力不足。加州電網接入美國西部電網，CAISO與周邊BAs實現電力交換，8月14日下午18:30停電前，加州系統(tǒng)的凈受入電力為6920MW，僅占當時系統(tǒng)總負荷的15%，是2019年CAISO系統(tǒng)最大凈受入電力11 666MW的59%。可見，盡管CAISO在當天已向周邊BAs尋求緊急支援，但由于區(qū)域間電力協調互濟能力不足，難以得到周邊BAs的充足電力支援，無法及時緩解缺電局面。
4）山火頻發(fā)導致調度更為謹慎。今年8月期間，加州地區(qū)歷經了史上第二大山火災害。由于山火覆蓋面積廣、歷經時間長、影響范圍大，容易引發(fā)架空輸電線路群發(fā)性跳閘，且永久性故障居多。為降低大規(guī)模停電的風險，調度人員可能選擇了較為保守謹慎的切負荷措施，以保障電網安全運行。
5）部分市場行為加劇供需緊張。8月14日和15日報價負荷與實際負荷的峰值偏差分別達到3386MW和3434MW，導致調度計劃安排不足，難以應對實時市場上的負荷增長。此外，由于市場設計缺陷，在電力供應緊張的情況下，加州日前市場的集中競價機制和余額容量市場行為反而釋放出支持更多外送電力的信號，進一步加劇了市場供需緊張的局面。
04、對我國電力系統(tǒng)的啟示
1）電力系統(tǒng)應適度超前發(fā)展，為經濟社會提供有力保障。為了滿足負荷增長需求，與社會和經濟發(fā)展增速相匹配，應保證電源、電網建設適度超前發(fā)展，同時應加強電源和電網的協調發(fā)展，避免因電力供應不足或電網輸送能力不足而導致缺電、限電事件發(fā)生，造成經濟損失和民眾生活不便。
2）構建合理電源結構，提升新能源接納能力。目前，我國靈活性電源占比較低，2019年底包括抽水蓄能、燃氣機組在內的靈活調節(jié)電源裝機僅占總電源裝機比重的6%。未來高比例新能源接入將對電網靈活調節(jié)能力提出極高的要求，需要在評估電力系統(tǒng)安全性及新能源接入承載力的基礎上，合理優(yōu)化電源結構，建設必要規(guī)模的常規(guī)電源，配置足夠的靈活性調節(jié)電源，提升新能源消納能力，推動實現能源綠色低碳轉型。
3）強化運行備用管理，保障系統(tǒng)安全裕度。嚴格落實新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則(GB 38755—2019)》等標準中關于系統(tǒng)備用容量的要求，進一步提高新能源出力預測和負荷預測的精度，統(tǒng)籌考慮新能源出力不確定、負荷特性、跨區(qū)跨省支援能力等因素，合理安排機組檢修、開機方式，科學制定發(fā)電計劃，充分保障系統(tǒng)安全運行裕度。
4）深化需求側管理，提升系統(tǒng)平衡能力。隨著新能源占比持續(xù)攀升，傳統(tǒng)調節(jié)資源的調度空間越來越小，而與此同時，我國電網具有電動汽車、分布式儲能、智能樓宇空調、電采暖、工業(yè)園區(qū)等大量具備調節(jié)潛力的負荷資源。應進一步深化需求側管理，大力發(fā)展需求側響應技術，創(chuàng)新市場機制和商業(yè)模式，完善支持政策，提升電力系統(tǒng)平衡能力。
5）加大儲能發(fā)展力度，提升系統(tǒng)靈活調節(jié)能力。應加大儲能發(fā)展力度，積極探索儲能應用于新能源消納等場景的技術模式和商業(yè)模式，加快制定儲能相關技術標準，綜合考慮不同類型儲能的技術成熟度和經濟性，統(tǒng)籌儲能規(guī)劃、建設及運行，支撐提升新能源利用率和系統(tǒng)安全運行水平。
6）高度重視電力系統(tǒng)安全，推動電力市場健康發(fā)展。我國電力系統(tǒng)堅持統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理的體制機制，為大電網安全運行提供了重要保障，近20年來還沒有發(fā)生過全網性大停電事故。當前，我國電力市場化改革正穩(wěn)步推進，在電力市場建設和能源轉型過程中，應高度重視電力系統(tǒng)安全，加強市場化改革中的風險研究，推動電力市場健康發(fā)展。
7）防范嚴重自然災害風險，提升重大突發(fā)事件應對能力。我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，臺風、暴雨、冰災等自然災害對電力基礎設施造成大面積區(qū)域性破壞，嚴重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。應從開展差異化規(guī)劃設計、災害監(jiān)測預警、加強設備運維、優(yōu)化運行方式、災后應急處置等方面綜合施策、協同應對，最大程度降低自然災害對電網的沖擊和影響，不斷提升我國電力系統(tǒng)應對各類重大突發(fā)事件的能力。
05、后續(xù)研究方向
目前CAISO正在對此次停電事件開展深入調查分析，預計年底將給出詳細的分析報告。后續(xù)將持續(xù)跟蹤停電事件分析，從中吸取經驗教訓，為我國電網安全穩(wěn)定運行提供借鑒參考。
參 文 格 式
何劍，屠競哲，孫為民，等．美國加州“8?14”、“8?15”停電事件初步分析及啟示[J]．電網技術，2020，44(12)：4471-4478．
He Jian，Tu Jingzhe，Sun Weimin，et al．Preliminary analysis and lessons of California power outage events on August 14 and 15, 2020[J]．Power System Technology，2020，44(12)：4471-4478(in Chinese)．
相關文獻擴展閱讀
California Independent System Operator，California Public Utilities Commission，California Energy Commission．Preliminary Root Cause Analysis — Mid-August 2020 Heat Storm[R/OL]．Folsom，USA：California ISO，October 6，202．http://www.caiso.com/Documents/ Preliminary-Root-Cause-Analysis-Rotating-Outages-August-2020.pdf．[2020-10-07]
California ISO．2020 Summer Loads and Resources assessment [R/OL]．Folsom，USA：California ISO，May 15，2020．http://www. caiso.com/Documents/2020SummerLoadsandResourcesAssessment.pdf．[2020-09-08]．
