寒潮考驗下得州和上海不同表現的啟示

張瀚舟 張 銘 寇書萌 王曉暉 費 斐

1.上海市發展改革研究院 2.國網上海市電力公司經濟技術研究院

0 引言

年初，受到極寒天氣的影響，具有美國“能源心臟”之稱的得克薩斯州（下稱“得州”）氣溫驟降，冰雪災害導致擁有2900萬人口的得州大面積停電，高峰時超過470萬戶家庭斷電，大量當地企業受影響，數十萬人連續四天面臨斷電、斷水、斷氣。2月20日，得州進入重大災難狀態。無獨有偶，上海在今年年初也同樣經歷了25年來最冷寒潮的考驗，全市電網負荷連創歷史新高，并首次出現冬峰超越夏峰的情況。但與得州相比，“速凍模式”下的上海除小部分地區出現電力供需偏緊，電力運行整體保持了平穩有序。近年來，全球極端氣象災害頻發，未來氣候變化對于能源尤其是電力安全的挑戰不容小覷。得州與上海緯度相近，本文力求通過分析這一輪寒潮中雙方的經驗教訓，為本市進一步提升電力系統安全提供借鑒。

1 無法自保的能源大州面臨著系統性問題

得州擁有得天獨厚的油氣資源和風能資源，該州不僅天然氣產量全美第一，還提供了美國41%的石化產量和28%的風能供應，無論是化石能源還是新能源，得州都是當之無愧的能源大州。傲人的資源稟賦讓得州電價在美國長期處于較低的水平，如該州的平均電價8.6 美分/kWh 比全美平均水平低約1/5，是加利福尼亞州的一半。然而同樣是這個能源大州，在此次寒潮危機中暴露出來的卻是包括基礎設施薄弱、電網孤立無援、運行管理混亂等系統性問題。

1.1 基礎設施投入不足

據美國能源部統計，全美超過70%的變壓電線路和運輸電線路運行的年限已經超過25年，60%的斷路器已經使用了30 年，使用壽命逼近極限，在得不到必要的更新維護情況下崩潰只是時間問題。此外，由于得州充足的一次能源供給和長期較低的電力價格水平，監管部門和能源企業都沒有意愿布局一定規模的備用電廠，并且在電力市場方面對于容量市場也采取了較為忽視的態度，因此雖然早在極端天氣到來之前，得州的居民已做好了過冬準備，但當嚴寒天氣真正出現時，得州的電力供應商卻無法滿足突然激增的電力需求。即便美國能源部授權得州各發電廠（全州約有680家發電廠，當時近80家處于停電狀態）以最大輸出能力運行而不必顧及污染物排放超限，該州仍沒有能力為居民提供超出預期的電力供應。

1.2 獨立電網孤立無援

得州人以“孤星之州”自居，不愿被聯邦政府管制，這種傾向也反映在了電網的獨立上。美國本土的48 個州被劃分為東部互聯、西部互聯以及得州互聯三大電網。得州互聯與全美其他地區電網分離，其中一個重要因素就是不想受聯邦監管機構的影響。按照1935 年頒布的《聯邦電力法》，聯邦電力委員會負責監督州際電力銷售，由于不跨越州界，因此得州的電力公司避免了受聯邦規則的約束。得州敢于自行其是，正是依托了區域內大量的煤炭、天然氣和石油資源可作為發電廠的燃料，而獨立的電網在得州電力系統發展的早期也的確為該州更好地利用自身資源優勢提供了便利。從未發生過“不受控制的停電”是得州引以為豪的地方。

得州電網作為美國第一個獨立的系統運營商，由得州電力可靠性委員會（ERCOT）管理。受到低溫、暴雪、凍雨的共同影響，風力渦輪機被凍住，天然氣供應變得緊張，太陽能發電場因厚重的云層和積雪而無法生產。在此背景下，ERCOT 既無法從東部電網借電，又沒有連接到西部電網，墨西哥提供得州的45萬kW 電力相對4500萬kW 的缺口杯水車薪。在無法獲得外部救援的情況下，拉閘限電只能是唯一的選擇。

1.3 政府和市場共同缺位

得州地處美國的南部，常年氣候溫暖，遇到極寒天氣的概率很低，因此當地政府和能源企業更多關注的是如何應對夏季的炎熱潮濕而忽視了極寒天氣條件下設備的御寒裝置投入。從2020年得州的電源結構中可以發現，風力發電占比23%，天然氣發電占比40%，煤電占比18%，核電占比11%。上述主要電源在設備良好的狀態下可以較好地應對該州夏季的高需求，但僅以此狀態應對寒潮則風險極大。

首先，得州行業主管部門對于天氣原因導致的停電并未給予充分重視，得州沒有像美國其他州一樣將設備進行過冬御寒處理（確保設備能夠長時間維持在冰點以下的溫度運行）作為一項基本工作要求。例如，2011年得州曾因冰風暴導致大部分地區輪流停電，聯邦能源監管委員會調查后提出了改進建議，得州也制定了過冬程序，但今年許多發電機組和油井的糟糕表現說明這些程序或是不完善，或是沒有得到充分遵守。其次，電力企業在優先考慮經濟性的情況下，沒有對設備進行適當地過冬御寒準備。例如，私營電力公司為了降低成本以便在零售市場上更好地爭奪消費者，對風機渦輪葉片沒有使用防凍劑和加熱組件，煤機、燃機、核電機組由于所需的循環水沒有作防凍結處理，失去了部分甚至全部運行能力。再次，燃氣企業沒有建立充足的天然氣資源儲備。依托能源大州的資源優勢，地方政府沒有構建必要的應急儲氣能力，燃氣企業大多日常也不存儲天然氣，而是用時直接抽取。但極端低溫導致設備凍結，管道輸送能力喪失，即便地下蘊藏著豐富的資源也無法取用。最后，電力市場監管部門工作缺位，導致浮動電價用戶收到天價賬單。得州是全美唯一一個在州一級完全解除對電網管制的州，在電力需求飆升的情況下，市場批發電價最高達到了季節性平均電價的180 倍。面對這一情況，作為管理著得州90%電力負荷的ERCOT卻毫無準備。

2 平穩度過速凍模式的上海仍有優化空間

上海作為國際化特大型城市，用能特征決定了上海市電網負荷受氣溫波動影響明顯，全年呈現“雙峰雙谷”趨勢。得州北部氣候條件與湖南相似、南部與廣州相似，總體來說比上海溫暖許多，同屬冬季溫暖，夏季炎熱的亞熱帶氣候，一般情況下夏季降溫用電需求遠高于冬季采暖用電需求，通常冬峰負荷約為夏峰的85%。1月7日在超強寒潮的影響之下，全國17 個省級電網負荷創歷史新高，其中包括上海在內的部分省（市）首次出現負荷冬峰超過夏峰的情況。課題組分析認為，此次上海冬季負荷創新高雖然有特殊的背景原因，但其背后的影響因素及電源和電網呈現的特征都值得關注。

2.1 極端天氣疊加經濟復蘇大幅提升了電力需求

1月7日20∶30，上海刷新負荷峰值至3339萬kW，同比增長38.4%，用電峰谷差達1484萬kW（峰谷差率44%），打破了去年8月14日創造的3312萬kW夏峰紀錄，并首次在冬季創造了上海市用電負荷的歷史新高。

95%的負荷增量來自采暖需求。自1996 年以來，上海寒潮較為罕見且持續時間不長。今年元旦前全國大面積寒潮引發氣溫驟降，降溫幅度超過2015-2016年寒冬和2008年冰災。截至2月20日，上海本次冬季寒潮（日最低溫度≤-5 ℃）天數共計為4 d，低溫日（日最低溫度≤0 ℃）達到10 d，寒潮天數突破歷史平均水平，其中1月8日最低氣溫為-8.9 ℃，創了30年來的最低點。在此輪寒潮影響下，本地采暖需求充分釋放，其中1月7日尖峰時刻的采暖負荷達到1600萬kW，占最高負荷的比例為48%，超去年同期20個百分點，超歷史均值25個百分點，基本與去年夏峰時的降溫負荷占比（49%）持平。

5%的負荷增量來自經濟復蘇。新冠疫情得到有效管控后，上海經濟自去年二季度開始回暖，四季度更是實現了強勁反彈。入冬后國外疫情加重促使大量境外訂單轉移國內，制造業復蘇加快，電力需求大幅增長，有力抬升了基礎負荷。一方面，工業領域用電增長超預期。2020年，上海市工業用電累計增長2.8%，創造了“十三五”以來的最高增速。12月，上海市工業總產值同比增長10.8%，伴隨工業用電同比增長9.3%。另一方面，新興產業逆勢增長，充分挖掘用電潛力。前三季度上海新產業制造業部分產值增加7.9%，拉動工業總產值2.4個百分點。數字經濟、樓宇經濟、數據中心、“互聯網+”等新業態、新模式發展火熱，帶動信息傳輸、軟件和信息技術服務業增加值同比增長15.1%，用電量同比大幅增長32%。與此同時，充換電服務、鐵路運輸設備制造和新能源車整車等擴張迅速，用電量實現數倍增長。

2.2 上海本地煤機和上海市外來電共同保障了電源側穩定

冬峰與夏峰相比，上海本地電源的特征是燃氣機組出力受限，新能源“看天吃飯”，煤機發揮托底作用。峰值時刻，上海本地機組出力2013萬kW（占比60%）、上海市外來電出力1326萬kW，（占比40%）。其中，煤機出力1484萬kW（接近滿負荷）、燃機出力433萬kW（出力率60%）、燃油機組出力31萬kW（出力率50%）、風電出力65萬kW（出力率80%）。

在天然氣方面，冬季城市燃氣用量大幅增加，上游管道氣資源供應不足使得部分燃氣機組出力受限。在風電方面，出力明顯高于歷史平均水平，且設備未受覆冰影響。在外來電方面，西南地區進入冬季枯水期，水電出力低、調節能力不足，核電出力雖平穩但總量較少。面對上述不利情況，上海電網通過跨區、跨省支援互濟機制，在國網統一調度和華東內部協調下，反而比往年冬季平均水平多受電約350萬kW，增幅達到35%，有效緩解了電力不足。

2.3 個別大型居住區和大學城區域電網壓力較大

從反映供電能力充裕度的容載比數據來看，主網容載比與夏峰相當，配網容載比相較夏峰有一定幅度下降，但仍滿足規范要求，因此冬峰期間上海電網輸配電能力整體較為充足。從反映分區負荷的變電站重載、過載情況來看，寶山顧村、浦東川沙等建成較早的大型居住社區，普陀桃浦、閔行古美等成熟住宅區以及松江大學城區域，變電站負荷壓力較大。特別是松江地區的冬峰負荷增長最為迅猛，由于冬峰和夏峰分別處于學校未放假和已放假階段，因此形成了僅有冬峰的“單高峰”現象。

3 進一步提升上海應對極端狀態能力的啟示

在碳達峰、碳中和的大背景下，未來上海能源供需將發生結構性調整，上海本地燃煤機組的定位、新能源的發展、電網的保障要求等都將產生相應的變化，上海一方面要堅定綠色轉型發展的道路，另一方面也要充分關注轉型過程中內、外部的潛在風險，提前做好謀劃。

3.1 密切關注氣候變化，提升響應能力

全球日益變暖，原有的氣候模式被打破，極端天氣事件可能更頻繁出現已經成為全球科學界的共識。上海應充分研判極端氣候事件頻發特點，從以夏峰分析為主，轉為冬夏“雙峰”并重研究的新常態，重點關注夏峰不顯而冬峰高負載（單高峰）的電力設施和分布區域，細致梳理重載、過載原因，逐一制定預案對策，加強電力供應安全風險預警、防控機制和能力建設，提升能源領域應對氣候變化的能力。

3.2 多層面、多渠道提供靈活電力保障

區域層面，建立長三角乃至華東地區的互保互濟機制，保障上海供電的平穩有序。在上海市層面：一是研究形成覆蓋全市的輸、配、供一體化韌性電網，并在核心技術及標準體系方面形成突破；二是根據電力系統周、日負荷差異探索短期、超短期交易可行性，落實冬季穩定外購電合同，確保冬季供電安全；三是積極開展實時需求側響應（虛擬電廠）研究，通過市場機制引導，激發用戶側調節潛力，建立電力系統的新型調峰與備用資源；四是正確認識煤機的作用，提高清潔利用水平，避免走妖魔化和唯煤炭安全論兩個極端；五是加強薄弱區域的基礎設施投入，提升保障能力。

3.3 鼓勵技術發展，強化能源科技創新

隨著產業結構調整和綠色轉型發展，未來上海電網峰谷差可能進一步拉大。為此，一方面應加大儲能相關技術攻關，引導其參與可再生能源消納和電力系統調峰調頻服務等科技前沿領域的布局，并在規模化應用、優化運行和調度控制、性能評價和測試等方面推動示范，另一方面發揮上海技術高地優勢，推動碳捕捉、碳封存、綠色氫能等低碳和零碳前沿領域的技術創新。

4 總結與展望

美國得州雖然能源資源稟賦得天獨厚，但在本次寒潮危機中暴露出來的卻是包括基礎設施薄弱、電網孤立無援、運行管理混亂等系統性問題，數十萬人連續四天遭遇斷電、斷水、斷氣，全州進入重大災難狀態。反觀與之同屬冬季溫暖，夏季炎熱的亞熱帶氣候的上海，在今年年初的全國大范圍寒潮中平穩度過，全市電網負荷連創歷史新高，并首次出現冬峰超越夏峰的情況。經分析認為，上海冬季負荷創新高既有極端天氣的影響，更有經濟復蘇對電力需求的大幅提升。近年來，全球極端氣象災害頻發，未來氣候變化對于能源尤其是電力安全的挑戰不容小覷。在碳達峰、碳中和的大背景下，未來上海能源供需將發生結構性調整，本地燃煤機組的定位、新能源的發展、電網的保障要求等都將產生相應的變化。上海應密切關注氣候變化，著力提升能源領域應對能力，并從區域層面和全市層面多渠道提供靈活電力保障，還應鼓勵技術發展，強化能源創新策源功能。