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【能源常识】如何理解“电力电量平衡”

2018-12-14 12:59:00 上海汉标电子科技有限公司 阅读

北极星输配电网讯:电力系统中常说“电力电量平衡”这个词,不论是在规划层面还是在运行层面。电量平衡好理解,就是用户用多少度电,发电厂就要发多少度电。那什么是电力平衡呢?

要理解电力平衡首先要理解用电负荷是怎么回事。用电负荷,或者叫用电功率,是单位时间内的用电量,简称负荷。电能是给电灯、冰箱、水泵等用电设备做功用的,所以单位时间内“做功的速率”,就是“功率”。用电负荷就是单位时间内用电多少的速率。

下面是一个典型的城市用电负荷。

凌晨时居民睡觉、工厂停工,负荷最低。七八点钟开始上班,人们用电增多,负荷开始增长。

到十点十一点时,工厂开工、商场营业,用电量最大,负荷达到早高峰。

中午十二点大家要吃午饭,用电负荷降低。下午两点又开始上班,用电量又增加了。

晚上大家下班回家,天也黑了,要开灯、做饭、洗衣服、开空调,用电负荷又增加了,到达晚高峰。

十点以后人们要休息,不再用电,负荷下降,直到深夜的负荷最低。

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下面我们用金融概念来理解一下用电负荷。设想上面那条曲线是你一天在各个时间段花钱的数额。

半夜时候你在睡觉,不用花钱(其实也要,比如房屋租金、电费、供暖费等等,这都是基础的必须开销);

早晨起床后,要买早饭、开车、买菜(周末的时候),于是上午花钱的量达到一个早高峰;

中午做饭吃饭,还要午休一下,花钱的数额少了些;

下午还要逛街、娱乐,于是下午花钱又多了一点点;

到了晚上,你要吃大餐、KTV、购物、各种high,花钱达到了一天的最高峰;

十点多,一天也玩累了,该睡觉了,终于不用花钱了。

所以你看,用电负荷和花钱数量的曲线是相似的,根源就在于人们活动的时间是相近的。(研究表明一个国家的GDP和能源消耗量确实是正相关的!这个例子还是蛮贴切的~~)

那么电力平衡是什么意思呢?就是每时每刻的用电负荷要由发电厂满足。夜里负荷低时,发电厂要少发电;晚上负荷高时,发电厂要多发电!

对比“花钱”的例子,就是说你每时每刻花的钱要和口袋里有的钱一样多!在夜里不花钱时,口袋里钱要少;在晚上狂花钱时,口袋里钱要多!

假设你口袋里的钱都是从银行借的,我早晨7点到8点要花50块钱,那银行就得有50块钱给你,晚上7点到8点要花150块钱,那银行就得有150块钱给你。

如果晚上要花150块钱,而银行没办法给你这么多钱时,会怎么样呢?很简单——破产!这个可能举公司的例子更好理解下,我公司就这天该交款了,而我又无法从银行凑齐,那只能破产。哪怕明天我凑到那么多钱了,抱歉,公司已经破产了,凑到了再多的钱也没用!

电力系统也是如此,哪怕我下一秒钟有足够的发电功率了,但这一秒钟我的用电负荷无法被满足,整个电力系统就可能会震荡,甚至崩溃(类似破产)。要想再恢复电力系统的正常运行状态,就像公司破产了再东山再起一样难。所以“电力平衡”换算到金融界的术语就是“头寸平衡”。电量平衡就是长期的头寸要平衡,电力平衡就是实时的头寸要平衡,区别在于时间尺度。

有朋友会类比了,口袋里少钱是不行的,口袋里多钱了不就有头寸了吗?可惜电力系统特殊就特殊在这!口袋里多钱是可以的,但是电力系统中是不能多发电功率的。这里涉及到一个存储的概念,口袋里多钱相当于口袋把钱暂时存起来了,而电力系统是无法大量储能的,(手机汽车的电池还可以,但适用于电力系统级的储能还无法商业化应用)用能量与供能量必须实时平衡,如果供能量大大多于用能量了,也只有一个结果——电网崩溃(如果非要类比的话,就是银行也不能预支太多钱,否则银行也会因为缺钱而倒闭)。

这么看来,电力系统真是太“脆弱”了,电少了不行、电多了也不行,难怪电力人员要一天24小时盯着用电负荷和发电功率的大屏幕,保证电力平衡。对了,他们的名字就叫“调度员”,调度“电力头寸”的人。(金融交易员们也是24小时盯着全球市场的变化的,米娜桑,都辛苦了!)

之所以要调度,因为负荷是在实时变化的,要不断调度发电机组的出力大小来满足负荷需求,就像要不断调度各种银行的钱来满足用钱需求。2003年8月14日美国加拿大的大停电事故,停了29小时,损失300亿美元,原因是一条线路因过载跳闸,调度员没注意,又导致多条线路过载跳闸,最终大停电。类似于雷曼兄弟缺钱,本来临时贷点款、剥离下坏账,应付过去就行了,可奥巴马就是不管,导致企业财务急剧恶化,最终破产,然后引起连锁反应,由此进入金融危机乃至经济危机。(下期还要详细类比下电网公司和金融中介的关系)

那么银行喜欢借钱给什么样的企业呢?就是下面这种,“用钱”量平稳,而且有很好预期的企业。下图就是某钢铁厂的用电负荷曲线,可以看到非常平稳的曲线。化工厂、电解铝厂这种三班倒的企业,都是24小时不停工生产,用电量稳定、而且非常好预测,电力系统也喜欢这样的企业,省去了频繁启停机或调整机组出力,要是负荷曲线都这样,调度员们就可以安心睡觉了。

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那么银行不喜欢什么样的企业呢?就是下面这种,“用钱”量一会多一会少,而且没规律,不好预期。用钱量一会多一会少会导致银行的交易操作变频繁,而没规律不好预期,会让银行信贷员心里没底,不知道企业啥时候用钱超额导致企业破产,或者啥时候“存留”的钱太多流动性不足,导致银行破产。电力系统也不喜欢这样,要频繁的启停机组或调解机组来满足负荷变化,万一备用容量没留足,就可能因没预料到的负荷变化,而导致系统震荡甚至崩溃。

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所以电力系统中才有负荷预测这项工作,跟金融业的风控是同样的道理,都是希望用电方或用钱方的行为能更平稳,更可预期!

那么问题来了,如何安排机组发电以满足电力电量平衡呢?

我们发现不论负荷如何变化,总是大于最小负荷,最小负荷以下就叫基荷,基本负荷之意。安排大型的核电机组、火电机组来满足基荷需求。这些机组容量大,增加或减少发电出力困难,但发电成本低,因而承担基础负荷最合适。与金融类比一下,最基础的头寸就应该找国有大银行贷款,贷款成本较低,但同时要调整贷款额也困难,得经过层层审批,时间太长,这跟火电核电的大机组调节困难是同病相怜的。

在基础负荷以上是腰荷,这块我们安排调节能力好的机组发电满足负荷需求,比如天然气发电、调节灵活的火电、库容水电等等,负荷降、机组出力跟着降,反之跟着升。这些发电机组虽然发电成本高些,但非常灵活。类似于中小银行,虽然贷款成本高,但非常灵活,想要钱随时能有,不用那么长的审批流程。

再往上就是峰荷了,一天中就那么一会时间用电负荷最高,比如晚上八点,这就需要抽水蓄能、天然气发电、库容水电等非常灵活的电源调节了!虽然一天之中只用那么一小会,要马上启动,又要马上停止,非常麻烦,成本最高,但不得不用,不用电力系统就“破产”了。这就类似于高利贷了,就周转下资金,借了一会马上就还,可惜就是利息太高了。

现在就讲这些,希望朋友们对电力系统工作有个更感性的认识。教你用金融概念理解电力负荷(2)中小编会类比下可再生能源发电与用电负荷的关系,电网在调度头寸中的作用,还会说说储能在电力系统中的作用及合理的比例,都还用金融概念解释哦。

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