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向停电说再见(2-3)

2020-06-25  浏览量:510

向停電說再見(2/3)

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。

(续前文)

追求速度

现代化战机拥有各项精密设备,驾驶员依靠各种感测器和自动控制装置快速蒐集资讯并据以反应。可喜的是,以类似方式控制的电力输送网、即时重新导向的电力输送路径,以及关闭发电厂的创新软体和硬体都已经问世。

不过要重新配置连结纵横交错的系统,是件十分辛苦的事。发电厂和输电线路多半是由监控及资料撷取系统(SCADA)负责管理。这套由简单感测器与控制器组成的系统,具备三项重要功能:取得资料、控制发电厂,以及发出警讯,好让中央控制中心的操作人员可执行特定作业,例如开启或关闭回路断路器等。SCADA负责监控装设在发电厂、变电所和传输与配电线路各处的开关、变压器,以及称为「可程式逻辑控制器」与「远程终端单元」的小型硬体设备。这套系统可透过电讯管道将资讯或警报回传给操作人员。

不过,SCADA技术已有40多年历史,很多部份速度太慢,不足以应付现今的需求,且其对电力输送网各处元件的控制能力也不够。此外,虽然它具备一些电力公司间的传输协调功能,但程序极为繁複迟缓,很多部份仍必须由电力公司控制中心的操作人员以电话联络──特别是在紧急状况下。除此之外,这些程式化控制装置和远程终端单元大多是在全业界的互连标準建立前所开发,因此邻近的电力公司使用的控制通讯协定往往不能相容。使用1960年代控制装置的电力公司,在运作时更加逼近稳定容许範围的边缘。这样的结果就是,单靠一个操作人员或一家电力公司,无法稳定或隔

离输电问题。要以即时方式管理现代电力输送网,必须大幅增加监控功能、大幅改善互动功能,让分散在发电厂与变电所各处的操作人员、电脑系统、通讯网络和蒐集资料的感测器能互相联络。要使运作更加可靠,还必须在各个节点间建立高传输速率的多重双向通讯管道,但现在还没有做到,同时控制中心还必须拥有强大的运算设备。另外,网络各处还必须安置智慧型处理器,以便在侦测到停电的前兆时,自动重新安排电力输送的路径。

自我修复智慧型电力输送网

控制电力输送网络的首要条件是新型的系统设计。近年来,各个领域的研究成果,包括非线性动态系统、人工智慧、赛局理论及软体工程等,已经构成一个整体理论,让我们设计出可适应多变状况的複杂系统。针对这个新颖学门而发展的力学与运算技术,也为电力输送网工程师提供新的工具。有些业界的工作小组(例如本文作者安明在美国加州帕洛亚托的电力研究所(EPRI)时带领的小组)已提出适用于大型地区电力输送网的複杂适应性系统。有些电力公司目前已经以示範性规模建置智慧型远程终端单元和程式化控制装置,它们可自主执行简单程序,不需要由控制人员确认,但也可由操作人员在远方更改程式,不过这目前仍须进一步建构。

建立可自我修复的智慧型电力输送网的结构时,最好是能达到三个主要目标,最基本的目标是即时监控及做出反应。由感测器负责监控电压和电流等电力参数以及重要元件的状况,这些数据可让系统将自己随时维持在最佳状态。

第二个目标是预测。这套系统必须不断寻找如变压器过热等可能引发更大状况的潜在问题。电脑负责评估问题徵兆与可能结果,接着找出改善行动,模拟每项行动的效果,并告知操作人员最有用的处理方式,由操作人员启动电力输送网的许多自动化控制功能,快速执行改善行动。电力产业将这种功能称为「快速超前模拟」。

第三个目标是隔离。如果真的发生状况,整个电力输送网将分隔成一个个「孤岛」,每座孤岛必须自给自足,并且会尽最大努力重新整顿本身的发电厂和输送路线。虽然如此可能造成电压波动,甚至小规模停电,但可防止造成大规模停电的滚雪球效应。线路维护人员修复问题时,控制人员为每座岛屿做好準备,以便让其顺利加入更大的电力输送网。控制装置和电脑可成为分散式网路,透过微波、光纤或电力线路自行沟通。电力传输恢复后,系统就可重新开始自我最佳化。

向停电说再见(2/3)

要将目前的基础建设转换成这种可自我修复的智慧型电力输送网,有几项技术必须建置及整合。第一步是在每个开关、断路器、变压器和汇电条(将电力导离发电机的庞大导体)内安装处理器,每条输电线路上也必须安装处理器,并可与其他处理器沟通。这些处理器可监控位于系统内的感测器,追蹤本身负责地区的活动。

将每项装置纳入监控后,目前使用的数百万组电磁开关应该更换成固态电力电子线路,这类线路必须加以强化,以便承载34万5000伏特以上的超高传输电压。由类比装置更新为数位装置后,整个电力输送网将可转换为数位控制,这也是建构即时监控与自我修复功能的唯一方式。

另外,通往每个家庭和商店的小型低压配电线路,也必须加以数位化,转换工作才算完成。其中的关键任务是将已有数十年历史、靠齿轮转动运作的老式电表,换成数位电表,这种电表不仅能记录送入建筑的电流,也能追蹤送出的电流。如此可让电力公司更正确地评估,有多少电力及无效电力由独立发电厂流回电力输送网。它还可让电力公司侦测到非常局部的问题,提早警告可能扩大的问题,进而改善超前模拟能力。它可让电力公司为客户提供每小时不同的费率,包括在离峰时段使用电器与机器的奖励,还能依日子而变化,降低可能影响电力输送网稳定的需求高峰。和电表不同的是,数位能源入口可以收发网路资料,让客户对价格变化做出反应。这种新工具可让电力输送超越日用品模式,而进入能源服务的新时代,一如目前生气蓬勃的电讯市场般多采多姿。

EPRI设计智慧型电力输送网原型的计画,名为「複杂互动网络与系统计画」,于1998~2002年执行,参与成员包括六个大学研究团体、两家电力公司,及美国国防部。这项计画引发了美国能源部、美国国家科学基金会、美国国防部,和EPRI本身数项针对电力输送网开发中央神经系统的后续工作。总体说来,研究结果显示操作人员如果能不断取得各处状况的详细资料,就可让电力输送网的运作接近稳定性极限。操作人员负责监控系统变化状况,以及天气对它的影响,进而产生更加清楚的概念,知道该如何随时维持负载(需求)与生产间的平衡。

举例来说,EPRI的智慧型电力输送网计画中,有一项是让操作人员更能预知大规模不稳现象。目前的SCADA系统在评估其所侦测到的隔离系统行为时,延迟长达30秒以上,这就好像看着起雾的照后镜开飞机,而不看前方晴朗的空域一样。EPRI的「快速模拟与模型建立计画」正在开发比即时更快的超前模拟来预知问题,就像西洋棋高手会预先评估未来的好几手棋。这种电力输送网的自我模型建立(或自我觉察)可避免掉假设状况分析中的可能影响,同时它还可协助电力输送网自我修复,在停电或遭到攻击后适应新的状况,就像战斗机即使出现损伤,也能重新调整系统,维持飞行。(待续)

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