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终结大停电的智能电网

2009-03-17 14:28:42 《环球科学》2007年第06期

撰文 马苏德?阿明(Massoud Amin)、菲利普.F.舍韦(Phillip F.Schewe) 翻译 赵学庆

一根输电线发生断路,就可能引发连锁反应,让一大片地区陷入黑暗。新一代智能电网能够扭转这一现状。它能实时监测电网的运行状况,及时发现隐患并提出有预防措施。就算故障无法避免,智能电网也能化整为零,切分出若干独立运转的子网,把故障电路隔离开来,将大停电事故扼杀在萌芽状态。

2003年8月14日,原本是个普普通通的夏日,却让北美的居民刻骨铭心。那天下午两点刚过,美国俄亥俄州北部地区的几条输电线就因电流负荷过大而下垂,擦到了一些大树的树梢,发生了断路。通常,这种电力故障一旦出现,当地电力企业调度室就会发出报警信号,调度员便与相邻地区的调度员联系,重新规划电力传输路线,绕过故障地点。
然而,在那一天,报警软件也出现了故障,致使当地调度员未能发现这一问题。与故障线路相连的整个电力系统绵延数百英里,为美国俄亥俄州、密歇根州、美国东北部各州以及加拿大安大略省提供大量电力,而系统中的其他调度员对此故障浑然不觉。故障点周围的输电线原本已处于满负荷运行状态,现在则被迫超负荷运转。
雪上加霜的是,由于电力企业没有产生出足够的“无功功率”(reactive power,电磁场推动电流沿着电线流动的那部分特性)支持突然变化的电流,俄亥俄州超负荷运转的输电线在那天下午4:05停止供电。紧接着,一座发电厂也停止发电,破坏了整个电力系统的平衡。越来越多的输电线和发电厂相继脱离系统。连锁反应持续发生,让使用有着数十年历史的老旧设备监控北美大部分电网的调度员措手不及。短短8分钟,美国8个州和加拿大两个省,总共5,000万人失去了电力供应。这是北美历史上发生过的最大的停电事故。

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北美洲的这场停电事故只是一个开头。在随后的两个月内,英国、丹麦、瑞典和意大利相继发生大面积停电。2003年9月,从法国到瑞士、再到意大利的电力输送功率出现紊乱,导致5,700多万意大利人陷入黑暗。
除了给生活带来不便,大面积停电还会造成严重的经济损失。如果不对从发电厂到各级变电站的整套输电系统进行彻底检修,问题还将进一步恶化。为了满足越来越多的空调、电脑和充电设备日益高涨的用电需求,我们还必须架设更多的高压输电线。
不过,要解决停电问题,让电网变得更加智能也许更为重要。目前用于监控电流的设备大部分制造于20世纪70年代。这种控制系统的性能不足以实时跟踪电网中出现的异常情况,无法抢在故障大规模扩散之前,采取相应措施将故障线路隔离开来。这种电网的每一个节点都必须保持警惕,做好应急准备,并与其他所有节点保持联系—— 一旦某一节点的监控设备失灵,便会埋下隐患。此外,调度员在中央调度室接收的信息至少要延迟30秒,这使得他们不可能作出快速反应,阻止已经开始发生的大规模停电连锁反应。如果有一种自动恢复的智能电网,能够在故障发生初期察觉到异常,并重新分配输电线路来解决问题,就可以大幅减少大面积停电事故的发生,还能遏止可能由恐怖分子的破坏活动引起的混乱。智能电网还能更有效地输送电力,在日常运转中为电力企业和用户节省数百万美元。建造这种智能电网的技术目前基本上都已具备,最近的一些示范项目也展现了这种电网的价值。
陈旧的输电系统
现有电网仍在依靠几十年前的监控系统。这套系统设备陈旧,反应速度迟缓,而日益增加的负荷已经使电力系统的运行濒临崩溃。
现有的输电系统在停电事故面前不堪一击,是100年来电力企业努力减少功率损耗的结果。电能是通过导线传输的,一部分电能会以热量的形式损耗掉,而损耗的功率与导线传输的电流量成正比。因此,电力企业总是想方设法提高电压,以减小电流。为了将电能更高效地从发电厂输送给远方的用户,电力企业还建造了越来越长的输电线路,电压也变得越来越高。这些高压输电线路还允许周边地区的电力设施连入电网,彼此扶持,在发电供应和用户需求之间维持一种岌岌可危的平衡。

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然而,这样的互相连接必然带来某些危险。比如说,某个节点发生故障,就有可能迅速扩散到其他线路。1965年,美国东北地区发生大面积停电事故,促使电力行业创立了北美电力可靠性委员会,来协调各方的行动,共同提高供电系统的可靠性。现在,该委员会已更名为北美电力可靠性协会(NERC)。类似的团体分布在世界各地,比如欧洲的输电协作联盟(UCTE)。
那么,为什么美国的电网如此脆弱,导致了2003年那场大面积停电事故的发生呢?一个重要的原因就是,在输电系统的升级改造方面一直缺乏资金投入。20世纪70年代,燃料价格的迅速上涨和核电站魅力的日益减少,促使美国国会通过立法,意欲引入市场竞争来提高效率。随之推出的法律使电力行业开始全面变革。电力供应的三大主要任务包括:用大型电厂发电(发电),用高压输电线将电力输送给变电站(输电),再用低压输电线将电力分配给终端用户(配电)。在20世纪90年代变革之前,这三项任务大都由各个地区的电力企业独力承担。如今,许多独立发电厂却通过其他公司的输电线路,将电力销售给或远或近的客户。与此同时,在美国联邦能源监管委员会(FERC)的鼓励下,许多电力企业也在出售它们的部分子公司,以进一步促进市场竞争。电力传输行业已经逐渐变成管制服务和非管制服务的复杂混合体,不同的公司各自掌控着其中的一部分业务。
目前,发电行业基本上已经解除了管制,投资者觉得该行业颇具潜力,值得关注。而输电系统只有一部分解除管制,因此该行业并不明朗的前景令投资者谨小慎微。(配电系统的管制解除工作仍处在初期阶段。)与此同时,尽管接力送电(Wheeling,即通过各地的输电线路接力将电能送往远方)早已存在,但20世纪90年代以来,越来越多的电力采用了这种远程输送方式。电力企业在几十年前建造的、供当地使用的输电线路,至今仍在输送大量电力。
即便输电能力得到提升,停电事故仍然无法避免。由于现有的监控技术(即快速监测小规模线路故障或大规模不稳定状态发生风险的关键技术)已经陈旧过时,整个电网都必须重新改造。为了保持稳定可靠的运行状态,未来的电网不得不像一架战斗机那样,大多数时间由自动控制系统操作运行,必要时则可由调度员接管,以阻止事故的发生。
现代战斗机配备着大量的尖端传动装置,因此飞行员必须依靠一个由传感器和自动控制装置组成的网络,才能迅速收集信息并采取相应的行动。幸运的是,能够像驾驶战斗机一样控制电网,实时调整输电路线,及时关闭发电厂的一整套软硬件新技术,我们已经掌握了。
可是,改造一个相互联系得如此广泛的系统,是一项极为严峻的挑战。大部分发电厂和输电线都由一个监视控制和数据获取系统(SCADA)监管。这个系统由一些简单的传感器和控制装置构成,提供了三个极为重要的功能:获取数据、控制电厂和发出警报。系统还允许中央调度室的调度员执行某些任务,例如断开或闭合断路器。SCADA会监控安装在发电厂、变电站和输配电线路交叉点的开关、变压器、可编程逻辑控制器(programmable logic controller)和远程终端。该系统还会通过通信信道将信息或报警信号反馈给调度人员。
然而,SCADA技术已有40年的历史,系统中的许多部件速度缓慢,无法应对目前的挑战,系统也无法对整个电网的各个部分实施足够的监控。虽然这项技术可使不同电力企业之间的输电作业得到某种程度的协调,但这一协调过程极其缓慢,很大程度上仍然依靠各公司调度中心调度员之间的电话联系来实现,遇到意外事故,反应迟缓的弱点就暴露无遗。更麻烦的是,系统中大部分可编程逻辑控制器及远程终端装置出现时,整个电力行业的互通性标准尚未出台,因此相邻电力企业所用的控制协议往往互不兼容。目前电力系统的运转方式已经接近20世纪60年代控制系统的安全承受极限。
自动恢复的智能电网
正在研发的智能电网可以实时监控电力系统的运行状况,在故障发生之前消灭可疑隐患。就算事故不可避免,智能电网也可以隔离故障线路,阻止事故扩散。

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相互连接的复杂电网意味着,任何一位调度员或任何一家电力企业,都无法单枪匹马地解决或隔离一起输电故障。实时管理一个现代电网,需要使用更多的自动监测装备,调度员、计算机系统、通讯网络和数据采集传感器之间的相互配合也必须更加默契。此外,每家发电厂和变电站的每一个重要部件都必须配备数据采集传感器。电网的安全运转还依赖于每个节点之间的多路、大容量双向通信信道(这在今天还无法实现),调控中心也必须配备性能强大的计算机设备。整个电网的各个节点还必须安装智能处理器,它们能够在发现停电故障苗头时,对输电路线自动进行重新配置。
要让电网像战斗机一样运行,首先要对整个系统进行重新设计。目前,非线性动力系统、人工智能、博弈论和软件工程等方面的研究,已经开发出一套通用理论,专门指导如何设计一些适应不断变化情况的复杂系统。随同这一新兴学科发展起来的数学和计算技术,正为电网工程技术人员提供一些新的工具。电力行业的一些研究团队,比如本文作者之一阿明在美国电力研究所(EPRI,位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托市)领导的一个研究小组,已经设计出一些可用于大型区域性电网的复杂自适应系统。好几家电力企业已经开展了小规模试点,在电网中布置了一些聪明的远程终端单元和可编程控制器。它们不需要调度员的介入,就能自动对一些故障进行简单处理。操作人员还可以对它们进行远程编程。当然这些系统还需要经受大规模试用的考验。
能够自动恢复的智能电网可以帮助设计师实现三大目标。首先是实时监测和快速反应。一系列传感器将监测电压、电流等电气参数和重要部件的运行状况。这些监测数据能够让系统不断进行自我调节,达到最佳的运行状态。
第二个目标是预测。该系统必须不断寻找可能引发较大事故的隐患,比如变压器过热等。计算机将评估这些隐患及可能带来的后果,确定若干种补救方案,并模拟每种方案的实施效果,将最有效的解决方案提供给调度人员。调度员则调配电网中的许多自动控制装置,迅速采取相应的措施。电力行业把这种能力称为快速超前模拟(look-ahead simulation)。
第三个目标是隔离。一旦故障发生,整个电网就将拆分为若干孤立的“岛屿”,每一部分都必须独立运作。每座孤岛都将尽最大的努力,重新调整发电厂的运转状态,重新规划电力输送路线。尽管这种调整可能导致电压波动,甚至造成小范围的电力中断,但是却能避免故障向外扩散的多米诺骨牌效应,防止大面积停电事故的发生。检修人员修复故障线路之后,调度人员就可以将每座孤岛平稳地重新连入整个电网之中。调度员和他们的计算机将构成一种分布式网络,彼此通过微波、光纤或输电线本身进行通信。一旦恢复供电,系统便会再次自动调整,优化自身的运行状态。
要把现有的电力基础设施改造为能够自动恢复的智能电网,技术人员必须综合应用若干种技术。先要在每个开关、断路器、变压器和汇流条(bus bar,从发电机中将电流传输出来的巨型导体)上安装一个处理器,还要给每条输电线配备一个能够与其他处理器通信联系的处理器。所有处理器都能通过内置的传感器,监测各自“辖区”的运行状况。
一旦设备的每一部件都置于监控之下,目前所使用的数百万个电磁开关就可以被固体的电力电子电路(power-electronic circuit)取代。不过这种电路本身必须加以改进,以便能够处理最高超过34.5万伏的输电电压。从模拟设备升级到数字设备,将使整个网络可以用数字方式加以调控,这是实现实时监测和自动恢复的唯一可行的方式。
要完成彻底改造,为每个家庭和企业供电的小型低压配电线路也必须实现数字化。关键的一步,就是用数字电表替换已经使用了几十年的电度表(power meter)。数字电表不仅能记录流进某一建筑物的电流,还能监测从该建筑物流回电网的电流。这将使电力企业能够很好地评估独立生产企业反馈回电网的有功功率和无功功率的数量。数字电表还能让电力企业监测每家每户的电力波动,可以更早发现风险正在增加的隐患,从而改善超前模拟的效果。此外,它还让电力企业能够设置不同的分时电费,鼓励家庭和企业将高耗电设备或机器安排在非高峰时段运转,减少可能使电网运行不稳定的电力需求高峰的出现。这种数字电表还能根据用户对电费定价变化作出的反应,智能化地调整电网中的电力配送路线。它还是一种重要的工具,可以将传统的电力输送业务扩展为全新的多元化能源服务业务,使电力输送行业像今天的电信行业一样生机勃勃。
从1998年到2002年,美国6所大学的研究机构、两家电力企业和美国国防部参与实施了EPRI计划,旨在设计一种名为“创新型复杂交互网络/系统”的智能电网原型。这项计划的实施,促使美国能源部、美国国家科学基金会、美国国防部和EPRI本身开展了一系列后续研究工作,试图为电网开发一个中央神经系统。研究表明,只要调度人员都能对各地正在发生的情况了如指掌,电网就能以接近理想的稳定状态运行。调度员需要监测系统正在发生的变化情况以及气候会给系统带来的影响,还要全面了解如何最好地维持电力负荷与发电量之间瞬息万变的平衡状态。
EPRI计划的目标之一,就是要进一步提高调度员预判大规模电网不稳定性的能力。现有的SCADA系统需要延迟至少30秒,才能评估系统的某一部分是否运转正常,这就如同依靠一个模糊不清的后视镜来驾驶一架飞机。在EPRI计划中,快速模拟及建模项目组正在开发超前模拟系统来预测故障,这比实时监控还要迅速,就像一位大师级棋手提前若干步计算出对手的棋招一样。电网的这种自建模(self-modeling)能力,可以通过假定推测分析来避免故障的发生。它还有助于电网的自动修复,在停电或突发故障发生之后,迅速适应新的情况,就像战斗机受损之后立即重组系统继续飞行一样。
谁来埋单
从技术上说,能够自动恢复的智能电网已不是遥不可及的梦想。然而,筹集巨额资金建造智能电网却是另一回事。
建造智能电网的花费极大,不过投资成本并非空前绝后。EPRI估计,整个美国输配电系统的测试安装可能要花10年左右的时间,每年的费用支出高达130亿美元,占美国电力行业年投资总额的65%以上。其他一些研究预计,建造智能电网每年需花费100亿美元,用时长达10年以上。此外,调度人员的培训也需要花钱。这个花费看起来很高,但是根据相关机构的估计,停电事故每年给美国带来的经济损失就高达700亿到1,200亿美元——尽管大面积停电事故大约每10年才发生一次,但每天都有50万美国用户需要忍受两小时以上的停电之苦。
令人遗憾的是,电力行业的研发融资正处于历史上的最低水平,在各大主要工业行业中,仅排在造纸业之前。电力企业必须满足来自用户和管理机构的需要,还要对他们的投资者负责,而股东往往着眼于短期回报,因此智能电网的资金筹集是个巨大的挑战。
此外,一些其他的因素也必须考虑。比如面对恐怖威胁时,电力行业和政府应该各自承担哪些职责;如果电费不允许涨价,电力企业又该以何种方式筹集资金等等。只有对耐心的投资者作出长期承诺,相关的公营和私营企业联手协作起来,才能真正改善电力行业的基础设施。
美国政府也许已经意识到,他们该出面采取行动了。美国白宫科技政策办公室和国土安全部最近宣布,将“能够自动恢复的基础设施”定为美国支持关键性基础设施保护的国家研发计划的三大战略目标之一。目前,协调性决策的缺乏已经成为该计划实施的一个主要障碍,因此国家的统一监管必不可少。美国各州对电力系统的监管规定基本上各自为政,足以扼杀任何一家电力企业推动全国性计划的努力。除非美国所有的州都能通力合作,否则对电力行业强制实施全国化将是实现智能电网战略目标的唯一选择。
关键性基础设施能否继续安全可靠地运行,已经成为美国社会的一个重大问题。有了能够自动恢复的输电系统,起码能够将切断电网这类恐怖行动带来的影响减至最小。有了智能电网,大面积停电事故将不再发生,电网将拥有承受破坏的能力,断电次数将明显减少,电力也将更加高效地输送给每一个用户。
如果2003年8月,美国俄亥俄州地区性输电线发生故障时,能够自动恢复的智能电网已经安装到位,接下来的情况就会迥然不同。在那根下垂的输电线出现故障的几小时之前,位于输电线一端的故障预测装置就会检测到一些异常信号,进行自我调整,让电流改道绕过这条输电线,将这一隐患隔离开来。超前模拟系统将确定该输电线发生故障的可能性较高,电网沿线和调度中心具有自我建模能力的软件会预判出事故最终的发展态势,提出最合理的补救应对措施。调度员将批准并实施这一应变方案。如果最终输电线的故障无法排除,传感器网络便会检测出电压波动,并将情况通知附近变电站中的处理器。这些处理器会重新规划路线,通过电网的其他部分传输电力。在这种情况下,普通人最多会看到灯光稍稍闪烁了一下,大部分人根本察觉不到任何异常。
 




责任编辑:中国能源网

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