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【国际报告】IEA:转型中的电力系统——电力安全面临的挑战和机遇(II):应对信息网络风险与气候变化影响

【编者按】近日,国际能源署(IEA)发布《转型中的电力系统——电力安全面临的挑战和机遇》报告,分析了电力部门正在进行的多种转变。报告正文共4章,分别是能源转型中的电力安全、信息网络安全韧性、气候适应力以及政策建议。限于篇幅,小编早先已分享了编译的第一部分(点击下方图片链接),本条微信消息将编译报告中的应对信息网络风险和气候变化影响部分,与各位读者一起分享,感兴趣的读者也可点击“阅读原文”直接阅读原报告。如转载请标明译文来源。


IEA:转型中的电力系统——电力安全面临的挑战和机遇(I):能源转型中的电力安全

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增强电力系统弹性

数字化为电力系统带来许多进步,但也增加了信息网络安全风险。数字化技术可以使电力系统提高效率、节省成本、缩短停电时间,还可以帮助加速清洁能源转型。互联设备、物联网以及其他智能电网技术可以带来更多需求侧响应资源,提高能效,并以经济、高效和安全的方式促进消纳更多波动可再生能源。然而,互联设备和分布式能源的增长,正在扩大电力系统受到潜在网络攻击的范围。电力系统广泛互联和自动化程度提高,也使其更容易受到网络攻击。网络攻击可能会导致对设备和过程失去控制,造成物理损坏和大面积停电。除了对关键服务、家庭和企业造成影响外,攻击还会给电力公司带来巨大的经济损失,包括处理网络攻击的成本及其严重后果。

根据世界经济论坛(World Economic Forum)的《2020全球风险报告》(http://www3.weforum.org/docs/WEF_Global_Risk_Report_2020.pdf),网络攻击在发生概率和影响方面是排名前十的全球风险之一。对于电力系统而言,网络攻击的威胁巨大且不断增长,攻击者在进行攻击时变得越来越复杂——既具有破坏性,又具有识别漏洞的能力。

但是,测量和追踪网络攻击的风险和影响很困难。第一个障碍是缺乏有关信息网络安全事件的全面公开可用数据。第二是许多事件甚至根本没有报告过,甚至没有报告给监管机构或其他主管部门,而且有些攻击甚至可能未被发现。第三是难以克服范围和定义上的主要差异,例如什么才构成“事件”或“攻击”。追踪重大网络事件的全球数据库(https://www.csis.org/programs/strategic-technologies-program/significant-cyber-incidents)显示,近年来网络攻击事件的数量急剧增加,包括电力行业。

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⬆ 图1 2006—2015年全球重大信息网络安全事件

到目前为止,与大风、设备故障或操作失误等原因相比,由于网络攻击而造成的电力系统中断很少。2015年对乌克兰西部电网的攻击是首次被确认的针对电网的网络攻击,攻击者通过网络攻击手动关闭了变电站,导致30个变电站脱网,造成22.5万人被停电。尽管迄今为止受破坏的程度有限,但在某些情况下,网络攻击可能会对电力系统造成重大损害。

尽管不可能完全预防网络攻击,但可以将电力系统设计为更具网络弹性——承受、适应事件并从事件和攻击中迅速恢复,同时保持关键基础设施运行的连续性。适应新技术以及新风险和新威胁的能力至关重要。决策者、监管者、系统运营商乃至整个电力行业都可以在提高电力系统网络弹性方面发挥重要作用。

增强网络弹性是整个电力价值链上所有利益相关者的集体责任。增强网络弹性是一个持续的过程,通常包括几个阶段:1)识别和评估风险与准备;2)考虑风险和措施的优先权以实施风险管理策略;3)如果发生攻击,遵循可靠的响应和恢复程序;4)记录并从过往事件中汲取教训;5)与其他利益相关者共享知识。由于网络威胁在不断发展,因此各方都需要持续监控和评估其漏洞和风险状况,并采取适当的措施。

网络弹性活动需要集成到组织的文化中,而不是被视为单独的技术问题。如果没有这种集成,组织将无法以整体、适当和一致的方式应对数字化转型所带来的挑战。重要的是,当发生攻击时,组织在记录和吸取过去的教训时,应遵循可靠的响应和恢复程序。网络弹性是在网络攻击后汲取的经验教训的基础上,结合了预防措施和纠正措施的组合。对过去的攻击进行反思可以为新措施的实施提供信息,并根据需要加强或重新设计现有措施。与外部利益相关者的沟通同样重要,以提高社区的风险意识并帮助发现盲点和漏洞。决策者、监管机构、受监管实体和其他利益相关者采取的行动可以增强整个电力系统的网络弹性,并确保实施适当的措施。

在政策和监管办法方面,制定有效的网络弹性监管是执法与创新之间的微妙平衡,执行战略应适合国情同时考虑风险的全球性质,必须确保电网末端和整个电力系统价值链的恢复能力。随着电动汽车、其他电表后分布式能源以及互联设备变得越来越普遍,从用户侧来的网络攻击对电力系统造成重大破坏的可能性会增加。最近的一项研究表明,使用公开数据对个人电动车和快速充电站进行有针对性的攻击,可能会对当地电力供应造成重大干扰。另一项研究展示了连接到物联网的高功率设备,如空调和加热器,如何被用来对电网发动大规模协同攻击导致局部停电,在最坏的情况下甚至会导致大规模停电。美国正在进行相关研究,以更好地了解分布式能源的潜在脆弱性,并开发早期预警系统和响应算法来保护电力供应。加州颁布的最新第21条准则要求,所有新的太阳能和储能装置都使用具有远程连接的智能逆变器,这也是全球电力系统监管的趋势。

增强气候适应力

电力系统正面临着越来越大的来自气候变化的压力。气候变化导致全球温度上升,降水不规律,海平面上升以及更频繁或更强烈的极端天气事件,这对电力安全具有重大影响。对于发电侧而言,气候变化会降低效率,并改变发电厂(包括火电和可再生能源发电设施)的可用性和发电潜力。气候变化可能给输配电系统带来更高的损耗、变电容量改变以及特定的物理损害。在许多国家,可能还会增加制冷的电力需求,这将成为增加发电量的驱动因素。

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⬆ 图2 2018—2030年住宅空间制冷需求增长预测

(注:STEPS-既定政策场景;SDS-可持续发展场景;OECD-经合组织国家;Non-OECD非经合组织国家)

气候异常的加剧已经给电力系统带来了巨大挑战,并增加了由气候原因引起的破坏的可能性。在许多国家,极端天气事件(如热浪、山火、飓风和洪水)的发生频率或强度不断增加,成为造成大面积停电的主要原因。美国加利福尼亚和澳大利亚最近因山火和热浪造成的停电表明,电力系统已经并且在很大程度上受到气候危害的影响。过去20年间,美国由于极端天气事件引起的大规模停电(影响超过5000户)事故占到90%。期间,每年至少75%的极端天气诱发了大规模停电,有些年份这一比例甚至达到或接近100%。

表1 长期气候趋势和极端天气事件对电力系统的主要潜在影响

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气候变化对电力系统的负面影响越来越大,全球决策者、公用事业单位和利益相关方迫切需要采取行动,以增强系统对气候变化的适应力。提高气候适应力不仅可以减少气候影响造成的破坏和损失,还将支持清洁能源转型,而清洁能源转型则可以通过部署低碳能源技术来限制未来不利的气候变化。

电力系统的气候适应力可应对气候变化的不利影响。一般而言,气候适应力是预测、承受、适应与气候变化有关的潜在危险事件,并从其影响中恢复的能力。电力系统的气候适应力更具体的概念框架可以帮助决策者更好地确定气候适应力是电力安全的要素,其描述了电力系统的气候适应能力的关键方面——鲁棒性、资源丰富性(resourcefulness)和恢复能力

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⬆ 图3 气候适应力的概念框架

鲁棒性是能源系统承受气候模式渐进的长期变化并继续运行的能力。例如,与使用外部水资源(如河流或湖泊)的火力发电厂相比,使用循环水进行冷却的火力发电厂对温升更具适应力。资源丰富性是指在紧急情况下(例如极端天气事件)可以继续运行的能力。例如,面对洪水,具有防洪水库的水电站比其他电厂更有可能维持最低可接受的运行水平。恢复能力是在因气候危害而中断之后恢复系统功能的能力。在通信、临时资产和人力等方面具备充分协调的应急预案,会使得电力系统具有更强的适应力,可以更好地从气候影响造成的中断中恢复过来。

更具弹性的电力系统减少气候影响的破坏和损失。最近的研究表明,考虑到气候变化越来越大的影响,在大多数情况下,弹性电力系统的收益要远远大于成本。据估计,在提高气候适应力的基础设施上每投资1美元,就可以节省6美元。据世界银行,如果将气候适应力所需的行动延迟十年,花费的成本将翻倍。

例如,地下输配电缆比架空线路需要更高的前期投入,但是可以显著减少气候变化带来的潜在损失并节省恢复所需成本。与地下电缆系统相比,架空输配线路更容易受到诸如强风、山火、洪水和山体滑坡等气候危害的影响。2005年1月,当Gudlun风暴袭击瑞典时,由于配电线路损坏,农村地区停电持续长达20天,而城市地区的地下电缆停电仅持续了几个小时。由于长时间的停电,瑞典电网运营商损失了约2.5亿欧元。此外,由于供电中断造成的社会经济损失约为30亿欧元。

各国政府可以通过针对其所面临的特定类型的气候危害采取定制的措施,来支持减少气候影响的破坏和成本。在山火是主要威胁的加利福尼亚州,良好的森林维护可以最大程度地减少山火对输配电线路的影响。在孟加拉国这个容易发生洪灾的国家,5.6亿美元的额外防洪投资,可避免多达16亿美元的损失。

采用气候适应性措施有助于可持续发展和清洁能源转型。预计气候危害的增多将对电力普及构成重大威胁,这是联合国可持续发展目标(SDG)的目标之七。根据IEA《世界能源展望2019》,全世界仍有8.4亿人无法获得电力供应。未来的气候变化可能会导致资源可用性受限,降低发输电效率,以及增加停电概率,从而极大地影响电力普及这一可持续发展目标的实现。

例如,在赞比亚,只有30%~40%的人口能够获得电力,然而电力系统已经受到气候变化的不利影响。较短的雨季和更频繁的干旱对水力发电构成了挑战,水力发电目前占赞比亚发电量的80%以上。2016年2月,赞比亚最大的电源Kariba大坝的水位下降了88%,导致一些地区停电、限电和经济发展放缓。2019年8月,Kariba水电站再次需要减少发电量并实行每日停电。采取气候适应性措施,例如改进的气候危害监测系统,增加电力结构多样性的战略,将有助于保证赞比亚电网更加可靠。

电力在能源系统低碳转型中起着至关重要的作用。由于一些可再生能源技术可能对气候变化敏感,电力系统如果缺乏弹性,还可能阻碍清洁能源转型。在电力基础设施容易受到气候变化和极端天气事件影响的国家中,情况尤其如此。制定有效的政策措施可防止潜在的市场失灵,提高电力系统的气候适应力,在电力安全政策中应更加重视气候适应力。

电力安全政策应更优先地保护气候恢复力。气候恢复力的好处和气候影响的成本往往在整个电力价值链中分布不均。它不可避免地提出了一个问题,即谁应负责执行恢复力措施并为此付出代价。在许多国家,电力部门在气候恢复方面的进展仍然落后,即使在有适应气候变化的国家战略或计划的国家,电力部门对其迫切需求也常常被忽视。

建立明确的气候影响和恢复力评估框架是确保所有利益方正确了解气候变化的第一步。在建立共同评估框架之后,决策者需要向基本服务提供者发出适当的信号,以鼓励公用事业公司将气候恢复力纳入其建设计划和运营制度,将气候恢复力纳入其长期能源和气候政策的核心要素,同时鼓励私营部门考虑电力系统的气候恢复力,并解决潜在的市场失灵问题。通过支持性政策措施,企业可以通过提高基础设施能力、改进系统运行方式、制定恢复规划和提高应对能力等实现电力系统的气候适应力。

本文内容节选自IEA,不代表本刊观点,编者水平有限,内容请以英文原文为准,版权归原作者所有。读者可登录IEA官网(www.iea.org)免费下载报告全文,或直接点击文末阅读原文下载。小编加班不易,如转载请标明译文来源于全球能源互联网微信公众号。

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编辑:李锡

审核:白恺


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