釋放電網(wǎng)潛能

更靈活、更穩(wěn)定的電網(wǎng)運(yùn)作是實(shí)現(xiàn)未來清潔能源的關(guān)鍵，無(wú)線監(jiān)控可為實(shí)現(xiàn)這一潛能發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

在歷史上最大規(guī)模的一次停電事件中，超過7 億人口在大范圍停電后陷入黑暗，這個(gè)數(shù)目比當(dāng)時(shí)整個(gè)歐洲的人口還要多。

發(fā)生地點(diǎn)是2012 年的印度，那時(shí)酷暑將要結(jié)束。對(duì)于這個(gè)世界上最大的國(guó)家的公民來說，空調(diào)斷電只是小事。交通燈被切斷，外科手術(shù)室關(guān)門，礦工被困在井下電梯里。而且在混亂中，電力火葬場(chǎng)也停止了運(yùn)作。當(dāng)時(shí)人們非常關(guān)注電力系統(tǒng)的存在理由，即是要實(shí)現(xiàn)可靠的能源供應(yīng)。

幾個(gè)月后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，停電事故的一個(gè)關(guān)鍵因素就是人們無(wú)法看到電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生的情況。調(diào)查顯示，由于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商忙于維護(hù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，而忽略了對(duì)相關(guān)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的及時(shí)分析，從而難以發(fā)現(xiàn)負(fù)載與供應(yīng)不平衡的狀況，最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

對(duì)于全球能源行業(yè)來說，這是一個(gè)需要警惕的重大教訓(xùn)；能源行業(yè)正在迅速轉(zhuǎn)向可再生能源以減少碳排放，這一轉(zhuǎn)變肯定會(huì)給電網(wǎng)帶來更多的復(fù)雜性。為了適應(yīng)復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)未來全球更清潔能源的共同愿望，電網(wǎng)需要更好地利用數(shù)據(jù)從而變得更智能、更可靠。

事實(shí)上，世界許多地方的電網(wǎng)已經(jīng)面對(duì)重重困難。咨詢公司麥肯錫稱，盡管投入了大量資金，但自2000年以來，美國(guó)發(fā)生重大電力中斷事件的頻率和嚴(yán)重程度均有所增加?？紤]到美國(guó)電網(wǎng)中70% 的電力變壓器已使用25 年及以上，60% 的斷路器已使用30 年及以上，以及70% 的輸電線路已使用25 年及以上，這種狀況也就不足為奇了。歐洲地區(qū)電網(wǎng)也有關(guān)于老化基礎(chǔ)設(shè)施的類似觀察數(shù)據(jù)。

1   絕望真相？

老化的電力基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在必須應(yīng)對(duì)可再生能源的引入。全球范圍的政治領(lǐng)導(dǎo)人、行業(yè)和公民已經(jīng)覺醒，推動(dòng)這種改變是必要的。美國(guó)總統(tǒng)拜登于2021 年4月承諾，美國(guó)到2035 年將實(shí)現(xiàn)100% 無(wú)碳污染電力供應(yīng)。英國(guó)也制定了到2050 年實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)是以可再生能源的增長(zhǎng)為基礎(chǔ)的。

雖然這些轉(zhuǎn)變對(duì)地球的益處是顯而易見的，然而，轉(zhuǎn)向可再生能源確實(shí)給電網(wǎng)帶來了難題，電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建造，原本是為了支持能源通過廣泛的輸配電網(wǎng)絡(luò)從基荷電站到消費(fèi)者的單向流動(dòng)。

而現(xiàn)在，相同的電力基礎(chǔ)設(shè)施必須適應(yīng)分布式發(fā)電，甚至能源的雙向流動(dòng)，因?yàn)樽罱K用戶會(huì)將多余的電力從屋頂太陽(yáng)能電池板回饋到電網(wǎng)。

全新類別的設(shè)備（太陽(yáng)能電池板、電動(dòng)汽車（EV）及其充電站、熱泵和電池）的使用，也表明電網(wǎng)必須進(jìn)行發(fā)展演進(jìn)，以支持能源消費(fèi)模式的根本轉(zhuǎn)變。在電動(dòng)汽車方面，麥肯錫表示，雖然汽車銷量的增加不太可能增加總體電力需求，但是將會(huì)重塑電力負(fù)荷曲線。

該公司報(bào)告稱：“除了峰值負(fù)載增加（因?yàn)槿藗冊(cè)诟咝枨髸r(shí)段一起插入電動(dòng)汽車充電），公共快速充電站的高度波動(dòng)和峰值負(fù)載情況亦需要額外的系統(tǒng)平衡。”

“系統(tǒng)平衡”的概念可能是最大的挑戰(zhàn)，電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性取決于運(yùn)營(yíng)商在電網(wǎng)中保持發(fā)電和需求之間的平衡狀態(tài)。不平衡會(huì)影響交流電頻率，進(jìn)而可能導(dǎo)致崩潰和停電。

在這種情況下，可再生能源帶來了一個(gè)棘手的問題，它可以是高度可變的（有時(shí)云層遮住了太陽(yáng)，風(fēng)力減弱了）。在電網(wǎng)中增加可再生能源的比例（正如許多國(guó)家的目標(biāo)）本質(zhì)上增加了發(fā)電的可變性。隨著電力行業(yè)轉(zhuǎn)向可再生能源，能源運(yùn)營(yíng)商平衡電網(wǎng)和確?？煽侩娏?yīng)的責(zé)任變得更具挑戰(zhàn)性。

2   數(shù)據(jù)是新的石油

升級(jí)電網(wǎng)以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。根據(jù)國(guó)際能源署（International Energy Agency）預(yù)測(cè)，到2030 年需要超過3 000 億美元投資才能滿足全球電網(wǎng)現(xiàn)代化改造的需求。

“數(shù)據(jù)是新的石油”這句話凸顯了數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)分析在推動(dòng)人類社會(huì)向前發(fā)展的進(jìn)程中，發(fā)揮的重要作用。鑒于這句話的中心是碳?xì)浠衔铮@一概念引起能源運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注是不足為奇的。能源行業(yè)的一些運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為，更多地使用計(jì)算機(jī)化和數(shù)據(jù)，可以促進(jìn)該行業(yè)提供更清潔、更可靠的能源。

澳大利亞能源部門政策制定者Kerry Schott 表示：“我們存在數(shù)據(jù)盲點(diǎn)，表明電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、發(fā)電廠和網(wǎng)絡(luò)無(wú)法完全了解屋頂太陽(yáng)能等新技術(shù)如何影響可靠和安全的電力供應(yīng)，這意味著網(wǎng)絡(luò)對(duì)太陽(yáng)能電力施加了通常不必要的限制，以避免對(duì)能源系統(tǒng)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。并且人們難以確定需要額外發(fā)電、電線桿和電線的具體要求、地點(diǎn)和時(shí)間?！?/p>

“智能電網(wǎng)”旨在消除這些盲點(diǎn)。但它們的作用還不止于此；歐盟委員會(huì)（EC）表示，智能電網(wǎng)是“能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式整合所有連接到它的用戶的行為和操作的電力網(wǎng)絡(luò)，包括發(fā)電機(jī)、消費(fèi)者以及那些既發(fā)電又消費(fèi)的用戶，以確保實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的可持續(xù)的電力系統(tǒng)，具有低損耗和高質(zhì)量、供電安全和安全性?！?/p>

簡(jiǎn)而言之，智能電網(wǎng)是可以更加有效、可靠和可持續(xù)地管理，并且具有更多數(shù)據(jù)以了解其組件運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。幸運(yùn)的是，這并不需要整個(gè)更換當(dāng)前的電網(wǎng)。

Nordic Semiconductor 業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Lorenzo Amicucci表示：“可以通過將傳感器、連接儀表和其他設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入現(xiàn)有的電網(wǎng)中，并利用快速發(fā)展的通信和數(shù)據(jù)分析技術(shù)來收集數(shù)據(jù)和提供全新的有意義的意見和功能，從而構(gòu)建未來的智能電網(wǎng)?！?/p>

3   自我修復(fù)的電網(wǎng)

首先發(fā)生也是最有影響力的變化可能是更智能化的電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)。通常，當(dāng)消費(fèi)者抱怨電力中斷時(shí)，運(yùn)營(yíng)商就會(huì)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障。即使電力企業(yè)本身發(fā)現(xiàn)了電網(wǎng)區(qū)段的停電，將故障隔離到特定設(shè)備，也需要派遣技術(shù)人員外出作業(yè)和花費(fèi)大量時(shí)間來查明故障。

Amicucci 表示：“這種響應(yīng)式方法要花費(fèi)許多時(shí)間在檢測(cè)和解決問題方面，這意味著電力中斷要持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。通過使用連接的傳感器，日后就會(huì)有更好的解決方式?！?/p>

斯洛文尼亞Irnas 公司開發(fā)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控電網(wǎng)和避雷器的設(shè)備“RAM-1”，可以安裝在電線桿上?！癛AM-1”集成了電壓、溫度、加速度計(jì)和浪涌計(jì)數(shù)器傳感器，可以監(jiān)控那些指示可能導(dǎo)致停電故障的變量。例如，傳感器可以檢測(cè)到表明發(fā)生火災(zāi)的過高溫度，而來自其他傳感器的數(shù)據(jù)則可以表明輸電塔倒塌或電涌。由于電網(wǎng)覆蓋數(shù)千公里，要找到故障的確切位置也很困難，并且需要運(yùn)營(yíng)商關(guān)閉大部分電網(wǎng)以確保安全。RAM-1 設(shè)備使用Nordic Semiconductor 的nRF9160 SiP，它具有內(nèi)置的GPS 功能，可以精確地傳遞故障位置數(shù)據(jù)。Amicucci 表示：“nRF9160 具有執(zhí)行邊緣處理的能力，這意味著只傳輸關(guān)于故障的最關(guān)鍵信息，而無(wú)需花費(fèi)高昂成本來傳輸所有通過無(wú)線鏈路的原始數(shù)據(jù)?！?/p>

在連接方面，nRF9160 支持LPWAN 蜂窩技術(shù)LTE-M 和NB-IoT。這些解決方案非常適用于智能電網(wǎng)，因?yàn)樗鼈兂浞掷昧爽F(xiàn)有的和面向未來的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（未來5G 網(wǎng)絡(luò)將支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)），并且具有低功耗。因此，RAM-1 可以在現(xiàn)場(chǎng)使用長(zhǎng)達(dá)20 年時(shí)間，僅使用初級(jí)Li-MnO2 電池，這優(yōu)勢(shì)使得RAM-1 可以安裝在分布于廣闊區(qū)域的電線桿上。

借助來自物聯(lián)網(wǎng)傳感器的更精確的狀態(tài)信息，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以采取措施主動(dòng)檢測(cè)和隔離故障并在停電時(shí)恢復(fù)供電。這包括使用控制系統(tǒng)和開關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（例如自動(dòng)電路重合器（ACR）），從而將電力重新定向傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中受影響的部分。這種能力被稱為“自我修復(fù)（self-healing）”，并且具有深遠(yuǎn)的好處。根據(jù)美國(guó)能源部報(bào)告，自我修復(fù)和“配電自動(dòng)化”技術(shù)將客戶經(jīng)歷電力中斷的時(shí)間減少 51%，并且將遭受影響的客戶總數(shù)減少45%。

其他公用事業(yè)公司也可從這種方法中受益。天然氣和供水管道通常穿越很遠(yuǎn)的距離，必須應(yīng)對(duì)從沙漠的酷熱到強(qiáng)烈的水下壓力等各種環(huán)境。這方面的故障很常見，僅在美國(guó)，液體管道事故每年就造成3.26 億美元損失，并且可能由一系列事件引起，包括結(jié)構(gòu)故障、施工活動(dòng)和冰凍天氣。就天然氣而言，泄漏不僅會(huì)影響供應(yīng)的可靠性，還會(huì)引起明顯的公共安全問題。及時(shí)檢測(cè)和修復(fù)泄漏當(dāng)然是必不可少的。

定位管道中的故障（如配電輸送可能跨越數(shù)千公里距離）通常需要昂貴的設(shè)備和試錯(cuò)（trial-anderror）操作。日本物聯(lián)網(wǎng)解決方案公司Braveridge 開發(fā)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以更快速地識(shí)別故障。該系統(tǒng)使用傳感器記錄燃?xì)夤艿纼?nèi)外的氣壓，并且確定壓力差是否指示存在泄漏。這個(gè)系統(tǒng)使用了Nordic 的nRF9160 SiP，因而在本地執(zhí)行計(jì)算，內(nèi)置GPS 提供了精確的故障定位。通過使用LTE-M 蜂窩連接，可將數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)焦芾韴F(tuán)隊(duì)使用的云平臺(tái)，管理團(tuán)隊(duì)可以指引維修人員到達(dá)故障的精確位置，加快維修速度并最大限度地減少危險(xiǎn)。

4   保持良好的平衡

讓我們回到電網(wǎng)方面，傳感器技術(shù)和自我修復(fù)能力的引入，有望提高電網(wǎng)的韌性。然而，隨著可再生能源的引入，故障并不是現(xiàn)代電網(wǎng)維持穩(wěn)定所需應(yīng)對(duì)的唯一突發(fā)事件。可再生能源的不斷增長(zhǎng)，意味著發(fā)電量的巨大變化。在負(fù)載方面，屋頂太陽(yáng)能電池板和電池等“儀表后（behind-the-meter）”系統(tǒng)的增長(zhǎng)，通常超出了電力企業(yè)的視野范圍，也使得負(fù)荷預(yù)測(cè)變得更加困難了。

能源行業(yè)顧問兼作家Peter Fox-Penner 表示，在未來的電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)平衡需要一種更加動(dòng)態(tài)、敏捷和靈活的方法，這可以通過提高電網(wǎng)所有部分的電力流動(dòng)的可見性來實(shí)現(xiàn)。

他表示：“整個(gè)電力系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，每時(shí)每刻都在平衡供應(yīng)和需求，這意味著對(duì)發(fā)電機(jī)的控制非常重要。然而，如果確實(shí)擁有有關(guān)電網(wǎng)上所有流量的最新信息，則可以應(yīng)對(duì)更多的可變性。智能電網(wǎng)將非常精細(xì)地監(jiān)控一切細(xì)節(jié)，并且反應(yīng)速度非?？?，因此如果風(fēng)速下降或大云層形成減少了太陽(yáng)能輸出，運(yùn)營(yíng)商將會(huì)有時(shí)間來啟動(dòng)另一個(gè)發(fā)電廠?！?/p>

Amicucci 表示先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施或“智能電表”在這里至關(guān)重要。智能電表可以深入了解客戶家中的電力使用情況，它們還可以通過傳輸和分配來測(cè)量能源的流動(dòng)和輸出，提供可以極大地幫助電網(wǎng)管理的數(shù)據(jù)。集成智能電表還可以了解電表背后的系統(tǒng)。

雖然開關(guān)和ACR 等關(guān)鍵電網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)繼續(xù)使用有線連接，但Amicucci 預(yù)計(jì)業(yè)界會(huì)更多地使用LPWAN 連接來傳輸智能電表等設(shè)備的數(shù)據(jù)。他解釋道：“數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的智能電表正在世界各地部署。如果想要跟上步伐并連接所有這些設(shè)備，很難通過需要額外網(wǎng)絡(luò)和物理基礎(chǔ)設(shè)施的有線連接來做到這一點(diǎn)。相反地，運(yùn)營(yíng)商越來越多地轉(zhuǎn)向成熟、安全的遠(yuǎn)程無(wú)線連接選項(xiàng)，例如可以擴(kuò)展和發(fā)展的NB-IoT 和LTE-M 連接。”

隨著能源的來源變得更加分散和分布式，邊緣處理能力對(duì)于維持電網(wǎng)平衡變得更加重要。一些人士擔(dān)心，通過長(zhǎng)距離將影響分布式能源的浪涌和電壓波動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)進(jìn)行處理，并將操作動(dòng)作傳回將會(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間。這使得本地解決方案（在邊緣處理數(shù)據(jù)和做出決策）變得越來越重要。網(wǎng)絡(luò)安全是另一個(gè)重要的考慮因素。今年五月當(dāng)此類威脅破壞了美國(guó)Colonial 公司的管道時(shí)，當(dāng)局已經(jīng)在密切關(guān)注關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施提供商如何應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)，此次攻擊導(dǎo)致天然氣供應(yīng)中斷了將近一周。

從理論上講，將新技術(shù)融入電網(wǎng)可能會(huì)帶來更多的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)實(shí)情況是，電力公司用于故障檢測(cè)和監(jiān)控的許多技術(shù)都基于日益老化的專有系統(tǒng)，它們更容易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

向智能電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，是整合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的機(jī)會(huì)，這些網(wǎng)關(guān)的組件在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了安全性，并且使用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，更可以針對(duì)新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)威脅進(jìn)行更新。例如，Nordic 的nRF9160 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案通過使用Arm TrustZone 強(qiáng)制隔離關(guān)鍵組件硬件，并通過 Arm CryptoCell 提供安全層。

5   能源互聯(lián)網(wǎng)

對(duì)于具有更多互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能源系統(tǒng)，即“能源互聯(lián)網(wǎng)”，正如一些人所創(chuàng)造的，最大的賣點(diǎn)可能是它可為多方帶來益處。對(duì)于最終用戶而言，提供了更可靠的能源供應(yīng)與更低的能源成本，尤其是智能電網(wǎng)，可讓消費(fèi)者能夠更好地管理自己的能源應(yīng)用，并且可以獲得屋頂太陽(yáng)能電池板等提供的可再生能源。除了能夠更好地管理供應(yīng)的可靠性之外，能源運(yùn)營(yíng)商和公用事業(yè)公司還將受益于維護(hù)成本的降低，特別是通過更主動(dòng)的故障檢測(cè)和使用遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少依賴現(xiàn)場(chǎng)工作人員修復(fù)網(wǎng)絡(luò)故障（這些員工現(xiàn)在占據(jù)公用事業(yè)公司工資費(fèi)的40%）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電力公司還可以通過更好地利用有關(guān)能源使用的數(shù)據(jù)來擴(kuò)大和深化與客戶的關(guān)系。

政府和政策制定者對(duì)于從智能電網(wǎng)生成和收集數(shù)據(jù)是歡迎的，這將提供對(duì)于當(dāng)前和未來能源消耗的重要了解，并為未來電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃提供信息。

然而，長(zhǎng)久的贏家將是地球。在全球范圍內(nèi)，能源部門仍然是最大的碳排放源。盡管電力在電路中的傳輸路徑可能是明顯的，但對(duì)于能源部門來說，有意義的減排之路并不總是明顯的。而通過使用智能電網(wǎng)，這條道路就變得更清晰了。

上圖Irnas 的RAM-1 設(shè)備集成了電壓、溫度、加速度計(jì)和浪涌計(jì)數(shù)器傳感器，可以監(jiān)控一些變量以發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致停電的故障。

上圖Braveridge 的遠(yuǎn)程監(jiān)控燃?xì)夤艿老到y(tǒng)使用傳感器記錄燃?xì)夤艿纼?nèi)外的氣壓，并確定壓力差是否表明存在泄漏。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）