问题

如何理解国家电网称“电网存在全面崩溃风险”?

回答
国家电网提出“电网存在全面崩溃风险”的说法,背后牵涉到电力系统运行的复杂性以及当前面临的一些挑战。要理解这句话,需要从几个关键的维度进行剖析。

首先,什么是“全面崩溃”?

在电力系统中,“全面崩溃”指的是整个电网在短时间内失去供电能力,大范围、长时间地陷入停电状态。这不是简单的局部停电,而是指电力生产、输送、分配的整个链条出现系统性、连锁性的失效。这种状态一旦发生,恢复起来极为困难,往往需要数天甚至更长时间,并对社会经济生活造成毁灭性的打击。

为什么电网会存在“全面崩溃风险”?

理解这个风险,需要从电力系统的几个核心要素入手:

1. 供需平衡的动态性:
电力生产的实时性: 与其他商品不同,电力一旦生产出来就无法大规模储存。电网必须时刻保持生产的电力量与用户需求的电力量精确匹配。哪怕毫秒级的失衡,都可能引发问题。
需求的波动性: 用电需求受天气(温度、湿度)、时段(日夜、工作日/周末)、经济活动(工业生产、商业活动)等多种因素影响,波动非常剧烈且难以完全预测。例如,极端的炎热或寒冷天气会瞬间大幅增加空调或取暖设备的用电量,这对电网的供应能力提出严峻考验。
平衡的脆弱性: 维持供需平衡就如同走钢丝,一旦有任何环节出现严重偏差,都可能导致系统失稳。

2. 电网的“弹性和容错性”:
物理网络的复杂性: 电网是一个庞大、复杂的物理网络,由发电厂、输电线路、变电站、配电网等组成。这些环节相互依赖,一处故障可能通过连锁反应迅速扩散,影响其他区域。
频率和电压的敏感性: 电力系统的运行频率(通常是50Hz或60Hz)和电压必须保持在非常窄的范围内。当发电量不足以满足需求时,频率会下降;当发电量过剩时,频率会升高。频率的剧烈波动会导致发电机组不稳定甚至脱网,电压也可能因负载变化而剧烈波动,损坏用电设备。
“级联故障”的风险: 这是导致全面崩溃最常见的机制。当电网某个区域发生故障(如线路跳闸、发电机组故障),导致供电不足,电网会自动启动一些保护措施,比如牺牲部分负荷(停电)来维持整体稳定。但如果这些措施不足以应对大规模故障,或者保护系统本身出现问题,其他区域的设备可能会因为过载、电压不稳定而相继失效,形成“级联故障”,最终导致大范围的停电。

3. 当前面临的挑战:

新能源的冲击:
间歇性和波动性: 风电、光伏等新能源发电受天气条件影响,其发电量具有高度的间歇性和波动性,难以预测和控制。例如,没有风就没有风电,没有阳光就没有光伏。这种不确定性给传统的、以可控电源为主的电网调度带来了巨大挑战。
反向潮流和双向流动: 传统电网是单向的(发电厂向用户输送),而新能源通常接入分布式,会在特定区域产生反向潮流,增加了电网潮流管理的复杂性。
惯量和稳定性问题: 传统的旋转发电机组(煤电、水电)在运行中具有“惯量”,可以缓冲电网频率的快速变化。而新能源(如光伏、风电)多采用电力电子设备接入,其惯量非常小或几乎没有,这使得电网在面对扰动时更加脆弱。

极端天气事件的增多:
物理设施的脆弱性: 极端天气(如特大暴雪、冰灾、高温热浪、台风、龙卷风)可能直接摧毁输电线路、变电站等关键基础设施,导致大面积停电。
负荷需求的激增: 极端天气往往伴随着用电需求的急剧增长(取暖、制冷),这进一步加剧了电网在极端情况下的供电压力。
恢复的难度: 极端天气一旦造成设备损坏,修复和重建过程会异常艰难,尤其是在受灾严重的地区,交通、通讯可能中断,给抢修工作带来巨大困难。

电力系统老旧与改造的滞后:
设备寿命: 一些关键的输配电设备存在老化问题,可靠性下降,更容易发生故障。
智能化升级的必要性: 现代电网需要更强的智能化、数字化能力来应对新能源和复杂潮流,但电网的现代化改造需要巨额投资和漫长的周期。

网络安全威胁:
数字化依赖: 现代电网高度依赖通信和控制系统,一旦这些系统遭受网络攻击,攻击者可能通过篡改指令、关闭设备等方式,直接导致电网瘫痪。

“全面崩溃风险”的表述意味着什么?

国家电网使用“全面崩溃风险”这样的表述,通常是一种预警机制,意在强调:

风险的客观存在: 电力系统不是绝对安全的,在某些特定条件下,确实存在发生大规模、系统性停电的可能性。
挑战的紧迫性: 当前电网面临的挑战(如新能源接入、极端天气)是真实且日益严峻的,需要高度重视并采取有效措施。
需要加大投入和支持: 这种表述也可能是在呼吁社会各界、政府加大对电网安全稳定运行的投入,包括技术研发、设备更新、人才培养、政策支持等。

总结来说,国家电网“电网存在全面崩溃风险”的说法,是基于对电力系统运行规律的深刻理解,结合了当前电网接入大量间歇性新能源、极端天气频发、设备老化、网络安全等复杂挑战后,对系统脆弱性的一种高度概括和警示。它不是危言耸听,而是电力行业在确保国家能源安全和社会稳定运行这一重要任务面前,对潜在风险进行的一种坦诚和负责任的表达。

理解这句话,更重要的是要认识到,电力系统的稳定运行是件极其不容易的事情,它需要持续的投入、先进的技术、精细的管理,以及社会各界对这一基础性行业的理解和支持。

网友意见

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还有哥们在认认真真的分析技术问题。

这是个技术问题,也不是个技术问题。

早就知道会有这么一天。

去年双碳提出来后,各部门纷纷表态,电网直到12月才表态。内心那个别扭啊。

去年新能源补贴最后一年,抢装大潮,业内本来预期今年是一个建设小年,结果来了双碳,市场预期一下子被抬了起来。

但是项目都干完了,哪有那么多后备项目?上半年开工量很小。

有人不高兴了,有人急了,有人挨批了。

源网荷储,清洁能源替代,整县分布式光伏,特高压外送基地,能开尽开,应并尽并。

项目路条涨上天,概念股过山车,各路神仙齐上阵,电源国企亏钱赚吆喝。热闹。有人哭有人笑。我认识的好几位已经财务自由了。

建设以新能源为主的电力系统,甚至能源系统,可能吗?

可能呀。

火电做调峰,只是慎新增,近期搞抽蓄,远期看储能,氢气替油气,负荷侧响应。

别可控核聚变了,你有生之年大概率是看不到了。

大概路径也就这样。

但这里涉及一个问题,改制之后成本咋弄?

电网你到底放不放开电力市场啊?煤电的调峰成本新能源到底能不能承担起来呀?碳交易到底让不让新能源发电进入啊?氢能你一方5度电,啥时候电价能降下来哦?储能到底是分散建设还是集中建设啊?抽蓄之前建少了,你要补,给审批的快速通道不?

罗马不是一天建成的,急什么?

要急也可以,那得给全套套餐啊!

摸着石头过河?

科学不科学,领导说了定。

基建狂魔没时间搞顶层设计。

一堆人还觉得下大棋。

上面自己都不知道对领导的意图咋解释,懵圈着呢。a一句话,b都不能解释,b都是能主宰一方行业的大佬,他们都不能解释,只能底下放手干,大不了搞完再推翻。

技术问题是存在的,解决不了技术问题,有两种可能,一种是真的解决不了,一种是我用技术问题倒逼领导。

看,你要干,出问题了吧?

从道德上看,这是个二极管。实际情况远比二极管复杂。有人愿意干,有人不愿意干,有人愿意出大力去干,有人愿意顺水推舟的干,有人想速胜,有人想投降,有人想论持久战。

折腾吧,反正我最近一个月4个通宵,最多连续43小时不睡觉。

折腾死算逑。

本答案估计活不长。纯吐槽。不涉及技术问题。

反正有很多专业人士已经回答技术问题了。

但是工作越久,接触层面越高,越觉得,技术是基础,但不是关键。

毕竟已经不是亩产10万斤的年代了,大家还是讲基本科学原理的。

指出的方向,能干,但是有困难,啥是困难?技术是困难,分饼是更大的困难。

所以大是大非面前,你还谈技术?

为啥我们永远都是挤压在客观事实和大是大非之间。

仔细想想,还是要怪美帝为首的西方集团,创造气候变化的概念,给我们施压。

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发电厂有功功率供给不足,将会导致电网电压频率出现下降,根据我国标准50Hz用电,当下降到49.8Hz时候,即触及底线,此时需要切除部分负荷保持有功功率供需平衡,否则会导致系统频率进一步下降,频率下降对电网造成的影响是巨大的,我们家用白炽灯泡由于是纯电阻器件,所以对频率不敏感,对于电动机来说,频率的变化有可能直接导致电动机无法正常运行,造成设备损坏,生产产品不合格等问题。

此外,系统频率下降会导致火电厂机械出力下降,使得供需缺额进一步扩大,使得频率进一步下降,最后造成系统频率崩溃。

当频率下降到46~45HZ时,由于与发电机同轴的励磁机转速严重下降,励磁机电压严重降低,使发电机端电压降得很低,自动电压调节器已不能把电压维持在额定值,致使系统“电压崩溃”,最后导致系统瓦解。

至于为什么有功功率和无功功率供需不匹配会导致电压和频率变化,可以参考下面这个问题:

电网上没用掉的电去哪里了? - 知乎 zhihu.com/question/2908

先说结论

如果是短期的供需不平衡,会引起电流频率的变化。发多用少,频率上升;发少用多,频率下降。但是如果是长期的,严重的供需不平衡,需要调度人员或者其他相关工作人员通过投入或切除部分发电机组或者负荷来完成供需平衡。

结合问题“电网没用掉的电去哪了?”既然题设已经存在了“没用掉的电”的前提条件,那么可以解释为这部分能量存储在了发电机转子以及电流中,使得低频电流变成了高频电流。

如果你不是一个浅尝辄止的读者,那么请接着往下看。如果你认为自己已经得到满意回答了,下面的就不用看了。

发电机

目前投入使用的发电机,一般为同步发电机。

同步发电机的基本结构

发电机由定子和转子两个部分组成。所谓定子,即固定不动的部分,如图1所示。


其中内部“工”字形的部分被称为“转子”,由汽轮机带动进行旋转,将会在电机内产生旋转的磁场。位于圆周上的 绕组被称为定子绕组。

发电机的发电原理

旋转磁场切割定子绕组,在定子绕组中感生出电动势,由于三相绕组在空间上的分布各差 ,所以对每一个绕组来说,其感受到的磁场变化强度如图2所示。

根据中学物理课本上的法拉第电磁感应定律

闭合回路中的导体切割磁场会产生电流

且根据麦克斯韦方程

容易看出,交变磁场在闭合回路中感生出的电动势的大小同磁场对时间的导数呈正比,即磁场变化变化越快,感生出的电动势就越大。且由于磁场的变化为正弦波,所以感生出的电动势为正弦的导数,依旧是正弦图像。

自此过程中,燃气轮机的机械能通过带动磁场旋转,将机械能转变成了电能。

根据我国的生产标准为三相电,即定子输出三相幅值相等,相位上各差 的三相电流,对各个发电机组发出的感应出的电流进行调相,使其相位保持一致。然后并网,再经过升压变压器以及降压变压器使电压降到 供居民使用。

再由麦克斯韦方程

可以看到,变化的电场将会产生磁场,且产生的磁场强弱同电流的大小J​​以及电流对时间的导数呈正比。这也就意味着,在上文提到的由交变磁场感生出的电流将会产生一个交变磁场,我们称他为磁场 ,同原转子形成的磁场,我们称他为磁场 ,进行叠加,变成磁场 。这个时候电机内的磁场不再是完美的正弦形式了,他变得不干净了。为了方便分析,我们将磁场 按照垂直于主磁通 的方向和平行主磁通 的方向进行分解,得到两个新的数学量。其中平行于主磁通 的我们称他为磁场 ,垂直于主磁通的我们称他为磁场 。他们在物理上分别起着助磁和去磁的作用。所谓助磁,指的是叠加后的磁场增强了原磁场,去磁作用与之相反。

在发电机运行过程中,助磁和去磁作用一直存在。可以理解为第一代的磁场产生第一代定子电流,而第一代定子电流又产生第一代定子磁场来改变第一代磁场,使其变成第二代磁场,而第二代磁场又产生第二代定子电流,第二代定子电流又产生第二代定子磁场来改变第二代磁场,使其变成第三代磁场,以此循环,直到收敛。就像你站在一个四周都是镜子的房间里,你看到的自己是镜子里的镜子里的镜子里的......你自己。也可以称之为“无限套娃”。

发电机频率的影响因素

看到这里,相比一些聪明的小机灵鬼已经能感觉到电流频率和发电机转速之间的关系了。发电机转子转得越快,它产生的磁场变化就越快,其电流变化速度也就越快,也就是电流频率就越高。其转速及频率符合如下关系

其中, ​代表由原动机带动的发电机转子转速;

​代表极对数,对于某一固定的发电机, ​值不会发生改变;

代表发电机发出电能的频率

发电机转矩的影响因素

所谓转矩,直观理解为旋转的时候所需力的大小。我们想象自己现在就是在生产队里面拉磨的驴,当磨盘之间的摩擦力大的时候,我们拉起来很吃力,这个时候就是因为磨盘的转矩很大。当磨盘之间的摩擦力很小的时候,我们拉起来就很轻松。这是因为磨盘里面的粮食快被磨完了,摩擦力变小转矩减小。

发电机旋转的动力来自汽轮机的轴传动,其阻力来自于定子电流产生的磁场与转子磁场之间的相互排斥。由上文可知,定子上的电流越大,其产生的“反抗磁场”也就越强。那么驱动发电机稳定转动所需要的力也就越大。

能量之间的变化

当用电端,也就是用电负荷端负荷突然增大(此处暂时不谈无功功率),这里只拿白炽灯举例,以前是100W用电,在时刻 变成了150W,在电压不变的情况下,此时电网上流过的电流会增大为原来的1.5倍。那么定子电流也会增大,具体增大或许不是1.5倍,但是我们就假设它增大了1.5倍。那么它产生的“反抗磁场”增大为原来的1.5倍。如果汽轮机的输入功率不变,就会导致这头“驴”感到吃力,那么旋转速度就会降低,转子速度跟着降低,导致电流频率下降。

此处说1.5倍是为了方便理解,实际上电网实时在运行的功率是非常大的一个值,停电一两个街区对于整个电网来说压根就感觉不到频率的变化。

内部当频率下降到一个临界值,比如从50Hz下降到了49Hz​的时候,这时调度部门开始采取措施,比如增加投入使用的发电机组。这就涉及到电网一次调频、二次调频的一些知识。这里就不展开了。同理,当负荷需求量小于发电量时候,电网中电流下降,电枢反应的去磁作用减弱,即“反抗磁场”减弱,这头“驴”突感感觉很轻松,猛地一下拉磨速度就提高了,使得旋转速度上升,电流频率增加。

总结

就如同部分答主所讲的那样,如果真的要说“多出来的那部分电能”去哪了?

我认为可以解释为这部分能量使得电流的频率升高了

至于同样幅值下是否频率越高的电流其蕴含能量就越多,这一点我不太了解,不过从我直观地感受来猜测,我觉得是这样的。

展望

根据量子力学的理论

是振子所蕴含的能量;

为普朗克常数;

是振子振动频率;

是不是电流也是这样,频率越高能量越大,且冥冥之中有着共同的表达形式?

本人才疏学浅,不足之处请大佬在评论区指正,非常感激。

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