电力系统受极端天气的影响分析及其适应策略
2021-12-22卢赓邓婧王渝红曹静岳云峰
卢赓，邓婧，王渝红，曹静，岳云峰
电力系统受极端天气的影响分析及其适应策略
卢赓1，邓婧2*，王渝红3，曹静1，岳云峰1
（1．中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东省 广州市 510663；2．广州城市理工学院电气工程学院，广东省 广州市 510800；3．四川大学电气工程学院，四川省 成都市 610065）
气候变化对人类社会的影响越来越受关注，随之而来的一系列极端天气引发系统断电的风险也越来越显著。为应对气候变化尤其是极端天气，人类社会需采取减缓和适应2种应对策略，对于发展中国家与小岛国，由于气候变化已经发生，因此气候问题将首先是适应问题。为解决电力系统如何从各个环节完整地适应气候变化问题，建立了一个适应气候变化的电力系统发展体系，提出一种涵盖极端气象因素的电力系统发展路径构建方法。在总结各种极端天气对电力系统影响的基础上，对电网的脆弱性进行评价；研究了适应极端天气的总体策略，并提出电力系统适应极端天气事件的方案，即规划–建设–应急管理–评估(planning-construction-emergency management-assessment，PCEA)抗灾体系。在规划阶段重点进行保底电网规划，构建不停电最小电网主干网；基于方案不同阶段的应用实例，验证了PCEA体系可以促使电力系统更好地适应极端天气。
电力系统；气候变化；极端天气；保底电网规划；不停电最小电网主干网
0 引言
全球气候变暖、海平面上升等现象表明气候变化是既成事实，各个国家和地区都面临着极端天气事件增加的风险，气象极端事件对整个社会经济发展也带来了相当大的危害。由于气候变化持续发生，随之而来的一系列极端气象引起的负面因素将变得越来越显著，并对制定自然灾害方面的应对策略上产生更重要的影响[1-4]。
电力基础设施是能源基础设施的重要组成部分，电能已成为人们生活不可或缺的一部分。而气候变化正不断影响着电力基础设施的运行，一方面，由于气候变化在短时间内没有得到缓解，电力设施仍然面临着极端气象灾害的威胁；另一方面，现有电力系统标准和法规尚未考虑气候变化的调整和修改，以及对电力设施造成的危害。由于极端天气等气候变化可能引发系统断电的风险，因此电力系统发展策略必须考虑气候变化的因素。为应对气候变化，电力系统发展策略可采取减缓和适应2种方式[5]。
减缓即通过提升光伏、风电等新能源的比例等措施减少温室气体的排放。文献[6-8]提出应用新能源电力系统、能源互联网等减缓对气候变化的影响。文献[9-11]通过电力系统节能减排措施达到电源出力优化。文献[12-15]在低碳环境下对电源侧的优化规划进行研究。文献[16-17]论述了我国在应对气候变化时新能源的发展趋势及带来的新机遇。
适应即接受气候变化的客观事实，主动寻找解决的策略。文献[18-19]将气候灾害预测运用于电力系统早期预警中。文献[20-22]在不同极端气候灾害下，采取故障风险评估等措施来保证电力系统的稳定性并减少电力系统的损失。文献[23-29]对极端天气引发的停电事故进行分析与总结，并提出改进的措施及建议。文献[30-33]分析全球暖化对电力系统发、输、配、用电各环节的影响，总结电力系统主动和被动应对全球暖化的技术措施。文献[34]面向弹性配电网防灾减灾，提出组件重要度评价指标与评估方法。
对于发展中国家与小岛国，由于气候变化已经发生，虽然减缓策略是根本性措施，但是适应策略是基于本国的经济实力去主动寻找解决方案，收益明显且迫在眉睫，因此，解决气候对电力系统的影响问题将首先是适应问题。然而从以上研究来看，目前电力系统应对极端天气的适应策略是从规划、建设及运营等各阶段寻求解决方案，未形成一个完整的体系。未来电力系统的发展也同样需要统一考虑电力系统扩展的经济性，以及应对气候变化特别是应对极端天气的能力，以最小化投资运行成本与气象灾害损失总和为目标，在加强抗灾能力的同时，兼顾电力工业投资和运行的经济性，建设经济、安全和抗灾的电力系统。
针对上述问题，本文从建立适应气候变化的电力系统发展体系角度出发，提出构建涵盖极端气象因素的电力系统发展路径的方法，即规划–建设–应急管理–评估(planning-construction- emergency management-assessment，PCEA)抗灾体系，从电力系统规划阶段开始就考虑电力设施应对气候变化的因素。最后，通过实例分析验证抗灾体系的抗灾能力。
1 气候变化及其影响
1.1 气候变化观测及预测
全球气候变暖已是事实，温室气体排放改变了大气中的温室气体浓度，直接影响的气候变量是气温和降水量。全球平均气温上升，降雨频繁，气象更加多变和极端。政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change，IPCC)第5次评估报告指出：1880—2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃；2003—2012年平均温度比1850—1900年平均温度上升了0.78℃。全球海洋表面和陆地平均温度趋势如图1所示。
图1 全球海洋表面和陆地平均温度趋势
图2为预测的6—8月RCP2.6与RCP8.5这2种情况下亚洲陆地区域温度异常趋势，其中粗线代表平均水平，细线代表模型预测。根据巴黎共识方案(RCP2.6)，预计到2050年亚洲陆地区域夏季平均变暖幅度达到2℃，到2100年将保持或低于这一水平，随后，全球变暖趋势趋于平稳，全球平均气温在21世纪末之前保持在2℃左右。在不采取节能减排调控措施的情况下(RCP8.5)，预计到2100年，亚洲陆地区域夏季气温将上升 6℃，气候变暖的趋势并没有放缓的迹象。气候模式预测表明，与高纬度地区相比，亚洲夏季增温较强，气温上升可达8℃。
图2 亚洲陆地区域的温度预测
1.2 气象灾害变化
气候变暖导致极端天气、气候事件和重大自然灾害频繁发生，在过去40年中，应急事件数据库(emergency events database，EM-DAT)记录的全球自然灾害频率增加了近3倍，从1975—1984年的1300多起增加到2005—2014年的3900多起(见图3)。在此期间，水文(洪水)和气象(暴雨、风暴、热浪)事件的数量急剧增加[35-36]。虽然气候变化与自然灾害之间的因果关系尚未明确，但人类仍面临着与气候有关的自然灾害频发的事实。
图3 1970—2014年按类型分列的全球自然灾害频次
1.3 典型气象灾害
1.3.1 极端气温
全球升温1.5～4℃阈值下，对于不同的升温阈值，亚洲地区平均温度的升高幅度都高于全球，极端高(低)温的平均值和变化幅度都将加大，未来出现极热天气的概率会大幅度提高，极冷天气将会减少。
东南亚预计是受极端热影响最严重的地区，在这一地区，如果气候变暖按照RCP8.5的预测继续上升，每年将会出现前所未有的夏季高温。将全球变暖限制在2℃，可以在很大程度上减少极端热的发生。
1.3.2 风暴
随着全球平均气温上升，预计亚太地区发生强台风的频率将有所增加。1949—2016年，登陆中国热带气旋的数量没有明显的变化趋势(见图4)，但是从强度更大、破坏力更强的强台风(STY)和超强台风(SuperTY)来看，自1990年以来有明显增多的趋势，尤其是进入21世纪以来，强台风以上等级的数量显著增加。
对于临近西北太平洋台风源地或北印度洋飓风源地的东南亚、东亚、南亚甚至西亚的沿海国家和地区，应在防御强度更大的热带气旋上采取有效的措施。
1.3.3 强降水
受各种气候因素的综合影响，亚洲地区的降水有明显的空间差异和季节差异。全球升温1.5～4 ℃阈值下，随着升温阈值的提高，亚洲地区的平均降水量总体将会增加，但存在不同的区域特征，降水量增加主要出现在北亚和中亚，西亚地区的平均降水量虽然变化不大，但在模式和情景间的差别最大。未来随着全球变暖，亚洲地区在极端降水过程的总量有所增加的同时，极端强降水事件所产生的概率也将增大。
从灾情变化趋势上看，中国多年强降雨事件发生频次呈上升趋势，强降雨事件的增多导致极端降雨洪涝灾害损失绝对值也呈上升趋势，如图5所示。从经济损失情况来看，中国极端降雨洪涝灾害造成的经济损失总量呈增加趋势；从受灾面积来看，其与成灾面积均有上升的趋势，特别是1970年以来的上升趋势更加明显。
1.3.4 低温冰冻
冰冻主要由雨凇、雾凇、湿雪冻结而成。随着电力、通信网络的快速发展，冰冻已成为影响社会经济发展的一种重要的气象灾害。导线覆冰是在0℃或以下，过冷却水滴(或雾滴)在风等输送因子促动下与输电线路导线表面碰撞并冻结在导线表面产生的现象。导线覆冰形成的必要气象条件是：0℃以下的冻结气温、较高的空气湿度、较低的风速(2～7 m/s)。
图5 中国1950—2010年暴雨洪涝灾害灾情变化
Fig. 5 Changes of rainstorm and flood disasters in China from 1950 to 2010
亚洲的低温冰冻灾害主要是因为来自极地的强冷空气及寒潮侵入造成的连续多日气温下降，主要出现在纬度较高的地区，包括东亚北部、中亚、南亚北部等地区。
1.3.5 雷暴
雷暴是一种产生于强对流天气系统下的常见灾害性天气现象。雷暴在亚洲分布广泛，通常纬度越低，雷暴越多。东南亚各国地处低纬度，属热带雨林气候区，是雷暴发生较频繁的地区。印度尼西亚是发生雷暴最多的国家之一，素有“雷暴王国”之称，仅爪哇岛的茂物一年就有322个雷暴日，平均每天打雷30～40次。在亚热带和温带等中纬度地区，雷暴则通常发生在夏季，有时在冬季也会受冷锋影响而有短时性雷暴。不同地区的雷暴具有不同的年际变化特征和周期性。
2 极端天气对电力系统的影响
极端天气呈现不断增多是近年来气候变化的一个重要特征，极端天气是指具有灾害性和突发性的恶劣气候事件。电力系统作为一种跨越辽阔地域的人造系统，总是在一定范围内维持正常运行，而气候条件往往又是决定其安全运行的关键因素。
由于电力系统的特殊性，大量电力设施需布置在户外。极端天气对该地域电力系统产生的直接影响将对户外电力设施造成破坏，进而引发大规模的停电。极端天气事件对电力系统最大的影响是造成突然和不可预见的电力供应中断。
虽然极端天气是小概率事件，但由其导致的故障占电网故障的比例相当大，对电力系统的危害不容忽视。随着极端天气发生的频率和强度的加剧，其带给电力系统的危害还将上升。
2.1 风暴灾害对电力系统的影响
对于电力生产，风暴灾害可导致风力发电机组因超过极限风速而停运，沿海发电厂受风暴潮淹没而停运，火电厂因燃料运输受阻而降低机组出力。
对于发电厂、变电站设施，风暴灾害可导致高压电气设备外部漂浮物短接闪络跳闸，风荷载过大造成外绝缘套管断裂、金具附件脱落，以及建筑物门窗损坏，从而危及户内设备安全运行。
对于输电线路，风暴灾害影响尤为严重，可导致导线风偏闪络、外部漂浮物短接闪络跳闸，风荷载过大造成绝缘子金具脱落、导地线断股或断线、杆塔结构损坏等[37-38]，使供电长期中断。
2.2 低温冰冻灾害对电力系统的影响
对于电力生产，低温冰冻灾害可导致电厂循环冷却塔结冰，使其冷却能力下降，最终导致发电能力下降。另外，因燃料运输受阻也会降低机组出力。
对于发电厂、变电站设施，低温冰冻灾害可导致高压电气设备绝缘部件覆冰闪络、设备传动结构覆冰无法动作、建筑物冰雪过载受损等。
对于输电线路，低温冰冻灾害影响尤为严重，可导致导地线过载断线、导线对地或导线相间间距不足闪络、绝缘子覆冰闪络、绝缘子及金具 脱落、杆塔结构损坏等[39]，使供电长期中断。
2.3 雷暴灾害对电力系统的影响
雷暴灾害可引起发电机组跳闸停运、变电站和线路带电体雷击闪络、绝缘部件受损、导地线断股或断线等故障。
2.4 强降雨灾害对电力系统的影响
强降雨灾害可导致太阳能电站停发、火电厂因燃料运输受阻而降低机组出力，所引发的洪水淹没低洼地区的发电厂、变电站，滑坡、泥石流等次生灾害损坏线路杆塔等设施。
2.5 极端高温天气对电力系统的影响
极端高温天气导致火电厂冷却效率下降，致使出力降低，造成输电设备过热受损、输送容量减小。
3 电力系统应对极端天气的总体策略
3.1 应对极端天气的抗灾策略概述
应对气候变化，电力系统需要同时采取减缓和适应2种策略。其中：减缓策略能降低气候变化的速率和范围；而适应策略则能降低对气候变化的敏感性，从而最终降低由气候变化所带来的脆弱性。减缓策略是一项相对长期、艰巨的任务，而适应策略则更为现实、紧迫[5]。
气候变化中的极端天气是一种十分特殊的情景，虽然出现的概率低，但是危害性大，与日常情景区别非常大。从极端天气对电力系统的影响来看，为使电力系统具备较强抵御极端天气的能力，将损失控制在可接受范围内并获得更好的收益，需重视电网的气候适应勘测。因此，本文从建立适应气候变化的电力系统发展体系角度出发，提出构建涵盖极端气象因素的电力系统适应策略，即PCEA抗灾体系，其包含4个流程，如图6所示。
图6 电力系统适应策略图
1）规划阶段：需要识别极端天气的风险，研究电网抵御能力，寻找薄弱环节。根据不同的风险，从系统规划和气象灾害分布的角度评估电网的可靠性，识别区域内重要设施和负荷，并采取相应的适应措施，提出不停电最小电网主干网的概念、目标和建设范围。
2）建设阶段：结合气象灾害的分布、影响以及保底电网建设，提出应对各种气象灾害的电力设施对策、保护措施以及不同的电网加固方法(恢复或者局部重建)。
3）应急阶段：根据气候变化和气象部门发布的预警信息制定应急预案，利用应急指挥平台监测电网运行情况，极端天气过程中根据电力系统状态合理调度，根据受损情况和用户重要度安排抢修，尽快恢复供电。
4）评估阶段：从经济、环境、社会3个方面进行评估，找出需要改进的问题。建立适应气候变化的电力系统弹性指标，在项目实施后收集、计算和评估度量的变化，评估项目的投资收益。根据历史极端天气气象资料、电力系统运行状况、反应过程和破坏情况，验证项目实施的效果，进而总结经验教训、提出改进措施，提升下一个周期的实施效果。
3.2 规划阶段
PCEA抗灾体系下的电网规划与传统规划最显著的区别在于制定了一个保底电网规划。
3.2.1 保底电网规划的必要性
为合理地确定电力系统应对极端天气的投入，需进行保底电网规划。由于极端天气往往作用范围广且破坏力巨大，若不加区别地提高防灾等级以保全所有电力设施，则所导致的工程量和投资往往很大，在实践中不具有可操作性。电力系统抗灾需要在投入和效益之间做好平衡，若投入过多，投资将缺乏经济效益；若投入不足，将不能产生有效的防灾效果。实践表明，通过保底电网规划对一个区域20%～30%的站点和线路进行重点加强，可以获取较好的抗灾效益[40-41]。
3.2.2 保底电网规划的内容
保底电网是针对极端天气情况，以保障城市基本运转、尽量降低社会影响为出发点，以应急机构、核心基础设施等重要用户为保障对象，选取重要变电站、重要线路和抗灾保障电源进行差异化建设维护，保障城市应急机构不停电、核心基础设施可快速复电的最小规模网架[42]。为实现这一最小规模网架而进行的规划称为保底电网规划。在极端天气下，区域电网可能解列为若干个保底电网，以维持最低限度的运行。
3.2.3 保底电网规划的步骤
1）获取重要用户清单。通过对供电区内的用户调查，梳理出重要客户清单。重要用户是对于保障社会运行有重要意义，电力供应中断会给社会运行和经济上造成重大损失的用户。重要用户通常包括：城市核心区域和用户，如政府、医院等；连续生产的工业，如钢铁厂、化工厂等；大量人员活动场所，如大型体育场、商业场所等。
2）确定辐射型基础供电网架，即针对重要用户基础保障网架。按“向重要用户供电的低压到高压路径”的方式自下而上梳理向重要用户的供电路径，如10kV 线路—110kV站点—110kV 线路—220kV 站点—220kV 线路—500kV 站点，由点到面地形成电网向重要用户供电的辐射型鱼骨网架。
3）整合横向网架，确定保底电网。在辐射型鱼骨网架基础上，根据重要用户、快速恢复联络通道、保障电源等不同方面的目标进行统筹完善，进而形成完整的保底电网网架，在地图上绘制保底电网地理接线图。
4）识别面临极端天气的风险。不同类型的极端天气发生的时间和空间可能相同，也可能不同，比如严寒和热浪就必然作用在不同时间，而台风和强降水则往往相伴而生。根据历史资料和气象分析，预测这一区域内可能发生的极端天气、发生时间以及发生区域，绘制极端天气分布地图。如台风登陆后将迅速衰减，故台风侵袭的强风区主要位于沿海地区，发生时间为夏季，通过将极端天气分布地图与保底电网地理接线图相叠加，识别保底电网面临的极端天气风险。
5）提出建设方案，估算投资，制定实施计划。按照面临的不同风险，分析保底电网中电力设施抵御极端天气风险的能力。对于不能抵御极端天气风险的设施，提出替代或改造方案(新设施的建设标准在PCEA的建设阶段研究)，并估算投资。以优先解决紧迫问题为导向(如在台风季来临修复受损线路、加固关键线路等)安排资金，制定逐步实施计划。
6）效益评估、资金筹措。保底电网所产生的投资可视为抗灾的前期投入，仅从投资收益方面无法准确地反映保底电网的效益，需从社会效益和投资收益2个方面进行评估。社会效益包括重要用户抗灾能力、电网快速恢复供电能力、黑启动能力等。保底电网的直接投资回报比较低，如电力部门自有资本不足，应设法获得低息贷款。
3.2.4 保底电网规划与传统电网规划的关系
保底电网规划是在传统电网规划基础上进行的，保底电网针对的是重要用户，在传统电网局部地区进行差异化的建设。通常先开展传统电网规划，再进行保底电网规划。保底电网规划提出的新建、替代、改造项目需要结合传统规划，尽量利用传统规划项目，以获得较好的投入产出比。在传统规划阶段需要充分考虑气象因素，从整体上提升电网供电可靠性和安全性，避免保底电网规划新增大量建设项目。
3.2.5 保底电网规划案例
1）台风经常侵袭的沿海城市
某沿海城市人口约800万，台风频繁，面积超过13万km2，2018年国内生产总值(gross domestic product，GDP)约为440亿美元，中心城区和近郊地区GDP占比达70%。该城市保底电网规划如图7所示，计划构建不停电最小电网主干网，以覆盖90%的主要客户和83%的大型住宅区。不停电最小电网主干网包括了该城市电网62%的220kV站点、49%的220kV线路、19%的110kV站点和18%的110 kV线路。由于该城市电网规模相对较小，且核心区域大部分处于强风区，因此不停电最小电网主干网中220kV电网占比相对较高。如果总的220kV系统停电，将至少有一个110kV快速备用电路。
未来5年将投入约3.5亿美元，占该区域电网总投资额的37.5%，包括新建和改造37条 220kV、110kV输电线路。
该城市中心地区与近郊地区的平均停电时间为24h，若因强台风而导致中心城区及郊区50%区域停电，经济损失采用产电比方法(以单位电能在不同地区所创造的经济效益为基础，对电能价值进行度量)进行简化计算，则将损失约8500万美元。
2）台风较少的城市
某城市位于河流出海口附近，距离海岸线约50km，受台风影响较小，但经济地位重要。该城市人口约850万，面积约2500km2，2018年GDP约1 175亿美元。该城市保底电网规划如图8所示，计划构建不停电最小电网主干网，以覆盖70%的重要客户和80%中心城区的大型住宅区。不停电最小电网主干网包括了该城市电网10%的220kV站点、9%的220kV线路、4%的110kV站点和3%的110kV线路。如果每个220kV供电片区停电，将至少有一个110kV快速备用电路。
图8 某台风较少的城市保底电网规划
未来5年将投入约1.4亿美元，占该区域电网总投资额的8.7%，包括新建和改造8条220kV、110kV输电线路。
该城市若因台风而导致中心城区局部(10%)停电，平均恢复供电时间24h，经济损失用产电比方法进行简化计算，则将损失约0.32亿美元。
3.3 建设阶段
3.3.1 应对极端天气的建设措施
1）风暴天气应对措施
应对风暴天气时，对于发电厂、变电站，在电气设备领域的建设措施有：强风区电气设备尽量采用户内布置；提高电气设备本体和附件的抗风能力；提高厂站用电源的可靠性。在建构筑物领域的建设措施有：充分收集并分析气象资料，合理确定设计风压，提高建构筑物的抗风能力；沿海厂站选址充分考虑风暴潮影响。
输电线路应对措施有：充分收集并分析气象资料，设立风速观测装置，修正区域设计风压，合理确定设计风压；路径选择避开极大风速区域；减少导线分裂根数，采用低风阻导线；耐张塔跳线采用硬跳线或固定型跳线串；直线塔采用V型悬垂串；提高杆塔在不均匀风作用下的承载能力，降低风振响应影响；补强加固现有杆塔及基础；重要线路电缆化。
2）低温冰冻天气应对措施
应对低温冰冻天气时，对于发电厂、变电站，在电气设备领域的建设措施有：提高开关设备的破冰能力；优化绝缘元件设计，防止冰闪；加装直流融冰装置。在建构筑物领域的建设措施有：结构设计充分考虑冰雪荷载及其不均匀性。
输电线路应对措施有：充分收集并分析气象资料，设立观冰站，积累覆冰观测数据，合理确定设计冰厚；路径选择尽量避开重覆冰区域；改善绝缘子串型，防止冰闪；减少导线分裂根数，降低杆塔荷载；减小耐张段长度，控制串倒事故的破坏范围；加强杆塔承受覆冰纵向荷载能力；建设覆冰预警监测系统，配置线路融冰装置。
3）雷暴天气应对措施
应对雷暴天气时，对于发电厂、变电站，在电气设备领域的建设措施有：在断路器的线路侧安装避雷器。在建构筑物领域的建设措施有：建筑物屋顶敷设置闭合避雷带，构筑物顶部设置避雷针或避雷线。
输电线路应对措施有：提高线路绝缘水平，包括加大绝缘子串长和塔头尺寸；同塔多回线路采用差绝缘配置；合理布置导线相序；降低杆塔接地电阻和杆塔呼高；应用线路避雷器；架设耦合地线；减小地线保护角。
4）极端高温天气应对措施
应对极端高温天气时，对于发电厂、变电站，在电气设备领域的建设措施有：通过改进制造工艺提高设备耐受高温能力；通过加装散热器对设备降温。在建构筑物领域的建设措施有：外围护结构具备良好隔热性能，适应高温气候。
输电线路应对措施有：采用耐热导线；对老旧线路进行增容改造。
5）强降水天气应对措施
应对强降水天气时，发电厂、变电站在电气设备及建构筑物领域的建设措施有：厂站址选择避免滑坡、泥石流影响；厂站场地的设计标高充分考虑洪涝的影响；站区做好完善的排水设施。
输电线路应对措施有：塔位选择避免滑坡、泥石流影响；选用岩石嵌固、挖孔桩等原状土基础，以降低滑坡灾害风险；合理处置施工弃土，防止弃土诱发牵引式滑坡；合理设置排水沟，防止排水不良诱发滑坡；采用护面墙及抗滑桩稳定边坡。
3.3.2 建设案例分析
以中国南部沿海输电线路提高抗风能力改造为例，该地区处于易受台风侵袭地带，为加强某220kV输电线路抗风能力，需进行防风评估及加固改造。首先对线路的防风能力进行全面评估，找出铁塔构造和基础方面的薄弱环节，并提出针对性的改造措施，具体如下：
1）采用钢芯耐热铝金型线替换旧导线。如 图9所示，采用单根JNRLH1X1/LB14-500/55型铝包钢芯耐热铝合金型线替代2mm×300mm规格导线，导线外径减小41%，导线风荷载相应也减小41%。
2）对铁塔进行加固，包括对铁塔主材、斜材、横材进行加固等。加固主要通过采用更大规格或更高强度的材料，或者在原材料背面附加一个相同规格材料，组成T形组合角钢构件来实现。
图9 单导线技术应用方案
3）对基础进行加固，主要手段包括在原基础主柱边上浇筑一圈钢筋混凝土连梁，或者在原基础周边扩宽以提高原基础承载力。
通过改造，线路设计基本风速(离地10m高10min平均风速)从32.8m/s提升至37m/s，工程投资仅为新建工程投资的20%。根据保底电网规划的要求，类似的输电线路防风改造工程已经在多条线路上开展。根据某城市的数据统计，保底电网规划防风改造工程完成前，平均每年因台风灾害造成的经济损失达6 669.6万元，按表1、2中推荐方案进行改造，增加投资约23 905万元，在改造后的4年内减少损失共计26678.4万元，投资回报率(投资后节约的资金总额/增加投资额)为111.6%。
表1 某城市500kV输电线路防风改造方案对比
表2 某城市110～220kV输电线路防风改造方案对比
3.4 应急阶段
电力系统应急管理体系是指电力系统处理紧急事务或突发事件的职能及其载体系统，是应急管理的组织、预案与保障系统之和。加强应急管理体系建设，就要根据突发事件或危机事务，把握并设定应急职能和机构，进而形成科学、完整的应急管理体制。
电力系统应急管理体系主要包括应急组织、应急预案、应急保障三大部分。其中：应急组织涵盖了人员架构设置及相应的管理制度；应急预案涵盖了针对各种自然灾害、突发事件的应对方法及流程；应急保障涵盖了应急信息通信技术(information communication technology，ICT)、应急物资等相关支撑措施。
3.5 评估阶段
3.5.1 评估目的及评估方法
评估是指在抗灾体系项目实施一段时间后，对项目的前期工作、实施情况及应用效果进行的再评估。其目的是：通过对项目研究及应用全过程的综合研究，衡量和分析项目实施的实际情况及其与预计情况的差距，确定有关预测和判断是否正确并分析其原因，从而总结经验教训，为今后改进项目的决策、投资、研究、管理等工作创造条件，并为提高项目投资效益和改善应用效果提出切实可行的对策与措施。因此，对抗灾体系进行评估具有重大的实践指导意义。
评估的基本方法涉及因果分析法、模糊综合评价法、层次分析法、对比分析法等，其中，对比分析法又根据具体评估对象和评估目的，分前后对比、有无对比和横向对比。通过对比的方法，可找出投资预期目标和实际目标的差异。
因果分析法主要是用于对指标差异的分析，从而找出差异的本质原因。模糊综合评价法及层次分析法则是针对抗灾体系这类特殊的多目标决策问题进行综合分析和归纳，从决策者的角度分析多个目标的实现情况，以及多个目标之间的相互关系，从而有针对性地提出相关对策，反馈电网投资。具体评估思路和方法如图10所示。
3.5.2 评估的维度
评估工作既是上一个阶段工作的最后一个步骤，也是下一个阶段工作的开始。开展抗灾体系评估工作时，需要充分考虑利益相关方的诉求，结合当地易发的极端天气，匹配当地的社会经济发展水平，从经济、环境、社会3个维度进行评估。
图10 抗灾体系评估和思路
3.5.3 评估的步骤
1）建立评估指标体系。构建电力系统弹性指标体系，确立经济收益指标。环境指标包括噪声、水环境保护、污染物排放、温室气体排放、土地占用等；社会影响包括供电可靠性提升、劳工安全、贫困人群保障、非自愿移民、就业岗位创造等因素。
2）记录数据。在规划、建设、应急阶段开展记录工作，包括规划完成率、应急阶段的灾情、救灾处置以及其他记录。
3）定量与定性分析相结合。评估以定量分析为主，分析指标完成率，对难以定量分析的指标(如社会影响等方面)需补充定性分析。
4）预测气象。预测气候变化对未来灾害可能达到的强度与频度，结合灾区的人口密度、经济发达程度，分析现有防灾抗灾能力(包括规划、建设、应急)是否仍然适应，对下一阶段规划工作提供支持。
5）制定标准和改进措施。对于已被证明的有成效的措施，要进行标准化，制定成工作标准，以便以后的执行和推广。对于存在的不足，要分析出现的原因，提出改进措施。
3.5.4 评估案例分析
以中国南部沿海某城市2014—2016年防风加固项目后评估为例，该城市防风加固项目建设目的主要是提高电网抗击台风的能力，以及沿海地区的供电质量、供电可靠性。本项目通过对比防风加固项目建设周期内(2014—2016年)的主要供电可靠性指标以及项目建设前后的2次台风(威马逊与莎莉嘉)对供电设备的影响，评估防风加固项目建设的投资效果。
1）投资概况
该电网防风加固工程从2014—2016年连续开展3年，项目改造范围涵盖110 kV、35 kV、10 kV及以下，重点针对易受台风影响的线路进行改造和升级，稳固杆塔基础、新建铁塔，修复或更换旧损电杆。共投资110 kV项目9个、35 kV项目20个、10 kV项目78个，合计立项107个，立项投资11581万元。
2）投资效果
①防风加固项目投资对用户平均停电时间下降有积极影响，有效减少故障停电时间。
经过2014—2016年防风加固项目建设，该城市用户平均停电时间下降比较明显，每户平均停电时间由2014年的25h下降至2016年的10h，如图11所示。
图11 2014—2016年用户平均停电时间
经2014—2016年防风加固项目建设，该城市恢复供电平均时间下降较明显，城区恢复供电平均时间由2014年的4 h下降至2016年的1.77h，农村恢复供电平均时间由2014年的5h下降至2016年的2.49h，如表3所示。
表3 2014—2016年恢复供电时间
②经济效益和社会效益效果显著，有效加强了电网网架结构，电网抵抗强台风能力明显提升。
在经济效益方面，项目投资后，2016年比2014年设备受损情况减少，其中：35kV及以上输电线路停运数量同比减少79.41%；10kV受损线路数量同比减少74.81%，断杆数量同比减少100%，倒杆/倾斜杆数量同比减少97.91%，倒塌铁塔数量同比减少100%；10kV公变损坏台数同比减少91.67%；0.4kV断杆数量同比减少98.44%，倒杆/倾斜杆数量同比减少96.13%，受损线路长度同比减少93.14%。由此可知，项目投资后，网架结构得到了有效加强，经济损失减少，如图12所示。
在社会效益方面，项目投资后，输配电线路抗强台风的能力和电网抗自然灾害能力得到了提高，自然灾害资产损失减少，保障了居民用电；并初步实现了避免超强台风导致的大面积停电事件重演，项目建设提高了10kV网络的供电能力和供电可靠性，为城市发展提供了有力保障。
4 结论
总结了亚洲地区气候变化和极端气象灾害，分析了极端天气对电力系统的影响，提出在减缓和适应这2种应对策略中，应对气候问题将首先采取适应策略。重点研究了电力系统适应极端气象灾害的策略，并将其应用于实际案例中，主要结论如下：
1）气候变化对电力系统的影响越来越大，电力系统设施和电力供应会承受各种气象灾害影响，电力系统发展策略必须考虑气候变化的因素。
2）经过实际案例分析，应用提出的PCEA抗灾体系及保底电网规划，能够降低极端气候带来的损失，提高供电可靠性，产生良好的效益。
本文着重研究电力系统适应极端天气总体策略下的规划与评估阶段，忽略了各阶段的协调及实施情况反馈，后续可在计及各阶段反馈结果的情况下进一步优化总体策略，实现电力系统同时满足经济性和安全性的要求。
[1] KAMIA H，TATIANA F，YORANM K，et al．Seeking for a climate change mitigation and adaptation nexus： analysis of a long-term power system expansion [J]．Applied Energy，2020，262：114485．
[2] CRAIG M T，CARREÑO L L，ROSSOL M，et al．Effects on power system operations of potential changes in wind and solar generation potential under climate change[J]．Environmental Research Letters，2019，14(3)：034014．
[3] MOSER C，BURRI P，GNANSOUNOU E，et al．
Climate change and its influence on the planning and operation of electric power systems[J]．Water and Energy Abstracts，2008，18(4)：64-65．
[4] WEBER J，WOHLAND J，REYERS M，et al．Impact of climate change on backup energy and storage needs in wind-dominated power systems in Europe[J]．PLos ONE，2018，13(8)：0201457．
[5] 吴昌华．能源变革，应对气候变化的唯一选项[J]．风能，2016(2)：20-22．
WU C H．Energy change，the only option to deal with climate change[J]．Wind Energy，2016(2)：20-22．
[6] 吴克河，王继业，李为，等．面向能源互联网的新一代电力系统运行模式研究[J]．中国电机工程学报，2019，39(4)：966-979．
WU K H，WANG J Y，LI W，et al．Research on the operation mode of new generation electric power system for the future energy internet[J]．Proceedings of the CSEE，2019，39(4)：966-979．
[7] 许鉴，高靖，刘一涛，等．基于鲁棒DEA的新能源电力系统投入产出效率评价研究[J]．可再生能源，2019，37(4)：558-563．
XU J，GAO J，LIU Y T，et al．Research on input- output efficiency evaluation of new energy power system based on robust DEA[J]．Renewable Energy Resources，2019，37(4)：558-563．
[8] 范坤乐，杨承，王平，等．高比例新能源渗透下天然气发电装机容量分配研究[J]．广东电力，2020，33(1)：1-8．
FAN K L，YANG C，WANG P，et al．Study on capacity allocation for gas-fired power generation units based on high penetration of renewable energy [J]．Guangdong Electric Power，2020，33(1)：1-8．
[9] 李整，秦金磊，谭文，等．基于目标权重导向多目标粒子群的节能减排电力系统优化调度[J]．中国电机工程学报，2015，35(S1)：67-74．
LI Z，QIN J L，TAN W，et al．Optimizing schedule for electric power system of energy-saving and emission-reducing based upon objective-weight oriented multi-objective particle swarm optimization [J]．Proceedings of the CSEE，2015，35(S1)：67-74．
[10] 文旭，郭琳，王俊梅．面向节能减排的电力系统发购电计划研究述评[J]．电力系统保护与控制，2015，43(9)：136-144．
WEN X，GUO L，WANG J M．Overview of power dispatch and purchasing plan in power system from energy-saving and emission-reducing[J]．Power System Protection and Control，2015，43(9)：136-144．
[11] 洪流，冉碧莲，刘汉英．电力节能技术的研究和应用[J]．资源节约与环保，2019(12)：3-4．
HONG L，RAN B L，LIU H Y．Research and application of power saving technology[J]．Resource conservation and environmental protection，2019(12)：3-4．
[12] 程耀华，杜尔顺，田旭，等．电力系统中的碳捕集电厂：研究综述及发展新动向[J]．全球能源互联网，2020，3(4)：339-350．
CHENG Y H，DU E S，TIAN X，et al．Carbon capture power plants in power systems： review and latest research trends[J]．Journal of Global Energy Interconnection，2020，3(4)：339-350．
[13] 王杨．中国电力低碳转型路径及其优化决策研究[D]．北京：华北电力大学，2018．
WANG Y．Research on low carbon transition path and optimization strategy of China’s power sector [D]．Beijing：North China Electric Power University，2018．
[14] 卢斯煜，娄素华，吴耀武．低碳经济下基于排放轨迹约束的电力系统电源扩展规划模型[J]．电工技术学报，2011，26(11)：175-181．
LU S Y，LOU S H，WU Y W．A model for generation expansion planning of power system based on carbon emission trajectory model under low-carbon economy[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(11)：175-181．
[15] 夏炎，范英．基于减排成本曲线演化的碳减排策略研究[J]．中国软科学，2012(3)：12-22．
XIA Y，FAN Y．Study on emission reduction strategy based on evolutive CO2abatement cost curve [J]．China Soft Science，2012(3)：12-22．
[16] 陈国平，董昱，梁志峰．能源转型中的中国特色新能源高质量发展分析与思考[J]．中国电机工程学报，2020，40(7)：5493-5505．
CHEN G P，DONG Y，LIANG Z F．Analysis and reflection on high-quality development of new energy with Chinese characteristics in energy transition [J]．Proceedings of the CSEE，2020，40(7)：5493-5505．
[17] 李立浧，张勇军，徐敏．我国能源系统形态演变及分布式能源发展[J]．分布式能源，2017，2(1)：1-9．
LI L C，ZHANG Y J，XU M．Morphological evolution of energy system and development of distributed energy in China[J]．Distributed Energy，2017，2(1)：1-9．
[18] 薛禹胜，吴勇军，谢云云，等．停电防御框架向自然灾害预警的拓展[J]．电力系统自动化，2013，37(16)：18-26．
XUE Y S，WU Y J，XIE Y Y，et al．Extension of blackout defense scheme to natural disasters early- warning[J]．Automation of Electric Power Systems，2013，37(16)：18-26．
[19] 熊小伏，翁世杰，王建，等．电网台风风险预警系统方案设计[J]．重庆大学学报，2014，37(7)：27-32．
XIONG X F，WENG S J，WANG J，et al．Research and application of typhoon risk early warning system of power grid[J]．Journal of Chongqing University，2014，37(7)：27-32．
[20] 张恒旭，刘玉田，张鹏飞．极端冰雪灾害下电网安全评估需求分析与框架设计[J]．中国电机工程学报，2009，29(16)：8-14．
ZHANG H X，LIU Y T，ZHANG P F．Requirements analysis and framework design for power system security assessment considering extreme ice disasters [J]．Proceedings of the CSEE，2009，29(16)：8-14．
[21] 吴勇军，薛禹胜，谢云云，等．台风及暴雨对电网故障率的时空影响[J]．电力系统自动化，2016，40(2)：20-29．
WU Y J，XUE Y S，XIE Y Y，et al．Space-time impact of typhoon and rainstorm on power grid fault probability[J]．Automation of Electric Power Systems，2016，40(2)：20-29．
[22] 贺海磊，郭剑波．考虑共因失效的电力系统地震灾害风险评估[J]．中国电机工程学报，2012，32(28)：44-54．
HE H L，GUO J B．Seismic disaster risk evaluation for power systems considering common cause failure [J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(28)：44-54．
[23] 唐斯庆，张弥，李建设，等．海南电网“9·26”大面积停电事故的分析与总结[J]．电力系统自动化，2006，30(1)：1-7．
TANG S Q，ZHANG M，LI J S，et al．Review of blackout in Hainan on September 26th：causes and recommendations[J]．Automation of Electric Power Systems，2006，30(1)：1-7．
[24] 曾辉，孙峰，李铁，等．澳大利亚“9·28”大停电事故分析及对中国启示[J]．电力系统自动化，2017，41(13)：1-6．
ZENG H，SUN F，LI T，et al．Analysis of "9·28" blackout in South Australia and its enlightenment to China[J]．Automation of Electric Power Systems，2017，41(13)：1-6．
[25] 周博文，陈麒宇，杨东升．巴西大停电的思考[J]．发电技术，2018，39(2)：97-105．
ZHOU B W，CHEN Q Y，YANG D S．On the power system large-scale blackout in Brazil[J]．Power Generation Technology，2018，39(2)：97-105．
[26] 杨雯哲．电网大面积停电应急管理问题与对策研究[D]．广州：华南理工大学，2018．
YANG W Z．Research on emergency management of large area blackout and countermeasures [D]．Guangzhou：South China University of Technology，2018．
[27] 赵静波，张思聪，廖诗武．美国加州2020年8月中旬停电事故分析及思考[J]．电力工程技术，2020，39(6)：52-57．
ZHAO J B，ZHANG S C，LIAO S W．Analysis and reflection for the rotating outages in mid-August 2020 in California[J]．Electric Power Engineering Technology，2020，39(6)：52-57．
[28] 刘泽扬，荆朝霞．美国得州2·15停电初步分析及其对我国电力市场建设的启示[J]．发电技术，2021，42(1)：131-139．
LIU Z Y，JING Z X．Preliminary analysis of the 2·15 power outage in Texas，U.S. and its enlightenment to the construction of China's electricity market [J]．Power Generation Technology，2021，42(1)：131-139．
[29] 冷喜武．美国得州2021轮停事故分析及其对中国电网改革的启示[J]．发电技术，2021，42(2)：151-159．
LENG X W．The analysis of 2021 Texas’ rotating blackout incident and its enlightenment to the reform of China power grid[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：151-159．
[30] 苏盛，陈金富，段献忠．全球暖化与电力系统的相互影响综述[J]．电网技术，2010，34(2)：33-40．
SU S，CHEN J F，DUAN X Z．Interaction between global warming and electric power systems[J]．Power System Technology，2010，34(2)：33-40．
[31] BADAL F R，DAS P，SARKER SK，et al．A survey on control issues in renewable energy integration and microgrid[J]．Protection and Control of Modern Power Systems，2019，4(1)：1-27．
[32] 席雅雯，吴俊勇，石琛，等．融合历史数据和实时影响因素的精细化负荷预测[J]．电力系统保护与控制，2019，47(1)：80-87．
XI Y W，WU J Y，SHI C，et al．A refined load forecasting based on historical data and real-time influencing factors[J]．Power System Protection and Control，2019，47(1)：80-87．
[33] 高鑫，唐飞，张童彦，等．配电网防风抗灾加固措施优化决策方法[J]．发电技术，2021，42(1)：78-85．
GAO X，TANG F，ZHANG T Y，et al．Optimal decision-making method of wind-proof and disaster-resistant reinforcement[J]．Power Generation Technology，2021，42(1)：78-85．
[34] 赵晓龙，方恒福，王罡，等．面向弹性配电网防灾减灾的组件重要度评估方法[J]．电力系统保护与控制，2020，48(16)：28-36．
ZHAO X L，FANG H F，WANG G，et al．Component importance indices evaluation considering disaster prevention and mitigation in resilient distribution systems[J]．Power System Protection and Control，2020，48(16)：28-36．
[35] 杨涛，郭琦，肖天贵，“一带一路”沿线自然灾害分布特征研究[J]．中国安全生产科学技术，2016，12(10)：165-171．
YANG T，GUO Q，XIAO T G．Research on distribution characteristics of natural disasters along “the Belt and Road”[J]．Journal of Safety Science and Technology，2016，12(10)：165-171．
[36] YING M，ZHANG W，YU H，et al．An overview of the china meteorological administration tropical cyclone database[J]．Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2014，31(2)：287-301．
[37] 杨思全．“一带一路”区域防灾减灾战略思路研究[J]．中国保险，2017(3)：7-11．
YANG S Q．Study on the strategic thought of regional disaster prevention and reduction along “the Belt and Road”[J]．China Insurance，2017：7-11．
[38] 毛星竹，刘建红，李同昇，等．“一带一路”沿线国家自然灾害时空分布特征分析[J]．自然灾害学报，2018，27(1)：1-8．
MAO X Z，LIU J H，LI T S，et al．Spatio-temporal patterns of natural disasters in countries along the Belt and Road[J]．Journal of Natural Disasters，2018，27(1)：1-8．
[39] 任国玉，封国林，严中伟．中国极端气候变化观测研究回顾与展望[J]．气候与环境研究，2010，15(4)：337-353．
REN G Y，FENG G L，YAN Z W．Progresses in observation studies of climate extremes and changes in mainland China[J]．Climatic and Environmental Research，2010，15(4)：337-353．
[40] 徐国新，夏清，康重庆．电网抗灾投资决策方法研究[J]．电力自动化设备，2010，30(2)：22-27．
XU G X，XIA Q，KANG C Q．Research on investment decision-making method of disaster-proof power grid[J]．Electric Power Automation Equipment，2010，30(2)：22-27．
[41] 夏清，徐国新，康重庆．抗灾型电力系统的规划[J]．电网技术，2009，33(3)：1-7．
XIA Q，XU G X，KANG C Q．Planning of anti-disaster power system[J]．Power System Technology，2009，33(3)：1-7．
[42] 龚贤夫，覃芸，段瑶，等．广东沿海城市防风保底电网规划方法[J]．广东电力，2017，30(7)：7-11．
GONG X F，QIN Y，DUAN Y，et al．Different power grid planning method of typhoon protection in Guangdong coastal cities[J]．Guangdong Electric Power，2017，30(7)：7-11．
Analysis of Power System Affected by Extreme Weather and Its Adaptive Strategy
LU Geng1, DENG Jing2*, WANG Yuhong3, CAO Jing1, YUE Yunfeng1
(1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, Guangdong Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Guangzhou City Institute of Technology, Guangzhou 510800, Guangdong Province, China; 3. School of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan Province, China)
The impact of climate change on human society has attracted more and more attention, and the risk of power outage caused by a series of extreme weather is becoming more and more significant.In order to deal with climate change, especially extreme weather, human society needs to adopt two coping strategies of mitigation and adaptation. For the developing countries and small island countries, since climate change has already taken place, the climate problem will first be adaptation. In order to solve the problem of how the power system can fully adapt to climate change from all aspects, a power system development system adapted to climate change was established, and a construction method of power system development path covering extreme meteorological factors was proposed. On the basis of summarizing the impacts of various extreme weather on the power system, the vulnerability of power grid was evaluated. The overall strategy of adapting to extreme weather was studied, and the scheme of power system adapting to extreme weather events was proposed, namely planning-construction-emergency management-assessment (PCEA) disaster resistance system.In the planning stage, the study focused on the minimum power grid planning and built the minimum power grid backbone network without power outage. Based on the application examples in different stages of the scheme, it was verified that the PCEA system can make the power system better adapt to the extreme weather.
power system;climate change; extreme weather; minimum power grid planning; minimum power grid backbone network without power outage
10.12096/j.2096-4528.pgt.21059
TM 71
2021-05-19。
四川省科技计划资助项目(2021YFG0026)。
Project Supported by Science and Technology Program of Sichuan Province (2021YFG0026).
(责任编辑 尚彩娟)
