输电网络
输电网络（英语：Electrical grid）又称输电网、电力网、输配线，可简称“电网”，是一种以输送电力为目的，连结电力生产者与消费者的网络系统。输电网络包含：发电站、变电站、输电系统（发电厂→输电网络）、配电系统（输电网络→市电线路）。电网的大小规模不一，可以大到涵盖整个国家之国家电网、跨国电网，以至一个小区域，甚至一栋建筑物之微电网[1]。
由于各发电厂通常处于偏远地区，为了将其产生的电力送达都会区的用户端，与降低传输时的功率损失，因此在发电端进行升压，以便在长途传输时减少耗损，并在接近用户端逐步降压。同时，为了提高供电品质的稳定性，输电网络将多个不同种类的发电系统并联运行。输电网络基本上是一种拓扑的应用结构，网络上的任一节点（供电端、用电端），必须设计成可随时加入网络或切离开网络，而不会造成对于输电网络的供电品质有重大影响[1]。
目前全球输电网络已十分广泛，但截至2016年，全球仍有14亿人未连接到电网[2]。随着电网的现代化和网络的普及，网络威胁议题重要性逐渐增加，因此电网安全的议题变得越来越重要[3]。
历史 编辑
人类从1880年代起大规模使用电力，最早的应用主要为电灯，当时电灯的主要竞争者为煤气灯，但煤气灯会散发氢和一氧化碳，并容易引发火灾，电灯很快取得优势。1901年，查尔斯·梅尔茨在英国泰恩河畔新堡成立了全世界第一座发电厂海王星银行发电站[4]，至1912年已发展成为欧洲最大的输电网络系统[5]。英国在1919年制定了《电力供应法案》，1926年成立了英国国家电网，以132千伏、50赫兹运行[6]。
美国电力事业始于1920年代，1935年《公共事业控股公司法》通过，电力事业被公认为重要的公共财，并对其运作进行了限制和监管。《1992年能源政策法案》通过后，要求输电网络业者必须对所有发电业者开放网络，造成电力行业生态的大转变，使得电力市场大幅的自由化[7]。
中华人民共和国电力事业于1950年代开始蓬勃发展，1960年6月，宝成铁路由宝鸡至凤州段的电气化工程完成并交付使用，成为中华人民共和国第一条电气化铁路[8]。
电网相关技术 编辑
输电网络的拓扑 编辑
拓扑在输电网络中，指网络建构与运行的路径，其根据系统可靠度的要求、负载和发电特性而有所不同。一般输电网络的拓扑可分为树状与网状两种结构。输电与配电网络最简单的拓扑是树状结构，由中央调控的高电压、大电流电力，借由变电站逐步降低电压、电流，分配至各树状分支线路中，直到到达目标家庭用户和企业用户为止。但是，单个节点故障可能会导致节点以下分支网络的失效。网状结构可以提供更高的可靠度，但是其运作与管理相对复杂[9]。
联网 编辑
不同区域之间的电网借由联网，以提高经济性和可靠性。联网可实现规模经济，不同电网借由联合采购电力，以降低成本。同时，借由不同时期，在不同地点采购电力，可以获得更好的来源调整。例如一个地区在雨量丰沛的季节，可以多采购廉价的电力，再输送至其他电网；另一个地区在风能充沛的季节大量采购，再输送至其他电网，这使得多个地区在一年中的不同时间，可以相互获取廉价的电力来源[10]。电网联网水平（英语：Electricity Interconnection Level）为已联网的电网除以总电网容量。欧盟设定整个欧盟电网在2020年达到10%的目标，2030年达到15%[11]。
广域同步电网与微电网 编辑
广域同步电网（Wide area synchronous grid）为以同步频率将多个依正常模式运作之电网连结起来。全球最大的广域同步电网为欧洲大陆同步电网，在2009年其发电容量为667 GW，并有80 GW的备转容量[12]。
微电网（Microgrid）是一组本地化的电源和负载，通常与传统的广域同步电网连接并同步运行，但也可以断开与孤岛模式的连接，并根据物理或经济条件自主运行[13]。这样，微电网可以有效地汇集各种分布式发电资源，尤其是可再生能源，并可以提供应急电源，可以在孤岛模式和连接模式之间转换。控制和保护是微电网面临的挑战[14][15]。
电网发展趋势 编辑
分布式发电 编辑
随着电力自由化的发展，电力的依据自由市场法则进行买卖，促进分布式发电的蓬勃发展。不属于公用事业公司的小型发电机所发的电力可以并网使用。这些发电设施的拥有者可能是一般家户中的太阳能电池板或小型风力发电机，也有可能是办公室内的小型的柴油发电机，他们可将多余的电力，以购买电价相同的价格回售给电力公司。进入21世纪，电力行业寻求利用新颖的方法，来满足不断增长的能源需求。随着屋顶太阳能和风力发电机的普及，配电网络和输电网络之间的界线将日渐模糊。最初建造电网是为了使电力从电力生产者流向消费者，但分布式发电的普及使得部分消费者也成为电力的生产者。2017年7月，梅赛德斯－奔驰的首席执行官指出，能源行业需要与其他行业的公司更好地合作，以形成一个“整体生态系统”，以整合集中式发电和分布式发电，给客户他们想要的[16]。
智能电网 编辑
智能电网（Smart grid）为利用信息及通讯科技，利用数位或类比讯号侦测与收集供应端的电力供应状况，与使用端的电力使用状况，藉以调控与改善电网。现今智能电网研究主要集中在智能电网的三个系统上－基础架构系统，管理系统和保护系统[17]。
基础架构系统是智能电网底层的信息和通讯架构，以达成发电、输送和消费的计量、监视和管理；管理系统可提供进阶的管理和控制功能；保护系统提供电网可靠度分析、故障保护以及安全和隐私保护服务。根据美国国家标准暨技术研究院2014年的报告指出，从用户端的智能电表收集更多有关能耗的数据的能力也引起了人们对隐私的关注，因为其中可能包含客户的个人详细信息，并且可能有泄漏的危险[18]。
参考资料 编辑
- ^ 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）.
- ^ 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 [...]
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ Survey of Belford 1995. North Northumberland Online. [2020-07-23]. （原始内容存档于2016-04-12）.
- ^ Lighting by electricity. National Trust for Places of Historic Interest or Natural Beauty. （原始内容存档于2011-06-29）.
- ^ Mazer, A. (2007). Electric Power Planning for Regulated and Deregulated Markets. John, Wiley, and Sons, Inc., Hoboken, NJ. 313pgs.
- ^ 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）.
- ^ Abdelhay A. Sallam & Om P. Malik. Electric Distribution Systems. IEEE Computer Society Press. 2011-05: 21. ISBN 9780470276822.
- ^ . (2001). Glover J. D., Sarma M. S., Overbye T. J. (2010) Power System and Analysis 5th Edition. Cengage Learning. Pg 10.
- ^ 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.
- ^ 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）.
- ^ About Microgrids. [2020-08-03]. （原始内容存档于2017-12-07） （英语）.
- ^ 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 [2020-07-31]. ISBN 978-1-4799-8397-1. doi:10.1109/IAS.2016.7731870. （原始内容存档于2023-02-21） （英语）.
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ 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.
- ^ Nunez, Christina (December 14, 2012). "Who’s Watching? Privacy Concerns Persist as Smart Meters Roll Out 互联网档案馆的存档，存档日期2018-03-16.". National Geographic. nationalgeographic.com. Retrieved 2018-03-16.