Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
電力技術專欄
24
電力人•第十七期
2
0
1
5
年
6
月
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
電力人第17期.indd 24 2015/6/15 下午4:10
電力技術專欄
25
電力人•第十七期
2
0
1
5
年
6
月
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
電力人第17期.indd 25 2015/6/15 下午4:10
電力技術專欄
26
電力人•第十七期
2
0
1
5
年
6
月
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
電力人第17期.indd 26 2015/6/15 下午4:10