釋放電網潛能

更靈活、更穩(wěn)定的電網運作是實現(xiàn)未來清潔能源的關鍵，無線監(jiān)控可為實現(xiàn)這一潛能發(fā)揮至關重要的作用。

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，這個數(shù)目比當時整個歐洲的人口還要多。

發(fā)生地點是2012 年的印度，那時酷暑將要結束。對于這個世界上最大的國家的公民來說，空調斷電只是小事。交通燈被切斷，外科手術室關門，礦工被困在井下電梯里。而且在混亂中，電力火葬場也停止了運作。當時人們非常關注電力系統(tǒng)的存在理由，即是要實現(xiàn)可靠的能源供應。

幾個月后調查發(fā)現(xiàn)，停電事故的一個關鍵因素就是人們無法看到電網運行中發(fā)生的情況。調查顯示，由于電網運營商忙于維護復雜網絡的正常運行，而忽略了對相關設備故障數(shù)據(jù)的及時分析，從而難以發(fā)現(xiàn)負載與供應不平衡的狀況，最終導致了事故的發(fā)生。

對于全球能源行業(yè)來說，這是一個需要警惕的重大教訓；能源行業(yè)正在迅速轉向可再生能源以減少碳排放，這一轉變肯定會給電網帶來更多的復雜性。為了適應復雜性并實現(xiàn)未來全球更清潔能源的共同愿望，電網需要更好地利用數(shù)據(jù)從而變得更智能、更可靠。

事實上，世界許多地方的電網已經面對重重困難。咨詢公司麥肯錫稱，盡管投入了大量資金，但自2000年以來，美國發(fā)生重大電力中斷事件的頻率和嚴重程度均有所增加?？紤]到美國電網中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)電網也有關于老化基礎設施的類似觀察數(shù)據(jù)。

1   絕望真相？

老化的電力基礎設施現(xiàn)在必須應對可再生能源的引入。全球范圍的政治領導人、行業(yè)和公民已經覺醒，推動這種改變是必要的。美國總統(tǒng)拜登于2021 年4月承諾，美國到2035 年將實現(xiàn)100% 無碳污染電力供應。英國也制定了到2050 年實現(xiàn)凈零排放的目標，這個目標是以可再生能源的增長為基礎的。

雖然這些轉變對地球的益處是顯而易見的，然而，轉向可再生能源確實給電網帶來了難題，電網的設計和建造，原本是為了支持能源通過廣泛的輸配電網絡從基荷電站到消費者的單向流動。

而現(xiàn)在，相同的電力基礎設施必須適應分布式發(fā)電，甚至能源的雙向流動，因為最終用戶會將多余的電力從屋頂太陽能電池板回饋到電網。

全新類別的設備（太陽能電池板、電動汽車（EV）及其充電站、熱泵和電池）的使用，也表明電網必須進行發(fā)展演進，以支持能源消費模式的根本轉變。在電動汽車方面，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，但是將會重塑電力負荷曲線。

該公司報告稱：“除了峰值負載增加（因為人們在高需求時段一起插入電動汽車充電），公共快速充電站的高度波動和峰值負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)，電力供應的穩(wěn)定性和可靠性取決于運營商在電網中保持發(fā)電和需求之間的平衡狀態(tài)。不平衡會影響交流電頻率，進而可能導致崩潰和停電。

在這種情況下，可再生能源帶來了一個棘手的問題，它可以是高度可變的（有時云層遮住了太陽，風力減弱了）。在電網中增加可再生能源的比例（正如許多國家的目標）本質上增加了發(fā)電的可變性。隨著電力行業(yè)轉向可再生能源，能源運營商平衡電網和確?？煽侩娏呢熑巫兊酶咛魬?zhàn)性。

2   數(shù)據(jù)是新的石油

升級電網以應對挑戰(zhàn)，是一項艱巨的任務。根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）預測，到2030 年需要超過3 000 億美元投資才能滿足全球電網現(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)字技術和數(shù)據(jù)分析在推動人類社會向前發(fā)展的進程中，發(fā)揮的重要作用。鑒于這句話的中心是碳氫化合物，這一概念引起能源運營商的關注是不足為奇的。能源行業(yè)的一些運營商認為，更多地使用計算機化和數(shù)據(jù)，可以促進該行業(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，表明電網運營商、發(fā)電廠和網絡無法完全了解屋頂太陽能等新技術如何影響可靠和安全的電力供應，這意味著網絡對太陽能電力施加了通常不必要的限制，以避免對能源系統(tǒng)造成安全風險。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、地點和時間。”

“智能電網”旨在消除這些盲點。但它們的作用還不止于此；歐盟委員會（EC）表示，智能電網是“能夠以經濟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絡，包括發(fā)電機、消費者以及那些既發(fā)電又消費的用戶，以確保實現(xiàn)經濟高效的可持續(xù)的電力系統(tǒng)，具有低損耗和高質量、供電安全和安全性?！?/p>

簡而言之，智能電網是可以更加有效、可靠和可持續(xù)地管理，并且具有更多數(shù)據(jù)以了解其組件運行的網絡。幸運的是，這并不需要整個更換當前的電網。

Nordic Semiconductor 業(yè)務發(fā)展經理Lorenzo Amicucci表示：“可以通過將傳感器、連接儀表和其他設備等物聯(lián)網技術引入現(xiàn)有的電網中，并利用快速發(fā)展的通信和數(shù)據(jù)分析技術來收集數(shù)據(jù)和提供全新的有意義的意見和功能，從而構建未來的智能電網。”

3   自我修復的電網

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狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測。通常，當消費者抱怨電力中斷時，運營商就會發(fā)現(xiàn)電網故障。即使電力企業(yè)本身發(fā)現(xiàn)了電網區(qū)段的停電，將故障隔離到特定設備，也需要派遣技術人員外出作業(yè)和花費大量時間來查明故障。

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

斯洛文尼亞Irnas 公司開發(fā)了一種遠程監(jiān)控電網和避雷器的設備“RAM-1”，可以安裝在電線桿上?！癛AM-1”集成了電壓、溫度、加速度計和浪涌計數(shù)器傳感器，可以監(jiān)控那些指示可能導致停電故障的變量。例如，傳感器可以檢測到表明發(fā)生火災的過高溫度，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，并且需要運營商關閉大部分電網以確保安全。RAM-1 設備使用Nordic Semiconductor 的nRF9160 SiP，它具有內置的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，這意味著只傳輸關于故障的最關鍵信息，而無需花費高昂成本來傳輸所有通過無線鏈路的原始數(shù)據(jù)?！?/p>

在連接方面，nRF9160 支持LPWAN 蜂窩技術LTE-M 和NB-IoT。這些解決方案非常適用于智能電網，因為它們充分利用了現(xiàn)有的和面向未來的網絡基礎設施（未來5G 網絡將支持蜂窩物聯(lián)網），并且具有低功耗。因此，RAM-1 可以在現(xiàn)場使用長達20 年時間，僅使用初級Li-MnO2 電池，這優(yōu)勢使得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)網傳感器的更精確的狀態(tài)信息，電網運營商可以采取措施主動檢測和隔離故障并在停電時恢復供電。這包括使用控制系統(tǒng)和開關基礎設施（例如自動電路重合器（ACR）），從而將電力重新定向傳輸?shù)骄W絡中受影響的部分。這種能力被稱為“自我修復（self-healing）”，并且具有深遠的好處。根據(jù)美國能源部報告，自我修復和“配電自動化”技術將客戶經歷電力中斷的時間減少 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的距離，必須應對從沙漠的酷熱到強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，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，包括結構故障、施工活動和冰凍天氣。就天然氣而言，泄漏不僅會影響供應的可靠性，還會引起明顯的公共安全問題。及時檢測和修復泄漏當然是必不可少的。

定位管道中的故障（如配電輸送可能跨越數(shù)千公里距離）通常需要昂貴的設備和試錯（trial-anderror）操作。日本物聯(lián)網解決方案公司Braveridge 開發(fā)了一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以更快速地識別故障。該系統(tǒng)使用傳感器記錄燃氣管道內外的氣壓，并且確定壓力差是否指示存在泄漏。這個系統(tǒng)使用了Nordic 的nRF9160 SiP，因而在本地執(zhí)行計算，內置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隊使用的云平臺，管理團隊可以指引維修人員到達故障的精確位置，加快維修速度并最大限度地減少危險。

4   保持良好的平衡

讓我們回到電網方面，傳感器技術和自我修復能力的引入，有望提高電網的韌性。然而，隨著可再生能源的引入，故障并不是現(xiàn)代電網維持穩(wěn)定所需應對的唯一突發(fā)事件?？稍偕茉吹牟粩嘣鲩L，意味著發(fā)電量的巨大變化。在負載方面，屋頂太陽能電池板和電池等“儀表后（behind-the-meter）”系統(tǒng)的增長，通常超出了電力企業(yè)的視野范圍，也使得負荷預測變得更加困難了。

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

他表示：“整個電力系統(tǒng)經過精心設計，每時每刻都在平衡供應和需求，這意味著對發(fā)電機的控制非常重要。然而，如果確實擁有有關電網上所有流量的最新信息，則可以應對更多的可變性。智能電網將非常精細地監(jiān)控一切細節(jié)，并且反應速度非?？?，因此如果風速下降或大云層形成減少了太陽能輸出，運營商將會有時間來啟動另一個發(fā)電廠。”

Amicucci 表示先進計量基礎設施或“智能電表”在這里至關重要。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量能源的流動和輸出，提供可以極大地幫助電網管理的數(shù)據(jù)。集成智能電表還可以了解電表背后的系統(tǒng)。

雖然開關和ACR 等關鍵電網設備可能會繼續(xù)使用有線連接，但Amicucci 預計業(yè)界會更多地使用LPWAN 連接來傳輸智能電表等設備的數(shù)據(jù)。他解釋道：“數(shù)以百萬計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備，很難通過需要額外網絡和物理基礎設施的有線連接來做到這一點。相反地，運營商越來越多地轉向成熟、安全的遠程無線連接選項，例如可以擴展和發(fā)展的NB-IoT 和LTE-M 連接?！?/p>

隨著能源的來源變得更加分散和分布式，邊緣處理能力對于維持電網平衡變得更加重要。一些人士擔心，通過長距離將影響分布式能源的浪涌和電壓波動的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)進行處理，并將操作動作傳回將會花費太長的時間。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。網絡安全是另一個重要的考慮因素。今年五月當此類威脅破壞了美國Colonial 公司的管道時，當局已經在密切關注關鍵基礎設施提供商如何應對日益增長的網絡攻擊風險，此次攻擊導致天然氣供應中斷了將近一周。

從理論上講，將新技術融入電網可能會帶來更多的網絡風險。現(xiàn)實情況是，電力公司用于故障檢測和監(jiān)控的許多技術都基于日益老化的專有系統(tǒng)，它們更容易遭受網絡攻擊。

向智能電網的轉變，是整合現(xiàn)代物聯(lián)網網關的機會，這些網關的組件在設計時考慮了安全性，并且使用基于標準的協(xié)議，更可以針對新出現(xiàn)的網絡威脅進行更新。例如，Nordic 的nRF9160 蜂窩物聯(lián)網解決方案通過使用Arm TrustZone 強制隔離關鍵組件硬件，并通過 Arm CryptoCell 提供安全層。

5   能源互聯(lián)網

對于具有更多互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅動的能源系統(tǒng)，即“能源互聯(lián)網”，正如一些人所創(chuàng)造的，最大的賣點可能是它可為多方帶來益處。對于最終用戶而言，提供了更可靠的能源供應與更低的能源成本，尤其是智能電網，可讓消費者能夠更好地管理自己的能源應用，并且可以獲得屋頂太陽能電池板等提供的可再生能源。除了能夠更好地管理供應的可靠性之外，能源運營商和公用事業(yè)公司還將受益于維護成本的降低，特別是通過更主動的故障檢測和使用遠程監(jiān)控，減少依賴現(xiàn)場工作人員修復網絡故障（這些員工現(xiàn)在占據(jù)公用事業(yè)公司工資費的40%）。從長遠來看，電力公司還可以通過更好地利用有關能源使用的數(shù)據(jù)來擴大和深化與客戶的關系。

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

然而，長久的贏家將是地球。在全球范圍內，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，這條道路就變得更清晰了。

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

上圖Braveridge 的遠程監(jiān)控燃氣管道系統(tǒng)使用傳感器記錄燃氣管道內外的氣壓，并確定壓力差是否表明存在泄漏。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）