本文摘要：摘要：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
摘要：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-emergencymanagement-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。
关键词：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-constructionemergencymanagement-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(intergovernmentalpanelonclimatechange，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℃。
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℃。
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(emergencyeventsdatabase，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。
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，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。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(2~7m/s)。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。
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。
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。
3.3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(informationcommunicationtechnology，ICT)、应急物资等相关支撑措施。
3.4评估阶段
3.4.1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。
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。
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作者：卢赓1，邓婧2*，王渝红3，曹静1，岳云峰1
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