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智能电网:何谓电网?如何实现“智能”?

2020-08-25 02:17

  智能电网(Smart Grid)导入双向交换机制:电力和信息可以在电力公司和消费者之间双向互动。这种通讯、自动化、计算机和控制应用不断增加的网络,有助于使电网更高效、更可靠、更安全,也更“绿色”环保...

  智能电网(Smart Grid)导入双向交换机制:电力和信息可以在电力公司和消费者之间双向互动。这种通讯、自动化、计算机和控制应用不断增加的网络,有助于使电网更高效、更可靠、更安全,也更“绿色”环保...

  “电网”(the grid)的官方定义是指电能网络或电力网络,它是至今人类所打造的最大规模和最复杂的机器,也是最易于使用的设备之一,你只需要简单地在插座中插入电源线,或转动开关就可以了。换句话说,电网是将电力从发电厂输送到家庭的设施。

  1882年,美国发明家Thomas Edison在纽约市珍珠街车站(Pearl Street Station)架设了世界上第一个电网。现在,电网透过各种形式的发电厂(如核能、水力、风力涡轮、太阳能、煤炭和天然气等)、变压器、变电站以及超过20万英哩的高压输电线路(这几乎是地球到月球的距离),以及550万英哩的当地配送线路,将电力输送到千家万户。

  目前的电网使用有限的单向互动。也就是说,电力从发电厂输送至消费者。相形之下,智能电网(Smart Grid)导入了双向交换机制:电力和信息可以在电力公司和消费者之间双向互动。这种通讯、自动化、计算机和控制应用不断增加的网络,有助于使电网更高效、更可靠、更安全,也更“绿色”环保。智能电网还能让可再生能源技术(如风能和太阳能产生的电能和插电式电动车),接取至国家电网。

  智能电网还能帮助发电和配电公司远程预测和因应故障等问题,因而可让当地的维修人员更快地修复停电。

  发生在今年4月间的旧金山大停电事件,影响到9万多的用户,包括在交通高峰时段关闭旧金山市中心的湾区捷运系统(BART)车站。你可能会问:“导致停电的原因是什么?”是吗?不。是黑客吗?不。它其实是由变电站断路器故障引起的,故障引燃了绝缘并引发火灾。另一次大规模停电是发生在2003年被称为“美加大停电”的事件,虽不是最近的事,但也影响了5,500万人,原因竟然是未经修剪的树枝。

  这两起事件清楚地显示我们的电力网络竟是如此脆弱,但也进一步证明我们真的需要智能电网。

  除了预防停电的好处,或者至少能更快地恢复供电,智能电网还为消费者带来了好处。例如,其中一种“智能”能源技术智能电表(smart meter)。

  智能电表是一种用于天然气和电力的更新式计量技术,可以将实际的能源使用情况以数字方式传送到电力供货商。这意味着家庭将不再依赖于估计的能源支出,也不必再让抄表人员进入家中或庭院以人工读取电表。

  智能电表还为客户提供了近乎实时的能源消耗资料,从而使其得以了解、分析和更有效地管理能源利用,包括减少能源浪费,以及因而减少发电厂的排放。

  此外,智能电表的资料有助于电力公司更有效掌握每个家庭的用电情况。“发电机组面临的挑战是如何因应消费者需求,调整任何指定时间内所产生的电量。发电过多会造成浪费,而且价格昂贵,而发电不足则可能必须限制用电。因此,在数小时甚至数天前准确地预测电力需求,对于电网可靠和持续运行至关重要。”

  而且,就像任何新技术一样,并不是每个人都对其有充份的了解。事实上,有时还存在着误解。以下是关于智能电表的一些常见谜团:

  真相:“智能电表发射的射频(RF)远低于联邦通讯委员会(FCC)设定的极限,而且低于其它常见家用设备(如手机、婴儿监视器、卫星电视和微波炉)所产生的辐射程度。事实上,暴露在智能电表的RF约375年所产生的辐射量才相当于一年内每天使用15分钟手机所产生的辐射量。”

  真相:“正如银行、信用卡和有线产业在线提供安全存取你的信息一样,电力事业也准备好同样采用先进的安全和加密技术保障数据的安全。你数据的隐私现在是受到保护的。电力事业不断努力以保护其安全。这并不会因为使用智能电表而有所改变。”

  真相:“作为智能电网的一部份,智能电表能够改善断电力检测和通知。甚至在你不得不打电话给电力公司之前,智能电表就能领先一步以电子方式报告断电位置,从而能更快恢复供电。此外,为用户发送状态通知也会方便很多。”

  从环境的观点来看,在利用太阳能发电厂、风电场和水力发电站等间歇性可再生能源优势的同时,它还有助于缓解电力需求,这一事实证明智能电网也能为环保做出贡献。特别是,先进复杂的智能电网子系统将策略性地管理这些多样化和地理上分散的可再生能源资源,以确保能够大规模、大范围地安全储存这些能源,并按照需求配送至不同的地方。

  智能电网技术的发展并非一帆风顺:2012年,全美公用事业公司的高阶主管们聚集在一起讨论有关对美国电网营运商造成严重新威胁的警告。你可能会问这个“严重威胁”是啥?答案是屋顶的太阳能电池板!

  这些高阶主管们看到零售额下滑、客户流失的迹象,如果住宅太阳能的需求继续攀升,传统供电方式可能会被淘汰。净计量(net metering)是一种计费机制,用于计费太阳能系统拥有者发传送到电网中的电量。遗憾的是,有些公用事业公司认为净计量是一种减少其收入的方法。

  可以预测,“电力公司正针对住宅太阳能产业提议法律条款,限制让太阳能用户将所产生的多余电量卖给电网而获利的「净计量」做法。业界组织表示现行法律让太阳能用户拥有不公平的优势,而反对者则指称业界组织的真正目的在于摧毁竞争业务。”

  图5:反对家用太阳能的美国各州(曾经反对或现正抗拒家用太阳能的美国各州示意图) (来源:The Washington Post)

  事实上,像美国佛罗里达(Florida)等州的官员已经把“离网”(off-grid)的家庭判定为非法,因为他们违反了「国际物业维护条款」(International Property Maintenance Codes),该条款要求房屋必须接取到电网以及自来水网络。

  智能电网及其所有的智能技术、工具和设备,将会对于国家电网在效率、降低排放以及提高其耐用性和安全方面产生积极影响。当然,这是一项新技术,任何新技术,特别是颠覆性技术,都会有必须克服的困难。然而,我真的认为我们都希望有一个可靠、安全和具成本效益的电网,而我们所期许的智能电网目前已经可以提供这样的功能。

  此外,我坚信就智能电网的发展和部署来说,这将是个有机整体。随着时间的推移,它将不断地改善和发展,并将经历数代人的努力正如自1882年架设电网以来我们一直在做的。

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