輸電網路

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典型輸電網路的布局

輸電網路(英語:Electrical grid),簡稱「電網」,是一種以輸送電力為目的,連結電力生產者消費者的網路系統。輸電網路包含發電站變電站輸電系統〈發電廠→輸電網路〉、配電系統〈輸電網路→市電線路〉。電網的大小規模不一,可以大到涵蓋整個國家之國家電網、跨國電網,以至一個小區域,甚至一棟建築物之微電網英语Microgrid[1]

由於各發電廠通常處於偏遠地區,為了將其產生的電力送達都會區的用戶端,與降低傳輸時的功率損失,因此在發電端進行升壓,以便在長途傳輸時減少耗損,並在接近用戶端逐步降壓。同時,為了提高供電品質的穩定性,輸電網路將多個不同種類的發電系統並聯運轉。輸電網路基本上是一種拓撲的應用結構,網路上的任一節點(供電端、用電端),必须設計成可隨時加入網路或切離開網路,而不會造成對於輸電網路的供電品質有重大影響[1]

目前全球輸電網路已十分廣泛,但截至2016年,全球仍有14億人未連接到電網[2]。隨著電網的現代化和網路的普及,網路威脅議題重要性逐漸增加,因此電網安全英语Electric grid security的議題變得越來越重要[3]

歷史编辑

人類從1880年代起大規模使用電力,最早的應用主要為電燈,當時電燈的主要競爭者為煤氣燈,但煤氣燈會散發一氧化碳,並容易引發火災,電燈很快取得優勢。1901年,查爾斯·梅爾茨英语Charles Hesterman Merz英國泰恩河畔新堡成立了全世界第一座發電廠海王星銀行發電站英语Neptune Bank Power Station[4],至1912年已發展成為歐洲最大的輸電網路系統[5]英國在1919年制定了《電力供應法案英语Electricity (Supply) Act 1919》,1926年成立了英國國家電網,以132千伏、50赫茲運行[6]

美國電力事業始於1920年代,1935年《公共事業控股公司法英语Public Utility Holding Company Act of 1935》通過,電力事業被公認為重要的公共財,並對其運作進行了限制和監管。《1992年能源政策法案英语Energy Policy Act of 1992》通過後,要求輸電網路業者必須對所有發電業者開放網路,造成電力行業生態的大轉變,使得電力市場大幅的自由化[7]中華人民共和國電力事業於1950年代開始蓬勃發展,1960年6月,寶成鐵路寶雞鳳州段的電氣化工程完成並交付使用,成為中華人民共和國第一條電氣化鐵路[8]

電網相關技術编辑

美國電網由約500家公司運營之電網組成,總長度約30萬公里(18.6萬英里),由非營利組織北美電力可靠性公司英语North American Electric Reliability Corporation負責[監督
日本的輸電網路在不同區域是以完全不同的頻率運行,對於一個國家的電網而言,這是一種不尋常的現象

輸電網路的拓撲编辑

拓撲在輸電網路中,指網路建構與運行的路徑,其根據系統可靠度的要求、負載發電特性而有所不同。一般輸電網路的拓撲可分為樹狀與網狀兩種結構。輸電與配電網路最簡單的拓撲是樹狀結構,由中央調控的高電壓、大電流電力,藉由變電站逐步降低電壓、電流,分配至各樹狀分支線路中,直到到達目標家庭用戶和企業用戶為止。但是,單個節點故障可能會導致節點以下分支網路的失效。網狀結構可以提供更高的可靠度,但是其運作與管理相對複雜[9]

聯網编辑

不同區域之間的電網藉由聯網英语Interconnector,以提高經濟性和可靠性。聯網可實現規模經濟,不同電網藉由聯合採購電力,以降低成本。同時,藉由不同時期,在不同地點採購電力,可以獲得更好的來源調整。例如一個地區在雨量豐沛的季節,可以多採購廉價的電力,再輸送至其他電網;另一個地區在風能充沛的季節大量採購,再輸送至其他電網,這使得多個地區在一年中的不同時間,可以相互獲取廉價的電力來源[10]。電網聯網水平(英語:Electricity Interconnection Level)為已聯網的電網除以總電網容量。歐盟設定整個歐盟電網在2020年達到10%的目標,2030年達到15%[11]

廣域同步電網與微電網编辑

廣域同步電網英语Wide area synchronous grid(Wide area synchronous grid)為以同步頻率將多個依正常模式運作之電網連結起來。全球最大的廣域同步電網為歐洲大陸同步電網英语Synchronous grid of Continental Europe,在2009年其發電容量為667 GW,並有80 GW的備轉容量[12]

微電網英语Microgrid(Microgrid)是一組本地化的電源和負載,通常與傳統的廣域同步電網連接並同步運行,但也可以斷開與孤島模式英语Islanding的連接,並根據物理或經濟條件自主運行[13]。這樣,微電網可以有效地匯集各種分散式發電資源,尤其是可再生能源,並可以提供應急電源,可以在孤島模式英语Islanding和連接模式之間轉換。控制和保護是微電網面臨的挑戰[14][15]

電網發展趨勢编辑

分散式發電编辑

隨著電力自由化的發展,電力的依據自由市場法則進行買賣,促進分散式發電的蓬勃發展。不屬於公用事業公司的小型發電機所發的電力可以併網使用。這些發電設施的擁有者可能是一般家戶中的太陽能電池板或小型風力發電機,也有可能是辦公室內的小型的柴油發電機,他們可將多餘的電力,以購買電價相同的價格回售給電力公司。進入21世紀,電力行業尋求利用新穎的方法,來滿足不斷增長的能源需求。隨著屋頂太陽能和風力發電機的普及,配電網路和輸電網路之間的界線將日漸模糊。最初建造電網是為了使電力從電力生產者流向消費者,但分散式發電的普及使得部分消費者也成為電力的生產者。2017年7月,梅賽德斯-賓士首席執行官指出,能源行業需要與其他行業的公司更好地合作,以形成一個「整體生態系統」,以整合集中式發電和分散式發電,給客戶他們想要的[16]

智慧電網编辑

智慧電網(Smart gird)為利用資訊及通訊科技,利用數位類比訊號偵測與收集供應端的電力供應狀況,與使用端的電力使用狀況,藉以調控與改善電網。現今智慧電網研究主要集中在智能電網的三個系統上-基礎架構系統,管理系統和保護系統[17]

基礎架構系統是智慧電網底層的資訊和通訊架構,以達成發電、輸送和消費的計量、監視和管理;管理系統可提供進階的管理和控制功能;保護系統提供電網可靠度分析、故障保護以及安全和隱私保護服務。根據美國國家標準暨技術研究院2014年的報告指出,從用戶端的智慧型電錶收集更多有關能耗的數據的能力也引起了人們對隱私的關注,因為其中可能包含客戶的個人詳細資訊,並且可能有洩漏的危險[18]

参考資料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Stan Mark Kaplan. Electric Power Transmission: Background and Policy Issues (PDF). Congressional Research Service. 2009-04-14: 1–42 [2020-07-23]. (原始内容存档 (PDF)于2016-11-14). 
  2. ^ Overland, Indra. Energy: The missing link in globalization. Energy Research & Social Science. 2016-04-01, 14: 122–130. doi:10.1016/j.erss.2016.01.009. (原始内容存档于2018-02-05). [...] if all countries in the world were to make do with their own resources, there would be even more energy poverty in the world than there is now. Currently, 1.4 billion people are not connected to an electricity grid [...] 
  3. ^ Douris, Constance. As Cyber Threats To The Electric Grid Rise, Utilities And Regulators Seek Solutions. Forbes. [2018-09-27]. (原始内容存档于2018-09-18) (英语). 
  4. ^ Mr Alan Shaw. Kelvin to Weir, and on to GB SYS 2005 (PDF). Royal Society of Edinburgh. 2005-09-29. (原始内容 (PDF)存档于2009-03-04). 
  5. ^ Survey of Belford 1995. North Northumberland Online. [2020-07-23]. (原始内容存档于2016-04-12). 
  6. ^ Lighting by electricity. National Trust for Places of Historic Interest or Natural Beauty. (原始内容存档于2011-06-29). 
  7. ^ Mazer, A. (2007). Electric Power Planning for Regulated and Deregulated Markets. John, Wiley, and Sons, Inc., Hoboken, NJ. 313pgs.
  8. ^ 我国第一条电气化铁路——宝成铁路. 中国科普展览. [2015-04-20]. (原始内容存档于2012-11-10). 
  9. ^ Abdelhay A. Sallam & Om P. Malik. Electric Distribution Systems. IEEE Computer Society Press. 2011-05: 21. ISBN 9780470276822. 
  10. ^ . (2001). Glover J. D., Sarma M. S., Overbye T. J. (2010) Power System and Analysis 5th Edition. Cengage Learning. Pg 10.
  11. ^ Mezősi, András; Pató, Zsuzsanna; Szabó, László. Assessment of the EU 10% interconnection target in the context of CO2 mitigation†. Climate Policy. 2016, 16 (5): 658–672. doi:10.1080/14693062.2016.1160864. 
  12. ^ EEX Market Monitor Q3/2008 (PDF). Leipzig]: Market Surveillance (HÜSt) group of the European Energy Exchange: 4. 2008-10-30 [2008-12-06]. (原始内容 (PDF)存档于2011-07-10). 
  13. ^ About Microgrids. [2020-08-03] (英语). 
  14. ^ Saleh, Mahmoud; Esa, Yusef; Mhandi, Yassine; Brandauer, Werner; Mohamed, Ahmed. Design and implementation of CCNY DC microgrid testbed. Design and implementation of CCNY DC microgrid testbed - IEEE Conference Publication. 2016: 1–7. ISBN 978-1-4799-8397-1. doi:10.1109/IAS.2016.7731870 (英语). 
  15. ^ Saleh, Mahmoud; Esa, Yusef; Mohamed, Ahmed. Communication Based Control for DC Microgrids - IEEE Journals & Magazine. IEEE Transactions on Smart Grid. 2018, 10: 1. doi:10.1109/TSG.2018.2791361 (英语). 
  16. ^ Randolph, Kevin. In order to integrate the grid, disparate industries need to work together. Daily Energy Insider. 2017-07-21 [2017-08-03]. (原始内容存档于2020-03-01) (英语). 
  17. ^ Smart Grid - The New and Improved Power Grid: A Survey; IEEE Communications Surveys and Tutorials 2011; X. Fang, S. Misra, G. Xue, and D. Yang; doi:10.1109/SURV.2011.101911.00087.
  18. ^ Nunez, Christina (December 14, 2012). "Who’s Watching? Privacy Concerns Persist as Smart Meters Roll Out 互联网档案馆存檔,存档日期2018-03-16.". National Geographic. nationalgeographic.com. Retrieved 2018-03-16.