向停電說再見(1/3)

向停電說再見(1/3)

撰文/Massoud Amin & Phillip F. Schewe|譯者/甘錫安
轉載自《科學人》2007年6月第64期


重點提要

  • 數十年來電力需求不斷增加,但將電力由發電廠輸送給用戶的輸電線路,並未以相同的步調增建或更新。這就導致電力輸送網負載過大,而更容易引發停電,停電的次數及嚴重程度也逐漸提高。美國每年因停電而造成的經濟損失超過700億美元。
  • 即使有了更多線路,自我修復智慧型電力輸送網仍可及早感知局部問題,並在滾雪球效應出現前自動修復或隔離,對於防止電力中斷擴散為大規模停電相當有用。
  • 所有輸電線路、變電所、發電廠及電力公司作業中心都必須安裝數位控制裝置和即時通訊裝置。
  • 作業中心也需要更新的電腦及軟體,讓控制人員在面對某些原因下的停電時,以人工方式接管自動化電力輸送網。控制人員也必須接受更好的訓練,學習如何快速反應。

2003年8月14日,是個美國中西部常見的大熱天。但下午兩點過後不久,在俄亥俄州北部,有幾條高壓電線因傳遞過大的電流而鬆弛下垂,並在碰觸到太高的樹之後損壞。這類狀況通常會在當地電力公司控制室中觸發警訊,操作人員會與鄰近地區的控制人員合作,改變電力輸送路徑,繞過發生故障的地點。

但當天警示軟體沒有反應,因此當地操作人員不知道發生問題;將大量電力轉送數百公里,橫跨俄亥俄州、密西根州、美國東北部和加拿大安大略省的其他控制人員,也沒留意到有狀況。損害點周圍的輸電線路雖然都已滿載,卻不得不承載超過安全限度的電力。

更糟的是,電力公司產生的「無效電力」(推送電流沿電線移動的電磁場)不足。由於沒有足夠的無效電力來容納突然起伏的電流,俄亥俄州負載過大的線路於下午4點5分斷電。接著一座發電廠停擺,破壞了整個系統的平衡,離線的線路和發電廠越來越多。停電的影響像雪球一樣越滾越大,分佈在北美各地已有數十年歷史的監控設備以及操作人員的追蹤速度趕不上擴散速度,當然更談不上加以控制。不到80分鐘,遍及美國八州和加拿大兩省,共有5000萬人無電可用,這次事件是北美地區史上規模最大的停電。

它同時也是個前兆。兩個月內,英國、丹麥、瑞典和義大利先後發生大規模停電。2003年9月,因為電力由法國傳輸到瑞士再送到義大利的途中發生障礙,義大利有5700萬人陷入一片漆黑。在美國,影響範圍超過5萬人的停電次數,10年以來仍在持續增加。

停電除了帶來不便以外,還會造成經濟損失。除非全面檢修由發電廠輸送電力到社區變電所的整個輸配電系統,否則問題會越來越嚴重。同時,我們也必須建造更多高壓線路,以滿足漸增的冷氣、電腦和可充電用品所帶來的需求。

但或許更重要的是,電力輸送網必須更加聰明才行。目前負責監控電力輸送狀況的設備,大多製造於1970年代,這些控制系統沒辦法在問題發生後立即追蹤,或是做出反應,以便在滾雪球效應出現前自動隔離問題。電力輸送網絡中的每個節點,都應該保持警覺、具備反應能力,並且能與其他節點互相聯絡。除此之外,中央控制中心操作人員收到的資訊也相當零散,而且至少遲了30秒,因此不可能及時做出反應,以阻止已經出現的大規模滾雪球效應。具備自我修復能力的智慧型電力輸送網,能發現剛開始出現的問題,並重新調整本身的配置以解決問題,這樣將可大幅降低停電次數,同時阻止恐怖份子破壞所造成的混亂。這套系統還可讓我們更有效率地轉送電力,為電力公司與客戶節省數百萬美元的日常運作成本。建立這種智慧型電力輸送網絡的技術大致上已經存在,而且最近的示範性計畫也證明它確實有其價值。

進步或是退步?

輸配電系統容易發生停電,是100多年來我們努力降低電力耗損的結果。電力在電線上行進時,部份電力會化成熱散失掉。由於電力耗損與傳輸的電流量成正比,所以電力公司必須降低電流,同時提高電壓來加以彌補。另外,電力公司建立的高壓電線也越來越長,以便更有效率地將電力由發電廠輸送給遠方的客戶。這些高壓電線也可讓鄰近的電力公司聯結自己的電力輸送網,從而互相協助,以維持發電供應量與用電需求量之間的平衡。

不過,這樣的互相連通也會帶來某些危險,包括一個地區斷電就可能很快地擴散到其他地區。1965年美國東北部一次大規模停電,促使電力公司成立了北美電力可靠性委員會,現在稱為北美電力可靠性公司(NERC),負責協調提高電力系統穩定程度的工作。世界各地也都有類似的機構,例如位於歐洲的電力輸送協調聯盟等。

既然如此,美國的電力輸送網為什麼還如此脆弱,進而導致2003年的大規模停電?有個很大的理由是在更新輸電系統方面的投資一直不足。1970年代油價大幅攀升以及對核能的迷信逐漸醒悟,促使美國國會通過可藉由市場競爭帶動效率提升的法案,其後制訂的法律在電力產業中引發幾乎算是重建的全面性變革。

1990年代重建工作正式開始之前,電力公司在營業地區內多半是一肩扛起三項主要功能:以大型發電廠產生電力、經由高壓電線傳輸到變電所,再由變電所經由低壓電線輸送給用戶。現在有許多獨立發電廠透過不是自己建造的輸電線,將電力賣到遠近各處。同時,聯邦能源管制委員會鼓勵提高競爭程度,因此電力公司經常廉價出售部份公司。輸配電業務逐漸成為兼具法規管理內與管理外各種服務的複雜混合體,由不同的公司各自負責零散的小塊地區。

投資人發現,目前大致已不受法規管制的發電業務很有吸引力,但由於輸配電系統只有部份不受法規管制,未來發展的不確定性使投資人小心翼翼(撤除對配電的法規管制目前才剛開始起步)。於此同時,即使以前就有電力代輸(wheeling)的做法,但1990年代起,遠距離輸送電量大幅增加,其結果就是大量電力行經的線路,多半是幾十年前電力公司為區域性使用而建造的輸送線路。

計畫中的聯邦立法或許可激勵更多投資,但即使輸送容量提高,停電現象還是會發生。因為現有的控制技術已經相當老舊,而它又是快速感測線路小規模失常或大規模不穩的關鍵,所以電力輸送網絡必須整個翻新。為了維持穩定,電力輸送網的運作模式必須更像戰鬥機:大部份時間以自主系統飛行,在需要避免危險時可由控制人員接手。(待續)

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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