去年入冬以来,南方多省貌似出现了“电荒”。湖南、浙江等地,陆续发布了“有序用电”通知。有的地方对企业进行分类限电措施,有的地方对空调温度、时段负荷提出了非常严格的要求。看起来,“拉闸限电”这个貌似消失多年的词汇,又重新出现了。在人们的记忆中,上次因为“停电”上热搜还要追溯到2008年南方冰雪灾害的时候。


冰雪灾害会对电力系统造成很大影响|图虫创意


有人不禁会问,随着经济的发展和电力设施的完善,已经快十年没有经历过夏天突然停电这种事了,可为什么在2020年,而且还是冬天,又会出现“拉闸限电”的现象呢?如果不限电,会产生哪些后果?这一切,都要从电这一事物的特殊性说起。


电,一种特殊的“商品”


首先要明白,开始的开始,都是因为电这种商品的特殊性决定的。人们会在食物丰收的时候,建立仓库,将多余的食物储存到冬春备用。然而,大规模存储电能,至今还没有成熟稳定的技术解决方案。如果发电量大于社会的需求而不能及时储存,发不出的电能就会转化为发电机中转子的动能,发电机就转得更快了。这样不仅容易导致发电机发生事故,还容易使得电网中交流电频率变高,直接导致用电企业生产线上的机器设备出现异常。因此,这就决定了电能几乎需要即发即用。这种背景下,一个问题就出现了。


发电机转速过快会导致事故|pixabay


这个问题就是,能源企业发电量的调整,总是要滞后于用电量的变化。例如,人们心血来潮开灯关灯,打开电热水壶烧水等,都是充满随机性的动作。而人们在用电的时候,也是不可能通知电厂的。因此,如何准确预测未来一段时间的用电量,并以此来决定发电量,就是有关部门的重点问题。


夜晚万家灯火,有很多随机用电的动作|pixabay


实际上,虽然社会上人们生产和生活所用的电量经常出现波动,还是有一部分规律在里面。例如,一年之中,夏天开空调,冬天要取暖,工厂过年放假,年底要赶产量等,都是可以提前预知的。如果没有重大突发情况,在年初,就可以通过往年数据、未来经济计划等因素,较为准确地预测一年中用电量总体的变化趋势。


某日某地典型的电网日负荷曲线|参考文献[1]


在微观领域,即使在一天之内,个人用电量的变化也很大。比如上班要开灯照明、打开电脑设备处理工作、开空调,下班以后回家要烧水做饭洗澡等。总体说来,一天的用电在夜里处于较低水平,从上班时间开始升高,之后保持高水平,中午由于部分人午休或许会有稍许回落,一直到晚上十点以后才会逐渐降低。这样,一天之内用电的趋势,也能大体被预测出来。至于有些临时起意的用电需求,被叫做随机负荷,它们虽然无法提前预测,但这些需求跟总体趋势相比,就显得较小。因此,只要做好负荷预测,提前规划发电量,就能将发电量和用电量的差别控制在较低水平。


停电了,是发不出,还是送不过来?


让我们想象一下,当市场需求已经预测出来,那么接下来要做的就是安排工厂生产了。用哪个工厂生产、各厂产能怎么分配,需要用科学方法统筹规划。同样的道理,在某些时刻,用哪些发电机组发电、各机组发电量的多少,都是需要计算而定的。俗话说有备无患,参与发电的机组,并不都是满负荷发电的。有些机组甚至不往外发电,等着用电高峰期再启动发电,这些机组就作为备份使用。


就像车要有备胎,发电机组也有备份|pixabay


如果市场上对货物需求量大,工厂就需要提高产量。同样,在预测到接下来耗电量会增加的时候,电网就会给电厂指示,要求电厂提高发电量。再进一步,可能还会启用备用发电机组,甚至启用某些削峰填谷的装置,如抽水蓄能电站。这样,可以保证发电量在一个区间内灵活调整变化。


浙江湖州安吉县的抽水蓄能电站|图虫创意


产品已经生产,就需要考虑用“快递”送到客户手中。经常在路上看到的输电塔、电线杆子起到的就是将电传送到用户手中的作用,它就像是连接城市之间的高速公路。如同高速公路车过多就会堵车一样,如果一条线路需要送的电量过多,不及时切断一些负荷的话,就可能导致整条线路停摆。此外,由于结构复杂、地域跨度大,电力系统本身是一个非常脆弱的结构。电能在传输中,会遭遇各种意外,从自然灾害到交通事故、设备老化等等,都可能导致某地区遭遇断电。


输电线路很容易遭受意外|图虫创意


综上,在发电、输电这两个环节,任意一个环节出现问题,都会影响用户的用电情况:要么就是发出的电跟不上用电情况,要么就是发出的电送不到用户手中。如果短时间内,电力系统不能解决遇到的情况,停电就不可避免。那么,该给谁停电,就是接下来要面对的问题。


凭什么不给人家断电?

对不起,人家真的不能断


事情有轻重缓急之分,不同用户对于电的需求程度,也是分等级的。普通人家里断电一两个小时,顶多造成一些生活上的不便,但如果工厂正在生产,医院正在手术,突然停电了,就可能造成生命危险。虽然这些地方有备用电源,但仅仅是应急之用。因此,依据对用户的影响大小,国标将电的用户分为三类:


ICU如果停电,后果不堪设想|图虫创意


第一类,是对供电可靠性要求极高的客户,一旦中断供电将造成人员伤亡、重大政治经济损失等,例如医院的ICU等。第二类是对供电可靠性要求较高的客户,一旦停电会有重大经济损失,影响某些单位正常工作,例如医院门诊、大部分工厂等。剩下的用户都是三级负荷,例如大部分的居民用电。这三级负荷的重要性由高到低依次排列,一般情况下也是确保供电的优先级顺序。


突如其来的停电让人只能摸黑工作


因此,当有受灾、高温、极寒天气等原因负荷突然增大或者发电量突然减小,抑或是因为雨雪天气影响了输电线路,为了避免出现事故,经常需要“壮士断腕”,主动卸去一些负荷,保证那些维系着生产和健康安全的用户优先供电。世纪初的中国,每到夏季,由于空调的使用量激增,都需要大规模拉闸限电。这种拉闸通常是有规划的,有预案的,尽量做到把对市民造成的不方便降到最低。今冬以前,在有些地方,甚至优先保证居民用电、有计划给部分工厂停电的现象也时有发生,也是根据这个原则。


偶尔小停电不可怕,硬拖着会出大问题


这时候有人要问了,遇到特殊时刻,如果电网硬拖着负荷,不甩掉,能不能“抖擞精神”,熬过这特殊时期呢?很可惜,这种事不是咬咬牙就能挺过去的。如果不立即做出措施,轻则损坏设备和线路,重则会引起大停电。


2003年的美加大停电,是历史上最大的停电事故之一| Wikipedia


2003年8月14日,美国东部时间下午4时左右,纽约的居民正在家里吃着火锅唱着歌,突然电就停了。他们本以为是一次普通的电力检修,可谁也没想到这是北美历史上最大的一次停电事故。这次停电事故席卷了发达的美国东北部和加拿大东南部地区,包括纽约、多伦多等大城市。这两个城市的电力直到两天后才完全恢复,部分地区的停电甚至持续了一周。这次事故造成近100人死亡,经济损失不可估量。而其直接原因之一,就是一条线路因为不堪重负而跳闸引起的连锁反应。如果及时人为干预切除一些负荷,这个灾难很有可能就不会发生。


2003美加大停电前后卫星灯光图对比|Wikipedia


世界各国都发生过不少次停电事故,多数是由于负荷过大造成的,包括由于极端天气导致负荷增大、电站突然停机导致发电量不够、线路遭到损坏导致无法运送负荷等。究其原因,还是在发电或输电环节遇到了问题。例如,1999年7月21日的北京,华北电网石景山热电厂因检修人员误操作造成全厂停电事故,造成出力减少了800兆瓦。此次事故甚至对首都党政机关、新闻单位的用电都产生了影响。人们印象深刻的2008年雪灾,也造成南方多省份发生停电事故,这些事故多数则是输电环节出现了问题。有些地方输电线路覆冰厚度竟然有手掌那么宽,造成了线路倒塌或者短路,使得某些输电线路瘫痪,造成了停电。


中国会长期缺电吗?不用担心


去年年底南方地区出现“限电”后,引发了公众的一些猜测,包括澳大利亚煤炭进口出现变数,从而导致发电企业燃料不足等等。不过根据官方消息,去年年底的电力紧缺来自于工厂的旺盛生产、南方异常寒冷导致的用电量增大、设备故障增加电力供应困难等原因。


因为新冠疫情后经济复苏,工厂的异常火爆是电力紧张的主因。中国海关总署发布的数据显示,2020年11月中国出口额同比增长14.9%。出口的强势复苏,代表着工业生产的快速恢复,这使得用电需求大幅度增长。与此同时,统计网站CEIC显示,中国2020年11月的发电量比去年同一时间增长了约9%。


中国近一年的月度发电量,单位吉瓦时(一百万度)|CEIC


低温也是原因之一。南方地区旺盛的供暖需求,如利用电力驱动的空调、小太阳等取暖设备,对用电量增长起到了推波助澜的作用。最后,一些主力电厂的故障检修、输电线路重载需要卸去负荷、水电等由于时节供应量不足也是用电紧张的小部分原因。


中国南方大部分地区最近正在经历寒冷天气|中国天气网


事实上,这种紧张不会一直持续。首先,中国供发电的能源是足够的。根据国家统计局,2019年,全国原煤产量约为38.5亿吨,煤炭消耗量约为36.2亿吨,其中电力行业消耗掉22.9亿吨左右。2020年1-11月,中国原煤产量34.8亿吨,煤炭进口量2.6亿吨;其中,从澳大利亚进口煤炭7000余万吨,占中国用煤总量的约1.9%。由此可见,不用说中断从澳大利亚进口煤炭,即使只使用国内产出的煤炭,也足以供给发电和其他工业行业使用,担忧因为停止进口澳大利亚煤炭而会引起国内电力紧张,是杞人忧天。因此可以说,中国产生电能的“原料”是足够的。


燃煤火电仍然是中国发电主力军,图为肥城市石横电厂


其次,“原料”足够,工厂数量也是足够的。2019年中国电网总装机容量约为20亿千瓦,意味着最高发电量可达到约17.5万亿度,远高于2019年实际发电量7.33万亿度。当然,这是在“用尽全力”的情况下。实际上,因为检修、备份、环保、经济考虑等原因,它们的发电能力通常是“保持克制”,距离上限还有距离。


根据官方消息,湖南省电力紧张的原因,是部分机组由于检修等原因没能及时顶上。其实,湖南省用电缺口约为300-400万千瓦,这对比总装机容量是很小的,只需要给与一点时间,恢复供电就不会有问题。浙江省的情况则不同,有序用电的指示,是出于环保的原因,而非电力供应本身不够。


电厂的烟尘有时候可能对环境造成污染|pixabay


综上所述,这次电力紧张情况是暂时的,且已经缓解。在天气突然寒冷、工厂生产异常火爆、备份机组投入需要时间的共同作用下,电力系统“大意了”,没反应过来,导致一些用户的使用受到了限制。国家发展改革委经济运行调节局主要负责人12月28日指出,经协调有关方面多举措及时应对,目前湖南限电基本恢复,江西12月19日起未再限电,浙江对个别地方做法也进行了纠正,全国电力供需形势趋于平稳。因此有理由相信,在更科学的电力规划、更合理的调控政策下,这次限电给人们带来的记忆会渐行渐远。


参考文献

[1]姜建, 楼健, 吴舜裕,等. 基于负荷重组的城市配电网供电能力提升研究[J]. 浙江电力, 2020, 039(001):9-15.

[2]https://www.ceicdata.com/zh-hans/indicator/china/electricity-production

[3]国家统计局http://www.stats.gov.cn/

[4]中国天气网http://www.weather.com.cn/


作者:小圆

编辑:朱步冲

一个AI

听到供电充足,AI立刻打开了电热毯和小太阳


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