本文摘要：摘要：氣候變化對人類社會的影響越來越受關注，隨之而來的一系列極端天氣引發系統斷電的風險也越來越顯著。為應對氣候變化尤其是極端天氣，人類社會需采取減緩和適應2種應對策略，對于發展中國家與小島國，由于氣候變化已經發生，因此氣候問題將首先是適應問題。為解決
摘要：氣候變化對人類社會的影響越來越受關注，隨之而來的一系列極端天氣引發系統斷電的風險也越來越顯著。為應對氣候變化尤其是極端天氣，人類社會需采取減緩和適應2種應對策略，對于發展中國家與小島國，由于氣候變化已經發生，因此氣候問題將首先是適應問題。為解決電力系統如何從各個環節完整地適應氣候變化問題，建立了一個適應氣候變化的電力系統發展體系，提出一種涵蓋極端氣象因素的電力系統發展路徑構建方法。在總結各種極端天氣對電力系統影響的基礎上，對電網的脆弱性進行評價;研究了適應極端天氣的總體策略，并提出電力系統適應極端天氣事件的方案，即規劃–建設–應急管理–評估(planning-construction-emergencymanagement-assessment，PCEA)抗災體系。在規劃階段重點進行保底電網規劃，構建不停電最小電網主干網;基于方案不同階段的應用實例，驗證了PCEA體系可以促使電力系統更好地適應極端天氣。
關鍵詞：電力系統;氣候變化;極端天氣;保底電網規劃;不停電最小電網主干網
0引言
全球氣候變暖、海平面上升等現象表明氣候變化是既成事實，各個國家和地區都面臨著極端天氣事件增加的風險，氣象極端事件對整個社會經濟發展也帶來了相當大的危害。由于氣候變化持續發生，隨之而來的一系列極端氣象引起的負面因素將變得越來越顯著，并對制定自然災害方面的應對策略上產生更重要的影響[1-4]。
電力基礎設施是能源基礎設施的重要組成部分，電能已成為人們生活不可或缺的一部分。而氣候變化正不斷影響著電力基礎設施的運行，一方面，由于氣候變化在短時間內沒有得到緩解，電力設施仍然面臨著極端氣象災害的威脅;另一方面，現有電力系統標準和法規尚未考慮氣候變化的調整和修改，以及對電力設施造成的危害。由于極端天氣等氣候變化可能引發系統斷電的風險，因此電力系統發展策略必須考慮氣候變化的因素。為應對氣候變化，電力系統發展策略可采取減緩和適應2種方式[5]。
減緩即通過提升光伏、風電等新能源的比例等措施減少溫室氣體的排放。文獻[6-8]提出應用新能源電力系統、能源互聯網等減緩對氣候變化的影響。文獻[9-11]通過電力系統節能減排措施達到電源出力優化。文獻[12-15]在低碳環境下對電源側的優化規劃進行研究。文獻[16-17]論述了我國在應對氣候變化時新能源的發展趨勢及帶來的新機遇。適應即接受氣候變化的客觀事實，主動尋找解決的策略。
文獻[18-19]將氣候災害預測運用于電力系統早期預警中。文獻[20-22]在不同極端氣候災害下，采取故障風險評估等措施來保證電力系統的穩定性并減少電力系統的損失。文獻[23-29]對極端天氣引發的停電事故進行分析與總結，并提出改進的措施及建議。文獻[30-33]分析全球暖化對電力系統發、輸、配、用電各環節的影響，總結電力系統主動和被動應對全球暖化的技術措施。文獻[34]面向彈性配電網防災減災，提出組件重要度評價指標與評估方法。
對于發展中國家與小島國，由于氣候變化已經發生，雖然減緩策略是根本性措施，但是適應策略是基于本國的經濟實力去主動尋找解決方案，收益明顯且迫在眉睫，因此，解決氣候對電力系統的影響問題將首先是適應問題。然而從以上研究來看，目前電力系統應對極端天氣的適應策略是從規劃、建設及運營等各階段尋求解決方案，未形成一個完整的體系。
未來電力系統的發展也同樣需要統一考慮電力系統擴展的經濟性，以及應對氣候變化特別是應對極端天氣的能力，以最小化投資運行成本與氣象災害損失總和為目標，在加強抗災能力的同時，兼顧電力工業投資和運行的經濟性，建設經濟、安全和抗災的電力系統。針對上述問題，本文從建立適應氣候變化的電力系統發展體系角度出發，提出構建涵蓋極端氣象因素的電力系統發展路徑的方法，即規劃–建設–應急管理–評估(planning-constructionemergencymanagement-assessment，PCEA)抗災體系，從電力系統規劃階段開始就考慮電力設施應對氣候變化的因素。最后，通過實例分析驗證抗災體系的抗災能力。
1氣候變化及其影響
1.1氣候變化觀測及預測
全球氣候變暖已是事實，溫室氣體排放改變了大氣中的溫室氣體濃度，直接影響的氣候變量是氣溫和降水量。全球平均氣溫上升，降雨頻繁，氣象更加多變和極端。政府間氣候變化專門委員會(intergovernmentalpanelonclimatechange，IPCC)第5次評估報告指出：1880—2012年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，升高了0.85℃;2003—2012年平均溫度比1850—1900年平均溫度上升了0.78℃。
預測的6—8月RCP2.6與RCP8.5這2種情況下亞洲陸地區域溫度異常趨勢，其中粗線代表平均水平，細線代表模型預測。根據巴黎共識方案(RCP2.6)，預計到2050年亞洲陸地區域夏季平均變暖幅度達到2℃，到2100年將保持或低于這一水平，隨后，全球變暖趨勢趨于平穩，全球平均氣溫在21世紀末之前保持在2℃左右。在不采取節能減排調控措施的情況下(RCP8.5)，預計到2100年，亞洲陸地區域夏季氣溫將上升 6℃，氣候變暖的趨勢并沒有放緩的跡象。氣候模式預測表明，與高緯度地區相比，亞洲夏季增溫較強，氣溫上升可達8℃。
1.2氣象災害變化
氣候變暖導致極端天氣、氣候事件和重大自然災害頻繁發生，在過去40年中，應急事件數據庫(emergencyeventsdatabase，EM-DAT)記錄的全球自然災害頻率增加了近3倍，從1975—1984年的1300多起增加到2005—2014年的3900多起(見圖3)。在此期間，水文(洪水)和氣象(暴雨、風暴、熱浪)事件的數量急劇增加[35-36]。雖然氣候變化與自然災害之間的因果關系尚未明確，但人類仍面臨著與氣候有關的自然災害頻發的事實。
1.3典型氣象災害
1.3.1極端氣溫
全球升溫1.5~4℃閾值下，對于不同的升溫閾值，亞洲地區平均溫度的升高幅度都高于全球，極端高(低)溫的平均值和變化幅度都將加大，未來出現極熱天氣的概率會大幅度提高，極冷天氣將會減少。東南亞預計是受極端熱影響最嚴重的地區，在這一地區，如果氣候變暖按照RCP8.5的預測繼續上升，每年將會出現前所未有的夏季高溫。將全球變暖限制在2℃，可以在很大程度上減少極端熱的發生。
1.3.2風暴
隨著全球平均氣溫上升，預計亞太地區發生強臺風的頻率將有所增加。1949—2016年，登陸中國熱帶氣旋的數量沒有明顯的變化趨勢，但是從強度更大、破壞力更強的強臺風(STY)和超強臺風(SuperTY)來看，自1990年以來有明顯增多的趨勢，尤其是進入21世紀以來，強臺風以上等級的數量顯著增加。對于臨近西北太平洋臺風源地或北印度洋颶風源地的東南亞、東亞、南亞甚至西亞的沿海國家和地區，應在防御強度更大的熱帶氣旋上采取有效的措施。
1.3.3強降水
受各種氣候因素的綜合影響，亞洲地區的降水有明顯的空間差異和季節差異。全球升溫1.5～4℃閾值下，隨著升溫閾值的提高，亞洲地區的平均降水量總體將會增加，但存在不同的區域特征，降水量增加主要出現在北亞和中亞，西亞地區的平均降水量雖然變化不大，但在模式和情景間的差別最大。
未來隨著全球變暖，亞洲地區在極端降水過程的總量有所增加的同時，極端強降水事件所產生的概率也將增大。從災情變化趨勢上看，中國多年強降雨事件發生頻次呈上升趨勢，強降雨事件的增多導致極端降雨洪澇災害損失絕對值也呈上升趨勢。從經濟損失情況來看，中國極端降雨洪澇災害造成的經濟損失總量呈增加趨勢;從受災面積來看，其與成災面積均有上升的趨勢，特別是1970年以來的上升趨勢更加明顯。
1.3.4低溫冰凍
冰凍主要由雨凇、霧凇、濕雪凍結而成。隨著電力、通信網絡的快速發展，冰凍已成為影響社會經濟發展的一種重要的氣象災害。導線覆冰是在0℃或以下，過冷卻水滴(或霧滴)在風等輸送因子促動下與輸電線路導線表面碰撞并凍結在導線表面產生的現象。導線覆冰形成的必要氣象條件是：0℃以下的凍結氣溫、較高的空氣濕度、較低的風速(2~7m/s)。亞洲的低溫冰凍災害主要是因為來自極地的強冷空氣及寒潮侵入造成的連續多日氣溫下降，主要出現在緯度較高的地區，包括東亞北部、中亞、南亞北部等地區。
1.3.5雷暴
雷暴是一種產生于強對流天氣系統下的常見災害性天氣現象。雷暴在亞洲分布廣泛，通常緯度越低，雷暴越多。東南亞各國地處低緯度，屬熱帶雨林氣候區，是雷暴發生較頻繁的地區。印度尼西亞是發生雷暴最多的國家之一，素有“雷暴王國”之稱，僅爪哇島的茂物一年就有322個雷暴日，平均每天打雷30~40次。在亞熱帶和溫帶等中緯度地區，雷暴則通常發生在夏季，有時在冬季也會受冷鋒影響而有短時性雷暴。不同地區的雷暴具有不同的年際變化特征和周期性。
2極端天氣對電力系統的影響
極端天氣呈現不斷增多是近年來氣候變化的一個重要特征，極端天氣是指具有災害性和突發性的惡劣氣候事件。電力系統作為一種跨越遼闊地域的人造系統，總是在一定范圍內維持正常運行，而氣候條件往往又是決定其安全運行的關鍵因素。由于電力系統的特殊性，大量電力設施需布置在戶外。極端天氣對該地域電力系統產生的直接影響將對戶外電力設施造成破壞，進而引發大規模的停電。極端天氣事件對電力系統最大的影響是造成突然和不可預見的電力供應中斷。雖然極端天氣是小概率事件，但由其導致的故障占電網故障的比例相當大，對電力系統的危害不容忽視。隨著極端天氣發生的頻率和強度的加劇，其帶給電力系統的危害還將上升。
2.1風暴災害對電力系統的影響
對于電力生產，風暴災害可導致風力發電機組因超過極限風速而停運，沿海發電廠受風暴潮淹沒而停運，火電廠因燃料運輸受阻而降低機組出力。對于發電廠、變電站設施，風暴災害可導致高壓電氣設備外部漂浮物短接閃絡跳閘，風荷載過大造成外絕緣套管斷裂、金具附件脫落，以及建筑物門窗損壞，從而危及戶內設備安全運行。對于輸電線路，風暴災害影響尤為嚴重，可導致導線風偏閃絡、外部漂浮物短接閃絡跳閘，風荷載過大造成絕緣子金具脫落、導地線斷股或斷線、桿塔結構損壞等[37-38]，使供電長期中斷。
2.2低溫冰凍災害對電力系統的影響
對于電力生產，低溫冰凍災害可導致電廠循環冷卻塔結冰，使其冷卻能力下降，最終導致發電能力下降。另外，因燃料運輸受阻也會降低機組出力。對于發電廠、變電站設施，低溫冰凍災害可導致高壓電氣設備絕緣部件覆冰閃絡、設備傳動結構覆冰無法動作、建筑物冰雪過載受損等。對于輸電線路，低溫冰凍災害影響尤為嚴重，可導致導地線過載斷線、導線對地或導線相間間距不足閃絡、絕緣子覆冰閃絡、絕緣子及金具脫落、桿塔結構損壞等[39]，使供電長期中斷。
2.3雷暴災害對電力系統的影響
雷暴災害可引起發電機組跳閘停運、變電站和線路帶電體雷擊閃絡、絕緣部件受損、導地線斷股或斷線等故障。
3電力系統應對極端天氣的總體策略
3.1應對極端天氣的抗災策略概述
應對氣候變化，電力系統需要同時采取減緩和適應2種策略。其中：減緩策略能降低氣候變化的速率和范圍;而適應策略則能降低對氣候變化的敏感性，從而最終降低由氣候變化所帶來的脆弱性。減緩策略是一項相對長期、艱巨的任務，而適應策略則更為現實、緊迫[5]。
氣候變化中的極端天氣是一種十分特殊的情景，雖然出現的概率低，但是危害性大，與日常情景區別非常大。從極端天氣對電力系統的影響來看，為使電力系統具備較強抵御極端天氣的能力，將損失控制在可接受范圍內并獲得更好的收益，需重視電網的氣候適應勘測。因此，本文從建立適應氣候變化的電力系統發展體系角度出發，提出構建涵蓋極端氣象因素的電力系統適應策略，即PCEA抗災體系。
1)規劃階段：需要識別極端天氣的風險，研究電網抵御能力，尋找薄弱環節。根據不同的風險，從系統規劃和氣象災害分布的角度評估電網的可靠性，識別區域內重要設施和負荷，并采取相應的適應措施，提出不停電最小電網主干網的概念、目標和建設范圍。2)建設階段：結合氣象災害的分布、影響以及保底電網建設，提出應對各種氣象災害的電力設施對策、保護措施以及不同的電網加固方法(恢復或者局部重建)。
3)應急階段：根據氣候變化和氣象部門發布的預警信息制定應急預案，利用應急指揮平臺監測電網運行情況，極端天氣過程中根據電力系統狀態合理調度，根據受損情況和用戶重要度安排搶修，盡快恢復供電。4)評估階段：從經濟、環境、社會3個方面進行評估，找出需要改進的問題。建立適應氣候變化的電力系統彈性指標，在項目實施后收集、計算和評估度量的變化，評估項目的投資收益。根據歷史極端天氣氣象資料、電力系統運行狀況、反應過程和破壞情況，驗證項目實施的效果，進而總結經驗教訓、提出改進措施，提升下一個周期的實施效果。
3.2規劃階段
PCEA抗災體系下的電網規劃與傳統規劃最顯著的區別在于制定了一個保底電網規劃。
3.2.1保底電網規劃的必要性
為合理地確定電力系統應對極端天氣的投入，需進行保底電網規劃。由于極端天氣往往作用范圍廣且破壞力巨大，若不加區別地提高防災等級以保全所有電力設施，則所導致的工程量和投資往往很大，在實踐中不具有可操作性。電力系統抗災需要在投入和效益之間做好平衡，若投入過多，投資將缺乏經濟效益;若投入不足，將不能產生有效的防災效果。實踐表明，通過保底電網規劃對一個區域20%~30%的站點和線路進行重點加強，可以獲取較好的抗災效益[40-41]。
3.2.2保底電網規劃的內容
保底電網是針對極端天氣情況，以保障城市基本運轉、盡量降低社會影響為出發點，以應急機構、核心基礎設施等重要用戶為保障對象，選取重要變電站、重要線路和抗災保障電源進行差異化建設維護，保障城市應急機構不停電、核心基礎設施可快速復電的最小規模網架[42]。為實現這一最小規模網架而進行的規劃稱為保底電網規劃。在極端天氣下，區域電網可能解列為若干個保底電網，以維持最低限度的運行。
3.2.3保底電網規劃的步驟
1)獲取重要用戶清單。通過對供電區內的用戶調查，梳理出重要客戶清單。重要用戶是對于保障社會運行有重要意義，電力供應中斷會給社會運行和經濟上造成重大損失的用戶。重要用戶通常包括：城市核心區域和用戶，如政府、醫院等;連續生產的工業，如鋼鐵廠、化工廠等;大量人員活動場所，如大型體育場、商業場所等。
2)確定輻射型基礎供電網架，即針對重要用戶基礎保障網架。按“向重要用戶供電的低壓到高壓路徑”的方式自下而上梳理向重要用戶的供電路徑，如10kV線路—110kV站點—110kV線路—220kV站點—220kV線路—500kV站點，由點到面地形成電網向重要用戶供電的輻射型魚骨網架。
3.3應急階段
電力系統應急管理體系是指電力系統處理緊急事務或突發事件的職能及其載體系統，是應急管理的組織、預案與保障系統之和。加強應急管理體系建設，就要根據突發事件或危機事務，把握并設定應急職能和機構，進而形成科學、完整的應急管理體制。電力系統應急管理體系主要包括應急組織、應急預案、應急保障三大部分。其中：應急組織涵蓋了人員架構設置及相應的管理制度;應急預案涵蓋了針對各種自然災害、突發事件的應對方法及流程;應急保障涵蓋了應急信息通信技術(informationcommunicationtechnology，ICT)、應急物資等相關支撐措施。
3.4評估階段
3.4.1評估目的及評估方法
評估是指在抗災體系項目實施一段時間后，對項目的前期工作、實施情況及應用效果進行的再評估。其目的是：通過對項目研究及應用全過程的綜合研究，衡量和分析項目實施的實際情況及其與預計情況的差距，確定有關預測和判斷是否正確并分析其原因，從而總結經驗教訓，為今后改進項目的決策、投資、研究、管理等工作創造條件，并為提高項目投資效益和改善應用效果提出切實可行的對策與措施。
因此，對抗災體系進行評估具有重大的實踐指導意義。評估的基本方法涉及因果分析法、模糊綜合評價法、層次分析法、對比分析法等，其中，對比分析法又根據具體評估對象和評估目的，分前后對比、有無對比和橫向對比。通過對比的方法，可找出投資預期目標和實際目標的差異。因果分析法主要是用于對指標差異的分析，從而找出差異的本質原因。模糊綜合評價法及層次分析法則是針對抗災體系這類特殊的多目標決策問題進行綜合分析和歸納，從決策者的角度分 析多個目標的實現情況，以及多個目標之間的相互關系，從而有針對性地提出相關對策，反饋電網投資。
4結論
總結了亞洲地區氣候變化和極端氣象災害，分析了極端天氣對電力系統的影響，提出在減緩和適應這2種應對策略中，應對氣候問題將首先采取適應策略。重點研究了電力系統適應極端氣象災害的策略，并將其應用于實際案例中，主要結論如下：
1)氣候變化對電力系統的影響越來越大，電力系統設施和電力供應會承受各種氣象災害影響，電力系統發展策略必須考慮氣候變化的因素。2)經過實際案例分析，應用提出的PCEA抗災體系及保底電網規劃，能夠降低極端氣候帶來的損失，提高供電可靠性，產生良好的效益。本文著重研究電力系統適應極端天氣總體策略下的規劃與評估階段，忽略了各階段的協調及實施情況反饋，后續可在計及各階段反饋結果的情況下進一步優化總體策略，實現電力系統同時滿足經濟性和安全性的要求。
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作者：盧賡1，鄧婧2*，王渝紅3，曹靜1，岳云峰1
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