寒潮考验下得州和上海不同表现的启示

张瀚舟 张 铭 寇书萌 王晓晖 费 斐

1.上海市发展改革研究院 2.国网上海市电力公司经济技术研究院

0 引言

年初，受到极寒天气的影响，具有美国“能源心脏”之称的得克萨斯州（下称“得州”）气温骤降，冰雪灾害导致拥有2900万人口的得州大面积停电，高峰时超过470万户家庭断电，大量当地企业受影响，数十万人连续四天面临断电、断水、断气。2月20日，得州进入重大灾难状态。无独有偶，上海在今年年初也同样经历了25年来最冷寒潮的考验，全市电网负荷连创历史新高，并首次出现冬峰超越夏峰的情况。但与得州相比，“速冻模式”下的上海除小部分地区出现电力供需偏紧，电力运行整体保持了平稳有序。近年来，全球极端气象灾害频发，未来气候变化对于能源尤其是电力安全的挑战不容小觑。得州与上海纬度相近，本文力求通过分析这一轮寒潮中双方的经验教训，为本市进一步提升电力系统安全提供借鉴。

1 无法自保的能源大州面临着系统性问题

得州拥有得天独厚的油气资源和风能资源，该州不仅天然气产量全美第一，还提供了美国41%的石化产量和28%的风能供应，无论是化石能源还是新能源，得州都是当之无愧的能源大州。傲人的资源禀赋让得州电价在美国长期处于较低的水平，如该州的平均电价8.6 美分/kWh 比全美平均水平低约1/5，是加利福尼亚州的一半。然而同样是这个能源大州，在此次寒潮危机中暴露出来的却是包括基础设施薄弱、电网孤立无援、运行管理混乱等系统性问题。

1.1 基础设施投入不足

据美国能源部统计，全美超过70%的变压电线路和运输电线路运行的年限已经超过25年，60%的断路器已经使用了30 年，使用寿命逼近极限，在得不到必要的更新维护情况下崩溃只是时间问题。此外，由于得州充足的一次能源供给和长期较低的电力价格水平，监管部门和能源企业都没有意愿布局一定规模的备用电厂，并且在电力市场方面对于容量市场也采取了较为忽视的态度，因此虽然早在极端天气到来之前，得州的居民已做好了过冬准备，但当严寒天气真正出现时，得州的电力供应商却无法满足突然激增的电力需求。即便美国能源部授权得州各发电厂（全州约有680家发电厂，当时近80家处于停电状态）以最大输出能力运行而不必顾及污染物排放超限，该州仍没有能力为居民提供超出预期的电力供应。

1.2 独立电网孤立无援

得州人以“孤星之州”自居，不愿被联邦政府管制，这种倾向也反映在了电网的独立上。美国本土的48 个州被划分为东部互联、西部互联以及得州互联三大电网。得州互联与全美其他地区电网分离，其中一个重要因素就是不想受联邦监管机构的影响。按照1935 年颁布的《联邦电力法》，联邦电力委员会负责监督州际电力销售，由于不跨越州界，因此得州的电力公司避免了受联邦规则的约束。得州敢于自行其是，正是依托了区域内大量的煤炭、天然气和石油资源可作为发电厂的燃料，而独立的电网在得州电力系统发展的早期也的确为该州更好地利用自身资源优势提供了便利。从未发生过“不受控制的停电”是得州引以为豪的地方。

得州电网作为美国第一个独立的系统运营商，由得州电力可靠性委员会（ERCOT）管理。受到低温、暴雪、冻雨的共同影响，风力涡轮机被冻住，天然气供应变得紧张，太阳能发电场因厚重的云层和积雪而无法生产。在此背景下，ERCOT 既无法从东部电网借电，又没有连接到西部电网，墨西哥提供得州的45万kW 电力相对4500万kW 的缺口杯水车薪。在无法获得外部救援的情况下，拉闸限电只能是唯一的选择。

1.3 政府和市场共同缺位

得州地处美国的南部，常年气候温暖，遇到极寒天气的概率很低，因此当地政府和能源企业更多关注的是如何应对夏季的炎热潮湿而忽视了极寒天气条件下设备的御寒装置投入。从2020年得州的电源结构中可以发现，风力发电占比23%，天然气发电占比40%，煤电占比18%，核电占比11%。上述主要电源在设备良好的状态下可以较好地应对该州夏季的高需求，但仅以此状态应对寒潮则风险极大。

首先，得州行业主管部门对于天气原因导致的停电并未给予充分重视，得州没有像美国其他州一样将设备进行过冬御寒处理（确保设备能够长时间维持在冰点以下的温度运行）作为一项基本工作要求。例如，2011年得州曾因冰风暴导致大部分地区轮流停电，联邦能源监管委员会调查后提出了改进建议，得州也制定了过冬程序，但今年许多发电机组和油井的糟糕表现说明这些程序或是不完善，或是没有得到充分遵守。其次，电力企业在优先考虑经济性的情况下，没有对设备进行适当地过冬御寒准备。例如，私营电力公司为了降低成本以便在零售市场上更好地争夺消费者，对风机涡轮叶片没有使用防冻剂和加热组件，煤机、燃机、核电机组由于所需的循环水没有作防冻结处理，失去了部分甚至全部运行能力。再次，燃气企业没有建立充足的天然气资源储备。依托能源大州的资源优势，地方政府没有构建必要的应急储气能力，燃气企业大多日常也不存储天然气，而是用时直接抽取。但极端低温导致设备冻结，管道输送能力丧失，即便地下蕴藏着丰富的资源也无法取用。最后，电力市场监管部门工作缺位，导致浮动电价用户收到天价账单。得州是全美唯一一个在州一级完全解除对电网管制的州，在电力需求飙升的情况下，市场批发电价最高达到了季节性平均电价的180 倍。面对这一情况，作为管理着得州90%电力负荷的ERCOT却毫无准备。

2 平稳度过速冻模式的上海仍有优化空间

上海作为国际化特大型城市，用能特征决定了上海市电网负荷受气温波动影响明显，全年呈现“双峰双谷”趋势。得州北部气候条件与湖南相似、南部与广州相似，总体来说比上海温暖许多，同属冬季温暖，夏季炎热的亚热带气候，一般情况下夏季降温用电需求远高于冬季采暖用电需求，通常冬峰负荷约为夏峰的85%。1月7日在超强寒潮的影响之下，全国17 个省级电网负荷创历史新高，其中包括上海在内的部分省（市）首次出现负荷冬峰超过夏峰的情况。课题组分析认为，此次上海冬季负荷创新高虽然有特殊的背景原因，但其背后的影响因素及电源和电网呈现的特征都值得关注。

2.1 极端天气叠加经济复苏大幅提升了电力需求

1月7日20∶30，上海刷新负荷峰值至3339万kW，同比增长38.4%，用电峰谷差达1484万kW（峰谷差率44%），打破了去年8月14日创造的3312万kW夏峰纪录，并首次在冬季创造了上海市用电负荷的历史新高。

95%的负荷增量来自采暖需求。自1996 年以来，上海寒潮较为罕见且持续时间不长。今年元旦前全国大面积寒潮引发气温骤降，降温幅度超过2015-2016年寒冬和2008年冰灾。截至2月20日，上海本次冬季寒潮（日最低温度≤-5 ℃）天数共计为4 d，低温日（日最低温度≤0 ℃）达到10 d，寒潮天数突破历史平均水平，其中1月8日最低气温为-8.9 ℃，创了30年来的最低点。在此轮寒潮影响下，本地采暖需求充分释放，其中1月7日尖峰时刻的采暖负荷达到1600万kW，占最高负荷的比例为48%，超去年同期20个百分点，超历史均值25个百分点，基本与去年夏峰时的降温负荷占比（49%）持平。

5%的负荷增量来自经济复苏。新冠疫情得到有效管控后，上海经济自去年二季度开始回暖，四季度更是实现了强劲反弹。入冬后国外疫情加重促使大量境外订单转移国内，制造业复苏加快，电力需求大幅增长，有力抬升了基础负荷。一方面，工业领域用电增长超预期。2020年，上海市工业用电累计增长2.8%，创造了“十三五”以来的最高增速。12月，上海市工业总产值同比增长10.8%，伴随工业用电同比增长9.3%。另一方面，新兴产业逆势增长，充分挖掘用电潜力。前三季度上海新产业制造业部分产值增加7.9%，拉动工业总产值2.4个百分点。数字经济、楼宇经济、数据中心、“互联网+”等新业态、新模式发展火热，带动信息传输、软件和信息技术服务业增加值同比增长15.1%，用电量同比大幅增长32%。与此同时，充换电服务、铁路运输设备制造和新能源车整车等扩张迅速，用电量实现数倍增长。

2.2 上海本地煤机和上海市外来电共同保障了电源侧稳定

冬峰与夏峰相比，上海本地电源的特征是燃气机组出力受限，新能源“看天吃饭”，煤机发挥托底作用。峰值时刻，上海本地机组出力2013万kW（占比60%）、上海市外来电出力1326万kW，（占比40%）。其中，煤机出力1484万kW（接近满负荷）、燃机出力433万kW（出力率60%）、燃油机组出力31万kW（出力率50%）、风电出力65万kW（出力率80%）。

在天然气方面，冬季城市燃气用量大幅增加，上游管道气资源供应不足使得部分燃气机组出力受限。在风电方面，出力明显高于历史平均水平，且设备未受覆冰影响。在外来电方面，西南地区进入冬季枯水期，水电出力低、调节能力不足，核电出力虽平稳但总量较少。面对上述不利情况，上海电网通过跨区、跨省支援互济机制，在国网统一调度和华东内部协调下，反而比往年冬季平均水平多受电约350万kW，增幅达到35%，有效缓解了电力不足。

2.3 个别大型居住区和大学城区域电网压力较大

从反映供电能力充裕度的容载比数据来看，主网容载比与夏峰相当，配网容载比相较夏峰有一定幅度下降，但仍满足规范要求，因此冬峰期间上海电网输配电能力整体较为充足。从反映分区负荷的变电站重载、过载情况来看，宝山顾村、浦东川沙等建成较早的大型居住社区，普陀桃浦、闵行古美等成熟住宅区以及松江大学城区域，变电站负荷压力较大。特别是松江地区的冬峰负荷增长最为迅猛，由于冬峰和夏峰分别处于学校未放假和已放假阶段，因此形成了仅有冬峰的“单高峰”现象。

3 进一步提升上海应对极端状态能力的启示

在碳达峰、碳中和的大背景下，未来上海能源供需将发生结构性调整，上海本地燃煤机组的定位、新能源的发展、电网的保障要求等都将产生相应的变化，上海一方面要坚定绿色转型发展的道路，另一方面也要充分关注转型过程中内、外部的潜在风险，提前做好谋划。

3.1 密切关注气候变化，提升响应能力

全球日益变暖，原有的气候模式被打破，极端天气事件可能更频繁出现已经成为全球科学界的共识。上海应充分研判极端气候事件频发特点，从以夏峰分析为主，转为冬夏“双峰”并重研究的新常态，重点关注夏峰不显而冬峰高负载（单高峰）的电力设施和分布区域，细致梳理重载、过载原因，逐一制定预案对策，加强电力供应安全风险预警、防控机制和能力建设，提升能源领域应对气候变化的能力。

3.2 多层面、多渠道提供灵活电力保障

区域层面，建立长三角乃至华东地区的互保互济机制，保障上海供电的平稳有序。在上海市层面：一是研究形成覆盖全市的输、配、供一体化韧性电网，并在核心技术及标准体系方面形成突破；二是根据电力系统周、日负荷差异探索短期、超短期交易可行性，落实冬季稳定外购电合同，确保冬季供电安全；三是积极开展实时需求侧响应（虚拟电厂）研究，通过市场机制引导，激发用户侧调节潜力，建立电力系统的新型调峰与备用资源；四是正确认识煤机的作用，提高清洁利用水平，避免走妖魔化和唯煤炭安全论两个极端；五是加强薄弱区域的基础设施投入，提升保障能力。

3.3 鼓励技术发展，强化能源科技创新

随着产业结构调整和绿色转型发展，未来上海电网峰谷差可能进一步拉大。为此，一方面应加大储能相关技术攻关，引导其参与可再生能源消纳和电力系统调峰调频服务等科技前沿领域的布局，并在规模化应用、优化运行和调度控制、性能评价和测试等方面推动示范，另一方面发挥上海技术高地优势，推动碳捕捉、碳封存、绿色氢能等低碳和零碳前沿领域的技术创新。

4 总结与展望

美国得州虽然能源资源禀赋得天独厚，但在本次寒潮危机中暴露出来的却是包括基础设施薄弱、电网孤立无援、运行管理混乱等系统性问题，数十万人连续四天遭遇断电、断水、断气，全州进入重大灾难状态。反观与之同属冬季温暖，夏季炎热的亚热带气候的上海，在今年年初的全国大范围寒潮中平稳度过，全市电网负荷连创历史新高，并首次出现冬峰超越夏峰的情况。经分析认为，上海冬季负荷创新高既有极端天气的影响，更有经济复苏对电力需求的大幅提升。近年来，全球极端气象灾害频发，未来气候变化对于能源尤其是电力安全的挑战不容小觑。在碳达峰、碳中和的大背景下，未来上海能源供需将发生结构性调整，本地燃煤机组的定位、新能源的发展、电网的保障要求等都将产生相应的变化。上海应密切关注气候变化，着力提升能源领域应对能力，并从区域层面和全市层面多渠道提供灵活电力保障，还应鼓励技术发展，强化能源创新策源功能。