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近30年全球大停电事故发生的深层次原因分析及启示
发布时间:2022-08-09 05:58:33 来源:IM娱乐 作者:im官网

  :研究发现,2008年金融危机后,世界经济进入低速增长调整期,电网面临可持续投资压力。同时,近10年来,极端自然灾害进入高发期,给电力系统安全带来严重扰动。多重因素作用下,大停电事故进入多发期。

  (1. 国网能源研究院有限公司,北京 102209; 2. 国家电网有限公司,北京 100031; 3. 国网福建省电力有限公司经济技术研究院,福建 福州 350013; 4. 国网福建省电力有限公司,福建 福州 350003)

  电力系统作为连接发电厂和终端用户的“桥梁”,一旦发生故障,极易引发大规模的停电事故,进而造成巨大的经济损失,甚至威胁到居民的生命安全[1-3]。近年来,全球范围内发生多起大停电事故,引发各国关注。

  为了从大停电事故中总结出对中国电网安全的启示,大量学者对已发生的大停电事故展开了一系列研究,主要包括自然灾害、设备故障、电网管理模式和网络攻击4个方面。在自然灾害方面,文献[4]从大停电事故发生、发展和恢复3个阶段分析了2009年由于极端天气引发的巴西电网大停电事故;文献[5]总结了2016年极端天气下新能源脱网引发的澳大利亚大停电事故;文献[6-8]分析了印度2012年7月由于400 kV联络线线路跳闸引发的电力系统大规模连锁故障;文献[9-11]分析了2018年巴西电网因断路器过载保护动作后造成的巴西大面积停电事故;文献[12]分析了2015年3月土耳其东西部传输走廊高压输电线路过载动作跳闸后,引发欧洲互联电网解列,并最终导致大停电事故;文献[13-14]分析了2019年8月2个风电场非正常脱网,导致英国国家电网系统频率跌出正常工作范围,引发大停电事故;文献[15]分析了2006年11月,由于E.ON 公司未严格执行“N–1”标准,各电网运营商(TSO)之间协调不当,导致的欧洲大面积停电;文献[16]分析了2011年9月异常天气叠加调度管理模式缺陷引发的美墨大停电事故;文献[17-18]介绍了2015年乌克兰电网因遭遇黑客攻击,导致大规模停电;文献[19]分析了2019年3月委内瑞拉2起大停电事件;文献[20-22]对大停电事故损失评估、电网恢复策略、风险防范机制等展开了研究。

  国内外学者关于大停电事故已经进行了大量研究,但缺乏系统性地梳理、分析和研判。因此,本文基于国内外大停电事故研究文献、调查报告及权威网站报道,系统梳理自1990年至2020年底近30年来全球范围内具有突发性、影响范围超过10万人、停电时长>

  1 h的大停电事故,总结全球大停电事故的特点、发展趋势,深入分析各类大停电事故发生的原因后,提出防范中国大停电事故的具体措施和建议。

  本文基于wikimili统计数据( ),结合对应官方事故原因分析报告,梳理分析了1990年以来全球大停电事故,如图1所示。研究发现,2008年金融危机后,世界经济进入低速增长调整期,电网面临可持续投资压力。同时,近10年来,极端自然灾害进入高发期,给电力系统安全带来严重扰动。多重因素作用下,大停电事故进入多发期。

  从各国及地区大停电次数统计情况来看,美国、加拿大、澳大利亚、巴西、印度等国家大停电事故发生次数最多,普遍具有国土面积辽阔、供电跨度大、电力运行工况复杂的特点,同时也是世界主要经济体,如图2所示。

  从影响范围来看,影响人口超过2 000万人以上的大停电事故主要发生在2000年以后。最严重的2次大停电事故均发生在印度,其中2012年印度大停电事故影响的人数最多,达6.2亿人。尽管美国是停电次数最多的国家,但除了1965年的美国大停电影响人数达3 000万人以外,其他大部分大停电事故中受到影响的人数均在1 000万人以下。

  从停电原因来看,全球已明确发生原因的138件大停电事故中,主要有以下4类原因:(1)自然灾害原因,直接引起77件,占比56%;(2)电力投资不足导致设备老化、市场设计缺陷等电力管理体制机制原因,引起或使停电事故恶化的共有43件,占比31%;(3)意外或人为事故原因,引起14件,占比10%;(4)网络攻击原因,引起4件,占比3%。诱因分布如图3所示。

  自然灾害引发的大停电事故具有偶发性、对电力系统影响范围明确、影响范围不易扩散的特点。比较典型的是2008年中国南方冰雪灾害、2009年巴西和巴拉圭飓风、2011年日本大地震等引发的大停电事故等。

  (1)防灾减灾预案和恢复措施准备不足,电网与有关防灾部门间协调不充分。历史上多次大停电事故均是由于电网与其他部门间缺乏整体协调配合机制、未能建立完善的防灾减灾应急预案研究,导致电网面对自然灾害扰动的考虑不够充分。由于信息匮乏与沟通不畅,电网灾前预警不充分,未能及时合理调整电网运行方式,提前合理配置救灾抢修资源;灾中面对复杂多变的灾情,缺少统一有效的调度控制手段,未能及时缓控故障蔓延;灾后电网故障情况、交通路网信息传输不畅,导致故障抢修与负荷恢复过程进展缓慢。例如,2003年夏天,由于天气炎热、负荷飙升,美国东北部地区部分输电线路发生过载跳闸。美、加两国相关电力公司之间缺乏高效沟通协调机制,未能及时共享潮流异常信息并采取协同应急控制措施,最终酿成波及5 500万人的“8·14”美加大停电[23]。

  (2)电网薄弱环节与关键节点强度不足,备件匮乏,设备安全裕度保障不足。线路跳闸等设备故障极易在极端天气下集中出现在受灾区域。很多大停电事故是由于电网薄弱环节与关键节点处的元件设备在极端天气中失灵或受损,而电网安全裕度不足,导致连锁故障甚至系统失稳而造成的。例如,巴西2009、2011年两次大停电均由于关键的伊泰普水电站送出通道在极端天气中接地短路或保护跳闸,系统失稳振荡,导致系统解列及崩溃。

  需要注意的是,自然灾害是引起大规模停电事故的最重要诱因,但最终的严重停电损失往往也是多种因素共同作用的结果,如防灾体系失灵、应急预案不充分、关键设备受灾停运、调度手段不恰当等,使得自然灾害引发的电网局部故障恶化为系统性连锁故障。

  市场机制设计、电力可持续投资等管理体制机制因素是引发大停电的第二大原因,具有易与其他诱发因素伴发,将事故影响范围扩大到全局,波及范围广、恢复缓慢等特点。比较典型的是2012年印度大停电、2019年阿根廷大停电等,几乎导致全国范围内的停电。管理体制机制因素还可细分为电力市场机制设计缺陷、电网管理体制“破碎化”、电力投资能力不足等问题。

  (1)电力市场机制设计不够完善。电力市场机制建设是一个长期的、不断完善的过程。在市场建设过程中,对市场运行的极端情况考虑不够充分,例如电价严格管制、中长期市场与现货市场不协调、容量机制吸引力不足等,在外部扰动的情况下可能会被迅速放大、造成巨大的经济损失。例如,2001年美国加州大停电事故中,为增加发电侧竞争而放松批发市场价格,并管控配售电价,受发电成本上升影响,发电商哄抬电价,公共配售商利益无法保障,交易品种只设置现货市场,配售电公司无法签订中长期协议对冲价格波动风险,导致太平洋电气在内的大量公共事业公司严重亏损乃至破产,引发大停电。

  (2)电网各级调度体系分散、电网采取分散管理模式。部分国家电网调度管理主体分散、统一调度协调环节较多,下级调度机构不完全接受上级机构调度指令,管理相对独立;配电网与上级输电网的规划、并网标准不配套,输配电网间管理机制松散,实际运行中输电网无法准确高效地掌握下级配网的真实运行水平。故障发生时,各级调度不能快速协调一致处理事故,局部故障无法被快速隔离,导致事故范围迅速蔓延扩大。例如,2012年导致印度3个区域大电网崩溃的大停电,由于各级调度主体间权责不明确,上级调度指令无法有效执行,事故初期局部故障未能被快速隔离,致使事故范围迅速扩大。印度各级调度中心责权分散,统一调度和协调能力严重不足,无法采取步调一致的处理手段。调度体系分散还导致了印度复电缓慢,甚至出现了一停再停的情况。

  (3)电力投资能力不足。电价水平较低,尤其是输配电环节费用受到严格监管,导致电网公司利润不足,无法有效地对老旧的输配电线路进行维护、检修与升级;电网投资能力受到严重限制,无法根据发电容量与负荷需求的变化,有效地对输电线大停电事故,印尼政府规定消费者承担的电价须低于市场水平,印尼国有电力公司承担相应损失、每年向国会上报电力补贴预算,经国会批准后,由财政部分期支付补贴资金,电价机制畸形、不能保障电网的合理投资回报水平,加之大量“高龄”电厂超负荷运转、变电站老化损毁等,最终总人口的一半遭受停电影响。

  管理体制机制原因须引起高度重视,电力系统是技术密集型行业,容易忽视管理体制机制对电力系统安全的重要保障作用。管理机制设计不当,可能危害到整个国家和地区的能源安全。

  人为事故是引发大停电的重要原因。人为事故引发的大停电事故具有突发性、缺少征兆、易造成电气设备严重损坏等特点。比较典型的是2015年土耳其大停电,由于主要输电通道重载时段安排检修引发了大停电,影响人口达到土耳其总人口的90%。

  造成人为事故的原因主要包括2类。(1)运行人员的误操作,包括生产运行中的操作违反《电业安全工作规程》,以及由于技术不精、业务不熟、责任心不强导致的安全事故。如:某供电局工作人员带负荷拉隔离开关,造成220 kV线路停电,电网调度员误下令造成电网大量甩负荷等[25]。(2)建筑施工或供水、供气等基础设施修建过程中对电力设备的损坏。除了暴露在外的架空线路在施工过程中容易被破坏以外,埋在地下电缆由于很难被察觉,也极易遭到破坏。

  网络攻击引发的停电事故具有隐蔽性、复杂性强、防御难度大、物理伤害大等特点。比较典型的是2015年乌克兰大停电事故和2019年委内瑞拉停电事故,影响人口分别达23万人和3 200万人,美国已于近些年开展电力网络安全防护能力建设。近年来,网络攻击导致大停电出现的原因主要包括如下2个方面。

  (1)随着信息系统和电力系统的深度融合,信息系统安全问题极易引发电力系统安全事故。随着互联网与信息技术的不断发展、电力信息物理系统与能源互联网的加快建设,电力系统传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都大大增加,越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统调控决策,电力网络与信息网络的交互机理日益复杂。信息技术在给电力系统带来便利的同时,也引入了信息系统的脆弱性,使得电力网络的脆弱性更加复杂。

  (2)信息技术快速更新迭代,针对电力系统的网络攻击防范难度大。对于电力系统的网络攻击手段越发先进,呈现多元化、隐蔽性强、潜伏期长、攻击代价小、目标性更强、事故概率更高的特点。这一新的攻击形式与传统电力系统遭受“N–1”或“N–k”故障引发对系统安全稳定运行的影响存在机理和控制手段上的差异。系统现有的安全防御体系难以抵御网络协同攻击。因此,针对电力系统的网络攻击能够造成大范围停电,且难以快速恢复、持续时间长,带来巨大的经济损失,进而延伸造成社会的混乱与恐慌。

  中国当前正积极推动“碳达峰、碳中和”工作,可再生能源跨越式发展已成为各方共识,大规模可再生能源并网消纳会进一步增加电力系统的脆弱性,安全可靠运行压力增大。电力系统安全防护是一项系统工程,从国外经验教训来看,应当通过技术手段增强电网弹性,通过管理体制机制优化保障系统有序运行、增强人为事故防范、增强网络安全防护能力。

  (1)通过技术手段增强电网弹性。增强电网弹性包括提高电网互联、提高系统调节能力、增强电网应急响应能力等。

  ①提高电网互联,加快能源互联网建设。加强跨区跨省输送通道建设,完善送受端网架结构,提高电网互联程度,加强大电网互备。加强“大云物移智链”在电力系统信息采集、感知、处理等环节的应用,加快构建坚强智能电网。

  ②提高系统调节能力。加强抽水蓄能、电网侧储能等调节电源建设,加快煤电灵活性改造,提高电网调峰能力。提升可再生能源功率预测,加强多级调度系统的协同快速响应。提高源网荷储协同控制能力,加强需求响应等可调节负荷资源规模化、常态化应用,拓展电网灵活调节手段。

  ③增强电网应急响应能力。电力企业制定极端场景下应急预案,充分考虑各种极端场景和困难,加强融冰技术、抗震设备等先进技术的部署应用。加强电网与应急管理、气象、交通等部门在灾害预警信息、影响程度预测等方面的协同互动,提高电网灾害预判和处置专业能力。

  (2)通过管理体制机制优化保障系统有序运行。长期以来,中国坚持了“统一规划、统一调度、统一管理”的发展模式,极大发挥了电网的规模效应和协同效益,在应对用电需求快速增长等挑战、保持电力系统安全稳定中起到了决定性作用。优化管理体制机制主要包括加快建立全国统一电力市场、建立健全容量机制、完善电力基础设施投资回报机制等。

  ①加快建设全国统一电力市场。稳步推进经营性用户发用电计划全面放开,同步推进调度能力建设,逐步实现经营性用户发用电计划全部放开。完善跨区跨省交易机制,有序推进现货市场建设,做好不同地域范围、不同时间尺度、不同标的交易的衔接和贯通。加快完善系统平衡机制、结算机制和信息披露机制等,提高交易透明度和运作效率。完善阻塞管理与辅助服务机制等。

  ②建立健全容量机制。区分存量和增量机组,对于已建成的机组,可探索容量补偿机制,由政府主管部门核定发电容量成本,制定容量补偿价格。对于新建机组,研究建立容量招标机制,发挥市场机制在吸引电源投资方面的促进作用,保障长期容量充裕性。

  ③完善电力基础设施投资回报机制。为实现“碳达峰、碳中和”目标,借鉴美国、英国等做法,对升级电网、机组配套投资等,在输配电价核定、投资规模安排、项目核准等方面给予政策支持。对储能、需求响应等灵活调节资源,充分考虑实际需要,优化电价机制、资金补贴等。

  (3)增强人为事故防范。中国电网覆盖面积广,连接设备多,当前中国城市化建设和电网建设都处于快速推进期,大量基础设施的规划建设尚未形成统筹协调的机制,燃气、道路建设施工等易破坏电力设施,引发停电事故,应着力做好以下几方面工作。

  ①探索人工智能等新兴技术的研发和应用。保障电网“大云物移智”等必需、必要高新技术研发及应用的投资,提升电网态势感知、自愈能力等方面的智能化水平,减少人为操作因素造成的电网停电事故,及时发现、自动处置故障点。

  ②加强基础设施的统筹规划和建设。很多电力事故由其他行业施工不当等情况导致,促请政府加强对道路、水务、电力、通信和燃气等行业规范的统一部署,统一制定基础设施建设标准,从源头上减少其他单位在施工或检修时造成的停电事故。

  (4)增强网络安全防护能力。中国目前发电、电网、电力装备等企业都在推进数字化、智能化转型,各类接入外部设备、网站系统、通信传输系统等成为发动网络攻击的重要“跳板”,安全防护重点已从企业内部生产运营系统扩展到各类终端、传输路径,网络安全风险日益严峻,应着力做好以下几方面工作。

  ①优化网络防护体系。系统研究适应电力物联网发展的安全防护体系,在入网电力设备硬件、操作系统、通信技术及云服务器等环节做好体系建设,明确云、边、端的安全防护策略、设计标准、逻辑功能等,形成分层立体防御体系。

  ②将安全防护关口前移。发挥电力企业网络安全责任单位的主体作用,协同上下游设备厂商、研究机构等,加快适应高比例电力电子装备接入电网的安全防护技术研究,提升威胁监测发现技术、安全防护技术、攻击路径阻断及隔离技术,增强主动防御能力,加大网络防御纵深。

  ③加快完善电力物联网安全标准。电力企业积极参与电力系统网络安全各类标准制定,精准制定适用各类电力电子设备、各种应用场景的技术标准。从安全测评、防范、处置等电力网络安全防护全环节,加强标准规范制订和落地。将网络安全防护性能作为电力企业招标设备时重要参考指标。

  大停电事故对经济社会造成巨大的损失,甚至威胁到人类的生命安全。本文对全球范围内近30年的大停电事故发生的原因,从自然灾害、管理体制机制、人为事故和网络攻击4个层面进行了梳理和总结后,根据中国国情、电情和网情,提出了防范各类大停电事故的合理化建议,进而为中国的电网安全和国家安全提供决策参考。随着中国“碳达峰、碳中和”等工作深入推进,电力系统面临的安全压力不断升高,未来应当不断提高电网弹性、优化管理体制机制保障系统有序运行、增强人为事故防范、增强网络安全防护能力等,在政策、技术、管理、资金等方面提供系统支撑保障,不断提高电力系统安全可靠能力。

  胡源,博士,国网能源院企业战略研究所研究员。主要从事电力市场、电力体制改革、电网规划等研究,先后承担国家发改委、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题20余项,主笔或参与编写《国内外电力市场化改革分析报告2019》、《国内外电力市场化改革分析报告2020》等著作和报告,获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等奖项。

  薛松,博士,国网能源院企业战略研究所研究员,国家科技部科技专家库专家。主要从事电力体制改革与电力市场、能源与电力经济、企业战略规划等方面的研究工作。作为课题主要研究人员获国家能源局软科学研究优秀成果奖三等奖1项、中国商业联合会科学技术奖一等奖1项、国家电网公司软科学成果奖一等奖6项、二等奖2项、三等奖2项。

  张寒,硕士,国网能源院企业战略研究所研究员。主要从事电力市场、能源互联网、需求侧管理等方面研究。发表SCI、EI检索论文10篇,参与国家能源局研究课题、国家电网公司科技项目、管理咨询项目等10余项。

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