Отключение электроэнергии (также называемое отключением электроэнергии , отключением электроэнергии , сбоем подачи электроэнергии , отключением электроэнергии , потерей мощности или отключением электроэнергии ) — это потеря подачи электроэнергии от сети конечному пользователю .
Причин сбоев в электросети множество. Примеры этих причин включают неисправности на электростанциях , повреждение линий электропередачи , подстанций или других частей распределительной системы, короткое замыкание , каскадный отказ , срабатывание предохранителя или автоматического выключателя .
Сбои в подаче электроэнергии особенно важны на объектах, где окружающая среда и общественная безопасность находятся под угрозой. Такие учреждения, как больницы , очистные сооружения и шахты , обычно имеют резервные источники питания, такие как резервные генераторы , которые автоматически запускаются при отключении электроэнергии. Другие критически важные системы, такие как телекоммуникации , также должны иметь аварийное питание. В аккумуляторном помещении телефонной станции обычно имеется набор свинцово-кислотных аккумуляторов для резервного питания, а также розетка для подключения генератора в течение длительных периодов отключения электроэнергии. Во время отключения электроэнергии происходят перебои в подаче электроэнергии, что приводит к потере электроэнергии в домах, на предприятиях и других объектах. Отключения электроэнергии могут произойти по разным причинам, включая суровые погодные условия (например, штормы, ураганы или метели), отказ оборудования, перегрузку сети или плановое техническое обслуживание.
Отключения электроэнергии подразделяются на три различных явления в зависимости от продолжительности и последствий отключения:
Веерные отключения электроэнергии происходят, когда спрос на электроэнергию превышает предложение, и позволяют некоторым потребителям получать электроэнергию с требуемым напряжением за счет других потребителей, которые вообще не получают электроэнергии. Они являются обычным явлением в развивающихся странах и могут быть запланированы заранее или произойти без предупреждения. Они также имели место в развитых странах, например, во время энергетического кризиса в Калифорнии в 2000–2001 годах, когда дерегулирование правительства дестабилизировало оптовый рынок электроэнергии. Отключения электроэнергии также используются в качестве меры общественной безопасности, например, для предотвращения возгорания утечки газа (например, в нескольких городах было отключено электричество в ответ на взрывы газа в долине Мерримак ) или для предотвращения лесных пожаров вокруг плохо обслуживаемых линий электропередачи ( например, во время отключения электроэнергии в Калифорнии в 2019 году ).
В сетях электроснабжения выработка электроэнергии и электрическая нагрузка (потребление) должны быть очень близки друг к другу каждую секунду, чтобы избежать перегрузки компонентов сети, которая может серьезно повредить их. Защитные реле и предохранители используются для автоматического обнаружения перегрузок и отключения цепей, подверженных риску повреждения.
При определенных условиях отключение компонента сети может вызвать колебания тока в соседних сегментах сети, приводящие к каскадному отказу большего участка сети. Это может варьироваться от здания до квартала, целого города и всей электрической сети .
Современные энергосистемы спроектированы так, чтобы быть устойчивыми к такого рода каскадным отказам, но они могут быть неизбежными (см. ниже). Более того, поскольку предотвращение редких крупномасштабных сбоев не дает краткосрочной экономической выгоды, исследователи выразили обеспокоенность тем, что существует тенденция к снижению устойчивости сети с течением времени, которая исправляется только после возникновения серьезного сбоя. В публикации 2003 года Каррерас и соавторы заявили, что снижение вероятности небольших отключений электроэнергии только увеличивает вероятность более крупных. [2] В этом случае краткосрочная экономическая выгода от удовлетворения потребностей отдельного потребителя увеличивает вероятность крупномасштабных отключений электроэнергии.
В октябре 2018 года комитет Сената по энергетике и природным ресурсам провел слушания по изучению « черного старта » — процесса восстановления электроснабжения после общесистемного отключения электроэнергии. Цель слушаний заключалась в том, чтобы Конгресс узнал о резервных планах в электроэнергетической отрасли на случай повреждения электросети. Угрозы электросетям включают, среди прочего, кибератаки, солнечные бури и суровые погодные условия. Например, « Отключение электроэнергии на северо-востоке 2003 года » произошло из-за того, что заросшие деревья задели высоковольтные линии электропередачи. Около 55 миллионов человек в США и Канаде лишились электроэнергии, а ее восстановление обошлось примерно в 6 миллиардов долларов. [3]
Компьютерные системы и другие электронные устройства, содержащие логические схемы, подвержены потере данных или повреждению оборудования, которое может быть вызвано внезапным отключением питания. Они могут включать в себя сетевое оборудование для передачи данных, видеопроекторы, системы сигнализации, а также компьютеры. Чтобы защитить компьютерные системы от этого, использование источника бесперебойного питания или «ИБП» может обеспечить постоянный поток электроэнергии, если основной источник питания становится недоступным на короткий период времени. Для защиты от скачков напряжения (событий, когда напряжение увеличивается на несколько секунд), которые могут повредить оборудование при восстановлении питания, можно использовать специальное устройство, называемое сетевым фильтром , которое поглощает избыточное напряжение.
Восстановление электроснабжения после обширного отключения может быть затруднено, поскольку электростанции необходимо снова подключить к сети. Обычно это делается с помощью энергии остальной части сети. При полном отсутствии электросети необходимо выполнить так называемый «черный старт» для ввода электросети в эксплуатацию. Способы достижения этого будут во многом зависеть от местных обстоятельств и операционной политики, но обычно передающие предприятия создают локализованные «островки власти», которые затем постепенно соединяются друг с другом. Чтобы поддерживать частоту поставок в допустимых пределах во время этого процесса, спрос должен быть восстановлен с той же скоростью, с которой восстанавливается генерация, что требует тесной координации между электростанциями, передающими и распределительными организациями.
На основе исторических данных [4] и компьютерного моделирования [5] [6] утверждается , что электрические сети представляют собой самоорганизующиеся критические системы . Эти системы демонстрируют неизбежные [7] возмущения любого размера, вплоть до размера всей системы. Это явление объясняется неуклонным ростом спроса/нагрузки, экономикой работы энергетической компании и ограничениями современной инженерии. [8]
Хотя было показано, что частота отключений снижается при работе дальше от критической точки, это, как правило, экономически нецелесообразно, что заставляет провайдеров со временем увеличивать среднюю нагрузку или реже обновлять, что приводит к тому, что сеть приближается к своей критической точке. И наоборот, система, прошедшая критическую точку, будет испытывать слишком много отключений, что приведет к общесистемным обновлениям, которые вернут ее обратно ниже критической точки. Термин «критическая точка системы» используется здесь в смысле статистической физики и нелинейной динамики, обозначая точку, в которой система претерпевает фазовый переход; в этом случае происходит переход от устойчивой надежной сети с небольшим количеством каскадных отказов к очень спорадической ненадежной сети с обычными каскадными отказами. Вблизи критической точки зависимость между частотой отключений и размером подчиняется степенному закону . [6] [8]
Ближе к этой критической точке каскадные отказы становятся гораздо более распространенными. Степенное соотношение наблюдается как в исторических данных, так и в модельных системах . [8] Практика эксплуатации этих систем гораздо ближе к их максимальной мощности приводит к усилению эффектов случайных, неизбежных нарушений из-за старения, погоды, взаимодействия с человеком и т. д. Находясь вблизи критической точки, эти сбои оказывают большее влияние на окружающие компоненты. из-за того, что отдельные компоненты несут большую нагрузку. Это приводит к тому, что большую нагрузку от неисправного компонента приходится перераспределять в больших количествах по системе, что повышает вероятность выхода из строя дополнительных компонентов, непосредственно не затронутых помехами, что приводит к дорогостоящим и опасным каскадным отказам. [8] Эти первоначальные нарушения, вызывающие отключения электроэнергии, становятся тем более неожиданными и неизбежными из-за действий поставщиков электроэнергии по предотвращению очевидных нарушений (вырубка деревьев, разделение линий в ветреных районах, замена устаревших компонентов и т. д.). Из-за сложности большинства энергосистем зачастую чрезвычайно трудно определить первоначальную причину отключения электроэнергии.
Лидеры пренебрежительно относятся к системным теориям, которые заключают, что отключения электроэнергии неизбежны, но согласны с тем, что базовую работу энергосистемы необходимо изменить. Научно-исследовательский институт электроэнергетики выступает за использование функций интеллектуальных сетей , таких как устройства управления мощностью, использующие усовершенствованные датчики для координации сети. [9] Другие выступают за более широкое использование противопожарных преград высокого напряжения постоянного тока (HVDC) с электронным управлением, чтобы предотвратить каскадное распространение помех по линиям переменного тока в глобальной сети . [10]
В 2002 году исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), Исследовательского центра энергетических систем Университета Висконсина (PSerc) [11] и Университета Аляски в Фэрбенксе предложили математическую модель поведения систем распределения электроэнергии. [12] [13] Эта модель стала известна как модель OPA, отсылка к названиям учреждений авторов. OPA — это модель каскадного отказа. Другие модели каскадных сбоев включают Манчестер, Скрытый сбой, КАСКАД и Ветвление. [14] Модель OPA количественно сравнивалась с моделью сложных сетей каскадного отказа – моделью Кручитти-Латора-Марчиори (CLM), [15] показывая, что обе модели демонстрируют схожие фазовые переходы при среднем повреждении сети (снижение нагрузки/спрос). в OPA, повреждение пути в CLM), относительно пропускной способности. [16]
Часто оказывается, что последствия попыток смягчить каскадные отказы вблизи критической точки экономически целесообразным образом не приносят пользы, а зачастую даже вредны. С использованием модели затемнения OPA были протестированы четыре метода смягчения последствий : [2]
В дополнение к обнаружению того, что каждая стратегия смягчения последствий имеет соотношение затрат и выгод в отношении частоты малых и крупных отключений электроэнергии, общее количество случаев отключения электроэнергии не было значительно уменьшено ни одной из вышеупомянутых мер смягчения последствий. [2]
Сложная сетевая модель для управления крупными каскадными сбоями (отключениями электроэнергии) с использованием только локальной информации была предложена А.Э. Моттером. [17]
В 2015 году одно из решений, предложенных для снижения последствий отключения электроэнергии, было предложено М.С. Салехом. [9]
Коммунальные услуги оцениваются по трем конкретным показателям эффективности:
Крупные отключения электроэнергии