美國加州去年8月中旬因高溫天氣引起電力供應危機，得州今年2月中旬因極寒天氣帶來更大的電力供應災難，事故的性質有一定共性。前者在政府和機構事故的調查分析和建議方面已經落地，應對措施正在落實；后者在發生過程中得到了各方面充分討論，有關機構還將組織專業調查并出具報告，由此引起的市場價格后續問題還沒有了結。自然災害愈加頻發等因素對當前電力安全供應造成威脅，這是當前世界各國共同面臨的問題，加州和得州是美國經濟第一和第二大州，還都是美國電力市場最活躍的地區，各自在10年前也都經歷了相似的電力危機，現在又先后發生這樣具有代表性的事故，更應從共同成因中反思規律，分析當前氣候變化、市場機制運行和能源轉型等方面帶來的影響，以便全球能源轉型與發展引以為戒。

美國對大停電的管理

美國是全球工業化的先驅，歷史上其電力規模和技術水平曾長期處于領先地位，在大電網管理方面，無論是經驗還是教訓，美國都提供了豐富的前車之鑒。

2003年8月14日，美國東北部和加拿大東南部發生了北美歷史上最大范圍的停電，美國開始特別重視大電網的安全問題。在以往30多年通過民間組織協調電力系統內各單位的發展規劃、建設、調度和運行的基礎上，2005年8月8日，美國頒布了新修訂的國家能源政策法案，通過立法增加了對大電網提升輸電設施能力和加強可靠性管理的要求，規定美國聯邦能源監管委員會（FERC）介入電力可靠性管理，強化大電力系統安全監督。FERC授權北美電力可靠性公司（NERC）作為全美電力可靠性組織，其7家區域組織負責監管所屬區域電網可靠性，監管對象包括獨立發電廠、發輸電公司、電力調度交易機構、電力市場投資者和營銷商等。

在行業管理過程中，NERC制定標準，由FERC批準后成為強制性標準，并開展監控、審計和調查。美國每年有1000次左右可靠性違規情況，一旦核實，企業要繳納違規罰金，一般為0.1~100萬美元，最高罰款案例是3500萬美元，全網停電罰款最高。目前的強制性標準有100多項，涉及供需平衡、通信、關鍵基礎設施保護、緊急預案運行、設備接入和維護、交換安排和協調、網間運行及協調、數據建模和分析、核電、人員職能和培訓、保護和控制、輸電運行、輸電規劃、電壓和無功控制標準等。各區域可靠性組織根據本地區的實際情況制定相應的區域標準，NERC負責協調，以維護整個電力系統的安全和穩定運行。同時，NERC還開展發輸電系統的可靠性評估工作，通過中長期預測對系統進行充裕度評估以及安全性評價，對負荷預測和電網規劃提出可靠性提升措施，每年夏季和冬季分別發布可靠性評估報告。

美國在實施了市場機制的地區，有10個電力批發市場，其中7個為獨立系統運營商（ISO）或區域輸電組織（RTO），負責電力調度和市場交易。絕大部分ISO/RTO不擁有任何資產，只負責調度和平衡，是非營利組織，其主要功能一是保證高壓電網的安全性和可靠性，這是最重要的目標；二是運行市場交易，發電廠和電力公司在平臺上實現交易；三是制定輸電系統的長期規劃，指導電網建設。加州的電力調度和市場交易中心（CAISO）負責加州80%的電力調度，同時負責加州電力批發市場和西部部分電力公司市場運營；在得州這一機構為電力可靠性委員會（ERCOT），管理得州90%的負荷，也兼管零售側。由于得州電網相對獨立，跨州電量交易很少，因此ERCOT的具體業務不受FERC監管，但接受NERC指導。

在大電網管理方面，美國在聯邦和州立法、政府監管和專業管理方面，建立的體系是比較清晰的，無論是FERC的法令還是NERC的強制性標準都非常具體，運行機構也全面開展了工作，近十年沒有再發生全網失穩事件，一些具體措施還是值得借鑒的。但是，由于產權分散、基礎設施陳舊和各自為政的管理，加之特殊的地理和氣候原因，美國依然是發達國家中停電事故最多的國家，2019年美國用電戶均停電時間為4.7小時。議會、政府和運營機構可以要求企業不做什么，但沒有權力要求企業做什么，企業的行為由投資人決定，最根本的企業主體責任嚴重不足，社會責任弱化，電力安全供應保障成了建在沙灘上的大樓，沒能充分防范各類事故發生。

加州和得州電力事故的對比

去年8月，持續的極端高溫天氣使加州用電需求激增，供應能力不足以應對用電需求，多重因素導致了8月14~15日不同程度的緊急狀態，CAISO兩天內三次指令電網公司切除負荷輪流停電，一度中斷了超過40多萬企業和家庭的供電。得州今年2月14~19日因極寒冰雪天氣，以天然氣發電為首的每一種發電方式都受到沖擊，可用容量與需求負荷增長嚴重偏離，ERCOT指令電網公司實施輪流斷電，停電用戶一度超過400萬，損失電量據估計約是去年加州夏季限電的1000倍。

加州8·14停電事故和得州2·14停電事故有很多的共性：一是都是由極端氣候天氣引起，雖有災害天氣預報和防范，但長期準備不足，臨時措施無法滿足最低應備用容量要求，在電力緊急狀態三級警報情況下實施輪停限電。二是都出現在發電側。加州2000~2001年的電力危機，除電力市場初期缺陷外，主要屬于硬缺電，危機后加州新建增加了發電裝機容量，大多是可再生能源，特別是太陽能發電，但系統應對新能源波動的靈活調節能力不足，適應不了高溫時期局部時段負荷的急劇變化；得州本身發電裝機容量充足，但極寒時期發電容量因各種原因損失大約50%，可用容量嚴重不足，這也是2011年事故的擴大翻版。三是由于極端氣候大范圍影響的因素，都沒能得到外來電力電量的有效支援。四是都觸發了稀缺電價機制，批發電價達到了市場最高限價。五是在CAISO和ERCOT統一調度下，運行操作應對無誤，系統處于可控狀態，沒有發生全網崩潰事故。

當前電力安全供應主要問題討論

加州和得州電力事故實際上反映了電力發展過程中的普遍問題，即新形勢下電力供應在安全、清潔、經濟三角中失衡。兩州過去一是在管理體制上更注重經濟性，強調利潤最大化，二是在能源轉型過程中缺乏保障，在基礎設施關乎供應安全方面存在缺陷。同時，事故表現出電力安全供應與上下游密切聯系，與社會公共風險息息相關，還缺乏統籌考慮和系統安排，在極端天氣、自然災害和突發事件來臨時不得不付出更高代價。加州和得州的事故都不是由設備故障或誤操作等單一原因造成的，而是一系列綜合因素導致了緊急情況的發生，對行業已經看到的發展問題給出了實證，對需要探討的問題給出了某些方面的答案，為行業又交了一次學費，教訓值得汲取。

應對更加頻繁的極端氣候影響

近年來，在全球變暖的大背景下，世界范圍內因極端天氣導致的自然災害越來越頻繁，五十年一遇、三十年一遇的事件似乎更加常見，在加州和得州，十年一次的電力危機演變成了現實，背后的根本原因都是氣候變化。美國停電事故80%與天氣有關，警示能源和電力系統要更加重視氣候變化“新常態”，提前防范極端氣候事件。極端氣候下導致需求側用電負荷陡增，而且是剛性需求，同時供給側供電能力下降，靈活性資源儲備不足，給電力基礎設施帶來很大挑戰，對電力系統的整體素質是大考，如果準備不足就將出現供應危機。去年8月美國加州極端高溫和今年2月得州極寒天氣，歷史上的溫度記錄都被打破，空調制冷/電采暖造成電力需求負荷高峰創出新高，在運行儲備出現供應缺口的情況下多次切負荷輪流停電，主要是居民用戶負荷。

在系統設計方面，得州能源電力系統缺乏針對極寒天氣條件的專門標準，帶來設施抗低溫能力的缺失，造成持續極寒情況下無法有效維持運轉。這次得州大停電突出問題表現在兩個方面：一是在燃料安全性方面，ERCOT在做資源充裕性規劃時未考慮燃料供應，而且由于井口沒有防凍設施，管道埋設淺，沒有天然氣濕度控制去除設備，缺乏預防管道冰堵的監控措施，也缺乏儲氣能力，天然氣供應短缺導致得州一半以上的天然氣發電產能變得不可用，造成有史以來第一次因極端天氣導致天然氣大量斷供致使嚴重停電，說明電力安全供應和燃氣可靠供應之間是密切關聯的。二是新能源設備受到影響，大量風機渦輪葉片因缺乏基本的防凍措施而被凍結，300~400萬千瓦風力發電機組停運，冰雪覆蓋使得當日光伏發電受到影響，雖然只是造成大停電的第二位因素，但如果采用防凍設計并由此增加約10%投資后，會在極端天氣下起到保供的支持作用。

在預警和應對方面，得州事故中一是預測估計不足，ERCOT預計寒流下用電需求會達到6700萬千瓦，而極限時負荷需求達到7400萬千瓦，但沒有估計到3100萬千瓦機組退出運行，實際負荷4600萬千瓦，缺口超過2000萬千瓦。ERCOT預測的極端情景下，可調度的火電為5800萬千瓦，但實際可用的火力發電只有4200萬千瓦。二是在已提前預報即將出現極寒天氣后，適應性措施不到位，未能及時調動供給側潛在發電能力和需求側響應資源，發電企業具體的應急準備不足。

為應對極端天氣對電力供應造成的影響，應加強對非正常狀態下能源電力問題研究，建立考慮極端情況影響的電源規劃機制，在可靠性和經濟性方面取得最大平衡，提高極端氣象監測預警能力，制定上下游聯動保障預案和應急響應措施，最大程度上化解極端天氣對電力供應帶來的風險。

重新審視電力供應充裕性

加州和得州事故表明，在運行儲備不足、電力供應緊張的情況下，電力系統想要保證安全供應，保證一定的容量冗余非常必要，用電負荷高企時，可用的發電裕度能及時跟進，需要提前優化備用比例和備用方案。NERC沒有為充裕性設置可靠性標準，但在對可靠性進行評估時，對以火電為主的系統要求備用裕度不低于15%，對以水電為主的系統要求不低于10%。CAISO以缺電時間預期研究為基準，按照月度必開機組容量的15%確定系統運行備用容量，其中6%為應急備用容量，9%為補償電廠計劃外停機和超歷史平均負荷用電。加州8·14和8·15停電事故中，系統運行應急備用降低到6%以下，先后進入二級、三級緊急狀態。事故調查完成后，據了解CASIO正在計劃在15%~20%之間調整備用容量比例。ERCOT基于不同場景，測算動態調整系統備用容量，2月備用容量約15.5%，但是極端氣候情況下，備用容量不等于實際可用容量，停電事故依然沒能避免發生。

當前，可再生能源在發電結構中所占份額越來越大，由于其容量系數較低，要重視高可再生能源比例下的發電容量充裕度問題，電力系統需要有足夠的可再生能源容量和靈活性電源負荷來滿足電力可靠供應標準。加州事故表明，由于新能源的不確定性和波動性，用電負荷不僅爬坡速度快，高峰出現時間偏離傳統時間，而且峰谷差變大。在危急情況下，常規能源要有承擔基本用電負荷的能力，確保整個系統的裝機及備用安排能夠隨時滿足負荷平衡要求。

在加州和得州大停電過程中，常規發電機組可靠性也出現了問題，擴大了負荷缺口。加州事故期間一臺容量為49.4萬千瓦的燃氣機組因故障跳閘，一臺容量為47萬千瓦的燃氣機組因錯誤指令出力降負荷，得州事故期間一個反應堆由于水泵壓力傳感管線故障導致反應堆自動跳閘。電力安全供應的先決條件是系統隨時保持充足的輔助服務備用容量，要強化運行備用管理，采取有效措施來滿足電力供需平衡，保持系統穩定可靠地運行。

更大范圍優化配置資源

加州電網屬于美國西部電網，北部與俄勒岡州電網互聯，南部與亞利桑那州、墨西哥等電網互聯，可以通過跨州輸電線路從互聯電網中得到電力供應。加州每年三分之一的電量是從俄勒岡州和華盛頓州進口的水電，但在去年夏天整個西部都出現高溫天氣，與加州相鄰的3個州的電力需求也高于往年同期，且用電高峰時間接近，另外由于輸電線路能力受限，外來電力減少到歷史上最大凈受入電力的60%，無法在短期及時緩解缺電局面。

得州電網本身相對獨立，只與北美東部電網西南電力庫（SPP）有2條容量總計800兆瓦的直流聯絡線，以及墨西哥電網3條容量總計430兆瓦直流聯絡線互聯，限制了得州的電力送出和受入。在大范圍冰雪天氣下，SPP和墨西哥電力系統也遭受了輪流斷電，與墨西哥的聯絡由于天氣的惡化導致輸電中斷，受限于輸電能力的制約，總計輸入外部電力不足1000兆瓦，作用非常有限。

從加州和得州事故中可以看出，即使有了電網互聯，在大面積自然災害的情況下，也難以真正起到互相補給的作用，如果要得到其他區域電網的支援，就需要更大范圍優化配置資源。特高壓輸電具有大容量、高效率、低損耗、遠距離等多項突出特點，在應對區域資源不平衡和遠距離電力調度支援上，特高壓直流電技術的優勢是顯而易見的，在行業業務交流過程中，特高壓技術也得到了美國行業人士的高度認同。

客觀審視電力市場機制影響

目前美國三分之二的電力負荷由ISO/RTO在提供，非市場化的公司也在逐漸靠近市場，說明市場機制有很大可取性。電力市場建設有不同的理論，也有不同的模式，本身都是復雜的系統。在兩州停電事故發生后，充分暴露出所采用市場機制的長期性和即時性的影響。在電力安全供應方面，要看市場機制能否吸引投資，維系長遠可持續發展，也要看事故中帶來的次生影響。

在電力系統采用垂直一體化、受管制的壟斷經營模式時，電力供應的安全基礎是明確的。在去管制之后，電網仍受到監管，電網公司的成本計劃由ISO和所有利益相關方通過，經過FERC批準后納入輸電價格，由用戶承擔。但是，在開放的發電市場中，價格由競爭性的批發市場競價產生，如何吸引投資人對發電的長期投入，維持發電設備安全水平，不同的市場設計了不同的機制。

CAISO負責加州電力日前市場和實時市場的運營，前一天制定次日24小時的計劃，在次日再分割為15分鐘和5分鐘的實時市場，去年8月14日和15日報價負荷與實際負荷的峰值偏差分別達到3386兆瓦和3434兆瓦，由此導致調度計劃安排不足，難以應對實時市場上的負荷增長。8月14日由于系統運行備用的供應短缺，觸發了稀缺電價機制，導致這幾個小時的能量和輔助服務的價格從正常時的幾十美元每兆瓦時飆升到報價上限1000美元。得州電力市場是單一電能量市場，以去掉容量市場來換取更便宜的日常電價。在極端天氣影響下，得州因供電嚴重不足，系統備用短缺，供需嚴重不平衡，導致ERCOT電力批發現貨價格80多個小時飆升至市場9000美元/兆瓦時的價格上限，是平時100倍以上，反映了電力的實時價格以及電網不同點的擁堵和損失成本。

停電事故不是市場機制造成的，但在災害出現的時價格作用的發揮需要客觀認識。當自然災害發生后，電力供需產生異常供需缺口，市場實際上已經失靈，再用價格機制去保證供應、抑制需求作用不大，還有很大負作用，需要政府在緊急狀態下進行價格管制，限制天然氣價格、電價的暴漲。容量市場和特定時期稀缺電價等市場機制，只是較長期的價格信號，災害后大幅漲價，這一部分現貨電量的高電價如果傳遞到零售側企業或居民，只能加深災難影響。

高度重視高可再生能源滲透率的電力系統韌性

加州一直是美國環境和清潔能源政策的領導者，率先立法承諾碳減排，10年來可再生能源發電量占比從12%大幅增加到31%以上，光伏發電量占20%，屬于高比例可再生能源的電力系統。根據加州2018年9月出臺的法案要求，隨著淘汰化石的逐步燃料，到2024年、2030年、2045年，加州電力系統中可再生能源供給占比將分別達到40%、50%和100%，實現氣候友好型能源系統。由于加州陸上風電開發余地已經不大，海岸因素使海上風電成本較高，近年來加州大力發展光伏發電，2018年的法案要求三層以下的新建住房必須安裝太陽能設備，并從2020年初開始執行。不斷增加的光伏電量使電力需求曲線呈現典型的“鴨子曲線”，需要大量靈活的機組來維持電力供需實時平衡。但去年停限電事故表明，在極端氣候條件和風能不足情況下，加州缺乏可靈活調節的發電機組來應傍晚時出現的電力供需缺口，不能保障電力供應。

得州的傳統能源和新能源規模都很突出，在選擇能源轉型路徑、應對氣候變化問題上存在爭議。得州2020年風力發電量占比23%，太陽能占比2%。在過去10年中，得州的風力發電逐漸成為該州的第二大電源，在最強季節甚至可以解決全州60%的供電需求，但冬季低于年均值。今年極寒天氣下，由于缺乏防凍設計和措施，約有60%風力發電機凍結，太陽能發電能力一度近零，新能源雖然不是造成停電的第一因素，但自身出現問題的比例較高，也促成了電力供應的不可靠性。

在新能源發展過程中，必須有靈活性電源保障，常規能源、可再生能源和儲能協調發展。加州自2010年以來的10年間，已有7個電廠、共計770萬千瓦發電容量的燃氣電廠退役，2臺112.7萬千瓦核電機組退役，并且計劃在2025年關閉最后一座核電站，還要求火電、核電停止使用直流冷卻系統，將導致1900萬千瓦電廠需新建蒸發冷卻設備或者退役，使得系統容量儲備大大降低。在風電光伏發電沒有完全解決其波動性問題之前，如果不能做到協調發展，為電力系統提供充足的有效容量，將來在極端氣候事件下停電事故的再次發生難以避免，加州給出了實際的例證。

新能源加儲能是一種成本較高的組合，加州和得州事故后需要更加重視儲能建設。加州的電力儲能已經比較領先了，但儲存能力與需求相比還非常小，停電事故后儲能將得到快速發展。據介紹，今年年初CAISO只有550兆瓦電池儲能，預計到今年夏天會增加到1750兆瓦，到2022年、2023年、2024年可能會達到3000、4000、5000兆瓦的電池規模，足以顯示出自去年停電事故后，儲能的發展具有了更高的戰略地位。

實施需求側響應

在加州事故中，當電力供應不足時，CAISO發布緊急狀態信息和彈性警告，呼吁用戶通過錯峰用電、調高空調溫度等措施節約用電，初期效果不佳，實際需求峰值反而超過日前預測峰值；進入二級緊急狀態后，則啟動了需求側響應以緩解供需矛盾，在輪流停電發生后的持續高溫日子里，用戶積極響應呼吁自愿節電，使得多天的實際負荷低于預測，避免了電力供應再次中斷，取得了良好效果，需重視需求響應常態化。目前，美國已經廣泛推進智能電能表的安裝工作，包括空調控制芯片，將可有效調整電量供給，充分利用可再生能源。CAISO與一些可中斷負荷和可調節負荷簽訂合同，在需求高峰供應不足的情況下，可以削減或中斷供電并給予一定的經濟補償。

重視危機的社會管理

加州和得州的停限電事故都是在極端氣候條件下發生的公共危機。由于美國用電以居民、商業用電為主，工業用電比例低，輪流停電切的主要是居民用戶負荷。在酷熱、極寒的條件下，人民日常生活乃至生命安全受到嚴重影響，其中得州進入重大災難狀態，因電力供應短缺引起電力現貨批發價格飆升，帶來民生問題和強烈的、大范圍的輿論沖擊，已經威脅到了地區的社會穩定。如同同期的疫情管理，事故中表現出社會治理體制在重大災難面前的不適應。對于難以避免的停電事故，需要向社會做好預告、疏導和善后處理工作，盡量減小極端事件對民眾和社會的沖擊。

結 語

從加州和得州的電力危機中可以看出，電力安全供應始終是電力發展和社會生活的基礎，需要通過系統思維不斷推動發展中問題的解決。在全球碳中和共同目標下，建設以新能源為主體的新型電力系統是發展的必然趨勢，電力行業要適應高質量發展要求，發揮傳統能源優勢，促進新能源發展，通過技術創新和機制創新實現安全升級，全面構建清潔低碳、安全高效的能源體系。

本文刊載于《中國電力企業管理》2021年03期，作者單位：中國電力企業聯合會