釋放電網(wǎng)潛能

更靈活、更穩(wěn)定的電網(wǎng)運作是實現(xiàn)未來清潔能源的關(guān)鍵，無線監(jiān)控可為實現(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，這個數(shù)目比當(dāng)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(jié)束。對于這個世界上最大的國家的公民來說，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，電力火葬場也停止了運作。當(dāng)時人們非常關(guān)注電力系統(tǒng)的存在理由，即是要實現(xiàn)可靠的能源供應(yīng)。

幾個月后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，停電事故的一個關(guān)鍵因素就是人們無法看到電網(wǎng)運行中發(fā)生的情況。調(diào)查顯示，由于電網(wǎng)運營商忙于維護復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的正常運行，而忽略了對相關(guān)設(shè)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(yīng)不平衡的狀況，最終導(dǎo)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(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)變肯定會給電網(wǎng)帶來更多的復(fù)雜性。為了適應(yīng)復(fù)雜性并實現(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。

事實上，世界許多地方的電網(wǎng)已經(jīng)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(yán)重程度均有所增加?？紤]到美國電網(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(yīng)。英國也制定了到2050 年實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)，這個目標(biāo)是以可再生能源的增長為基礎(chǔ)的。

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

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，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(wǎng)。

全新類別的設(shè)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(wǎng)必須進行發(fā)展演進，以支持能源消費模式的根本轉(zhuǎn)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?！?/p>

“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營商在電網(wǎng)中保持發(fā)電和需求之間的平衡狀態(tài)。不平衡會影響交流電頻率，進而可能導(dǎo)致崩潰和停電。

在這種情況下，可再生能源帶來了一個棘手的問題，它可以是高度可變的（有時云層遮住了太陽，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，能源運營商平衡電網(wǎng)和確保可靠電力供應(yīng)的責(zé)任變得更具挑戰(zhàn)性。

2   數(shù)據(jù)是新的石油

升級電網(wǎng)以應(yīng)對挑戰(zhàn)，是一項艱巨的任務(wù)。根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）預(yù)測，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(guān)注是不足為奇的。能源行業(yè)的一些運營商認(rèn)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(wǎng)運營商、發(fā)電廠和網(wǎng)絡(luò)無法完全了解屋頂太陽能等新技術(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(fēng)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?！?/p>

“智能電網(wǎng)”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(wǎng)是“能夠以經(jīng)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(wǎng)絡(luò)，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(jīng)濟高效的可持續(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)以了解其組件運行的網(wǎng)絡(luò)。幸運的是，這并不需要整個更換當(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)。”

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)測和故障檢測。通常，當(dāng)消費者抱怨電力中斷時，運營商就會發(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)和花費大量時間來查明故障。

Amicucci 表示：“這種響應(yīng)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(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、加速度計和浪涌計數(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，并且需要運營商關(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(shù)LTE-M 和NB-IoT。這些解決方案非常適用于智能電網(wǎng)，因為它們充分利用了現(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(wǎng)傳感器的更精確的狀態(tài)信息，電網(wǎng)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(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）”，并且具有深遠的好處。根據(jù)美國能源部報告，自我修復(fù)和“配電自動化”技術(shù)將客戶經(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)的可靠性，還會引起明顯的公共安全問題。及時檢測和修復(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（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(nèi)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(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(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(yù)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)過精心設(shè)計，每時每刻都在平衡供應(yīng)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(guān)電網(wǎng)上所有流量的最新信息，則可以應(yīng)對更多的可變性。智能電網(wǎng)將非常精細地監(jiān)控一切細節(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能輸出，運營商將會有時間來啟動另一個發(fā)電廠?！?/p>

Amicucci 表示先進計量基礎(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量能源的流動和輸出，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)備可能會繼續(xù)使用有線連接，但Amicucci 預(yù)計業(yè)界會更多地使用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(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。相反地，運營商越來越多地轉(zhuǎn)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。”

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(wǎng)平衡變得更加重要。一些人士擔(dān)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(wǎng)絡(luò)安全是另一個重要的考慮因素。今年五月當(dāng)此類威脅破壞了美國Colonial 公司的管道時，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)對日益增長的網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險，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)可能會帶來更多的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險?，F(xiàn)實情況是，電力公司用于故障檢測和監(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)的機會，這些網(wǎng)關(guān)的組件在設(shè)計時考慮了安全性，并且使用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，更可以針對新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)威脅進行更新。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)

對于具有更多互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源系統(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(yīng)與更低的能源成本，尤其是智能電網(wǎng)，可讓消費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(fù)網(wǎng)絡(luò)故障（這些員工現(xiàn)在占據(jù)公用事業(yè)公司工資費的40%）。從長遠來看，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)來擴大和深化與客戶的關(guān)系。

政府和政策制定者對于從智能電網(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(dǎo)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(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）