2021 Texas Power Crisis

作者前言

        该事故调查报告完全基于互联网分析，因此无法保证数据的准确性。同时还有以下注意要点^[1]：

• 本文档中的信息是初步信息，可能受到发生变化后统计不及时的影响。
• 就本文件而言，“停电”是发电机容量完全不可用，“减额”是该容量部分不可用。
• 图表中反映的所有发电机停机和降额值均基于发电机铭牌容量，即发电机制造商指定的最大可能 MW 输出。 由于风能和太阳能输出通常远低于指定的铭牌容量，因此用于编写本报告的这些单元的停电和降额 MW 值通常远高于在没有停电的情况下可用的实际电量或减额。
• 无法披露特定单元的停电原因，因为它们是受保护的信息。

        本次报告的大部分数据来自于ERCOT（得州电力可靠性协会），部分观点可能来自统计学家或者专家分析。此外，该报告依据中华人民共和国应急管理部办公厅发布的相应要求^[2]编写（字体、图表、排版以及部分细节等未进行格式规范）。

美国得克萨斯州2·14特别重大电力安全事故调查报告

一、报告开篇和事故性质认定

        2021年得克萨斯州大停电是指美国得克萨斯州在2021年2月中因为极端天气而出现的大规模停电事件。高峰时得州有450万户家庭和企业停电，州内供水设施、食物供应链和网络通讯设施也受到影响。经调查认定，此次大停电事故是一起因寒潮这一直接原因造成的电力安全事故。

二、事故基本情况

        为了更好地分析事故的起因以及影响，充分了解事故发生的地点、时间以及管理单位等关键信息是必需的。

（一）事故发生单位及相关单位概况

        美国电网迄今已有100多年的建设发展历史，最初是由私营和公营电力公司根据各自的负荷和电源分布组成一个个孤立的电网，随后在互利原则基础上通过双边或多边协议、联合经营等方式相互联网，逐步形成了东部、西部和得克萨斯三大联合电网， 这三大联合电网之间仅由少数低容量的直流线路连接，分别占美国售电量的73%、19%和8%。美国的输电网纵横交错，常见的电压等级有765千伏、500千伏、345千伏、230千伏、161千伏、138千伏、115千伏。据美国能源信息署（EIA）统计， 2012年美国200千伏以上高压输电线路有30.7万公里，其中包括约3888公里的765千伏交流输电线路，以及3545 公里±500千伏直流输电线路^[3]。从将各种电力资源可靠地整合到电网，到为北美三分之二的地区协调发电和输电，ISO 和 RTO 使发电与保持照明的需求即时匹配^[4]。

        而本次大停电事故发生地点在美国得克萨斯州，作为该地区的独立系统运营商，ERCOT 在连接超过 52,700 英里输电线路和 1,100 台发电机组（包括专用网络）的电网上安排电力。 它还为竞争激烈的批发大容量电力市场执行财务结算，并管理竞争选择区域中 800 万处场所的零售交换。 ERCOT 是一家会员制 501©(4) 非营利性公司，由董事会管理，并受德克萨斯州公用事业委员会和德克萨斯州立法机构的监督。 其成员包括消费者、合作社、发电商、电力营销商、零售电力供应商、投资者拥有的电力公司、输电和配电供应商以及市政拥有的电力公司^[5]。

（二）事故发生单位安全管理情况

        早在2011年，ERCOT已经存在一套完整的紧急操作，该操作旨在解决 ERCOT 系统可靠性不足且没有显而易见的解决方案的的紧急情况^[6]。

（三）事故发生经过

        2021年2月，得克萨斯州遭遇了一场重大电力危机，这是在2月10日至11日、13-17日、和15-20日横扫美国的三场严冬风暴期间发生的。 风暴引发了德克萨斯州历史上最严重的能源基础设施故障，导致水、食物和热量短缺^[7]。 超过 450 万家庭和企业断电，有的断电好几天。 至少有246人直接或间接丧生，据估计，这场危机造成的死亡人数高达702人。

（四）人员伤亡和直接经济损失情况

        到2月17日，至少有21人死于与冬季风暴有关的原因。 到2月19日，这一数字更新为至少32人死亡，死亡与一氧化碳中毒、车祸、溺水、房屋火灾和体温过低有关。2月21日，死亡人数增加到70人^[8]。据估计，寒潮和冬季风暴造成的损失至少为 1950 亿美元。

（五）其他情况

• 由于管道冻结和爆裂，超过 1200 万人的供水服务中断^[9]。
• 恶劣的天气导致许多消防栓在紧急情况下无法使用。
• 由于停止和启动化石燃料基础设施（例如化工厂和燃料精炼厂）而导致污染物大量释放。
• 得克萨斯州的电网危机已经扩大到不仅仅是一场自然灾害和治理失败。
• COVID-19疫苗的运送被延迟，无法正确储存疫苗的设施被要求将疫苗转移给可以储存疫苗的设施。
• 由于全州持续停电，许多人在家中面临冰冻温度。
• …

三、事故应急处置及评估情况

        从事故发生到结束，政府以及社区的事故应急处置能力以及紧急情况响应速度都对事故范围有着很大影响。

（一）事故信息接报及响应情况

        州长阿博特于2月12日发布了一份灾难声明，据此他动员了包括德克萨斯军事部在内的各个部门进行除雪和援助滞留的驾车者。随着局势的恶化，州长阿博特于2月13日要求发表联邦紧急声明，拜登总统于2月14日批准了该声明。

        为了缓解能源短缺，州长阿博特命令天然气生产商不要将天然气出口到州外，而是在德克萨斯州内销售。他还呼吁 ERCOT 领导人辞职。前众议员 Beto O’Rourke 经营着一家虚拟电话银行，可以联系全州超过780,000名老年人。得克萨斯州科罗拉多市市长蒂姆·博伊德 (Tim Boyd) 发表评论批评市民没有为冬季风暴做准备，并表示：“强者生存，弱者灭亡”后，遭到强烈反对。 他在争议后辞职。

        2月14日，拜登总统宣布德克萨斯州进入紧急状态，授权国土安全部和联邦紧急事务管理局（FEMA）在德克萨斯州全境提供紧急援助。FEMA 向该州发送了 60 台发电机以及水和毯子。

        当地教堂、社区中心和其他地点为受影响的个人开设了暖气站，并要求提供物质和金钱捐赠以帮助受影响的人。几个当地的互助团体以物资的交付和分配作为回应，特别是在受灾最严重的休斯顿和奥斯汀地区。碧昂斯 (Beyoncé) 和瑞茜·威瑟斯彭 (Reese Witherspoon) 等名人与公司合作提供金钱救济，亲自捐款，并向社交媒体粉丝提供捐款链接，以提高救济和意识。 通过他的“我们是德克萨斯”虚拟慈善音乐会，Matthew McConaughey 和他的妻子 Camila Alves McConaughey 筹集了超过 770 万美元，以继续支持受风暴影响的人们。

        国会女议员亚历山大·奥卡西奥-科尔特斯组织了一场筹款活动，为受影响的德克萨斯人提供食物、水和住所，第一天就筹集了 200 万美元。她随后前往休斯敦与志愿者一起帮助康复。 她和其他民主党人一起参观了风暴留下的破坏以及配送中心和交付地点。 最后，她筹集了 470 万美元^[10]。

四、事故原因分析

        德克萨斯州的绝大多数家庭都配备了电加热器，其技术相当于烤面包机烤箱。在最严重的冷锋期间，居民们启动了那些效率低下的单位，有些人甚至打开和打开电烤箱并使用吹风机。结合事故发生的背景以及外内部因素等，事故的直接原因是：寒潮造成电力需求急剧升高，以及得克萨斯州的电力设备没有良好的防冻措施并且极端低温与冻雨天气导致的机组非计划停运、降功率运行及无法开机等发电侧故障。

（一）直接原因分析

        与极端天气相关的强制停电数量可能有多种触发因素，但总的来说，它们似乎分为两大类。这些类别是^[11]：

1. 机组无法启动或维持与气候相关的运行状态，包括基于燃料的设施以及可再生能源（主要是风能）
2. 优先权的减少或丧失将天然气重新分配给燃气设施。

        由极端低温、冻雨天气直接造成的发电侧故障是事故的首要原因。应该指出的是，风能资产受到了极大的关注，但事实表明，所有资源都受到了实质性影响，没有一类资源比其他资源受到的影响更大。结合图2的燃料减额量^[12]注意到天然气以及风能供应占比较大而且都受到了很大影响。

        例如，风机叶片结冰可能导致风电机组非计划停运或降功率运行，发电厂控制和信号装置内测压水柱冻结可能引发装置误动，发电厂给水系统、通风系统、润滑系统等内部液体冻结可能导致设备无法正常工作等。在寒冷潮湿的条件下旋转的风力涡轮机叶片可以在其叶片宽一码的尖端积聚近一英尺厚的冰。这会破坏叶片空气动力学。 这破坏了整个涡轮机的平衡。 根据爱荷华州立大学 Martin C. Jischke 航空航天工程教授和该大学飞机结冰物理学和防/除冰主任 Hui Hu 领导的一项最近发表的实地研究，这可能会中断高达 80%的能源生产^[13]。Hu 从事涡轮叶片结冰的实验室研究已有大约 10 年，包括在独特的 ISU 结冰研究隧道中进行实验。 其中大部分工作得到了爱荷华州能源中心和国家科学基金会的资助。

        一些风力涡轮机确实冻结了，但占该州发电量一半左右的天然气是造成短缺的主要原因。 工厂崩溃了，天然气供应链和管道也崩溃了。

        通常有两个与受恶劣天气事件影响的电网架构相关的组件：弹性和可靠性。电网弹性是承受电网压力事件而不会遭受操作损害或适应压力的能力。这主要是关于电网或电力消费者不会发生什么。 简而言之，弹性是电气系统在不持续断电的情况下应变或变形的能力。另一方面，可靠性是衡量弹性被破坏后的行为的指标。持续中断的开始是从弹性域到可靠性域的过渡点。

        在这个极端的冬季事件中，ERCOT 管理系统以满足在这个极端天气事件发生时 ERCOT 监管、运营和市场限制范围内的可靠性参数，以避免整个系统出现故障。紧急系统措施采用了减载，以避免电气系统完全受损。电网可靠性的主要组成部分之一是资源储备的可用性，可以在发电资源持续中断期间将其部署到电网。在这次事件中，在线发电和资源储备，包括备用和备用发电资源，都受到极端温度的影响，无法满足负荷需求。这反过来又需要减载以维持供需的实时平衡。

        图3中显示的停电容量随着周日风暴的到来而急剧增加，并从周一上午晚些时候到周三中午保持相当稳定。然而，如图4所示，停电的净水平掩盖了整个星期持续的发电可用性波动，在整个活动期间，发电机不断停运和投入使用。

        极寒天气下机组燃料问题导致的发电侧故障是事故的第2个重要原因，而这部分故障中，以天然气为燃料的机组故障占87%，其他燃料导致的故障仅占13%。一方面，极端低温、冻雨天气使得天然气井井口发生冻结，道路交通运输条件也随之恶化，天然气设施的维修无法正常进行，为了防止冰冻带来的影响，部分天然气设施提前关停，这使得天然气产量大幅下降；另一方面，天然气设施的供电，也因极寒天气导致的电厂故障与负荷轮停而面临严重不足，这进一步限制了天然气的生产^[14]。启动负荷轮停时的一大疏忽，恰恰在于没有将天然气设施作为关键负荷，保障其电力供应，导致了“正反馈”式的传播效应。由机组燃料问题引发的大量发电侧故障，与美国中南部及得州区域燃气机组装机容量占比过半以及电-气能源间的紧密耦合（electricity-gas interdependence）是密不可分的。

（二）间接原因分析

        1999年，得克萨斯州设定了可再生能源目标。如今，得州的风能占全美的30%左右。但此次供电系统的崩溃则使人们开始质疑得州的电力系统设计与其不断推进的可再生能源计划是否有一定风险。部分责任归咎于德克萨斯州电力市场的独特设计。 在美国 48 个相邻的州中，它是唯一一个拥有自己独立电网的州——得克萨斯互联。 这意味着当发电机发生故障时，该州无法从境外进口电力。但是即使存在跨州调节的可能性，与ERCOT相邻的SPP和MISO也因极寒天气而面临电力供应紧张，且彼此间的传输线也受天气影响多遇故障，导致ERCOT至多仅能从相邻电网受入略超100万千瓦的电力，也难以有效缓解电力供应危机。

        美国两党政客数十年以来一直在推动的对可再生能源的补贴，使得电网变得不稳定。与风能相较，煤炭和核能受到更严格的监管，这使得州等多地的燃煤电厂因缺乏竞争力而关闭。过去10年里，全美停止运营的燃煤电厂大约可为6000万户家庭提供电力。此外，许多核电站也陆续关闭。然而，电网对风能和太阳能等间歇性可再生能源的依赖程度越高，在供需发生巨大变化时的稳定性就越低。在质疑者看来，得州此次的电网崩溃显示出了可再生能源的风险与局限性。那么，寒潮过后该州面临着两个主要问题：是否要增加电力储备能力，以及如何确保电力设备应对极端天气的能力。

五、有关责任单位存在的主要问题

（一）事故单位

        运营电网的德克萨斯州电力可靠性委员会 (ercot) 没有正确预测风暴导致的能源需求是导致这次事故的一个潜在原因。 有人说这几乎是无法预测的，但在前一周就有关于即将到来的恶劣天气的警告，而 ercot 的预测非常短。 能源投资银行 Tudor, Pickering, Holt & Co (tph) 的乔治·奥利里 (George O’Leary) 表示，去年夏天的限电已经表明电网缺乏过剩产能^[15]。

        负荷的持续激增及发电机组的大面积停运使得整个电力系统的频率不断下降，在2月15日凌晨12点18分系统频率已降至正常线以下，因此，ERCOT在凌晨1点20分启动了两轮100万千瓦的负荷轮停，但频率仍在降低，情况最坏时留给ERCOT处理频率过低问题的时间只剩9分钟，否则将可能触发1700万千瓦的机组因频率过低而停机，并导致系统大停电。可见，ERCOT当时采取大规模的负荷轮停亦是无奈之举。

        在此事件之前，ERCOT 服务区域在 2011 年 2 月的第一周以及 1983 年、1989 年、2003 年、2006 年、2008 年和 2010 年经历了类似的极端寒冷天气事件。以下内容总结在执行摘要中2011 年 FERC 员工报告^[16]：

        从本质上讲，该报告的结果似乎与2021年极端冬季风暴事件的结果一致。该报告的建议包括26条建议，以提高极端冬季天气事件期间的可靠性能。2011年和2021年极端天气事件的发生时间（2月）和类型都相似。然而，在2021年，由于强制停电以及由于强制停电而无法使用的机组总数，发电量损失明显增加。在2021年的活动期间，供不应求导致的频率偏差变得更加严重。鉴于建议是在2011年事件之后制定的，问题仍然是为什么类似的事件会产生类似的结果，但应该指出的是，2021年的事件在低温方面更为“极端”。

（二）有关监管部门

        根据 PJM 的强制执行标准，《联邦电力法》第 215 条要求电力可靠性组织 (ERO) 制定强制性和可执行的可靠性标准，这些标准须经 FERC 审查和批准。 根据委员会批准的与可靠性标准相关的 NERC 实施计划，委员会批准的可靠性标准在美国成为强制性的和可执行的。 根据 2005 年能源政策法案 (EPAct 2005)，国会通过添加与电网可靠性相关的新第 215 条，扩大了 FERC 在联邦电力法案 (FPA) 下的作用和管辖权。 FPA 第 215(e) 节授权委员会或电力可靠性组织（由 FERC 审查）对违反可靠性标准的大容量电力系统的用户、所有者或运营商处以罚款。

        由于 ERCOT 独立系统运营商管理的输电网仅位于德克萨斯州内，并未与美国其他地区同步互连，因此完全在 ERCOT 内发生的电能传输在某些情况下不受委员会管辖 《联邦权力法》的执行部分。 大容量电力系统的可靠性已通过 NERC 与 Texas RE 之间的授权协议进行授权，该协议将合规性和执法权授予 Texas RE，以确保大容量电力系统维持 NERC 可靠性标准。 确定 Texas RE 是否具有关于发电设施风化的合规和执法权限需要对 NERC 和 Texas RE 之间的 ERO 协议中的陈述进行更详细的评估。

六、事故主要教训

        从1983年到2021年，相对于我国连续三十年无大停电事故，如此高频率的停电已经不是偶然因素导致。尽管事故后有应急处置、原因分析、后续调查等一系列流程化措施，但是数十年来仍得不到有效改观，甚至截至 2022 年 1 月，电力系统几乎没有变化，德克萨斯州仍然面临另一场冬季风暴中大停电的风险^[17]。

        对于发电侧以及天然气供给侧均应在寒潮到来前做充足得组合预测，提前准备应急人员与建立互助项目等。虽然分散式电网管理体制增加电网规划、建设、运营协调难度，不利于电网协调可持续发展，以及美国电网产权分散、 管理分散，形成区域化发展格局，难以整合成协调统一的全国性电网。但是多年来相关企业得预测不准确及时以及事后设备改建不充分等要素共同导致了这次事故，只有相关企业能够加大改进力度，才能避免再次发生大面积停电事故。

七、事故整改和防范措施

（一）对发电侧的建议

1. 发电机所有者（Generator Owner，GO）应负责辨识容易受寒冷天气影响的发电设备或系统。
2. 发电机所有者应对易受严寒影响的设备或系统明确并执行防冻保护措施，并每隔一段时间分析设备系统是否变化，是否需要额外的防冻措施。
3. 发电机所有者在提供运行温度数据时需同时考虑降雨及冷风对机组运行的影响。
4. 发电机所有者应审查出现故障的机组并制定修正行动方案（Corrective Action Plan，CAP），进一步修订往后的寒冷天气应对计划。
5. 发电机所有者与发电机运行人员（Generator Operators，GOP）每年对每台机组都应开展针对寒冷天气预防计划的测试。
6. 发电机所有者应改造现有机组，使其在规定温度与天气条件下（参考该地区的历史极端温度与天气）能够正常运行。
7. 在计算寒冷天气下的可信容量并用于紧急运行调度时，发电机所有者应综合天然气的供应情况向功率平衡责任主体（Balancing Authorities，BA）提供可靠的可信容量预测，功率平衡责任主体应进一步综合自身判断向可靠性协调机构（Reliability Coordinators，RC）提供可靠预测，并据此制定应急管理计划。
8. 发电机所有者应至少在入冬前、冬季中、收到极端天气的预报等时点，定期检查并维护机组的防冻措施。
9. 为了向功率平衡责任主体提供准确信息，发电机所有者及发电机运行人员应明确所有与发电机组使用的天然气的购买和运输相关的可靠性风险。
10. 发电机所有者应综合考虑极寒天气下机械压力、热循环疲劳、热压力等对过滤器、锅炉、管道、布线等部件与系统的影响，并制定措施预防极寒天气下的机械与电气故障。
11. 发电机所有者在极寒天气来临前应考虑天气预测制定发电机组的运行计划，尽可能降低严寒天气对机组出力及可靠性的影响。
12. 发电机所有者应检查发电机低频继电器、机组平衡继电器以及与控制系统相关的调节参数的设置是否匹配，避免导致发电机组在低频或频率变化过快的情况下跳闸。

（二）对天然气供给的建议

1. 国会、立法机构以及天然气设施管制机构，应要求天然气设施制定寒冷天气预防计划，包括如何应对特定的寒冷天气并运行。
2. 天然气设施应采取保护措施以应对冰冻等其他寒冷天气情况，包括脆弱设备防冻、准备充足应急人员、建立互助项目等。
3. 天然气生产设施的所有者或运营商应升级其检测控制与数据采集系统，以便在紧急情况下实时地增加或减少其产量。
4. 由FERC牵头，组织对天然气基础设施拥有管制权的单位与区域可靠性组织等单位，建立多方论坛讨论方案以提升支撑电力系统生产的天然气基础设施的运行可靠性，讨论问题包括天然气系统的信息是否需要向电力系统共享、天然气系统防冻措施的合理补偿途径、天然气储存设备是否需要增加等。
5. 功率平衡责任主体禁止关键天然气基础设施（电）负荷的需求侧响应项目，避免因需求响应项目导致天然气产量下降。
6. 功率平衡责任主体与输电系统操作员（Transmission Operators，TOP）允许天然气基础设施辨识关键（电）负荷，禁止人工削减其关键负荷，负荷削减机构将这些关键负荷纳入计划方案并避免削减其负荷。

（三）对其他机构及政府部门的建议

1. 独立系统运营商（Independent System Operator, ISO）/区域输电组织（Regional Transmission Organization, RTO）及公用事业委员会应当设计合理的市场机制，补偿发电机所有者进行机组防冻改造、翻新或设计新机组时的成本。
2. 在可靠性标准修改完成前的过渡时期，FERC、NERC及区域电力可靠性组织（Regional Entities），应当组织具备应对极寒天气经验的工作人员召开技术研讨会议，就如何提升机组防冻能力开展讨论。
3. 规划协调机构（Planning Coordinators）应当拟定更准确的冬季系统备用边界计算流程，采用真实的冬季历史峰值负荷进行计算，同时重新考虑极寒天气下，燃气机组与风电机组的真实可用容量。
4. 输电资产拥有者（Transmission Owners，TO）、输电系统操作员，应当与配电提供商（Distribution Providers，DP）、可靠性协调机构合作，评估并改进所拟定的人工负荷轮停计划。
5. 州立、联邦与当地责任主体，应当考虑成立紧急事故响应中心，为电–气耦合能源系统应对极端天气事件做好充足准备。
6. 功率平衡责任主体应当雇用了解天气-负荷间关联的员工，扩大其短期负荷预测的范围，采用多种预测模型、多个气象数据源，考虑区域间差异性及分布式可再生能源影响，提高短期负荷预测的精度。
7. ISO/RTO及州立公共事业委员会、立法机关应当设计合理的市场机制，对可在短时间内快速响应的需求侧管理资源，供电短缺时的关键性需求响应资源，提高能源利用效率的措施等进行奖励。
8. 邻近的可靠性协调机构、功率平衡责任主体以及输电系统操作员，应当进行区域间双向季节性潮流转移的仿真计算；可靠性协调机构、输电系统操作员与配电提供商，应当定期自行开展负荷轮停场景的仿真计算，以便调度员更好地应对极寒天气。
9. 规划协调机构、输电资产拥有者、输电系统操作员应当与发电机所有者、发电机运行人员进行协商，确保机组延时保护系统与电网低频减载装置之间的协调一致，由区域电力可靠性组织进行检查。
10. 功率平衡责任主体、可靠性协调机构、输电系统操作员应当完善紧急事故报告机制，缩短发电机所有者、发电机运行人员与输电系统操作员报告发输电故障的时间。
11. 管理天然气设施的联邦、州立相关机构，应当合作开展研究，如何制定合理的措施进一步保障极寒天气下的天然气供给。
12. ERCOT应当开展研究，评估ERCOT区域电网与邻近区域电网之间新建联络线的必要性。
13. FERC-NERC-区域电力可靠性组织团队应当开展研究，评估ERCOT在极寒天气条件下黑启动机组的可用性，并与发电机所有者合作研究ERCOT历史上发生的低频事件及重要的频率扰动事件。
14. 可靠性协调机构、功率平衡责任主体、区域电力可靠性组织、输电系统操作员、输电资产拥有者、配电提供商，以及一个或多个代表美国天然气设施的机构，应当合作研究如何辨识关键的天然气设施负荷，从而更好地应对极寒天气。

（四）附：其他分析

        回溯整个事件，美国作为经济强国，但只有“世界第三”级别的电网结构。同时，美国电网基础设施建设严重不足，部分政客不断推行新能源发电，但是并网支出分配不均加重开发商负担，导致可再生能源发电装机增速远不及脱碳需求。得州的停电事故，反映了调度机构对于发电机组的可调电力电量评估存在缺陷。

        同样处于美国中南部地区，SPP和MISO这2个区域电网由于与其他区域电网之间有较强的联络线连接、存在较为充分的功率交换，在此次极寒天气中，电力系统受到的影响较轻；而ERCOT则遭受了沉重的打击。其中一个重要原因是ERCOT仅有略超100万千瓦的直流联络线与外网相连。一正一反两个案例，使跨区电网的作用价值不辩自明。而近年来美国电网面临输电网投资不足、可再生能源消纳困难、电网安全可靠性有待提高等问题。 美国输电网投资不足、建设缓慢。美国输电网投资自上世纪70年代以来一直裹足不前，而且长期滞后于电力需求和发电容量的增长。由于输电投资水平低，跨州、跨区电网联系薄弱，输电能力不足，造成了输电瓶颈， 使拥有廉价电的州无法送至电力缺乏的州，所以美国亟须建设新的输电线路。美国输电网投资不足的原因包括两方面，一是跨州输电项目建设需要多个州的监管部门同意，有时还要多个联邦政府部门同意，审批程序复杂、审批时间长、获得批准难；二是输电项目投资回报低、建设周期长，与其他领域相比缺乏投资吸引力，影响了输电项目建设资金的筹集。

        ERCOT如果不采取负荷轮停措施，得州或将酿成更大范围的停电事故，而一旦发生大停电，部分黑启动机组由于缺乏天然气燃料，将无法有效发挥黑启动的功能，后果将变得更为严重。这为电力系统的规划、运行提供了启示，即需要适度增加天然气等燃料储备，尤其对于黑启动机组的燃料储备。同时，应适度增加配置长时间储能设施，如季节性储能、氢储能等，以应对极端天气下长时间的容量缺额和电量不足风险。但是除FERC活动外，迄今为止，美国涉及储能的联邦政策已被限制，涉及储能的大多数政策行动都处于州一级。国家一级的政策行动包括制定采购任务、制定激励措施，以及要求将储能纳入长期规划机制。

        新能源发电方面，《光伏未来研究》报告是美国能源部与美国国家可再生能源实验室共同发布的。其中指出，到2035年，如果要实现95%零碳电网目标的话，美国至少需要10亿千瓦的光伏装机容量；而达成净零排放目标，到2050年美国需要至少 30 亿千瓦的光伏装机。届时，美国光伏产业将满足全国至少 40%的电力供给。2020 年，美国全年实际上仅新增了1500万千瓦光伏装机，截至2020年底，美国累计光伏装机总量仅占全美电力供应总量的3%左右，远不及目标所需。能源互联网的特征之一是不同能源形式之间的深度融合。此次得州的停电事故，揭示了电力系统与天然气系统这2个重要基础设施之间的耦合程度日益加深，亟待研究二者之间深层次相互影响机理。

        复杂的分布式管理加上美国联邦体制下难以整合形成协调统一的全国性电网。美国实行自由竞争的市场经济体制，美国电网建立在私有化基础上，由不同所有权属的电网逐步互联发展起来，由于输电网产权分散、难以整合，至今难以形成全国性电网。美国联邦政治体制下，各州电网监管权限大，而联邦职责有限， 电网发展主要由各州主导，各州更多从各自利益出发，很难实现从全国能源布局及资源优化配置高度统筹规划电网发展。

        美国电网经过百年发展，1950年代就基本定型，70年代后得建设投资就已经陷入停滞状态。受制于“散装电网”的州绝不止得州一家，整个美国的电力系统都是分散个体的集合体。此外，市场利润的下滑以及动辄十年的项目审批建设时间都导致了私人企业在供电这个事关国计民生大事上的漠不关心。当然也没有企业愿意关心基础电力设施的维修、完善以及更新等。早在2014年，美国前能源部部长比尔·理查森已经在强调：“如果希望尽快享受到电力多样化的优势，美国必须抓紧整理电网结构，尤其是太阳能和风能。”同时，他也看到中国特高压输电技术这一项超前的输电技术，但是事实上像美国这样以利润最大化作为追求目标，同时牺牲公共风险，这种因为体制原因所带来的一系列问题是无法仅仅通过学习、效仿技术解决的^[18]。

        尽管大额花销、政治障碍等问题尚待解决，但改善破旧的电网系统已经势在必行，美国必须坚定地展开行动。就像美国前总统艾森豪威尔大手一挥，发展跨州高速公路一样，华盛顿必须保证国内拥有可靠而高效的电力系统，避免老旧低效的电网成为阻碍美国经济和产业发展的“绊脚石”。由此看来，美国的电网系统还有很长一段路要走。

八、参考资料

[1] 51878_ERCOT_Letter_re_Preliminary_Report_on_Outage_Causes https://www.ercot.com/files/docs/2021/04/06/51878_ERCOT_Letter_re_Preliminary_Report_on_Outage_Causes.pdf

[2] 应急管理部办公厅关于印发《生产安全事故调查报告编制指南（试行）》的通知 https://www.mem.gov.cn/gk/zfxxgkpt/fdzdgknr/202303/t20230316_444990.shtml

[3] 张晓萱,马莉.各自为政的美国电网[J].国家电网,2014(03):74-76.

[4] ISO/RTO COUNCIL – Coming together to create a smarter & stronger North American power grid https://isorto.org/

[5] Electric Reliability Council of Texas https://www.ercot.com/

[6] ML11231A769 https://www.nrc.gov/docs/ML1123/ML11231A769.pdf

[7] 2021-Winter-Storm-Uri-AAR-Findings-Report https://www.austintexas.gov/sites/default/files/files/HSEM/2021-Winter-Storm-Uri-AAR-Findings-Report.pdf

[8] Close to 70 dead in states with severe winter weather: report | The Hill https://thehill.com/homenews/state-watch/539751-as-temperatures-expected-to-warm-approximately-70-dead-from-severe/

[9] Texas water shortage adds to power crisis as new winter storm moves in https://www.nbcnews.com/news/us-news/texas-contending-water-nightmare-top-power-crisis-n1258208

[10] 2021 Texas power crisis - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/2021_Texas_power_crisis

[11] Assessment-of-Energy-System-Reliability-Failures-During-the-Extreme-Cold-Weather-Event-in-the-ERCOT-Region-PDF https://assets.jsheld.com/uploads/Assessment-of-Energy-System-Reliability-Failures-During-the-Extreme-Cold-Weather-Event-in-the-ERCOT-Region-PDF.pdf

[12] February 2021 Extreme Weather Event https://www.ercot.com/news/february2021

[13] Field study shows icing can cost wind turbines up to 80% of power production – ScienceDaily https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210304161058.htm

[14] The February 2021 Cold Weather Outages in Texas and the South Central United States | FERC, NERC and Regional Entity Staff Report | Federal Energy Regulatory Commission https://www.ferc.gov/media/february-2021-cold-weather-outages-texas-and-south-central-united-states-ferc-nerc-and)

[16] The freeze in Texas exposes America’s infrastructural failings | The Economist https://www.economist.com/united-states/2021/02/17/the-freeze-in-texas-exposes-americas-infrastructural-failings

[15] Report on outages and curtailments during the Southwest cold weather event https://cmsstage.ferc.gov/sites/default/files/2020-07/OutagesandCurtailmentsDuringtheSouthwestColdWeatherEventofFebruary1-5-2011.pdf

[17] The Texas Electric Grid Failure Was a Warm-up – Texas Monthly https://www.texasmonthly.com/news-politics/texas-electric-grid-failure-warm-up/

[18] 比尔·理查森,王林. 中国特高压——美国电网的救赎[N]. 中国能源报,2014-01-20(009).

九、后记

        本次报告的完成，首先需要感谢我的父母，李宇浩、詹逸宝、葛薪茂同学等，他们提供了部分相关想法建议。同时，高电压技术教师张文婷以及研究生学长刘伟对于本次报告部分格式和内容的勘误也使本次报告更加完善。再次对能够阅读本报告并提出建议的有关人士表达衷心的谢意！

        再者，我想感谢我的电力系统继电保护II课程的任课教师李欣，通过这次作业，我阅读了很多关于美国电力系统历史的资料。同时，相比于事故调查报告、这份报告更像是事故调查综述。想要了解更多信息可以阅读FERC、NERC以及6所区域可靠性机构（Midwest Reliability Organization, Northeast Power Coordinating Council, ReliabilityFirst Corporation, SERC Corporation, Texas Reliability Entity and Western Electricity Coordinating Council）共同组成的调查委员会于美国当地时间2021年11月16日发布的长达316页的停电事故分析报告（见参考资料第14条）。在官方报告中有细节到电力单元的事故报告，比如4%的故障是由极端低温、冻雨天气直接造成的，31%的故障与发电机组的燃料密切相关。还有21%为与低温相关的机组内部机械系统、电气系统故障，如系统零部件在低温下发生的脆裂；仅有2%的故障是与输配电系统相关的电网侧故障等等关于事故更详细的信息。

        第二次世界大战结束后，美国的制造业曾经达到近全球制造业的50%。制造业曾经是美国经济的支柱，但近年来面临着许多挑战，如国际竞争、技术变革和全球化等。因此，美国经济逐渐向服务业和科技业等高附加值领域转移。但是近年来美国对于各种产品的金融化、高端化导致轻工业和加工产业，工业产业链不完整，生产加工和一部分工业转移到亚洲。虽然高新技术产业以及服务业全球领先，但是大多数重工业产业空心化，这种整体的产业结构目前来看属于亚健康的状态。资本导向性质严重的美国如果不加强建设基础设施、加快完善整体产业链，那么一旦受到任何外部因素的影响导致高附加值产业削弱，最终叫苦的只能是美国的普通人民。相比之下，中国目前大力发展实体经济，稳健发展金融，要实现国内大循环的战略就是为了规避这种产业结构偏科所造成的风险，创造更多的就业机会的同时不断创新和改进技术，以提高生产效率和产品质量，从而保持竞争力。这种技术进步不仅有利于实体经济本身的发展，也可以带动整个经济的技术进步。在防止经济区域分化和产业集中度过高的同时，为国家的经济发展带来更多机遇和挑战。