面向气候风险的新型电力系统韧性
许寅 北京交通大学2025年11月 汇报提纲 第一部分 气候变化对新型电力系统的影响 全球变暖趋势 20世纪以来，全球气候持续变暖我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，增暖速率高于同期全球平均水平，气候风险指数呈升高趋势。 我国气候变化趋势 我国气候带整体北移、垂直高度带上移主要降雨带北移西扩，气候时空格局重塑使极端气象事件呈现趋强、趋频的特征。 极端气象事件对电力系统的影响 短时强冲击事件破坏电力设备，风光水资源波动、反常气候等中长期变化重塑电力供需格局，对电网规划与安全稳定运行带来巨大挑战 典型干旱区，长历时低风速少光乃至无风无光事件的高风险区，易出现风光水出力骤降和用电负荷上升的局面 影响一：强冲击事件 极端气象事件呈现更频繁、更强烈”的趋势，宜空间分布格局也在持续演变 中国气候变化蓝皮书（2025） 影响一：强冲击事件 强冲击性气象事件可直接损毁关键电力设施，影响区域电网稳定性，使局部电网丧失外部支撑，并造成配电网大范围损毁 影响二：反常气候事件 干旱、高温、寒潮、沙尘暴事件显著增多，改变水风光等可再生能源出力和用电负荷需求，影响电力电量平衡。 影响二：反常气候事件 “少风喜照”天气制约风光发电的稳定性和可靠性，发生频次、持续时间和事件强度整体增加，放大了缺电风险 影响三：可再生能源中长期变化 气候变化导致风光水资源在时空分布上发生偏移如青海呈现风光资源逐年减少、水资源相对增加的演变格局 第二部分 新型电力系统故障连锁传播机理 新型电力系统连锁故障风险 新能源高比例接入，电力电子装备深度耦合，使得新型电力系统频率、电压支撑能力减弱，连锁故障风险增加 新能源功率波动性强、不确定性高 模式一：潮流转移引发连锁故障 多通道送电断面上，交流线路敌障、直流换相失败和闭锁导致潮流转移，触发线路连续过载和级联跳闸，引发连锁故障 案例：2009巴西大停电 2009年11月10日，受雷击和强风暴雨影响，送端交流系统发生多回765kV线路跳闸，系统振荡并迅速传导至伊泰普换流站，致使直流系统闭锁，引发受端频率、电压剧烈波动以及线路和机组级联跳闸，负荷损失超2400万kW，约5000万人停电。 林伟芳，孙华东，汤涌，等.巴西"11·10”大停电事故分析及启示[J].电力系统自动化，2010.34（07）：1-5 模式二：高比例新能源系统频率安全 风光等电力电子接口电源高比例接入，系统惯量降低、调频能力下降、频率越限风险增加。同时，频率波动易触发新能源脱网，引发连锁反应。 案例：2019英国大停电 2019年8月9日，雷击导致400kV输电线路短路跳闸，触发海上风电场脱网，叠加小巴福德电站燃气机组意外停机，导致系统频率降低。由于新能源发电的一次调频能力不足，且在频率恢复过程中出现大规模分布式电源脱网，低频减载和调度切负荷导致约100万用户停电。 孙华东，许涛，郭强，等.英国国"8·9"大停电事故分析及对中国电网的启示.中国电机工程学报，2019,39（21）：6183-6192 模式三：电压和频率交互影响模式 在高比例风光、弱互联支撑的区域，有功频率和无功电压通过新能源振荡、保护控制等环节交互影响，最终演化为电压和频率耦合连锁故障。 案例：2025西葡大停电 2025年4月28日，西班牙、葡萄牙发生大停电事件，影响伊比利亚半岛5000万人。故障传播链：两次振荡抑制措施升系统电压新能源脱网拾升电压（部分新能源脱网前吸收无功新能源脱网→有功不平衡系统频率下降低频减载进一步推高系统电压。 故障跨系统传播 天然气、交通、通信、给排水等关键基础设施与电力高度耦合，故障跨系统传播可引发停电事件或放大停电事故的经济社会影响 案例：2021美国得州大停电 2021年2月，美国大部和墨西哥北部遭遇强寒流与极端暴雪，得州气温骤降至-2~-22℃C，极瑞低温同步冲击电力、天然气等关键基础设施，电力需求远超供应，全州大范围轮流停电。 第一阶段：新能源发电遭受重创，天然气发电猛增 ·冻雨和降雪导致风力涡轮机等设施被冻，风电断崖式下降·多云和阵雨影响光伏发电 第二阶段：极寒天气影响所有种类能源发电电力市场价格升 风力发电几乎完全停摆·煤电机组因部分煤堆和设备冻结受到一定影响·冷却水水管被冻，核电机组停机严寒天气和断电导致压缩设备瘫痪，部分地面输气管道冻裂或故障，从而影响了天然气的正常供应 范旭强，吴谋远，等，美国得州停电事件对我国能源安全的启示，战略论坛，29（3），2021 故障跨系统耦联传播典型场景：大型城市电网 停电事故可导致交通、通信、供水等城市生命线系统功能失效，医疗卫生机构等重要用户无法获得电、水资源供应以及通信、交通服务，从而严重威胁城市公共安全 案例1：2019年8月9日，英国伦敦大停电事故导致地铁停运、机场瘫痪、交通信号灯熄灭，不少乘客被困在一片漆黑的地铁站和隧道内，造成恐慌。 案例2：2022年3月3日，台湾省大停电波及高雄、台北等城市，共造成130万户停水、328部电梯有受困人员，社会影响极为恶劣。 第三部分 新型电力系统气候韧性提升技术 新型电力系统气候韧性提升技术 驱需构建涵盖评估、规划、运行并基于新技术赋能的新型电力系统气候韧性技术体系 考虑全链条耦合的推演评估 建立复杂气象气候事件的精细化建模，开展“气象-新能源-电力系统-生命线设施-关键用户全链条推演仿真，揭示多系统联动的风险传播与故障演化机理。 韧性评估：侧重系统功能水平和服务可用性 设备损坏并不必然引发系统功能中断：相同数量但不同组合的损坏，其系统影响可能截然不同。有必要深入刻画“事件强度一设施损坏一功能影响之间的映射关系。 指标变化规律 统计特性分析 对于极端事件均可分析后果随灾害强度的变化规律 对于有统计数据的极端事件可分析其后果的概率分布 韧性评估案例 以台风灾害对上海电网及城市关键基础设施的影响为例，分析事件后果指标随事件强度变化规律及其统计特性 电网形态规划面临多时间尺度气候风险挑战 在气候变化驱动下，电力系统形态规划需考虑局部短时极端气象灾害冲击全局反常气候事件和中长期风光水资源演变态势的影响 短时气象灾害 局地台风、暴雨、雷暴等强冲击冲击，考验关键通道与重要负荷的承灾能力。 局部规划：提升应对短时强冲击事件的能力 基于尾部风险分析和故障跨系统传播推演的韧性评估方法，透过故障后果非线性叠加效应识别电网薄弱环节，实现考虑沿海、山区地域特征的差异化补强 自然灾害-电网-生命线系统-重要用户全链条推演技术，分析公共安全影响 全局规划：适应反常气候及中长期资源变化 难点（待攻关）： ·源网荷储资源应如何布局，才能有效应对反常气象引起的电网运行工况大范围波动？ 源网荷储体系应如何演进，才能适应“风一光一水”等可再生能源的中长期变化特征？ 多类型异构电源的合理分布 跨区灵活互济的网架 广义储能技术、灵活性资源 潜在思路：电网形态长期演变规律分析 总结电网形态历史演变规律，分析未来演变趋势，为新型电力系统全局规划提供新思路 城市电网是自相似分形的 分形通常是进化过程的结果 一座城市是一个自然形成的复杂适应系统，是两种“流”结合的产物，种是维持并促进自身基础设施和居民发展的能源和资源流，另一种则是连接所有公众的社会网络中的信息流， 运行控制：灾前预防 综合考虑各类应急资源的协同与互补，提前实施电网设施临时加固、关键设备巡检与预控措施，并优化应急物资与人员布点，提升灾前防护能力 运行控制：灾中抵御 通过全局保电网与局部保用户相结合，支撑区域/省级受端电网灾中安全运行，保障核心区域负荷灾中持续供电。 各层级局部电网均具有独立运行能力，为重要用户提供多重供电保障 外部馈入通道中断时，支撑受端电网频率安全 运行控制：灾后恢复 创新异构电源跨层级协同的输配电网并行恢复策略，通过分布式应急供电双向对接式恢复，提升应急恢复效率 新技术应用 将多源实时数据、前瞻预演和在线动态决策融合进防御全过程，形成“风险评估一电网强化一灾前预防一灾中抵御一灾后恢复”的智能化闭环。 应用举例：前瞻预演”应急恢复决策 技术挑战：应急恢复过程面临多类不确定性，且与电网状态感知过程交叠，基于完整信息构建优化模型的决策思路不可行，须根据实时信息在线动态制定多资源协调恢复方案 应急恢复不确定性 应用举例：前瞻预演应急恢复决策 口决策方法灵感来源：AlphaZero在线对奔策略 口以离线训练的深度神经网络近似估计棋局胜率和最优对奔策略，并开展在线前瞻和预演，确定对奔方案。 ValueNetwork和PolicyNetwork是两个深度神经网络 应用举例：前瞻预演应急恢复决策 构建融合电网专家经验的电网应急恢复“前瞻-预演”在线决策框架，其有效性可解释为采用具有二阶收敛性的牛顿法求解Bellman方程。 韧性技术体系 结语 在气候变化与新型电力系统建设背景下，驱需揭示复杂气候气象条件下电力系统风险机理，构建面向极端事件的韧性提升技术体系，为我国新型电力系统安全可持续运行提供理论与技术支撑 THANKS 汇报完毕，请各位专家批评指正！ 许寅，北京交通大学，教授，博士生导师人事处副处长兼党委教师工作部副部长电子邮件：xuyin@bitu.edu.cn个人主页：http://faculty.bitu.edu.cn/9103/
