电网到底是怎么调度14亿人用电的？
热搜大全 2023-10-05
中国 14 亿人口的用电，在室温超导实现前需要多复杂的调度？西电东输的工程，实现起来到底又有多大的挑战？
今天，我们来看看现在的远距离传输电力是如何做的，还有你用的电都是哪来的 ~
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这是我国的能源分布图：
这是我国的用电负荷图：
全国 14 亿人口主要集中在东部和中部地区，经济活动也主要分布在沿海地区。
要保证东部地区正常用电，就只能从能源丰富的西部、北部地区输电过来。
但这几乎要遍布全国的电力调度可不是一个简单的工程：
几千公里怎么输过去？电力损耗怎么办？要输多少电？
随便单拎一个问题出来都能码一篇论文综述。
而现在除了极个别情况，我们几乎也不会遇到大规模停电的状况。
那么问题来了，调度全国的电力资源满足 14 亿人口的需求，是怎么做到的？
大家好，我是打工要靠空调续命的差评君，本期视频就来聊聊我们这日常用的电都是哪里来的。
这是差评君工作的地儿，差评的同事们要正常上班用电就得向杭州当地的电力公司买电。
杭州当地电力公司的电则由国家电网浙江电力公司调控分配。怎么个调控？
这是浙江电网今年的用电情况：在七月初真正的三伏天还没到来时用电负荷就已经破亿。
相当于 1.3 亿台 1 匹空调同时运行，4.5 个三峡水电站满负载。
然而省内的电力资源，除了占大头的 5 千万千瓦的煤电装机，在加上一些水电、核电发电厂，最多也只能支撑起大概七成的用电负荷。
剩下的三成用电负荷，只能从能源丰富的西部或者北部地区买。
这是浙江从省外运输电力的三条主力线路。
依靠长江水力发电的发电站拥有丰富的电力资源，平均每年发电分别为 624.43 亿度和 571.2 亿度。
而宁东地区凭借着煤矿资源以及天然的风力、太阳能资源，每年大概能向外送出 790 多亿度电。
电力资源找到了，但这些发电站到浙江省内动辄一两千公里，怎么传输又是个问题。
在目前技术可以实现的前提下，考虑到理论和实际的一些因素，远距离传输电力一般都会选择特高压直流。
从理论角度看，选择特高压是为了减少电力在传输过程中的损耗。
因为是远距离输电，传输过程中导线的电阻 r 就不能够忽略不计。
我们可以用 P=I1^2r ( " I1 方 r " ) 来表示传输途中电线的损耗， I1 是传输电流。
其中 r 是确定的，要保证损耗 P 最小，就要保证输电过程中导线里流过的电流 I1 最小。
在拉出我们高中就已经学过的变比公式：
K = U1 / U2 = Ⅰ 2 / Ⅰ 1
K 是定值，用户侧的电流 I2 电压 U2 在特定时间段下一般也不会有很大的波动。
那么要让 I1 变小，肯定是 U1 越大越好。
从实际因素考虑，远距离传输电力直流似乎就是不二之选。
首先是线路建设成本上：交流电有三相，在传输过程中就需要三条电线。
并且在交流输电的电流只在导线表面传输，导线中间不会有电流流过，要想传输更大的电流，只能把电线造粗，或者多用几条导线。
相较之下，直流电就更省事，直流电只有正负极，两条线就能传输。
无论是表面还是内部，直流电流都可以通过。
传输相同的电流，直流电的电线要比交流电的细得多。
其次就是电流损耗问题，相同的传输电压之下，交流输电在传输过程中的损耗也要高于直流输电。
这是由于交流系统在传输过程中，会产生电容和电感。
在用户端的实际表现就是有功功率和无功功率，只有有功功率才能发挥实际效用。
所以在电压相同的情况下，传输一样的电力资源，交流系统的电流就要比直流系统大一点。
而电流大了，传输过程中的损耗也就越大。
基于这些考量，远距离输电自然就交给特高压直流去完成。
传输的第一步，白鹤滩、溪洛渡水力发电站和宁东的风、光、火发电站先要根据协议，把要传输至浙江的电送到各自的换流站处。
此时，抵达换流站的电还是交流电，先将交流电通过升压变压器升至 800 千伏的特高压。
再通过整流器对交流电进行整流，滤波，就能变成特高压直流电。
± 800 千伏的特高压直流电会通过沿途的电线传输至浙江。
因为特高压直流单向输电的特性，在整个传输过程中，三条线路，最长的有 2100 多公里，都只有起点和终点两个换流站。
换句话说，只要电力资源踏上这三条特高压线路，就必定会流向浙江。
去年，四川持续高温干旱，水力发电紧缺。
但外部的市场化协议傍身，各大水电站发的电自然要优先送出去，这也导致全省上下大范围停电。
到达浙江本地的换流站后，逆变器会直接把直流电转换成交流电。
再通过变压器降压，准备进一步运输到全省各地。
具体的电力资源分配，浙江电力局会根据不同区域的用电需求进行分配。
话说回来，浙江的三条特高压直流输电线路毕竟是远距离输送，买卖双方会提前约定好协议，在一年内或者某一段时期制定电力传输的规则。
虽说西电东送的特高压直流工程在一定程度上缓解了浙江的用电负荷，但这只是在宏观层面上调节需求，面对电力需求波动也只能远水救不了近火。
这就得靠交流特高压来帮忙了，虽说用交流运输电力损耗会更多一点，但它在运输电力途中可以有多个变电站的存在，并且还可以实现双回路输电。
对比直流特高压的单向传输，交流特高压在协调电力分配上会更加灵活一些。
在华东地区，国家电网部署的 1000 千伏双回路特高压交流线路就能很好的调节浙江省内的用电需求。
将浙江与上海、江苏、安徽打通，南部延伸出的线路也触及到福建。
这样一来，电力资源的进一步分配可以依靠这个特高压交流网络进行。
并且，在省内也建设浙北、浙中、浙南三个变电站，进行省内各区域电力资源的再分配。
在分配电力资源的过程中，并不是用户一天要用多少电直接一把传输给他，其中还有很多点需要考量：
用户端的电力需求在一天里并不是恒定不变的，而是会随时间的有所波动，累积到一起，就会形成用电负荷的波峰和波谷。
在以前，依靠本地火电满足电力负荷时，波峰波谷影响不大，无非是波峰多发点电、波谷少发点电的区别。
但现在浙江的有不小的一部分电是通过特高压线路传输过来的，并且当前 " 双碳 " 的背景下省内也在进行能源转型。
单纯靠火电多用多发、少用少发来撑起波峰波谷供电需求肯定不太现实，只能想办法削峰填谷。
在削峰填谷上，主要有两个策略。
第一个就是我们常听说的峰谷价，在用电高峰时期提升电价，用电波谷时期降低电价，依靠外力把用电负荷曲线拉直。
在一个就是建设储能系统，在用电波谷期把多余的电存储起来，在波峰期再释放出来。
浙江主要建设的储能系统是抽水蓄能，这也是我国目前主要的储能方式。
利用多余的电能把下水库中的水传输至上水库中，转换成势能；等需要用电时再把势能转换成电能。
除了技术比较成熟的抽水蓄能之外，像锂离子储能这种新型储能也是近些年来很重要的一种储能方式。
不过储能这看似增长的背后是真有点儿东西还是脆弱的泡沫，还真不好说。
就比如这两年很多地方误读国家鼓励投资储能的政策，一刀切地搞起强制配储政策。
据不完全统计，已经有 20 多个省市要求新能源项目配置 10% — 20%、时长 1 — 4 小时的储能，并将其作为可再生能源并网或核准的前置条件。
当然也有不少行业人士的反对，有的发电站供电都不够用，这样强制配储，设备利用率根本跟不上，甚至有的还会沦为摆设。
不过已经有相关部门注意到了这类现象，后续可能会对储能调度进行优化。
话说回来，虽然供电侧的锂离子储能在效果上还有诸多问题，但用电侧似乎在今年迎来了爆发式的增长。
一方面，碳酸锂价格暴跌把锂离子储能的成本成功打了下来，另一方面，峰谷电价的差距扩大刺激到了企业。
而工商业储能的增长对于整体的削峰填谷也是利好的：
在用电波谷期多买电为储能电池充电，波峰期少买电用储能电池供电。
整体下来，宏观层面上，浙江本地的电厂以及特高压线路会保证整个省份电力资源的供给；
微观层面，各个地区的电力局根据需求进行配电，同时储能会作为补充，用来做用电波峰波谷之间的缓冲。
这只是浙江一个省调度 6456 万人用电的过程，把视野放大到全国，14 亿人口的用电调度就更加复杂。
我国的能源分布情况是西多东少，而用电负荷恰恰相反，" 西电东送 " 的项目就此形成。
从 2009 年第一条 ± 800 千伏云南至广东特高压工程投运之后，国内特高压线路建设迎来建设高潮。
截至 2021 年年底，国家电网已经建成 " 15 交 13 直 " 特高压输电工程，跨省跨区域输电能力超过 2.3 亿千瓦。
其中还建成了我国第一个 ± 1100 千伏特高压直流线路：准东—皖南输电工程。
建成的这些电网，覆盖了我国 26 个省，包括自治区和直辖市，能够调度超过 11 亿人口的用电。
南方电网也已经布局四条线路：± 800 千伏楚穗特高压直流、普侨特高压直流、新东特高压直流、昆柳龙特高压直流
南方省市自治区的用电主要都依赖这四条线路的供电。
纵观整个电网布局，也能窥探出目前国内能源调度的方向：
先是宏观层面的能源调度，用点对点式的单向特高压直流传输线路把西部北部丰富的电力资源传输至东部用电负荷大的地区。
此外，近几年国内也开始注重新型能源的利用。
就比如在十四五规划中，把雅砻江流域、松辽、冀北、黄河几字弯、金沙江上游等九大陆上清洁能源基地也划到了特高压工程的建设规划中。
当电力传输至东部后，再通过在东部各个地区建立起特高压交流输电网络对电力资源经行再分配，这些变电站之间可以互相传输，并且距离也会更短一些。
归根结底，无论是特高压输电系统还是储能，都是对现有电力资源的重新整合与分配。
换句话说，就是寻找电力资源与电力负荷匹配的最优解。
同样是大国，中国之所以舍弃以前像美国那样各管各的分布式电网，采用现在全国一张网的宏观调度，正是在寻找这个最优解。
一方面国内的用电负荷远远高于美国，是他们的两倍不止，另一方面，我国能源分配本就不均，在清洁能源占比越来越多以后，全国一张网这样的调控也能让特高压技术释放出它最大的效用。
而这几年全球越来越多极端天气，也让电力调度的这张考卷越来越难
2020 年 8 月加州，热浪和台风埃莉达带来了严重的停电事故。
2021 年 2 月，德州极端严寒导致用电需求激增，超 400 万人遭遇停电。
同样还是去年的四川停电事件，极端高温导致原本占大头的水力发电直接腰斩，而国家电网则力挽狂澜，直接把外省入川输电线路的能力拉满，达到了 1.32 亿千瓦时 / 天，最大限度保证了居民的用电。
2021 年，东北华北大风，风力出电一下从 500 万 kw, 涨到 5500 万 kw，过几天又降回 500 万 kw，特高压直流紧急调高输电功率，
把 2000-3000 万 kw 的电输到缺电的华东，有效避免了东北华北这些电浪费掉。
目前，全国一张网的电力传输格局已经确定，之后要做的就是不断加固这张网络，十四五规划中也详细部署了 " 24 交 14 直 " 特高压网络的建设。
我相信在未来，国内电网对于能源转型以及极端天气下居民用电的协调能力也只会越来越强。
撰文：松鼠 视频制作：B 站差评君 美编：焕妍
图片、资料来源：
国家电网，中国能源网，知乎
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