根據ICS方法,2024年6月21日的事件被歸類為第3級事件,需要專家小組提供詳細報告。這將根據調查期間確認之可用及其他潛在的資料,提供對事件的事實說明及評估。RCC根據RCC運轉後及擾動後分析及通報方法第7條執行的分析將成為本報告的一部分。該小組將分析電壓崩潰、技術細節、根本肇因及關鍵因素等主要方面,以及在必要時提供建議。 專家組由來自受影響及未受影響的TSO、RCC、ICS方法代表、國家管制機構 (NRA: National Regulatory Authorities)及歐盟能源管制機構合作署(ACER: Agency for the Cooperation of Energy Regulators)的代表組成,於2024年7月開始調查。最終報告預計將於2025年初在ENTSO-E網站上公布。
第二章 事故前之系統及市場情況(SYSTEM AND MARKET CONDITIONS BEFORE THE INCIDENT)
四個受影響的價格區(系統)中有3個提供日前市場資訊。除波士尼亞及黑塞哥維那(波黑)外,所有其他國家/地區的電力交易所都在運作,提供如下所述的現貨市場價格信號。 受影響TSO(價格區)之間的跨境市場交易係根據區域協調容量分配平臺(regional coordinated capacity allocation platform)-東南歐協調拍賣辦公室(SEE CAO: Coordinated Auction Office in South – East Europe )明確分配的跨區容量(CZC:cross-Zonal Capacity )。 事件發生期間,受影響地區的市場並未暫停(suspended)運作。
在事件發生當天,與受影響地區的大部分時間一樣,排程商業交易及實際電力潮流之間存在顯著差異(在某些邊界高達 500 MW,如下所述)。這可以透過高度網狀的東南歐(SEE)電網來解釋,特別是在受影響的區域,以及受影響的TSO之間的跨境公司(CBC:cross Border Cooperation)計算仍舊根據雙邊商定的淨融通容量(NTC: Net Transfer Capacity )計算結果,以及係主要在各月級別執行。假設此實務也會影響作為協調容量計算主題之最近邊界 根據透明(transparency)平台的資料,從2024年初到事件發生之日,幾個受影響的TSO邊界的排程電力潮流量及實際電力潮流量之間的差異在近30%的時間內超過300MW。
受影響TSO在收到「聯絡線不一致(TLI: Tie line Inconsistencies)錯誤識別/通知」後每週定期執行兩次「停電計劃不相容(OPI: Outage Planning Incompatibilities)評估」【註9】。 週前OPI評估過程使用來自PE OPC過程的合併(merged)初步不可用計劃(.xml)及合併OPC元件清單(.xml),對預先定義之情景(季節性共同電網模型- CGM)執行區域安全評估,以及允許在共同電網模型(CGM)上應用導入的補救措施。區域安全評估係由 SEleNe CC 與 SEleNe CC 的TSO密切合作執行。
所有東南歐(SEE)TSO及RCC(歐盟及非歐盟)都參與泛歐(也稱為跨區域)短期裕度(STA)處置過程(Processes)。 所有東南歐(SEE)TSO都有義務提交短期裕度(STA)處置的輸入資料。此處置過程每天在泛歐級啟動,係由主辦RCC或備援 RCC自動執行及監視。每天執行STA的決定性(Deterministic)及機率(probabilistic calculations of STA are performed daily.)計算。
最終融通及剩餘容量(Final Exchanges and Remaining Capacities) 在STA計算後,時間戳為11:30、12:30及13:30的每個競價區之最終融通及剩餘(備轉)容量(RC)如下圖所示。這些數字顯示了此地區的最終裕度情況。每個競價區的剩餘(備轉)容量(RC)帶方框內之值代表計算後的剩餘(備轉)容量。如果某個競價區在計算後RC為零,則該競價區的整個發電量都用盡了,這種情況並非無效。在這種情況下,黑山(ME)投標區負載是透過黑山(ME)投標區的全部發電以及從相鄰投標區輸入來達成的。這是由於STA演算法規則及優先順序。此地圖還表示了投標區之間的電力融通。 根據結果,所有對2024年6月21日分析之事件很重要的TSO及投標區裕度都是足夠的。結論是,根據這些結果,無法偵測到任何問題。即使一些TSO裕度在評估後不足夠,也無法從中得出關於潛在事件的有效結論。泛歐盟STA處置過程是處理有關發電、負載及電力融通之輸入資料的過程,不考慮電網模型。一個考慮電網模型的區域STA處置過程正在開發中。當前的區域STA處置未在計算日啟動,也無法預測與電力系統安全相關的問題,因為未考慮電網模型。
圖54:11:30從STA工具計算出的受影響及鄰近TSO的最終交易及剩餘(備轉)容量(RC)值
圖55:12:30從STA工具計算出的受影響及鄰近TSO的最終交易及剩餘(備轉)容量(RC)值
圖56:13:30從STA工具計算出的受影響及鄰近TSO的最終交易及剩餘(備轉)容量(RC)值
4.2.3 協調安全分析(CSA)及共同電網模型 (CGM)
4.2.3.1 總結
根據歐盟規則2019/943第37(1)(b)條(Article 37(1)(b) of EU Regulation 2019/943),SCC、SEleNe CC、TSCNET 及 Coreso四家區域協調中心尚未完全實施協調安全評估(CSA: Coordinated Security Assessment)及其所有要求。相反,他們會對受影響區域的部分區域執行舊版安全評估(legacy Security Analysis)。這依賴於來自「輸電協調聯盟(UCTE: Union for the Co-ordination of transmission of Electricity)」各TSO的個別電網模型 (IGM: Individual Grid Model ) 資料交換格式。根據共同電網模型交換標準(CGMES: Common Grid Model Exchange Standard) 的處置程序尚未上線。安全分析包括日前壅塞預測(DACF: Day-Ahead-Congestion-Forecast )及某些地區的附加日內壅塞預測(IDCF: Intraday Congestion Forecasts)。每天,將考慮 24 個時間戳,產生共同電網模型(CGM),並執行N-X安全分析。對於事件,時間戳12:30是12:00–13:00小時預期電網情況之最佳代表。 在N-X計算期間之DACF及IDCF過程中,使用下列清單: 偶發事故清單-包含TSO根據協調安全評估方法(CSAm: Methodology for coordinating operational security analysis)第7條選擇的偶發事故;及 監視清單-考慮到CSAm第15條第1款,包含某些TSO認為在DACF及IDCF處置過程之的安全評估期間需要監視的所有元件。
5.3 受影響TSO與同步區域監視中心(SAM)之間的溝通 (Communication between affected TSO and Synchronous Area Monitor (SAM))
根據偶數月之定義,瑞士TSO(Swissgrid)應作為同步區域監視(SAM: Synchronous Area Monitor),因此在停電事故後接管了協調工作。本節介紹了瑞士TSO(Swissgrid)與各TSO之間關鍵交互的時間表。
5.3.1歐洲中部時間 6月21日12:27
瑞士TSO(Swissgrid)接到德國Amprion TSO的電話,並被告知頻率跳動(jump.)。瑞士TSO(Swissgrid)也證實,它已經注意到了這一跳動。德國Amprion及Swissgrid TSO進一步簡要討論了此事件及進一步的協調,因為此時克羅埃西亞TSO(HOPS)的頻率測量在歐盟意識系統(EAS: European Awareness System)上被標記為失效(invalid)。無論如何,SAM 無法明確確認克羅埃西亞TSO(HOPS)是肇因(cause)。
5.3.2歐洲中部時間 6月21日12:29
瑞士TSO(Swissgrid)聯繫了斯洛維尼亞、克羅埃西亞與波黑控制區塊(SHB: Control Block Slovenia, Croatia and Bosnia/Herzegovina)的領導者斯洛維尼亞TSO(ELES),後者報告了克羅埃西亞TSO(HOPS)的大量負載跳脫,並表示:「[…]許多人沒有電可用。[…]」.南與北協調中心(CC South & North)向斯洛維尼亞TSO(ELES)提供了協助,但當時斯洛維尼亞TSO(ELES)拒絕了,表示他們將在新資訊變成可用時提供進一步的更新。
5.3.3歐洲中部時間 6月21日12:38
瑞士TSO(Swissgrid)向德國Amprion TSO通報南與北協調中心(CC South & North)提供了協助的援助提議,但斯洛維尼亞TSO(ELES)隨後拒絕。
第七章 根據 ICS 方法之事件分類(CLASSIFICATION ON THE INCIDENT BASED ON THE ICS METHODOLOGY )
事件分類量表(ICS: Incident Classification Scale)方法係根據歐洲議會及理事會2009年7月13日(EC)第714/2009號規則制定,以及更新,以滿足2017年8月2日歐盟委員會規則(EU)2017/1485第15條規定的目標及安全指標要求,此規則建立了輸電系統運轉指南(SOGL: guideline on electricity transmission system operation)。這些定義進一步擴展,來提供事件期間SOGL第18條所指之系統狀態的真實檢視。
2016/4/13阿標處長跟我及我的同班同學也是老調度人李振中一起去拜訪最老91歲的調度員吳登龍。我們不免聊起調度老長官提到第一任錢艮發電課長(後來高升協理)的霸氣火爆脾氣「外號台語Pai Gi (壞錢)ㄚ」?但阿標處長補充一段故事。有一次大颱風襲台,調度台正在忙著復電操作中,當時錢艮為主管調度的協理(副總),快到中午他來到調度台拿著兩個大碗公到洗手間清洗,錢協理說他不會調度操作工作,他只會煮麵洗碗。阿標說當時他跟吳桑當班另外兩位支援班共四人操作復電(中央調度室只有三班共六位值班員)。錢協理說調度台只有兩個碗公,先盛兩碗,兩班輪流食用。
1972年間台電針對系統特性並求技術生根與經驗增進,決定以漸進方式分期開發,初期重點在求建立完整電力系統控制監視與資料處理系統(SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition system),後期著重於控制範圍與功能的擴充。經多次討論交換意見,於1973年完成線上調度系統初步草案。1973年初台電確定線上調度工程為世界銀行貸款第三電源開發計畫項目之一。1974年初聘請顧問公司正式展開工程、1974年中進行線上系統工程招標,立諾(L&N)公司得標。
第二天一早八點多起床,就到附近的Waikiki Beach見識聞名遐邇的海灘,第一次看到的穿著清涼比基尼泳裝的西洋女郎,跟那星羅密布、外觀美觀、景觀奇佳的高樓旅館(圖9),尤其高樓外牆有一到彩虹高掛的希爾頓旅館,接著我們又參觀33層樓高的喜來登 (Sheraton) 大飯店,搭電梯到高樓欣賞電視影集「檀島警騎Hawaii Five O」拍攝場景的威基基海灘(圖10)以及鑽石頭火山口 (Diamond Head Crater)山,之後,我們還參觀了珍珠港、夏威夷大學東西文化中心等。檀香山短暫的過境轉機一天很快就過去,我們好像還沒真正到美國,因為街上碰到許多東方面孔,緊接著10點半就趕往機場搭中午12:30 UA班機到美國本土的洛杉磯,約5個小時後抵達LA後,才感覺到真正是抵達美國了。
7月11日(星期日)抵達North Wales休息一天後,星期一(12日)一早就到立諾(L&N)公司報到,在女秘書(圖15)親切接待遠從地球另一邊台灣來的我們,安排與L&N負責國外EMS業務的經理T.W. Hissey及計畫經理Jessee B. Ring以及CSC顧問公司人員見面,交換實習計畫詳情,Hissey還特別送我們一本L&N國際著名互聯系統控制(Tie line bias control創始者)權威資深副總Nathan Cohn所著1961年出版的「Control of Generation and Power Flow on Interconnected Systems」一書作為紀念。接著五天我們就在L&N公司接受線上調度系統的簡介訓練。
入內參觀,迎面正中央是一座讓人肅然起敬、大理石雕刻19英呎(5.8公尺)高的林肯坐像,坐像背後牆壁上刻有大家最常引用的「民治、民有、民享(of the people、 by the people、 for the people)」林肯蓋茨堡著名演說(Gettysburg Address),周圍還有解放黑奴、南北統一、象徵正義與博愛的壁畫。這些可讓世界各國政治人物審思。
緊接著我們到下一個目的地是國會大廈又稱國會山莊(Capitol Hill)參觀,從地圖上看出華盛頓特區街道地址的東西南北都是以國會大廈為基準點,向西正前方緊鄰街道就是第一街(First Street NW)街旁立有紀念南北戰爭將軍格蘭特總統雕像(Ulysses S. Grant Memorial )向西遙對當時總統林肯紀念堂,右邊為第一街西北大道,左邊則為第一街西南大道(First Street SW),正前方右斜30度為賓夕法尼亞大道,與第一街NW交叉為記念美國南北戰爭死於海戰海軍的和平圓環( Peace Monument),正前方左斜30度為馬里蘭大道,與第一街SW交叉為記念1881年被暗殺的加菲爾德總統記念碑( James A. Garfield Monument )。
接著我們跨過阿靈頓紀念橋,前往阿靈頓國家公墓(Arlington National Cemetery)參觀,這片面積約2.5平方公里的國家公墓葬了從美國南北戰爭至今為國捐軀的軍人,刻著名字的墓碑整整齊齊排列著,讓人肅然起敬,當然還有立有無名英雄墓碑供人弔祭。我們也到1963年11月22日在德州達拉斯被刺殺身亡的美國第35任總統甘迺迪的墓地,看到1963年11月25日甘迺迪總統下葬時點燃的永恆之火焰(The John F. Kennedy Eternal Flame),還有幾步路之遙1968年6月6日競選總統相繼被刺殺的甘迺迪總統弟弟羅伯甘迺迪「永恆之水」紀念碑,不禁為這位英年早逝的甘迺迪家族感嘆不已!
1976年7月18日我們從華盛頓搭東方航空飛機到北卡羅萊納州首府洛利(Raleigh),也是由徐文達朋友童先生夫婦來接到他家過夜,第二天帶領我們三位到卡羅萊納電力電燈公司(圖19 CP&L: Carolina Power & Light Co.,2000年收購以前叫Florida Power Co.的Progress Florida Co.後,2002年改名Progress Energy Co.)位於Hillsborough街3401號的電力調度中心(圖20)跟CSC顧問公司人員會合。
圖19:卡羅萊納電力&電燈公司(CP&L)2000年併購Progress Florida(原佛羅里達電力公司FPC)的Progress Energy 轄區圖(資料來源:Progress Energy 網站)
圖20: CP&L電力調度中心正門與控制室
我們在CP&L實習共四個星期,第一天隨CSC顧問公司人員報到,跟中心主任及相關調度員拜會,稍微介紹CP&L調度中心設施後,他們利用午餐給我們接風,下午就安排一間小會議室,給我們一堆有關EMS的說明書自行研讀。我們看了一些說明書發現CP&L 係採用IBM主機的EMS,跟台電製造廠家L&N使用Xerox Σ550主機不同。由於我們對線上調度控制的了解幾乎白紙一般,只有努力研讀說明書,從熱耗率曲線、遞增成本曲線、經濟調度理論(ED)、電力潮流計算、區域控制誤差(ACE)、自動發電控制(AGC)、系統電壓控制、互連線偏差控制(Tie line bias control)等許多EMS相關資料著手,逐漸了解線上調度控制。
次日,林於勝夫婦帶我們首先造訪知名的「原子能誕生地」芝加哥大學核能研究所(Institute for Nuclear Studies),到FERMI博士完成「人類首次達成自持連鎖反應控制」25週年記念碑(圖25)前瞻仰。怪不得近在呎尺我們下個月要去實習的ComEd電力公司核能電廠如此多,應該「近水樓台先得月」吧?接著在校園繞一圈,就到芝加哥動物園(圖26)陪林於勝的兒子David看許多珍禽異獸,諸如火鶴、海象、海獅、北極熊等等動物。
接著我們去遊芝加哥的China Town,並參觀芝加哥科學與工業博物館(Museum of Science and Industry),對館內各種科學實驗模型操作,尤其那證明地球自轉的福柯鐘擺(Foucault’s Pendulum)留下深刻印象,覺得不虛此行。然後,我們又到芝加哥藝術學院參觀。此外,最大的購物中心也沒錯過,現在台灣來看並不稀奇,40幾年前如此樣樣都有的購物中心,的確讓你吃驚不已!我們先打探我們想要買的東西,諸如絲絨、花旗蔘、化妝品、電氣用品等等,準備10月到芝加哥ComEd電力公司實習時購買。
1976年8月15日我們在芝加哥搭North Central航空飛到北邊威斯康辛州綠灣(Green Bay)市,CSC顧問公司人員接機,帶我們到他們幫我們租好每個月240美元的公寓。次(16)日星期一CSC人員帶領我們到威斯康辛電力公司(WPS: Wisconsin Public Service Co.服務轄區如圖27,1994年WPS改組成立WPS Resouces 控股公司,2007年與Peoples能源公司合併改名Integrys Energy Group)調度中心實習。
綠灣顧名思義就是綠色的海(密西根湖)灣,來到綠灣發現的確名符其實,我們在南范伯倫街401號 (401 S Van Buren St)的Chestnut Hill公寓(圖32)租屋,每天沿著人行道走路30分鐘到北亞當斯街(N. Adams)WPS總公司二樓調度中心上班。因為綠灣街道設計為正方格局,可有好多路徑上班,讓我非常驚訝的是都是古木參天(圖33),綠蔭遮天,住宅區街道寧靜無聲,我們路過住家時,許多住戶都會開窗戶跟我們打招呼,路上碰到不認識的人也是如此,濃濃的人情味,讓我感到非常親切。
圖32:阿標哥跟我所租的Chestnut Hill公寓門口
圖33 綠灣街道古木參天綠蔭遮陽,路過住家住戶開窗打招呼
驚訝10萬人口小鎮是美式足球大鎮
綠灣(Green Bay)是威斯康辛州僅次於米瓦基( Milwaukee)、麥迪遜(Madison)的第三大城市,為一肉品包裝與造紙工業的城鎮,但人口只有約10萬人,卻有一隊1919年就成立、全美響叮噹的 Green Bay Packers美式足球隊,曾贏得國家美式足球聯盟(NFL)13次冠軍,其中四次(1966、1967、1996、2010年)超級盃冠軍。來到綠灣當然要去朝聖一番,我們這次出國行程中,只有在綠灣大家都沒親友,幸好CP&L調度人員非常友善親切,趁出外參觀變電所行程撥出時間到蘭巴迪大道(Lambardi Ave.)的Green Bay Packers足球隊球場(Lambeau Field )參觀,當天沒有賽事,我們只在外面瀏覽可容納73128座位的壯觀足球場,一了心願。
1976年9月15日星期三,我們由CSC顧問公司人員陪同到倫巴德調度中心,會見調度中心(System Power Supply Office)主任湯姆席拉(Tom C. Cihlar),交換實習計畫,計畫內容跟WPS差不多,第一週熟習ComEd電力系統、線上調度設備之應用、第二、三、四週分別跟調度員輪值白天、小夜班、大夜班,觀察調度員使用操作電能管理系統(EMS)與調度值班工作。此外,ComEd電力公司是美國民營公司核能電廠始祖,所以也安排我們參觀第一號機1960年商轉的Dresden核能電廠,並順便參觀765KV變電所。
還有一個值得去參觀的費城藝術博物館(Philadelphia Museum of Art),我們也沒漏掉。進入宏偉建築館內,最吸引我的是中國典藏,許多清代的寶物,從水晶玉璽、王冠、甚至乾隆皇帝的狗籠,越看越生氣,什麼都有,說明提到是費城博物館之友贈送的,大概是八國聯軍攻進北京皇宮時所掠奪。但反過來想,看到別人幫中國人如此的保存,比留在戰亂的中國或許好些,只能這樣安慰自己了。
到L&N後,我很難得連絡上另一位留美同學林正楠,十幾年沒見面,週末他跟太太、兒子全家開車一個多小時,來接我們去他家玩,招待我們參觀著名的長木花園,我們經過整個山頭都是楓紅讓人驚艷的丘陵,開了大約一個小時,來到全美首屈一指的花園,而且是1800年從法國移民到美國建立軍火藥廠,在第一次世界大戰獲取戰爭爆利,擴充為世界著名的杜邦化工公司,創始人Eleuthère Irénée du Pont玄孫Pierre du Pont於1906年所購百年歷史的農場,經過30幾年的經營成為現在宏偉園藝規模,並於1946年捐出成立基金會經營回饋社會。
我們拿著紐約地下鐵地圖(圖50),找我們要去的參觀地點相關車站,上車後計算下幾個站下車。考量搭船的關係,阿標哥跟我第一個參觀目標為自由女神像(Statue of Liberty),我們花50 Cents來回票搭地下鐵到South Ferry,在Battery Park 改搭Circle Line渡船到自由島(Liberty Island)。
瞻仰過自由女神像,想起我初中時候(1957年)放映的「金玉盟(An Affair to Remember)」的場景,就是我們下一個目標在1931年~1972年曾是全世界最高的帝國大廈(Empire State Building),1973年被芝加哥西爾斯大樓超過,當初樓高381公尺樓層102樓。 我們搭地鐵到33街公園大道站,步行到第五大道的帝國大廈 (圖53),親臨大廈對街,仰頭往上欣賞大樓雄姿,不愧是獨佔鰲頭40年的世界第一高大樓,外型設計比世貿中心美觀,我們因時間關係沒上樓觀景,只拍照留念來此一遊。接著順路經過35街與百老匯街交叉口最有名的Macy百貨公司參觀,東西太貴了,也只有Window Shopping。
第二天一早我們就搭地鐵到北曼哈頓116街與百老匯街口,美國第五歷史悠久約250年(1754年建立)的私立哥倫比亞大學校園參觀,該校為常春藤盟校之一,曾經與哈佛、芝加哥大學齊名,出過四位美國總統(兩位羅斯福、艾森豪、及現任歐巴馬總統),中央研究院前院長胡適也是哥大校友,我們逛了校園一圈,在羅記念圖書館(Low Memorial Library)的母神(Alma Mater)雕像前拍張照留念(圖54)。
圖54:紐約哥大圖書館母神(Alma Mater)雕像前留影
然後就前往附近著名的紐約中央公園(Central Park)參觀,這座1857年開張長4公里寬800公尺面積約3.4平方公里的大都會綠洲,除了茂密的森林外與草皮外,內有數座人工湖,動物園、溫室花園、兒童遊樂場、溜冰場、10公里長的環園步道、更有一處賞鳥好去處吸引候鳥前來的野生動物保護區,這些景象經常出現在電影或電視劇上面,周圍又有美國自然歷史博物館(America Museum of Natural History)、大都會藝術博物館(Metropolitan Museum of Art)、林肯中心,所以市一處可以消磨整天的地方。我們逛了一下著名景點後,順道參觀自然歷史博物館及林肯中心,大都會藝術博物館太大則留下一回再參觀。
舊金山海灣有5條橋,我們走過金門大橋後,鄧表妹夫又帶我們通過另一條通往奧克蘭的海灣大橋(San Francisco-Oakland Bay Bridge),這條比金門大橋早一年完工的兩層橋,總長13.5公里,更讓我們驚訝大開眼界,想像如何興建在海面上的橋?還不過隱,他又繞到更南邊走過另一條跨過舊金山灣11.3公里的San Mateo大橋,讓我們體驗到舊金山的偉大!
當年台電公司主管發供電調度運轉的錢艮協理(副總經理)想培養台電專才,為當時台電許多優秀人才,尤其那些台北工專沒有學位的,可以進修,他洽請台大電機系馬雲龍教授開學分專班,但被台大依法無據否決了。後來錢協理碰到應政府之邀,參加「國家建設研究會」的美國德州大學阿靈頓分校(UTA)能源系統研究中心(ESRC)主任陳謨星博士。相談之後,一拍即合。陳謨星博士參加國建會之後,民國63(1974)年8月7日應台電公司錢協理之邀,在台電和平東路舊總處大禮堂為同仁主講「電力系統分析(Modeling and Analysis of Modern Power Systems)Short course」,為期三星期。事後台電另外與UTA ESRC簽約,台電每年可派人到ESRC進修一年,開啟雙方合作之門。當時電力調度處、系統規劃處、供電處、輸工處、電力研究所等許多單位都派員參加,阿標處長跟我都全程聽講,那本500頁講義對剛從電驛(標置股)轉行電網分析(電網股)的我受益良多,50年後仍留在我的書架上。另外,當年錢協理指派電力調度處負責接待Dr. Chen,我還留一張時任調度處副處長現年99歲回台長住長庚養生村王吾公接待陳教授在剛開張的希爾頓大飯店的合照!
全球減緩氣候變遷的趨勢及其對天氣模式及環境條件的影響,促使各國將電網脫碳視為重要優先事項。在過去的十年中,美國的電力公司積極地將低碳及無碳發電資源整合到國家電網中,以達成各州管制機構設定的再生能源組合(portfolio)目標。近年來,聯邦政府也透過稅收優惠等措施支持這項努力,加上變流器及太陽能面板技術成本的降低,使得再生變動性能源資源(VER: renewable variable energy resources)非常有吸引力,另外燃氣價格的下降,人們正在採取行動盡快關閉傳統燃煤發電,並用燃氣發電或風力或太陽能VER發電取代。因此,用戶會被激勵安裝屋頂太陽能發電。為了解決再生能源發電變動性,「蓄電(儲能)」已被認為是解決方案的重要部分,儘管不能僅依靠它來應付長期及廣泛的極端天氣及環境條件。事實上,本地資源及跨電網的能源轉供都需要由低碳或無碳資源提供,並且相互補充。為此,電網的規畫設計必須改變以適應再生能源及電力儲存。
如果VER發電及蓄電技術如預期發生非常迅速的變化,則需要特別注意識別及檢討將遇到的挑戰,並制定新的規劃及運轉程序來代表演變電網的行為及性能。交通電氣化(電動車)、住宅及商業供暖以及其他工業及農業碳源將進一步影響電網及可靠度目標。隨著社會越來越依賴電力來滿足其所有能源需求,增強電網以支援更高水準的可靠度對於體驗電氣化的好處至關重要。再生能源 VER 的最佳化整合需要透過大量資本及容量投資來擴展及現代化輸配電 (T&D) 基礎設施。
美國工程學界的最高學術機構之美國國家工程院第6部門(電力/能源系統),(National Academy of Engineering Section 6 – Electric Power/Energy Systems)表示雖然美國電網正在順利轉型以實現脫碳目標,但如果規劃及運轉的變化跟不上此演變及其相關的不斷增加的不確定性,電網的可靠度及韌性可能會受到嚴重影響。 2018 年至2022 年期間影響加州及德州數百萬人的極端天氣事件是及時的例子,凸顯了傳統規劃及運轉實務的不足,其中發電及輸電能源裕度的不確定性或不可用影響了電網所需提供電力的能力。因此該部門贊助下於2022年10月24日在華盛頓DC舉辦了為期一天的「建立永續的國家電力基礎設施,同時維持電網之可靠度與韌性(Creating a Sustainable National Electric Infrastructure While Maintaining Reliability and Resiliency of the Grid )」研討會(workshop),其前提是相信迄今尚未對電網規劃及運轉轉型所需的技術指南及政策問題給予足夠的關注。專注討論電網轉型的可靠度及韌性。
NAE繼2022/10/24主辦「建立永續的國家電力基礎設施,同時維持電網之可靠度與韌性」研討會之後,於今(2024)年3月邀請執行北美電力可靠度工作的「北美電力可靠度公司(NERC)」共同舉辦「演變中永續電網之規劃準則(Evolving Planning Criteria for a Sustainable Power Grid)」研討會,研討規劃演變中電網資源與輸電裕度的電力可靠度準則。茲舉一例來說,前次研討會所討論到目前的電網已經不是從前燃料確定(有長期燃料存量)大型石化發電主導而是追求零炭資源的變動性能源資源的時代了!古早燃料確定系統所使用「10年1天(1-day-in-10)」準則導出的規劃備用容量(PRM: Planning Reserve Margin),僅僅考慮尖峰負載一小時的容量,已經不足夠代表今後受(極端)天候與環境影響時時刻刻變動(燃料不確定)的VER了!
這次研討會受邀者除了上次所邀的產官學機構外,官方還邀請跟NERC從事類似工作的英國天然氣電力市場辦公室(OFGEM: Office of Gas and Electricity Markets)、以及美國全國公用事業管制委員會協會(NARUC: National Association of Regulatory Utility Commissioners)。業界則增加邀請了加拿大電力協會(Electricity Canada)、愛迪生電力研究所(EEI)、NERC則由總裁兼執行長帶領六個區域可靠度機構高級主管出席、以及安大略電力調度中心(AEMO)、BPA、Southern Company、ONCOR、FPL、ATC、National Grid Electric System Operator、Georgia System Operations Corporation、Calpine、Duke Energy、Telos Energy (representing ESIG) 等。
亞特蘭大:美國國家工程院(NAE) 第6部門(電力/能源系統)與NERC 公布了一份關於電網規劃的電力可靠度準則的報告「演變中永續電網之規劃準則(Evolving Planning Criteria for a Sustainable Power Grid)」。本報告摘要了今(2024)年3月NAE 第 6 部門與 NERC共同主辦的研討會整個過程以及交流結果所得到可行建議。,參與者檢討了規劃演變中電網資源與輸電裕度的電力可靠度準則,以及重點關注兩項廣泛的主題:容量與能源、以及規劃演變中的電網。
NERC 高級副總裁兼總工程師馬克勞比( Mark Lauby) 表示:「毫無疑問,我們對電力作為經濟引擎的依賴正在迅速增加。」 「隨著電網兌變,傳統規劃準則必須不斷演進,來反映新的現實,在解決整體系統可靠度問題時,能源裕度(energy adequacy)成為資源裕度(resource adequacy)的重要補充考慮因素。」
本報告摘要了2024年3月NERC及美國國家工程院第六部門(NAE: National Academy of Engineering Section 6)共同主辦的研討會之會議記錄及可執行建議,該研討會的重點是檢討電力可靠度準則(reliability criteria),用來規劃演變中電網上資源及輸電裕度(adequacy)。研討會標題為「演變中永續電網之規劃準則(Evolving Planning Criteria for a Sustainable Power Grid)」,聚集了業界思想領袖,圍繞對額外準則、可執行的短期及長期建議以及後續步驟的需求達成共識。研討會集中討論了兩大主題:容量與能源以及規劃演變中的輸電電網。
鑒於電力在現代社會中扮演至關重要的角色,能源裕度是資源裕度之關鍵補充考慮因素,來確保整體系統之可靠度。傳統的資源裕度模型及方法係根基於 10 年一天失載期望值(LOLE: loss of load expectation)準則,該準則側重於尖峰時段情況。然而,LOLE沒有充分考慮到由於資源配比(resource mix)之變化及用電需求水準的提高所導致增加之可變性及不確定性而產生之所有小時時間中越來越大的風險。能源系統整合小組 (ESIG: Energy Systems Integration Group) 最近對電力業界專業人士的一項普查(survey) (如圖 E.1,2 所示),詢問業界是否應考慮新的資源準則。
區域能源短缺門檻 (REST: Regional Energy Shortfall Threshold) 是新英格蘭電力調度中心 (ISO-NE: Independent System Operator New England)超越LOLE的倡議,反映了該地區在極端天氣下對能源短缺的風險容忍能力。ISO-NE能源裕度檢討使用機率能源裕度工具(PEAT: Probabilistic Energy Adequacy Tool)係預期REST之持續發展將在提供資訊方面扮演重要角色。 使用創新方法,諸如REST及PEAT,以及在大範圍內執行評估的一致方法,可以更有效地衡量能源裕度。
這在極端天氣中尤為重要,因為在極端天氣下,受影響地區高度依賴來自其他地區之長距離轉供,這些地區擁有更大的燃料多樣性及足夠的資源來供應用電需求並滿足其備用容量(reserve margins)。北美以外的規劃人員正在遭遇類似的資源裕度挑戰,他們實施了不同的方法。例如,歐洲有七個國家採用了每年少於或等於三小時的失載小時(LOLH: Loss of Load Hours)準則,來考慮能源及資源裕度之風險。澳大利亞國家能源市場(NEM: Australian National Energy Market)可靠度小組設定一常態化(normalized )預期缺電量(NEUE: Expected Unserved Energy)每年小於或等於 0.002%。
絕大多數資源裕度檢討係按小時執行的,這導致需要更精細地進行輸電檢討,而不是每天幾個尖峰小時時段。從演變資源配比中觀察到,尖峰負載時的情況並不常是系統可能出現最壞情況的時候。現在,資源可用率變得越來越多變(不確定),用電需求也在成長,因此需要按時間順序進行檢討,以確保所有時間的能源裕度。按時間順序排列的檢討很可能需要涉及「小時之間或小時之內(inter- or intra-hour)」的關係(對於所有8,760小時/年),例如升降載(ramping)及能源調度排程(energy scheduling)。資源規劃人員可以透過採用以發電成本為基礎的模型來解決這種增加的複雜性,這些模型之週期為日、周、月及年。
精確及全面性負載預測係資源裕度的必要條件,因為輸配電(T&D)之間的界限模糊[亦即分散性能源資源(DER: Distributed energy resources)對幹線電力系統(BPS)之影響]。演變中的電網現在需要將配電資源考慮在內進行負載預測。這對於決定輸配電介面(T&D interface)之影響以及BPS資源配比、DER及電氣化導致的配電負載變化之間的複雜性非常重要,所有這些都可能比整體極端氣候引發的極端事件及尾部風險(tail risks)產生更大的衝擊。
圖 2.4 是冬季風暴艾略特( Elliott) 的情景,直接取自德州電力調度中心(ERCOT)的每月資源裕度展望(MORA: Monthly Outlook for Resource Adequacy),顯示了運轉備轉容量可用容量(CAFOR: capacity available for operating reserves)的每小時風險評估。決定性(deterministic)分析顯示,在2024年2月的嚴重冬季風暴情景中,ERCOT的規劃備用容量(PRM)約為25%,這表示在尖峰時段可能缺乏可用資源。重要的是,負載預測是全面性的,以便可以進行按時間順序排列的檢討來評估資源裕度。
蒙特卡羅模擬可用於涵蓋大範圍的情景,來計算風險水準。此模擬可以提供瞭解要應付那些尾部風險(亦即:資通網絡及實體風險,包括氣候引起的天氣及環境情況)。新英格蘭電力調度中心(ISO-NE)正在使用的機率能源裕度工具(PEAT: Probabilistic Energy Adequacy Tool)引入了一種創新方式,可以在運轉時間範圍內定量(quantitatively)及機率地(probabilistically)評估極端天氣事件下之能源裕度風險。
ISO-NE 與電力研究院(EPRI: Electric Power Research Institute)合作,開發了用來評估能源裕度風險及系統韌性(resilience)的PEAT。使用PEAT的初步檢討側重於2027年及2032年的檢討年度,以及隨著氣候預測及資源配比之演化,對區域能源短缺風險提供了深入見解。有關更多資訊,請參閱 ISO-NE 關於 PEAT 架構及 2027/2032 年檢討結果的期末報告。
4.1.6 決定資源裕度壓力情景下之輸電能源裕度(Determine transmission energy adequacy for stressed resource adequacy scenarios:):
NERC應促進電業論壇或專案小組來評估潛在機會,以提高電網的強健性(robustness),同時降低某些資源及輸電設施之關鍵性。NERC在2024年執行美國國會授權的跨區轉供能力檢討(ITCS: Interregional Transfer Capability Study)的工作不僅可以提供改進可靠度機會,還可以提高幹線電力系統(BPS)的強健性及韌性。如果不考慮極端條件下對輸電的影響,可能會導致能源短缺及失載。
4.1.7確保規劃人員採用更全面的負載預測方法(Ensure a more comprehensive approach to load forecasting by planners):
由於電力供應與電力系統基礎設施在戰時係涉及國土安全資訊,電力設施的損失與損壞報導必須有所節制,不為敵人所用。為了瞭解烏克蘭電力系統被攻擊轟炸的實際資料很難從媒體報導獲得?最近無意中看到由歐盟(European Commission)資助並由能源憲章秘書處(ECS: Energy Charter Secretariat)執行的「合作恢復烏克蘭能源基礎設施(Cooperation for Restoring the Ukrainian Energy Infrastructure)」計畫,與烏克蘭當局成立的專案小組(Task Force)於2022年8月29日公布了第一版的「烏克蘭能源部門評估及損害評估報告(Ukrainian energy sector evaluation and damage assessment-I)」。之後,每個月底都公布一版,直到2023年6月30日的第十一版。這11本報告可算是比較官方的報導,看到烏克蘭的火力電廠、大水力電廠100%被破壞、損壞及攻擊,令人吃驚,停電停水變成正常例行,真是很難想像?心有戚戚焉!值得幾乎可能遭遇同樣命運的台灣人民了解戰爭的殘酷與人民的痛苦!
損失評估報告( The damage assessment report)係由烏克蘭當局及能源憲章秘書處(ECS: Energy Charter Secretariat)的代表組成的特別專案小組(Task Force)所編寫的,該專案小組是在「合作恢復烏克蘭能源基礎設施(Cooperation for Restoring the Ukrainian Energy Infrastructure)」計畫下成立的,並與其他烏克蘭及國際組織合作。該計畫的總體目標是協助烏克蘭政府以具有成本效益的方式恢復能源基礎設施,同時考慮到清潔能源轉型,以及確保能源安全。該計畫由歐盟委員會(European Commission)資助,由能源憲章秘書處(ECS: Energy Charter Secretariat)執行。
根據烏克蘭國家核監管監察局(SNRIU: State Nuclear Regulatory Inspectorate of Ukraine)的說法,該電廠的所謂俄羅斯「管理」採取了拆除或竊盜核能安全系統重要元件(亦即計算機設備、感測器等)的做法,摧毀了自動緊急應變系統,以及阻止了輻射監測自動化系統的資訊傳輸。
2022年初,汽電共生電廠(CHP: combined heat and power plants)的總裝置容量為610萬瓩(6.1GW)(不包括位於2022年2月24日之前俄羅斯臨時佔領領土的電廠)。大多數汽電共生都使用天然氣作為主要燃料。2021年,汽電共生及汽電共生機組發電量佔烏國總發電量的5.5%。
烏克蘭輸電系統包括 23,600公里的架空線路及141所電壓為110-750 kV的變電所,由烏克蘭國家能源公司(NEC: National Energy Company)「Ukrenergo」輸電調度中心(TSO: transmission system operator)運轉。25%的輸電變電所位於2022年2月24日之前被俄羅斯臨時佔領的領土上,12%的輸電變電所位於2022年2月24日之後被佔領的領土上。
2021年,烏克蘭有6家煉油廠及1家天然氣處理廠(GPP: gas processing plant),總設計石油處理容量超過5,000萬噸/年。儘管如此,實際生產能力約為750萬噸/年。它主要根據兩家處理廠的產能:克列緬丘克(Kremenchuk)煉油廠(高達700萬噸/年)及捨別林卡(Shebelynka)天然氣處理廠(約50萬噸/年)。這兩家處理廠滿足了烏克蘭石油產品需求約25%的需求,2021年為1,235萬噸。
例如,2022年12月18日,俄羅斯媒體通過散佈一封據稱由 NEC Ukrenergo 首席執行官寄給能源部(MoE)的假信來發動信息攻擊。據稱,這封假信要求教育部減少對烏克蘭一些地區的電力供應,以恢復對歐盟國家的電力輸出。因此,俄羅斯媒體試圖製造虛假敘述,並將停電的責任從俄羅斯轉移到烏克蘭,即讓觀眾相信停電是由烏克蘭決策者涉嫌欺騙性的決定造成的,而不是由俄羅斯破壞能源設施的九次大規模飛彈襲擊造成的。DTEK集團還告知其客戶,在社交網路上創建了數十個使用該公司名稱的虛假帳戶,用於散佈虛假資訊,操縱公眾輿論及在烏克蘭公民中散佈恐慌。
執行北美電力可靠度監管工作之北美電力可靠度公司(NERC: North American Electric Reliability Corporation)每年根據規定在年中出版「可靠度狀況報告(SOR:State of Reliability Report)」,評估檢討過去年度的系統可靠度與韌性,提供政策制定者及電業主管客觀、簡潔之資訊及行業人員強而有力之技術支援。NERC的2024 SOR已於2024/6/20公布。NERC轄下的六個區域可靠度機構,也同樣各自檢討本區域的往年可靠度狀況,其中之一的德州可靠度機構(TRE: Texas Reliability Entity, Inc )於今(2024)年6月中公布了「2023可靠度績效及區域風險評估報告(2023 Reliability Performance and Regional Risk Assessment)」及附錄(Appendices)。
附錄 A – 資源裕度詳細分析 (Resource Adequacy Detailed Analysis)
A-A. 發電機性能背景(摘自 NERC GADS 及 GADS-Wind) [Generator Performance Background]
對此分析,發電性能資料係根據北美電力可靠度公司(NERC)「議事規則(Rules of Procedure)」第1600節在發電可用率資料系統(GADS: Generation Availability Data System)及風力可用率資料系統(GADS-Wind)中提報之所需報告。所通報ERCOT GADS及GADS-Wind資料之發電機組數量如下表所示:
表 A.1 :2019~2023年GADS及GADS-Wind 通報機組
A-B.計劃與實際季節性備轉容量之分析 (Analysis of Planned versus Actual Seasonal Operating Reserves)
一次頻率反應係定義為發電機組/發電設施所提供之有效電力出力(real power output)的立即成比例增加或減少,以及系統負載對系統頻率偏差(load in response to system Frequency Deviations)反應而提供之自然有效電力阻尼反應(natural real power dampening response)。該反應的方向是穩定頻率的方向。圖 A.7 顯示了分解為幾個期間之典型頻率擾動。
圖 A.7: 典型系統頻率擾動 (frequency disturbance)曲線
頻率擾動(frequency disturbance)之各個期間係透過不同的指標(metrics)及性能指標(indicators)加以分析。其中兩個關鍵績效指標係根據NERC BAL-002 及 BAL-003 標準中的要求。這些是在可通報的平衡偶發事件發生後15分鐘內區域控制誤差(ACE)之恢復,以及互聯頻率反應維持在或高於互聯頻率反應義務(IFRO: Interconnection Frequency Response Obligation)之水準。
表 A.2 :頻率事件要求及指標
旋轉轉動的渦輪發電機及馬達與電力系統同步互聯所儲存動能(kinetic energy),在偶發事件期間釋放到系統(也稱為慣性反應)。慣性反應在發電或負載跳脫事件後的初始時刻提供重要貢獻,以及決定初始的頻率變化率 (RoCoF: rate of change of frequency)。動能將自動從互聯上的旋轉同步機中提取,來應付突然跳脫的發電量,導致它們減速及頻率下降。慣量的大小取決於與系統同步之發電機及馬達的數量及大小,它決定了頻率下降的速率。較大之慣性降低了頻率的變化率,為一次頻率反應提供了更多的時間來完全部署及遏止頻率下降到高於低頻卸載(UFLS: under-frequency load shed)設定點。因此,隨著以變流器為基礎資源(IBR)的使用增加,慣性條件可能會有很大的變化,因此有必要監視及趨勢分析慣性及RoCoF。
2023年,ERCOT從每年發布四次的傳統資源裕度季節性評估(SARA)過渡到名為每月資源裕度展望(MORA:Monthly Outlook for Resource Adequacy)。SARA及MORA報告做為ERCOT可能需要發出第1級能源緊急警報(EEA1: Energy Emergency Alert Level 1)之風險早期指標,由於在季節性電力尖峰負載期間之備轉容量不足。SARA及MORA報告依賴於預測的資源能力及類似於CDR報告之尖峰負載預測。然而,與CDR不同的是,它結合了發電機的歷史資料及機率,來決定可用於備轉容量之預期資源容量數。
圖E.8: 2018-2023年ERCOT非模型化發電容量 [Non-Modeled Generation Capacity by Fuel Type]
附錄 F – 情勢意識分析之喪失 (Loss of Situational Awareness Analysis)
F-A. EMS喪失及SCADA喪失事件(Loss of EMS and Loss of SCADA Events)
能源管理系統(EMS: Energy Management System)及系統控制與資料蒐集(SCADA: System Control and Data Acquisition)之喪失事件仍然是NERC及各區域的重點領域。第 1 類事件包括調度員喪失遠端監視與控制幹線電力系統(BES)元件之能力、SCADA 遠端末端設備(RTU: Remote Terminal Units)之通信喪失、控制中心間通訊協定(ICCP: Inter-Control Center Communications Protocol)鏈結不可用、喪失透過自動發電控制 (AGC: Automatic Generation Control)遙測及控制發電機組之能力、以及不可接受的狀態估計(State Estimator)或偶發事故分析(Contingency Analysis)解決方案超過30分鐘。
2023年檢討審查之SCADA或EMS喪失事件包括以下內容:
由於與嚴重之局部結冰及大範圍配電停電事故相關的非計劃外部網際網路服務供應商(ISP: Internet Service Provider)喪失,輸電運轉操作(TOP: Transmission Operations)失去了監視及控制能力
TOP 經歷了影響SCADA管理網路之資料安全事件。
由於主/副連接路徑喪失,TOP從主要控制中心(PCC)撤離到後衛控制中心(BCC)。
在防火牆更新後,TOP 完全喪失了監視及控制。
圖F.1: 2013-2023年各年度電能管理系統(EMS)及SCADA系統當機事件 [Loss of EMS and SCADA Events by Year]
圖F.2:2011年以來電能管理系統(EMS)及SCADA系統當機事件持續時間別統計 [Loss of EMS and SCADA Events by Duration Since 2011]
偶發事故FCAS與一次頻率反應(PFR: primary frequency response)協同工作,來協助控制正常運轉頻率範圍(NOFB: Normal Operating Frequency Band)內外之頻率及電力系統不平衡。它與PFR的區別在於,偶發事故FCAS由預留升降載容量及儲能提供,如市場輔助服務報價中所規定的那樣。PFR係根據排程發電機組(scheduled generating unit)或半排程發電機組當時的可用容量及能量之反應;不需要備轉容量或能量。
猶記得台電系統於民國72年2月28日深夜,南北機組出力與電壓自發性發生長達15分鐘的搖擺現象,從中央調度室的發電機出力遙測紀錄器,可以看出振幅大小與時間長短(參考圖2、3),但在電廠機組現場可以聽到轉子呻吟作響,滿驚人的。這種破天荒的現象,後來經研究國外文獻,認為是低頻振盪(Low Frequency Oscillation),也是我們首次聽到這名詞。
當年台電在首次發生低頻振盪現象後,台電即積極引進國外低頻振盪分析程式如EPRI的大型電力系統低頻振盪分析程式(AESOPS)、加拿大水電局之多區域小信號穩定度分析程式(MASS),並與台大合作研究動態穩定度頻域分析程式之應用,完成台電系統適用電力穩定器選擇之研究,裝設幹線系統特性監錄設備。此外,還邀請美加電力專家P.Kundur、F Paul de Mello 、Carson W.Taylor 、John F.Hauer等來台開設電力系統穩定度、電力系統動態與控制分析、大型電力系統回授控制與頻域分析等講座。
1.1 什麼是次同步震盪? (What is a Sub Synchronous Oscillation?)
首先,需要注意的是,次同步震盪並不是一個新現象。次同步震盪是電力系統頻率低於英國50Hz電力頻率之震盪。它們產生於某些輸電設備,諸如發電機組軸(generator shafts)、串聯補償線路(series compensated lines)、勵磁控制器、電力系統穩定器(power system stabilisers)、高壓直流變流器或電力園區模組(power park modules)諸如風力、儲能蓄電池、及太陽能光伏發電場等之電力電子變流器之間的相互作用。如果不加以阻尼,次同步震盪會導致設備損壞、發電跳脫,在最壞的情況下還會導致供電中斷。
在整個調查過程中,ESO與輸電業主及用戶合作。ESO諮詢了研究合作夥伴,來探索研究次同步震盪的新方法。ESO還向愛爾蘭、美國、澳洲及芬蘭的國際電力調度中心尋求運轉經驗,來分享經驗並將他們的知識融入事後調查中。ESO在ESO運轉透明度論壇(Operational Transparency Forum)及全球電力系統轉型聯盟(Global Power System Transformation Consortium)等公共場所展示了ESO的經驗。
ESO採取了多種措施,來確保系統在不斷變化之運轉度環境中的穩定度。ESO已經證明,ESO的敏捷方法可以有效地應付系統穩定度挑戰。「穩定探路者(Stability Pathfinders)」、「穩定度市場(Stability Market)」及「加速主饋線喪失保護(loss of main)修訂計畫」等成功計劃突顯了ESO在實現淨零排放的過程中應付運轉度及穩定度挑戰之方法的有效性。
傳統的SCADA系統無法記錄新出現的次同步震盪之高頻率。需要精細的資料源及相關演算法來提供必要的可見性來應付這種快速現象。為此,ESO正在建立並整合具有震盪監視功能之廣域監視系統(WAMS: Wide Area Monitoring System)。整個輸電系統的PMU資料將被饋送到WAMS中,WAMS將提供系統阻尼及次同步震盪之即時視圖(real time view)。ESO正在建立資料處理能力來啟用這些功能,並與輸電業主協調,以加速PMU設備之推出。
合規過程係抵禦各種技術風險(包括次同步震盪)之第一道防線。ESO認識到ESO在能源電業的核心角色。ESO致力於與開發商及製造廠家分享知識及專業。ESO公佈了一份針對以變流器為基礎之電廠的指南文件,其中說明了一組時域及頻域(time and frequency domains,)之小信號測試,來展示針對潛在震盪之適當阻尼性能。ESO建議作為合規過程的一部分,本指南中說明的測試應由所有用戶執行,來證明足夠的阻尼並降低次同步震盪之風險。ESO計劃公佈類似的同步電廠指南。
世界各地的電力調度中心依賴某些指標來衡量系統強度(system strength),以及確保避免以變流器為基礎的資源系統中之穩定度問題,包括次同步震盪。其中一個指標是短路故障電流水準(short circuit levels)。將短路水準保持在一定值以上可以降低某些技術問題的可能性,但如報告前面所述,短路水準可能不再是系統強度的良好通用指標。為了更好地瞭解以變流器為基礎資源高滲透率下的系統強度指標,ESO啟動了「連接強度(Strength to Connect)」創新計畫。該計畫將檢視那些措施最能指出系統運轉穩定及安全。它將透過模擬具有不同水準之以變流器為基礎資源的樣例電網來分析測試這些措施。此計畫之成果將為ESO的規劃及運轉政策提供資訊。
正如上一節所強調的,不斷增長的EMT能力將使ESO能夠執行進一步的檢討研究,來篩選電網中潛在的次同步震盪問題。在建立分析工具組合的同時,ESO啟動了「自動識別次同步震盪事件(Automated Identification of Sub-Synchronous Oscillations Events)」創新計畫。此計畫將開發及測試可用於EMT環境之頻率掃描工具。這些工具將發現任何潛在的控制交互問題,來相應地解決這些問題。
在開發EMT能力的同時,ESO正在投資資料驅動方法(data-driven approaches)。ESO啟動了「GB系統穩定度資料驅動在線監視及預警(DOME: Data-Driven Online Monitoring and Early Warning for GB System Stability)」計畫。該計畫將檢視測量電網的在線阻抗頻譜是否可以對新出現的震盪提供早期預警,除此之外,是否有可能識別出設備的那些方面應該重新調整來阻尼這些震盪。ESO也與杜倫大學(Durham University)啟動了一個創新計畫,來開發及測試使用PMU資料進行震盪源定位的新方法。
在過去的事件中,ESO使用各種工具及方法,利用事件期間收集的PMU資料來執行事件後分析。其中一種方法是「耗散能量流(dissipating energy flow)」,這是一種基於測量(measurement-based)方法,用來識別次同步震盪的來源。該方法過去在現實生活事件中進行測試,以及證明在同步機器主導系統中之有效性。然而,在像GB這樣以變流器為主的網路中,耗散能量流演算法可能需要修改來分配震盪源。為此,ESO即將與倫敦帝國理工學院(Imperial College)合作啟動一個創新計畫。該計畫將評估現有資料驅動演算法之適用性,來追蹤變流器主導系統中的震盪源,包括耗散能量流方法。此計畫將建立在既有演算法之基礎上,以及開發新的資料驅動技術,來協助ESO進行事件後分析。
透過創新,ESO探索未來潛在的挑戰,提前降低風險。其中一個潛在的挑戰是,當此技術的滲透率非常高時,控制電網形成變流器(grid forming converters)之間的相互作用。ESO即將與伯明罕大學(University of Birmingham)啟動一個創新計畫,來調查研究在電網形成技術之高穿透水準下任何潛在之新類別的次同步震盪。ESO將在此計畫成果的基礎上再接再厲,如果發現進一步的風險,ESO將繼續調整運轉政策及法規。
ESO不斷與世界各地的電力調度中心合作,分享各種技術挑戰之經驗,包括次同步震盪,並以及從世界其他地區面臨的挑戰中學習。例如,ESO正在與澳洲電力市場調度中心(AEMO)密切合作,來交流有關建立與維護大型EMT模型的知識。ESO還與新英格蘭電力調度中心(New England Independent System Operator)合作,學習他們在偵測次同步震盪方面的經驗。此外,ESO還透過全球電力系統轉型聯盟(Global Power System Transformation Consortium)與其他電力調度中心合作,交流知識、經驗及最佳實務。透過這個聯盟,ESO支援發展中國家之電力調度中心的脫碳之旅。
該期末報告於2004年4月5日對外正式公布後,我只專注於238頁報告的十章內有關肇因調查事故分析改善建議本文,對於附錄未加以詳讀,這次重溫814美加大停電期末報告,發現「附錄B:NERC停電事故調查說明及建議制定過程(Appendix B:Description of Outage Investigation and Process for Development of Recommendations)」,其內容有:調查專案小組的組成及職責、美國-加拿大-NERC調查小組、工作小組的職能、資料及資訊之保密性、美國及加拿大相關法律框架、監督及協調、調查第一~四階段調查過程等。跟2014年7月1日版的「NERC停電及擾動事件之應變程序」內容有許多相似之處。我推論十年後NERC 2014年之應變程序應該有參考附錄B的實務制定的。
在第二階段期間,專案小組徵求了加拿大及美國之民眾及專家利益相關者的意見,以制定最終建議。人們被要求對期中報告發表評論,並就強化各國電力系統可靠度的建議提供意見。專案小組透過許多種方法收集了這些資訊,包括公共論壇(public forums)、技術專家之研討班(workshops)以及向加拿大能源資源部(NRCan: Natural Resources Canada)及美國能源部(DOE: Department of Energy)網站遞送電子信。
B.1 專案小組的組成及職責(Task Force Composition and Responsibilities)
專案小組之共同主席(co-chairs)是美國能源部長史賓塞·亞伯拉罕(Spencer Abraham)及加拿大天然資源部長(NRCan)赫伯·達利瓦爾(Herb Dhaliwal)負責第一階段,以及加拿大NRC部長約翰 艾福特( R. John Efford)負責第二階段。其他美國成員包括核能管制委員會(Nuclear Regulatory Commission)主席尼爾斯·迪亞茲(Nils J. Diaz)、國土安全部長(Secretary of Homeland Security)湯姆·李奇(Tom Ridge)及聯邦能源管制委員會(FERC)主席派特·伍德三世(Pat Wood III)。其他加拿大成員是第一階段的副總理(Deputy Prime Minister)約翰·曼利(John Manley)及第二階段的副總理兼公共安全及應急準備部長(Public Safety and Emergency Preparedness)安妮·麥克萊倫(Anne McLellan),加拿大核安全委員會(Canadian Nuclear Safety Commission)主席兼執行長琳達·基恩(Linda J. Keen)及國家能源委員會(National Energy Board)主席肯尼斯·沃爾曼(Kenneth Vollman)。專案小組的協調員(coordinators for the Task Force)是代表美國能源部的吉米 格羅特菲悌(Jimmy Glotfelty)及代表加拿大自然資源部的納瓦爾 卡莫(Nawal Kamel)博士。
在專案小組的監督下,成立了三個由電力系統、核能及資通網絡安全專家組成的調查小組,以調查停電的原因。電力系統調查小組由來自多個美國聯邦機關、美國能源部國家實驗室、加拿大電業界、加拿大國家能源委員會(National Energy Board)、北美電力可靠度理事會(NERC: North American Electric Reliability Council)的工作人員及美國電業界。整個調查小組分為幾個具體負責之分析小組,包括資料管理、決定停電事件順序(SOE: sequence of outage events)、系統建立模型、運轉工具及通信評估、輸電系統性能(績效)、發電機性能(績效)、NERC及管制標準/程序及合規性、系統規劃及設計檢討、植被(vegetation)及輸電線路權(right-of-way)管理、輸電及可靠度投資以及肇因分析(root cause analysis)。
還成立了許多的專家小組(teams of experts),以解決與受停電影響之核能電廠性能有關的問題,以及與幹線電力基礎設施有關的實體及資通網路安全問題。安全及核能調查小組也有聯絡員,他們與上述各種電力系統調查小組密切合作。
三個工作小組[亦即電力系統工作小組(Electric System Working Group)、核能工作小組(Nuclear Working Group)及安全工作小組(Security Working Group)]的美國及加拿大共同主席指定了由調查小組完成之調查任務。這些調查結果被綜合成一份期中報告(Interim Report),反映了三個調查小組及工作小組的結論。在第二階段,期中報告透過從技術會議(technical conferences)收集之新資訊、額外的建立模型及分析以及公眾意見得到了強化。決定期中報告及期末(最終)報告何時完成以及適合向民眾公布,係美國-加拿大專案小組及調查共同主席的責任。
B.4 資料及資訊之保密性(Confidentiality of Data and Information)
能源部長指示能源部(DOE)收集資訊以及執行調查,查明原因或2003年8月14日停電之肇因。在啟動這項工作時,部長根據1974年「能源供應及環境協調法(Energy Supply and Environmental Coordination Act)」第11條及1974年「聯邦能源管理法(Federal Energy Administration Act)」第13條行使其權力,收集與能源有關的資訊並進行調查。這項權力給他及能源部能夠收集他認為必要的能源資訊,以協助制定能源政策,在合理之時間及以合理的方式執行調查,以及在能源設施及商業場所進行實地檢查。此外,能源部可以清點及取樣其中的任何燃料或能源庫存,檢查及複製已經或正在彙編能源資訊的記錄、報告及文件,並在它認為必要時詢問這些人。美國能源部與加拿大自然資源部及NERC密切合作進行調查。
達利瓦爾(Herb Dhaliwal)部長作為負責加拿大自然資源的部長,被總理柯里田(Chrétien)任命為加拿大專案小組的共同主席。Dhaliwal部長與他的美國共同主席、能源部長亞伯拉罕以及NERC與其省級同行密切合作,履行了他的職責。當NRCan部長約翰 艾福特( R. John Efford)擔任新的加拿大共同主席時,他繼續與亞伯拉罕部長及三個工作小組密切合作。
建立與停電相關事件精確及準確的順序是調查其他部分的關鍵組成區塊。發展此順序的關鍵問題之一是,儘管與事件相關的許多資料都帶有時間戳(time-stamped),但時間戳的完成方式因來源而異,並且並非所有時間戳都與科羅拉多州波德(Boulder , CO.)的國家標準與技術研究院(NIST: National Institute of Standards and Technology )標準時鐘同步。 驗證特定事件的時間成為一項很大、重要以及有時甚至是艱巨之任務。這項工作對於專案小組於9月12日發布停電事故「時間表(timeline)」也至關重要。時間表按順序簡要說明了導致停電連鎖階段之主要事件的引發,然後是連鎖本身。然而,時間表並不是為了解決所說明的事件之間的因果關係,也不是為了指定停電的過錯或責任。時間表中的所有時間均為東部夏令時間(Eastern Daylight Time)。
B.7.5 系統建立模型及模擬分析(System Modeling and Simulation Analysis)
系統建立模型及模擬小組(SMST: system modeling and simulation team)複製了在8月14日系統情況以及事件導致成為大停電過程。該模型反映了電氣系統的狀態。一旦在8月14日選定的關鍵時刻以實際情況為基準點(benchmarked),它允許分析師執行一系列敏感性檢討,以決定系統在連鎖事故之前的每個時間點是否穩定並在限制範圍內。該分析還確認了系統何時變得不穩定,並允許分析師測試諸如卸載(load-shedding)等措施是否會阻止連鎖事故。
在第一階段,植被/線下路權小組(Vegetation/Right of Way Team)對8月14日在第一能源公司(First Energy),戴頓電力&電燈公司(Dayton Power &Light)及新納基電力(Cinergy)服務轄區內發生的樹木及導體之間的碰觸進行了實地調查。該小組還檢查了從這些及其他公用事業公司的資料請求中所獲得的詳細資訊,包括這些線路上的樹木碰觸的歷史停電事故。這些發現已包含在期中報告以及有關電力公司植被管理的詳細說明,並PO在 http://www ferc.gov/cust-protect/moi/uvm-initial-report.pdf 網頁上。
該小組還要求停電地區的公用事業委員會(PUC: public utility commissions)提供有關州對輸電植被管理及線下路權(ROW: Right of Way)維護之任何要求的資訊。從第一階段開始,一直持續到第二階段,植被/ROW小組詳細檢討了上述三家電力公司的植被管理及ROW維護實務,並將其與北美公認的公用事業實務(慣例)進行了比較。審查檢討的問題包括與土地業主的ROW法律許可協定、預算、樹木修剪週期、組織架構及除草劑之使用。透過FERC聘請的CNUC顧問公司(CN Utility Consulting)來支援停電調查,植被/線下路權(Vegetation/ROW)小組也指認了輸電 ROW 管理的「最佳實務(best practices)」。他們使用這些實務來評估8月14日線路停電事故中涉及的三家電力公司的績效,並評估公用事業植被管理實務的有效性。
在2004年3月2日,FERC 公佈了 CNUC顧問公司的「公用事業植被管理期末報告(Utility Vegetation Management Final Report)」(詳見 http://www.ferc.gov/cust-protect/ moi/uvm-final-report.pdf)。
調查小組使用了一種稱為「肇因分析(root cause analysis)」的技術來幫助指導整個調查過程,以指認導致俄亥俄州停電的肇因及促成因素(contributing factors)。肇因分析小組與技術調查小組密切合作,提供回饋及對其他資訊的查詢。此外,根據需要利用其他資料來源、肇因分析驗證了有關導致停電事故之條件及作為(或不作為)的事實。
B.8.1系統規劃、設計及檢討小組(System Planning, Design and Studies Team)
系統規劃、設計及檢討小組(SPDST)檢討了俄亥俄州及中東區可靠度協調協議(ECAR: East Central Area Reliability Coordination Agreement (ECAR))地區之無效電力管理、交易排程、系統檢討及系統運轉限制。除了在調查資料倉庫中的資料外,該小組還向六個控制區(電力公司)及可靠度協調中心(包括第一能源First Energy)送交了六項綜合資料請求,來為其分析奠定基礎。該小組檢討了無效電力及電壓管理政策、實務及準則,並將其與受影響地區及鄰近系統的實際及模擬系統條件相互比較。他們於2003年8月評估了評估及批准交易排程及標籤(tags)之過程以及這些排程與交易之協調情況,並於8月14日檢討了標記交易對關鍵設施的影響。同樣,該小組於8月14日審查檢討了受影響地區有效的系統運轉限值,這些限值是如何確定的,以及這些限值是否適合2003年8月存在的電網。他們回顧檢討了FirstEnergy及ECAR在2003年及前幾年進行的系統檢討,包括這些檢討中使用的方法及假設,以及這些方法及假設是如何在相鄰的控制區及理事會之間協調的。
B8.3 連鎖停電事故之動態模型建立(Dynamic Modeling of the Cascade)
這項工作是系統建立模型及模擬小組(System Modeling and Simulation team)在第一階段所做工作的產物,由NPCC系統檢討-跨區域動態分析第38工作小組組成的小組進行,並由來自ECAR、MISO、PJM及SERC區域可靠度機構的代表補充。從第一階段開發的定態(steady-state)電力潮流開始,他們從美國東部時間16:05:50開始,透過一系列先是定態,然後是動態模擬,以了解整個電網的條件如何變化,從而將分析向前推進。
該小組的工作得到了幫助,因為能夠從調查之外的各個團體所完成之有關停電的檢討及報告中學習,包括俄亥俄州公用事業委員會(Public Utility Commission)、密西根州公共服務委員會(Public Service Commission)、紐約電力調度中心(New York ISO)、ECAR及紐約州公共服務委員會。
除了電力系統調查工作外,安全及核能調查小組執行了額外的分析,並用其他調查結果更新了他們的期中報告。
B.9 專案小組建議之準備(Preparation of Task Force Recommendations)
公眾及利益相關者之意見係制定專案小組建議的一個重要組成部分。收到的意見涉及廣泛的主題,包括可靠度標準之執行、改善溝通、對緊急情況之應變計劃以及評估市場結構之必要性。請參閱附錄 C 有關貢獻者(contributors)清單。