美国SOTA电池 - 加强美国电网-政府和行业如何改进输配电系统
加强美国电网：政府和行业如何改进输配电系统
来源：Powermag网站
美国政府深知电网升级的必要性，并已将资金投入其中。拜登总统声称其“投资美国”(Investing in America)议程正在进行有史以来最大规模的电网基础设施投资——来自《通胀削减法案》和《两党基础设施法案》的超过300 亿美元。美政府部门表示，这些投资“将有助于为家庭和企业提供可靠、负担得起的电力，为电网承受日益严重的自然灾害做好准备，并释放清洁能源的经济和环境效益。”
2024 年4 月25 日，白宫在发布的一份简报中高度肯定了几项行动，称这些行动将简化输电系统项目的许可流程，并帮助克服一些面临的财务障碍。具体来说，该简报指出，美国能源部(DOE)已经停止接收第二轮电网弹性和创新伙伴关系(GRIP)计划的申请。GRIP 为输配电(T&D)系统的升级和现代化提供了高达27 亿美元的拨款，用以提高T&D 系统的可靠性和弹性。这是对2023 年10 月选定的用于升级电网的34.6 亿美元项目的补充。
简报中提到最近完成的一个项目，即亚利桑那州到加利福尼亚州的Ten West Link 输电线路。白宫表示，该项目将释放超过3200MW 太阳能发电能力。该项目于2022 年获得内政部批准建设，并于2024 年4 月25 日开始输电。
与此同时，DOE 宣布斥资3.31 亿美元修建一条从爱达荷州到内华达州的新输电线路。根据简报，该项目被称为“西南互联项目- 北段”，这条285 英里的输电线路建成后将为该地区带来超过2000MW 的输电能力。
精简流程
然而，许多项目的最大障碍之一是审批流程，因为审批需要花上数年时间。鉴于此，政府已经采取措施加快审批速度。其中，DOE 发布了一项最终规则，为现有输电线路升级项目完成环境审查创造了更快的途径。该规则为项目制定了《国家环境政策法》下最简单的审查形式——“绝对排除”，适用于使用现有输电线路路权的项目，例如导线重置项目，以及在已受干扰土地上建设的太阳能和储能项目。
DOE 还发布了一项最终规则， 旨在提高联邦政府对新输电线路的审批效率。该规则建立了协调跨机构输电授权和审批(CITAP)计划，旨在改善各机构之间的协调，提高效率，并为联邦输电授权和审批建立一个标准的两年时间表。白宫表示，“CITAP 计划为输电开发商提供了一个更高效的审查流程，这是激发行业更大信心以投资新输电线路的重要一步”。
此外，拜登政府还发起了一项旨在动员公共部门和私营部门领袖扩大美国现有输电网络能力的行动。该倡议计划在未来五年内升级10 万英里的输电线路。相关资金可通过GRIP 计划获得。白宫表示，DOE 的“绝对排除”文件将加快现有线路升级进程。
简报中提及：“电力部门要实现提升输电能力的目标，可主要通过部署现代电网技术，如高性能导线和动态线路评级。此类解决方案作为建设新线路的补充，提供了快速和经济的方式来释放数百万千兆瓦的额外清洁能源，提高系统的可靠性和弹性，减少电网拥堵，降低能源成本。”
高性能导线
电力线路设计的运行温度是决定其载流能力的最重要因素之一。电力研究协会(EPRI)输配电基础设施部门副总裁Andrew Phillips 解释道：“传统导线有额定温度，而在美国，传统导线的额定温度为90 至100 摄氏度。这一点很重要，因为随着输电线路升温，其中的金属，通常是钢和铝，会膨胀，线路会形成弧垂。当然，系统设计人员会考虑到这一点，并遵循国家电气安全规范的要求，以确保设计条件下的间隙适合所有部分，但线路的载流能力会受到影响。”
Phillips 指出，除了导线弧垂外，还有一些其他因素限制了电力传输系统的输电能力。Phillips 进一步解释道：“所有的连接器——导线接头、电缆接头等众多部件——它们被设定的额定温度同样为90 至100 摄氏度。此外，导线本身在高温下会退火并失去其原本强度。因此，与温度相关的三个限制因素是：弧垂、连接器以及导线本身。”
提升输电系统载流能力的一种方法是通过设计使其在较高温度下运行。Phillips 指出， 铝合金连续加强(ACSS)导线比某些常见材料更具高温度耐受性。与钢芯铝绞(ACSR)导线不同，ACSR 导线的强度由钢和铝共同维持，而ACSS 导线中仅靠中间的钢来保持其强度。外部的铝已经退火处理，没有强度。
Phillips 表示：“有一种ACSS 导线为钢芯，最高可承受250 摄氏度的温度。温度越高，输电能力就越强，但导线弧垂更大。为了克服这种障碍，可以设计一条新线路，比如增加塔架的高度或增加导线的张力。但要对现有线路重新置线却并不容易。”
在重新铺设现有线路以扩大容量时，更好的选择可能是安装碳芯导线。Phillips 说：“碳芯导线基本上使用碳纤维。碳纤维的一大优点在于，可以通过设计使之在加热时膨胀的程度远低于钢铁，因此不会像钢那样明显弧垂。此外，它还轻便。” Phillips 建议，使用碳芯导线重新布设现有线路，可以在不担心弧垂的情况下，达到更高的温度。不止一家制造商提供了另一种选择，即铝金属基体导线，其性能与碳芯导线相似。
动态线路评级
传统上，输电系统所有者使用的静态或季节性线路评级都是基于最坏情况假设出来的。例如，他们可能会以特定环境温度来设限，这种环境温度就选一年中最热的一天，在相对平静的风速下，以一天中气温最高的时段作为参考。这导致了非常保守的评级，不能准确反映在非极端的时间点的真实热容量。
动态线路评级(DLR)系统却能提供对线路容量的实时监控能力，并为那些具有相同传统评级的线路提供定制化的评级方案。DLR 在风大的地区尤其有用，因为风可以冷却导线，使它们能够携带更多的电流。同样，在较低的环境温度下，线路可以输送更多的电流，因此在冬季用电高峰时输电受限的公用事业公司可以从DLR 中获益良多。
AES 公司战略发展副总裁Alexina Jackson 表示，DLR 技术可以相对快速且容易地部署。Jackson 表示道：“从设想部署动态线路评级到实际将其投入电网，我们能够在数月内完成这一任务。”这是一个非常迅速的转变，在一年内完成任何输电网方面的改变确实意义重大。
AES 与LineVision 合作，完成了当时美国最大的DLR 技术单次部署。两家公司于2024 年4 月发表了一份长达22 页的案例研究报告，题为“首次部署动态线路评级的经验教训”，详细记录了从该项目中收集到的见解。该报告称，“在印第安纳州和俄亥俄州的AES 五条线路上安装42 个LineVision 传感器的工程是安全、高效、快速的。总安装时间不到两周，平均传感器安装时间约为30 分钟，其中不含运输时间”。
据说安装过程非常简单，传感器安装在结构物上方约15 至20 英尺处，远超带电导线的最小接近距离。安装过程无需停电，电网运营也不受干扰。经过基本训练的AES 人员在两架30 英尺长的梯子以及标准的操作工具的帮助下，安全地部署了DLR 传感器。
安装完毕后，传感器立即开始收集数据。来自传感器的激光探测与测距(LiDAR)数据被安全地传输至LineVision 的评级平台。同时，LineVision 与当地一家工程公司合作，在每个监测跨度上进行激光雷达无人机飞行，建立基线模型。一旦五条AES 线路中的每一条线路都建立了本地化模型，LineVision 就会用三个月的AES 加载数据进一步对基线模型进行训练。
值得注意的是，该案例研究仅提供了冬季月份(2023 年10 月至2024 年3 月)的初步成果。尽管如此，这些发现仍值得回顾。报告中提到了三个最值得学习的经验，它们分别是：
目前，对于一些常见的传输线路，DLR 模型具有丰富经验，已经准备好“开箱即用”。这些线路是钢结构上的超高压线路，带有悬挂式绝缘子。
有些高压及次级输电线路也能从DLR 中获益，但通常未被建模，可能需要额外的模型训练以获得验证后的评级。这些线路可能包括较旧的建筑结构，并由带有杆式绝缘子的木杆支撑。这些特性可能导致杆塔的移动，从而导致线路弧垂的变化更大，这无疑为动态感知实际线路承载能力增加了额外的安全性和可靠性问题。
DLR 为所有五条线路的部署提供了改进态势感知和知情决策的机会，为每条线路提供下一步信息。
案例研究报告了更多的细节，特别是五条演示线路中的第一条和第二条( 分别匿名为“345kV-1”和“69kV-4”)。该案例研究还额外总结了较为广泛的经验教训，这对于其他计划部署DLR 技术的公用事业公司颇有益处。此外，AES 和LineVision 表示，他们期待双方能继续合作，并发表更多见解，为DLR 解决方案的大规模部署铺平道路。
Jackson 说：“我们需要做的关键一件事就是教育，这也就是为何我们要发布白皮书并系统性地分享见解。我们旨在消除人们对这些技术理解上的障碍。”
另一种实现线路评级的解决方案——以及更多备选方案
不过，LineVision 的DLR 系统并不是市场上的唯一选择。以色列公司Prisma Photonics 在德国和美国同样设有办事处，该公司将现有光纤装入分布式传感器，绵延数千英里来监测输电线路。Prisma Photonics 说，该公司能实时采集相关资产的数据点，极为精细地捕捉声信号，并将其传输到人工智能(AI)模型，对影响导线健康状况的条件，提供无与伦比的深入洞察。
Prisma Photonics 的首席执行官Eran Inbar 说：“我们开展业务地区为装有光纤的输电网地区，特别是装有光纤复合架空地线的地区。方法就是将光学询问单元连接到标准单模光纤，形成高度灵敏的传感器，用于监测基础设施。超扫描技术的运用使传统方法取得了重大进步，为快速识别问题、最大限度杜绝误报警现象提供极其准确的数据。这种能力使我们能够有效地监控远距离的电线，确保电网顺利安全运行。”
Inbar 还说，用户需求往往因地区而异。对于成熟电力市场的许多用户来说，这些用户往往关注电网韧性，当然也可能关注线路评级、跨境能源市场预测等问题。与此同时，在发展中国家，解决容量不足、打击破坏行为显得更为重要。Inbar 还补充道：“有些问题在一个地区会是重大问题，而在另一个地区就是较小的问题，我们要全面解决这些问题。”
Prisma Photonics 于2020 年开始技术部署，地点之一就位于以色列电力公司(IEC)电网。2023 年，Prisma Photonics 的服务范围约为1000 公里，占IEC 总服务区域的20%，包括45 个不同的变电站和1850 个电塔。在那期间，Prisma Photonics 识别出多项事故，包括短路事故、蓄意破坏、野火事件等。在容量优化方面，Prisma Photonics 标记多条能从DLR 受益的线路，与静态评级相比，获得21.6%的增益。
2021 年12 月， Prisma Photonics 在纽约—以色列智能能源创新挑战赛中胜出，赢得价值100 万美元的奖项。该项赛事由全美规模最大的国有公用事业公司纽约电力局(NYPA)赞助。Prisma Photonics 的获奖使其能够与NYPA 达成合作项目，对卡茨基尔山崎岖地带的输电线路进行为期24 个月的实时监控。该项目使得NYPA 对其电网健康、电网功能形成深入了解，从而能够及早发现线路覆冰等潜在问题，排查异常情况。
Inbar 表示，Prisma Photonics 的物理学家和AI 专家团队将不断增强光纤传感能力，“比方说，我们测量每段输电线路的风况指标，一段输电线路就相当于两座电塔之间的距离，以识别风对每段跨距造成的冷却效果，并准确进行线路评级。鉴于一天之中风向模式不断变化， 我们还能识别关键跨距在风力作用下的动态变化，这段跨距就是最为薄弱的一环”。
Prima Photonics 通过提高从绵延数百英里的光纤中收集到的信号灵敏度和信号质量来达到这一目的。此外，该公司也在改进用于分析风况指标、识别异常情况的AI 模型。“我们拥有超过2 pb 的数据，这些数据已经标注完毕，随时可以作为AI模型的训练和测试数据加载使用， 这些数据的覆盖范围达到数千英里， 时间跨度达到数年”，Inbar 解释道。
先进设备提高电网可靠性
新设备和改进设备也有助于电网更好运行。2022 年2 月，全球电力设备供应商G&W Electric 推出新产品，号称是“全球第一台次级输电线路重合闸”。这台72.5 千伏的重合闸，名为Viper-HV，通过实现故障隔离，或在架空次级输电线路出现瞬时故障后实现自动恢复，来提供过流保护。该设备具有重合闸、电流互感器和电压传感器三合一的功能，秉持节省空间的设计效果。Viper-HV 重合闸为公用事业公司提供更高的性能，可以自动清除任何临时故障，并只隔离必要的电网部分，能够避免其他线路故障发生， 防止整个地区断电。
G&W Electric 的首席电网自动化工程师Nic DiFonzo， 在DISTRIBUTECH 活动上指出，许多公用事业公司没有对次级输电线路进行分段，而那些对次级输电线路进行分段的公司，会使用自动空气开关(MOAB)等设备，这些设备需要地面空间，但是在某些情况下， 这种地面空间没法占用。DiFonzo 还说，使用MOAB 时，在负载情况下， 每次打开或关闭开关都会产生电弧， 所以虽然MOAB 可行，但还是要尽量避免此类操作。
DiFonzo 补充道：“Viper-HV 重合闸的优点之一，就是能够安装在输电线路上，Viper-HV 重合闸能切断故障部分。因此，也就不必担心在变电站触发跳闸，导致整条线路停电。现在，可以使用该设备实现更加精细的控制，缩减线路的停电范围，这就意味着用户的停电时间会更短。”
Viper-HV 重合闸无需维护，不需要石油或天然气。真空断路器和所有其他带电部件都密封在经过实践验证的固体介电绝缘材料之中，能为操作人员提供最佳安全性和附加保护，以防野生动物的干扰。在设置安全围栏的变电站，省去杆顶设计的基建需求，实现成本节约。电杆设备的安装配置可适应杆式结构，变得更加灵活。
施恩禧(S&C)电气公司同样开发了能够在瞬时故障发生后迅速恢复电力的设备。S&C 的首席商务官Mike Edmonds 指出，S&C 在115 年前发明了保险丝，如今该公司正致力于用更智能的装置取代电网上的保险丝，这种装置能使线路重新通电，而无需线路工人到场作业。
Edmonds 援引了佛罗里达州的一个假想案例。暴风雨席卷佛罗里达州， 棕榈树叶在强风中摇曳。“从长达10 年的数据分析可知，强风持续时间通常为23 秒到26 秒，因此，30 秒之后，棕榈树叶就不再与电线接触，线路可以恢复通电”，Edmonds 说道，“考虑到这些因素，我们将‘竭尽全力恢复供电’，对于我们而言，这就意味着电网需要具有弹性，我们的目标就是实现100% 无停电的电网。”
多年来，S&C 一直提供VacuFuse II 自动复位断路器，能够在电网边缘进行故障检测。该设备有能力检测故障是否为瞬时性的，若判定为瞬时故障， 就会自动恢复供电。该设备的工作方式是，当设备检测到故障电流，设备内部的真空断路器就会断开并切断故障电流。大约45 秒以后，断路器就会测试线路，查看故障是否仍然存在。如果是瞬时故障，真空断路器就会闭合， 电力供应就会恢复，而无需再安排耗时、成本高昂的现场作业。由于大部分架空线路故障都是瞬时性的，因此使用故障测试设备就是解决这些故障问题最有效的方法之一，可以防止瞬时故障演变成持续时间更长的停电问题。
与此同时，电压调节是配电网运行的另一个重要环节。伊顿(Eaton)提供了一个经过充分测试和验证的电压调节器， 该电压调节器与一个多功能控制器集成在一起。Eaton 的首席控制开发工程师Daniel Daley，详细阐述了该设备的功能。Daley 指出，只有配电馈线保持电压持续稳定，才能使电灯亮度保持稳定，使设备和仪器在更高效的额定电压下运行。
“电压调节器可以实现这一点”，Daley 说道，“白天， 当每个人都打开用电设备，公用事业公司就能看到用电需求增加，这就是传统的负荷曲线”。Eaton 的CL-7 电压调节器和Quik-drive 分接开关是集成在一起的设备，能与用电需求保持同步。“所以，该设备能在需要时增加可用负荷， 还能实时跟踪电网状态。这是电压调节器的基本功能，该设备还能做许多比这更复杂的事情。”Daley 解释道。
Eaton 指出CL-7 电压调节器通过集成数据采集监控系统(SCADA)组件，将纳入不断发展的功能，如：无线电控制箱、直流(DC)供电、输入输出(I/O)模块和交流(AC)机柜电源等，能在当今和未来满足系统规划者的需求。模拟输入卡可用于监测设备数据，如绝缘流体温度，压力/ 真空和电压调节器健康状况等。该公司表示：“业内唯一的Quik-Drive 分接开关具备相当快的反应速度，不仅如此，它还具有独特的电压限制能力，这两大优势可为极端电压摆幅提供最快响应。”
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