向停電說再見(2/3)
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
追求速度
現代化戰機擁有各項精密設備，駕駛員依靠各種感測器和自動控制裝置快速蒐集資訊並據以反應。可喜的是，以類似方式控制的電力輸送網、即時重新導向的電力輸送路徑，以及關閉發電廠的創新軟體和硬體都已經問世。
不過要重新配置連結縱橫交錯的系統，是件十分辛苦的事。發電廠和輸電線路多半是由監控及資料擷取系統（SCADA）負責管理。這套由簡單感測器與控制器組成的系統，具備三項重要功能：取得資料、控制發電廠，以及發出警訊，好讓中央控制中心的操作人員可執行特定作業，例如開啟或關閉回路斷路器等。SCADA負責監控裝設在發電廠、變電所和傳輸與配電線路各處的開關、變壓器，以及稱為「可程式邏輯控制器」與「遠程終端單元」的小型硬體設備。這套系統可透過電訊管道將資訊或警報回傳給操作人員。
不過，SCADA技術已有40多年歷史，很多部份速度太慢，不足以應付現今的需求，且其對電力輸送網各處元件的控制能力也不夠。此外，雖然它具備一些電力公司間的傳輸協調功能，但程序極為繁複遲緩，很多部份仍必須由電力公司控制中心的操作人員以電話聯絡──特別是在緊急狀況下。除此之外，這些程式化控制裝置和遠程終端單元大多是在全業界的互連標準建立前所開發，因此鄰近的電力公司使用的控制通訊協定往往不能相容。使用1960年代控制裝置的電力公司，在運作時更加逼近穩定容許範圍的邊緣。這樣的結果就是，單靠一個操作人員或一家電力公司，無法穩定或隔
離輸電問題。要以即時方式管理現代電力輸送網，必須大幅增加監控功能、大幅改善互動功能，讓分散在發電廠與變電所各處的操作人員、電腦系統、通訊網絡和蒐集資料的感測器能互相聯絡。要使運作更加可靠，還必須在各個節點間建立高傳輸速率的多重雙向通訊管道，但現在還沒有做到，同時控制中心還必須擁有強大的運算設備。另外，網絡各處還必須安置智慧型處理器，以便在偵測到停電的前兆時，自動重新安排電力輸送的路徑。
自我修復智慧型電力輸送網
控制電力輸送網絡的首要條件是新型的系統設計。近年來，各個領域的研究成果，包括非線性動態系統、人工智慧、賽局理論及軟體工程等，已經構成一個整體理論，讓我們設計出可適應多變狀況的複雜系統。針對這個新穎學門而發展的力學與運算技術，也為電力輸送網工程師提供新的工具。有些業界的工作小組（例如本文作者安明在美國加州帕洛亞托的電力研究所（EPRI）時帶領的小組）已提出適用於大型地區電力輸送網的複雜適應性系統。有些電力公司目前已經以示範性規模建置智慧型遠程終端單元和程式化控制裝置，它們可自主執行簡單程序，不需要由控制人員確認，但也可由操作人員在遠方更改程式，不過這目前仍須進一步建構。
建立可自我修復的智慧型電力輸送網的結構時，最好是能達到三個主要目標，最基本的目標是即時監控及做出反應。由感測器負責監控電壓和電流等電力參數以及重要元件的狀況，這些數據可讓系統將自己隨時維持在最佳狀態。
第二個目標是預測。這套系統必須不斷尋找如變壓器過熱等可能引發更大狀況的潛在問題。電腦負責評估問題徵兆與可能結果，接著找出改善行動，模擬每項行動的效果，並告知操作人員最有用的處理方式，由操作人員啟動電力輸送網的許多自動化控制功能，快速執行改善行動。電力產業將這種功能稱為「快速超前模擬」。
第三個目標是隔離。如果真的發生狀況，整個電力輸送網將分隔成一個個「孤島」，每座孤島必須自給自足，並且會盡最大努力重新整頓本身的發電廠和輸送路線。雖然如此可能造成電壓波動，甚至小規模停電，但可防止造成大規模停電的滾雪球效應。線路維護人員修復問題時，控制人員為每座島嶼做好準備，以便讓其順利加入更大的電力輸送網。控制裝置和電腦可成為分散式網路，透過微波、光纖或電力線路自行溝通。電力傳輸恢復後，系統就可重新開始自我最佳化。
要將目前的基礎建設轉換成這種可自我修復的智慧型電力輸送網，有幾項技術必須建置及整合。第一步是在每個開關、斷路器、變壓器和匯電條（將電力導離發電機的龐大導體）內安裝處理器，每條輸電線路上也必須安裝處理器，並可與其他處理器溝通。這些處理器可監控位於系統內的感測器，追蹤本身負責地區的活動。
將每項裝置納入監控後，目前使用的數百萬組電磁開關應該更換成固態電力電子線路，這類線路必須加以強化，以便承載34萬5000伏特以上的超高傳輸電壓。由類比裝置更新為數位裝置後，整個電力輸送網將可轉換為數位控制，這也是建構即時監控與自我修復功能的唯一方式。
另外，通往每個家庭和商店的小型低壓配電線路，也必須加以數位化，轉換工作才算完成。其中的關鍵任務是將已有數十年歷史、靠齒輪轉動運作的老式電表，換成數位電表，這種電表不僅能記錄送入建築的電流，也能追蹤送出的電流。如此可讓電力公司更正確地評估，有多少電力及無效電力由獨立發電廠流回電力輸送網。它還可讓電力公司偵測到非常局部的問題，提早警告可能擴大的問題，進而改善超前模擬能力。它可讓電力公司為客戶提供每小時不同的費率，包括在離峰時段使用電器與機器的獎勵，還能依日子而變化，降低可能影響電力輸送網穩定的需求高峰。和電表不同的是，數位能源入口可以收發網路資料，讓客戶對價格變化做出反應。這種新工具可讓電力輸送超越日用品模式，而進入能源服務的新時代，一如目前生氣蓬勃的電訊市場般多采多姿。
EPRI設計智慧型電力輸送網原型的計畫，名為「複雜互動網絡與系統計畫」，於1998~2002年執行，參與成員包括六個大學研究團體、兩家電力公司，及美國國防部。這項計畫引發了美國能源部、美國國家科學基金會、美國國防部，和EPRI本身數項針對電力輸送網開發中央神經系統的後續工作。總體說來，研究結果顯示操作人員如果能不斷取得各處狀況的詳細資料，就可讓電力輸送網的運作接近穩定性極限。操作人員負責監控系統變化狀況，以及天氣對它的影響，進而產生更加清楚的概念，知道該如何隨時維持負載（需求）與生產間的平衡。
舉例來說，EPRI的智慧型電力輸送網計畫中，有一項是讓操作人員更能預知大規模不穩現象。目前的SCADA系統在評估其所偵測到的隔離系統行為時，延遲長達30秒以上，這就好像看著起霧的照後鏡開飛機，而不看前方晴朗的空域一樣。EPRI的「快速模擬與模型建立計畫」正在開發比即時更快的超前模擬來預知問題，就像西洋棋高手會預先評估未來的好幾手棋。這種電力輸送網的自我模型建立（或自我覺察）可避免掉假設狀況分析中的可能影響，同時它還可協助電力輸送網自我修復，在停電或遭到攻擊後適應新的狀況，就像戰鬥機即使出現損傷，也能重新調整系統，維持飛行。(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)