在現今不斷變化的能源佈局中,電力中斷問題由於會造成一些如生產製造之類的關鍵作業中斷,而持續讓企業付出數百萬美元的額外成本。此外,一些在世界各地運行中的電力網格(power grid)設備已經進入了老化階段,而且在某些地區,此類主要風暴正變得越來越普遍。面對這類嚴格挑戰,公用事業公司有多種做法可因應未來服務中斷的風險,包括讓分佈式網路現代化、管理葉片(foliage)的成長,以及僱用更多的線路維修人員等。所有這些選項的評估都可能會相當的複雜,因為他們涉及不同程度的成本、技術風險和社會福利考量。

最近,公用事業公司的工作重點主要放在派駐、招聘以及培訓更多的線路維修人員,以提高電力中斷時的反應能力,並為客戶提供更好的服務。但在世界許多地方,勞動力老化的效應是眾所周知的,因為越來越難找到熟練的勞動力來填補維修人員的空缺。面對未來可能增加的電力中斷問題、不滿意的客戶以及可能出現的政府干預措施,公用事業公司將需要更好的解決方案。例如是否可能改善線路工作人員的工作方式,以便他們能減少尋找斷線的時間,而將更多的時間花在實際維修和高優先級的維護上?

關鍵是在電網節點上擷取資料

過去幾年來,許多國家都有長時段電力中斷的經驗,而其原因僅僅是因為難以找到斷電問題的根源。但公用事業公司如何改善分佈式網路架構,才能實現較好的電力中斷反應能力?答案是利用較佳的線路感測器技術,藉以降低系統成本,並在電源基礎設施內部署更多的節點。此技術具有較高的整合度,其有助於實現更好的測量精確度、消耗較少的電力,而且所需的維護也較少。

20170517_ADI_TA31P1 圖1:俗稱為故障指示器的節點監測系統

新型線路感測器的最常見應用場合之一,是一般稱為故障指示器的節點監測系統,其可在發生問題時加以檢測並發送警報,以便讓線路工作人員能在最小延遲的情況下進行故障設備的維修服務。圖1顯示電力分配線路中所使用的故障指示器。在各種領域或供應商中,此類系統有著不同的名稱,包括線路監測器、故障監測器和故障電路指示器等。本文中將為這一類系統與線路感測器使用常用的名稱——故障指示器,實現這種用於檢測電力線實體狀態的基礎技術。

20170517_ADI_TA31P2 圖2:用於檢測電力線實體狀態的電力線感測器

在設置於地面下的應用場合中,故障指示器沿著每條主電纜放置在電纜終端處。當故障發生時,位於故障上游的故障指示器會跳脫,而故障下游的指示器則會保持在非跳脫狀態。因此,維修人員就可以輕易地辨識出電纜或設備的故障所在,而不需進行耗時的隔離處理過程。地面下應用場合中可能包括變壓器、轉換裝置、機櫃、接線盒和接頭等。

在置頂(overhead)的應用場合中,故障指示器上裝設有易於讀取的顯示器,可引導電力線工作人員找到發生問題的地方。置頂應用中可能包括未熔透分接頭(unfused taps)、帶有中線重合器(midline recloser)的長饋送器(long feeders)、分段轉換裝置、轉移器以及饋送器等。

20170517_ADI_TA31P3 圖3:具有電力採集功能的故障指示器設計

現有故障指示器所面對的兩個最大挑戰是:1)大量購買時成本高昂;2)需要定期維護以確保能正常運行。高昂的累積購買成本和經常性維護的需求,則是預算和資源有限的公用事業公司無法在其龐大的電力基礎設施中部署更多故障指示器的兩個主要原因。

透過更先進的電源管理改善故障指示器

為了因應這些挑戰,ADI開發出可用於故障指示器的新型線路感測器結構,除了能以高效率採集電力,所需的維護也比較少(圖3)。

雖然基本的功能看似簡單,但電力採集型故障指示器的設計實際上卻相當複雜,特別是其電源架構,不僅有三個獨立的電力來源(電力線感測器、可充電電池和超級電容),而且還必須有一個控制演算法,能夠在變動的負載條件下平衡變化的電源條件——並保證持續的供電動作。此關鍵性的創新是一種用於多電力路徑設計的新技術,能夠讓系統實現較快速的啟動、較低的功耗以及較平順的操作。藉由採用較佳的電源管理機制,維修人員需要更換電池以及進行系統檢查的次數將會減少,因而讓故障指示器所需要的維護得以減少。

新型的故障指示器設計還可以利用較複雜的資料採集和更強大的無線通訊能力,從而提高其性能。它們能利用高速精密的轉換器,以高出電力頻率甚多的數據速率採集電力線的資訊,以擷取更多的資訊。此外,整合短波無線電和GSM協定等的無線通訊,也能提高這些裝置的覆蓋範圍。故障指示器可傳輸資料並溝通其狀態,讓線路工作人員能花費更少的時間尋找故障點,並且有更多時間進行實際故障的排除。

20170517_ADI_TA31P4 圖4:將地面下的故障指示器狀態傳達到街道上

利用巨量資料分析實現能源智慧化

採用先進電力線感測器技術的故障指示器,提供了改變公用事業公司運作方式的機會。藉由在節點上收集較細微化、連接性較佳且維護成本較低的資料,公用事業公司可以更快速且更有信心地辨識和反應電力的中斷。此外,還有其他的可能性也值得考慮。例如,整個故障指示器群可提供歷史資料和警報,讓公用事業公司能運用機器學習演算法和分析,從而提升線路維護人員的作業效率、降低營運成本,並達到更好的事業成效。

結論

由於問題源頭難以被定位找到,讓公用事業公司的客戶持續地遭遇長時段的電力中斷。要克服此困境的方法之一,是更廣泛地採用故障指示器。但目前故障指示器存在著兩個最大的缺點包括大量採購時的高成本負擔,以及定期維修的需要。

故障指示器由於採用最新的電力線感測器技術,帶來了高效率的電力採集以及較少需要維護的特性,從而克服了這些挑戰。未來,公用事業公司將可利用下一代的故障指示器,進一步縮短電力中斷時間以及降低運作費用,讓客戶更滿意。