中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著“碳達(dá)峰、碳中和”深入推進(jìn)，在能源轉(zhuǎn)型的背景下，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(yuǎn)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(yùn)行效率和清潔能源利用率的同時(shí)，伴隨著更多的一次設(shè)備暴露在外部環(huán)境當(dāng)中，導(dǎo)致電力系統(tǒng)在面對極端天氣事件時(shí)，其風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。
近年來，全球氣候變化加劇導(dǎo)致極端天氣事件愈演愈烈，如臺(tái)風(fēng)、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(fēng)電與光伏機(jī)組的損毀停運(yùn)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(qiáng)耦合的運(yùn)行范式下，進(jìn)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(tái)風(fēng)“摩羯”登陸我國海南省，超強(qiáng)風(fēng)力造成全省范圍內(nèi)電網(wǎng)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，超160萬用戶停電，重建恢復(fù)耗時(shí)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(fù)峰值高達(dá)70.58吉瓦，而風(fēng)電機(jī)組受制于低風(fēng)速條件，實(shí)際出力不足裝機(jī)容量的0.1%，導(dǎo)致電力缺額超8吉瓦，區(qū)域電力供應(yīng)一度陷入嚴(yán)重危機(jī)。
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(dòng)性和間歇性，導(dǎo)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(dòng)下系統(tǒng)的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)；交直流特高壓遠(yuǎn)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(qiáng)，任何單一故障都可能通過誘發(fā)大規(guī)模的連鎖故障，導(dǎo)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(dāng)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(shí)的涵蓋保護(hù)、運(yùn)行和控制等多個(gè)方面的安全風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)管理建議，以期為未來研究和工程實(shí)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(jìn)入極端天氣的高發(fā)時(shí)期，臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰災(zāi)等極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，未來10～30年將進(jìn)入氣候變化的“新常態(tài)”。2019－2021年，國家電網(wǎng)公司運(yùn)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(huì)對裸露在自然中的風(fēng)電、光伏機(jī)組造成直接影響。極端天氣極易導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備損壞，造成系統(tǒng)短時(shí)不可修復(fù)的N-k事故，系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)劇增。
我國沿海地區(qū)電力設(shè)施安全常受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害破壞。2005年9月26日，臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”登陸我國海南省，中心風(fēng)速高達(dá)16級(jí)，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(shí)間超過10天。2024年9月6日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“摩羯”登陸海南省文昌市，登陸時(shí)中心風(fēng)速級(jí)別達(dá)17級(jí)以上，造成海南電網(wǎng)10千伏及以上線路停運(yùn)836條，35千伏及以上變電站停運(yùn)79座，168.1萬戶用戶停電，影響臺(tái)區(qū)2.8萬個(gè)，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(qiáng)臺(tái)風(fēng)“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(yùn)行。
暴雨災(zāi)害
相較于沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)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(shí)降雨量達(dá)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(yùn)、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(dá)744.8毫米，突破北京140年歷史最大降雨量，累計(jì)造成1812個(gè)臺(tái)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(jī)組的覆冰、積雪事件嚴(yán)重影響到系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)的可靠性以及新能源機(jī)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(dá)110毫米，累計(jì)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(yùn)，桿塔倒塌及損壞310321基。冰災(zāi)期間電力缺額最高達(dá)14.82吉瓦，導(dǎo)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(fēng)暴導(dǎo)致大面積風(fēng)電機(jī)組葉槳覆冰以及光伏面板積雪，造成14吉瓦風(fēng)電光伏機(jī)組被迫停運(yùn)，電力缺額達(dá)20吉瓦。得州電力可靠性委員會(huì)被迫采用輪流停電避免系統(tǒng)連鎖故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)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(qiáng)局部風(fēng)力可達(dá)12級(jí)以上，相當(dāng)于臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)速，且風(fēng)沙荷載的耦合激勵(lì)響應(yīng)隨著沙塵暴等級(jí)的提升而增大，嚴(yán)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(qiáng)冷空氣入侵的影響，新疆地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴災(zāi)害，局部地區(qū)風(fēng)力達(dá)12級(jí)以上，最高風(fēng)速達(dá)51米每秒，造成多條220千伏線路因斷線停運(yùn)，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(jìn)了西北“沙戈荒”地區(qū)大型風(fēng)光發(fā)電大基地的建設(shè)。這些地區(qū)富饒的風(fēng)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(dú)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(yán)峻的考驗(yàn)。沙塵暴中的高風(fēng)速和高密度沙粒的疊加沖擊對風(fēng)力機(jī)組的結(jié)構(gòu)可靠性構(gòu)成了顯著威脅，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)渦輪葉片和塔筒的表面沖蝕和性能退化、嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生疲勞失穩(wěn)甚至斷裂破壞等。同時(shí)，光伏組件在沙塵暴期間也會(huì)因沙塵覆蓋大幅削弱出力水平，增加組件熱負(fù)荷并加速老化。
強(qiáng)對流天氣
強(qiáng)對流天氣是指由于大氣中垂直方向的強(qiáng)對流運(yùn)動(dòng)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(jìn)而引發(fā)一系列連鎖故障，對電網(wǎng)的整體運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)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(yùn)，造成兩座大型發(fā)電廠幾乎同時(shí)脫網(wǎng)并觸發(fā)低頻負(fù)荷減載系統(tǒng)，導(dǎo)致100萬用戶停電。
其次，風(fēng)機(jī)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(fēng)力機(jī)組的整體高度均達(dá)百米級(jí)別。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，我國多省地區(qū)的風(fēng)電場雷擊事故損壞率高達(dá)9.8次/(100臺(tái)每年)，相較20年前的小型風(fēng)電機(jī)的雷擊損壞率增加了5倍以上。
此外，強(qiáng)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(huì)顯著降低光伏機(jī)組的輸出功率、損壞光伏面板并縮短服役壽命，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)光伏機(jī)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?dú)庀蟊尘?。這一現(xiàn)象顯著增強(qiáng)了區(qū)域的靜穩(wěn)天氣特征，抑制了云層和對流活動(dòng)，使得地表太陽輻射進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致受影響地區(qū)長期處于“極熱無風(fēng)”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(shí)工業(yè)用電中的降溫系統(tǒng)和高耗能設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷顯著上升；另一方面，風(fēng)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(fēng)”天氣出力水平大幅下降，甚至多處于待機(jī)狀態(tài)，嚴(yán)重限制了風(fēng)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(fēng)”天氣，風(fēng)機(jī)出力水平不及裝機(jī)容量的0.1%，為電網(wǎng)的保供帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，隨著高溫事件持續(xù)時(shí)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(shí)空分布特征。
寒潮事件
寒潮事件指大規(guī)模強(qiáng)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(fēng)以及冰凍等極端條件，對風(fēng)光發(fā)電設(shè)施的危害顯著。主要表現(xiàn)為風(fēng)光機(jī)組功率預(yù)測偏差，風(fēng)機(jī)的低溫、覆冰脫網(wǎng)、大風(fēng)切機(jī)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(dǎo)致全網(wǎng)新能源實(shí)際出力與預(yù)測功率差值較大，偏差峰值達(dá)5吉瓦。
電力系統(tǒng)自身因素導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)行特性使得極端天氣的影響進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)、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(zhǔn)則是電力系統(tǒng)的規(guī)劃和安全運(yùn)行分析當(dāng)中的一個(gè)基本設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，即出現(xiàn)N-1事故時(shí)，系統(tǒng)仍能夠通過調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)維持整體的安全穩(wěn)定性。當(dāng)同時(shí)或接連多個(gè)元件退出運(yùn)行時(shí)，稱為N-k（k≥2）事故。
我國資源與符合需求的逆向分布特點(diǎn)，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(yuǎn)、地理跨度大、且沿線氣候和地形復(fù)雜，極易受雷擊、覆冰、風(fēng)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)，23回高壓直流線路承擔(dān)了34%的傳輸功率，在實(shí)現(xiàn)輸送容量、并網(wǎng)等級(jí)不斷提升和突破的同時(shí)，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(yán)重沖擊，甚至?xí)?dǎo)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(yùn)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(gè)別直流輸電系統(tǒng)甚至高達(dá)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(diǎn)，多回直流同時(shí)換相失敗將加劇系統(tǒng)的大擾動(dòng)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(dǎo)致4回直流、3回直流同時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性不斷惡化，導(dǎo)致繼發(fā)性故障頻發(fā)。故障后由于無法及時(shí)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(shí)，高比例新能源波動(dòng)和間歇特征導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步放大。由于風(fēng)光資源富集地區(qū)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電力需要通過末端電網(wǎng)接入并經(jīng)遠(yuǎn)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(dòng)導(dǎo)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(shí)往往發(fā)生棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。
此外，新能源機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)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(dǎo)致故障時(shí)頻率快速變化和拉低系統(tǒng)最低頻率水平，危機(jī)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(dǎo)致負(fù)荷損失3吉瓦。
高比例新能源電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)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(jī)組的軸系及動(dòng)力調(diào)速系統(tǒng)可能導(dǎo)致機(jī)械-電氣系統(tǒng)共振。2015年7月1日，新疆哈密山北風(fēng)電機(jī)組持續(xù)產(chǎn)生同步振蕩，導(dǎo)致310公里外的花園電廠#1、#2、#3機(jī)組軸系扭振保護(hù)相繼動(dòng)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(hù)原理來看，存在不正確動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。對于差動(dòng)保護(hù)，由于新能源與同步機(jī)提供的短路電流在幅值和相位上的差異，導(dǎo)致內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)電流變小，制動(dòng)電流增大，保護(hù)存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。對于距離保護(hù)，新能源等效阻抗受到控制策略的影響，出口故障時(shí)保護(hù)存在拒動(dòng)和誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，如下圖所示。
背后新能源時(shí)差動(dòng)和距離保護(hù)不正確動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)原理
定值配合式保護(hù)作為繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著近后備和遠(yuǎn)后備保護(hù)的職責(zé)。隨著波動(dòng)性、高比例的新能源接入電網(wǎng)，大電網(wǎng)的運(yùn)行方式變化更大更快，僅反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備的就地信息，某些情況下將無法正確識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，定值配合式保護(hù)選擇性和靈敏性無法同時(shí)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(hù)測量電流帶來助增和汲流的影響，同時(shí)電網(wǎng)的自愈控制還會(huì)直接改變配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的定值配合式保護(hù)面臨的問題將更加嚴(yán)重。
含分布式電源接入的配電網(wǎng)定值配合式保護(hù)不正確動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)原理
從安全穩(wěn)定控制來看，預(yù)案式控制的準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)。一方面，由于新能源的波動(dòng)特征，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)速度快、方式變化大，造成預(yù)想場景和現(xiàn)實(shí)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(shí)變特征，系統(tǒng)呈現(xiàn)更強(qiáng)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(zhǔn)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(dāng)傳輸通道故障時(shí)，會(huì)造成很大的有功和無功功率的波動(dòng)和不平衡，會(huì)同時(shí)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(fēng)險(xiǎn)的建議
2024年3月，中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)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(qiáng)、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等重點(diǎn)話題發(fā)布的20個(gè)電力領(lǐng)域的重大問題難題，其中有6個(gè)與極端天氣以及電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控相關(guān)。因此，電力系統(tǒng)在加速轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)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(gè)方面提出幾點(diǎn)應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究
當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提出了更高的要求。例如，強(qiáng)對流天氣下往往伴隨著雷暴、冰雹、強(qiáng)風(fēng)以及短時(shí)強(qiáng)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(tái)風(fēng)登陸時(shí)通常伴隨著暴雨事件，區(qū)域性的風(fēng)雨耦合沖擊加劇了輸電塔線失效的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步導(dǎo)致連鎖故障的發(fā)生；此外，在冰災(zāi)期間，風(fēng)冰耦合激勵(lì)的荷載放大效應(yīng)顯著增加了覆冰線路的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)故障概率大幅提高。精準(zhǔn)評(píng)估設(shè)備在多災(zāi)種混合條件下的故障風(fēng)險(xiǎn)，是制定科學(xué)有效風(fēng)險(xiǎn)防控策略的基礎(chǔ)。在這種背景下，應(yīng)積極推進(jìn)多災(zāi)種作用耦合機(jī)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(shí)結(jié)合區(qū)域氣象的統(tǒng)計(jì)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(xì)化建模是實(shí)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)評(píng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和適用性。實(shí)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(shí)，這將為建設(shè)高彈性電網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(jí)輸電線路導(dǎo)線和鐵塔結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，從結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的角度推導(dǎo)了臺(tái)風(fēng)暴雨災(zāi)害下輸電線路的停運(yùn)模型。
極端天氣下電網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
針對極端天氣條件下新能源機(jī)組出力及失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究亟待深化，尤其是需加強(qiáng)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(fēng)沙耦合沖擊對風(fēng)機(jī)整體失效概率影響的評(píng)估研究。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中所受的隨機(jī)載荷復(fù)雜多變，呈現(xiàn)典型的疲勞特性。隨著服役時(shí)間的推移，風(fēng)機(jī)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(shí)變可靠性研究，以期更全面地反映風(fēng)機(jī)全壽命周期內(nèi)的故障風(fēng)險(xiǎn)特征。
優(yōu)化極端天氣條件下系統(tǒng)層面N-k安全評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)防控策略
開展系統(tǒng)層面的N-k安全評(píng)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化和評(píng)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(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，綜合考慮多種風(fēng)險(xiǎn)因素，從安全性和穩(wěn)定性2個(gè)方面對新型電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。如下圖所示，有相關(guān)研究以臺(tái)風(fēng)暴雨災(zāi)害為例，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)信息，通過建立的線路停運(yùn)概率模型將外部氣象條件融入到N-k安全評(píng)估當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系框架，旨在極端天氣沖擊的條件下合理地評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系
其次，加強(qiáng)第一道防線中的預(yù)防性控制方案的研究，制定完備的風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(shí)際電網(wǎng)和臺(tái)風(fēng)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(dāng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，采取主動(dòng)預(yù)防性的風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)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(yùn)行環(huán)節(jié)與氣象要素的波動(dòng)緊密相關(guān)，呈現(xiàn)出電力系統(tǒng)運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)防控策略的質(zhì)量和成效至關(guān)重要。
目前，已有學(xué)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(shí)空特征的分布式光伏系統(tǒng)（DPVS）電氣安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法，文中使用協(xié)同克里金法對區(qū)域暴雨進(jìn)行空間插值，然后采用二維水動(dòng)力學(xué)偏微分模型模擬暴雨引發(fā)的區(qū)域積水深度的動(dòng)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(qiáng)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(jìn)電力安全治理體系的建設(shè)，加快內(nèi)部預(yù)警機(jī)制的建立，加強(qiáng)極端天氣事件及其關(guān)聯(lián)影響的監(jiān)視、評(píng)估與影響預(yù)測，打破數(shù)據(jù)壁壘并加強(qiáng)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，從而提高系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。與此同時(shí)，新型電力系統(tǒng)自身抵御外部風(fēng)險(xiǎn)的能力下降，樹立強(qiáng)烈的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)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(qiáng)調(diào)了以下幾點(diǎn)共識(shí)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(qiáng)調(diào)了推進(jìn)對多災(zāi)耦合沖擊下設(shè)備綜合故障建模的重要性，同時(shí)指出結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)評(píng)估的重要基礎(chǔ)，并建議深入研究風(fēng)沙、覆冰等環(huán)境對新能源機(jī)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。
第三，我們提出了強(qiáng)化N-k安全評(píng)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(fēng)險(xiǎn)量化模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)的防控策略，并通過真實(shí)臺(tái)風(fēng)場景和區(qū)域電網(wǎng)驗(yàn)證了主動(dòng)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(jī)制的構(gòu)建，建議加強(qiáng)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(dòng)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。
