電力系統是怎么運行的電力調度關系我國電力系統實行分級調度管理模式。與發電相關的調度中心有國家電力調度控制中心（國網總調，負責

電力系統是怎么運行的

電力調度關系

我國電力系統實行分級調度管理模式。與發電相關的調度中心有國家電力調度控制中心（國網總調，負責三峽和跨區輸電線路），大區電力調度控制中心（如東北電力調度控制中心，負責東北電網跨區輸電與大區頻率控制），省公司電力調度控制中心（如遼寧電力調度控制中心，俗稱中調所）。省級調度控制中心（中調）直接與省內電廠調度員溝通，負責運行方式安排和發電機實時調度。

電網調度關系如下圖所示，一個省區的主力電廠（煤電、燃機和水電）升壓后通過220kV或500kV線路并入電網。企業自備電廠一般不受中調直接調控。^[1]

電網運行方式安排

電網運行方式，即各類發電機組在什么時間應該以什么功率狀態運行。運行方式一般由中調所運行方式處制定，結合電力市場出清結果和excel表拉出來的指標，制定第二天發電機的運行方式。由于電力系統儲存能量能力不足，一天某一時刻發出的電力必須與消耗的功率相同。運行方式制定時，要考慮一下幾個問題：

1. 線路越限、發電機功率越限
2. 發電機爬坡能力限制，即下一小時功率和上一小時的差值有限
3. N-1限制，一臺機組或線路脫網是否會影響系統穩定
4. 旋轉等備用

在傳統各類電源充足的電力系統中，火電（煤電）承擔腰部負荷，其功率甚至可以保持穩定，無爬坡問題（零幾年缺電時，臺灣電力系統現狀）；而水電、抽水蓄能、燃機等快速調峰調頻機組滿足一天負荷的波動。

然而，在東北的電力系統中，風、光、核比例較高。核電由于技術原因，每天的出力是一條平線。風電，光伏具有隨機性和波動性，其功率一般難以控制，國家要求風電光伏全額消納，所以可以認為其功率是不可變化的。對于東北電網，負荷=風+光+火電+核電+水電-外送直流，而負荷與日常生產生活相關。風光核不可調的條件下，火電和水電就成為了調節主力。然而，水電的調節并不僅僅聽從電力調度的指揮，其同時受水利部門的管轄（這也是為什么一開始水、電一家）在枯水期調節能力也受到影響。

如上圖所示，風光高比例條件下的電力系統面臨的問題更多。首先，新能源的出力波動變化大，比如光伏晚上沒有，一出太陽發電量迅速上升；風電在晚上出力大，且一天的出力不夠穩定。新能源還呈現反調峰特性，中午大家都去吃飯了，電力需求下降了，光伏卻在最大功率位置；夜間負荷快速下降，風電出力卻快速上升。發電和負荷功率變化的插值，就需要火力發電廠承擔（圖中灰色部分）。^[2]

然鵝，火電廠也很難啊。

電網頻率問題

維系電力系統安全穩定運行的，主要有三個因素——頻率、電壓和功角。

1. 功角穩定：通常是由于缺乏足夠的同步力矩或阻尼力矩而產生的非振蕩失穩，即所謂的第一擺失穩，時間尺度:一般主要針對第一、第二搖擺過程，研究的時間框架通常是擾動后3到5秒。對具有明顯的區間振蕩模式的大型電力系統可將時間延長到擾動后10到20秒。
2. 電壓穩定：給定初始運行條件下發生擾動后電力系統維持其所有節點電壓值的能力。取決于電力系統維持或恢復負荷需求和負荷供給之間的平衡關系的能力。電壓失穩通常表現為部分節點電壓逐漸(progressive)下降或上升。根據需要，電壓穩定的研究時段可從幾秒到幾十分鐘。
3. 頻率穩定：在發生導致系統發電量和負荷量出現明顯不平衡現象的嚴重擾動后，系統維持頻率的能力。在頻率偏移的過程中起作用的設備和調節過程的時間尺度可以是幾分之一秒，如低頻減載、發電機控制系統和保護系統，也可以是數分鐘，如原動機功率調節系統和負荷電壓調節系統。

而與本次大停電直接相關的是頻率穩定。頻率反映著電力系統發電和用電的不平衡。簡單地說，如果發電大于用電，則頻率上升，反之頻率下降。電力系統利用發電機組調速機的一次調頻，和中調、網調調峰調頻電廠AGC二次調頻控制電網頻率在50Hz±0.1Hz范圍內。調頻的原理也非常簡單，頻率高了，電廠降低功率，反之增加功率。一次調頻由發電機本地完成，是有差調節，二次調頻由調度中心下達指令完成，一般認為無偏差。

東北電網由于火電機組開機率低，系統調頻能力不足。在面對上升的負荷時，全部發電機即便以全速率爬坡，也就是2%額定功率，也無法滿足發電與用電的平衡。此時，就必須甩掉負荷，否則持續降低的頻率將導致各類發電機連續解列脫網，引發連鎖故障。如果真得發生連鎖故障，就需要全系統黑啟動了，這在世界電力工業史上還是極少發生的。此外，火電廠跟蹤的負荷是凈負荷=負荷+外送-風-光-核-水，這個負荷具有極強的波動性，如果機組數量不足，很容易發生發電用電功率不平衡。

根據《電力生產事故調查規程》規定，東北電網的頻率已經跌落到49.8Hz，且超過30分鐘，可定為一般電網事故，且存在電網一類障礙。東北網調依照規定，在國調允許下，要求中調、地調實施低頻減載任務，避免電網頻率崩潰。

此外，火電開機不足可能引發轉動慣性不足。簡單地說，火電、水電的旋轉機構重量巨大，可以提供極大的轉動慣量。在系統出現功率不平衡是，機械轉動慣量中存儲的機械能可以快速轉換為電能，代價就是頻率會略微下降。轉動慣量越大，頻率損失越小。再簡單地說，就是一拳打了個胖子，胖子沒有事，但是如果打了一拳瘦子，瘦子可能就要倒下了。風電、光伏無法提供轉動慣量，缺乏火電的電力系統對于擾動（負荷、新能源快速波動）非常敏感，若功率不能及時調整，頻率振蕩范圍就很大。本次東北電網最大功率缺口700多萬千瓦，相當于十多臺常用的66萬機組，也是十分罕見的現象。

特高壓直流問題

吃瓜群眾可能關心到，為什么東北電網自己發電能力已經不足，還要向華北和山東電網供電。

魯固直流是解決東北窩電問題的首條特高壓工程，工程起點位于內蒙古通遼市扎魯特旗，落點位于山東省青州市，輸電線路全長1234公里，額定輸送容量1000萬千瓦，設計年輸送電量550億千瓦時。該工程于2017年12月31日正式運行，工程投運后有效推進了東北地區富余電力外送，在解決“窩電”、治理霧霾、消化過剩產能等方面成效顯著。

根據網調文件，魯固直流^[3]現在依然有300~400萬千瓦的電容量，如果不送電，東北地區的供電問題就會得到緩解。特高壓直流線路一般采取送端定功率，受端定電壓的運行方式，其具體由國家電力調度控制中心調度。

跨區跨網直流線路的送電功率，一般由政府間電力中長期交易決定。國調中心控制直流線路潮流以滿足雙方約定。但是，在面對東北網事故運行時，電力系統安全運行是高于電力市場交易的。除了電網運行問題，還有一個問題沒有考慮——機組檢修。。。

為了保障發電機組的正常運行，電廠工作人員和電力試驗所（包括電網、發電和電建）需要對機組進停機檢修。而停機檢修的最佳時段，就是9~10月。這時候系統負荷最低，需要的機組數量最少。當然，高昂的煤炭價格也讓不少電廠自愿檢修。

所以說，如果少了東北送山東的電力，山東有可能也發生電力供應不足的問題。如果如此，山東機組開起來以后，直流問題就會緩解。

火電廠的困境

如果身邊有在能源集團工作的小伙伴，可能早就聽說了電廠在經濟面上的困境，但是技術面上的困境是這里先要介紹的。

火電深度調峰調頻

我國的火電廠主要分為燃煤電廠和燃機電廠，而燃煤電廠又是火電主力。燃煤電廠大多新建于本世紀初的十年，即十五~十二五期間。由于當時我國加入了WTO，經濟增長飛速，電力需求旺盛，煤炭價格低廉，火電效益比較好。一些電廠年利用小時數高達7000小時（一年總共8760小時)。為了提高能源效率，降低污染物排放，國家出臺了上大壓小政策。也就是說，要關停30萬（300MW）以下的火電廠和自備電廠，主要建設66萬以上的電廠。但是，大火電有一個缺點——靈活性差。主力電廠的爬坡速度一般為2%每分鐘，對于一般負荷變化來說，也足夠了。但是，隨著新能源的接入，一切都發生了變化。

比如，在光伏接入較多的區域（包括東北電網），火電承擔的凈負荷=負荷+直流-核電-風-光，其曲線呈現一個明顯的下凸特點。火電必須在風光大發時以很快的速度降低負荷。否則，就必須舍棄風光。^[4]

此外，大火電還存在另外兩個問題——最小技術出力限制和高昂復雜的啟停成本。

最小技術出力限制和啟停成本

由于熱能技術上的問題，火電廠運行時有最小出力限制。風電光伏大發時，為了避免舍棄風光，必須對電廠進行深度調峰改造。當然，深度改造也會帶來更多的成本。

秦嶺電廠繼去年創我國首臺深調能力達到27.27%額定負荷的66萬千瓦間接空冷純凝機組后，深調能力進一步達到20%額定負荷新的國內領先水平。

既然火電廠深度調峰難度很大，那么能不能直接把電廠一部分降低火電出力呢？答案是不能。火電廠每100MW一次啟停的費用就高達100w元，而且需要提前8小時準備磨煤燒開水。火電廠如果這么干，基本上就虧本虧到家了。

所以對于火電廠來說，深度調峰改造是必須的。深度調峰改造一般有兩種方式，一是從熱能的角度，改變鍋爐和燃料的性能；另一種是加儲能設備，即從電氣的角度。火電加儲能能提高發電廠跟蹤AGC的能力，增加其在輔助服務市場上的利潤，電廠還是歡迎的，缺電是兩重能源轉換會帶來大量能量損耗。

風、光、核

風光核是無二氧化碳排放的清潔能源，也是實現碳中和的主要途徑。東北大地上新能源資源非常豐富，遼寧等地區也有不少核電站。東三省的風電裝機有2000多萬千瓦，理論上滿足東北電網需求。但是，東北電網風電出力在40%以下的概率占據95%。。。相比之下是低于其他地區的。由于新能源可信容量低，參與機組組合的部分也比較低。

核電由于某些原因調節范圍非常有限。核電與新能源一上以下，進一步擴大了煤電火電機組的日內功率差異，加劇了電廠調峰難度。

歐洲核電廠很多，卻沒有調峰調頻問題，這是因為歐洲燃氣電廠比較多。燃氣電廠調節速度快，沒有最小限制。歐洲北海地區有天然氣田，俄羅斯也可以輸送燃氣，國內燃氣非常依賴進口LNG。雖然前十年建設了許多9F9E機組，實際上利用小時數很一般。由于天氣原因，LNG容易無法靠港，也發揮不了其作用，還貴。

結語

東北電網大規模失去電力事件，在我國電力史上也是比較罕見的事情。究其原因，主要還是在發電側，更確切地是在動力煤的供給問題上。相信國家電網公司各級調度人員已經盡力維持電網穩定運行，無預警切斷電力是沒有辦法的選擇。北方地區即將進入供暖時期，電力和煤炭供應是社會運行的重要基礎。電力行業是一個科學的，也是人力和資本密集型行業。無論如何，最后還是要向全國三百萬奮戰在電網和電廠調度運行、電力設計建設、科研試驗的電力人致敬。喝了20年白云源，深切知道電力不是個容易的行業。

主要參考——電力工業部電規總院《 電力系統設計手冊》、國網公司《電網調度》