Электрическая сеть - Electrical grid

Генеральный план электрических сетей. Напряжения и изображения электрических линий типичны для Германии и других европейских систем.

An электрическая сеть, электрическая сеть или же Энергосистема, представляет собой взаимосвязанную сеть для доставка электричества от производителей к потребителям. Это состоит из:^[1]

• генерирующие станции которые производят электроэнергия
• электрические подстанции для повышения электрического напряжения для передачи или понижения для распределения
• линии передачи высокого напряжения которые несут мощность из удаленных источников в спрос-центры
• распределительные линии, соединяющие отдельные клиенты

Электрические сети различаются по размеру: от одного здания до национальные сети (которые охватывают целые страны) транснациональные сети (который может пересекать континенты).

Энергостанции подключенные к сетям, часто расположены рядом с энергоресурсами, такими как источник топливо или воспользоваться Возобновляемая энергия ресурсов и вдали от густонаселенных районов. Поэтому сеть передачи электроэнергии в больших объемах используется для перемещения электроэнергии на большие расстояния, иногда через международные границы, до тех пор, пока она не достигнет своего оптового потребителя (обычно организации, которая владеет местным распределение электроэнергии сеть). Поэтому электрическая мощность повышается до высокого уровня. Напряжение для передача электроэнергии система. По прибытии на подстанцию ​​мощность будет понижена с уровня напряжения передачи до напряжения уровня распределения. На выходе из подстанции он попадает в распределительную проводку. Наконец, по прибытии на место обслуживания мощность снова понижается от напряжения распределения до требуемого рабочего напряжения (ей).

Хотя электрические сети широко распространены, по состоянию на 2016 г.^{[Обновить]} 1,4 миллиарда человек во всем мире не были подключены к электросети.^[2]

Электрические сети могут быть подвержены злонамеренному вторжению или атаке; таким образом, существует потребность в безопасность электросети. Кроме того, по мере модернизации электрических сетей и внедрения компьютеров киберугрозы также становятся угрозой безопасности.^[3] Особые опасения связаны с более сложными компьютерными системами, необходимыми для управления сетями.^[4]

История

Первоначально электрическая энергия производилась рядом с устройством или службой, требующей этой энергии. В 1880-е годы электричество конкурировало с паром, гидравликой и особенно с паром. угольный газ. Угольный газ сначала добывался на территории заказчика, но позже превратился в газификация растения, которым нравились эффект масштаба. В промышленно развитых странах в городах имелись газовые сети, используемые для освещения. Но газовые лампы давали плохой свет, рассеивали тепло, делали комнаты жаркими и задымленными и выделяли водород и монооксид углерода. Они также представляли опасность возникновения пожара. В 1880-х годах электрическое освещение вскоре стало выгоднее газового.

Электроэнергетика компании созданы центральные станции чтобы воспользоваться преимуществами эффекта масштаба и перейти к централизованному производству, распределению электроэнергии и системному управлению.^[5] После война течений был решен в пользу Мощность переменного тока, благодаря передаче электроэнергии на большие расстояния стало возможным объединять станции для балансировки нагрузки и улучшения факторов нагрузки.

В Соединенном Королевстве Чарльз Мерц, из Мерц и Маклеллан консалтинговое партнерство, построило Электростанция Neptune Bank возле Ньюкасл-апон-Тайн в 1901 г.,^[6] и к 1912 году превратилась в крупнейшую интегрированную энергосистему Европы.^[7] Мерц был назначен главой парламентского комитета, и его выводы привели к Отчету Уильямсона 1918 года, который, в свою очередь, положил начало Закону о электроснабжении 1919 года. Этот закон стал первым шагом на пути к интегрированной электроэнергетической системе. Закон об электроэнергии (поставке) 1926 года привел к созданию Национальной сети.^[8] В Центральное управление электроснабжения стандартизировал электроснабжение страны и создал первую синхронизированную сеть переменного тока, работающую на 132 киловольт и 50 Герц. Это начало действовать как национальная система, Национальная сеть, в 1938 году.

В Соединенных Штатах в 1920-х годах коммунальные предприятия сформировали совместные предприятия для разделения покрытия пиковой нагрузки и резервного питания. В 1934 году с прохождением Закон о холдинговой коммунальной компании (США) электроэнергетика признана общественные блага имели важное значение и были даны изложенные ограничения и регулирующий надзор за их деятельностью. В Закон об энергетической политике 1992 г. требовали от владельцев линий электропередач предоставить компаниям-производителям электроэнергии открытый доступ к своей сети^[5][9] и привела к реструктуризации работы электроэнергетической отрасли с целью создания конкуренции в производстве электроэнергии. Электроэнергетические компании больше не строились как вертикальные монополии, где генерация, передача и распределение осуществлялись одной компанией. Теперь три этапа можно разделить между различными компаниями, чтобы обеспечить справедливую доступность для передачи высокого напряжения.^[10]:21 В Закон об энергетической политике 2005 г. разрешены стимулы и гарантии по кредитам для производства альтернативной энергии и продвижение инновационных технологий, позволяющих избежать выбросов парниковых газов.

Во Франции, электрификация началось в 1900-х, с 700 коммуны в 1919 году и 36 528 в 1938 году. В то же время близлежащие сети начали соединяться между собой: Париж в 1907 году на 12 кВ, Пиренеи в 1923 году на 150 кВ и, наконец, почти вся страна в 1938 году была соединена между собой на 220 кВ. К 1946 году сетка стала самой плотной в мире. В том же году это государство национализировало отрасль, объединив частные компании как Électricité de France. Частота была стандартизирована на 50 Гц, и сеть на 225 кВ заменяет 110 и 120. С 1956 года рабочее напряжение стандартизировано на 220/380 В, заменяя предыдущие 127/220 В. В 1970-х годах сеть 400 кВ, новая Европейский стандарт.

В Китае, электрификация началось в 1950-х годах.^[11] В августе 1961 года электрификация участка Баоцзи-Фэнчжоу Баочэн железная дорога был завершен и сдан в эксплуатацию, став первым в Китае электрифицированная железная дорога.^[12] С 1958 по 1998 год протяженность электрифицированной железной дороги Китая составляла 10 000 километров.^[13] По состоянию на конец 2017 года это число достигло 87 тысяч километров.^[14] В текущем система электрификации железных дорог Китая, Государственная сетевая корпорация Китая является важным поставщиком энергии. В 2019 году он завершил проект электроснабжения важных электрифицированных железных дорог Китая в своих операционных зонах, таких как Jingtong Железная дорога, Haoji Railway, Высокоскоростная железная дорога Чжэнчжоу – Ваньчжоу и так далее, обеспечивая гарантию электроснабжения 110 тяговых станций, а общая протяженность строительства ЛЭП достигла 6 586 км.^[15]

Функции

Поколение

Турбогенератор

Схема электроэнергетической системы, системы генерации красным цветом

Производство электроэнергии это процесс создания электроэнергия из источников первичная энергия. За коммунальные услуги в электроэнергетика, это этап, предшествующий его Доставка (коробка передач, распределение и т. д.) конечным пользователям или их место хранения (используя, например, гидроаккумулятор метод).

Электричество не доступно в природе в свободном доступе, поэтому его необходимо «производить» (то есть преобразовывать другие формы энергии в электричество). Производство осуществляется в энергостанции (также называемые «электростанции»). Электроэнергия чаще всего вырабатывается на электростанции электромеханический генераторы, в первую очередь за счет тепловые двигатели подпитывается горение или же ядерное деление но и другими способами, такими как кинетическая энергия текущей воды и ветра. Другие источники энергии включают солнечную фотогальваника и геотермальная энергия.

Передача инфекции

500 кВ Трехфазная электрическая мощность Линии передачи на Плотина Гранд-Кули; показаны четыре схемы; две дополнительные цепи закрыты деревьями справа; вся генерирующая мощность плотины в 7079 МВт обеспечивается этими шестью цепями.

Передача электроэнергии это массовое движение электроэнергия из создание сайт, например электростанция, для электрическая подстанция. Взаимосвязанные линии, облегчающие это движение, известны как сеть передачи. Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределение электроэнергии. Комбинированная сеть передачи и распределения является частью доставка электричества, известный как "Энергосистема " в Северная Америка, или просто «сетка». в объединенное Королевство, Индия, Танзания, Мьянма, Малайзия и Новая Зеландия, сеть известна как Национальная сеть.

Эффективная передача включает снижение токов путем увеличения напряжения перед передачей и его понижения на подстанции на дальнем конце. Для передачи энергии переменного тока повышение и понижение выполняется с помощью трансформаторов.

А синхронная сетка большой площади, также известное как «межсоединение» в Северной Америке, напрямую соединяет многие генераторы, вырабатывающие переменный ток, с одним и тем же родственником. частота многим потребителям. Например, в Северной Америке есть четыре основных межсетевых соединения ( Западное соединение, то Восточное соединение, то Квебекское соединение и Совет по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT) сетка). В Европе одна большая сеть соединяет большую часть континентальной Европы.

Исторически линии передачи и распределения принадлежали одной и той же компании, но, начиная с 1990-х годов, многие страны либерализованный регулирование рынок электроэнергии способами, которые привели к отделению бизнеса по передаче электроэнергии от бизнеса по распределению.^[16]

Подстанции

Элементы подстанции
A: Сторона основных линий электропередачи
B: Сторона вторичных линий электропередачи
1. Основные линии электропередачи
2. Провод заземления
3. Воздушные линии
4. Трансформатор для измерения электрического напряжения.
5. Отключите выключатель.
6. Автоматический выключатель
7. Трансформатор тока
8. Грозозащитный разрядник.
9. Главный трансформатор
10. Здание управления
11. Ограждение безопасности
12. Вторичные линии электропередачи

Электрическая подстанция 50 Гц в г. Мельбурн, Австралия. Здесь показаны три из пяти трансформаторов 220 кВ / 66 кВ, а также противопожарные заграждения трансформаторов высокого напряжения мощностью 150 МВА каждая. Эта подстанция построена с использованием стальных решетчатых конструкций для поддержки тросовых шин и оборудования.^[17]

Подстанция от 115 кВ до 41,6 / 12,47 кВ 5 МВА 60 Гц с переключателем цепи, регуляторами, реклоузерами и зданием управления на Уоррен, Миннесота. На данной подстанции показаны элементы низкопрофильной конструкции; Аппарат устанавливается на отдельные стойки.

А подстанция является частью электрического поколение, коробка передач, и распределение система. Трансформация подстанций Напряжение от высокого к низкому или наоборот, или выполнять любую из нескольких других важных функций, таких как разрыв цепи. Между генерирующей станцией и потребителем электроэнергия может протекать через несколько подстанций с разными уровнями напряжения. Подстанция может включать трансформаторы для переключения уровней напряжения между высокими напряжениями передачи и более низкими напряжениями распределения или при соединении двух различных напряжений передачи.

Подстанции могут принадлежать и эксплуатироваться электроэнергетической компанией или могут принадлежать крупному промышленному или коммерческому заказчику. Как правило, подстанции остаются без присмотра, полагаясь на SCADA для удаленного наблюдения и контроля.

Слово подстанция приходит со времен до того, как система распределения стала сетка. По мере того как центральные генерирующие станции становились больше, меньшие генерирующие станции были преобразованы в распределительные станции, получая энергию от более крупной электростанции вместо использования собственных генераторов. Первые подстанции были подключены только к одной электростанция, где размещались генераторы, и являлись дочерними предприятиями этой электростанции.

Станция 220 кВ / 110 кВ / 20 кВ в Германии

Напряжение

Сети предназначены для снабжения потребителей электроэнергией при в основном постоянном напряжении. Это должно быть достигнуто при меняющемся спросе, переменном реактивный нагрузки и даже нелинейные нагрузки с электричеством, обеспечиваемым генераторами, а также распределительным и передающим оборудованием, которые не являются абсолютно надежными.^[18] Часто сетки используют переключатели ответвлений на трансформаторах рядом с потребителями для регулировки напряжения и поддержания его в пределах спецификации.

Топологии

Сети передачи сложны с резервными путями. Например, посмотрите карту высоковольтной сети электропередачи США (справа).

Сетевая диаграмма системы передачи высокого напряжения, показывающая взаимосвязь между различными уровнями напряжения. На этой схеме изображена электрическая структура^[19] сети, а не ее физическая география.

Структура, или "топология "сети может варьироваться в зависимости от ограничений бюджета, требований к надежности системы, а также характеристик нагрузки и генерации. Физическая компоновка часто зависит от того, какая земля доступна и ее геология. Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сеть.^[20]

Самая простая топология распределительной или передающей сети - это радиальный структура. Это дерево форма, в которой энергия от большого источника излучается в линии с все более низким напряжением, пока не будут достигнуты дома назначения и предприятия. Однако единичные отказы могут уничтожить целые ветви дерева.

Большинство сетей передачи предлагают более сложную надежность. ячеистые сети предоставлять. Стоимость ячеистой топологии ограничивает их применение в передающих и распределительных сетях среднего напряжения. Избыточность позволяет произойти сбоям линии, и питание просто перенаправляется, пока рабочие ремонтируют поврежденную и деактивированную линию.

Другие используемые топологии: зацикленный системы, найденные в Европе и связанное кольцо сети.

В городах и поселках Северной Америки сетка имеет тенденцию следовать классической схеме. радиально питаемый дизайн. Подстанция получает питание от сети передачи, мощность понижается с помощью трансформатора и отправляется на автобус из которых кормушки расходятся во все стороны по сельской местности. Эти кормушки несут трехфазное питание, и стараемся следовать по главным улицам возле подстанции. По мере того, как расстояние от подстанции увеличивается, разветвление продолжается, поскольку меньшие отводы расширяются, чтобы покрыть области, пропущенные фидерами. Эта древовидная структура вырастает за пределы подстанции, но по соображениям надежности обычно содержит как минимум одно неиспользуемое резервное соединение с ближайшей подстанцией. Это соединение может быть включено в случае аварии, так что часть обслуживаемой территории подстанции может альтернативно питаться от другой подстанции.

Синхронная сетка

Синхронная сеть или «межсоединение» - это группа распределительных зон, каждая из которых работает с трехфазный переменный ток (AC) частоты синхронизированы (так что пики возникают практически в одно и то же время). Это позволяет передавать электроэнергию переменного тока по всей территории, подключая большое количество генераторов и потребителей электроэнергии и потенциально обеспечивая более эффективные рынки электроэнергии и резервное производство.

Большой отказ в одной части сети - если его быстро не компенсировать - может привести к изменению маршрута тока от оставшихся генераторов к потребителям по линиям электропередачи недостаточной мощности, что приведет к дальнейшим сбоям. Таким образом, одним из недостатков широко подключенной сети является возможность каскадный отказ и широко распространенный отключение электричества. Центральный орган обычно назначается для облегчения связи и разработки протоколов для поддержания стабильной сети. Например, Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения получил обязательные полномочия в Соединенных Штатах в 2006 году и имеет консультативные полномочия в соответствующих частях Канады и Мексики. Правительство США также обозначило Коридоры электропередачи национального интереса, где, по ее мнению, возникли узкие места в передаче.

Некоторые районы, например сельские общины в Аляска, не работают в большой сети, полагаясь вместо этого на местные дизельные генераторы.^[21]

Частота

В синхронной сети все генераторы должны работать с одинаковой частотой и должны оставаться почти в фазе друг с другом и с сетью. Для вращающихся генераторов локальный губернатор регулирует крутящий момент, поддерживая постоянную скорость при изменении нагрузки. Контроль скорости падения гарантирует, что несколько параллельных генераторов распределяют изменения нагрузки пропорционально их номинальной мощности. Производство и потребление должны быть сбалансированы по всей сети, потому что энергия потребляется по мере ее производства. Энергия мгновенно сохраняется за счет кинетической энергии вращения генераторов.

Небольшие отклонения от номинальной частоты системы очень важны для регулирования отдельных генераторов и оценки равновесия сети в целом. Когда сеть сильно загружена, частота снижается, и регуляторы регулируют свои генераторы так, чтобы на выходе было больше мощности (контроль скорости падения ). Когда сеть слабо загружена, частота сети превышает номинальную, и это считается показателем. Автоматический контроль генерации системы в сети, что генераторы должны уменьшить свою производительность.

Кроме того, часто существует централизованное управление, которое может изменять параметры систем AGC в течение минуты или дольше для дальнейшей настройки региональных сетевых потоков и рабочей частоты сети. Для целей хронометража номинальная частота может изменяться в краткосрочной перспективе, но ее можно отрегулировать, чтобы часы, работающие от сети, не набирали или не теряли значительное время в течение всего 24-часового периода.

Вся синхронная сеть работает с одной и той же частотой, соседние сети не будут синхронизированы, даже если они будут работать с одной и той же номинальной частотой. Постоянный ток высокого напряжения линии или трансформаторы переменной частоты может использоваться для соединения двух межсетевых соединений переменного тока, которые не синхронизированы друг с другом. Это обеспечивает преимущество соединения без необходимости синхронизации еще более широкой области. Например, сравните глобальную синхронную сеточную карту Европы с картой линий HVDC.

Соединители

Электроэнергетические системы между регионами многократно связаны между собой для повышения экономичности и надежности. Электрические соединители разрешить эффект масштаба, позволяя приобретать энергию из крупных эффективных источников. Коммунальные предприятия могут получать электроэнергию из резервов генераторов из другого региона, чтобы обеспечить бесперебойную и надежную подачу электроэнергии и диверсифицировать свои нагрузки. Межсетевое соединение также позволяет регионам иметь доступ к дешевой энергии в больших объемах, получая электроэнергию из разных источников. Например, один регион может производить дешевую гидроэлектроэнергию в сезон половодья, но в периоды маловодья другой регион может производить более дешевую энергию за счет ветра, что позволяет обоим регионам получать доступ к более дешевым источникам энергии друг от друга в разное время года. Соседние коммунальные предприятия также помогают другим поддерживать общую частоту системы, а также помогают управлять связями между регионами энергоснабжения.^[10]

Уровень межсетевого взаимодействия (EIL) сети - это отношение общей мощности межсоединения к сети, деленное на установленную производственную мощность сети. В рамках ЕС он поставил цель достичь 10% национальных сетей к 2020 году и 15% к 2030 году.^[22]

Место хранения

Упрощенная электросеть с накопителем энергии.

Упрощенный сетевой поток энергии с идеальным накоплением энергии и без него в течение одного дня.

Хранение энергии в сети (также называемый крупномасштабное хранилище энергии) - это набор методов, используемых для хранить электрическую энергию в больших масштабах в электросеть. Электроэнергия накапливается во время производства (особенно на электростанциях с перебоями, например возобновляемая электроэнергия источники, такие как ветровая энергия, приливная сила, солнечная энергия ) превышает потребление и возвращается в сеть, когда производство падает ниже потребления.

По состоянию на 2017 год^{[Обновить]}, самая большая форма хранения энергии в сети перекрыта плотиной гидроэлектроэнергия, как с традиционной гидроэлектростанцией, так и с гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия.

Развитие аккумуляторов позволило коммерчески жизнеспособным проектам сохранять энергию во время пикового производства и высвобождать энергию во время пикового спроса.

Две альтернативы хранилищу в сетке - это использование пиковые электростанции восполнить дефицит предложения и реакция спроса перенести нагрузку на другое время.

Большинство из синхронные сети большой площади Европы являются членами Европейские операторы систем передачи ассоциация.

В Континентальная сеть электропередач США состоит из около 300 000 км (186 411 миль) линий, эксплуатируемых примерно 500 компаниями. В Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (НКРЭ) наблюдает за всеми ними.

Постоянный ток высокого напряжения межсетевые соединения в Западной Европе: красный - существующие линии, зеленый - в стадии строительства и синий - предлагается.

Что необычно для национальной сети, разные регионы сети передачи электроэнергии Японии работают на совершенно разных частотах.

требовать

Спрос или нагрузка на электрическую сеть - это общая электрическая мощность, отводимая пользователями сети.

График спроса во времени называется кривая спроса.

Базовая нагрузка - минимальная нагрузка на сеть за любой заданный период, пиковый спрос максимальная нагрузка. Исторически базовая нагрузка обычно удовлетворялась относительно дешевым в эксплуатации оборудованием, которое работало непрерывно в течение недель или месяцев, но в глобальном масштабе это становится все реже. Требования к дополнительному пиковому спросу иногда производятся дорогостоящими пиковые растения это генераторы, оптимизированные для быстрого включения в сеть, но и они становятся все реже.

Производство

Сумма выходной мощности генераторов в сети - это выработка в сети, обычно измеряемая в гигаватт (GW). Общая произведенная энергия является интегралом выходной мощности, которая измеряется в гигаватт-часы (ГВтч).

Потери при передаче

Можно было бы ожидать, что спрос и производство могут быть равны, однако на практике мощность теряется в линиях электропередачи и трансформаторах в сети электропередачи, поэтому спрос плюс потери равны производству. В тех случаях, когда электроэнергия экспортируется или импортируется в соседние сети, эта энергия часто рассматривается как спрос или производство соответственно.

Емкость и надежная емкость

Сумма максимальной выходной мощности (паспортная мощность ) генераторов, подключенных к электрической сети, можно рассматривать как мощность сети.

Однако на практике они никогда не заканчиваются полностью одновременно. Как правило, некоторые генераторы продолжают работать с более низкой выходной мощностью (прядильный резерв ) для устранения сбоев, а также колебаний спроса. Кроме того, генераторы могут быть отключены для обслуживания или по другим причинам, например, из-за наличия энергозатрат (топливо, вода, ветер, солнце и т. Д.) Или из-за ограничений загрязнения.

Емкость фирмы это максимальная выходная мощность в сети, которая немедленно доступна в течение заданного периода времени и является гораздо более полезным показателем.

Сетевой код

Поведение подключенного к сети оборудования регулируется код сетки это спецификация, обычно предоставляемая оператором сети. Это обеспечивает стабильность сети и, в частности, определяет правильное поведение в нестандартных сценариях.

Отказ

Отключение

Затухание рядом Токийская башня в Токио, Япония

А затухание преднамеренное или непреднамеренное падение Напряжение в электрическом источник питания система. Преднамеренные отключения используются для снижения нагрузки в аварийной ситуации.^[23] Снижение длится минуты или часы, а не кратковременно. падение напряжения (или окунуться). Термин "потемнение" происходит от затемнения, возникающего при освещении лампами накаливания при падении напряжения. А снижение напряжения может быть следствием сбоя в электросети или иногда может быть вызвано попыткой снизить нагрузку и предотвратить отключение электричества, известный как затемнение.^[24]

Затемнение

А отключение электричества (также называемый отключение питания, а выход питания, а отключение питания, сбой питания или затемнение) является потерей электроэнергия в конкретную область.

Сбои в подаче электроэнергии могут быть вызваны неисправностями в энергостанции, повреждение линии электропередачи, подстанции или другие части распределение система, а короткое замыкание, каскадный отказ, предохранитель или же автоматический выключатель операция и человеческий фактор.

Сбои в подаче электроэнергии особенно важны на объектах, где окружающая среда и общественная безопасность находятся под угрозой. Такие учреждения, как больницы, очистка сточных вод растения шахты, убежища и т.п. обычно имеют резервные источники питания, такие как резервные генераторы, который автоматически запускается при отключении электроэнергии. Другие критические системы, такие как телекоммуникации, также должны иметь аварийное питание. В аккумуляторная телефонной станции обычно имеет массивы свинцово-кислотные батареи для резервного копирования, а также розетка для подключения генератора во время длительных периодов простоя.

Снижение нагрузки

Электроэнергетика и системы передачи не всегда могут соответствовать требованиям пикового спроса - наибольшее количество электричество требуется всем потребителям коммунальных услуг в данном регионе. В этих ситуациях общий спрос необходимо снизить, отключив обслуживание некоторых устройств или уменьшив напряжение питания (отключение ), чтобы предотвратить неконтролируемые перебои в обслуживании, такие как Отключения питания (обширные отключения электроэнергии) или повреждение оборудования. Коммунальные предприятия могут снизить нагрузку на зоны обслуживания посредством целевых отключений электроэнергии, веерные отключения электроэнергии или по соглашениям с конкретными промышленными потребителями с интенсивным использованием энергии для отключения оборудования во время общесистемного пикового спроса.

Черный старт

Торонто во время Северо-восточное затемнение 2003 г., что потребовало пуска электростанций с нуля.

А черный старт идет процесс восстановления электрического электростанция или часть электрическая сеть к эксплуатации, не полагаясь на внешние сеть передачи электроэнергии для восстановления после полного или частичного отключения.^[25]

Обычно электроэнергия, используемая на станции, вырабатывается собственными генераторами станции. Если все основные генераторы станции отключены, электроэнергия для обслуживания станции обеспечивается за счет потребления энергии из сети через линию электропередачи станции. Однако во время перебоев в работе сети внешнее электроснабжение недоступно. При отсутствии электросети необходимо выполнить так называемый черный старт, чтобы бутстрап электросеть в эксплуатацию.

Для обеспечения плавного старта на некоторых электростанциях есть небольшие дизельные генераторы, обычно называемый черный запуск дизельного генератора (BSDG), который можно использовать для запуска более крупных генераторов (из нескольких мегаватты мощность), которые, в свою очередь, могут быть использованы для запуска генераторов главной электростанции. Генерирующим станциям, использующим паровые турбины, требуется мощность станции до 10% от их мощности для насосы питательной воды котла, нагнетатели воздуха для горения котлов, и для подготовки топлива. Обеспечение такой большой резервной мощности на каждой станции неэкономично, поэтому питание с черного старта должно подаваться по назначенным соединительным линиям от другой станции. Часто гидроэлектростанция электростанции определены как источники аварийного пуска для восстановления сетевых соединений. Для запуска гидроэлектростанции требуется очень небольшая начальная мощность (достаточно, чтобы открыть заборные заслонки и обеспечить возбуждение ток к обмоткам возбуждения генератора), и может очень быстро включить большой блок питания, чтобы обеспечить запуск ископаемых или ядерных станций. Определенные виды турбина внутреннего сгорания может быть настроен на черный запуск, что дает еще один вариант в местах, где нет подходящих гидроэлектростанций.^[26] В 2017 году коммунальное предприятие в Южной Калифорнии успешно продемонстрировало использование аккумуляторной системы хранения энергии, чтобы обеспечить запуск с нуля, запустив газовую турбину комбинированного цикла из состояния простоя.^[27]

Размер

Синхронная сетка большой площади

Синхронные сети Европы

Два основных и три второстепенных соединения Северной Америки

Основные WASG по всему миру

А синхронная сетка большой площади (также называется «межсоединением» в Северная Америка ) представляет собой электрическую сеть в региональном масштабе или выше, которая работает на синхронизированной частоте и электрически связана вместе в нормальных условиях системы. Они также известны как синхронные зоны, самая большая из которых синхронная сетка континентальной Европы (ENTSO-E) с 667гигаватт (ГВт) поколения, а самый широкий обслуживаемый регион был IPS / ИБП система обслуживания стран бывшего Советского Союза. Синхронные сети с большой мощностью облегчают рынок электроэнергии торговля на обширных территориях. В ENTSO-E в 2008 году было продано более 350 000 мегаватт-часов в день на Европейская энергетическая биржа (EEX).^[28]

Каждое из межсоединений в Северной Америке работает с номинальной частотой 60 Гц, а в Европе - с частотой 50 Гц. Соседние межсоединения с одинаковой частотой и стандартами могут быть синхронизированы и подключены напрямую, чтобы сформировать более крупное межсоединение, или они могут совместно использовать мощность без синхронизации через постоянный ток высокого напряжения линии электропередачи (Связи постоянного тока) или с трансформаторы переменной частоты (VFT), которые позволяют контролировать поток энергии, а также функционально изолируют независимые частоты переменного тока каждой стороны.

Преимущества синхронных зон включают объединение генерации, что приводит к снижению затрат на генерацию; объединение нагрузки, приводящее к значительным уравнивающим эффектам; общее резервирование, что приводит к снижению затрат на первичную и вторичную резервную мощность; открытие рынка, приводящее к возможности заключения долгосрочных контрактов и краткосрочных обменов электроэнергией; и взаимопомощь в случае беспорядков.^[29]

Одним из недостатков синхронной сетки большой площади является то, что проблемы в одной части могут иметь последствия для всей сетки. Например, в 2018 г. Косово использовал больше энергии, чем было произведено из-за ряда с Сербия, ведущая к фазе во всем синхронная сетка континентальной Европы отстает от того, что должно было быть. Частота упала до 49,996 Гц. Это вызвало определенные виды часы стать медленным на шесть минут.^[30]

Микросеть

Микросеть - это локализованная группа электричество источники и нагрузки, которые обычно работают, подключены к традиционным и синхронно с ними синхронная сетка большой площади (макросеть), но также может отключаться в «островном режиме» и функционировать автономно в зависимости от физических и / или экономических условий.^[31]

Таким образом, микросеть может эффективно объединять различные источники распределенная генерация, особенно Возобновляемая энергия источников и может обеспечивать аварийное питание, переключаясь между автономным и подключенным режимами.

Управление и защита - это вызовы для микросетей.^[32][33][34]

Супер сетка

Один концептуальный план суперсети, соединяющей возобновляемые источники в Северной Африке, на Ближнем Востоке и в Европе. (DESERTEC )^{[нужна цитата ]}

А супер сетка или же суперсеть это широкополосная передача сеть который предназначен для того, чтобы сделать возможной торговлю большими объемами электроэнергии на большие расстояния. Иногда его также называют мега сетка. Суперсети могут поддерживать глобальную энергетический переход за счет сглаживания локальных колебаний ветряная энергия и солнечная энергия. В этом контексте они считаются ключевой технологией для смягчать глобальное потепление. Суперсетки обычно используют Постоянный ток высокого напряжения (HVDC) для передачи электроэнергии на большие расстояния. Линии электропередач HVDC последнего поколения могут передавать энергию с потерями всего 1,6% на 1000 км.^[35]

Тенденции

Повышение электрификации

Растет количество людей, имеющих доступ к электросети. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к электросети в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиардами в 2010 году.^[36]

Ответ на спрос

Ответ на спрос представляет собой метод управления сетью, при котором розничных или оптовых клиентов запрашивают или стимулируют в электронном или ручном режиме для снижения их нагрузки. В настоящее время операторы передающих сетей используют реакцию на спрос, чтобы запросить снижение нагрузки у крупных потребителей энергии, таких как промышленные предприятия.^[37] Такие технологии, как интеллектуальный учет, могут побудить потребителей использовать электроэнергию в условиях избытка электроэнергии за счет изменения цен.

Инфраструктура старения

Несмотря на новаторские институциональные механизмы и сетевые конструкции электрической сети, ее инфраструктуры энергоснабжения в развитых странах устаревают. Факторы, влияющие на текущее состояние электросети и его последствия, включают:

• Старение оборудования - старое оборудование имеет более высокое частота отказов, что приводит к скорость прерывания работы клиентов влияющие на экономику и общество; Кроме того, старые активы и объекты требуют более тщательного контроля поддержание затраты и далее ремонт и восстановление расходы.
• Устаревшая компоновка системы - старые области требуют серьезных дополнительных подстанции и преимущественное право проезда которые не могут быть получены в текущем районе и вынуждены использовать существующие, недостаточные средства.
• Устаревшая инженерия - традиционные инструменты для подача энергии планирование и проектирование неэффективны в решении текущих проблем устаревшего оборудования, устаревших схем размещения и современных нерегулируемых уровней нагрузки.
• Старая культурная ценность - планирование, инженерное дело Работа системы с использованием концепций и процедур, которые работали в вертикально интегрированной отрасли, усугубляет проблему в условиях дерегулируемой отрасли.^[38]
• Одна контрмера против каскадные отказы от взрыва высоковольтных трансформаторов противопожарные заграждения трансформаторов высокого напряжения.

Распределенная генерация

Когда все взаимосвязано, и открытая конкуренция происходит в свободная рыночная экономика начинает иметь смысл разрешать и даже поощрять распределенная генерация (ДГ). Генераторы меньшего размера, обычно не принадлежащие коммунальному предприятию, могут быть подключены к сети, чтобы удовлетворить потребность в электроэнергии. Меньший по размеру генерирующий объект может быть домовладельцем, у которого есть избыток энергии от солнечной панели или ветряной турбины. Это может быть небольшой офис с дизельным генератором. Эти ресурсы могут быть введены в эксплуатацию либо по требованию коммунального предприятия, либо владельцем генерации с целью продажи электроэнергии. Многим небольшим производителям разрешено продавать электроэнергию обратно в сеть по той же цене, которую они заплатили бы при ее покупке.

В 21 веке электроэнергетическая отрасль стремится использовать новые подходы для удовлетворения растущего спроса на энергию. Коммунальные предприятия вынуждены развивать свою классическую топологию с учетом распределенная генерация. По мере того как генерация становится все более распространенной из солнечных и ветряных генераторов на крыше, различия между распределительными и передающими сетями будут продолжать стираться. В июле 2017 г. генеральный директор Мерседес Бенц сказал, что энергетическая отрасль должна лучше работать с компаниями из других отраслей, чтобы сформировать «общую экосистему», интегрировать центральную и распределенные энергоресурсы (DER) давать клиентам то, что они хотят. Электрическая сеть изначально была построена таким образом, чтобы электричество передавалось от поставщиков электроэнергии к потребителям. Однако с введением DER мощность должна передаваться по электрической сети в обоих направлениях, поскольку у потребителей могут быть источники энергии, такие как солнечные панели.^[39]

Модернизация

Примеры и перспективы в этом разделе имеют дело в первую очередь с Соединенными Штатами и не представляют мировое мнение предмета. Ты можешь улучшить этот раздел, обсудите вопрос на страница обсужденияили создайте новый раздел, если это необходимо. (Август 2019 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

По данным Центра технологий чистой энергии Северной Каролины, в первом квартале 2017 года 37 штатов и округ Колумбия предприняли некоторые меры по модернизации электрических сетей. Штаты сделали это, чтобы сделать электрические системы «более устойчивыми и интерактивными». Наиболее частыми действиями, которые предпринимали государства, были «развертывание расширенной инфраструктуры измерения» (это сделали 19 штатов), умная сеть электроснабжения развертывание и «меняющиеся во времени ставки для бытовых потребителей».^[40]

Законодательно в первом квартале года 82 соответствующих законопроекта были внесены в разных частях США. На конец квартала большая часть счетов оставалась неоплаченной. Например, законодатели на Гавайях внесли законопроект, предусматривающий создание хранилища энергии. налоговый кредит. В Калифорнии сенат штата был законопроект, который «создал бы новую программу скидок на накопители энергии».^[40]

В августе 2018 года Advanced Energy Economy (AEE) и Форум «Граждане за ответственные энергетические решения» (Форум CRES) опубликовал программный документ в котором дано пять рекомендаций по модернизации электросети США. Эти рекомендации призваны упростить процесс получения федеральных разрешений для перспективных энергетических проектов; побуждать проектировщиков сетей рассматривать альтернативы инвестициям в передачу; позволяют накоплению энергии и энергоэффективности конкурировать с дополнительным производством энергии; позволяют крупным потребителям выбирать собственные источники электроэнергии; и позволить коммунальным предприятиям и потребителям получать выгоду от программного обеспечения для облачных вычислений.^[41]

Умная сеть электроснабжения

В умная сеть электроснабжения будет усовершенствованием электрической сети 20-го века с использованием двусторонней связи и распределенных так называемых интеллектуальных устройств. Двусторонние потоки электроэнергии и информации могут улучшить сеть доставки. Исследования в основном сосредоточены на трех системах интеллектуальной сети - системе инфраструктуры, системе управления и системе защиты.^[42]

Инфраструктурная система - это энергетическая, информационная и коммуникационная инфраструктура, лежащая в основе интеллектуальной сети, которая поддерживает:

• Передовой производство электроэнергии, доставка и потребление
• Расширенные средства измерения, мониторинга и управления информацией
• Передовые коммуникационные технологии

Интеллектуальная сеть позволит электроэнергетике наблюдать и контролировать части системы с более высоким разрешением во времени и пространстве.^[43] Одна из целей интеллектуальной сети - обмен информацией в реальном времени для обеспечения максимальной эффективности работы. Это позволит управлять сетью во всех временных масштабах, от высокочастотных коммутационных устройств в микросекундном масштабе до изменений выходной мощности ветра и солнца в минутном масштабе и до будущих эффектов выбросов углерода, генерируемых производством электроэнергии в десятилетнем масштабе.

Система управления - это подсистема интеллектуальной сети, которая предоставляет расширенные услуги управления и контроля. Большинство существующих работ направлены на повышение энергоэффективности, профиля спроса, полезности, стоимости и выбросов на основе инфраструктуры с использованием оптимизация, машинное обучение, и теория игры. Ожидается, что в рамках развитой инфраструктуры интеллектуальной сети появится все больше и больше новых служб и приложений управления, которые в конечном итоге произведут революцию в повседневной жизни потребителей.

Система защиты интеллектуальной сети обеспечивает анализ надежности сети, защиту от сбоев, а также услуги безопасности и защиты конфиденциальности. Хотя дополнительная коммуникационная инфраструктура интеллектуальной сети обеспечивает дополнительные механизмы защиты и безопасности, она также представляет риск внешних атак и внутренних сбоев. В отчете о кибербезопасности технологии интеллектуальных сетей, впервые выпущенном в 2010 г., а затем обновленном в 2014 г., США Национальный институт стандартов и технологий указал, что возможность собирать больше данных об использовании энергии от клиента умные счетчики также вызывает серьезные проблемы с конфиденциальностью, поскольку информация, хранящаяся в счетчике, потенциально уязвима для утечки данных, можно добыть личные данные о клиентах.^[44]

В США Закон об энергетической политике 2005 г. и Раздел XIII Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 г. предоставляют финансирование для поощрения развития умных сетей. Цель состоит в том, чтобы позволить коммунальным предприятиям лучше прогнозировать свои потребности и в некоторых случаях вовлекать потребителей в тариф по времени использования. Также были выделены средства на разработку более надежных технологий управления энергопотреблением.^[45][46]

Дефект сетки

Поскольку в электроэнергетическом секторе существует некоторое сопротивление концепциям распределенная генерация с различными Возобновляемая энергия источники и микромасштаб коген единиц, несколько авторов предупреждали, что массовый отказ сети^{[необходимо определение ]} возможно, потому что потребители могут производить электроэнергию, используя от сетки системы в основном состоят из солнечная фотоэлектрическая технологии.^[47][48][49]

В Институт Скалистых гор предположил, что может иметь место широкомасштабный отказ сети.^[50] Это подтверждается исследованиями на Среднем Западе.^[51] Тем не менее, в документе указывается, что отказ сети может быть менее вероятным в таких странах, как Германия, где зимой потребность в электроэнергии выше.^[52]

Коммунальные предприятия и олигополия

Из-за огромных капитальных затрат коммунальные предприятия на протяжении всего 20 века были вертикально интегрированным бизнесом, владеющим выработка энергии, линии (передачи), а также управление счетами (коммерциализация). В настоящее время технический прогресс позволил отдельным лицам и группам взять на себя функции, которые раньше были исключительной прерогативой предприятия. К этому сдвигу добавляется влияние устаревшей инфраструктуры на факторы надежности, безопасности и производительности.^[53]

Смотрите также

• Подключение к сети
• Противопожарные барьеры высоковольтные трансформаторные
• Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (НКРЭ)
• Закон об электрификации сельских районов

Рекомендации

внешняя ссылка

• Карта генерации и передачи в США
• Электрическая система США состоит из органов межсетевого взаимодействия и балансировки., НАС.Управление энергетической информации (ОВОС).