編者按：我國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。能源領域碳排放總量大、占比高，是實現綠色低碳轉型和高質量發展的關鍵。公司能源業務部成立了以張宗玟等部門領導為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組，貫徹新發展理念和能源安全新戰略，對以新能源為主體的新型電力系統、碳排放和水電、新能源、核電、儲能、煤炭等方面高質量發展進行了探索性研究，以推動構建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進研究成果的應用，本公眾號將核心研究成果以系列文章的形式陸續刊發，供業界同仁參考。

碳達峰碳中和背景下電力系統安全穩定運行的風險挑戰與對策研究

梁雙 潘小海 張宗玟 張茗洋

摘要：碳達峰碳中和目標愿景下，構建以新能源為主體的新型電力系統，電源結構、系統特性、運行方式和主要風險等方面均將發生深刻變革，對電力系統安全穩定運行提出新的挑戰。本文結合我國電力系統發展現狀，分析了電源結構變革、系統特性變革、極端天氣頻發和網絡外力攻擊等因素對電力系統安全穩定運行的風險挑戰，并從能源系統協同發展、可再生能源角色轉變、風險管理和技術變革等角度提出了“六個轉變”的對策建議。

關鍵詞：碳達峰碳中和；高比例可再生能源；新型電力系統；安全穩定

2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，明確了我國綠色低碳發展的時間表。循跡溯源，我國80%以上的碳排放來自能源系統，其中40%以上來自電力系統，同時，隨著終端電氣化水平的提升，這一比例呈上升趨勢。因此，加快電力系統綠色低碳發展是實現碳達峰碳中和目標的必由之路。

2020年12月12日，習近平總書記在氣候雄心峰會上發表重要講話并宣布，到2030年，我國風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上提出，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。

電源結構的革命性變化，必然帶來電力系統運行特性的深刻變化，風光等可再生能源發電具有明顯的隨機性和間歇性，且不具備常規電源的轉動慣量特性、穩定的頻率支撐和動態無功支撐能力，抗干擾能力弱，未來高比例可再生能源電力系統的安全穩定運行將面臨巨大挑戰[1][2]，需要提前謀劃，采取差異化應對策略。

一、電力系統發展現狀

目前，我國電網已形成以華北、華中、華東、東北、西北、南方等區域電網為主體，區域電網間交直流互聯，覆蓋全部?。▍^、市）的大型電網。截至2020年底，全國220千伏及以上輸電線路長度78.98萬千米，同比增長4.6%；220千伏及以上變電設備容量448680萬千伏安，同比增長為5.2%。全國電網發電裝機22億千瓦，同比增長9.5%，其中火電12.45億千瓦、水電3.7億千瓦、核電0.50億千瓦、風電2.82億千瓦、太陽能發電2.53億千瓦（見圖1）。我國電網規模和發電裝機規模均居世界首位。2020年全社會用電量75110億千瓦時，同比增長3.1%，“十三五”年均增速5.7%。

圖1 2020年底我國電源結構

注：數據來源于2020年國家能源局全國電力工業統計數據

根據國際能源署（International Energy Agency，IEA）和英國石油公司（British Petroleum，BP）公布數據，2020年全球能源相關二氧化碳排放323億噸，我國二氧化碳排放量約99億噸，占全球總排放量的30%。我國能源行業碳排放量占比約80%，其中電力排放占比40%。隨著工業、建筑、交通等能耗高、排放量大的能源消費領域電氣化進程的推進，電力行業碳排放壓力將持續上升。因此，電力系統低碳轉型將關系到全社會深度脫碳目標的實現。

二、電力系統安全穩定運行風險

（一）電源結構變革帶來的供應風險

長期以來，我國電力供應以煤電等高碳電源為主，裝機占比始終在50%以上，2020年煤電裝機達到10.8億千瓦，發電量4.63萬億千瓦時，裝機占比首次降至50%以下，但發電量占比仍超過60%。

碳達峰、碳中和目標愿景下，部分省區提出不再新增煤電、減煤限發并加速退出的政策號召，電力供應轉向風、光等低碳電源，但風、光具有明顯的隨機性、間歇性，光伏夜間出力為零，風電出力低于20%的概率高達50%、出力高于70%的概率不高于10%。據歷史資料顯示，新疆某地風電低于裝機容量20%的低出力最長持續時間超過8天，陜西某地光伏低于裝機容量20%的低出力最長持續時間超過4天。間歇性電源供電保障能力弱，而配套的抽水蓄能、儲能等靈活性資源又受站址、成本回收機制等制約，發展嚴重滯后?！峨娏Πl展“十三五”規劃（2016-2020年）》明確提出，新增抽水蓄能電站1700萬千瓦、氣電5000萬千瓦。截至2020年底，僅完成了目標增長量的47%、72%，較目標值低900萬千瓦、1400萬千瓦。因此，電力供應或長期處于緊平衡甚至區域性短缺狀態。

由于經濟快速恢復增長及大范圍寒潮天氣疊加影響，2020年12月14日、16日、30日以及2021年1月7日，全國用電負荷連續4次創歷史新高。特別是2021年1月7日，晚間用電負荷高峰達到11.89億千瓦，在22億千瓦電力裝機中，2.5億千瓦光伏出力為零，2.8億千瓦風電出力僅10%，再加上冬季枯水的影響，3.7億千瓦水電出力1.7億千瓦，僅46%，電力供應逼近安全極限。2021年初，湖南、江西、浙江、江蘇等省都出現了不同程度的限電，影響了居民取暖照明等基本生活保障。

（二）系統特性變革帶來的運行風險

未來以新能源為主體的新型電力系統呈現“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設備）、“雙低”（低系統慣量、低抗干擾性）、“雙峰”（早晚高峰、冬夏高峰）等疊加的特征，新的運行特征導致電力系統的頻率、電壓、功角三大核心特性均發生深刻變化，具體表現為：轉動慣量降低導致調頻能力下降[3],無功支撐不足導致電壓穩定問題突出[4]，耦合關系復雜導致功角穩定難度加大[5]，電力電子裝置易誘發次/超同步振蕩[6]。結果導致：一方面，系統的運行風險加??；另一方面，隨著煤電等電網友好型機組的減少，預防、抵御和清除風險使得系統恢復并保持安全穩定運行的措施手段“捉襟見肘”。

據國家電網有限公司測算，“十四五”期間其經營區域內最大日峰谷差將達到4億千瓦，最大日峰谷差率（峰谷差與最高負荷的比率）將增至35%，疊加可再生能源的“反調峰”特性，系統的調峰能力將面臨較大挑戰。

近十年來，我國甘肅、內蒙古、河北等地發生多起風機大規模脫網事故；新疆等地發生寬頻帶振蕩100余次；2015年7月，哈密山北地區風電場產生的次同步諧波引發花園電廠機組軸系次同步扭振保護動作，導致3臺66萬千瓦機組同時跳機。

其他國家也出現過很多類似的案例，如2019年8月，英國電網線路遭到雷擊停運后發生霍恩風電場脫網、燃氣電站停機等連鎖故障，損失負荷93.1萬千瓦，導致包括首都倫敦在內多地的100萬人受停電影響，社會秩序混亂。

（三）極端天氣頻發帶來的停電風險

近年來，隨著全球氣候變暖，“十年一遇”“幾十年一遇”甚至“百年一遇”的災害不時出現，傳統意義上罕見的極端天氣變得更加頻繁。2019年，澳大利亞在90天內打破了206項高溫記錄；2020年，我國浙江省梅雨量破歷史記錄，7月雷暴天氣頻發，雷云向地面放電共計20萬余次。高比例可再生能源發電與天氣高度耦合，電力系統面臨極端天氣負荷需求高漲、化石燃料供應短缺、可再生能源發電量降低、發輸變電設備故障等風險。

2008年，湖南電網遭遇冰災，全省33條500千伏線路跳閘126次，斷線14條，倒塔182基；246條220千伏線路跳閘683次，斷線42條，倒塔633基；500千伏變電站停運數達50%，導致電網解列，450萬人受停電影響兩個星期。

2016年9月，澳大利亞南部電網受臺風暴雨影響，多條輸電線路故障跳閘，風電機組因運行調節能力不足而大規模脫網，全網損失負荷183萬千瓦，導致約170萬人受停電影響7小時；2017年2月受極端高溫天氣影響，用電負荷激增，而風電出力又低于預測，導致澳大利亞南部電網內機組旋轉備用緊張，區外受電電力持續超越聯絡線穩定限額，不得不拉閘限電，損失負荷30萬千瓦。

2021年2月，美國得克薩斯州經歷百年一遇的寒潮，用電需求激增、天然氣管線受凍輸送受阻、風電機組被凍結等多重因素作用下發生大面積、長時間停電，400多萬戶家庭受到影響，部分家庭停電時間超過72小時，電費暴漲。

（四）網絡外力攻擊帶來的調控風險

風電、光伏等可再生能源發電多點分散接入的特點使得電力系統安全控制難度增大，加之數字化、信息化技術在電力系統感知與控制中的大規模滲透，如數據采集與監視控制系統（SCADA）、廣域測量系統（WAMS）等，以及源網荷儲融合互動需求的增強，導致電力調控系統受到人為外力破壞或通過網絡攻擊引發大面積停電事故的風險增加。

近年來，黑客或其他組織通過網絡攻擊手段入侵電、水、油、氣等能源工控系統并最終對目標進行破壞的事件頻發。2010年，伊朗納坦茲核電站遭受“震網”病毒攻擊，核設備產生故障，造成了核發展計劃的延緩，又在2020年發生了疑似由網絡攻擊引發的核設備事故；2014年，“蜻蜓”黑客組織制造“超級電廠”病毒，阻斷多國電力供應；2015年12月，烏克蘭電網遭遇網絡攻擊，導致包括首都基輔在內的140萬人受停電影響3～6小時，據信息安全組織報道，黑客采用了多種手段對烏克蘭電網進行了網絡攻擊，包括：植入“BlackEnergy”惡意軟件使調度中心無法遠程監控變電站狀態；通過穿透通信協議，進行惡意倒閘，切除變電站負荷；通過拒絕式服務攻擊阻斷事故報告；通過惡意軟件擦除攻擊痕跡。

三、對策建議：實現“六個轉變”

總的來看，2030年之前，由于可再生能源比例相對較低，且煤電等電網友好型電源還發揮著基石作用，電力系統安全穩定運行的風險相對可控。2030年之后，隨著碳中和進程加快，可再生能源占比持續上升，與此相關的風險和挑戰也將大幅上升。需提前做好認識和行動的準備，堅持居安思危、未雨綢繆、系統施策，做到“六個轉變”（見圖2），保障電力系統安全穩定運行。

圖2 “六個轉變”應對措施

（一）堅持各種能源統籌協同發展

以電力安全保障需求為導向，提早研究煤電的去留與定位，推動煤電由“主體電源”向“基礎性和調節性電源”轉變，統籌電力供應安全與綠色低碳發展；以保障可再生能源消納為導向，提早研究抽水蓄能、氣電、儲能等靈活性資源的發展與定位，實現可再生能源發展與系統消納能力相適應，統籌發展質量與發展速度。

（二）加快可再生能源角色轉變

可再生能源發電正在逐步從“補充電源”變為“主力電源”，作為主力電源則不可再那么“隨性”。一方面，加快《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T19963-2011）、《光伏發電站接入電力系統技術規定》（GB/T19964-2012）等標準的修訂，推動可再生能源發展從“他助”到“自助”的轉變，增強自身的頻率、電壓等主動支撐能力；另一方面，需完成從“免費”到“付費”的轉變。在可再生能源電源自身已經盡力調節的基礎上，還需電力系統其它成員提供的調峰、調頻、調壓等輔助服務，建立合理的市場機制和盈利模式，并按“誰提供、誰獲益；誰受益、誰承擔”的原則加快并規范輔助服務市場建設。

（三）強化細化電力系統風險管理

對于極端天氣帶來的風險，建立高預見性、高精度的天氣預測系統和極端天氣預警系統，按極端天氣概率和影響范圍，建立差異化的電力保障預案，實現從“臨時應對”到“事前預案”的轉變，優先保障居民的電力供應，同時應完善網絡結構，著力解決電網薄弱環節，加強電網彈性。對于網絡攻擊風險，應進一步加強安全防護，實現調控系統從“被動防御”到“主動防御”的轉變，設置調控設備準入機制，加強漏洞排查，健全事故預警和應急響應機制，提升網絡安全事件取證和追蹤能力。

（四）加快推動電力系統技術變革

隨著可再生能源比例的逐步提高，可再生能源將實現從“并網”到“組網”的轉變，需超前研究超高比例可再生能源電力系統的安全穩定機理、仿真分析模型，推動源網荷儲和多能互補，避免路徑依賴，建立全新的電力系統規劃、設計、運行、管理體系。

參考文獻

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[3]  陳國平,李明節,許濤等.關于新能源發展的技術瓶頸研究[J].中國電機工程學報,2017,37(1):20-26.

[4]  程鵬,馬靜,李慶等.風電機組電網友好型控制技術要點及展望[J].中國電機工程學報,2020,40(2):456-466.

[5]  楊鵬,劉鋒,姜齊榮等."雙高"電力系統大擾動穩定性：問題、挑戰與展望[J].清華大學學報(自然科學版),2021,61(05):403-414.

[6]  馬寧寧,謝小榮,賀靜波等.高比例新能源和電力電子設備電力系統的寬頻振蕩研究綜述[J].中國電機工程學報,2020,40(15):4720-4732.

注：原文載自《中國工程咨詢》2021年第8期，本次發表略有改動。文中圖片來源于網絡。