Публикувано на 17 февруари 2015 г.

работи

Електрическата мрежа е сложна и невероятно важна система и един от най-впечатляващите инженерни подвизи на модерната епоха. Той предава мощност, генерирана в различни съоръжения, и я разпределя до крайните потребители, често на големи разстояния. Той осигурява електричество за сгради, промишлени съоръжения, училища и домове. И това прави всяка минута от всеки ден, целогодишно.

Какво изгражда електрическата мрежа?

Електрическата мрежа на нашата страна се състои от четири основни компонента, всеки от които е подробно описан по-долу.

Индивидуални генератори

Различни съоръжения генерират електричество, включително електроцентрали, изгарящи въглища и природен газ, водноелектрически язовири, атомни електроцентрали, вятърни турбини и слънчеви панели. Местоположението на тези електрически генератори - и тяхното разстояние от крайните потребители - варира в широки граници.

Тези технологии също са физически различни и в резултат се използват и манипулират по различен начин в електропреносната мрежа. Например, някои видове електроцентрали, като въглища и атомни електроцентрали, имат малка краткосрочна гъвкавост при регулиране на производството на електроенергия; отнема много време, за да се увеличи или намали тяхната продукция на електроенергия [1].

Други инсталации, като инсталации, работещи с природен газ, могат да бъдат увеличени много бързо и често се използват за задоволяване на върховете в търсенето. По-променливи технологии, като вятърна и слънчева фотоволтаици, обикновено се използват винаги, когато са налични, до голяма степен, защото тяхното гориво - слънчева светлина и вятър - е безплатно.

По всяко време винаги има и „резервен марж“, определено количество резервен капацитет за производство на електроенергия, който е на разположение за компенсиране на потенциални грешки при прогнозирането или неочаквани изключвания на електроцентралите. Търсенето, предлагането, резервните маржове и комбинацията от технологии за производство на електроенергия постоянно се наблюдават и управляват от мрежовите оператори, за да се гарантира, че всичко работи гладко.

Генераторите на електроенергия са собственост на електрически компании или комунални услуги, които от своя страна се регулират от Държавната комисия за комунални услуги (PUC) или Комисията за обществена услуга (PSC). PUC и PSC са независими регулаторни агенции, назначени от законодателния орган на щата. Генераторите могат да бъдат изградени само с одобрение от PUC или PSC и тези агенции определят подходящи тарифи за електроенергия в рамките на своята държава, които комуналните услуги трябва да спазват [2].

Предавателни линии

Преносните линии са необходими за пренос на електроенергия под високо напрежение на големи разстояния и за свързване на генераторите на електроенергия с потребителите на електричество.

Предавателните линии са или въздушни електропроводи, или подземни електропроводи. Надземните кабели не са изолирани и са уязвими от атмосферните влияния, но могат да бъдат по-евтини за инсталиране от подземните захранващи кабели. Надземните и подземните далекопроводи са изработени от алуминиева сплав и подсилени със стомана; подземните линии обикновено са изолирани [3].

Преносните линии носят високо напрежение, тъй като намаляват частта от електроенергията, която се губи при транзит - средно около 6% в САЩ [4]. Докато електричеството тече през проводниците, част от него се разсейва като топлина чрез процес, наречен съпротивление. Колкото по-високо е напрежението на преносната линия, толкова по-малко ток губи. (По-голямата част от електрическия ток тече близо до повърхността на преносната линия; използването на по-дебели проводници би имало минимално въздействие върху загубите при пренос.)

Напреженията на нивото на предаване обикновено са на или над 110 000 волта или 110 kV, като някои преносни линии носят напрежения до 765 kV [5]. Енергийните генератори обаче произвеждат електричество при ниски напрежения. За да бъде възможен транспортът на електроенергия под високо напрежение, електричеството трябва първо да се преобразува в по-високи напрежения с трансформатор.

Тези високи напрежения също са значително по-големи от това, от което се нуждаете в дома си, така че след като електричеството се доближи до крайните потребители, друг трансформатор го преобразува обратно в по-ниско напрежение, преди да влезе в разпределителната мрежа.

Предавателните линии са силно взаимосвързани за съкращаване и повишена надеждност на електроснабдяването, както показва тази карта на американските далекопроводи. Има три основни преносни мрежи в Съединените щати: Западната междусистемна връзка, Източната междусистемна връзка и Съветът за електрическа надеждност в Тексас (ERCOT).

Подобно на генераторите на електроенергия, преносните линии трябва да бъдат одобрени от държавата (PUC или PSC), преди да бъдат построени. Сделките с електроенергия на едро, които се извършват между регионалните мрежови оператори, се регулират от национална агенция, наречена Федерална комисия за енергийно регулиране (FERC) [6].

FERC регулира електрическата мрежа в по-голям мащаб от PUC и може да разрешава спорове между различни участници на пазара в мрежата. Преносните мрежи понякога се управляват от комунални услуги, но някои мрежи се управляват от отделни обекти, известни като независими системни оператори (ISO) или регионални преносни организации (RTO). Тези компании улесняват конкуренцията между доставчиците на електроенергия и осигуряват достъп до пренос чрез планиране и наблюдение на използването на преносните линии.

Разпределение

Разпределителната мрежа е просто системата от проводници, която се захваща там, където преносните линии спират. Тези мрежи започват от трансформаторите и завършват с домове, училища и фирми. Разпределението се регулира на държавно ниво от PUC и PSC, които определят цените на дребно за електричество във всяка държава.

Потребителска употреба или „зареждане“

Преносната мрежа приключва, когато електричеството най-накрая стигне до потребителя, което ви позволява да включите осветлението, да гледате телевизия или да пуснете съдомиялната си машина. Моделите на нашия живот се добавят към променливото търсене на електричество по час, ден и сезон, поради което управлението на мрежата е едновременно сложно и жизненоважно за ежедневието ни.

Еволюцията на електрическата мрежа

Електрическата мрежа е нараснала и се е променила неимоверно от началото си в началото на 80-те години, когато енергийните системи са били малки и локализирани. През това време се разработват два различни типа електрически системи: DC, или постоянен ток, система и AC, или променлив ток система [7, 8]. Конкуренцията между тези две системи беше жестока. Конкуриращите се електрически компании нанизаха проводници на същите улици в градовете, докато електрическите услуги за селските райони бяха пренебрегнати.

Въпреки кампанията на Томас Едисън за популяризиране на системата с постоянен ток, бизнесменът Джордж Уестингхаус и изобретателят Никола Тесла спечелиха подкрепата на електрическите компании за системата с променлив ток, която имаше очевидното предимство да позволи високите напрежения да се носят на големи разстояния и след това да се трансформират по-ниски напрежения за използване от клиента [9].

С нарастването на електроенергийната система предимствата на AC позволяват на комуналните компании да изграждат мрежи върху по-големи площи, създавайки икономии от мащаба. За да стабилизират бизнес средата, комуналните услуги потърсиха „регулаторен договор“, който им дава монопол от държавните правителства и поставя ограничения за начина на определяне на тарифите за клиентите. От приблизително 1920 до 1980 г. този подход е заключен на място. При тази структура комуналните услуги контролират всеки аспект на електрическата мрежа, от производството до разпределението до клиента.

С енергийната криза от 70-те години [10] обаче Конгресът промени тази структура, за да позволи конкуренцията на едро при производството на електроенергия; съоръжения, които произвеждат енергия по-ефективно или използват възобновяема енергия, могат да навлязат на пазара, докато преносните оператори (ISO и RTO) поддържат монопол върху управлението на мрежата - промяна, известна като „преструктуриране“.

Това накара 17 държави, както и окръг Колумбия, да преструктурират управлението на електрическата мрежа, позволявайки на клиентите да купуват електричество от конкурентни доставчици на дребно [11]. Много държави обаче остават „вертикално структурирани“, което означава, че всички аспекти на електрическата мрежа се управляват от една и съща компания.

Значението на ефективното предаване на мрежата

Взаимосвързаният и сложен характер на електрическата мрежа носи няколко предимства [12], включително:

  • Надеждност: Тъй като мрежата е огромна мрежа, електричеството може да бъде разположено на правилните места в големи региони на страната. Голямата преносна мрежа позволява на мрежовите оператори да се справят с очакваните и непредвидени загуби, като същевременно задоволяват търсенето на електроенергия.
  • Гъвкавост: Електрическата мрежа позволява на енергийната система да използва разнообразни ресурси, дори ако те са разположени далеч от мястото, където е необходима мощността. Например, вятърните турбини трябва да бъдат изградени там, където вятърът е най-силен; мрежата позволява това електричество да се предава в далечни градове.
  • Икономическа конкуренция: Тъй като мрежата позволява на множество генератори и електроцентрали да доставят електроенергия на потребителите, различните генератори се конкурират помежду си, за да осигурят електричество на най-ниската цена. Мрежата служи и като форма на застраховка - конкуренцията в мрежата предпазва клиентите от колебания в цените на горивата.

Историческо затъмнение през 2003 г. показа защо ефективното предаване на мрежата е толкова важно. На 14 август 2003 г. енергийна компания от Охайо започна най-голямото затъмнение в човешката история само поради човешка грешка [13]. Затъмнението се разпространи в Ню Йорк, Пенсилвания, Кънектикът, Масачузетс, Ню Джърси, Мичиган и дори части от Канада. Офисите трябваше да бъдат евакуирани и хиляди хора наводниха болници, страдащи от жегата [14]. Нашата електрическа мрежа е изминала дълъг път от 2003 г. насам, но съществуват много повече възможности за подобрение.

Нови възможности в мрежата

Електрическата мрежа е динамична система. Той се е променил и еволюира бързо през последния век, за да приспособи нови технологии, увеличаване на търсенето на електроенергия и нарастваща нужда от надеждни, разнообразни източници на електроенергия. Дори и на почасова база, мрежата се променя, като различни източници на електроенергия се манипулират, за да задоволят търсенето с най-малко разходи.

Тъй като технологичните промени и по-добрите опции стават достъпни, могат да бъдат направени значителни подобрения в електрическата мрежа.

Например, технологиите за съхранение на енергия могат да позволят на електричеството да се съхранява за използване, когато търсенето на електроенергия достигне върхови стойности или се увеличи бързо, увеличавайки ефективността и надеждността. По-новите, по-усъвършенствани измервателни уреди, като самопрограмиращи се термостати, ще позволят по-добро събиране на данни за по-ефективно управление и по-бързо време за реакция. Дори превозните средства биха могли да играят роля, тъй като интелигентното зареждане може да позволи на електрическите автомобили да се свързват с електрическата мрежа.

Разпределените системи за производство, като слънчеви панели в отделни домове, намаляват разстоянието, което електричеството трябва да измине, като по този начин увеличават ефективността и спестяват пари. Инвестициите, направени от потребителите - като закупуване на енергийно ефективни уреди, изграждане на по-енергийно ефективни сгради или инсталиране на слънчеви панели - спестяват пари на клиентите и използват енергията по-ефективно в същото време.