大規模停電的電網特徵

撰文|蘇建翰

●電網和電力

陽光、空氣、水是自然界中生存的三要素,而在現代社會裡,或許電力也是生存要素般的一個存在:我們常常自然地使用電力而不自知,就像呼吸時也很難去想到空氣的存在,非得等到電力有所缺乏,例如手機電力將盡人卻不在插座旁的焦躁感,才又一次地提醒我們電力並不是個唾手可得的資源。

電力的使用對於便利的生活可說是占了不可或缺的一部份,能夠輕易地使用電力仰賴電網系統正常運作。電網將發電端和用電戶透過重重的網絡連接起來,是一個由發電、輸電、配電子系統組成的龐大系統。

●連鎖性故障可能引發大規模停電

輸電系統由變電所、高壓電纜以及電塔構成,眾多的傳輸電纜連接起電網中一個個節點,我們才得以將電力運送到需要的地方,然而,當一個地方發生運作失當——無論是發電端、用電端的供需異常,或者是輸電網路本身的故障——輸電系統層層相連的結構反倒會使得故障連鎖性地擴散出去。

高壓電塔.圖片來源:pxhere.com

以本篇主要討論的輸電網路來說,歷史上不乏網路中一部份的故障造成整體系統不穩甚至造成大規模停電的例子。就台灣而言,2017年尼莎颱風襲台導致民營和平電廠的輸電電塔倒塌[1],無法運送電力,進而在備轉容量率下降的情況下面臨限電警戒便是一個例子。而這起看似單一的事件的影響,在兩周後的八一五全台大停電上更為放大,使得台電調度電力嘗試復電的努力更為困難。

近代台灣由輸電網路故障引發的大規模停電要屬1999年的七二九大停電以及地震引發的九二一大停電[2],前者影響擴及五分之四的用電戶,後者使得南北電網解聯,北部地區停電超過兩個星期。這兩次的停電事件起因便是輸電網絡中的單一電塔、變電所倒塌,隨後連鎖性的異常便擴散出去。

●輸電網路的脆弱性研究

無論規模大小,連鎖性故障導致的停電每每造成經濟上有所損失。為了降低連鎖性故障帶來的衝擊,一個團隊試圖針對輸電網路,透過移除一些電纜作為初始故障,觀察連鎖性失效的擴散情形,去分析各部位的脆弱性[3]。

在這一份研究中,首先將電網連鎖性失效事件中電纜的運作失效分為兩類:一類是「第一級異常」,指的是在電力失常的過程中,由於超過傳輸線可以安全運作的功率範圍,在啟動保護措施下而停止運作;「第二級異常」則是指在事件中,由於其他線路運作失常的影響,導致自身沒有承載電力,形同停止運作。簡單來說,可以將第一類失效視為直接受到電力異常導致輸電能力受到影響的傳輸線,第二類失效則是雖然受到影響但只是暫停運作仍保有輸電能力的線路。

透過多次模擬電力異常的事件,我們可以找出每一條傳輸電纜受到電網連鎖性失效影響而運作異常的機率,依據這些機率來找出比較容易受到影響的電纜,一窺輸電網路各個部分的脆弱性。

模擬結果顯示,只有10.8%的電纜會受到第一級異常的影響而停止運作,在這些電纜中,有兩成的電纜與85%的第一級異常有關係,亦即在龐大的網路裡,只有少數的電纜在穩定性上是相對脆弱的,大部分的第一級異常僅僅與2.16%的電纜有所牽連。此外,在地理分布上也相當不均勻,這些電纜多半分布在人口密度較高的地區。與第二級異常有關的電纜數量則約占總數四成的,分布亦較平均,其餘的電纜則在不受電力連鎖擾動的影響能正常運作,因此出乎意料地,電網中有一大部分的電纜對於連鎖性失效具有相當大的抗性,電力異常的連鎖基本上會傾向留在發源的地區。

●大規模停電發生的特徵

那麼是什麼因素決定電網的故障會不會連鎖性地擴散,甚至引發大規模停電? 進一步的研究發現,如果引發初始故障的傳輸線路彼此之間、以及他們和易受第一級異常影響的電纜間距離越近,那就越有可能引發較嚴重的連鎖性失效。白話來說,也就是如果初始故障都聚集在同一個區域,並且有較脆弱的電纜分布在該區域,造成大規模停電的可能性就越大。這個結果或許非常的直覺,但也再一次告訴我們對電網的脆弱性做研究的重要性,因為我們無法控制初始故障發生在何處,因此識別那些相對脆弱的電纜便相當的重要。

這篇研究針對輸電網路,提出分析脆弱性的方法,並經由實際模擬結果確認大規模停電的發生與相對脆弱的電纜有關,而這些電纜的數量是相對稀少的。鑒於上述的結果,面對茫茫的傳輸電纜海,僅有有限資源的我們,可以先專注為那些較為脆弱的電纜進行補強,達到增加電網穩定性的目的。

 

參考資料:

  1. Yang Yang,Takashi Nishikawa,Adilson E. Motter, Small vulnerable sets determine large network cascades in power grids
  2. 和平電廠鐵塔倒塌 限電警戒紅燈恐亮
  3. 從「七二九」與「九二一」停電事件分析我國電力系統之安全政策
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