舒印彪：電力系統面臨安全新挑戰

“電力系統安全關(guān)系千家萬(wàn)戶(hù)、事關(guān)國計民生，是國家安全的重要組成部分。實(shí)現‘雙碳’目標，需要構建新型電力系統。新型電力系統具有新的技術(shù)特征，面臨新的發(fā)展機遇和挑戰。” 中國工程院院士舒印彪近期在北京大學(xué)能源研究院主辦的以“新形勢下能源轉型思考——能源安全”為主題的北京論壇·能源分論壇暨第三屆北大能源論壇上指出。

電力與人們的衣食住行和生產(chǎn)生活息息相關(guān)、密不可分。作為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，電力已經(jīng)成為人們須臾不可離開(kāi)的資源要素。電力系統是現代社會(huì )重要的基礎設施，電力系統的根本任務(wù)是保證“安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、清潔、高效”的電力供應。

舒印彪指出，實(shí)現“雙碳”目標，需要大規模開(kāi)發(fā)新能源，構建新能源占比提高的新型電力系統。新型電力系統的“雙高”特征 (高比例新能源、高比例電力電子裝備) 帶來(lái)新的安全挑戰。

電力系統安全關(guān)系能源安全、經(jīng)濟安全和國家安全

電力系統使人類(lèi)極大擺脫了時(shí)間和空間上對能源生產(chǎn)、利用的限制。為了使用電力更廣泛、更便利，電力系統規模越來(lái)越大、結構更加復雜，世界上建成了一些大型的電力系統，比如北美聯(lián)合電力系統、歐洲電力系統、印度電力系統等，我國電力系統是全球最大、技術(shù)最復雜的電力系統。

舒印彪指出，電力系統具有三個(gè)顯著(zhù)的技術(shù)特征。一是光速傳播。電磁功率以光速傳播，局部發(fā)生的故障會(huì )瞬間擴散，波及整個(gè)系統。二是實(shí)時(shí)平衡。電力還不能大規模經(jīng)濟存儲，電力的發(fā)、輸、用必須同時(shí)完成。三是控制復雜。電力系統中設備種類(lèi)繁多，涉及海量的狀態(tài)變量和控制參數，是典型的復雜巨系統，控制難度非常大。

由于電力系統穩定運行狀態(tài)被破壞，全球發(fā)生過(guò)多起大面積停電事故帶來(lái)巨大損失，美加“8·14”、歐洲“11·4”、印度“7·30”“7·31”大面積停電事故等。“經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，我國構筑起‘三道防線(xiàn)’安全穩定控制系統，經(jīng)受住了長(cháng)期考驗。我國電力系統連續30多年沒(méi)有發(fā)生大面積停電事故，保持著(zhù)特大型電力系統安全穩定運行的世界紀錄。”舒印彪說(shuō)。

舒印彪表示，除傳統電力系統穩定破壞事故外，還有一類(lèi)是非傳統安全事故，呈現頻發(fā)多發(fā)態(tài)勢，同樣需要高度重視。“包括極端天氣、自然災害、電磁暴、網(wǎng)絡(luò )攻擊等影響電力系統安全。2008年1月到2月初，我國南方遭遇有歷史紀錄以來(lái)最嚴重的長(cháng)時(shí)間大范圍雨雪、冰凍災害，導致大量輸電線(xiàn)路倒塔斷線(xiàn)，事故波及湖南、湖北、貴州、江西等多個(gè)省份。”

構建新型電力系統面臨新的安全挑戰

舒印彪指出，電力系統安全運行主要看兩個(gè)指標，一是電壓穩定，二是頻率穩定，而新型電力系統面臨一系列新的安全挑戰。

新型電力系統正經(jīng)歷三方面變化：新能源占比逐步提升、從電力系統變?yōu)殡娏﹄娮酉到y、形態(tài)功能多樣化。舒印彪認為：“基于此，運行特性方面，由連續可控電源變?yōu)槿蹩煽睾蛷姴淮_定性電源。傳統電力系統電源以常規火電、水電為主，發(fā)電出力連續可控。新型電力系統中新能源發(fā)電受氣候變化和天氣條件影響大，具有隨機性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，發(fā)電出力弱可控和高度不確定。”

“穩定特性方面，保持頻率、電壓等同步穩定的技術(shù)基礎發(fā)生顯著(zhù)改變。頻率穩定方面，常規同步發(fā)電機具有較大的轉動(dòng)慣量，是維持頻率穩定的技術(shù)基礎。風(fēng)電是弱轉動(dòng)慣量系統，光伏沒(méi)有轉動(dòng)慣量，導致電力系統轉動(dòng)慣量大幅減少，保持頻率穩定的能力大幅下降，目前絕大部分‘風(fēng)光’新能源還不能對電網(wǎng)提供有力支撐。”舒印彪說(shuō)。

同時(shí)，高比例新能源、高比例電力電子裝備帶來(lái)兩大技術(shù)難題。

首先，電力電量實(shí)時(shí)平衡問(wèn)題，日內、中短期和長(cháng)期平衡難度都將加大。新能源日內出力波動(dòng)大。風(fēng)光等新能源發(fā)電功率達到裝機容量的概率幾乎為零，達到50%以上裝機容量的概率不足10%。預計2060年，新能源日最大發(fā)電功率波動(dòng)將超過(guò)16億干瓦，占全國最大負荷的40%，與當時(shí)水火核電裝機容量基本相當。從周月平衡看，由于連續陰天、無(wú)風(fēng)、寒潮等天氣，新能源周出力具有很強的不確定性。2020年，西北風(fēng)電出力低于10%裝機最長(cháng)持續4.9天，華東光伏出力低于20%裝機最長(cháng)持續8天。新能源發(fā)電存在季節性差異。風(fēng)電夏季比冬季利用小時(shí)少100～200小時(shí)，風(fēng)電出力與負荷需求在時(shí)間上不完全匹配。

再者，上述變化帶來(lái)一系列安全性問(wèn)題。舒印彪表示：“由于新能源占比提升，電力系統表現出新的穩定特性、產(chǎn)生新的安全問(wèn)題不容忽視。2016年9月，強臺風(fēng)襲擊澳洲南部地區，該地區電力電子類(lèi)電源出力占比達55%，輸電線(xiàn)路相繼故障，大量風(fēng)機脫網(wǎng)。由于系統轉動(dòng)慣量不足，導致頻率崩潰。2015年9月。四川錦屏-江蘇直流發(fā)生雙極閉鎖故障，當時(shí)華東電網(wǎng)用電負荷1.4億干瓦，錦屏直流送電490萬(wàn)千瓦、僅占華東負荷的3.5%。故障后，華東電網(wǎng)頻率降至49.58Hz，跌落幅度也遠超預計值，通過(guò)自動(dòng)裝置動(dòng)作和緊急調度后，系統恢復正常頻率。”

保障新型電力系統安全需要理論和技術(shù)創(chuàng )新

傳統電力系統的分析理論和控制方法已不完全適用新型電力系統，理論和技術(shù)創(chuàng )新迫在眉睫。

舒印彪指出，首先需要深化基礎理論研究，加強多時(shí)間尺度隨機規劃研究、建立新型電力系統穩定性認知體系。再者，提高平衡調節能力，提升電源支撐能力，挖掘用戶(hù)側響應資源，突破多時(shí)間尺度儲能技術(shù)，積極發(fā)展氫能，數字賦能新型電力系統。

新情景需要新手段，舒印彪建議增強分析控制能力。加強仿真分析與優(yōu)化控制，構筑新型電力系統主動(dòng)防御體系。“通過(guò)預測、預判、預警和預控，實(shí)現電力系統安全風(fēng)險的主動(dòng)防御。發(fā)揮電力電子裝備快速調節的特點(diǎn)，實(shí)現大范圍多資源協(xié)同快速控制，增強故障的事中防御、事后恢復能力，提高新型電力系統的韌性。”

舒印彪建議發(fā)揮我國獨特的電力系統體制優(yōu)勢。堅持全國一盤(pán)棋，做好區域間、能源資源與經(jīng)濟發(fā)展的統籌平衡，加強“西電東送”等重大能源基礎設施建設。加快構建全國統一電力市場(chǎng)，健全輔助服務(wù)、容量市場(chǎng)等機制，建立更加靈活、適應新能源隨機性波動(dòng)性特點(diǎn)的電力交易機制。完善煤電容量成本回收機制，確保煤電作為支撐新能源大規模發(fā)展的基礎電源，系統調節價(jià)值得到合理回報。加強電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)的耦合聯(lián)動(dòng)。

此外，要高度重視非傳統安全防御。“增強非傳統安全風(fēng)險預警能力，將電力安全事件納入突發(fā)公共事件應急保障，就極端天氣、自然災害、網(wǎng)絡(luò )安全、公共安全等引起電力安全事件制定預案，明確安全保障措施.加強城市應急保障電源、重要電力保障通道等電力系統應急能力建設。”舒印彪說(shuō)。