交通地理与网络科学/电力网

简介

本文旨在探讨现有的美国电力网作为一个网络。美国电力网是一个复杂的网络，由跨越三个电力网传输领域的各种电压的配电线路组成。美国电力网有四类，每类代表不同的电压类别，即；

高功率电力传输塔。

• 345-499 千伏
• 500-699 千伏
• 700-799 千伏
• 1,000 千伏（直流）

美国电力网已有近一个世纪的历史，是最大的互联物理网络。它与人类的复杂相互作用使其被称为生态系统。据美国能源部 (DOE) 称，电力网包含超过 9,200 个发电单元，发电能力超过 100 万兆瓦。它还连接到超过 300,000 英里的输电线路。

发电

发电是向消费者供应能源的第一步。发电量因能源来源而异。根据美国能源信息署，发电有六个主要能源来源。以下是按发电量排列的能源来源列表，按其进入国家电网的功率排序。

• 煤炭
• 天然气
• 核能
• 水力
• 其他可再生能源
• 石油

输电

电力网在空间上与其他网络类似，例如互联网，其中观察到各个链路具有物理位置。从地理、社会和经济角度来看，电力传输和分配都具有重要意义。由于人们越来越关注电力网的可靠性和稳健性，电力网的经济方面最近受到广泛关注。美国电力网由行业中的各种参与者独立拥有和运营。老化的基础设施加上国内消费的增加使得电力分配变得复杂，并导致了有限的停电。

电力网的发电、输电、配电。

由于需求增加，需要更加高效的分配和消费网络，而这两种问题都可以通过"智能电网"来解决。在发电过程中，升压变压器用于将电压“升压”以在电网上传输。这有助于减少输电线路上的损耗，但消费者需要将电压降压至更低的电压，例如 13 千伏和 4 千伏用于大型能源消费者（例如工厂），而小型消费者（例如住宅）则接收 120 伏或 240 伏。由于基础设施老化，电力网的当前状态需要翻新以满足当前需求。一些翻新工程可以节省能源，因为在电力网的传输和分配阶段会发生电力损耗。此外，高峰时段的高需求导致服务交付拥堵。这类似于交通网络中交通流量超过道路容量的情况。在大多数交通拥堵的网络中，存在“走走停停”的情况，限制了交通的自由流动。如果没有可靠的系统、可持续的能源生产实践和合理的价格能源，就不会有可持续的长期增长。

电力网故障

电压降低 vs. 停电

电力网上的服务中断可能由于多种原因发生。无论是不可预见的一次灾难性事件，还是公用事业公司计划的事件（例如维护），还是规划不善（例如，只针对平均需求进行设计），公用事业公司在其计划的整个生命周期中都会面临问题。为了优化运行并最大限度地减少停电次数，运营商有时需要降低向某些区域提供的电压。通过将向消费者提供的电压降低 10% 到 25%，大多数照明和供暖设备仍能正常运行。但是，由于以低于其设计电压运行，电力设备的整体使用寿命会缩短。这种在高峰时段降低某些服务区域电压的过程被称为电压降低。虽然这不会对电网造成灾难性的影响，但正如前面所述，电压降低确实会产生与因其造成的损坏相关的成本。停电是由于设备完全故障造成的，主要原因是灾难性设备故障或恶劣天气。滚动停电是指持续固定时间的受控/计划服务中断。滚动停电通常由公用事业公司发起。

铺设公用设施

最小生成树的示例。链接上的权重可能代表铺设每个链接的成本或时间

在铺设公用设施时，选择最少成本的解决方案。无论是铺设公用设施所需的时间成本，还是在网络上部署基础设施的货币成本，都必须有一套系统来分析成本效益比。例如，如果某个区域的新电力线在近期内没有需求，而且没有发生电压降低/停电的风险，公用事业公司可能会选择最低的货币成本。一个更系统的方法来分析与铺设公用设施相关的成本是使用最小生成树 (MST) 问题的概念。在电力网等网络中，MST 问题涉及使用链接连接网络上的所有节点。理想情况下，确定一个任意位置，同时选择要连接的节点。然而，在现有的电网中，MST 上要连接的第一个节点可以是电网上的现有节点。其他步骤包括识别与已连接节点最接近的未连接节点。完成此过程后，将新节点添加到已连接节点集。重复此过程，直到所有节点都连接起来。结果是所有节点都以最少的成本连接。对于我们的图表，连接所有节点的最低成本是 38。在电力网中，这可能代表完成连接所需的工时，或者表示连接的比例成本。

高峰时段需求

满足高峰时段的需求仍然是公用事业公司的挑战。 调峰电厂 通常是老旧的电厂，用于满足高峰时段的需求，由于它们的年龄和功能，会释放更高浓度的污染物 。 调峰电厂不仅比持续运行的电厂对环境造成更大的危害，而且高峰需求可能会有很大差异，导致仍然发生停电和断电。

在美国，电力行业的年度总收入估计为 3260 亿美元。 然而，预计电力服务中断将给该行业造成 800 亿美元的损失。 这些损失约占行业收入的 24.5% 。 不幸的是，这些成本最终会通过能源价格上涨转嫁给消费者。 如果实施智能电网，不仅可以提高网络可靠性，从而降低行业成本，而且这些节省的成本也将转嫁给消费者。 考虑到升级到智能电网所需的大量资源，当前电网的变化必须逐步进行。

智能电网

根据伊利诺伊州智能电网倡议，智能电网是指通过集成新的信息时代技术来实现电网现代化，以实现电网的新用途。 这适用于电网的运行和消费者应用 。 目前，消费者在消耗电力后几天才能收到用量报告。 实施智能电网后，消费者能够实时监控电力使用情况，从而提高对消费量的认识。 随着人们对电力消耗的意识增强，可以认为消费者可以通过使用“智能电器”来管理电力使用，这些电器消耗的功率更低，并且可以编程在非高峰时段运行。 通过在非高峰时段运行电器，可以减少对调峰电厂的需求，并利用那些时段产生的浪费能源。 如果按时间段对电力消耗收费，则可以进一步鼓励在非高峰时段运行消耗更多功率的电器。 在交通网络中的拥堵定价中可以找到类似的类比，在那里道路使用者需要为其出行造成的“拥堵”付费。 美国能源部 (DOE) 将智能电网视为确保电网可靠性、保持可负担性并加强全球竞争力的重要工具 。 另一方面，欧洲风能协会 (EWEA) 将清洁能源视为下一级经济竞争力 。