使用热水器等家电平衡电网负载
玄明 2019-7-15原创 极客DIY
中文摘要
电器 电网 负载 平衡 削峰填谷 发电 动态平衡
关键词
电器电网动态平衡削峰填谷负载发电

电力系统的供需动态平衡一直是所有电力公司的老大难问题,无论过载或空载都是令人挠头的存在。为了解决这些问题,我们发明了数不清的昂贵机械设施来稳定电网的电压……可是我想这个问题也许并没有那么复杂。

如今我国的大部分家庭都已实现了互联网的接入,各类智能技术也百花盛开。因此电力企业与其耗巨资修建抽水蓄能电站等设施,不如把这些钱补贴给家电厂商,让它们为消费者生产一些更实惠的家电,比如热水器、冰箱、空气净化器、净水机等等。

这些家电有个特点就是对工作的时间没有严格要求,就拿热水器来说,只要它烧热了水,那么这桶热水就可以持续保温很长时间,哪怕昨天烧热了一桶60度的热水,也足够在今天供一家三口日常洗漱。

所以,如果这些家电能与电厂和电网相连接,那么它们就会通过每家都有的包年宽带成为电厂的可调节负载,大大增强电网的负载调节能力。当电网的负载过高时,国家电网就会通过管理系统控制国内的几百万台热水器关机等待,反之则开机工作。因为电力系统的负荷曲线的高低规律与日夜交替大体相关,所以这些被遥控的家用电器基本每天都会获得至少一次通电的机会,从而确保了用户生活不受干扰。

当然如果你临时有需求也可以自行控制这类电器工作与否,这时你的电器的“工作任务”就会被安排到其它电器上。因为电器的数量是如此的庞大,其中几万台设备离线或故障根本无关痛痒,即使不使用单电器的功率调整功能,整个电网系统的动态依然是线性的、稳定的。

除了普通老百姓,一些大功率电器的商业用户也可以将自己的大功率设施与电网系统相连接,当这些巨无霸停启时,电网的负载系统会得到相应通知,进而提前做好准备以“削峰填谷”。电力系统甚至可以在一些负载极度癫狂的用户附近开展相应电器的促销活动,鼓励周边民众更新家中电器以平稳负载。在理想条件下,哪怕一座工厂在一分钟之内负载上下波动十几次,家用电器们也能安然应对。

当然电力系统应该给使用这类电器的家庭一些好处,例如电费减免、积分兑换等。家电生产企业也可以通过认领相应电器的生产额度获得电厂的回馈以降低这些电器的成本。得益于已经很成熟的数据库管理,这些管理工作的成本完全可以接受。



来自:科创广场 / 极客DIY
170050051624
2年3个月前
1楼

冬天的供暖有这样做的,晚上给一个热容量很大的电暖器加热,到早上停止加热。

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信仰は儚き人間の為に
2年3个月前 修改于 2年3个月前
2楼

早就有了

峰谷电表了解下

只不过那个是用户手动操作


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我说要有光
2年3个月前
3楼

售电公司就是做这个业务的

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玄明作者
2年3个月前
4楼
引用信仰は儚き人間の為に发表于2楼的内容
早就有了峰谷电表了解下只不过那个是用户手动操作

你们让我想起了我20年前去世的姥姥,记得那天我对我姥姥说:

“肯德基的炸鸡腿特别好吃!”

“鸡腿有啥稀罕的?晚上姥姥给你做!”

@信仰は儚き人間の為に

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icewind
2年3个月前 修改于 2年3个月前
5楼

理论上是不错,但真正做起来问题很多。

首先,个人家庭的大多数用电器都是要实时响应的,比如:电视、电脑,空气净化器、空调等,不可能等你来均衡再来启动。不可能说不需要开空调的时候你开机,哪就是浪费电,需要开机的时候,要等计划安排。冰箱这类电器是要24小时开机的,因为要保持衡温。其他电器也一样,像热水器这样的电器是非常少的。

第二个,要实现你所说的功能,要增加大量的设备,比如说,你要有个系统,建立数据库,统计各个地区、各条线路、各种设备功率大小。然后动态调节,这个工作量也不会少。这个成本恐怕不比你说的数不清的昂贵机械设施低。

另外在各个用电器上增加这个系统,生产、维护成本不会少,如果都要消费者买单,估计没多少人会愿意。

第四个,要实现以上功能,必须要用户必须要联网,并输入用户信息、住址,用户号等。年纪大的人不说,就是年轻人让家里的每一件电器都输入一次,这工作量就呵呵了。

所以说,实用价值应该不大,毕竟,主要用电大户还是工厂企业。

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虎哥
2年3个月前 修改于 2年3个月前
6楼

楼上的说法有道理,不过是否需要细节到一个家庭的用电设备倒不一定,因为这本质上是个概率问题,居民用电有他的规律性。

另外,电网本身的调节能力很强,一般情况下并不需要“昂贵的机械设备”,电网设备都不便宜,这里的昂贵是指“额外的昂贵”。举个简单的例子,电网频率变动0.05Hz,对于一个区域电网来说,就是几十万千瓦的负荷波动。也就是说,负荷大的时候电网频率会自动下降一点点,负荷就会自然的减小,达到新的平衡。这种下降通俗的说是因为负荷大了,发电机转起来更吃力了,于是就转得慢一点,他是自然发生的负反馈,并不需要“额外的复杂机械设备”。在发生频率下降以后,再提高原动机功率,使频率缓慢的恢复到标准值,这个过程并不需要瞬间完成,所以也不会有什么大的麻烦。如此周而复始,实现了电网的自我调节,随时保持着动态平衡。这一切正常运转的基本原理,就是发电、用电之间具有天然的负反馈,是天然收敛的。

当整个电网的负载过轻时,就可以把负荷集中到一些发电机,而把另一些发电机关掉,这样比所有发电机都轻载的开着更节省一些。水电机组能够快速的开关(几分钟就可以把导叶关死),因此担任了这个角色,负荷小的时候就首先关大中型水电机组,让水库多蓄水。通常来说,大型水电站是调峰的主要手段;火电站可以用于调峰,但经济性不佳,因此是次要手段。

对于目前的电网来说,几乎没有任何机器的启停值得担心。动车开起来耗电1万千瓦,几十分钟就要起停一次,虽然供电部门有点头疼,但也不是什么特别大的问题。电解铝有功率十万千瓦甚至更大的厂,但是从来不会所有电解池同时“预备……,起”。对电网扰动大的是事故丢负荷,比如主要线路忽然故障,或者发生地震洪灾什么的。另外短路造成的冲击也是很大的,他通常不会造成长期影响,但是可能因为保护设计不良而导致不正确的断开一些线路,造成大面积丢负荷。发电厂出现事故忽然停止百万千瓦级的出力,也会对电网造成严重冲击。这种时候,靠电网的“天然负反馈”就不能维持稳定,就需要依靠拉闸限电了。在电源足够的情况下,电网需要解决的问题和楼主谈到的其实没有多大关系。楼主提到的这些问题,不夸张的说,差不多一百年前就解决了。只要技术有可能,经济上有利益,产业界肯定比用户先知先觉。

电力系统也在发展,自动化程度越来越高,追求绿色经济是社会的自然需求。提一些能源互联网之类新概念是很有必要的。但是,这些改进都必须站在巨人的肩上,而不是天马行空的奇思妙想。就拿楼上提到的那些问题来说,随着物联网的发展,这些数据早就上了平台,他们的制造商很容易解决这些担忧,根本不用劳烦用户。需要解决的反而是标准问题,这些牵涉各个厂家的利益,牵涉到商业模式,做起来比工程问题要难得多。但是,只要有巨大的利益,产业界一定会先知先觉的。

对了,负荷高峰,在几年前就已经不是工业用户贡献的了,而是城市居民和商业空调用电。工业用户恭顺得很,岂敢和居民抢电。

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玄明作者
2年3个月前
7楼
引用icewind发表于5楼的内容
理论上是不错,但真正做起来问题很多。首先,个人家庭的大多数用电器都是要实时响应的,比如:电视、电脑,...

我的帖子中已经明确说了是“热水器”之类对工作时间不敏感的电器。电视电脑这类设备本来就是不予考虑的。何况电视、电脑、空净设备的功率一般最大也只有三四百瓦,从效率上来说应用在本创意中并不合适。而一般热水器的功率都做到了电路负荷的极限,也就是2200瓦或3500瓦。空调虽然对启停时间要求较高,但也可以实现对部分功率控制:例如设定为28度,但在电网条件需要的情形下可以制冷到26度,电暖器亦然。


对电子设备的远程遥控对现代社会来说是非常成熟的技术,淘宝上相应的WIFI开关零售价格已经下探到了20元以下。要获取电器位置只需要将运营商的网络拓扑图与电网拓扑相对应即可,并不需要统计电器的物理位置和用户信息。当然对用户来说将电器与自己的电表卡绑定是必要的,否则就无法获得电力公司的优惠了。一台电器一般至少使用3-6年,用十几年也很平常。用户家里这样的电器顶多不过几台,也就是说平均一年才需要绑定一次,这点操作完全算不上麻烦。


目前我国建设抽水蓄能电站,每千瓦的建设成本是7000元左右,而一台2000瓦的热水器增添相应的功能只需要几十元的成本,机房成本也不会更高——对设备的管理只是开关这种简单的操作,就算是平常的手机都可以在一分钟内发出上百条这样的命令,而大部分服务器单核心CPU就足以达到1000qps的处理量,换算成服务器成本,每个用户负担最多不超过10元,远远比不上节约电费带来的收益。


目前峰谷电价的日夜差价大约是0.2元,将这个价差套用在本创意上,一台2000瓦的电器按每天工作一小时计算,每年可节约费用365*(0.2*2)=146元,即使刨去用户手控的情形,每年可节约的费用也在百元以上。更何况电器实现远程操控本就是现代正热门的智能化概念,市场上已经有不少电器本就具有联网遥控功能。因此对用户和厂家来说这是顺水推舟稳赚不赔的买卖,并不存在成本问题,反而具有经济优势。


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玄明作者
2年3个月前
8楼
引用虎哥发表于6楼的内容
楼上的说法有道理,不过是否需要细节到一个家庭的用电设备倒不一定,因为这本质上是个概率问题,居民用电有...

获益良多,感谢指导!

目前我国抽蓄电站在运规模2849万千瓦,在建规模3871万千瓦,而2017年全国发电总量是6.5万亿千瓦时。相对来说的确微不足道。

但同时我们也应考虑新能源的发展步伐,随着风电、太阳能等发电方式占比的逐年提升,电网面临的新挑战应当只高不低。


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虎哥
2年3个月前 修改于 2年3个月前
9楼

电器得到实时电价广播,随时调整用电策略,现阶段已经没有什么难度了。和配电公司的平台交互,也不是不可能。问题在于,非刚性用电在居民用电中的占比到底有多少?实际上很少,大概来说就只有储水式热水器这类电器,而储水式热水器的普及量不大。其余电器,基本上都是需要用时必须要用的(除非降低用户体验忍一忍)。所以,这里的问题就是参与该项目的热水器能够达到多大规模。这是一个数学问题,为什么不算一算呢?

我们先假设如果能保证100万千瓦有效调节容量,那么对于电力系统来说,可能会具有开发价值。

那么,需要有多少热水器参加这个伟大工程,才能达到100万千瓦的有效调节容量?我的答案是20比1,也就是2000万kW。

首先是有一定比例用户会有“反常”用水,破坏调节性,就算这个比例是20%,也就剩下1600万kW了。而热水器不能烧成开水,就算最高75摄氏度,夏天调节范围就剩下40摄氏度,对于200L的热水器,需要热量:\(3.36 \times 1{0^7}J\)  。对于5kW的加热功率而言(这已经算水箱大功率小的了),只需要112分钟。按照一天一半时间来算,是12小时,平摊下来一台机器只能覆盖大约6.45比1的时间。所以,就剩下250万千瓦了。而绝大多数家庭平常是用不了那么多高温热水的,烧多了就变成了浪费,放的时间长了会凉,所以不能按照热水器最大工作能力来算烧水量,这里再截去一半,那就还剩125万kW。再考虑大部分热水器的水箱小,60L就有2kW,储热能力更差,算100万千瓦已经可以了。

是否有2000万kW的热水器能联网,咱就不说了。

但是热水器不能发电,不能调相,他只是把负荷搬到了低谷期,因此与蓄能电站不能等同而论。

抽水蓄能电站是在没有水利资源可供开发的情景下,凭空造出水利资源。他的效益是多方面的,就算1万元/kW的建设成本,很可能可以保证10年收回本息,如果国家再给一些补贴(因为他兼有多种效益),这个周期还会缩短。所以这是一门挣钱的生意。

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