臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的影響分析及應(yīng)對(duì)措施

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海 200437)

0 引 言

中國(guó)位于亞洲東部，太平洋西岸，背陸面海，中東及東南沿海地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，每年6月至10月屬于臺(tái)風(fēng)高發(fā)期。中國(guó)習(xí)慣將形成于26 ℃以上熱帶洋面上的熱帶氣旋(tropical cyclones)稱為臺(tái)風(fēng)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19201—2006，熱帶氣旋按中心附近地面最大風(fēng)力劃分為6個(gè)等級(jí)：熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018—2021年期間，每年登陸中國(guó)的熱帶氣旋平均7.25個(gè)，其中3.25個(gè)達(dá)到臺(tái)風(fēng)及以上等級(jí)，臺(tái)風(fēng)經(jīng)常在福建、浙江、廣東等地登陸，影響范圍包括江西、安徽、江蘇、山東、遼寧及上海等地。伴隨臺(tái)風(fēng)的大風(fēng)、降水天氣不僅會(huì)造成拔樹(shù)倒屋、農(nóng)田受淹等直接經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全[2]。目前中國(guó)特高壓交直流輸電網(wǎng)架主要集中在用電需求大、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平高的沿海及部分內(nèi)陸地區(qū)，更容易遭受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害侵襲；對(duì)于分布更為廣泛的500 kV及以下電壓等級(jí)輸電線路，由于其桿塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平一般隨電壓等級(jí)逐級(jí)降低，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害可能會(huì)導(dǎo)致線路倒塔、斷線等嚴(yán)重后果；伴隨臺(tái)風(fēng)的大暴雨更可能會(huì)引發(fā)滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅線路桿塔、變電站等輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的需求日益迫切。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者結(jié)合臺(tái)風(fēng)氣象因素進(jìn)行電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已有一定研究。文獻(xiàn)[3]從整體進(jìn)行了電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；文獻(xiàn)[4]對(duì)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[5-9]對(duì)輸電線路風(fēng)偏特性開(kāi)展了研究，分析風(fēng)偏特性的影響因素和防護(hù)措施，還從臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際危害中汲取防范經(jīng)驗(yàn)[10-13]。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)侵襲下電網(wǎng)的預(yù)警預(yù)報(bào)及應(yīng)對(duì)措施研究較少。因此，有必要研究臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)防臺(tái)抗風(fēng)的預(yù)警機(jī)制與應(yīng)對(duì)措施，減小臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的危害，保障電力供應(yīng)。下面針對(duì)近年來(lái)臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析，梳理臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間基于國(guó)網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，提出電網(wǎng)設(shè)備防臺(tái)抗風(fēng)能力提升的技術(shù)手段和管理措施。

1 臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的主要危害

2016年福建遭遇臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”侵襲，造成多條500 kV線路損壞[14]。2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”在廣東珠海南部沿海登陸，導(dǎo)致廣東電網(wǎng)35 kV及以上變電站停運(yùn)77座，110 kV及以上線路跳閘138條，影響用戶292.1萬(wàn)戶[15]。2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江，造成浙江電網(wǎng)500 kV線路跳閘32條次、220 kV線路跳閘87條次，3個(gè)220 kV變電站全停[16]。2020年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”在浙江沿海登陸，造成上海電網(wǎng)線路跳閘92起(停運(yùn)39起)，其中110 kV 2起、35 kV 4起、10 kV 86起，影響臺(tái)區(qū)停電296個(gè)。

2021年，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“煙花”前后兩次在浙江登陸，7月24日8時(shí)左右開(kāi)始影響上海，至7月27日8時(shí)，臺(tái)風(fēng)主要影響基本結(jié)束。臺(tái)風(fēng)“煙花”強(qiáng)度強(qiáng)、移速慢，對(duì)上海影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，期間上海電網(wǎng)共計(jì)發(fā)生線路跳閘402起，其中110 kV 5起、35 kV 39起、10 kV 358起，影響臺(tái)區(qū)停電4292個(gè)。受惡劣天氣不可抗力影響，部分故障搶修時(shí)間較長(zhǎng)。

綜合來(lái)看，臺(tái)風(fēng)登陸前后，登陸地及附近地區(qū)的電網(wǎng)可能出現(xiàn)設(shè)備密集跳閘的情況，容易引發(fā)極端薄弱供電方式，造成變電站全停，導(dǎo)致電網(wǎng)局部供電能力下降。臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中，樹(shù)木倒伏(見(jiàn)圖1)、樹(shù)枝碰線(見(jiàn)圖2)、異物短路為臺(tái)風(fēng)天氣下引起跳閘的主要原因，部分樹(shù)木修剪不到位、戶外設(shè)備裸露點(diǎn)等問(wèn)題仍然存在，防臺(tái)抗災(zāi)方面仍有大量工作要做。

圖1 臺(tái)風(fēng)引起樹(shù)木倒伏

圖2 臺(tái)風(fēng)引起樹(shù)枝碰線

2 基于國(guó)網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制

2.1 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心架構(gòu)

以提升電網(wǎng)防臺(tái)抗風(fēng)減災(zāi)能力為宗旨，國(guó)家電網(wǎng)有限公司在2016—2021年期間，逐步建成國(guó)網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，實(shí)現(xiàn)九省兩市(浙江、福建、江西、安徽、江蘇、上海、山東、遼寧、吉林、黑龍江、天津)110 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)的全面覆蓋和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警信息的高精準(zhǔn)發(fā)布。

臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心由主站和九省兩市子站以及相關(guān)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和處理硬件設(shè)施構(gòu)成。臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心主站和子站

九省兩市子站將各自區(qū)域內(nèi)的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)上行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳至中心主站；同時(shí)收集各電網(wǎng)輸變配電設(shè)備信息，主要包括特高壓輸電線路或受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響嚴(yán)重地區(qū)重要線路的三維建模信息、設(shè)計(jì)文件、計(jì)算載荷等以及其他線路運(yùn)行資料、設(shè)計(jì)風(fēng)速等，將上述信息上傳至中心主站。

中心主站接收匯集九省兩市子站上傳的實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合接入的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和全球大氣初始場(chǎng)數(shù)據(jù)先通過(guò)中尺度臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)子模塊獲得9 km×9 km精度臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)結(jié)果，再應(yīng)用降尺度技術(shù)獲得九省兩市電網(wǎng)亞公里級(jí)(1 km×1 km)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)結(jié)果，同時(shí)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)、降雨量等進(jìn)行可視化展示。中心主站基于九省兩市輸變配電設(shè)備信息，建立各自電網(wǎng)輸變配電設(shè)備精細(xì)化防臺(tái)抗風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合相應(yīng)電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及1 km×1 km分辨率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，及時(shí)、準(zhǔn)確、有效發(fā)布臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息，并將該預(yù)報(bào)預(yù)警信息通過(guò)下行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)實(shí)時(shí)分發(fā)至相應(yīng)的九省兩市子站。九省兩市子站在接收到由中心主站發(fā)布的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警信息后，根據(jù)各自電網(wǎng)防風(fēng)抗臺(tái)軟硬件支撐能力，制定科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的防臺(tái)抗風(fēng)應(yīng)急預(yù)案及災(zāi)后快速恢復(fù)方案，同時(shí)可視化展示各自電網(wǎng)風(fēng)場(chǎng)、降雨量等信息及臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度等信息。

2.3 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)布機(jī)制

臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心可提前72 h從多層面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心軌跡的風(fēng)速、風(fēng)向以及重要輸電通道局部風(fēng)速、降雨量等重要信息，并在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前及過(guò)境期間發(fā)布中期和短期預(yù)警。其中中期預(yù)警為對(duì)未來(lái)72 h的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)警，每天發(fā)布2次；短期預(yù)警為對(duì)未來(lái)24 h的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)警，每天可發(fā)布4次。特高壓等重要輸電通道已完成桿塔三維力學(xué)分析數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)警可精確至主材級(jí)別，對(duì)電網(wǎng)防臺(tái)抗風(fēng)工作起到了技術(shù)支撐作用。針對(duì)不同的預(yù)警等級(jí)，可制定對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施[17]。

2021年9月臺(tái)風(fēng)“燦都”期間，上海電網(wǎng)依托臺(tái)風(fēng)中心主站和子站，跟蹤觀察預(yù)測(cè)風(fēng)速變化情況和局部地區(qū)風(fēng)速、雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比線路桿塔設(shè)計(jì)值評(píng)估上海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響的110 kV及以上桿塔風(fēng)偏或倒塔預(yù)警等級(jí)。風(fēng)偏閃絡(luò)、異物外破等預(yù)警信息以日?qǐng)?bào)的形式發(fā)送至運(yùn)行單位?！盃N都”期間，上海電網(wǎng)共發(fā)出臺(tái)風(fēng)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)線路預(yù)警信息80條、中低風(fēng)險(xiǎn)線路預(yù)警信息440余條，有力支撐各單位提前做好防范措施和應(yīng)急準(zhǔn)備。例如，上海金山供電公司在收到預(yù)警后，及時(shí)巡查線下大棚加固情況，加強(qiáng)輸電通道隱患整改落實(shí)，提前完善應(yīng)急搶修行動(dòng)方案，有效防止了特高壓復(fù)奉直流重要輸電通道下蔬菜大棚、薄膜、彩鋼板等異物被大風(fēng)吹起碰線的意外發(fā)生，有序控制了臺(tái)風(fēng)次生災(zāi)害的擴(kuò)展。

3 電網(wǎng)設(shè)備抗臺(tái)風(fēng)技術(shù)與管理措施

3.1 調(diào)度應(yīng)急處置

臺(tái)風(fēng)登陸前，為增強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架強(qiáng)度，應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式提前進(jìn)行調(diào)整，盡可能使全網(wǎng)保持全接線運(yùn)行，具備復(fù)電條件的輸變電設(shè)備提前復(fù)電，部分備用線路或備用主變壓器可考慮將其轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行；將沿海變電站無(wú)人值守模式恢復(fù)為有人值守模式，全方位做好防臺(tái)抗風(fēng)部署準(zhǔn)備[12]。臺(tái)風(fēng)影響下，需迅速辨識(shí)網(wǎng)架薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)危急程度排序，關(guān)注高電壓等級(jí)線路故障跳閘及重合情況，及時(shí)開(kāi)展故障線路試送。若地區(qū)電網(wǎng)存在孤島運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)提前做好孤島運(yùn)行的預(yù)控準(zhǔn)備，控制該地區(qū)內(nèi)電廠出力，盡量保持發(fā)電用電自平衡[12-13，16]，最大限度地減少臺(tái)風(fēng)造成的不良后果及經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[18]。

3.2 設(shè)備性能提升

配電設(shè)備防臺(tái)抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平通常較主網(wǎng)設(shè)備低，因此更易遭受臺(tái)風(fēng)侵襲和影響。以上海電網(wǎng)為例，其配電網(wǎng)建設(shè)起步早，部分區(qū)域老舊設(shè)備仍然占一定比例。架空戶外設(shè)備受到近年來(lái)生態(tài)環(huán)境改善影響，樹(shù)線矛盾、小動(dòng)物(鳥(niǎo)、松鼠)、外部異物(風(fēng)箏、氣球)等數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。另外，由于桿塔基礎(chǔ)周圍土壤變化、拉線松弛等原因，少數(shù)線路存在桿塔傾斜風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)戶外架空設(shè)備，一是全面選用全絕緣桿刀、全絕緣斷路器，全絕緣熔斷器、全絕緣橫擔(dān)等全絕緣設(shè)備，防止異物接地短路；二是對(duì)于線夾、接地環(huán)、避雷器導(dǎo)線連接處等裸露點(diǎn)，加裝專用絕緣罩，使用絕緣自固包材進(jìn)行絕緣包覆，實(shí)現(xiàn)線路全絕緣化；三是在架空線分段聯(lián)絡(luò)處，使用全絕緣桿刀，不使用斷路器，減少二次設(shè)備故障導(dǎo)致的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 隱患排查治理

臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前需全面開(kāi)展隱患排查整治：1)加強(qiáng)線路巡視工作，尤其是臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)的關(guān)鍵廠站和重要輸電通道的特巡工作，對(duì)線路通道沿線的易漂浮物、大棚、彩鋼瓦、樹(shù)線矛盾等做好排查、清理、加固、拆除和修剪工作，加強(qiáng)對(duì)業(yè)主的危險(xiǎn)源告知和風(fēng)險(xiǎn)宣傳，在政府相關(guān)部門(mén)的支持下開(kāi)展樹(shù)木緊急修剪和大棚加固與拆除工作，增加戶外設(shè)備抵御大風(fēng)等極端天氣的能力。2)對(duì)變電站門(mén)、窗戶外構(gòu)架、高型布置、排水溝、室外端子箱等做一次專項(xiàng)檢查，檢查清除站內(nèi)及周邊易漂浮物，部分受影響范圍內(nèi)重要變電站要安排有人值守。3)加強(qiáng)變配電站防汛設(shè)施檢查，特別是地下變電站、地勢(shì)低洼變配電站和電纜隧道，確保排水設(shè)施完好、防訊材料配備充足到位，做好防止暴雨倒灌的相關(guān)措施。4)排查施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)工棚、線路跨越架、腳手架、井字架、塔吊、圍墻及施工駐地隱患，并落實(shí)治理?xiàng)犑?，組織好人員撤離工作。5)排查城市排水泵站等重要用戶供電設(shè)施以及環(huán)網(wǎng)柜、配電箱、分支箱浸泡受潮隱患，檢查臨江防汛墻及排水設(shè)施，做好防汛防臺(tái)各項(xiàng)措施，并加強(qiáng)運(yùn)維保障。6)密切保持與重要用戶、敏感用戶的聯(lián)系，認(rèn)真開(kāi)展重要用戶、人員密集場(chǎng)所、用戶地下站、泵站、碼頭、下立交和水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的安全用電服務(wù)。

3.4 加強(qiáng)溝通聯(lián)動(dòng)

借助防汛指揮部、氣象等相關(guān)部門(mén)信息交互渠道及時(shí)掌握汛情災(zāi)情等緊急信息，有條件的可開(kāi)展智能巡視[19]；強(qiáng)化與地方政府、防汛辦、海事局、消防局、綠化、園林、市政等相關(guān)部門(mén)單位的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，加強(qiáng)溝通和聯(lián)系，解決樹(shù)線矛盾等問(wèn)題，消除隱患源。同時(shí)做好搶修隊(duì)伍、物資及配套保障等各項(xiàng)準(zhǔn)備，增強(qiáng)95598接派單人員配置，確保故障報(bào)修通道暢通、信息流通快速、事故搶修便捷、應(yīng)急支援迅速，更好地應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響。

4 結(jié) 論

上面分析了近年來(lái)臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備的主要影響，介紹了基于國(guó)網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，提出了電網(wǎng)設(shè)備抗臺(tái)風(fēng)相關(guān)技術(shù)和管理措施，得出如下結(jié)論：

1)臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)的電網(wǎng)影響較為明顯，臺(tái)風(fēng)登陸前后，登陸地及附近地區(qū)的電網(wǎng)可能出現(xiàn)設(shè)備密集跳閘、變電站全停，電網(wǎng)局部供電能力下降等情況。

2)鑒于氣象部門(mén)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)不具備電網(wǎng)自身抗臺(tái)屬性，國(guó)網(wǎng)公司建設(shè)了臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，基于九省兩市輸變配電設(shè)備信息，結(jié)合相應(yīng)電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及1 km×1 km分辨率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，及時(shí)、準(zhǔn)確、有效發(fā)布臺(tái)風(fēng)中期和短期預(yù)警信息。

3)為提升電網(wǎng)抗臺(tái)風(fēng)能力，應(yīng)做好臺(tái)風(fēng)登陸前全接線運(yùn)行、輸變電設(shè)備復(fù)電、部分備用設(shè)備轉(zhuǎn)正常運(yùn)行，變電站無(wú)人值守模式調(diào)整等增強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架強(qiáng)度的各項(xiàng)抗臺(tái)部署準(zhǔn)備，并在臺(tái)風(fēng)影響期間做好故障線路試送、潛在孤島系統(tǒng)發(fā)用電平衡調(diào)節(jié)等調(diào)度應(yīng)急處置工作。

4)為增強(qiáng)設(shè)備抗臺(tái)風(fēng)水平，建議配電設(shè)備選用全絕緣設(shè)備，裸露點(diǎn)處加裝專用絕緣罩，架空線分段聯(lián)絡(luò)處使用全絕緣桿刀。同時(shí)加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前的隱患排查治理，開(kāi)展針對(duì)性的線路巡視工作，檢查清除站內(nèi)及周邊易漂浮物，實(shí)施變配電站防汛設(shè)施檢查，排查施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)搭建物，排查排水泵站等重要用戶供電設(shè)施，與重要用戶保持聯(lián)絡(luò)并提供安全用電服務(wù)。

5)與相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)溝通聯(lián)動(dòng)，及時(shí)掌握汛情災(zāi)情等緊急信息，合力解決樹(shù)線矛盾等問(wèn)題，消除隱患源；同時(shí)做好搶修隊(duì)伍、物資及配套保障等各項(xiàng)準(zhǔn)備，事故搶修便捷，應(yīng)急支援迅速。