随着圣华金河谷越来越热，关于未来电网可靠性的问题出现了

这个秋天，数百万加州人没有权力而且野火夺走了家园和生计，加州脆弱的电网成为焦点。我们深深依赖它来驱动我们房屋，企业，学校，医疗保健而且医疗设备，及其他关键服务也变得痛苦而清晰。可以理解，目前的焦点是电网对野火的抵御能力．

不幸的现实是，野火风险只是故事的一部分。热浪，干旱,洪水影响电网的情况会变得更加频繁和严重加州而且全国范围内——如果温室气体排放仍未得到控制。热浪还可能与野火同时发生，增加电网的风险。这就提出了一个重要的问题，即电网是否准备好应对今天和未来更极端的情况。

在UCS，我们想知道到本世纪中叶，如果没有适应和全球行动来减少温室气体排放，加剧的热浪和极端高温会对加州圣华金河谷(SJV或山谷)地区的电网可靠性造成什么风险(如果有的话)。

这个博客描述了我们对极端高温风险的分析对不同网格组件使用信息在线;我们对用电量的调查结果变压器和输电线路；而且关于气候准备的未决问题网格的各个部分。我们还做了几个建议提高电网的应变能力和可靠性。

我们的分析表明，如果不采取适应和全球行动减少温室气体排放，到本世纪中叶，高温将增加新建(或旧的)学校或住宅的用电量与此同时这可能会限制电网提供足够能源来满足这些需求的能力。这意味着已经压力很大的电网可能没有足够的缓冲来吸收干扰和防止服务中断。评估威胁的全部程度需要来自公用事业公司的额外分析和信息，我们将在下面描述。我们还有几个剩余的问题，关于电网的状况和准备情况，以应对未来更多与热相关的气候变化和极端事件。无论如何，我们知道公用事业和电网运营商必须设计、规划和运营电网，以应对本世纪中叶及以后气温上升的影响。

圣华金河谷的电网已经脆弱不堪

我们之所以关注硅谷，是因为它是加州发展最快的地区之一，同时也是一个面临高贫困率挑战的地区。它是该州最温暖的地区之一，甚至根据气候模型预测白天和夜间温度较高而且更频繁和强烈的热浪到本世纪中叶。许多居民已经易患与热有关的疾病．可靠、安全、可负担的电力将是关键防止中暑，中暑，甚至死亡．

电网的状况和设计影响其承受和适应极端气候的能力。公用事业公司通常不会分享有关电网的年龄或状况的信息，所以我们在网上找到的信息很少。然而,一个国家调查发现最近与营火有关的事件“表明PG&E(注:太平洋燃气电力公司是该地区最大的公用事业公司)传输设施的整体检查和维护不足。”媒体也广泛报道一些公用事业投资不足在加州的电力系统中

我们也知道，工程师在设计电网时，传统的假设是，过去的气候和天气趋势可以合理预测未来的情况。由于全球变暖，这是一个188金宝搏手机版越来越无效的假设．就在今年早些时候，与高温有关的设备故障导致硅谷停电。像输电线这样的电网基础设施寿命很长(平均寿命为50年)，所以何时建造很重要。今天的电网还面临着其他的压力因素，这些因素在设计时并没有考虑到，这可能会加剧其脆弱性。

为SJV服务的两家主要公用事业公司，太平洋天然气和电力公司(PG&E)和南加州爱迪生公司(SCE)已经采取了一些措施来升级他们的电网资产，以应对过去的极端事件。但正如我们在解决方案部分所描述的那样管理社区而且公用事业公司自己也承认- - - - - -我们必须采取更多行动。

家庭和学校将面临更高的制冷用电量

使用气候调整后的用电量数据根据加州大学欧文分校体育博士Brian Tarroja教授提供的数据，我们估计了到本世纪中叶，在新建成的K-12学校和住宅中，由于温度上升，用于空间冷却的用电量(每年、每月和峰值)的增长百分比。用电量的增加可能导致能源账单的增加¹以及电网负荷的增加，除非通过现场发电和/或能源效率和节能来抵消。

能源账单是第二高的住房成本房租或抵押贷款后。对支付能力的担忧可能意味着低收入家庭，他们已经花费了大量资金他们收入的很大一部分在能源方面，当气温飙升时，你面临着开空调还是花钱买其他东西的艰难选择。这对于那些倾向于住在公寓里的低收入租房者来说尤其如此旧的，低效的住房在城市最热的地方．

同样，老学校也经常这样做“过时的、低效的、故障的”暖通空调它的使用可以构成学区电费的很大一部分。虽然关于全州公立K-12学校设施的特征的信息很少，但我们知道，在2012年，这一比例为30%50岁以上当时该州的能源效率法规尚未生效。²

与历史水平(2000-2010年)相比，年用电量用于空间冷却预计到本世纪中叶将增加20- 29%的住宅。学校的学费将增加30%至39%。(范围分别代表SJV南部和SJV北部。)这些变化是基于来自高分辨率气候模式假设全球没有采取行动减少温室气体排放(或RCP 8.5情景)。^3.

我们还研究了每月的情况总计九月份是暖季学校开学的第一个完整月份。到本世纪中叶，由于温度上升对太空冷却的影响而增加的百分比如下图所示。不足为奇的是，5月和10月的电费也将上涨，但幅度较小。月峰值负荷也会增加，这可能会对电费产生影响。鉴于其假设，该分析可能低估了老旧家庭和学校的用电量增长。

变压器和输电线路的容量可能会减少，无法在客户最需要的时候为他们供电

随着气候变化导致气温升高，电力需求的增加只是硅谷面临的问题之一。非常炎热的白天(和夜晚)，再加上满足空调需求的高负荷，会使输电线路和变压器达到甚至超过其设计极限。热浪会导致容量降低(或功率传输能力)，寿命缩短，甚至出现故障．如果冷却用电需求飙升，而设备已经在额定容量或接近额定容量运行，而没有风扇或几乎没有风来冷却它们，那么问题就更大了。（这里有更多有关极端温度如何影响变压器和输电线路的信息。)例如，在2006年7月加州的热浪中，超过2000个配电线路变压器故障导致约130万用户断电。⁴

公用事业公司和电网运营商努力在电力系统中建立冗余，这样这样的故障就不会导致服务中断。随着排放量的增加，这意味着要充分规划和运行电网，以应对更长时间、更频繁、更严重和更广泛的极端高温事件。

我们想知道气温上升将如何改变硅谷变压器和输电线路的容量，并在缺乏适应能力的情况下增加设备损坏或故障的风险。我们估计到本世纪中叶，环境温度超过设备额定温度的频率。一台设备的额定值，或它可以安全提供的最大电流和电压，取决于几个假设，包括最大正常工作温度，⁵冷却，环境温度等。因此，温度超过额定温度的天数可以作为满载或接近满载设备超过正常热极限风险增加的天数的代理，假设很少或没有风。我们使用了环境温度数据高分辨率气候模式开发的皮尔斯，卡扬和德汉在两种排放情景下(不采取全球行动减少温室气体排放(RCP 8.5)和采取缓慢行动(RCP 4.5))，对历史时期(1975-2005)和本世纪中叶(2035-2064)进行了预测。更多关于具体警告的信息可以在这里找到。

如果变压器和输电线路的运行时间过长，超过了它们的设计极限，它们就会过热冒着损坏甚至失败的风险。如资产管理策略所述，为了避免这种结果，降低了该设备的可用容量。炎热天气的其他影响包括电线损耗增加，以及由于输电线路和发电机受到限制而导致的电力成本上升。

变形金刚

变压器的额定温度是24小时的平均值86°F(绝对温度在任何时候都不超过104°F)基于行业标准，而不是缺少特定用途的信息。到本世纪中叶，SJV中高于这一温度的天数将变得更加频繁。变压器绝缘的累积恶化会导致故障，因此这些极端温度天的严重程度和频率很重要。我们获得了变压器所在的变电站的数据。

如下图所示，该地区超过40%的变电站(580个中的230个)每年将面临超过额定值温度阈值的至少30天或更多天86°F到本世纪中叶，如果不采取减排行动。从历史上看，绝大多数变电站每年都有一天或没有这样的中位数。

公共数据和信息的缺失使我们无法预测可能会发生哪些具体的容量削减，以使变压器保持在热限制内并将损坏降至最低。我们向公用事业和机构提出以下问题:

• 有多少变压器配备了足够的冷却装置以避免过热?CEC变电站数据集没有此信息。
• 在内陆地区，电力公司使用什么环境温度来确定变压器额定值?考虑到现在白天和晚上的温度都比过去高，而且将来会更热，这样做合适吗?
• 电流互感器的使用年限和状况如何?

尽管存在这些差距，但我们的分析清楚地表明，监管机构应该向公用事业公司提出这些问题，以更好地了解他们如何以透明的方式为未来状况做规划。

输电线路

对于输电线路，我们使用的日最高温度为109°F基于PG&E对内陆航线的评级方法。⁶如果不采取行动减少碳排放，到本世纪中叶，输电线路暴露在超过109华氏度的环境温度下的频率将大大增加。线路运行受环境温度、风和其他因素的影响，受到运行温度最高的线路区段的限制。

尽管历史上没有线路在环境温度超过109°F的情况下每年经历超过一周的时间，但山谷中近90条架空线路(SJV 9500英里中的1700英里)将暴露在高于这一温度的两周以上。缓慢的行动将导致只有两条线路(共计70英里)面临超过14天的暴露时间，到本世纪中叶，170条线路(2600英里)每年暴露7-14天。在这些闷热的天气里，空调需求上升，而且几乎没有风，满载的线路尤其面临运力下降的风险。具有可用补偿能力的冗余线路将是至关重要的，但不断增加和更广泛的热浪(局部和局部)地区)会同时强调很多行。

温室气体排放带来的另一个挑战是连续出现更多极端炎热的白天和温暖的夜晚。夜间温度较高会影响线的能力吗冷却一夜并在第二天负荷增加前恢复。

与变压器一样，一些重要的公共数据和信息缺口使我们无法量化在不采取行动和缓慢采取行动的情况下可能减少的容量。⁷最近的研究有助于阐明一些问题，一项研究估计，气温升高9华氏度将导致降幅高达7.5%或更多在满载的传输线上，这取决于假设。同一项研究预计变压器容量将平均减少2- 3%，而另一项研究发现，变压器容量将减少2%每1°C，变压器寿命降低10%提高环境温度。另一项研究呼吁更多的研究气候对输电系统的影响。我们有几个问题无法找到公开数据。

• 在SJV的特定部分使用哪些导体?最高允许温度因导体而异，但网上没有这一信息。
• 线路的预计峰值负荷是多少?运营商目前在多大程度上使用实时天气条件(动态热额定值或环境调整额定值)来确定最佳电流，而不是按季节评级?
• SJV的线路情况如何?它们有多冗余⁸，冗余计划是否考虑到这些温度?

SJV的未来更多区域性热浪更热的白天和夜晚提出了一个重要的问题:使用109°F来进行评级和传输规划以最大限度地降低风险是否仍然合适。

分销系统

从历史上看，大多数中断都是由于本地分布系统上的事件造成的．与传输中断相比，它们的规模往往较小，成本也更低，但其影响仍然非常现实，特别是在人们的资源和应对能力较低的情况下。据多位专家介绍，处于高温和高负荷下的变压器往往是配电系统中的限制设备，而不是线路。我们估算了每个城市的环境温度超过24小时平均温度86°F的天数，以了解城市配电变压器的风险，如下图所示。

发电机可能会降低效率和容量

炎热的天气使得能量转化为电能的效率降低，输出也更低。许多研究量化了潜在的减少。最近一项关于联合循环发电厂的研究假设容量减少为每摄氏度低于0.5%高于发电机额定温度。另一个在太阳能光伏板发现的效率会随着温度的升高而略有下降。微小的个人变化可能会变成越来越重要的因为加州越来越依赖清洁能源为其电网供电。水力发电的减少主要是由于冬季和春季较暖的温度对积雪和融雪的影响，而不是夏季的极端温度。

今天的解决方案

公用事业、电网运营商和规划者需要为不断增加的气候变化和极端天气的影响做好计划，特别是对输电线路等长期投资。如果温室气体排放量继续上升，电网和电力客户面临的极端炎热昼夜的数量和严重程度将大幅增加。几个悬而未决的问题的答案将有助于澄清电力系统为硅谷更热的未来做好了多少准备。

幸运的是，目前有许多技术和操作解决方案可以使电网更适应气候变化。以下与热有关的建议也有助于提高电网应对其他气候影响的能力:

• “Non-wires”解决方案减少对输电线路和变压器的依赖并使能源多样化，例如分布式能源，存储,芯片；更广泛地实施能效;以及灵活的需求解决方案。清洁能源方法还有减少温室气体排放和防止电价冲击的额外好处。这些解决方案应该惠及硅谷的弱势群体。

• 更新的网格技术和操作和维护实践。如果他们还没有这样做，公用事业公司应该在本世纪中叶量化极端高温对其输配电系统的风险。应更新热限制，以考虑更频繁、更严重和持续时间更长的热事件。公用事业公司应考虑智能电网技术和操作方法，以提高现有电力线路和变压器的容量和效率(例如，冷却系统，高容量线路的再导，动态热额定值或环境调整额定值)．他们还应该投入更多的资源用于电网监测(包括组件和天气状况)和维护。

• 修订了电网、建筑物和电器的设计和设备标准以及规划方法。他们应该更好地考虑到项目生命周期中更强烈和持续时间更长的高温事件的影响和时间，包括更长的规划时间线，并提高能源效率。将气候影响纳入关键规划过程和文件的具体规划时间表、标准和其他方法综合能源政策报告，传播计划及综合资源计划)，应接受外部专家评审，以确保其适当及严谨。

• 扩展的项目提供向低收入和固定收入家庭提供冷却援助．加州的一些项目数百万美元未花．地方和州机构应利用翻译成当地相关语言的材料，改进这些项目的外联工作。

• 基础设施决策过程更具包容性和透明度。私营部门、公用事业部门和政府部门应该雇用社区参与最佳实践鼓励服务不足和边缘化群体以及最易受高温影响的群体参与，确保投资满足他们的需求。否则，这些决定可能会无意中伤害这些社区，并使现有的不平等长期存在或恶化。

虽然加州的公用事业公司已经在上述几项建议上取得了一些进展，但他们还承认还有更多工作要做．加州公共事业委员会也举行了一次推进电力部门的气候适应工作．电网的更新不应给纳税人造成不适当的负担;相反，它们应该得到对需求的有力分析的支持，以确保它们物有所值，而不是“镀金”。

一个更有弹性、更公平的电网对于更安全的未来至关重要，但它本身不足以长期保护人们免受高温的影响。全球碳排放也必须迅速大幅减少(包括在美国)，与《巴黎协定》的目标保持一致，或者在理想情况下超越。加州设定了一个目标到2045年实现碳中和这将要求其经济彻底转型。更清洁、更智能的电网和更高效的建筑将在实现这一目标和增强抵御能力方面发挥关键作用。

总和大于部分

持续排放的吸热气体将使本已紧张的电网进一步升温，使其运行更接近——甚至可能超过——其极限。非常热、长时间和广泛的热事件增加了冷却用电，并同时影响多个电网组件。虽然网格上的每个影响都是可控的，它们的综合影响电力系统吸收干扰和防止服务中断的能力可能很重要，可能会带来可怕的后果，如未在网格规划和操作。

要避免极端温度对电网的所有负面影响是不可能的，但如果电力基础设施、规划和运营实践能够适应气候变化、低碳和公平，则风险可以降至最低，纳税人的钱也可以更明智地使用。SJV在未来几十年的预计增长为重塑电网提供了一个重要的机会，以更好地保护和满足危险高温事件期间不断增长的人口的需求。当电网运营商和规划者努力确保不可避免的设备故障不会导致停电时，他们必须为未来日益变化和极端的气候做出相应的规划。

我们没有找到足够的答案来让我们放心，极端炎热的昼夜和热浪对SJV电网状况和运行的负面影响——尽管个别影响可能很小——到本世纪中叶不会广泛存在。考虑到利害关系，圣华金河谷和加州其他地区的居民应该知道。

作者要感谢以下人员对分析的审阅:Merwin Brown博士(CIEE);Joseph Eto，博士(LBNL);Guido Franco, P.E.(加州能源委员会);Brian Tarroja教授，博士(加州大学欧文分校);Alexandra von Meier教授(加州大学伯克利分校);Laura Wisland (Heising Simons基金会)。本博客所表达的观点不一定反映评论者的观点。Owen Doherty博士(鹰岩分析)和Pablo Ortiz博士(UCS)协助分析。

¹由于从现在到本世纪中叶，电力和天然气价格可能会发生变化，因此很难预测用于供暖的天然气使用量的减少是否会抵消这一增长。目前，在PG&E服务区域内，天然气的每热单位要比电力便宜得多。使用PG&E目前年度电力和天然气使用量的基本费率进行的粗略分析显示，住宅能源账单略有净增长，而学校的涨幅要大得多。硅谷的一所学校表示，目前空间制冷成本明显高于供暖成本。

²由命题39有提高效率在以上4400所学校(在全州10000多所学校中)．2017年，硅谷超过20%的学校安装了现场太阳能光伏(来源:gosolar)。

^3.虽然“不采取行动”的假设是全球不采取行动，但塔罗哈确实包括加州高水平的可再生能源。

⁴的2006年热浪连续12天高于105°弗雷斯诺的气温连续5个晚上都在80度以上°F。Cal-Adapt项目平均连续13天高于105°F和2个晚上连续超过80°F在弗雷斯诺。

⁵指变压器的热点温度。

⁶SCE使用104°F，但是为了一致性，我们用109°F也表示SCE线。

⁷我们没有考虑从现在到本世纪中叶风速变化对线路运行温度的影响。风有冷却作用，可以降低线路温度。然而,t这是一个根据气候专家的说法，由于全球变暖，在局部水平上预测这些变化存在很大的不确定性。188金宝搏手机版无论如何，环境温度超过109°F的天数大幅增加，这表明需要重新考虑管线作业和规划，以最大限度地降低风险。未来的分析应该包括可靠的每小时风速预测(和每小时温度预测)，因为它们是可用的。

⁸对于CEC数据集中的每一行，SJV传输系统的冗余程度并不清楚。在PG&E服务范围内，在SJV中没有城区有二次网络的配电系统，比径向网络更可靠。

更新1/3/20:本文示意图中的标签已更新为“常规发电厂”。