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功率技術/新能源  

智慧電網技術打造可抵禦天災的電力網路

上網時間: 2011年05月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧電網  smart grid  感測器  PMU  電力網格 

作者: 麥利

從最近巨大海嘯橫掃整個日本沿海城鎮的強大威力來看,一般的電力網路勢難抵擋。但專家們表示,透過現今的智慧電網(smart grid)技術將有助於抑制災害的破壞程度,同時加速未來針對這些災難復原的工作。

新一代的智慧電網技術包括安裝一些感測器以連接至更強大的監控、可視化與控制系統。此外,還有一些用於變電站的模組化變壓器;網格上可迅速隔離故障的快速切換電子設備;以及更大、更好的電池備用系統。

思科(Cisco Systems )公司新能源連接部門技術長Paul De Martini指出,感測器網路和自動變電站的遠端視訊監控系統是目前的兩大重點領域。在1989年舊金山大地震期間,Paul De Martini曾在太平瓦斯與電力公司(PG&E)的災難復原計劃中接受電網技術人員的在職訓練。

日本福島核電廠躲過了9.0強震,可說是工程領域的一大勝利。“但問題是隨之而來的海嘯卻中斷了核電廠中用於冷卻核燃料的發電機”,美國伊利諾伊大學工程系教授兼電力系統工程技術研究中心(Power Systems Engineering Research Center)總監Peter Sauer說,“相同的情形也可能發生於此。”

在某種程度上來看,的確如此。

在2005年卡崔娜颶風(Hurricane Katrina)襲捲造成美國新奧爾良州大部分電力中斷之後,美國一些工程師正研究可用於水災或海嘯等危險地區中的浮動變壓器概念。其它如ABB Group也正開發一種可由卡車或火車以貨櫃方式傳送的模組化變壓器。Sauer指出,變電站中的變壓器是在電力網格中最難以取代的部分。

致力於研究智慧電網的業界組織GridWise Architecture Council中有一位成員Kenneth Wacks表示,打造具可靠性的電網必須先完整的考慮到各種可能性,並就可靠性程度進行成本/效益分析。

從服務的角度來看,日本的電網服務較美國的電網更加流暢與簡化。日本東京電力公司(Tokyo Electric Power Co.;Tepco)擁有整個生態系統的各方面──發電機、輸電與配電系統,以及客戶服務等。而美國,許多獨立的一般小型公司各自擁有部份電網系統。

東京電力公司員工也積極參與開發智慧電網技術的全球標準與業界組織,他們對於這些概念也遠較其它各處的同行們更具有執行力。 “他們展現出了更強大的團隊精神,”Wacks指出,“然而,當災難發生時,他們仍無法抵擋衝擊。”

“當發生如巨大的強震重擊後,我無法想像若在電網中導入更多智慧特性,將帶來何種改變,”IDC Energy Insight集團副總裁Rick Nicholson表示。

2003年美東大停電

從每一次的災難中學習經驗與教訓。

我們採訪了美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)的總工程師Jeffrey Dagle。該實驗室是調查2003年美東大停電計劃團隊的一部份。2003年美東大停電可說是北美電網有史以來最大規模的事件。根據美國政府的報告,2003年8月14日的這次長達數小時的停電事件涉及了一連串的人為錯誤與機器故障。估計美東八個州以及與加拿大兩個省約有5千萬人以及超過7萬MW的電力負載都受到了影響。

大部分的損害在幾分鐘之內就相繼發生了。接著,美國部份地區停電兩天,加拿大安大略省部份地區則輪流停電達兩個星期。調查人員後來建議必須建立新的可靠性標準,對於違法者強制施行監督與罰款,並為電力網格導入更多智慧化功能。Dagle說,這些建議目前“已經幾乎完全落實了。”

Jeffrey Dagle當時正進行一項開發同步相量量測量器(PMU)的小型研究計劃──這是一種可在電網上提供資訊的感測器。“這項計劃本來只是一項擁有十萬美元預算的中型研究計劃,但在停電事件發生後,它的知名度也隨提高了。”Dagle說,“因此後來還從美國能源部獲得了1百萬美元的預算,以及另一個機構也提供了相當的研究經費。”

多虧有了這些資金的援助,過去幾年來,美國電網中PMU的用量已經從約僅200個增加至1,000多個。但沒人知道大約需要多少設備才能充分地輔助電網,但Dagle說它可能需要多達 10,000個。

“美國最終將擁有最多的PMU部署;我們正走在此計劃的最前端,”思科公司的De Martini表示。

電網也需要網路監控溫度和風速,才能更精確的校準出能夠處理多少傳輸線路負載。此外,主要的電網系統也必須進行即時監控,以協助業者衡量性能與維護的需要。

南加州愛迪生公司(SCE)和加州理工學院正研究如何在電網上利用低成本加速度計,作為探測與追蹤地震發展動態的方法。

De Martini強調,“從地震發生到傳輸線路等設備中斷可能只有幾秒鐘的時間,以便盡可能地減少火災等連帶損害”。思科公司的Paul De Martin先前也曾經擔任SCE公司先進技術部副總裁。

同樣地,其他還有一些公司正研究如何在電網中利用應變計,以確定對電網在寒冷的天氣中結冰的程度。

De Martini並建議在自動變電站中使用安全錄影機,以協助在災後遠端評估設備狀態。他表示,電力公司應該進一步採用一些業界主導廠商的作法,如聯邦快遞公司(FedEX)採用全球定位系統(GPS)連線的方式來追蹤並分派現場人員。

在電網保護方面的下一步重要發展目標在於開發強大的即時監測與可視化系統,例如那些已經在PNNL中的系統原型。工程師們正在重寫該系統背後的演算法,使其可利用目前多核心PC處理器中的平行硬體。

目前,業者平均約每隔一到五分鐘就會收到電網的更新資訊──即所謂的狀態評估,在此之前則需每半小時才更新一次。透過PMU和新的演算法可望在未來再進一步減少間隔時間,使其達到接近即時的幾秒鐘程度。

然而,未來還面臨著諸多挑戰。

伊利諾伊大學的Saucer表示,以目前的商業環境來看,還未達到購買PMU並將它們與網路連接便監控系統的條件。有些PMU採用專有設計,因此電力公司對於共用其PMU數據的方式顯得相當謹慎。

PNNL實驗室的Dagle反駁道,電力公司已經敲定了一個標準協議的形式,讓他們可在公司之間共享PMU的數據。此外,一個讓研究人員們研究電網的類似形式也正進行中。


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