交通地理與網路科學/電力網

簡介

本文旨在探討現有的美國電力網作為一個網路。美國電力網是一個複雜的網路，由跨越三個電力網傳輸領域的各種電壓的配電線路組成。美國電力網有四類，每類代表不同的電壓類別，即；

高功率電力傳輸塔。

• 345-499 千伏
• 500-699 千伏
• 700-799 千伏
• 1,000 千伏（直流）

美國電力網已有近一個世紀的歷史，是最大的互聯物理網路。它與人類的複雜相互作用使其被稱為生態系統。據美國能源部 (DOE) 稱，電力網包含超過 9,200 個發電單元，發電能力超過 100 萬兆瓦。它還連線到超過 300,000 英里的輸電線路。

發電

發電是向消費者供應能源的第一步。發電量因能源來源而異。根據美國能源資訊署，發電有六個主要能源來源。以下是按發電量排列的能源來源列表，按其進入國家電網的功率排序。

• 煤炭
• 天然氣
• 核能
• 水力
• 其他可再生能源
• 石油

輸電

電力網在空間上與其他網路類似，例如網際網路，其中觀察到各個鏈路具有物理位置。從地理、社會和經濟角度來看，電力傳輸和分配都具有重要意義。由於人們越來越關注電力網的可靠性和穩健性，電力網的經濟方面最近受到廣泛關注。美國電力網由行業中的各種參與者獨立擁有和運營。老化的基礎設施加上國內消費的增加使得電力分配變得複雜，並導致了有限的停電。

電力網的發電、輸電、配電。

由於需求增加，需要更加高效的分配和消費網路，而這兩種問題都可以透過"智慧電網"來解決。在發電過程中，升壓變壓器用於將電壓“升壓”以在電網上傳輸。這有助於減少輸電線路上的損耗，但消費者需要將電壓降壓至更低的電壓，例如 13 千伏和 4 千伏用於大型能源消費者（例如工廠），而小型消費者（例如住宅）則接收 120 伏或 240 伏。由於基礎設施老化，電力網的當前狀態需要翻新以滿足當前需求。一些翻新工程可以節省能源，因為在電力網的傳輸和分配階段會發生電力損耗。此外，高峰時段的高需求導致服務交付擁堵。這類似於交通網路中交通流量超過道路容量的情況。在大多數交通擁堵的網路中，存在“走走停停”的情況，限制了交通的自由流動。如果沒有可靠的系統、可持續的能源生產實踐和合理的價格能源，就不會有可持續的長期增長。

電力網故障

電壓降低 vs. 停電

電力網上的服務中斷可能由於多種原因發生。無論是不可預見的一次災難性事件，還是公用事業公司計劃的事件（例如維護），還是規劃不善（例如，只針對平均需求進行設計），公用事業公司在其計劃的整個生命週期中都會面臨問題。為了最佳化執行並最大限度地減少停電次數，運營商有時需要降低向某些區域提供的電壓。透過將向消費者提供的電壓降低 10% 到 25%，大多數照明和供暖裝置仍能正常執行。但是，由於以低於其設計電壓執行，電力裝置的整體使用壽命會縮短。這種在高峰時段降低某些服務區域電壓的過程被稱為電壓降低。雖然這不會對電網造成災難性的影響，但正如前面所述，電壓降低確實會產生與因其造成的損壞相關的成本。停電是由於裝置完全故障造成的，主要原因是災難性裝置故障或惡劣天氣。滾動停電是指持續固定時間的受控/計劃服務中斷。滾動停電通常由公用事業公司發起。

鋪設公用設施

最小生成樹的示例。連結上的權重可能代表鋪設每個連結的成本或時間

在鋪設公用設施時，選擇最少成本的解決方案。無論是鋪設公用設施所需的時間成本，還是在網路上部署基礎設施的貨幣成本，都必須有一套系統來分析成本效益比。例如，如果某個區域的新電力線在近期內沒有需求，而且沒有發生電壓降低/停電的風險，公用事業公司可能會選擇最低的貨幣成本。一個更系統的方法來分析與鋪設公用設施相關的成本是使用最小生成樹 (MST) 問題的概念。在電力網等網路中，MST 問題涉及使用連結連線網路上的所有節點。理想情況下，確定一個任意位置，同時選擇要連線的節點。然而，在現有的電網中，MST 上要連線的第一個節點可以是電網上的現有節點。其他步驟包括識別與已連線節點最接近的未連線節點。完成此過程後，將新節點新增到已連線節點集。重複此過程，直到所有節點都連線起來。結果是所有節點都以最少的成本連線。對於我們的圖表，連線所有節點的最低成本是 38。在電力網中，這可能代表完成連線所需的工時，或者表示連線的比例成本。

高峰時段需求

滿足高峰時段的需求仍然是公用事業公司的挑戰。 調峰電廠 通常是老舊的電廠，用於滿足高峰時段的需求，由於它們的年齡和功能，會釋放更高濃度的汙染物 。 調峰電廠不僅比持續執行的電廠對環境造成更大的危害，而且高峰需求可能會有很大差異，導致仍然發生停電和斷電。

在美國，電力行業的年度總收入估計為 3260 億美元。 然而，預計電力服務中斷將給該行業造成 800 億美元的損失。 這些損失約佔行業收入的 24.5% 。 不幸的是，這些成本最終會透過能源價格上漲轉嫁給消費者。 如果實施智慧電網，不僅可以提高網路可靠性，從而降低行業成本，而且這些節省的成本也將轉嫁給消費者。 考慮到升級到智慧電網所需的大量資源，當前電網的變化必須逐步進行。

智慧電網

根據伊利諾伊州智慧電網倡議，智慧電網是指透過整合新的資訊時代技術來實現電網現代化，以實現電網的新用途。 這適用於電網的執行和消費者應用 。 目前，消費者在消耗電力後幾天才能收到用量報告。 實施智慧電網後，消費者能夠即時監控電力使用情況，從而提高對消費量的認識。 隨著人們對電力消耗的意識增強，可以認為消費者可以透過使用“智慧電器”來管理電力使用，這些電器消耗的功率更低，並且可以程式設計在非高峰時段執行。 透過在非高峰時段執行電器，可以減少對調峰電廠的需求，並利用那些時段產生的浪費能源。 如果按時間段對電力消耗收費，則可以進一步鼓勵在非高峰時段執行消耗更多功率的電器。 在交通網路中的擁堵定價中可以找到類似的類比，在那裡道路使用者需要為其出行造成的“擁堵”付費。 美國能源部 (DOE) 將智慧電網視為確保電網可靠性、保持可負擔性並加強全球競爭力的重要工具 。 另一方面，歐洲風能協會 (EWEA) 將清潔能源視為下一級經濟競爭力 。