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24 2 0 1 5 6 楔子 世界上第一個電廠出現於 1868 年的英 國倫敦,這是人類利用電能的開端。從現代 眼光來看,這個電廠裝置容量微不足道,它 的電力輸送系統也很小,但卻是人類從敬畏 閃電到有能力利用電能的轉折點,所以它的 出現具有重大的歷史意義。 改變我們的世界 1882 年,愛迪生在美國紐約設立了世界 上第二個電廠。台灣也在 6 年後的 1888 年, 由建省後的首任巡撫劉銘傳在台北市創立興 市公司,裝置小型燃煤蒸氣機帶動的發電機, 以低壓電供應照明,雖然容量也很小,持續 時間僅月餘,卻是台灣電力發展史一個劃時 代的里程碑。此後,西方科技持續進步,工 業先進國家的電廠如雨後春筍般出現,規模 越來越大,經過 150 年的發展,電力網已遍 佈全世界,成為地球上最大、最複雜的人造 系統。電力已成為所有國家的經濟支柱,電 力應用深入每一個行業,深入每一個家庭, ▓翁本源 電力網的救世主 - 同步相量儀 影響每一個人。由電力衍生而來的電腦、資 訊、人工智慧蓬勃發展,形成一股無可抗拒 的潮流,正在改變我們的世界。 大小電網利弊 大的電力網,如北美、歐洲、印度、中 國大陸,都是超大的複雜系統。它們都是由 許多小電網互連而成,其好處是可以互相支 援,例如美國東、西岸時差,尖峰錯開因而 能互補短缺,且單一負載或單一發電機容量 相對於整個大電力網容量,比例甚小,其起 停或跳機,大系統很容易因應。所以大電力 網的頻率比小電網穩定、準確。台灣在民國 88 年的 921 大地震,水力發電廠幾乎全毀, 其後好幾年,中央調度室無法利用水力發電 廠調控系統頻率,使系統頻率的擺動幅度變 得很大,這就是孤立小系統的缺點。 但大電力網除了上述優點外,也有其致 命的缺點,它很容易因小事件而一路演變成 大停電,甚至全黑。以美國而論,2008 年大 小停電 2169 次,2009 2840 次,2010

電力網的救世主 - 同步相量儀t-saudi.org.tw/public/journals/186_1436851483.pdf · 條件下,發電機不借助控制器,也會自發性 的維持在同步狀態。然後,他們調校發電機

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  • 電力技術專欄

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    楔子

    世界上第一個電廠出現於 1868年的英

    國倫敦,這是人類利用電能的開端。從現代

    眼光來看,這個電廠裝置容量微不足道,它

    的電力輸送系統也很小,但卻是人類從敬畏

    閃電到有能力利用電能的轉折點,所以它的

    出現具有重大的歷史意義。

    改變我們的世界

    1882年,愛迪生在美國紐約設立了世界

    上第二個電廠。台灣也在 6年後的 1888年,

    由建省後的首任巡撫劉銘傳在台北市創立興

    市公司,裝置小型燃煤蒸氣機帶動的發電機,

    以低壓電供應照明,雖然容量也很小,持續

    時間僅月餘,卻是台灣電力發展史一個劃時

    代的里程碑。此後,西方科技持續進步,工

    業先進國家的電廠如雨後春筍般出現,規模

    越來越大,經過 150年的發展,電力網已遍

    佈全世界,成為地球上最大、最複雜的人造

    系統。電力已成為所有國家的經濟支柱,電

    力應用深入每一個行業,深入每一個家庭,

    撰▓翁本源

    電力網的救世主 - 同步相量儀

    影響每一個人。由電力衍生而來的電腦、資

    訊、人工智慧蓬勃發展,形成一股無可抗拒

    的潮流,正在改變我們的世界。

    大小電網利弊

    大的電力網,如北美、歐洲、印度、中

    國大陸,都是超大的複雜系統。它們都是由

    許多小電網互連而成,其好處是可以互相支

    援,例如美國東、西岸時差,尖峰錯開因而

    能互補短缺,且單一負載或單一發電機容量

    相對於整個大電力網容量,比例甚小,其起

    停或跳機,大系統很容易因應。所以大電力

    網的頻率比小電網穩定、準確。台灣在民國

    88年的 921大地震,水力發電廠幾乎全毀,

    其後好幾年,中央調度室無法利用水力發電

    廠調控系統頻率,使系統頻率的擺動幅度變

    得很大,這就是孤立小系統的缺點。

    但大電力網除了上述優點外,也有其致

    命的缺點,它很容易因小事件而一路演變成

    大停電,甚至全黑。以美國而論,2008年大

    小停電 2169次,2009年 2840次,2010年

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    3149 次,2011 年 3071 次, 2012 年 2808

    次,2013年 3236次,2014年 3634次。

    美國之外,歐洲大陸、英國、中國大

    陸、印度、孟加拉、巴基斯坦、巴西、印尼

    、泰國等國家都不斷發生全黑事件。印度在

    2012年7月30日發生人類史上最大的全黑事

    故,影響人數達6億人。從這些記錄來看,不

    但工業先進國家會發生全黑事件,開發中國

    家也因經濟成長,用電增加,電力網擴充,

    同樣進入全

    黑漩渦。

    美 國

    有史以來最

    大的停電是

    2003年8月

    14日美東及

    加拿大全黑

    事件,時間

    長達 2天,

    影響5 ,000

    萬人,經濟

    損失難以估

    計。事件後

    ,美國及加

    拿大合組調

    查小組,鑑

    定原因,提

    出46項建議

    。這些建議可歸納成四大類:①基礎結構老

    化 ②軟、硬體工具不足 ③人員訓練不足 ④

    樹木管理不當。如果是台灣,應再加上一項

    鹽霧害管理。

    自癒電力網

    小電力網演化成大電力網就像生物界的

    互利共生,而當大電力網毛病百出時,就會

    催生另外一種科技,使大電力網能生存下去。

    這個催生的力量有時來自市場機制,有時來

    自有睿智眼光的個人。由於每次大停電的經

    濟損失動輒數十億甚至數百億美元。美國總

    統歐巴馬在 2013年的國情咨文提到美國要建

    立自癒電力網 (self - healing power grids)。

    歐巴馬大概就是這個有睿智眼光的人吧 !

    自癒電力網和聰明電力網一樣,都沒有

    公認的精確定義。從字面理解,應該就是系

    統遇到擾動時,例如惡劣天候的干擾,能自

    動回復到穩定狀態的電力網。美國西北大學

    有一個研究複雜系統行為的團隊,認為很多

    全黑事件是保護設備誤動作或是人性因素引

    起 (的確如此 )。

    他們發現,電力網的穩定與否不只是輸、

    配電線路的問題,發電廠內的發電機是另一

    個關鍵組件。他們推導出一種條件,在此種

    條件下,發電機不借助控制器,也會自發性

    的維持在同步狀態。然後,他們調校發電機

    參數,使達到這種條件。這些參數有發電機

    質量、阻尼、調節等,使網路感覺所有的發

    電機都一樣。他們的實驗獲得實際成功。如

    果在暫態過程,發電機不失去同步,電廠的

    飼水系統很可能維持穩定,機組可能不會跳

    機,就可以阻止全黑蔓延,因而減小全黑範

    圍。這個團隊的研究成果應該很快可以進入

    實用階段。到時,也許每個電廠的發電機都

    要經過一番軟、硬體的小改造,就像現在流

    行的微美容手術一樣。

    超複雜的動態系統

    已故管理大師杜拉克說:“你不能管理

    你無法衡量的東西”。電力系統組成元件極

    多,有各種型式的發電設備,變電所,各種

    型式變壓器,像蜘蛛網似的輸、配線路,是

    個超大的、超複雜的動態系統。負載時時刻

    刻在變化,發電量必須隨時配合調整,以維

    持系統穩定。在美國很多全黑檢討報告裡,

    運轉員不約而同表達,他們對系統即時情況

    無法掌握的苦惱,在系統大暫態時,更是無

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    助。在調度中心,他們要監控的是廣大的電

    力網,而他們看到的是因時間延遲而扭曲的

    資訊,與實際情況相差很大,和電廠控制室

    小範圍能掌握即時資訊的情況完全不同。

    同步相量儀

    「同步相量儀」的出現,使這種情況完

    全改觀。同步相量儀大小如一個皮鞋盒,它

    用來測量輸電線路某點的瞬時頻率、電壓、

    及電流。頻率是純量,電流及電壓都是向量。

    原點不動的旋轉向量稱為相量,可以用複素

    數方式運算。相量值代表電壓、電流正弦波

    某一時間點的大小及相角。每個相量值都加

    上一個來自全球定位系統的時間標記,有時

    間標記的相量,就叫做同步相量。把一個同

    步相量儀的相量值照時間順序排列,就可看

    出該點的變化情形。把不同地點的同步相量

    儀相量值用時間標記對準,就可看出系統狀

    況。

    在傳統的電力網監控技術如 SCADA

    (supervisory control and data acquisition)系

    統,2秒到 4秒一筆資料;同步相量儀每秒

    取樣 1200次以上,然後用這些數據計算頻率

    值、電壓及電流相量值,每秒可產生 30筆以

    上資料。這種改變,好像從黑白電視進入高

    解析度彩色電視,又好像從巨觀的牛頓力學

    躍到量子力學,進入微觀世界。同步相量儀

    技術提升系統的透明度,消除運轉人員的困

    境。同步相量儀加上適當的軟體,讓運轉人

    員即時掌握:

    Ø 線路是否超載

    Ø 是否有振盪

    Ø 頻率是否穩定

    Ø 電壓是否穩定

    有了同步相量儀,運轉人員可以迅速採

    取必要的改正行動,消弭可能發生的大、小

    停電事故。全世界有大電力網的國家,也就

    是全黑大國們,現在全部加緊裝設同步相量

    儀。美國裝設數已超過 1700具,中國大陸超

    過 1000具,印度超過 400具,其他各國亦

    積極跟隨。

    非碳能源時代

    在氣候變遷加劇的 21世紀,為了減少二

    氣化碳排放,再生能源比重勢必上升。估計

    到 2030年,全世界風力發電裝置容量將達到

    1,120GW,而發電量將達到 2,768TWH。 風

    力發電特點是時有時無,不易接受調度,因

    而增加電力網不穩定性。這些缺點卻因同步

    相量儀及其配合的軟、硬體出現而緩解。 「山

    明水秀疑無路,柳暗花明又一村」,非碳能

    源時代或許在遠方出現了。

    ( 作者為台電公司退休人員 )同步相量儀

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