东北电网缺电事件面面观
电力系统是怎么运行的电力调度关系我国电力系统实行分级调度管理模式。与发电相关的调度中心有国家电力调度控制中心（国网总调，负责
电力系统是怎么运行的
电力调度关系
我国电力系统实行分级调度管理模式。与发电相关的调度中心有国家电力调度控制中心（国网总调，负责三峡和跨区输电线路），大区电力调度控制中心（如东北电力调度控制中心，负责东北电网跨区输电与大区频率控制），省公司电力调度控制中心（如辽宁电力调度控制中心，俗称中调所）。省级调度控制中心（中调）直接与省内电厂调度员沟通，负责运行方式安排和发电机实时调度。
电网调度关系如下图所示，一个省区的主力电厂（煤电、燃机和水电）升压后通过220kV或500kV线路并入电网。企业自备电厂一般不受中调直接调控。[1]
电网运行方式安排
电网运行方式，即各类发电机组在什么时间应该以什么功率状态运行。运行方式一般由中调所运行方式处制定，结合电力市场出清结果和excel表拉出来的指标，制定第二天发电机的运行方式。由于电力系统储存能量能力不足，一天某一时刻发出的电力必须与消耗的功率相同。运行方式制定时，要考虑一下几个问题：
- 线路越限、发电机功率越限
- 发电机爬坡能力限制，即下一小时功率和上一小时的差值有限
- N-1限制，一台机组或线路脱网是否会影响系统稳定
- 旋转等备用
在传统各类电源充足的电力系统中，火电（煤电）承担腰部负荷，其功率甚至可以保持稳定，无爬坡问题（零几年缺电时，台湾电力系统现状）；而水电、抽水蓄能、燃机等快速调峰调频机组满足一天负荷的波动。
然而，在东北的电力系统中，风、光、核比例较高。核电由于技术原因，每天的出力是一条平线。风电，光伏具有随机性和波动性，其功率一般难以控制，国家要求风电光伏全额消纳，所以可以认为其功率是不可变化的。对于东北电网，负荷=风+光+火电+核电+水电-外送直流，而负荷与日常生产生活相关。风光核不可调的条件下，火电和水电就成为了调节主力。然而，水电的调节并不仅仅听从电力调度的指挥，其同时受水利部门的管辖（这也是为什么一开始水、电一家）在枯水期调节能力也受到影响。
如上图所示，风光高比例条件下的电力系统面临的问题更多。首先，新能源的出力波动变化大，比如光伏晚上没有，一出太阳发电量迅速上升；风电在晚上出力大，且一天的出力不够稳定。新能源还呈现反调峰特性，中午大家都去吃饭了，电力需求下降了，光伏却在最大功率位置；夜间负荷快速下降，风电出力却快速上升。发电和负荷功率变化的插值，就需要火力发电厂承担（图中灰色部分）。[2]
然鹅，火电厂也很难啊。
电网频率问题
维系电力系统安全稳定运行的，主要有三个因素——频率、电压和功角。
- 功角稳定：通常是由于缺乏足够的同步力矩或阻尼力矩而产生的非振荡失稳，即所谓的第一摆失稳，时间尺度:一般主要针对第一、第二摇摆过程，研究的时间框架通常是扰动后3到5秒。对具有明显的区间振荡模式的大型电力系统可将时间延长到扰动后10到20秒。
- 电压稳定：给定初始运行条件下发生扰动后电力系统维持其所有节点电压值的能力。取决于电力系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间的平衡关系的能力。电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐(progressive)下降或上升。根据需要，电压稳定的研究时段可从几秒到几十分钟。
- 频率稳定：在发生导致系统发电量和负荷量出现明显不平衡现象的严重扰动后，系统维持频率的能力。在频率偏移的过程中起作用的设备和调节过程的时间尺度可以是几分之一秒，如低频减载、发电机控制系统和保护系统，也可以是数分钟，如原动机功率调节系统和负荷电压调节系统。
而与本次大停电直接相关的是频率稳定。频率反映着电力系统发电和用电的不平衡。简单地说，如果发电大于用电，则频率上升，反之频率下降。电力系统利用发电机组调速机的一次调频，和中调、网调调峰调频电厂AGC二次调频控制电网频率在50Hz±0.1Hz范围内。调频的原理也非常简单，频率高了，电厂降低功率，反之增加功率。一次调频由发电机本地完成，是有差调节，二次调频由调度中心下达指令完成，一般认为无偏差。
东北电网由于火电机组开机率低，系统调频能力不足。在面对上升的负荷时，全部发电机即便以全速率爬坡，也就是2%额定功率，也无法满足发电与用电的平衡。此时，就必须甩掉负荷，否则持续降低的频率将导致各类发电机连续解列脱网，引发连锁故障。如果真得发生连锁故障，就需要全系统黑启动了，这在世界电力工业史上还是极少发生的。此外，火电厂跟踪的负荷是净负荷=负荷+外送-风-光-核-水，这个负荷具有极强的波动性，如果机组数量不足，很容易发生发电用电功率不平衡。
根据《电力生产事故调查规程》规定，东北电网的频率已经跌落到49.8Hz，且超过30分钟，可定为一般电网事故，且存在电网一类障碍。东北网调依照规定，在国调允许下，要求中调、地调实施低频减载任务，避免电网频率崩溃。
此外，火电开机不足可能引发转动惯性不足。简单地说，火电、水电的旋转机构重量巨大，可以提供极大的转动惯量。在系统出现功率不平衡是，机械转动惯量中存储的机械能可以快速转换为电能，代价就是频率会略微下降。转动惯量越大，频率损失越小。再简单地说，就是一拳打了个胖子，胖子没有事，但是如果打了一拳瘦子，瘦子可能就要倒下了。风电、光伏无法提供转动惯量，缺乏火电的电力系统对于扰动（负荷、新能源快速波动）非常敏感，若功率不能及时调整，频率振荡范围就很大。本次东北电网最大功率缺口700多万千瓦，相当于十多台常用的66万机组，也是十分罕见的现象。
特高压直流问题
吃瓜群众可能关心到，为什么东北电网自己发电能力已经不足，还要向华北和山东电网供电。
鲁固直流是解决东北窝电问题的首条特高压工程，工程起点位于内蒙古通辽市扎鲁特旗，落点位于山东省青州市，输电线路全长1234公里，额定输送容量1000万千瓦，设计年输送电量550亿千瓦时。该工程于2017年12月31日正式运行，工程投运后有效推进了东北地区富余电力外送，在解决“窝电”、治理雾霾、消化过剩产能等方面成效显著。
根据网调文件，鲁固直流[3]现在依然有300~400万千瓦的电容量，如果不送电，东北地区的供电问题就会得到缓解。特高压直流线路一般采取送端定功率，受端定电压的运行方式，其具体由国家电力调度控制中心调度。
跨区跨网直流线路的送电功率，一般由政府间电力中长期交易决定。国调中心控制直流线路潮流以满足双方约定。但是，在面对东北网事故运行时，电力系统安全运行是高于电力市场交易的。除了电网运行问题，还有一个问题没有考虑——机组检修。。。
为了保障发电机组的正常运行，电厂工作人员和电力试验所（包括电网、发电和电建）需要对机组进停机检修。而停机检修的最佳时段，就是9~10月。这时候系统负荷最低，需要的机组数量最少。当然，高昂的煤炭价格也让不少电厂自愿检修。
所以说，如果少了东北送山东的电力，山东有可能也发生电力供应不足的问题。如果如此，山东机组开起来以后，直流问题就会缓解。
火电厂的困境
如果身边有在能源集团工作的小伙伴，可能早就听说了电厂在经济面上的困境，但是技术面上的困境是这里先要介绍的。
火电深度调峰调频
我国的火电厂主要分为燃煤电厂和燃机电厂，而燃煤电厂又是火电主力。燃煤电厂大多新建于本世纪初的十年，即十五~十二五期间。由于当时我国加入了WTO，经济增长飞速，电力需求旺盛，煤炭价格低廉，火电效益比较好。一些电厂年利用小时数高达7000小时（一年总共8760小时)。为了提高能源效率，降低污染物排放，国家出台了上大压小政策。也就是说，要关停30万（300MW）以下的火电厂和自备电厂，主要建设66万以上的电厂。但是，大火电有一个缺点——灵活性差。主力电厂的爬坡速度一般为2%每分钟，对于一般负荷变化来说，也足够了。但是，随着新能源的接入，一切都发生了变化。
比如，在光伏接入较多的区域（包括东北电网），火电承担的净负荷=负荷+直流-核电-风-光，其曲线呈现一个明显的下凸特点。火电必须在风光大发时以很快的速度降低负荷。否则，就必须舍弃风光。[4]
此外，大火电还存在另外两个问题——最小技术出力限制和高昂复杂的启停成本。
最小技术出力限制和启停成本
由于热能技术上的问题，火电厂运行时有最小出力限制。风电光伏大发时，为了避免舍弃风光，必须对电厂进行深度调峰改造。当然，深度改造也会带来更多的成本。
秦岭电厂继去年创我国首台深调能力达到27.27%额定负荷的66万千瓦间接空冷纯凝机组后，深调能力进一步达到20%额定负荷新的国内领先水平。
既然火电厂深度调峰难度很大，那么能不能直接把电厂一部分降低火电出力呢？答案是不能。火电厂每100MW一次启停的费用就高达100w元，而且需要提前8小时准备磨煤烧开水。火电厂如果这么干，基本上就亏本亏到家了。
所以对于火电厂来说，深度调峰改造是必须的。深度调峰改造一般有两种方式，一是从热能的角度，改变锅炉和燃料的性能；另一种是加储能设备，即从电气的角度。火电加储能能提高发电厂跟踪AGC的能力，增加其在辅助服务市场上的利润，电厂还是欢迎的，缺电是两重能源转换会带来大量能量损耗。
风、光、核
风光核是无二氧化碳排放的清洁能源，也是实现碳中和的主要途径。东北大地上新能源资源非常丰富，辽宁等地区也有不少核电站。东三省的风电装机有2000多万千瓦，理论上满足东北电网需求。但是，东北电网风电出力在40%以下的概率占据95%。。。相比之下是低于其他地区的。由于新能源可信容量低，参与机组组合的部分也比较低。
核电由于某些原因调节范围非常有限。核电与新能源一上以下，进一步扩大了煤电火电机组的日内功率差异，加剧了电厂调峰难度。
欧洲核电厂很多，却没有调峰调频问题，这是因为欧洲燃气电厂比较多。燃气电厂调节速度快，没有最小限制。欧洲北海地区有天然气田，俄罗斯也可以输送燃气，国内燃气非常依赖进口LNG。虽然前十年建设了许多9F9E机组，实际上利用小时数很一般。由于天气原因，LNG容易无法靠港，也发挥不了其作用，还贵。
结语
东北电网大规模失去电力事件，在我国电力史上也是比较罕见的事情。究其原因，主要还是在发电侧，更确切地是在动力煤的供给问题上。相信国家电网公司各级调度人员已经尽力维持电网稳定运行，无预警切断电力是没有办法的选择。北方地区即将进入供暖时期，电力和煤炭供应是社会运行的重要基础。电力行业是一个科学的，也是人力和资本密集型行业。无论如何，最后还是要向全国三百万奋战在电网和电厂调度运行、电力设计建设、科研试验的电力人致敬。喝了20年白云源，深切知道电力不是个容易的行业。
主要参考——电力工业部电规总院《 电力系统设计手册》、国网公司《电网调度》
