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向停电说再见(1-3)

2020-06-25  浏览量:780

向停電說再見(1/3)

智慧型电力输送网能自动对问题做出反应,减少令人沮丧的停电状况。


重点提要

数十年来电力需求不断增加,但将电力由发电厂输送给用户的输电线路,并未以相同的步调增建或更新。这就导致电力输送网负载过大,而更容易引发停电,停电的次数及严重程度也逐渐提高。美国每年因停电而造成的经济损失超过700亿美元。即使有了更多线路,自我修复智慧型电力输送网仍可及早感知局部问题,并在滚雪球效应出现前自动修复或隔离,对于防止电力中断扩散为大规模停电相当有用。所有输电线路、变电所、发电厂及电力公司作业中心都必须安装数位控制装置和即时通讯装置。作业中心也需要更新的电脑及软体,让控制人员在面对某些原因下的停电时,以人工方式接管自动化电力输送网。控制人员也必须接受更好的训练,学习如何快速反应。

2003年8月14日,是个美国中西部常见的大热天。但下午两点过后不久,在俄亥俄州北部,有几条高压电线因传递过大的电流而鬆弛下垂,并在碰触到太高的树之后损坏。这类状况通常会在当地电力公司控制室中触发警讯,操作人员会与邻近地区的控制人员合作,改变电力输送路径,绕过发生故障的地点。

但当天警示软体没有反应,因此当地操作人员不知道发生问题;将大量电力转送数百公里,横跨俄亥俄州、密西根州、美国东北部和加拿大安大略省的其他控制人员,也没留意到有状况。损害点周围的输电线路虽然都已满载,却不得不承载超过安全限度的电力。

更糟的是,电力公司产生的「无效电力」(推送电流沿电线移动的电磁场)不足。由于没有足够的无效电力来容纳突然起伏的电流,俄亥俄州负载过大的线路于下午4点5分断电。接着一座发电厂停摆,破坏了整个系统的平衡,离线的线路和发电厂越来越多。停电的影响像雪球一样越滚越大,分布在北美各地已有数十年历史的监控设备以及操作人员的追蹤速度赶不上扩散速度,当然更谈不上加以控制。不到80分钟,遍及美国八州和加拿大两省,共有5000万人无电可用,这次事件是北美地区史上规模最大的停电。

它同时也是个前兆。两个月内,英国、丹麦、瑞典和义大利先后发生大规模停电。2003年9月,因为电力由法国传输到瑞士再送到义大利的途中发生障碍,义大利有5700万人陷入一片漆黑。在美国,影响範围超过5万人的停电次数,10年以来仍在持续增加。

停电除了带来不便以外,还会造成经济损失。除非全面检修由发电厂输送电力到社区变电所的整个输配电系统,否则问题会越来越严重。同时,我们也必须建造更多高压线路,以满足渐增的冷气、电脑和可充电用品所带来的需求。

但或许更重要的是,电力输送网必须更加聪明才行。目前负责监控电力输送状况的设备,大多製造于1970年代,这些控制系统没办法在问题发生后立即追蹤,或是做出反应,以便在滚雪球效应出现前自动隔离问题。电力输送网络中的每个节点,都应该保持警觉、具备反应能力,并且能与其他节点互相联络。除此之外,中央控制中心操作人员收到的资讯也相当零散,而且至少迟了30秒,因此不可能及时做出反应,以阻止已经出现的大规模滚雪球效应。具备自我修复能力的智慧型电力输送网,能发现刚开始出现的问题,并重新调整本身的配置以解决问题,这样将可大幅降低停电次数,同时阻止恐怖份子破坏所造成的混乱。这套系统还可让我们更有效率地转送电力,为电力公司与客户节省数百万美元的日常运作成本。建立这种智慧型电力输送网络的技术大致上已经存在,而且最近的示範性计画也证明它确实有其价值。

进步或是退步?

输配电系统容易发生停电,是100多年来我们努力降低电力耗损的结果。电力在电线上行进时,部份电力会化成热散失掉。由于电力耗损与传输的电流量成正比,所以电力公司必须降低电流,同时提高电压来加以弥补。另外,电力公司建立的高压电线也越来越长,以便更有效率地将电力由发电厂输送给远方的客户。这些高压电线也可让邻近的电力公司联结自己的电力输送网,从而互相协助,以维持发电供应量与用电需求量之间的平衡。

不过,这样的互相连通也会带来某些危险,包括一个地区断电就可能很快地扩散到其他地区。1965年美国东北部一次大规模停电,促使电力公司成立了北美电力可靠性委员会,现在称为北美电力可靠性公司(NERC),负责协调提高电力系统稳定程度的工作。世界各地也都有类似的机构,例如位于欧洲的电力输送协调联盟等。

既然如此,美国的电力输送网为什幺还如此脆弱,进而导致2003年的大规模停电?有个很大的理由是在更新输电系统方面的投资一直不足。1970年代油价大幅攀升以及对核能的迷信逐渐醒悟,促使美国国会通过可藉由市场竞争带动效率提升的法案,其后制订的法律在电力产业中引发几乎算是重建的全面性变革。

向停电说再见(1/3)

1990年代重建工作正式开始之前,电力公司在营业地区内多半是一肩扛起三项主要功能:以大型发电厂产生电力、经由高压电线传输到变电所,再由变电所经由低压电线输送给用户。现在有许多独立发电厂透过不是自己建造的输电线,将电力卖到远近各处。同时,联邦能源管制委员会鼓励提高竞争程度,因此电力公司经常廉价出售部份公司。输配电业务逐渐成为兼具法规管理内与管理外各种服务的複杂混合体,由不同的公司各自负责零散的小块地区。

投资人发现,目前大致已不受法规管制的发电业务很有吸引力,但由于输配电系统只有部份不受法规管制,未来发展的不确定性使投资人小心翼翼(撤除对配电的法规管制目前才刚开始起步)。于此同时,即使以前就有电力代输(wheeling)的做法,但1990年代起,远距离输送电量大幅增加,其结果就是大量电力行经的线路,多半是几十年前电力公司为区域性使用而建造的输送线路。

计画中的联邦立法或许可激励更多投资,但即使输送容量提高,停电现象还是会发生。因为现有的控制技术已经相当老旧,而它又是快速感测线路小规模失常或大规模不稳的关键,所以电力输送网络必须整个翻新。为了维持稳定,电力输送网的运作模式必须更像战斗机:大部份时间以自主系统飞行,在需要避免危险时可由控制人员接手。(待续)


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