中國儲能網(wǎng)訊：隨著“碳達峰、碳中和”深入推進，在能源轉(zhuǎn)型的背景下，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式正經(jīng)歷深刻的變革：新能源的高比例接入、電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用以及交直流特高壓遠距離輸電技術(shù)的普及，正不斷重塑電力系統(tǒng)的本來特征。這種變革在顯著提升系統(tǒng)運行效率和清潔能源利用率的同時，伴隨著更多的一次設(shè)備暴露在外部環(huán)境當中，導致電力系統(tǒng)在面對極端天氣事件時，其風險源更加多樣化、故障表現(xiàn)形式更加復(fù)雜化、事故危害程度更具破壞性。如此內(nèi)外交織的雙重壓力下，電力系統(tǒng)的安全面臨著前所未有的風險與挑戰(zhàn)。
近年來，全球氣候變化加劇導致極端天氣事件愈演愈烈，如臺風、暴雨、冰雪災(zāi)害等。這些事件對于電力系統(tǒng)的影響不僅體現(xiàn)在輸電線路的倒塌、風電與光伏機組的損毀停運等設(shè)備層面的直接破壞，更體現(xiàn)在新型電力系統(tǒng)空間強耦合的運行范式下，進一步引發(fā)區(qū)域性乃至全網(wǎng)范圍的連鎖故障。例如，2024年臺風“摩羯”登陸我國海南省，超強風力造成全省范圍內(nèi)電網(wǎng)設(shè)備嚴重損毀，超160萬用戶停電，重建恢復(fù)耗時數(shù)周。2021年7月，受副熱帶高壓控制，東北地區(qū)多地氣溫屢破歷史極值，電網(wǎng)用電負峰值高達70.58吉瓦，而風電機組受制于低風速條件，實際出力不足裝機容量的0.1%，導致電力缺額超8吉瓦，區(qū)域電力供應(yīng)一度陷入嚴重危機。
此外，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的顯著變化也增加了其在極端天氣下的自身脆弱性：新能源的高比例接入增加了電源側(cè)的波動性和間歇性，導致系統(tǒng)功率平衡的難度顯著加大；電力電子設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用削弱了系統(tǒng)整體的慣性水平，放大了極端天氣擾動下系統(tǒng)的不穩(wěn)定風險；交直流特高壓遠距離輸電技術(shù)的普及使得電力系統(tǒng)的空間耦合性顯著增強，任何單一故障都可能通過誘發(fā)大規(guī)模的連鎖故障，導致系統(tǒng)承受故障和異常工況的能力顯著降低。
在這種內(nèi)外交困的背景下，如何有效應(yīng)對極端天氣對電力系統(tǒng)帶來的多重威脅成為了當前電力工程領(lǐng)域亟待解決的重要問題。文章首先回顧了近年來典型極端天氣對電力系統(tǒng)的影響及其引發(fā)的安全問題；然后分析了新型電力系統(tǒng)在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時的涵蓋保護、運行和控制等多個方面的安全風險表現(xiàn)；最后，提出了針對新型電力系統(tǒng)應(yīng)對極端天氣的風險管理建議，以期為未來研究和工程實踐提供參考。
極端天氣對電力系統(tǒng)安全的影響
全球現(xiàn)已進入極端天氣的高發(fā)時期，臺風、暴雨、冰災(zāi)等極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，未來10～30年將進入氣候變化的“新常態(tài)”。2019－2021年，國家電網(wǎng)公司運營的110千伏及以上線路總跳閘次數(shù)分別為2242起、2439起、2388起，其中受極端天氣影響的跳閘次數(shù)占比分別為55.39%、54.90%、59.76%，總體呈現(xiàn)增長的趨勢。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，氣象因素除影響輸變電設(shè)備外，還會對裸露在自然中的風電、光伏機組造成直接影響。極端天氣極易導致電力系統(tǒng)設(shè)備損壞，造成系統(tǒng)短時不可修復(fù)的N-k事故，系統(tǒng)安全風險劇增。
我國沿海地區(qū)電力設(shè)施安全常受臺風災(zāi)害破壞。2005年9月26日，臺風“達維”登陸我國海南省，中心風速高達16級，損壞輸電線路337公里，并造成主力電廠相繼解列。隨后海南省電網(wǎng)全網(wǎng)崩潰，部分地區(qū)停電恢復(fù)時間超過10天。2024年9月6日，超強臺風“摩羯”登陸海南省文昌市，登陸時中心風速級別達17級以上，造成海南電網(wǎng)10千伏及以上線路停運836條，35千伏及以上變電站停運79座，168.1萬戶用戶停電，影響臺區(qū)2.8萬個，整體災(zāi)損集中在配網(wǎng)側(cè)。與2014年重創(chuàng)我國南方區(qū)域電網(wǎng)的超強臺風“威馬遜”相比，桿塔受損數(shù)量超36%，線路受損長度超151%。截至9月27日，全省電網(wǎng)恢復(fù)正常運行。
暴雨災(zāi)害
相較于沿海地區(qū)的臺風災(zāi)害，內(nèi)陸地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備可靠性主要受暴雨內(nèi)澇災(zāi)害影響。2021年7月20日，河南省鄭州市突發(fā)特大暴雨，短時降雨量達201.9毫米，突破我國內(nèi)陸歷史降雨極值，造成1854條10千伏及以上線路停運、374萬用戶停電，直至7月30日恢復(fù)全面供電。2023年7月29日，北京市突發(fā)特大暴雨，平均降雨量達744.8毫米，突破北京140年歷史最大降雨量，累計造成1812個臺區(qū)共9600余處電力設(shè)備受損，超6萬用戶停電。災(zāi)后恢復(fù)重建工作直至10月底完成。
冰雪災(zāi)害
輸電線路和新能源機組的覆冰、積雪事件嚴重影響到系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)的可靠性以及新能源機組的出力水平。2008年1月，我國南方地區(qū)遭受罕見冰災(zāi)，災(zāi)區(qū)線路覆冰最大厚度達110毫米，累計造成36740條10千伏及以上線路、2016座35千伏及以上變電站停運，桿塔倒塌及損壞310321基。冰災(zāi)期間電力缺額最高達14.82吉瓦，導致約1億用戶停電。2021年2月，美國得州突發(fā)冬季雪災(zāi)，低溫和冰雪風暴導致大面積風電機組葉槳覆冰以及光伏面板積雪，造成14吉瓦風電光伏機組被迫停運，電力缺額達20吉瓦。得州電力可靠性委員會被迫采用輪流停電避免系統(tǒng)連鎖故障，據(jù)統(tǒng)計450萬居民受到停限電影響。
沙塵暴災(zāi)害
沙塵暴作為我國西北地區(qū)常見的極端天氣災(zāi)害，最強局部風力可達12級以上，相當于臺風登陸時的風速，且風沙荷載的耦合激勵響應(yīng)隨著沙塵暴等級的提升而增大，嚴重威脅著電網(wǎng)輸電線路的可靠性。例如，2006年4月，受西西伯利亞強冷空氣入侵的影響，新疆地區(qū)出現(xiàn)強沙塵暴災(zāi)害，局部地區(qū)風力達12級以上，最高風速達51米每秒，造成多條220千伏線路因斷線停運，引發(fā)塔城——阿勒泰電網(wǎng)以及哈密地區(qū)電網(wǎng)均與新疆電網(wǎng)解列。
近年來，我國加快推進了西北“沙戈荒”地區(qū)大型風光發(fā)電大基地的建設(shè)。這些地區(qū)富饒的風光資源為新能源產(chǎn)業(yè)的提供了良好的發(fā)展空間，但其獨特的沙塵環(huán)境也對新能源設(shè)備的結(jié)構(gòu)可靠性提出了嚴峻的考驗。沙塵暴中的高風速和高密度沙粒的疊加沖擊對風力機組的結(jié)構(gòu)可靠性構(gòu)成了顯著威脅，導致風機渦輪葉片和塔筒的表面沖蝕和性能退化、嚴重時甚至發(fā)生疲勞失穩(wěn)甚至斷裂破壞等。同時，光伏組件在沙塵暴期間也會因沙塵覆蓋大幅削弱出力水平，增加組件熱負荷并加速老化。
強對流天氣
強對流天氣是指由于大氣中垂直方向的強對流運動引發(fā)的一系列劇烈天氣現(xiàn)象，其核心特征表現(xiàn)為雷暴災(zāi)害，對電力系統(tǒng)設(shè)備的損壞不容小覷。
首先，雷電釋放的高壓可能直接擊穿輸電線路的絕緣子，造成整條線路的跳閘，進而引發(fā)一系列連鎖故障，對電網(wǎng)的整體運行安全構(gòu)成嚴重威脅。例如，2019年英國英格蘭與威爾士地區(qū)的“89”大停電事故的直接原因便是雷擊跳閘引起的線路停運，造成兩座大型發(fā)電廠幾乎同時脫網(wǎng)并觸發(fā)低頻負荷減載系統(tǒng)，導致100萬用戶停電。
其次，風機葉片和光伏組件的雷擊損傷也是迫切需要關(guān)注的問題。其中，1.5～5兆瓦的風力機組的整體高度均達百米級別。據(jù)文獻統(tǒng)計，我國多省地區(qū)的風電場雷擊事故損壞率高達9.8次/(100臺每年)，相較20年前的小型風電機的雷擊損壞率增加了5倍以上。
此外，強對流天氣往往還伴隨著冰雹等極端天氣現(xiàn)象。有相關(guān)研究指出，冰雹會顯著降低光伏機組的輸出功率、損壞光伏面板并縮短服役壽命，同時強調(diào)了增強光伏機組抗冰雹能力的必要性。
高溫事件
隨著全球氣候變化的加劇，副熱帶高壓的北抬成為影響我國北方地區(qū)極端高溫事件的重要氣象背景。這一現(xiàn)象顯著增強了區(qū)域的靜穩(wěn)天氣特征，抑制了云層和對流活動，使得地表太陽輻射進一步增強，導致受影響地區(qū)長期處于“極熱無風”的天氣狀態(tài)。
在極端高溫事件期間，電力供需失衡是新型電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。一方面，“極熱”天氣使居民空調(diào)制冷需求激增，同時工業(yè)用電中的降溫系統(tǒng)和高耗能設(shè)備的運行負荷顯著上升；另一方面，風電作為北方地區(qū)新能源電力供應(yīng)的重要組成部分，由于“無風”天氣出力水平大幅下降，甚至多處于待機狀態(tài)，嚴重限制了風電在極端高溫事件中的電力供應(yīng)水平和調(diào)峰能力。例如，2021年7月，副熱帶高壓北抬，東北地區(qū)迎來接連數(shù)日的“極熱無風”天氣，風機出力水平不及裝機容量的0.1%，為電網(wǎng)的保供帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。此外，隨著高溫事件持續(xù)時間的延長，區(qū)域性電網(wǎng)在供電保障方面承受著不斷累積的雙重壓力，具有顯著的時空分布特征。
寒潮事件
寒潮事件指大規(guī)模強冷空氣侵襲引發(fā)的區(qū)域性劇烈降溫天氣現(xiàn)象，通常伴隨著陰云、雨雪、大風以及冰凍等極端條件，對風光發(fā)電設(shè)施的危害顯著。主要表現(xiàn)為風光機組功率預(yù)測偏差，風機的低溫、覆冰脫網(wǎng)、大風切機以及光伏面板的支撐體系過載失效等。以2021年1月我國出現(xiàn)的大范圍寒潮天氣事件為例，全國降溫幅度8℃以上區(qū)域的面積超過250萬平方公里，大面積的低溫雨雪天氣導致全網(wǎng)新能源實際出力與預(yù)測功率差值較大，偏差峰值達5吉瓦。
電力系統(tǒng)自身因素導致的安全風險加劇
我們在上文中已經(jīng)探討了極端天氣事件對電網(wǎng)設(shè)備層面造成的直接破壞，即電力系統(tǒng)所面臨的“外患”。然而，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征新范式下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運行特性使得極端天氣的影響進一步蔓延并放大，形成系統(tǒng)的“內(nèi)憂”。后文將從極端天氣條件下的一次和二次系統(tǒng)角度出發(fā)，通過具體案例分別分析系統(tǒng)自身安全的潛在風險、表現(xiàn)形式以及事故的危害影響。
從一次系統(tǒng)看
N-1安全準則是電力系統(tǒng)的規(guī)劃和安全運行分析當中的一個基本設(shè)計原則，指任意單一元件（如輸電線路或變壓器等）因故障退出運行時，即出現(xiàn)N-1事故時，系統(tǒng)仍能夠通過調(diào)節(jié)運行狀態(tài)維持整體的安全穩(wěn)定性。當同時或接連多個元件退出運行時，稱為N-k（k≥2）事故。
我國資源與符合需求的逆向分布特點，決定了“西電東送”大規(guī)?？鐓^(qū)輸電形態(tài)將成為主要發(fā)展方向。特高壓直流線路的輸送距離遠、地理跨度大、且沿線氣候和地形復(fù)雜，極易受雷擊、覆冰、風暴等自然天氣災(zāi)害的影響發(fā)生N-1線路故障。隨著我國各大區(qū)域電網(wǎng)通過超特高壓輸電線路實現(xiàn)互聯(lián)，23回高壓直流線路承擔了34%的傳輸功率，在實現(xiàn)輸送容量、并網(wǎng)等級不斷提升和突破的同時，特高壓直流輸電線路發(fā)生N-1故障將對送、受端系統(tǒng)的有功和無功功率平衡造成嚴重沖擊，甚至會導致電網(wǎng)穩(wěn)定破壞。
此外，電力電子設(shè)備的并發(fā)性、繼發(fā)性故障頻發(fā)。截至2019年，國家電網(wǎng)公司所運營的直流輸電共發(fā)生換相失敗1353次，平均每條直流輸電工程每年換相失敗9.1次，個別直流輸電系統(tǒng)甚至高達24次。目前，華東、華北、華中以及南方電網(wǎng)均已形成了多饋入直流的特點，多回直流同時換相失敗將加劇系統(tǒng)的大擾動影響。如下圖所示，2013年華中-西南同步系統(tǒng)發(fā)生2起交流故障，分別導致4回直流、3回直流同時換相失敗，對送端造成巨大沖擊。
華中-西南同步系統(tǒng)換相失敗仿真結(jié)果
大規(guī)模新能源集群接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)電壓動態(tài)調(diào)節(jié)特性不斷惡化，導致繼發(fā)性故障頻發(fā)。故障后由于無法及時降低無功功率，發(fā)電側(cè)設(shè)備過電壓將引發(fā)新能源集群脫網(wǎng)事故。
與此同時，高比例新能源波動和間歇特征導致系統(tǒng)穩(wěn)定運行風險進一步放大。由于風光資源富集地區(qū)遠離負荷中心，電力需要通過末端電網(wǎng)接入并經(jīng)遠距離傳輸。由于送出網(wǎng)絡(luò)往往較為薄弱，易受新能源波動導致潮流阻塞和電能質(zhì)量問題，為確保電力供需平衡，新能源并網(wǎng)地區(qū)對調(diào)峰調(diào)頻靈活性資源需求大幅增加，本地電網(wǎng)靈活性資源不足時往往發(fā)生棄風棄光現(xiàn)象。
此外，新能源機組在電網(wǎng)發(fā)生擾動時難以提供慣量支撐，整體表現(xiàn)為無慣性或弱慣性的消極外特征，導致故障時頻率快速變化和拉低系統(tǒng)最低頻率水平，危機系統(tǒng)穩(wěn)定。如下圖所示，2021年東北電網(wǎng)因新能源出力不足造成系統(tǒng)頻率急劇下降并跌至49.6赫茲，調(diào)度部門被迫緊急采取拉閘限電，導致負荷損失3吉瓦。
高比例新能源電網(wǎng)運行風險增大
如下圖所示，系統(tǒng)寬頻振蕩的場景在世界范圍內(nèi)也在不斷增多，主要原因是電力電子設(shè)備的波形變換及其非線性控制造成更加豐富的諧波源、柔性輸電等技術(shù)使得諧振頻率更加寬泛、機組的軸系及動力調(diào)速系統(tǒng)可能導致機械-電氣系統(tǒng)共振。2015年7月1日，新疆哈密山北風電機組持續(xù)產(chǎn)生同步振蕩，導致310公里外的花園電廠#1、#2、#3機組軸系扭振保護相繼動作跳閘，電廠全停。
世界范圍內(nèi)振蕩事件頻發(fā)
從二次系統(tǒng)看
從反應(yīng)工頻量的繼電保護原理來看，存在不正確動作的風險。對于差動保護，由于新能源與同步機提供的短路電流在幅值和相位上的差異，導致內(nèi)部故障時差動電流變小，制動電流增大，保護存在拒動風險。對于距離保護，新能源等效阻抗受到控制策略的影響，出口故障時保護存在拒動和誤動的風險，如下圖所示。
背后新能源時差動和距離保護不正確動作風險原理
定值配合式保護作為繼電保護系統(tǒng)的重要組成部分，擔負著近后備和遠后備保護的職責。隨著波動性、高比例的新能源接入電網(wǎng)，大電網(wǎng)的運行方式變化更大更快，僅反應(yīng)被保護設(shè)備的就地信息，某些情況下將無法正確識別區(qū)內(nèi)外故障，定值配合式保護選擇性和靈敏性無法同時滿足。對于配電網(wǎng)，由于分布式電源的接入，分布式電源為保護測量電流帶來助增和汲流的影響，同時電網(wǎng)的自愈控制還會直接改變配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的定值配合式保護面臨的問題將更加嚴重。
含分布式電源接入的配電網(wǎng)定值配合式保護不正確動作風險原理
從安全穩(wěn)定控制來看，預(yù)案式控制的準確性和適用性降低并且存在多種安全穩(wěn)定控制問題交織的風險。一方面，由于新能源的波動特征，系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)速度快、方式變化大，造成預(yù)想場景和現(xiàn)實工況差異變大；另一方面，電力電子設(shè)備呈現(xiàn)非線性受控和時變特征，系統(tǒng)呈現(xiàn)更強的連續(xù)-離散系統(tǒng)特性，另外還存在控制模型參數(shù)不透明的“黑匣子”特征，使得準確制定預(yù)案的難度增加。此外，大量新能源經(jīng)特高壓直流跨區(qū)域輸送，當傳輸通道故障時，會造成很大的有功和無功功率的波動和不平衡，會同時引發(fā)系統(tǒng)的多種穩(wěn)定控制問題。
大電網(wǎng)系統(tǒng)多安全穩(wěn)定控制問題交織
應(yīng)對風險的建議
2024年3月，中國電機工程學會以新質(zhì)生產(chǎn)力對能源電力領(lǐng)域的發(fā)展影響為指引，圍繞能源安全增強、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等重點話題發(fā)布的20個電力領(lǐng)域的重大問題難題，其中有6個與極端天氣以及電力系統(tǒng)風險防控相關(guān)。因此，電力系統(tǒng)在加速轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時，應(yīng)加強極端天氣下預(yù)防性控制的研究及應(yīng)用，以應(yīng)對系統(tǒng)內(nèi)外的雙重挑戰(zhàn)。下文將分別從設(shè)備層面、系統(tǒng)層面和跨部門之間的聯(lián)合攻關(guān)3個方面提出幾點應(yīng)對風險的思考與建議，旨在為新型電力系統(tǒng)在極端天氣下的韌性提升提供更具前瞻性的思路與啟發(fā)。
重視極端天氣條件下電力系統(tǒng)設(shè)備層面的風險評估研究
當前極端天氣呈現(xiàn)出的頻發(fā)性、群發(fā)性、持續(xù)性和多災(zāi)種耦合特性，對電力設(shè)備的風險評估提出了更高的要求。例如，強對流天氣下往往伴隨著雷暴、冰雹、強風以及短時強降雨等多種氣象現(xiàn)象，形成復(fù)合型災(zāi)害，對輸電線路和新能源場站造成多重威脅；臺風登陸時通常伴隨著暴雨事件，區(qū)域性的風雨耦合沖擊加劇了輸電塔線失效的風險，進一步導致連鎖故障的發(fā)生；此外，在冰災(zāi)期間，風冰耦合激勵的荷載放大效應(yīng)顯著增加了覆冰線路的動態(tài)應(yīng)力，導致結(jié)構(gòu)故障概率大幅提高。精準評估設(shè)備在多災(zāi)種混合條件下的故障風險，是制定科學有效風險防控策略的基礎(chǔ)。在這種背景下，應(yīng)積極推進多災(zāi)種作用耦合機理的研究，探索不同災(zāi)害條件下設(shè)備結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)及其相互作用的規(guī)律，同時結(jié)合區(qū)域氣象的統(tǒng)計特征，構(gòu)建融合多災(zāi)種氣象信息的聯(lián)合故障概率模型，以應(yīng)對復(fù)雜氣象條件對電力系統(tǒng)的沖擊。如下圖所示，在雙重荷載和耦合沖擊作用下，結(jié)構(gòu)的破壞概率可通過引入二維概率分布表征結(jié)構(gòu)破壞概率的空間分布，從而更清晰地展示結(jié)構(gòu)破壞行為與各類荷載之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
多災(zāi)種耦合結(jié)構(gòu)破壞概率示意圖
此外，精細化建模是實現(xiàn)設(shè)備風險精準評估的重要基礎(chǔ)工作，應(yīng)綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準規(guī)范、服役年限和所處環(huán)境的地理地形特征等因素，以確保風險評價的準確性和適用性。實行差異化原則的高彈性電網(wǎng)規(guī)劃已成為各界的普遍共識，這將為建設(shè)高彈性電網(wǎng)的設(shè)計提供有力支撐。如下圖所示，有相關(guān)研究建立了110kV電壓等級輸電線路導線和鐵塔結(jié)構(gòu)的精細化有限元模型，從結(jié)構(gòu)失效機理的角度推導了臺風暴雨災(zāi)害下輸電線路的停運模型。
極端天氣下電網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的失效風險評估
針對極端天氣條件下新能源機組出力及失效風險評估的研究亟待深化，尤其是需加強對沙塵堆積、積雪覆蓋對光伏支撐體系的影響，以及葉片積冰、風沙耦合沖擊對風機整體失效概率影響的評估研究。風機在運行中所受的隨機載荷復(fù)雜多變，呈現(xiàn)典型的疲勞特性。隨著服役時間的推移，風機結(jié)構(gòu)的疲勞程度不斷加深，因此應(yīng)著重開展塔筒、葉片、齒輪箱等高故障率關(guān)鍵部件的時變可靠性研究，以期更全面地反映風機全壽命周期內(nèi)的故障風險特征。
優(yōu)化極端天氣條件下系統(tǒng)層面N-k安全評估及風險防控策略
開展系統(tǒng)層面的N-k安全評估與預(yù)防性控制措施，旨在從極端天氣特性的角度出發(fā)，對電力系統(tǒng)的風險進行量化和評估，提高電力系統(tǒng)的韌性水平和適應(yīng)能力。
首先，要積極建立更加科學的風險評估指標體系，綜合考慮多種風險因素，從安全性和穩(wěn)定性2個方面對新型電力系統(tǒng)進行風險評估。如下圖所示，有相關(guān)研究以臺風暴雨災(zāi)害為例，結(jié)合氣象預(yù)報信息，通過建立的線路停運概率模型將外部氣象條件融入到N-k安全評估當中，構(gòu)建了基于靜態(tài)安全分析的電力系統(tǒng)預(yù)防性風險評估指標體系框架，旨在極端天氣沖擊的條件下合理地評估系統(tǒng)的運行風險，為電力系統(tǒng)預(yù)防性控制提供決策依據(jù)。
區(qū)域電網(wǎng) N-k 事故預(yù)防性風險評估體系
其次，加強第一道防線中的預(yù)防性控制方案的研究，制定完備的風險防控措施的決策策略，積極發(fā)揮第一道防線中預(yù)防性控制策略在高風險場景下的作用，有效防止系統(tǒng)性事故。如下圖所示，以某地區(qū)實際電網(wǎng)和臺風數(shù)據(jù)為例，對比了預(yù)防性控制與事后控制的效果。結(jié)果表明，當系統(tǒng)風險較高時，采取主動預(yù)防性的風險防控措施的效果優(yōu)于事后控制。
預(yù)防性控制與事后控制效果對比圖
加強與氣象部門的聯(lián)合科技攻關(guān)
新型電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展最為顯著的變化便是系統(tǒng)各運行環(huán)節(jié)與氣象要素的波動緊密相關(guān)，呈現(xiàn)出電力系統(tǒng)運行深度耦合氣象系統(tǒng)的演化趨勢。未來，氣象領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展將在電力領(lǐng)域產(chǎn)生豐富的應(yīng)用場景。因此，電力系統(tǒng)與氣象部門開展聯(lián)合科技攻關(guān)對于提高風險防控策略的質(zhì)量和成效至關(guān)重要。
目前，已有學者陸續(xù)開展了電力與氣象領(lǐng)域的交叉融合研究。例如，有研究提出了一種基于時空特征的分布式光伏系統(tǒng)（DPVS）電氣安全風險預(yù)測方法，文中使用協(xié)同克里金法對區(qū)域暴雨進行空間插值，然后采用二維水動力學偏微分模型模擬暴雨引發(fā)的區(qū)域積水深度的動態(tài)分布，并探討了氣象條件如何通過影響光伏組件的漏電流對電力系統(tǒng)造成威脅。
此外，未來的研究還應(yīng)加強考慮地形因素的微氣象/小氣候的預(yù)測精度，提高對極端天氣事件及其破壞性效應(yīng)的把握度。積極推進電力安全治理體系的建設(shè)，加快內(nèi)部預(yù)警機制的建立，加強極端天氣事件及其關(guān)聯(lián)影響的監(jiān)視、評估與影響預(yù)測，打破數(shù)據(jù)壁壘并加強聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，從而提高系統(tǒng)風險防控策略的質(zhì)量和成效。
基于地理高程數(shù)據(jù)的氣象資源高精度插值示意圖
近年來極端天氣頻頻發(fā)生，已成為典型的“灰犀?！笔录?，對新型電力系統(tǒng)的源、網(wǎng)、荷側(cè)設(shè)備構(gòu)成重大安全風險，嚴重威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。與此同時，新型電力系統(tǒng)自身抵御外部風險的能力下降，樹立強烈的風險意識顯得尤為重要。我們聚焦于從整體層面分析極端天氣條件對新型電力系統(tǒng)的影響，并對應(yīng)對措施及發(fā)展方向展開了探討與思考。強調(diào)了以下幾點共識與趨勢：
首先，我們結(jié)合典型案例系統(tǒng)性梳理了多種極端天氣災(zāi)害對電力系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)層面的多重影響，揭示了新型電力系統(tǒng)在復(fù)雜天氣條件下的關(guān)鍵脆弱環(huán)節(jié)。
其次，針對極端天氣下電網(wǎng)設(shè)備的易損性，強調(diào)了推進對多災(zāi)耦合沖擊下設(shè)備綜合故障建模的重要性，同時指出結(jié)構(gòu)的精細化建模是實現(xiàn)精準評估的重要基礎(chǔ)，并建議深入研究風沙、覆冰等環(huán)境對新能源機組關(guān)鍵部件的長期性能影響，完善設(shè)備全壽命周期的風險評估方法。
第三，我們提出了強化N-k安全評估和預(yù)防性控制的重要性，基于系統(tǒng)安全分析和氣象條件預(yù)測，構(gòu)建面向極端天氣情景的系統(tǒng)風險量化模型，實現(xiàn)優(yōu)化風險的防控策略，并通過真實臺風場景和區(qū)域電網(wǎng)驗證了主動預(yù)防措施的顯著效果。
最后，呼吁電力與氣象部門之間協(xié)同機制的構(gòu)建，建議加強電力系統(tǒng)與氣象數(shù)據(jù)的深度耦合研究，提升極端天氣事件的預(yù)測精度和動態(tài)應(yīng)對能力，為新型電力系統(tǒng)的韌性提供內(nèi)部理論依據(jù)和外部技術(shù)數(shù)據(jù)的保障和支撐。
