新冠疫情对电力行业影响综述

二、对电力系统运营控制的影响

一般而言，负荷水平的下降会增加电力系统运行的安全裕度，使得电力系统安全稳定运行更加容易。然而，负荷曲线以及负荷空间分布的变化仍然给电力系统带来一些挑战。

1、电力平衡

第一个挑战是电力平衡。在封城和居家办公的政策影响下，昼夜特征明显的居民负荷增加导致负荷峰谷差异更大。分布式光伏的增加更加剧了这种情况，并使净负荷（net load）曲线演变为腹部较低和颈部较长的“鸭子曲线(duck curve)” [8]。为此，必须在晚间关闭火电机组以平衡低谷负荷，并且必须预留更多的天然气机组以提供爬坡的灵活性。这凸显了智能电网新兴灵活性资源的重要性，例如储能和需求响应。

需求侧和发电侧不确定性的增加也对电力平衡带来了困难[9]。电力系统的平衡是通过多种时间尺度的计划和调度实现的，包括年度/月度计划，周计划，日前计划，日内滚动调度和实时调度等。这些过程十分依赖于准确的负荷预测，尤其是在一些燃煤发电占比较高的电力系统，需要提前更多的时间安排火电机组启停方案。新冠疫情的突然爆发和快速变化的防疫政策使负荷需求变得更加不确定，从而给负荷预测带来了更多困难。另外，预测的基本原理是向历史规律学习。然而，新冠疫情对经济和社会的影响是历史罕见的，这使得基于学习的预测方法缺少有效的历史数据从而难以精准预报疫情期间的负荷变化。为此，必须在负荷预测中充分评估并详细考虑各政策（防疫策略和复工复产政策）的影响，以跟踪疫情期间电力负荷模式的动态变化。

此外，间歇性可再生资源在发电组合中所占比例的增加也加剧了不确定性。因此，在发电调度中需要更大的灵活性裕量，以对冲负荷需求、风电和太阳能发电的波动。

2、电压控制

电力需求模式的转变也给一些局部地区的电压调节带来了挑战。在分布式发电较少的情况下，配电网中的电压随着馈线的延伸而降低。随着分布式发电（例如屋顶光伏）的不断增加，由这些分布式发电注入的反向功率流可能导致馈电线电压升高[10]，[11]和更高的波动性[12]。在新冠疫情期间，电力需求下降，而分布式发电却不受影响。发电过剩加剧了配电系统中的电压上升问题。例如，疫情期间，南美的公用事业公司观察到由负荷减少引起的电压上升的现象。中国、印度和北美的电力调度机构也关注到类似问题[5]。

为了减轻电网中的过电压，多个国家/地区的调度机构采取了预防控制措施。例如，印度的区域负荷调度中心（RLDC）通过以下方式管理电压：1）投入电抗器，同时从配网中切除电容器组；2）使STATCOM和静态VAR处于电压控制模式；3）利用装配了STATCOM的光伏发电吸收电网中的多余无功功率[9]。通过这些措施，在疫情期间降低了印度的电压偏差水平。文献[5]中也报道了类似的措施，包括在低负荷期间关闭自动电压控制系统（AVC）和电容器，并开断一些高压传输线。除了使用VAR设备，也包括主动控制分布式的同步发电机和光伏系统的逆变器以维持电压在额定范围[13]。

3、运维和管理

新冠疫情还给电力系统带来运维和管理上的困难。发输电设备的定期维护通常提前几年计划，但是在新冠疫情期间，受封城、交通限制、供应链中断的影响，检修和维护工作被部分推迟甚至取消。在比利时，用于检修的输电网重构被控制在最小风险级别[5]。在新西兰和澳大利亚，计划的检修工作被推迟，只有那些对系统的安全运行至关重要的断电检修才按计划进行[14]。在美国部分州，发电厂的检修工作也被推迟，以降低员工的感染风险[15]。对于必须每18-24个月更换燃料的核电站，仍然在严格的管理下进行有计划的检修和燃料棒更换[16]。

在系统运行和人员管理方面，考虑到调度员和其他管理人员对电力系统调控运行的重要性，他们的健康和安全受到严格保护。在许多受到新冠疫情影响的国家，例如中国、美国、印度，电力系统调度中心采取了最为严格的防疫措施。在中国，调度员和管理人员被隔离在工作单位，备用团队随时准备待命。同时，调度中心、超高压变电站和高压直流换流站的调度和运行人员实施14天的轮换制度。在文献[17]中，美国电力科学研究院（EPRI）总结了电力公司在疫情期间的运营策略。为了最大程度地减少病毒的影响并保持控制中心的正常运转，公用事业公司采取了一些策略，例如：使用备用控制中心、执行轮换工作方案、隔离调度员以及执行更严格的清洁和消毒措施。在部分州，某些100kV以下配电网的控制系统（如DMS, OMS, SCADA）可以远程访问，这使得员工可以在家工作。正如云会议和在线工作在疫情期间被广泛接受一样，新冠疫情的爆发也使得电力系统管理和运维中的新技术受到更多关注，例如AI辅助调度系统、无人值守变电站、高弹性电网等。

三、对市场、投资、监管的影响

1 、电价

由于电力需求减少以及天然气和石油价格暴跌，自2020年3月以来，大多数电力市场的整体价格水平急剧下降。其中欧洲电力市场价格下跌最为严重，月平均价格跌至过去六年的最低水平。图3显示了欧洲几个主要电力市场平均价格的相对变化。与今年3月相比，N2EX英国市场价格下降了22.3％，EPEX SPOT法国市场价格下降了43.6％。而与去年同期相比，下降幅度更大，其中Nord Pool北欧市场价格降幅高达87.2％[18]。

图3 欧洲电力市场月平均价格的相对变化

在美国，电价也随着疫情的发展而显著下降。图4显示了2020年2月和2020年3月几个独立系统运营商（Independent System Operator, ISO）的日平均节点电价（Locational Marginal Price, LMP）变化趋势。在两个月内，日平均LMP下降了7％-25％[19]。在印度，电力市场出清价格在封城开始后的前几天迅速下降，然后保持相对稳定。与2019年相比，印度2020年3月和2020年4月的平均市场出清价格（Market Clearing Price, MCP）分别下降了21％和24％[9]。

图4 美国多个ISO的每日平均LMP

此外，在疫情期间负电价频繁出现。自2020年3月以来，许多欧洲国家出现了前所未有的小时级的负价格现象，特别是在白天午间时段。例如，仅在2020年一季度，德国就经历了128小时的负电价。在4月13日， EPEX SPOT比利时市场的最低价格甚至达到-115.31欧元/兆瓦时[18]。这主要是负荷大幅下降、接近零边际成本的可再生能源发电增加引起的。

2、财务状况

在发电方面，燃煤发电厂受新冠疫情的影响最大。据国际能源署（IEA）估计，大多数国家的燃煤发电厂的发电量已大幅下降，与2019年一季度相比，2020年一季度燃煤发电量下降了8％[19]。在英国，由于经营亏损，3.5GW的燃煤装机容量提前退役[4]。

在需求方面，尽管大多数用户的财务状况受到新冠疫情的影响，但世界各地的政府都在努力保障用户的电能使用。文献[23]汇总了主要国家为缓解用户的电费压力而采取的措施。几乎所有公用事业都自愿或强制提供了账单延缓支付等服务。

但是，公用事业企业因此正经历着相当艰难的时期。一方面，由于需求减少和价格下降，企业的经营收入缩水。另一方面，在这种特殊情况下维持电力系统正常运行的成本增加了。例如，印度的发电公司估计遭受了250至3,000亿卢比的净收入损失[8]。美国的公用事业股票价格从3月2日到4月8日下跌了10.9％[19]。

3、投资规划

从短期来看，新冠疫情确实阻碍了许多投资项目的按时完成。由于当地的封锁政策和供应链中断，大多数在建项目被迫中止。许多计划中的项目也被推迟或取消。例如，仅在印度，就有3GW的可再生能源项目面临延期[24]。美国能源信息署（EIA）估计，美国约4.9 GW的容量扩展计划将延期[25]。此外，公司可能无法获得可再生能源和碳捕集项目的税收减免[26]。

图5 2017-2020年全球能源总投资

图6 2015-2020年全球在清洁能源和效率上的投资以及在总投资中的份额

从长远来看，新冠疫情不会对电力部门的投资和能源清洁化发展产生太大影响。图5显示，2020年能源总投资相对于2019年下降了20％，主要由燃料供应（浅蓝色条）下降造成。电力行业投资（深蓝色条）和能效项目投资（绿色条）的下降幅度有限。如图6所示，新冠疫情对清洁能源和能效项目投资的影响相对较小，而其在总投资中所占的份额则增加了5％。国际能源署IEA还估计，到2020年，全球将增加167GW的可再生能源发电能力，与2019年相比下降13％，但放缓的步伐有望在2021年加快[29]。