新型电力系统背景下城市供电风险的传导推演与阻断方法

朱 超，王 蕾，姚 宇，戴 攀，高 强

（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310000；2.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027；3.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

随着“双碳”目标的提出［1］，我国正在加快推动新型电力系统建设，新能源大规模发展并逐渐成为电力供应主体是必然趋势［2］。电源结构乃至整个电力系统的变革将对城市供电安全产生深刻影响［3］。因此，开展新型电力系统背景下的城市供电安全研究，对于在构建新型电力系统中夯实城市供电安全，提出融合创新、协同共进的发展举措，具有重要的现实意义。

在全球化、工业化、数字化、城市化、农业农村现代化“五化”叠加下，城市成为风险的集散地和聚集地，各种风险挑战和非常规突发事件作用于城市区域，其负面影响将进一步放大。城市作为电力负荷中心［4］，具有负荷密度高、重要用户密集、安全可靠性和供电质量要求高等特点，电力系统的安全稳定运行直接关系到社会的稳定和谐和人民群众生产生活的平稳有序。2021 年2月，美国德克萨斯州遭遇冰雨、冰凌、降雪等极端天气，多台发电机组退出运行，电力负荷迅速增长，电力需求量远超供应量，德州不可避免地发生大面积的停电事故［5］。2012 年7 月，印度北部、东部、东北部3 个地区电网发生大面积停电，印度电网损失电力负荷约4.8 GW，超过6 亿电力用户受到影响，超过一半的印度人口受到停电影响，本次印度停电事故是历史上影响人口最多的一次大停电事故［6］。2019年8月，英国英格兰、威尔士区域电网发生大规模停电事故，将近100万人受到影响［7］。2021年9月中旬我国东北地区风电出力下降叠加煤炭紧缺，导致罕见的居民负荷拉闸限电事件。2021 年7 月郑州的特大暴雨灾害击垮了既有的应急防御体系，城市电力系统陷入瘫痪。2021 年7 月，西安城区西郊出现了大面积限电，停电范围涉及昆明路、太白南路等多个地区，停电时间在7.5～13 h 不等。面对这些极端事件和重大停电事故，应认真审视城市电力系统是否可以有效应对，积极谋划有效的应对策略，防止“灰犀牛”事件的重演。

针对上述问题，本文分析了新型电力系统建设过程中城市电网面临的风险，包括电源供应趋于不稳定、电网形态趋于复杂化、系统稳定性问题凸显、网络安全防护压力倍增4方面的原因。然后梳理了国内外大停电事故，总结其发生原因。接着提出了风险传导链理论和风险阻断措施，基于该思路，对国内外重大供电安全事故进行推演分析，制定了风险阻断细化方案，基于推演分析及阻断方案，提出了实际电网的风险评估流程及风险阻断推演框架。最后给出保障新型电力系统演进过程中的城市供电安全提升建议。

1 新型电力系统城市电网新型风险

1.1 新型电力系统

2021 年3 月15 日，习近平总书记在中央财经委第九次会议上提出，构建以新能源为主体的新型电力系统。这是对能源电力发展的系统阐述，明确了新型电力系统在实现“双碳”目标中的基础地位，为能源电力发展指明了方向、提供了遵循［8］。新型电力系统建设是能源电力绿色转型、引领“双碳”目标的必由之路［9］，也是城市供电安全提升的必然举措。以新能源为主体的新型电力系统是以新能源为供应主体，以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会发展电力需求为首要目标，为城市供电安全提升带来了新的思路和历史性机遇。

1.2 新型电力系统演进过程中的城市电网新型风险

新能源一般指非水可再生能源和非常规能源，现阶段主要是风电、光伏和生物质能，具有随机性、波动性和间歇性［10］。随着“亿级电网”时代的到来，受端电网新能源和外来电的不确定性进一步凸显，“电源性缺电”“电网性缺电”双重压力并存，能源电力安全可靠、清洁低碳、经济高效的“三元矛盾”更加突出［11］。随着新型电力系统建设的推进，大规模新能源和高比例电力电子设备接入电网，为电力系统运行带来了的新型风险［12］。

1）电源供应趋于不稳定。零碳电源主力化过程中，新能源将逐步成为装机主体、出力主体和电力供应主体，能源供应呈现出“风光领跑、多源协调”的格局［13］。主体电源由化石电源占主导向清洁电源主导转变，出力向强不确定性、弱可控性转变。以光伏、风电、生物质能发电为代表的可再生能源快速增长。城市电网将呈现本地可控电源占比减少、分布式新能源和外来电占比上升的“空心化”特点，调节资源匮乏，电力供需失衡形势严峻。

2）电网形态趋于复杂化。电网形态多元化过程中，电力供应由“源随荷动”转变为“源荷互动”，电网形态由单向逐级向分层（输电网－配电网－微电网）分区（多配电网平衡区、微电网群）双向互动结构转变，网架结构和能源供给形式的复杂程度大幅上升［14］。交流电网与直流电网广泛互联，传统工频交流汇集、低频交流组网；配电网从无源到有源，从辐射状交流网络向网格状交直流互联型功率自平衡形态演化，区域内自治共享、多能互补互济、供需实时互动。

3）系统稳定性问题凸显。系统运行柔性化过程中，大规模储能与灵活互动资源将直接参与电力系统运行，系统运行复杂程度大幅提高，电网控制难度明显加大［15］。一是故障特征更加复杂，交流故障呈现出电流幅值受限、相位受控等新特征，柔性直流故障呈现出电流上升速度快、幅值大、非线性等新特征。二是故障判别更加困难，电流差动等交流保护原理在极端场景下可能发生拒动，暂态量直流保护可靠性有待提升。三是系统惯性下降，局部故障在新能源脱网和直流输电换向失败等连锁反应下可能影响电网全局，连锁故障导致大停电的潜在风险增加。

4）网络安全防护压力倍增。“安全分区、网络专用、横向隔离”的防护原则足以抵御绝大多数的传统网络攻击［16］。但随着新型电力系统的构建，一方面接网终端指数式增长，海量用户侧可调资源参与统一调控，电力通信接入网向电源侧、用户侧、储能侧全面延伸。另一方面网络边界不再清晰，公用网络分散连接信息内网，各种智能终端与公司网络交互联通，网络通信内生安全和主动防御能力受到极大的考验。

2 国内外重大停电事故梳理

2.1 美国德州大停电

2021 年2 月14 日夜间起，美国德州接连遭遇冻雨、冰凌、降雪等极端天气，导致电力需求远超供应量。2 月15 日，ERCOT（德州电力可靠性委员会）宣布进入能源紧急状态，并于01：23 左右开始在全州运营区域内实施轮流停电。本次停电导致最大切除2 GW的电力负荷，影响了超过480万的电力用户，德州当地居民的供水、供热都受到不同程度的影响。本次停电事件是德州电力系统在极寒天气下无法适应短时电力负荷激增且发电厂出力受限情况下，德州供电部门通过减少负荷保障电网正常运行的“拉闸限电”行为。

2.2 印度大停电

印度当地时间2012 年7 月30 日02：33，北部电网发生大面积停电事故，损失了大约3.6 GW的电力负荷，影响了印度30%的人口，约为3.7 亿人。当地时间7月31日13：00左右，印度北部、东部、东北部3个地区再次发生大面积停电事故，损失负荷约4.8 GW，超过50%的印度人口受到影响（超过6亿人）。这次印度大停电事故是世界上迄今为止影响人口最多的事故。本次停电事故原因一是事故前线路大量停运严重削弱网架结构，为大停电埋下了隐患；二是北部地区超计划用电导致联络线重载运行，保护动作跳闸，触发了随后的连锁反应。

2.3 英国大停电

当地时间2019 年8 月9 日17：00，英国英格兰、威尔士地区发生大规模停电事故。事故从英格兰的中东部地区和东北部海域开始传播，最终导致英格兰与威尔士大部分地区停电，影响了英国大概100万人口。本次停电事故直接原因一是雷击引起线路停运以及后续诱发的一系列故障；二是海上风电场涉网技术特性的不足、分布式电源涉网保护配置的不合理以及小巴福德电站的网源协调存在的不足导致了海上风电场、燃气电站、分布式电源叠加脱网，致使损失的电源功率累计超出了英国电网的设防标准。

2.4 韩国大停电

2011 年9 月15 日，韩国首尔、仁川、釜山、大田、京畿道、江原道、忠清北道、忠清南道、庆尚南道等地陆续发生大规模停电事件。各地红绿灯熄灭，交通瘫痪；银行的自动提款机停止运作，手机没有信号；市中心写字楼、商场、中小企业、棒球场、电影院、大型超市和购物中心等均陷入一片混乱。停电家庭多达212万户（2011年韩国全国人口约5 000 万）。各大医院启动了自备发电机才避免大碍。备有独立发电系统的三星电子、现代汽车、SK能源、浦项制铁等大企业也没有受到这次大规模停电事件影响。

2.5 郑州内涝

2021 年7 月，郑州出现持续强降雨天气，郑州全市普降大暴雨、特大暴雨，累积平均降水量达到449 mm。郑州地区共计45 座变电站站区进水，占全部变电站的13%，其中500 kV 2 座、220 kV 7座、110 kV 29座、35 kV 7座。特大暴雨期间，由于站内积水过深危及设备正常运行，共计10 座变电站主动停运避险，占全部变电站的3%。35～220 kV 输电线路停运共计29 条，其中主动避险停运12 条、设备故障跳闸17 条。停运10 kV配电线路479条、开闭所472个，倒杆10 kV线路7 886 基、0.4 kV 9 074 基、断线1 732.8 km，造成12 425 个台区、1 263 个居民小区、126.63 万户及89户重要用户停电。20座110 kV及以下变电站通信故障，其中9座因光缆中断造成通信全部失去，11 座因变电站迫停等电源问题造成通信全部失去。

2.6 西安大停电

2021 年7 月14 日，西安城区西郊出现了大面积限电，停电范围涉及昆明路、太白南路、西三环沿线等多个地区，停电时间在7.5～13 h 不等，主要分为超电网供电能力停限电以及电网故障停限电两类，其中绝大部分为超电网供电能力停限电。原因一是用电需求激增，西安地区经济快速发展是用电需求激增的主要原因，高温酷暑是入夏以来用电供需矛盾突出的重要推手，另外，老旧小区供配电改造释放用电需求。二是电网建设滞后，西郊区域主供电源为330 kV 河寨、草滩变电站，变电容量为3×360 MVA，均已接近满载，近三年来持续重载运行，规划的330 kV 西郊变电站因为进站1 km 左右输电线路无法建成导致不能投产。

通过对近期国内外重大供电安全事故的调查和原因分析，如表1 所示，确定各事故的风险源，梳理其风险传导机制，并针对性提出消灭风险源、阻断风险传导或降低事故损失的有效手段。

表1可见，以上重大事件囊括国内外近期发生且影响范围广、后果严重的各类事件，对保障新型城市供电安全有重大借鉴意义。在逐个分析的基础上，对事故风险源和风险阻断方案进行分类梳理，形成以下结论：风险源可分为大电源失去、极端灾害影响、电网网架薄弱、电网设备故障、人为因素影响、外力破坏影响、新能源脱网。

表1 国内外重大停电事故分析

3 风险传导与阻断

当前城市电网运行风险正呈现信息-物理-社会耦合的复杂局面，一旦促发蝴蝶效应式的风险传导，将可能诱发严重后果。城市供电安全风险传导，是指在不可避免的内外部因素作用和影响下，初始时刻某一传导节点的不确定性（即风险源），依附于某种传播媒介或传导路径，通过某种形式被传递或扩散为大范围停电事故，进而导致城市正常运行发生偏离或失败的一系列过程。城市供电安全风险传导包括风险源、传导媒介、传导节点和事故影响4个基本元素，如图1所示。

图1 风险传导链

基于以上定义，本文将结合新型电力系统的建设现状展开潜在风险源的传导与推演。

3.1 风险传导推演与阻断方法

3.1.1 自然灾害诱发型风险传导

如图2所示，短时强降雨所导致的城市内涝首先引起了变电站进水以及地下配电房水淹，并逐步发展为全市大面积停电。而用户应急自备电源的缺失进一步扩大了事故影响，并最终导致城市运行的彻底瘫痪。从阻断风险传导过程的角度看，可提高变配电设施防涝、防灾标准，从而防止风险向电网纵深发展；确保重要用户应急自备电源合理配置，为重要用户的可靠供电提供支撑。

图2 自然灾害诱发型风险传导链

3.1.2 电网建设滞后型风险传导

如图3所示，地区经济快速发展是用电需求激增的主要原因，而高温酷暑是入夏以来用电供需矛盾突出的重要推手。地区滞后的电网建设则进一步加剧了城市电网载荷，并最终导致大面积限电停电。为应对此类风险，应结合政策机制，保障电网建设进度，提升供电能力，满足负荷增长；同时建设高弹性电网，结合动态增容、分布式潮流控制等手段，提高电网输送能力和转供能力，大幅缓解阶段性的供电能力不足。

图3 电网建设滞后型风险传导链

3.1.3 人为因素破坏型风险传导

如图4所示，电网人员的误操作导致天然气机组跳机，从而引发系统频率骤降。同时，叠加光伏、抽蓄出力低谷等因素，系统对频率稳定的控制力持续弱化，最终一次简单的人为误操作在经过多重因素的耦合与叠加后诱发了严重的大面积限电事故。阻断这一风险的方案一是加强外部风险防控，提高人员素质；二是配置合理比例的储能装置和备用电源，增强应急备用能力。

图4 人为因素破坏型风险传导链

3.2 针对国内外重大停电事故的风险阻断推演

3.2.1 美国德州大停电

本次事件的直接原因为持续寒潮，叠加高度的终端电气化水平引起的电力供应短缺，导致大面积限电，进一步对全球芯片供应产生了严重影响。持续寒潮为不可控因素，高度的终端电气化水平亦是新型电力系统构建的目标之一，因此应对风险传导过程进行阻断，且这一案例对新型电力系统的构建具有较大的借鉴意义。一方面气电作为顶峰电源，由于自身运维原因未能发挥可靠的支撑作用，另一方面电源结构的不合理以及外来电力的缺失助推了这一事件。因此电源结构的优化调整和调峰电源的可靠支撑是最佳解决方案。美国德州大停电事件传导链如图5所示。

图5 2021美国德州大停电事件传导链

3.2.2 印度大停电

本次事件的原因为电网薄弱，大量的联络线重载跳闸，叠加保护误动、减载能力不足等原因，导致影响人口最多的大停电。首先风险源即电网薄弱的问题为最佳治理对象，应按照目标引领、规划先行的思路，“一张蓝图绘到底”，构建坚强网架结构。其次高弹性电网的建设可有效应对短期的供电能力吃紧，避免事故扩大。第三电网保护的薄弱加剧了风险传导和扩大，应加快电网技术的升级特别是保护控制和协同防御技术的创新，保障系统安全稳定运行，避免事故风险的扩大和蔓延。印度大停电事件传导链如图6所示。

图6 2012印度大停电事件传导链

3.2.3 英国大停电

本次事件的直接原因是雷击跳闸引发新能源叠加脱网，继而导致损失功率超出设防，反映的是小概率故障引发大规模停电的问题。破解这一风险应以阻断风险传导为主，对新能源为主体的新型电力系统运行尤其具有借鉴意义，在新型电力系统构建中应加强新能源控制能力和涉网性能的提升，通过“三道防线”的优化和协同防御策略的实施，保障可再生能源对电力系统的稳定支撑。英国大停电事件传导链如图7所示。

图7 2019英国大停电事件传导链

3.2.4 韩国大停电

本次事故的直接原因是人为因素，共有三方面：一是负荷预测失败，供需预测项目是于2000年初制定的，间隔十余年，当时的预测项目已经很难准确地反映出此后气候变化频繁发生、电力需求增长高于预期等现实情况；二是检修导致备用容量不足，大量发电站的检修导致系统最大可调出力降低；三是电力部门应对不当，未能提早预报拉闸限电，突然停电导致国民陷入恐慌，事故后，单方面采取了拉闸限电措施，未考虑应对程序。本次事件可归为技术落后的原因，应通过提升人员素质，提高负荷预测能力从风险源头解决。韩国大停电事件传导链如图8所示。

图8 2011年韩国大停电事件传导链

3.2.5 郑州内涝

本次事件的直接原因为短时强降雨引起的城市内涝，部分专家学者称之为百年一遇，属不可抗因素，因此应从风险传导过程寻求突破。方案一，提高变配电设施防涝、防灾标准，但设计标准与经济性为互斥关系，不计成本地提高设计标准预防小概率事件显然不是科学的防御方案，但确保设施现状符合既定规范可避免大部分的损失。方案二，确保重要用户防御措施得当、应急自备电源配置合理。这一方案为兜底性方案，可保障重点岗位、重要业务的持续运行，以避免事故范围扩大和事故影响升级。郑州内涝事件传导链如图9所示。

图9 2021年郑州内涝事件传导链

3.2.6 西安大停电

本次事件的直接原因为电网建设滞后，叠加夏峰负荷超预期，导致变电站重过载，电网供电能力不足，引发大面积限电。一是电网建设滞后这一风险在城市范围内普遍存在，应结合政策机制保障电网建设进度，提升供电能力，满足负荷增长。二是通过建设高弹性电网，结合动态增容、分布式潮流控制等手段，提高电网输送能力和转供能力，缓解阶段性供电不足并提高资产效率。西安大停电事件传导链如图10所示。

图10 2021年西安大停电事件传导链

4 实际电网风险评估

以上针对每件事故进行的灾害传导推演及阻断，对于评估实际电网具有参考和借鉴意义。以美国德州发生寒潮为例，一方面，对该事件进行的风险传导推演可以为灾害场景集的建立提供思路，在评估实际网络如浙江电网的时候，可以建立相同的寒潮冲击模型，进行风险传导推演，从而评估浙江电网在寒潮场景下的可靠性。另一方面，经过美国德州事故的阻断分析，可将相同的阻断方案应用于浙江电网，评估阻断方案是否能有效解决寒潮带来的问题或降低寒潮带来的风险。因此，针对每件事故进行的风险传导和阻断，都为实际电网评估提供了灾害场景集的建模和风险阻断方案。

在评估实际电网时，需考虑实际电网自身的拓扑结构。灾害作用在电网拓扑上的某一个节点或支路时，需要进行最优潮流计算，考虑支路潮流是否超过支路容量，考虑电网是否满足稳定约束等。评估流程如图11 所示。图11（a）表示对实际电网风险传导的推演，根据第3章重大城市电网事故的分析，构建风险场景集，计算每个风险作用在实际电网的可靠性指标如切机、切负荷量、重要用户损失程度，考虑稳定约束进行最优潮流计算。图11（b）表示对实际电网施加风险阻断方案的推演，计算施加风险阻断方案后的切机、切负荷量、重要用户损失程度等指标，同样考虑稳定约束进行最优潮流计算。

图11 实际电网风险评估流程及阻断推演框架

5 城市供电安全提升举措

新型电力系统是传统电力系统的跨越升级，是清洁低碳、安全高效能源体系的重要组成部分，承载着能源转型的历史使命。为应对多元风险耦合作用下的新挑战，本文提出以下举措阻断风险，提升城市供电安全。

5.1 强化应急保障电源配置

优化电源布局，规划建设一批具有灵活调节能力、孤岛运行能力以及黑启动能力的抗灾保障电源，重点加快杭州、宁波、温州、舟山等地区应急电源建设，力争“十四五”末期全省应急备用和调峰电源容量达到30 GW。加快建设充足的具有托底保供和应急调峰作用的气电机组，大力发展抽水蓄能、储能等系统调节电源，加快乐清电厂三期等6.32 GW清洁煤电、长龙山等3.4 GW抽蓄电站建设，实现新增天然气发电机组7 GW以上。

5.2 督促用户加强自身防范

一是动态更新和维护重要用户信息清单，督促用户严格落实规范要求，配置应急电源、保留应急接口，定期开展安全检查、预防性试验等。二是按照谁的资产谁负责原则，针对新增配电房，严格执行防涝要求，不符合要求的不予验收送电。针对既有配电房，下发整改通知，加快落实1 252座开闭所和6 649座地下配电房“下改上”或防涝补强措施。三是强化城市“供电安全、人人有责”舆论引导，营造重安全、知安全、促安全的良好社会氛围。

5.3 推动储能设施科学布局

充分发挥浙江抽水蓄能电站场址资源优势，加快打造千万千瓦级抽水蓄能基地建设，统筹推进集中式和分布式抽蓄协调发展，开展小水电抽蓄改造。积极发展“新能源+储能”“源网荷储”和综合能源的发展模式，研究电化学、飞轮、压缩空气储能等多样化储能形式。深入开展氢能全产业链分析，推进氢电耦合等新型储能技术应用。到2025 年，推动抽水蓄能总装机容量达8 GW，新型储能达3 GW以上。

5.4 建立健全政策支撑体系

一是健全常规电源为新能源调峰的辅助服务补偿机制和市场机制，制定自备电厂管理办法，鼓励自备电厂参与系统调峰，明确收费政策。二是推动《浙江省电力条例》立法实施，保护电力规划选址和路径，确保依法实施的电力工程建设不受任何单位和个人阻挠、破坏和危害。三是完善需求侧响应机制，落实补贴资金来源，支持用户广泛参与需求侧响应，为新型电力系统提供全局性调节手段。四是加快支持储能发展的政策制定，统筹建立合理的储能价格机制，争取重大风险保障及由于输变电设备无法落地开展的储能项目纳入输配电价成本。

6 结语

随着双碳目标的提出，中国正加快构建以新能源为主体的新型电力系统。城市作为电力负荷中心，具有负荷密度高、重要用户密集、安全可靠性和供电质量要求高等特点，电力系统的安全稳定运行直接关系到社会的稳定和谐和人民群众生产生活的平稳有序。因此本文提出新型电力系统背景下的城市供电风险传导与阻断推演方法，分析了新型电力系统演进过程中所面临的新风险，梳理了国内外重大城市供电安全事故，并针对典型供电安全事故提出细化阻断推演方法和实际电网风险评估流程及风险阻断推演框架。最后，给出新型电力系统构建过程中城市供电安全提升举措。