评估电力系统韧性的投资：来自加州公共安全断电（PSPS）事件的证据

《Scientific Reports》：Evaluating investments in electricity resilience: evidence from California’s Public Safety Power Shutoff (PSPS) events

　　

电力系统中的级联故障与复合效应日益成为基础设施韧性（resilience）关注的焦点，因为这些效应不断引发额外灾害（如野火），进一步加剧电力中断。在加州，投资者所有的公用事业公司（investor-owned utilities，IOUs）通过实施公共安全断电（Public Safety Power Shutoff，PSPS）来应对这些威胁，即对高风险线路进行预防性断电，以降低野火风险。尽管已有研究考察了PSPS的影响，但关于物理基础设施投资是否减少了最常受影响线路的断电次数，目前知之甚少。本研究通过评估线路层面的投资是否降低了加州PSPS事件的频率或严重程度来填补这一空白。研究人员将线路层面的投资与断电数据进行叠加以开展分析。尽管某些投资的数据有限，早期结果表明这些投资与断电频率或严重程度的降低并无关联。此外，外部野火风险因素本身似乎并不能解释这些模式，这表明公用事业公司内部的决策过程及其他风险因素（如基础设施老化）在哪些线路被断电方面发挥着关键作用。这些结果凸显了考虑替代性物理基础设施升级投资策略（如分布式能源资源（distributed energy resources，DERs））的重要性，以最大限度减少断电对受影响最严重线路的影响。

论文解读：评估电力系统韧性的投资——来自加州公共安全断电事件的证据

一、研究背景与问题提出

电力系统作为关键基础设施，其韧性（resilience）问题日益受到关注。技术网络的脆弱性、气候变化影响的加剧以及地缘政治的不稳定性，共同构成了对现有适应能力的严峻挑战。电力系统的级联故障与复合效应尤为突出，因为众多行业对电力的依赖不断加深，而新的风险维度也在同步涌现。加州是电力韧性演进的典型案例：其公用事业公司正适应一个现实，即电网级联危机不仅由野火等外部灾害引发，也可能由电网自身触发，例如电网引发的野火点火事件。

为应对电网引发的野火风险，加州监管机构要求投资者所有的公用事业公司（IOUs）考虑实施公共安全断电（PSPS），即对高风险线路进行预防性断电。虽然PSPS可能降低点火风险，但它也带来了电力韧性的次生后果——频繁受断电影响的线路上的用户会经历反复的电力中断。为应对这些次生影响，IOUs在电路层面进行了有针对性的基础设施升级投资，尤其是在PSPS活动频繁的区域。加州三大IOUs——太平洋天然气与电力公司（PG&E）、南加州爱迪生公司（SCE）和圣地亚哥天然气与电力公司（SDG&E）——均实施了各自的投资策略。然而，这些投资是否真正降低了断电的频率或严重程度，此前缺乏实证评估。

本研究旨在回答一个核心问题：为最大限度减少PSPS事件断电而进行的电路层面投资，是否已切实降低了电路层面断电的频率或严重程度（以持续时间衡量）？这一问题的回答将有助于填补PSPS研究以及物理基础设施投资提升电力系统韧性研究方面的空白。既有研究多聚焦于PSPS对用户的影响、经济损失量化或模拟分析，鲜有研究在电路层面评估公用事业公司如何缓解PSPS断电的次生影响。

二、研究方法概述

研究人员采用两种互补方法开展分析。第一，采用频率分析法，将2018–2022年期间至少经历过一次断电的电路定义为基线队列，比较这些电路在2023–2024年后续期间的断电复发表现，并按投资类别进行分类比较。投资数据来源于各公用事业公司的野火缓解计划（Wildfire Mitigation Plan），投资类别分为架空加固（overhead hardening，OH）、地下化（undergrounding，U）和分段化（sectionalizing，S）三类。第二，采用地理空间分析法，利用集成容量评估（Integration Capacity Assessment，ICA）数据将电路与高火险区（High Fire Threat District，HTFD）叠加，计算位置商（location quotient，LQ）以评估断电电路的空间集中度，并通过电路级邻近性分析计算断电电路与最近的非断电电路及断电电路之间的最小欧氏距离。统计分析采用Fisher精确检验、Mann–Whitney U检验和Wilcoxon检验。研究涉及加州三大IOUs，其中两家公用事业公司因具备ICA数据而被纳入地理空间分析，并在结果中以“Utility A”“Utility B”“Utility C”的化名呈现。

三、研究结果

投资与未投资电路的性能比较

频率分析结果显示，2018–2022年间共有1,191条电路至少经历一次断电，其中168条电路在2023–2024年间经历至少一次重复断电。未接受物理投资的电路复发率为11%，较基线降低了24%。而所有接受物理投资的电路类别均表现出更高的复发率：组合投资电路的复发率约为26%，为预期的1.8倍；分段化投资电路的复发率约为41%，为预期的2.9倍；架空加固投资电路的复发率为23%，为预期的1.6倍；地下化投资电路的复发率为40%，为预期的2.8倍。但地下化电路的基线样本量仅5条，结果应视为探索性的。按公用事业公司分别分析时，复发表现的方向性一致，但因样本量较小而统计显著性降低。持续时间分析表明，投资对减少断电持续时间几乎没有影响，且关系不具统计显著性。研究人员指出，韧性投资侧重于预防断电事件而非加速恢复供电，因此持续时间结果的相关性低于频率结果。

外部野火风险因素的考量

宏观层面的位置商分析显示，2018–2024年间的断电在HTFD区域及其周边缓冲区呈不成比例的集中分布。位置商在无缓冲区的HTFD核心区域最高，表明断电里程在核心高火险区内占比超过其在总电路里程中的占比。至10英里缓冲区时，几乎所有断电均被覆盖。2023–2024年的空间分布与此前年份无显著差异。Utility A与Utility B之间存在细微差异：Utility B在HTFD区内被断电的电路总数较少，但一旦发生断电，其在该区域内的集中度显著更高。

电路级邻近性分析表明，超过一半接受过投资的断电电路在1英里范围内存在至少一条其他断电电路，且这些电路常与未断电电路交错分布。然而，对数尺度可视化显示，断电电路与非断电电路的邻近程度实际上高于其与其他断电电路的邻近程度。分布尾部显示相当比例的电路与其他断电电路相当孤立。Wilcoxon检验结果支持这一发现，除Utility B接受投资电路外，各场景的p值均远低于0.05。效应量计算（二列秩相关）表明断电电路与非断电电路之间的邻近性存在强效应差异。这些结果表明，公用事业公司控制之外的外部野火风险因素（如风、温度、死载植被和湿度）并不能完全解释断电决策，电路特定条件或运营因素（如关键负荷指定、高风险区域）可能也在影响结果。

四、讨论与结论

研究结果表明，2023–2024年间的物理基础设施投资似乎要么完全没有减少断电次数，要么未能充分校准以应对这些区域更高的风险水平。当前的电网加固策略似乎并未减少高风险区域的断电。这一发现为PSPS研究提供了实证案例，补充了此前主要依赖模拟建模的研究。地理空间分析结果与既有文献中关于PSPS事件集中于HTFD区域的预期一致，但邻近性分析进一步表明，外部野火风险本身并不能完全解释为何特定电路被断电。

研究人员指出，公用事业公司可能需要考虑更广泛、更动态的因素组合，包括工程因素、监管框架、野火风险建模、责任敞口以及更长时期内的单用户影响。鉴于投资可能相对于监测、恢复协议等非加固措施呈现边际收益递减，这引发了资源是否被最优配置的问题。从能源经济学角度看，高资本成本下投资仅带来有限的改善，这一发现应纳入关于野火风险和投资能效收益的更广泛讨论中。

研究人员建议IOUs和政策制定者考虑替代性韧性策略，特别是允许在电路层面（如微电网）或个体用户层面（如备用发电机）进行本地化备用发电和配电系统增强的策略。但研究也指出，如果野火风险主要威胁配电网络，微电网等技术可能并非适当解决方案，因为这些技术并不能从根源上缓解断电原因。进一步研究可帮助更精确地识别哪些电路经历了断电，并将这些模式与人口特征联系起来，从系统角度将空间分析扩展到公平性和长期野火缓解策略。未来工作还可考察PSPS事件与保险退出等更广泛风险的交叉影响，此类复合风险研究可提供更完整的韧性图景。研究结果将受益于更大规模的投资数据集，三大IOUs已承诺进行大量额外投资，特别是地下化，建议在数据积累后重新进行此分析。