2021年五月停電事件簿
真相不只一個.....
文/ 王奕陽 台大風險中心助理研究員、王瑞庚 博士後研究員
2021年5月,全國發生了二起嚴重的停電危機。第一起發生在5月13日,百萬住戶受到影響。第二起則發生在5月17日,約66萬戶受到影響。
這二起停電事件起因皆來自高雄興達電廠的運作異常,其後台電皆採用分區停電的措施進行應對。此次停電讓台電公司與有關當局飽受批評與挑戰。許多民眾質疑起台灣的供電穩定性,檢討我國電力政策。事實上,造成停電的原因是多重且複雜的。
本文將分析五月停電風波的歷程、直接影響與原因,再逐漸聚焦至全文核心,即氣候變遷電力系統調適的問題。
電力中斷警訊通知
一、停電歷程與直接原因
興達電廠共有4部燃煤機組與5部燃氣機組,燃煤機組分別有裝置容量500MW的1號與2號機,以及550MW的3號與4號機,而5部燃氣機組的裝置容量皆為445.2MW。除了興達2號燃氣機組歲修中外,上述機組的凈發電量/裝置容量比,通常會達到90%以上。
第一次跳電5月13日
13日14:37
路竹路北超高壓變電所匯流排故障,電壓驟降導致興達電廠2部燃煤與2部燃氣機組跳脫,總共影響的電力達2,200MW,大約占尖峰負載的6%( 台電影音網,2021 )。
13日15:00
由於興達2號燃氣機組正逢歲修,興達電廠僅剩3部燃氣機組與2部燃煤機組能夠運轉,發電功率僅剩約1,446MW( 孫文臨,2021 a)。
13日緊急應變措施
為了因應此供電不足情況,台電便自15:00起實施分區輪流停電,以C組與D組為主,受影響之用戶大約達400萬。全國分區停電,主要原因在於維持全國電網的穩定與安全( 台電影音網,2021 )。
第二次跳電5月17日
17日12:54
興達電廠1號機鍋爐燃燒管理系統模組故障致機組停機。興達1號機總裝置容量為500MW,缺少了465-475MW左右的供電(參圖1)。
17日14:10
台電首先動用抽蓄水力發電機組支援;
17日17:38
台電為了緊急應變,要求原定於5月20日才完成歲修的麥寮電廠3號機提前啟用(可補上350MW),但後來未能即時支援(孫文臨,2021b)。
17日20:00
台電為維持電網穩定,自動保護設備動作,啟動低頻卸載,第一時間造成約56萬戶停電( 台電公司,2021 a)。
17日20:50
實施緊急分區輪流供電,共計停電50分鐘,影響約66萬戶
17日21:40
全面恢復供電(ibid.)。
二、直接影響與原因
首先,513停電除了前述的分區停電外,另有受困電梯、交通風險與部分科學園區廠商停電等。截至18時30分,全國電梯受困案件總計360件,296件脫困,並持續動員全國消防人員救援( 內政部消防署 ,2021)。
停電大約兩個小時後,全台各地持續傳出零星狀況,許多地區街道上紅綠燈、路燈也不亮,也有多處辦公大樓停電( 陳映璇,2021 )。517的停電雖然也引起軒然大波,但後續影響和嚴重性較不如前者,共計停電約50分鐘,影響約66萬戶。
處置:台電對513停電啟動補償機制,實施「513停電事故電費扣減專案」,粗估將耗費4.7億元( 台電公司,2021b )。
(一)人為操作失誤
高雄路北超高壓變電所為配合興達電廠新機組未來輸送電力所需,進行輸電線路容量擴充提升工程,於13日進行加入系統前的竣工檢查與測試。惟台電員工原應開啟編號3542隔離開關,誤操作編號3541開關,造成輸電設備匯流排接地故障事故,導致電力系統電壓驟降,4部機組跳機( 台電公司,2021b )。
如此重要的設施,怎可因為人為失誤就導致嚴重後果?
為此,中心求教台灣的電網專家林法正教授,本次事件的防呆機制到底哪裡出問題,林教授指出:
“中興電工在替換新設備後,防呆機制沒有被復原。 原有三層防呆,沒有確實的實施,且中興電工理論上應該將施工情況交給台電南部輸配電工程處(南工處),但南工處的人只有把書面的資料交給台電綜合研究所的同仁(略) ..... 事發當時,人員操作現場並沒有SOP,也沒有監督操作的人員,確保操作者是否有按對開關。這當中有嚴重的人為疏失。”
因此513停電的主要肇因,除了按鈕操作錯誤以外,還有作業與溝通流程上的人為疏漏。
(二)歲修排程
人員疏失與流程疏漏固然是造成五月停電風波的主因,然而,另一問題則在於五月有許多發電機組進入了歲修排程中。
除了興達電廠2號燃氣機組歲修以外,5月17日緊急啟用的麥寮電廠3號機,也因為啟用時間過長而無法達到立即支援的效果。
台電表示,機組大修排程須考量機組調度、供電需求及人力、備料等資源,一年前即安排好( 台電公司,2021a ),惟今年受到高溫、景氣暢旺等因素影響,用電量已超過原先預估,五月以來用電量更一路攀升、居高不下( 台電公司,2021c )。
關於排程專業問題,林法正教授指出:台電在半年前預測五月的負載嚴重失準,擁有10GW的火力機組、核能一號機,以及六輕、麥寮的獨立電廠等,當時都在歲修中。自此,如何針對氣候異常衍生的用電趨勢變化進行預測,便是未來避免供電危機的重要課題。
(三)水情影響備轉容量支援能力
過去我國的水力發電一直提供穩定的備轉容量;然而今年水情導致水庫缺水,使得水力發電也出現缺口。正常而言,台灣每日的備轉容量率會在10%以上。
在今年缺水的情境下,水力發電恐連持續支援30分鐘都無法達成。 缺水的現象並非今年特有,2020年的水力發電也受水情不佳影響,遽降了25.23億度( 台大風險中心能源資訊組,2021 ),故將水力發電作為10%備轉容量中的一部分,可能需要有所調整;至少需要隨時因應水情實況,精確調控即時備轉與補充備轉的供應結構。
雖然517停電是鍋爐燃燒管理系統模組故障所致,屬於硬體故障,但綜合513與517停電來看,低估尖峰負載、操作失誤,以及將水力作為備轉容量等人為判斷疏失,才是這二起事件必須採用分區停電作為保護電力系統的手段。
三、氣候變遷下的電力系統調適
(一)氣候變遷對電力系統影響
氣候變遷影響供電穩定性的案例,已經在世界的不同角落接續發生。近期較具代表性的便為德州停電事件。今年2月15日凌晨1時25分至2月19日上午10時35分(共70.5小時),美國德州發生了嚴重的停電事故,在停電期間中,州內約有450萬戶家庭和企業停電,並影響供水設施、食物供應鏈和網絡通訊設施。這造成了約1,290億美元的損失,且近50人身亡。
此次德州停電的肇因之一,在於氣溫驟降,電力需求爆表,進而為該州電網引發災難性的連鎖反應( 林國賓,2021 )。美聯社提到,德州供電系統設計時是以氣候轉換穩定、可預測為基礎,當初並沒有把極端氣候考慮進去( Koenig and Liedtke, 2021 ; 科技新報,2021 )。
負責管理德州電網的「德州電力可靠性委員會」也表示,電廠的設備根本無法應對極端低溫,若不停止電廠運轉,就要冒著整個德州電網一起崩潰的風險(Aratani, 2021)。德州停電事件的發生,意味著電力系統的設計與維護,不能僅考量效率或穩定性的因素,極端氣候所造成的變故影響也應當正視之。
針對氣候變遷的影響,工研院綠能所(2019)曾基於IAEA(2019)的「能源部門因應氣候變遷調適報告」(Adapting the Energy Sector to Climate Change),整理出各種極端氣候/氣候變遷現象對於不同能源部門的影響。由於項目繁多,在此僅條列與台灣五月停電風波較為相關的氣候衝擊做為參考,不代表氣候變遷僅會帶來表中的衝擊,參照下表1:
表1 不同氣候變遷衝擊對火力/水力部門可能導致之影響
資料來源:工研院綠能所,2019; IAEA,2019 。
(二)未來氣候變遷將考驗台灣電力供應與需求
與德州事件一樣,本次台灣五月停電,亦與氣候變遷衝擊電力系統有關。氣候變遷可能對電力供應具有顯著衝擊,包括對發電廠基礎設施造成損害、減少冷卻水供應,及提高氣溫與水溫等(ibid.)。五月停電風波的氣候條件,正符應了表1中的「溫度增高」與「降雨減少」二項衝擊。
另外在需求面,由於炎熱氣候與乾旱,改變了台灣以往六、七月才到的用電高峰,用電高峰提早在五月份到來,到了17日,瞬時尖峰負載達37,442.2MW,刷新歷年5月尖峰負載紀錄(不過該紀錄後來又被同月的5月28日超越,瞬時尖峰負載達38,401MW),且已超過2019年最高的7月用電尖峰37,383MW,也接近2020年最高的用電尖峰38,020MW( 孫文臨,2021c )。
需求端創紀錄、供給端又因作為備轉容量的水力發電受缺水影響,無法支援發生異常的興達電廠機組,以及歲修排程(基於過去用電推估,未預期五月就需要這麼多電)。無論是尖峰用電量超乎預期,或是缺水,都顯示了氣候變遷會導致全國的供電穩定性,若參照圖1,會發現近二年多來,今年受異常氣候所影響的用電趨勢最甚:
圖1 2019年至2021年5月單月最高瞬時尖峰負載趨勢圖(單位:MW) 資料來源: 台電公司,2021d ; 台電公司,2021e 。
四、面對氣候變遷 台灣需要更具韌性的電力系統
(一)充實電力人才、持續精進管理
中心諮詢多位電力、電網系統專家一致提到,未來台灣因應氣候變遷和新的電力結構,需要建設更具韌性的電力系統。專家憂心,電力產業在人力資本上的乏力。專家認為,過去三十年來,台灣發展高科技產業與電力產業的重心失衡。相較於高科技產業,台電公司職員的薪水明顯偏低,且許多電機、電力類的傳統產業,即便公司形象良好,也不容易吸引人員投入,導致傳統電力產業人員斷層十分嚴重。
在這次五月停電風波下,因應高溫氣候及用電負載趨勢的改變,台電方面表示會檢討發電機組排修期程,持續提升供電穩定性(台電公司,2021c)。可以確定的是,過往台電公司因為有調度、供電需求及人力、備料等考量,需要在一年前就進行歲修的安排準備,如何預測將近一年後的極端氣候,亦或是在這一年中視氣候變遷情形調整歲修安排,皆屬於充滿不確定性的挑戰。
相較於氣候變遷所導致的不確定性,人員操作與溝通程序的問題,應該是台電公司現階段較能把握之處。雖然政府長時間以來對於高科技產業與傳統產業之間的投注失衡,導致人才環境不友善的問題,無法短時間內翻轉,但加強人員訓練、改善溝通程序,並提供完善的SOP機制等,都是眼下可以著手進行之處。
(二) 需求端管理
關於五月停電風波,雖然台電數次道歉並表示會負起責任,但對於未來的挑戰而言,有關當局甚至全民,也都應當共同面對且正視之。首先,「調度」真的非易事。林法正教授比喻,電力調度單位就像人的大腦,須隨時監視心跳(頻率)、血壓(電壓)及血管暢通(潮流),且要下指令給各器官(發、輸、變電設備),才能讓身體穩定運作( 林法正,2021 )。在這次的停電危機下,台灣各層級的電力調度中心,因受到用電增幅超過預估、水情不佳等因素而面對高壓考驗。確實,台電公司勢必要檢討其預測與調度能力,但面對尖峰用電量高漲的問題,全國與全民也可從需求端上盡一分心力。
台灣環境規劃協會理事長趙家緯(2021)提到,在需求面上,或許可把備轉燈號跟行為面節電結合再一起,當負載達橙色等級時,建議用戶應關閉一些非必要的耗電設備,包括滾筒式烘乾機、洗碗機、游泳池水泵浦,以及不必要的照明( 許展溢,2021 )。達紅色等級時,由於降載迫在眉睫,便須要求使用者關閉熱水器、火爐、微波爐、電熱水壺、加熱器、空調和不必要的照明(ibid.)。針對尖峰用電的改善建議,風險中心過去有許多文章可供參考:「 趙家緯(2018)/建構效率優先的夏月尖峰戰略 」、「 許令儒、卞中佩(2019)/ 夏日炎炎,還在為備轉容量率低而緊張嗎? 」。
按目前我國電網建設規劃,地方配電調度中心(DDCC)需盡快完成先進配電管理系統(ADMS),掌握21區域即時電力使用情況,並加快全電網的智慧化。但目前規劃ADMS尚無法調度並配電之充電站、儲能、綠能、智慧變流器,也尚未能掌握全部低電壓用電需求,這都是未來台灣迫切需要的積極需求端管理重要工程。
(三) 強化電力系統韌性
最後,我們可以從這次五月停電危機,以及二月德州停電的慘劇上得知,極端氣候能夠對整個國家的供電系統穩定性,帶來極為嚴重的衝擊。自此,正視氣候變遷命題,將氣候政策主流化,也會是預防台灣面臨停電危機的長期手段之一。
從同屬調度面向上的輸配電表現來看,因應五月兩次停電,其實台灣的電網表現,現階段而言是值得肯定的,林法正教授表示:
"這次表現最好的是電網,他用3個cycle就把故障清除,沒有燒掉任何東西,台電這幾年一直在做輸配電的更新,非常強健。而這次意外非常嚴重,是345千伏的三相短路故障,相當罕見,是由於人為疏失才造成的。"
亦即,如果電網沒有即時修復,而是讓斷電脈衝直接撲向電網,會造成更長更久的停電,正是因為電網能夠有效反應,所以才能進行後續「分區停電」的緊急處置。
然而展望未來,氣候變遷下這些「意外」氣候風險有可能成為新常態;強化故障穿越能力和低電壓穿越能力,仍然是應該努力的方向。也就是在發電機組故障或電力系統局部出現低電壓(比如機組故障脫離電網),全系統能把影響縮到最小,比如讓一個機組跳脫,而不波及其他機組。這樣的能力,特別是對於氣候變遷和風光發電增加的情境非常重要;比如太陽能在一個小時內從高峰發電到暴雨掉下來的變化,此時需要的是更強健的電網(目前已規定大型再生能源以儲能達到平滑化,功率輸出變動率<10%/min,即是透過儲能來控制發電變化對電網的衝擊)。
智慧電網總體規劃方案若能按照時間表完成,仍能應付2025年以前的電力結構。惟應加速規劃2025後之電網建設,強化輔助服務的規模與範圍(輔助服務包含儲能系統、需量反應(如FRR)所建立之各種備轉服務)、加速ADMS建設,透過強化電網韌性,因應極端氣候對電力衝擊之風險。林法正教授建議,2025年包含FRR(快速反應負載資源)與AFC(調頻輔助儲能)在內整體需量反應和電池儲能各增1GW,2035年要各增2GW才足夠。
五、結論
本文首先歸納了五月停電風波的歷程、直接影響與原因,再逐漸聚焦到全文重點,即氣候變遷電力系統調適的問題。文初簡短敘述了停電歷程、停電帶來的影響,以及導致停電的直接原因。可以確定的短期、直接原因分別有人為疏失、因五月的負載預測失準遭逢眾多機組歲修,以及水情不佳影響備轉容量支援能力等。
然而,五月的停電危機背後更深遠的原因為氣候變遷。二月德州停電事件的噩耗,意味著電力系統的設計與維護,不能僅考量效率或穩定性等因素,極端氣候所可能造成的衝擊變故也不容忽視。而今年的氣溫增高與降雨減少也意味著,未來氣候變遷將持續考驗台灣的電力供應與需求。
自此,台灣需要更具韌性的電力系統。為避免再發生人為疏失的情形,我國可以持續充實電力技術人才,提供人才友善環境。而為了將氣候變遷所導致的衝擊降到最低,台灣在供給端與需求端上都有值得努力的方向。在供給端上,面對氣候變遷影響下的新常態,如何持續強化電力系統韌性便是重要課題,而加速規劃2025後之電網建設、強化輔助服務的規模與範圍,以及ADMS建設,尤為重要。在需求端上,雖然台電公司與有關當局勢必要檢討預測與調度能力,但面對尖峰用電量高漲的問題,全民也可配合政府的行為面節電機制,並積極改變用電習慣,從需求端上盡一分心力。
參考文獻
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訪談資料
王瑞庚、胡祐瑄、黃慧慈,2021/05/18。線上訪談,林法正。