Grila de electricitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Schema rețelei electrice: de la producție la distribuție

O rețea electrică este un tip de infrastructură utilizată pentru a efectua trecerea energiei electrice de la furnizori la consumatori.

Istorie

Electricitatea a fost inițial produsă în apropierea dispozitivului sau a serviciului care necesită energie. În 1880, electricitatea a fost ușor de înlocuit cu abur , cu energie hidraulică și în special cu gaz de cărbune; aceasta a fost produsă mai întâi la sediul clientului și ulterior a evoluat în instalații de gazificare care au beneficiat de economii de scară. Orașele din lumea industrializată aveau rețele de distribuție a gazelor și le foloseau pentru iluminat. Mai târziu s-a observat că lămpile pe gaz produceau puțină lumină , căldura era irosită, camerele deveneau fierbinți și fumuroase, iar hidrogenul și monoxidul de carbon se scurgeau. Deci, în 1880, lumina electrică a devenit mult mai avantajoasă decât iluminarea cu gaz.

Ulterior, compania de utilități electrice a profitat de economiile de scară și s-a mutat în sistemul centralizat de generare a energiei electrice, distribuția și gestionarea acestuia [1] . Datorită transmisiei de putere pe distanțe lungi a fost posibilă interconectarea mai multor stații pentru a echilibra sarcinile și a îmbunătăți factorii de sarcină.

În 1901 [2] în Marea Britanie , Charles Merz, partener al consultanței Merz & McLellan, a construit centrala electrică Nettuno Bank lângă Newcastle upon Tyne, în timp ce în 1912 a fost dezvoltat cel mai mare sistem integrat de energie din Europa [3] . Charles Merz a fost numit șef al unei comisii parlamentare, iar concluziile sale, în 1918, au condus la raportul Williamson. Un an mai târziu a făcut o factură pentru furnizarea energiei electrice: această primă factură a fost primul pas către un sistem electric integrat și, în 1926, legea privind energia electrică a dus la crearea Rețelei de transport. Național [4] . Apoi, Consiliul centralei electrice a standardizat alimentarea cu energie electrică a națiunii și a stabilit prima rețea de curent alternativ care funcționează la 132 kV - 50 Hz. După acest eveniment, în 1938, Consiliul centralei electrice a început să funcționeze ca un sistem național, rețeaua națională.

În Statele Unite, în 1920, se desfășoară operațiuni comune pentru a împărți acoperirea sarcinii de vârf și puterea de rezervă. În 1934, odată cu adoptarea Legii companiei de utilități publice (SUA), utilitățile electrice au fost recunoscute drept active publice de importanță și au avut restricții și au reglementat supravegherea operațiunilor lor. Ulterior, în 1992, Legea privind politica energetică a obținut că proprietatea liniei de transport a fost împărțită între diferitele companii de producere a energiei electrice, permițând accesul gratuit la rețea [1] [5] și a condus industria electricității la o restructurare, în încercarea de a crea concurență în producția de energie; astfel, utilitățile electrice nu mai erau construite ca monopoluri verticale, în care generarea, transportul și distribuția erau în mâinile unei singure companii. În prezent, cele trei faze pot fi împărțite între diferitele companii într-un efort de a oferi accesibilitate egală pentru transmisia de înaltă tensiune [6] . Legea privind politica energetică din 2005 a acordat stimulente și garanții pentru împrumuturile pentru producerea de energie alternativă și a propus tehnologii inovatoare care să evite emisiile de gaze cu efect de seră.

În Franța , electrificarea a început în 1900, cu 700 de municipalități în 1919 și 36.528 în 1938. În același timp, rețelele învecinate au început să se interconecteze: Paris în 1907 la 12kV, Pirineii în 1923 la 150 kV și, în 1938, aproape toate rețelele țării au fost interconectate la 220 kV, făcându-l cea mai densă rețea din lume în 1946. În acel an, Franța a naționalizat industria, unind companii private precum Électricité de France. Frecvența a fost standardizată la 50 Hz, iar rețeaua de 225 kV înlocuiește cele de la 110 și 120 kV. Din 1956, tensiunea de distribuție de joasă tensiune a fost standardizată la 220/380 V, înlocuind precedentul 127/220 V. În anii 1970, a fost implementat noul standard european de transmisie la 400 kV.

Caracteristici

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Generarea electricității , centrala electrică , transmisia electricității , distribuția electricității și dulapul electric .

Este o rețea electrică conectată la centrale care produc inițial energie electrică care este apoi transportată la înaltă tensiune ( rețea de transport ) la stațiile de transformare de medie și joasă tensiune și de acolo la centrele de cerere prin liniile electrice. Distribuție care ajunge la clienți individuali / final utilizatori ( rețea de distribuție ) [7] .

Centralele electrice sunt adesea situate lângă o sursă de alimentare cu combustibili fosili , lângă un baraj sau în zone care utilizează surse regenerabile de energie și sunt situate departe de zonele dens populate. Mărimea lor face posibilă exploatarea economiilor de scară . Energia electrică este generată la tensiune înaltă pentru a obține eficiențe mai mari de transport în rețeaua de transport a energiei electrice .

Rețeaua de transmisie a energiei în masă se deplasează de-a lungul distanțelor de putere și poate trece frontierele internaționale. Acest lucru nu se oprește până când nu ajunge la clientul său angro, care este de obicei o companie care deține rețeaua locală de distribuție a energiei electrice . Când vine vorba de o stație, puterea sa este transmisă de la un nivel de tensiune de transmisie la un nivel de tensiune de distribuție. La ieșirea din cabină se află cablajul de distribuție. În cele din urmă, la sosirea în poziția de serviciu, puterea este din nou adusă de la tensiunea de distribuție la tensiunea de serviciu necesară.

Geografia rețelelor de transmisie

Rețelele de transmisie sunt foarte complexe și cu căi redundante, așa cum se poate vedea pe harta Statelor Unite cu rețea de transmisie de înaltă tensiune.

O rețea sincronă este formată dintr-un grup de zone care funcționează în curent alternativ (AC) cu frecvență sincronizată. Acest lucru permite propagarea energiei în întreaga zonă și conectarea unui număr mare de generatori de energie electrică și consumatori, permițând o piață a energiei electrice mai eficientă. Într-o rețea sincronă, toate generatoarele funcționează nu numai la aceeași frecvență, ci și cu aceeași fază. Fiecare generator, întreținut de un regulator local, modelează cuplul controlând alimentarea cu abur a turbinei de ghidare. Generarea și consumul trebuie să fie echilibrate pe întreaga rețea, deoarece energia este consumată aproape instantaneu în momentul producerii sale. Energia este stocată pe termen foarte scurt de energia cinetică de rotație a generatoarelor.

O defecțiune majoră într-o parte a rețelei, care nu este compensată în timp util, poate provoca redirecționarea curentului în sine care curge de la generatorii rămași către consumatori pe liniile de transport cu capacitate insuficientă, provocând alte defecțiuni. Un dezavantaj pentru o rețea conectată pe scară largă este, prin urmare, posibilitatea unor defecțiuni în cascadă și o întrerupere generalizată a curentului. Autoritatea centrală este un organism competent desemnat să faciliteze comunicarea și să dezvolte protocoale pentru menținerea unei rețele stabile. De exemplu, North America Reliability Electric Corporation a dobândit competențe obligatorii în Statele Unite în 2006 și are competențe consultative în părțile aplicabile din Canada și Mexic . Guvernul SUA a definit, de asemenea, coridoarele de transport electric de interes național, unde se crede că s-au dezvoltat blocaje de transport.

Unele zone, cum ar fi comunitățile rurale din Alaska , nu funcționează pe o rețea mare, bazându-se în schimb pe generatoarele locale de motorină [8] .

Liniile de curent continuu de înaltă tensiune pot fi utilizate pentru a conecta două rețele alternative care nu sunt sincronizate între ele. Acest lucru oferă avantajul interconectării fără a fi nevoie să sincronizați o zonă mai mare. Comparați harta grilă sincronă mare a Europei cu harta liniei HVDC .

Structura rețelelor de distribuție

Linie electrică de medie tensiune aeriană care alimentează două linii de cablu cu deconectoare relative

Configurarea unei rețele poate varia în funcție de bugetul disponibil, de cerințele de fiabilitate ale sistemului și de caracteristicile încărcării și generației. Aspectul fizic al unei rețele electrice este adesea influențat de tipul de sol și de geologia acestuia. Rețelele de distribuție sunt împărțite în principal în două tipuri: radială și rețea [9] .

Cea mai ieftină și mai simplă topologie pentru o rețea de distribuție sau transmisie este cea arbore, unde puterea energetică radiază în linii de tensiune progresiv mai mici, până când ajunge la casele și afacerile de destinație. Această tipologie se numește structură radială.

Majoritatea rețelelor de transmisie oferă fiabilitatea pe care o oferă rețelele mesh mai complexe. Costul topologiilor de rețea limitează aplicarea acestora la rețelele de transport și distribuție de medie tensiune. Posibilitatea ca un flux excesiv de energie să producă defecțiuni este ușor de gestionat prin devierea sursei de alimentare, în timp ce tehnicienii se ocupă de repararea liniei deteriorate, oprindu-o. Alte soiuri utilizate sunt sistemele de buclă și se găsesc în Europa și în rețelele de inele conectate.

În orașele și orașele din America de Nord , rețeaua tinde să urmeze modelul clasic de rază de soare. O stație primește energie din rețeaua de transport, energia este transmisă unui transformator și trimisă la sursele de alimentare care merg în toate direcțiile prin mediul rural. Aceste surse de alimentare au energie trifazată și tind să urmeze drumuri majore în apropierea stației. Arborele crește spre exterior de la stație și, din motive de fiabilitate, conține de obicei cel puțin o conexiune de rezervă conectată la stația vecină. Această conexiune poate fi activată în caz de urgență, astfel încât o parte a teritoriului de serviciu al unei stații poate fi alimentată alternativ cu energie electrică de la o altă stație.

Redundanță și definiția „rețelei”

Un oraș realizează conexiunea la rețea atunci când este conectat la mai multe surse redundante, ceea ce implică de obicei transmiterea pe distanțe lungi.

Acest exces este limitat. Există rețele naționale sau regionale care oferă pur și simplu interconectarea serviciilor pentru utilizare, chiar dacă este disponibilă redundanța. Etapa exactă de dezvoltare în care structura puterii devine o rețea este arbitrară. La fel, termenul rețea națională este ceva învechit în multe părți ale lumii, de fapt, cablurile de transmisie trec deseori de frontierele naționale. Prin urmare, termenul rețea de distribuție pentru conexiunile locale și rețeaua de transmisie pentru emisiile pe distanțe lungi este de preferat, dar rețeaua națională este adesea încă utilizată pentru structura generală.

Rețea interconectată

Utilajele electrice între regiuni sunt de multe ori interconectate pentru o economie și o fiabilitate mai mari. Interconectările permit economii de scară și permit achiziționarea de energie din surse mari eficiente. Utilizatorii pot extrage energie din rezervele generate dintr-o regiune diferită, pentru a asigura continuitate, energie fiabilă și diversifica încărcăturile lor. Interconectarea permite regiunilor să aibă acces la energie de masă cu costuri reduse pentru a primi electricitate din diferite surse. De exemplu, o regiune poate avea generare de energie cu apă la prețuri scăzute în perioadele de maree, dar în anotimpurile de maree joase, un alt sector poate avea o energie mai ieftină prin vânt, ceea ce permite ambelor regiuni să acceseze surse de energie mai ieftine în diferite perioade ale anului. Utilitățile vecine îi ajută și pe alții să mențină frecvența generală a sistemului și, de asemenea, să gestioneze transferurile de legături între regiunile de utilități [6] .

Infrastructură antică

În ciuda aranjamentelor instituționale și a proiectelor de rețea ale rețelei de energie electrică, infrastructurile sale de furnizare a energiei învechesc în întreaga lume dezvoltată. Factorii care contribuie la starea actuală a rețelei electrice și consecințele acesteia includ:

  • echipamente învechite - echipamentele mai vechi au cele mai mari rate de defecțiune, ratele de întrerupere a aprovizionării afectând atât economia, cât și societatea; în plus, activitățile și facilitățile mai mari conduc la costuri mai mari de întreținere și inspecție.
  • instalație de sistem învechită - zonele mai vechi necesită site-uri suplimentare de substație suplimentare și drepturi de trecere care nu pot fi obținute în zona actuală și sunt forțate să utilizeze instalațiile existente, insuficiente.
  • inginerie învechită - instrumentele tradiționale de planificare, furnizare a energiei electrice și inginerie sunt ineficiente în abordarea problemelor actuale ale echipamentelor vechi, ale instalațiilor de sistem învechite și ale nivelurilor moderne de încărcare dereglementate, cu o valoare culturală veche.
  • proiectare - Ingineria funcționării sistemului folosește concepte și proceduri care au funcționat atâta timp cât sistemele au fost integrate vertical în industrie și care agravează problema într-un sector dereglementat [10] .

Tendințe moderne

Pe măsură ce secolul al XIX-lea progresează, sectorul serviciilor electrice încearcă să profite de noi abordări pentru a satisface cererea tot mai mare de energie. Utilitățile sunt sub presiune pentru a-și dezvolta topologiile clasice pentru a se potrivi generației distribuite. Pe măsură ce generarea devine mai frecventă de la generatoarele solare de pe acoperiș și eoliene, diferențele dintre rețelele de distribuție și de transmisie continuă să se estompeze. În plus, răspunsul la întrebare este o tehnică de gestionare a rețelei în care clienții cu amănuntul sau angro sunt obligați să-și reducă electronic sau manual sarcina. În prezent, operatorii rețelelor de transport folosesc răspunsul la cerere pentru a solicita eliminarea sarcinii de către mari consumatori de energie, cum ar fi instalațiile industriale [11], prin intermediul serviciilor de întrerupere .

Cu tot ce este interconectat și o concurență deschisă într-o economie de piață liberă , începem să avem sens să permitem și chiar să încurajăm generația distribuită (DG). Generatoarele mici, de obicei care nu sunt deținute de utilitate, pot fi aduse online și ajută la asigurarea necesității de energie. Cea mai mică generație a instalației ar putea fi un proprietar de locuințe cu un exces de putere provenind de la turbina eoliană sau panoul solar. Ar putea fi, de asemenea, un mic birou cu un generator diesel. Aceste resurse pot fi aduse online la inițiativa utilității sau de către proprietarul generației în încercarea de a vinde electricitate. Mulți generatori mici au voie să revândă electricitatea în rețea la același preț pe care l-ar fi plătit pentru a-l cumpăra. În plus, sunt în desfășurare numeroase acțiuni pentru dezvoltarea unei „rețele inteligente”. În Statele Unite, Actul privind politica energetică din 2005 și Legea a 13-a privind independența și securitatea energetică din 2007 oferă fonduri pentru a încuraja dezvoltarea rețelelor inteligente. Speranța este de a permite utilităților să își prezică mai bine nevoile și, în unele cazuri, să atragă consumatorii într-o anumită formă de tarifare bazată pe utilizare. Au fost alocate fonduri pentru dezvoltarea unor tehnologii mai robuste de control al energiei [12] [13] .

Au fost planificate și propuse diferite sisteme pentru creșterea dramatică a capacității de transmisie și sunt cunoscute sub numele de super sau mega-rețele. Beneficiile promise includ, permițând sectorului energiei regenerabile să vândă energie electrică către piețe îndepărtate, capacitatea de a crește utilizarea surselor de energie intermitente prin echilibrarea acestora în vaste regiuni geologice și eliminarea congestiei care împiedică piețele de electricitate înfloritoare. Opoziția locală față de amplasarea de noi linii și costul semnificativ al acestor proiecte sunt principalele obstacole pentru superrețele. Un studiu realizat de o super-rețea europeană estimează că ar fi necesară mai mult de 750 GW de capacitate de transmisie suplimentară pentru capacitatea de a găzdui trepte de linie HVDC de 5 GW. O propunere recentă a Transcanada a costat o linie HVDC de 1.600 km, 3 GW la 3 miliarde de dolari și necesită o navă largă. În India , o propunere recentă de 1.850 km de 6 GW a fost evaluată la 790 de milioane de dolari și necesită un amplu drept de trecere. Cu 750 GW de nouă capacitate de transmisie HVDC necesară pentru o superrețea europeană, terenurile și banii necesari pentru noile linii de transport ar fi substanțiale.

Tendințe viitoare

Se așteaptă ca rețeaua electrică să evolueze către o nouă paradigmă a rețelei: rețeaua inteligentă, o îmbunătățire a rețelei electrice din secolul al XX-lea. Rețelele electrice tradiționale sunt utilizate în general pentru transportul energiei de la câțiva generatori centrali la un număr mare de utilizatori sau clienți. În schimb, noua rețea inteligentă emergentă folosește fluxuri bidirecționale de electricitate și informații pentru a crea o rețea de distribuție avansată a energiei automată și distribuită. Multe proiecte de cercetare au fost realizate pentru a explora conceptul de rețele inteligente . Potrivit unui sondaj recent privind rețelele inteligente [14] , cercetarea se concentrează în principal pe trei sisteme de rețele inteligente: sistemul de infrastructură, sistemul de gestionare și sistemul de protecție.

Sistemul de infrastructură este infrastructura de energie, informații și comunicații care stă la baza rețelei inteligente care sprijină avansarea producției, livrării și consumului de energie electrică; avansarea măsurării, monitorizării și gestionării informațiilor; și tehnologii avansate de comunicare. În tranziția de la electricitatea convențională la rețelele inteligente, o infrastructură fizică va fi înlocuită cu una digitală. Nevoile și schimbările prezintă sectorului energetic una dintre cele mai mari provocări cu care s-a confruntat vreodată.

O rețea inteligentă ar permite industriei să poată observa părțile de control ale sistemului la cea mai mare rezoluție în timp și spațiu. Aceasta le-ar permite clienților să obțină economii de costuri, mai ecologice, mai puțin invazive, mai multă fiabilitate și o putere de calitate mai ridicată din rețea. Rețeaua veche nu a permis transmiterea informațiilor în timp real din rețea, astfel încât să implementeze unul dintre principalele scopuri ale rețelei inteligente, adică să permită primirea și trimiterea informațiilor în timp real către și din diferite părți ale rețelei. pentru a-l face să funcționeze eficient și cât mai simplu posibil. Acest lucru ar face posibilă gestionarea logisticii rețelei și vizualizarea consecințelor care decurg din funcționarea sa pe o scară de timp de înaltă rezoluție; de la dispozitive de comutare de înaltă frecvență pe o scară microsecundă, la variații ale puterii eoliene și solare pe o scală mică, până la efectele viitoare ale emisiilor de dioxid de carbon generate de generarea de energie la scară de zece ani.

Sistemul de management este subsistemul inteligent de rețea care furnizează servicii avansate de management și control. Majoritatea lucrărilor existente vizează îmbunătățirea eficienței energetice, a profilului cererii, a utilității, a costurilor și a emisiilor, pe baza infrastructurii care utilizează optimizarea, învățarea automată și teoria jocurilor . În cadrul infrastructurii avansate a rețelelor inteligente , sunt observate noi servicii de gestionare și aplicații pentru a revoluționa viața de zi cu zi a consumatorilor.

Sistemul de protecție este subsistemul inteligent de rețea care oferă o analiză avansată a fiabilității rețelei, protecției împotriva defecțiunilor și a serviciilor de securitate și protecție a confidențialității . Infrastructura avansată utilizată în rețelele inteligente, pe de o parte, ne permite să implementăm mecanisme mai puternice pentru apărarea împotriva atacurilor și gestionarea erorilor, pe de altă parte, deschide noi vulnerabilități. De exemplu, Institutul Național de Standarde și Tehnologie a subliniat că principalul beneficiu oferit de rețelele inteligente este abilitatea de a obține cele mai bogate date de la și de la clienții de contoare inteligente și alte dispozitive electrice și poate pune, de asemenea, probleme majore de confidențialitate, deoarece energia informațiile de consum stocate de contor acționează ca un canal lateral bogat în informații. Aceste informații ar putea fi extrase și recuperate de părțile interesate pentru a dezvălui informații personale precum obiceiuri individuale, comportamente, activități și chiar credințe.

Notă

  1. ^ a b Borberly, A. și Kreider, JF (2001). Generație distribuită: Paradigma puterii pentru noul mileniu. CRC Press, Boca Raton, FL. 400 pg.
  2. ^ Domnul Alan Shaw, Kelvin to Weir și în GB SYS 2005 (PDF), pe royalsoced.org.uk, Royal Society din Edinburgh, 29 septembrie 2005. Accesat 22 iunie 2016 (depus de „url original 4 martie 2009 ) .
  3. ^ Sondaj despre Belford 1995 , pe nnouk.com , North Northumberland Online. Accesat la 22 iunie 2016 ( arhivat la 12 aprilie 2016) .
  4. ^ Iluminat de electricitate , pe nationaltrust.org.uk , The National Trust (arhivat din original la 29 iunie 2011) .
  5. ^ Mazer, A. (2007). Planificarea energiei electrice pentru piețele reglementate și dereglate. John, Wiley și Sons, Inc., Hoboken, NJ. 313pgs.
  6. ^ a b . (2001). Glover JD, Sarma MS, Overbye TJ (2010) Power System and Analysis Ediția a V-a. Cengage Learning. Pag. 10.
  7. ^ Kaplan, SM (2009). Retea inteligenta. Transmiterea energiei electrice: probleme de fond și politici. The Capital.Net, seria Guvernului. Pp. 1-42.
  8. ^ Energy profile of Alaska, United States Arhivat 27 iulie 2009 la Internet Archive ., Editor: Cutler J. Cleveland, Ultima actualizare: 30 iulie 2008 - Enciclopedia Pământului
  9. ^ Abdelhay A. Sallam și Om P. Malik, Electric Distribution Systems , IEEE Computer Society Press, mai 2011, p. 21, ISBN 978-0-470-27682-2 .
  10. ^ Willis, HL, Welch, GV și Schrieber, RR (2001). Îmbătrânirea infrastructurilor de livrare a energiei. Marcel Dekker, Inc .: New York. 551 pag.
  11. ^ Secțiunea transversală a industriei dezvoltă planuri de acțiune la PJM Demand Response Symposium , în Reuters , 13 august 2008. Adus 22-112008 (arhivat din original la 28 iulie 2009) .
    Răspunsul la cerere poate fi obținut la nivelul comerțului cu ridicata cu utilizatorii majori de energie, cum ar fi uzinele industriale care limitează consumul de energie și primesc plata pentru participare. " .
  12. ^ US Energy Independence and Security Act din 2007 , pe thomas.gov . Adus la 23 decembrie 2007 (arhivat din original la 19 decembrie 2015) .
  13. ^ DOE oferă până la 51,8 milioane de dolari pentru modernizarea sistemului de rețea electrică din SUA Arhivat 20 septembrie 2008 la Internet Archive ., 27 iunie 2007, Departamentul Energiei din SUA (DOE)
  14. ^ Rețea inteligentă - Rețeaua electrică nouă și îmbunătățită: un sondaj ; Sondaje și tutoriale IEEE Communications 2011; X. Fang, S. Misra, G. Xue și D. Yang; DOI : 10.1109 / SURV.2011.101911.00087 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității NDL ( EN , JA ) 00561411