智能電網(wǎng)設(shè)計邁向商用化
美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)的智能電網(wǎng)概念模型涉及多個“領(lǐng)域”之內(nèi)和之間的控制和通信。這些領(lǐng)域包括消費者、服務(wù)提供商、市場、輸電、配電、運營和大規(guī)模集中發(fā)電。每種控制和通信接口都為電子工程師提供了新的設(shè)計機會。
就大眾媒體的理解而言，智能電網(wǎng)主要見于“智能電表”，比如這種電表能讓電力公司關(guān)掉消費者的干衣機。但事實上智能電網(wǎng)正面臨三項挑戰(zhàn)：目前相當脆弱的電網(wǎng)急需修復(fù)；不管哪里如果想建新的發(fā)電廠或鋪設(shè)電力線，準有許多人出來強烈反對；電能是一種商品，需要像商品一樣交易。
更進一步的因素是，歐盟、中國和美國政府正向智能電網(wǎng)投資數(shù)十億的歐元、人民幣和美元，用于研發(fā)目前還不存在，或者以上百種不同形式存在而缺乏互操作性必須加以協(xié)調(diào)的技術(shù)。因此技術(shù)專家有著很好的機會去開發(fā)這些技術(shù)，并得到豐厚的回報。
研究這些技術(shù)有助于理解現(xiàn)在大家都在討論的話題。美國國家標準技術(shù)研究院、IEEE能源工程協(xié)會(PES)和數(shù)百家公司一直致力于制定智能電網(wǎng)方面的標準，這些標準將用來指導工程師設(shè)計比電表更高級的真正的智能電網(wǎng)產(chǎn)品。事實上，智能電網(wǎng)的需求大部分存在于信息技術(shù)領(lǐng)域：包括有線和無線聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)視、控制和信息處理。
本文提到的大部分信息來自145頁的“NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards， Release 1.0”，這是今年1月19日在美國馬里蘭州Gaithersburg市IEEE/NIST聯(lián)合舉辦的創(chuàng)新智能電網(wǎng)技術(shù)會議上發(fā)布的標準。雖然這次會議的計劃在2009年10月份才啟動(參見“IEEE And NIST Smart Grid Conference Hits The Ground Running”)，但這次會議還是吸引了約700位與會者參加為期三天的討論會和技術(shù)專題會議。
正如NIST和其它參與者正在開發(fā)的路線圖中列出的25個最重要標準(見表)表明的那樣，通信已經(jīng)滲透到了智能電網(wǎng)的各個方面。這份列表主要偏重于信息技術(shù)和信息安全。
概念模型
為了方便討論智能電網(wǎng)，在報告中和其它地方詳細給出的“概念模型”從各個領(lǐng)域(用戶、市場、服務(wù)提供商、運營、大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和配電)描述了智能電網(wǎng)。該模型還引用了參與者、應(yīng)用、關(guān)聯(lián)(邏輯連接)和互連(物理連接)。注意其中用到的“參與者”一詞，因為它通常指明了需要設(shè)計的硬件部分。
圖1：智能電網(wǎng)的基本概念模型。
表述智能電網(wǎng)概念模型的方法通常是依據(jù)領(lǐng)域分層表述，從用戶開始，往后回溯到大規(guī)模集中發(fā)電、輸電和發(fā)電。有一個非常簡單的總體領(lǐng)域布局(圖1) (還有代表每個領(lǐng)域的其它圖)，但這張圖沒有展示各領(lǐng)域間的依賴關(guān)系。另外一張圖則表明了智能電網(wǎng)交互(圖 2)的復(fù)雜性，雖然它繁冗得讓人倍感頭痛。
為突出智能電網(wǎng)的革命性變化，接下來將不按各個領(lǐng)域通常的順序來解釋，重點放在運營考慮的財務(wù)事項上面，也即意味著從市場開始。
市場領(lǐng)域
雖然不是所有人都同意，但市場領(lǐng)域確實是使智能電網(wǎng)具有智能的地方。這是一個商品交易場所，電能和電能期貨在這里進行買賣。(例如unlamented Enron公司現(xiàn)在就開展這種業(yè)務(wù)，但不是實時的。)
市場領(lǐng)域中的參與者交易價格，并平衡電力系統(tǒng)中的供需關(guān)系。市場領(lǐng)域的分界包括運營領(lǐng)域、發(fā)電并提供電能給消費者(發(fā)電、輸電等)的供電領(lǐng)域以及用戶領(lǐng)域的邊界。
制定電能價格這個市場領(lǐng)域的功能使得智能電網(wǎng)超越了跨地區(qū)工業(yè)控制系統(tǒng)這樣一個“簡單的”角色。其財務(wù)成份使得它在通信方面必須具有可追溯性和可審計性。通信功能必須支持電子商務(wù)標準，以獲得完整性并得到公眾的認可。
這是一個發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。隨著小型分布式能源(DER)提供的能量比重增加，與這些資源通信所允許的時延必須縮短。
NIST的報告指出，“市場領(lǐng)域中的高優(yōu)先級挑戰(zhàn)包括：價格和DER信號延伸到每個用戶子領(lǐng)域；市場規(guī)則的簡化；擴展集成商的能力；市場信息的所有供應(yīng)商和消費者之間的互操作性；管理能源零售和批發(fā)的增長(和調(diào)節(jié))；貫穿整個市場和用戶領(lǐng)域以及他們相互之間不斷演變的價格與能源特性通信機制。
根據(jù)NIST報告中的定義，市場領(lǐng)域的參與者由市場管理者、零售商、集成商和貿(mào)易商組成。市場管理者包括批發(fā)市場中的獨立系統(tǒng)運營商(ISO)，或期貨市場中的紐約和芝加哥商品交易所(NYMEX/CME)。還有輸電、服務(wù)、需求響應(yīng)市場以及基本電力市場。
“零售商將電能出售給最終用戶，未來也許還能在用戶之間集成或買賣DER(作為中間人)，或?qū)⑺鼈兺葡蚴袌觥４蠖鄶?shù)零售商與貿(mào)易組織相關(guān)聯(lián)，從使其能參與批發(fā)市場?！眻蟾嬷赋觥?/FONT>
“集成商將較小的參與者(如供應(yīng)商、用戶或節(jié)能公司)整合起來，以使分布式資源也能進入大型市場。”報告繼續(xù)表示，“貿(mào)易商也是市場的參與者，包括從事部署、消費和節(jié)能的集成商以及其它有資格的實體。有許多公司的主要業(yè)務(wù)就是購買和銷售能源?！?/FONT>
服務(wù)提供商領(lǐng)域
在服務(wù)提供商領(lǐng)域，“服務(wù)”是指類似開帳單和管理用戶帳號等功能，用于支持電力系統(tǒng)生產(chǎn)商、配電商和用戶的業(yè)務(wù)流程。主要挑戰(zhàn)包括維護網(wǎng)絡(luò)安全以及電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性、完整性和安全性。[!--empirenews.page--]
服務(wù)提供商領(lǐng)域與市場、運營和用戶領(lǐng)域相連。與運營領(lǐng)域的通信可以讓人了解系統(tǒng)控制和狀態(tài)。與市場和用戶領(lǐng)域的通信將支持新的“智能”業(yè)務(wù)，特別是用戶與市場的交互。
用戶領(lǐng)域
智能電網(wǎng)的根本目的是隨著用戶變成供應(yīng)鏈中的主動參與者，實現(xiàn)功耗的降低和發(fā)電量的增加。
用戶領(lǐng)域根據(jù)典型需求通常被分成三個子領(lǐng)域，分別是家庭(小于20kW)、商業(yè)/大樓(20至200kW)和工業(yè)(大于200kW)子領(lǐng)域。每個子領(lǐng)域都有多個參與者和應(yīng)用，每種應(yīng)用又有一個電表以及可以放在電表、能源管理系統(tǒng)(EMS)或獨立網(wǎng)關(guān)中的能源服務(wù)接口(ESI)。
ESI是主要的服務(wù)接口，它可以通過高級計量基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)或其它一些方式(如互聯(lián)網(wǎng))實現(xiàn)與其它領(lǐng)域的通信。ESI還通過家庭局域網(wǎng)或其它局域網(wǎng)與用戶端中的設(shè)備和系統(tǒng)通信。
EMS是遠程負載控制、分布式發(fā)電的監(jiān)視及控制、用戶使用情況的室內(nèi)顯示、非電表讀數(shù)以及與大樓管理系統(tǒng)和企業(yè)集成等應(yīng)用的接入點。它還能提供對網(wǎng)絡(luò)安全性的審查/記錄功能。
每個用戶可能有多個EMS，因此可能有多條通信路徑。用戶領(lǐng)域通過電氣連接到配電領(lǐng)域，并與配電、運營、市場和服務(wù)提供商領(lǐng)域互通。重要的是，用戶領(lǐng)域也可能向電網(wǎng)提供小型發(fā)電電能。
運營領(lǐng)域
運營領(lǐng)域中的參與者負責電力系統(tǒng)的順利運行，其中包括卡車上的工人以及辦公室內(nèi)提供支持的職員。
在輸電操作中，電力公司使用EMS，而配電操作采用類似的配電管理系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)中，責任可能從受規(guī)管的電力公司轉(zhuǎn)向新的電力業(yè)務(wù)階層：外包服務(wù)提供商。
大規(guī)模集中發(fā)電領(lǐng)域
大規(guī)模集中發(fā)電領(lǐng)域涉及各種發(fā)電技術(shù)：熱電、核裂變、水力、風力、太陽能或地熱。這個領(lǐng)域通常通過硬連線與輸電領(lǐng)域連接。但大規(guī)模集中發(fā)電領(lǐng)域同時也與運營和市場領(lǐng)域相鄰。
該領(lǐng)域必須就性能和服務(wù)質(zhì)量問題溝通，例如資源缺乏(特別是風能和太陽能)和發(fā)電機故障，這些故障可能會影響電能從其它源級傳送到輸電系統(tǒng)的路徑。供電不足可以直接(通過運營)或間接(通過市場)解決。參與者包括保護型繼電器、遠程終端單元、設(shè)備監(jiān)視器、故障記錄器、用戶接口和可編程邏輯控制器等設(shè)備。
輸電領(lǐng)域
這里的輸電指的是將電能從發(fā)電站通過多個變電站大量地傳送給配電系統(tǒng)。這個領(lǐng)域可能包括電能儲存或峰值發(fā)電單元等DER。
輸電網(wǎng)絡(luò)通常是由地區(qū)性的輸電運營商(RTO)或獨立的系統(tǒng)運營商(ISO)運作的，他們的主要責任是通過平衡發(fā)電(供)和負荷(需)保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。
這個領(lǐng)域中的參與者包括遠程終端設(shè)備、變電站電度表、保護型繼電器、電力質(zhì)量監(jiān)視器、相量測試單元、垂度(sag)監(jiān)視器、故障記錄儀和變電站用戶接口。在需要時能夠發(fā)送的電量是從市場領(lǐng)域獲得的，并由運營領(lǐng)域調(diào)度和操作，然后通過輸電領(lǐng)域傳送到用戶領(lǐng)域。
配電領(lǐng)域
配電領(lǐng)域包括輸電領(lǐng)域和用戶領(lǐng)域之間的電氣互連。工作人員有鄰近的工人以及派遣這些工人的辦公室職員。配電領(lǐng)域包括電能消費計量點、分布式儲電和分布式發(fā)電。其可靠性取決于結(jié)構(gòu)、參與者類型、參與者相互間以及與其它領(lǐng)域中參與者的溝通程度。
過去，配電系統(tǒng)的拓撲是放射狀的，基本沒有遙感測量功能，也就是說，這個領(lǐng)域中幾乎所有的通信都是由人工用電話和雙向無線電設(shè)備完成的。在智能電網(wǎng)中，配電領(lǐng)域?qū)⑴c運營領(lǐng)域更緊密地進行實時通信，管理與市場領(lǐng)域相關(guān)的電力流向。在一些場合中，第三方用戶服務(wù)提供商可使用配電領(lǐng)域中的基礎(chǔ)設(shè)施與用戶領(lǐng)域通信。
關(guān)于配電領(lǐng)域中的人員如何看待智能電網(wǎng)請參見“Anticipating Unanticipated Consequences.”。
相關(guān)工作
概述模型中的“參與者”為新的硬件設(shè)計提供了機會。設(shè)計工程師如何把握設(shè)計中需加入的內(nèi)容呢？下面給出了一些線索。為了確定標準工作的優(yōu)先級，NIST選擇了一些關(guān)鍵功能以及網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)通信方面的內(nèi)容。這份列表提供了一系列潛在的工作領(lǐng)域。
對廣大區(qū)域狀態(tài)的了解：應(yīng)該在大范圍區(qū)域上通過互連以近乎實時的方式監(jiān)視并顯示電力系統(tǒng)的組件和性能。
需求響應(yīng)和消費能效：在高負荷期間或電源存在可靠性風險時，應(yīng)有針對電力公司、商業(yè)、工業(yè)和住宅用戶的機制和鼓勵措施以減少能源使用。
能源存儲：如今談得最多的是抽水蓄能水力發(fā)電，即在夜晚將水從低水位的湖泊抽取到有壩的高水位湖泊，然后在白天獲取電能。這種方法技術(shù)含量較低，但非常有效。不過，NIST指出，“新的儲電功能，特別是分布式儲電將使從發(fā)電到最終使用的整個電網(wǎng)受益。”
電力輸送：主要是將插電式電動汽車(PEV)與電網(wǎng)進行大規(guī)模的集成。
網(wǎng)絡(luò)安全：必須確保電子信息通信系統(tǒng)和電網(wǎng)控制系統(tǒng)的機密性、完整性和可用性。
網(wǎng)絡(luò)通信：由于智能電網(wǎng)領(lǐng)域和子領(lǐng)域?qū)⑹褂酶鞣N公共和私有通信網(wǎng)絡(luò)，因此需針對運作要求制定性能規(guī)格和標準。
AMI：電力公司確實需要AMI，以便可以通過動態(tài)調(diào)價實現(xiàn)住宅需求響應(yīng)。AMI由通信硬件和軟件加上系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理軟件組成，可實現(xiàn)高級電表和電力公司業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)。[!--empirenews.page--]
配電網(wǎng)管理：盡可能優(yōu)化連網(wǎng)配電系統(tǒng)中的饋電線、變壓器和其它元件性能，并與輸電系統(tǒng)和用戶操作集成的新方法。
消費端
“智能電網(wǎng)和用戶領(lǐng)域之間的接口特別重要，對消費者而言這是智能電網(wǎng)中最可見的部分。”NIST報告指出。如前所述，概念參考模型將用戶領(lǐng)域的接口劃分為電表和ESI。這個ESI是連接用戶住宅網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。
電表和ESI測試和記錄電力使用情況，并將這些數(shù)據(jù)向上發(fā)送給服務(wù)提供商。它們還能處理各種服務(wù)供給和維護功能，例如糾錯、遠程服務(wù)連接和斷開。最重要的是，在這里實現(xiàn)定價并生成需求響應(yīng)信號。
這里有許多“不切實際”設(shè)計機會?！耙恍┬碌呐c能源有關(guān)的創(chuàng)新服務(wù)(我們今天可能沒法想像的服務(wù))將被開發(fā)出來，并且可能會在智能電網(wǎng)和用戶領(lǐng)域之間產(chǎn)生額外的數(shù)據(jù)流。”NIST報告寫道，“用戶領(lǐng)域中的設(shè)備使用的通信技術(shù)和標準的多樣性對實現(xiàn)互操作來說是個巨大的挑戰(zhàn)。另外，確保網(wǎng)絡(luò)安全是一個重要考慮因素?！?/FONT>
理解電表和ESI之間的區(qū)別是很有用的，NIST報告認為這是“參考模型的一個非常重要的前瞻性因素。”
除了測量、記錄和發(fā)送有關(guān)電力使用情況的信息外，電表還必須能測量從分布式發(fā)電站或位于用戶住宅的儲電資源流回電網(wǎng)的電力。
目前還存在許多與電表所有權(quán)有關(guān)的設(shè)計問題。在加州試銷市場中的智能電表早期使用經(jīng)驗表明，需要電表制造商與他們的電力用戶一起緊密工作，以便直接處理公共事務(wù)的電力公司人員能完全理解運作原理。在市政廳會議上，無法回答像“電表的智能部分是從電表的電網(wǎng)側(cè)獲取電能還是從用戶側(cè)獲取電能”這樣的聽眾提問真是給試驗澆了一盆涼水。
不信任的出現(xiàn)是因為與用戶住宅中的其它設(shè)備不同，電表屬于服務(wù)提供商，而服務(wù)提供商可能與電力公司是同一家公司，也可能不是同一家。
也許設(shè)計一個ESI看起來更吸引人。如果你正在設(shè)計ESI，請記住用戶與能源服務(wù)提供商是通過信息管理網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互動的。ESI標準必須允許對市場結(jié)構(gòu)和服務(wù)方面的創(chuàng)新。它的基本功能要求產(chǎn)生響應(yīng)信號，如價格/kWh信息，但追求更高級服務(wù)的可能性是無限的。
住宅環(huán)境和商業(yè)/工業(yè)環(huán)境之間的區(qū)別之一是復(fù)雜程度和用戶參與度，在配置住宅網(wǎng)絡(luò)以達到智能電網(wǎng)通信要求的互操作性和安全性時，復(fù)雜程度和用戶參與度是可以設(shè)定的。
雖然許多家庭已有一個或多個用于計算機或消費電子設(shè)備互連的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，但這不是普遍現(xiàn)象。即使在有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的家庭中，消費者也可能不愿意去配置設(shè)備以便通過他們的家庭網(wǎng)絡(luò)進行通信。任何人，只要不是鐵桿的技術(shù)愛好者，都寧愿購買智能電網(wǎng)即插即用干衣機這類設(shè)備。
同樣，家庭環(huán)境中還有許多無線和有線物理數(shù)據(jù)通信接口。也許家庭電網(wǎng)論壇(Home Grid Forum)的G.hn小組的工作會給我們指明方向。
隱私
在整個智能電網(wǎng)標準制定過程中，隱私是一個備受關(guān)注的問題。智能電表讀取數(shù)據(jù)非常頻繁。這些讀取的信息送入智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)后可能會提供家庭內(nèi)部活動的詳細時間。這些數(shù)據(jù)可能針對特定的個體，或泄露敏感數(shù)據(jù)。這不僅僅是有著大量生長燈的家庭式大 麻農(nóng)場主擔心的事。找出某家制造工廠每班耗電情況可能是工業(yè)間諜一心想要的東西。
此外，還會因為收集到的數(shù)據(jù)的合法所有權(quán)問題而產(chǎn)生隱私問題。所有權(quán)涉及控制和使用權(quán)。如果消費者不被認為是從電表和家庭自動化系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)的主人，消費者可能得不到向數(shù)據(jù)所有人提供的法律方面的隱私保護。
安全性
在易受恐 怖襲擊的時代，安全性是一個更重要的考慮因素。記住，我們正在討論的是巨大數(shù)量能源的產(chǎn)生、輸送和配送?？傊?，風險非常高，因為智能電網(wǎng)信息和控制信號要流過這么多網(wǎng)絡(luò)，而且有這么多的所有者。
為解決這個問題，NIST設(shè)立了一個智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全性協(xié)調(diào)工作組(CSCTG)，該工作組由300多位志愿者組成，他們分別來自商業(yè)、大學、監(jiān)管組織和聯(lián)邦機構(gòu)。目前他們正在用高等級風險評估技術(shù)制定網(wǎng)絡(luò)安全性要求。NIST已經(jīng)發(fā)布了初步報告“NIST Interagency Report (NISTIR) 7628 Smart Grid Cyber Security Strategy and Requirements”，這份報告描述了CSCTG為智能電網(wǎng)制定的網(wǎng)絡(luò)安全總體策略。
SGIP
NIST行動計劃的新階段已正式確立，即成立智能電網(wǎng)互操作性專家組(SGIP)。到2009年12月中旬，也就是成立一個月后，SGIP成員已經(jīng)超過400個，分為22個股東類別。
SGIP的任務(wù)是支持智能電網(wǎng)互操作性構(gòu)架的不斷發(fā)展；識別和解決額外的隔閡；反映技術(shù)變化和標準要求；繼續(xù)協(xié)調(diào)SSO工作，并及時支持新版或修訂版的智能電網(wǎng)標準。
欲了解有關(guān)SGIP的股東組成、會議及成果等全面信息，請登錄NIST Smart Grid Collaboration Site。
SGIP的一個工作重點是確保一個網(wǎng)絡(luò)安全級別的下降不會影響其它互連系統(tǒng)的安全。對于安全性的妥協(xié)可能會影響整個電網(wǎng)的可用性和可靠性。
這為設(shè)計工程師提供了進一步的機會。每個領(lǐng)域中的設(shè)備和應(yīng)用都是網(wǎng)絡(luò)端點。它們包括智能電表、電器、自動調(diào)溫器、能量存儲設(shè)備、電動汽車和消費端的分布式發(fā)電設(shè)備。
輸電和配電領(lǐng)域中的其它設(shè)備包括輸電線變電站中的相量測量單元(PMU)、變電站控制器、分布式發(fā)電站和儲能設(shè)備。運營領(lǐng)域則包括監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)以及運營中心的計算機和顯示系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
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