舒印彪：电力系统面临安全新挑战

“电力系统安全关系千家万户、事关国计民生，是国家安全的重要组成部分。实现‘双碳’目标，需要构建新型电力系统。新型电力系统具有新的技术特征，面临新的发展机遇和挑战。” 中国工程院院士舒印彪近期在北京大学能源研究院主办的以“新形势下能源转型思考——能源安全”为主题的北京论坛·能源分论坛暨第三届北大能源论坛上指出。

电力与人们的衣食住行和生产生活息息相关、密不可分。作为经济社会发展的重要物质基础，电力已经成为人们须臾不可离开的资源要素。电力系统是现代社会重要的基础设施，电力系统的根本任务是保证“安全、经济、优质、清洁、高效”的电力供应。

舒印彪指出，实现“双碳”目标，需要大规模开发新能源，构建新能源占比提高的新型电力系统。新型电力系统的“双高”特征 (高比例新能源、高比例电力电子装备) 带来新的安全挑战。

电力系统安全关系能源安全、经济安全和国家安全

电力系统使人类极大摆脱了时间和空间上对能源生产、利用的限制。为了使用电力更广泛、更便利，电力系统规模越来越大、结构更加复杂，世界上建成了一些大型的电力系统，比如北美联合电力系统、欧洲电力系统、印度电力系统等，我国电力系统是全球最大、技术最复杂的电力系统。

舒印彪指出，电力系统具有三个显著的技术特征。一是光速传播。电磁功率以光速传播，局部发生的故障会瞬间扩散，波及整个系统。二是实时平衡。电力还不能大规模经济存储，电力的发、输、用必须同时完成。三是控制复杂。电力系统中设备种类繁多，涉及海量的状态变量和控制参数，是典型的复杂巨系统，控制难度非常大。

由于电力系统稳定运行状态被破坏，全球发生过多起大面积停电事故带来巨大损失，美加“8·14”、欧洲“11·4”、印度“7·30”“7·31”大面积停电事故等。“经过多年实践，我国构筑起‘三道防线’安全稳定控制系统，经受住了长期考验。我国电力系统连续30多年没有发生大面积停电事故，保持着特大型电力系统安全稳定运行的世界纪录。”舒印彪说。

舒印彪表示，除传统电力系统稳定破坏事故外，还有一类是非传统安全事故，呈现频发多发态势，同样需要高度重视。“包括极端天气、自然灾害、电磁暴、网络攻击等影响电力系统安全。2008年1月到2月初，我国南方遭遇有历史纪录以来最严重的长时间大范围雨雪、冰冻灾害，导致大量输电线路倒塔断线，事故波及湖南、湖北、贵州、江西等多个省份。”

构建新型电力系统面临新的安全挑战

舒印彪指出，电力系统安全运行主要看两个指标，一是电压稳定，二是频率稳定，而新型电力系统面临一系列新的安全挑战。

新型电力系统正经历三方面变化：新能源占比逐步提升、从电力系统变为电力电子系统、形态功能多样化。舒印彪认为：“基于此，运行特性方面，由连续可控电源变为弱可控和强不确定性电源。传统电力系统电源以常规火电、水电为主，发电出力连续可控。新型电力系统中新能源发电受气候变化和天气条件影响大，具有随机性、波动性、间歇性的特点，发电出力弱可控和高度不确定。”

“稳定特性方面，保持频率、电压等同步稳定的技术基础发生显著改变。频率稳定方面，常规同步发电机具有较大的转动惯量，是维持频率稳定的技术基础。风电是弱转动惯量系统，光伏没有转动惯量，导致电力系统转动惯量大幅减少，保持频率稳定的能力大幅下降，目前绝大部分‘风光’新能源还不能对电网提供有力支撑。”舒印彪说。

同时，高比例新能源、高比例电力电子装备带来两大技术难题。

首先，电力电量实时平衡问题，日内、中短期和长期平衡难度都将加大。新能源日内出力波动大。风光等新能源发电功率达到装机容量的概率几乎为零，达到50%以上装机容量的概率不足10%。预计2060年，新能源日最大发电功率波动将超过16亿干瓦，占全国最大负荷的40%，与当时水火核电装机容量基本相当。从周月平衡看，由于连续阴天、无风、寒潮等天气，新能源周出力具有很强的不确定性。2020年，西北风电出力低于10%装机最长持续4.9天，华东光伏出力低于20%装机最长持续8天。新能源发电存在季节性差异。风电夏季比冬季利用小时少100～200小时，风电出力与负荷需求在时间上不完全匹配。

再者，上述变化带来一系列安全性问题。舒印彪表示：“由于新能源占比提升，电力系统表现出新的稳定特性、产生新的安全问题不容忽视。2016年9月，强台风袭击澳洲南部地区，该地区电力电子类电源出力占比达55%，输电线路相继故障，大量风机脱网。由于系统转动惯量不足，导致频率崩溃。2015年9月。四川锦屏-江苏直流发生双极闭锁故障，当时华东电网用电负荷1.4亿干瓦，锦屏直流送电490万千瓦、仅占华东负荷的3.5%。故障后，华东电网频率降至49.58Hz，跌落幅度也远超预计值，通过自动装置动作和紧急调度后，系统恢复正常频率。”

保障新型电力系统安全需要理论和技术创新

传统电力系统的分析理论和控制方法已不完全适用新型电力系统，理论和技术创新迫在眉睫。

舒印彪指出，首先需要深化基础理论研究，加强多时间尺度随机规划研究、建立新型电力系统稳定性认知体系。再者，提高平衡调节能力，提升电源支撑能力，挖掘用户侧响应资源，突破多时间尺度储能技术，积极发展氢能，数字赋能新型电力系统。

新情景需要新手段，舒印彪建议增强分析控制能力。加强仿真分析与优化控制，构筑新型电力系统主动防御体系。“通过预测、预判、预警和预控，实现电力系统安全风险的主动防御。发挥电力电子装备快速调节的特点，实现大范围多资源协同快速控制，增强故障的事中防御、事后恢复能力，提高新型电力系统的韧性。”

舒印彪建议发挥我国独特的电力系统体制优势。坚持全国一盘棋，做好区域间、能源资源与经济发展的统筹平衡，加强“西电东送”等重大能源基础设施建设。加快构建全国统一电力市场，健全辅助服务、容量市场等机制，建立更加灵活、适应新能源随机性波动性特点的电力交易机制。完善煤电容量成本回收机制，确保煤电作为支撑新能源大规模发展的基础电源，系统调节价值得到合理回报。加强电力市场与碳市场的耦合联动。

此外，要高度重视非传统安全防御。“增强非传统安全风险预警能力，将电力安全事件纳入突发公共事件应急保障，就极端天气、自然灾害、网络安全、公共安全等引起电力安全事件制定预案，明确安全保障措施.加强城市应急保障电源、重要电力保障通道等电力系统应急能力建设。”舒印彪说。