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渭南西门子总代理商
产品时间:2021-04-21
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协调供需

 

在欧盟发起的“面向智能能源的未来互联网”项目之下,西门子工程师正在研制一个可支持能源转型、允许轻松构建智能电网的数据网络。

直到不久前,每当Acme冷藏仓库有限公司启动其工业制冷系统时,当地电力公司都会紧张不已。制冷系统通常是在夜间工作。这个时段的用电户少,电价也更低。白天,仅当气温升高至预设阈值以上时,制冷设备才会开始嗡嗡嗡地工作。然而现在,情况正好相反。夜间,所有设备都停止运行,哪怕是在仲夏之夜,而在白天,系统则几乎持续不断地隆隆作响。到底是怎么回事呢?如今,这些系统的动力来自太阳能电站。不过,如果太阳躲在云彩背后,那么,电力公司将不得不不时切换至其他发电设施。为了做到这一点,智能电力系统——即“智能电网”——需要有全新的通信基础设施。

西门子正携手合作伙伴,共同研究如何实现智能电网与互联网技术的珠联璧合。

尽管这只是一个虚构的例子,但从中我们可以看出,欧盟发起的“面向智能能源的未来互联网(FINSENY)”项目旨在解决智能电网面临的哪些挑战。该项目预见,需要在供电系统的参与各方之间实现紧密联网,需要加强通信能力,还需要提高供电质量。

FINSENY是纵观整个电网,将220到380千伏(kV)高压系统、10到30 kV中压系统以及230到400 V低压系统等全部纳入考虑的研究项目。西门子中央研究院(CT)电网专家Kolja Eger博士解释道:“在德国踏上可持续能源供应转型之路以前,这三个系统几乎不进行相互通信。也没有必要进行相互通信,因为低压电网仅扮演消费角色。”

然而现在,“随着能源转型步伐加快,分布式发电设施的数量与日俱增,这些关系被颠覆了,”Eger如是道。因此,电力网络正处于不断演变之中。他补充道:“不过,现网试验表明,借助通信技术,可以避免进行成本高昂得多的电网扩建,哪怕可再生能源发电比例大幅提高。”为此,Eger联合来自12个国家的35位合作伙伴,组织并协调FINSENY项目的具体环节。

在常规系统中,电能从高压电网流向中低压电网。大型电厂位于系统“顶端”,下面的系统仅负责逐级向下输送电能。但如今,用电户也能自行发电。只要其能够消耗掉所生产的电能,这就不是问题。但如果发电量超出了需求量,则会成为问题。这是因为常规变电站不能上行输送电能。为防止发生损害,必须限定最大发电量。Eger解释道:“供电企业对本地情况几乎茫然无知;它们对各个变电站另一侧的电能流动情况一无所知。这种状况必须尽快得到改观。”

另一个问题是,不同地区的电网采用了不同的部署方案。譬如,在德国,电表通常安装在地下室或过道里,而在其他国家,电表则安装在户外。配电站的安装地点也各不相同。在美国,变压器直接连接至电线杆;在德国,变压器则安装在小型建筑物中。在美国,一个明显的可选方案是,仿效国内无线局域网,搭建无线网络,因为电线杆与变压器相互之间的距离很近。但在德国,这种方案便不可行,因为电线杆与变压器之间的距离要远得多。因此,FINSENY的建议随国家和电网架构的不同而大相径庭。

在西门子基础设施和城市业务领域,Guido Helbich是智能电网集团智能通信业务部负责人,他指出,自2013年3月起,工程师就已开始将这个项目的研究成果运用到实际应用中。Helbich与他的团队一道,将这些研究成果绘制成了一张图表。这张图表表明,随着可再生能源发电比例稳步提高,西门子的电力工程与通信技术领域出现*的高度融合。Eger说:“有史以来*次,物联网与务联网呈现出有形形式。”但是,并非每一个太阳能电池板都需要一条单独的信息高速路来向电力公司发送区区几个字节的信息。在这方面,譬如,利用基于电力线本身的窄带连接便足以满足要求。

然而,电力网的一些组件,如重要的变电站变压器,则要求高度可靠的连接。在这种情况下,细节极其棘手。这种变压器安装在小屋子里。Helbich说:“几乎没有任何剩余空间可供安装通信设备。”这些建筑物通常年代久远,其修建之初没有人能预见到需要为数据网络敷设管道。因此,蜂窝网络是个颇具吸引力的选择,因为它们在大多数国家都实现了几乎无处不在的覆盖,并且比光缆系统更为便宜。

Helbich说:“我们的研究建议采用功能强大的UMTS和LTE平台,或者基于专有无线网络的解决方案。”但是,除所涉及的庞大数据量之外,还要考虑其他一些因素。蜂窝网络的容许信号延迟在几百毫秒到整整一秒之间波动。如果电网数据到达目的端太迟,其结果将置电力供应于危险之境。

面向电网的信息高速路。一般而言,越是功能强大的安全关键型组件,其数据连接越是要更快速、更可靠。因此,通信提供商必须保证线路可用性和最大允许延迟时间。有鉴于此,这项研究要求部署单独的通信网络:单独线路或与提供商签订特殊合同,以保证充足的带宽和网络质量。这样做虽然成本更高,但却十分必要。由于网络组件数量众多,也可能将使用不久前问世的IPv6技术,因为只有这个版本才能提供足够多的地址。在亚洲,使用老版本的互联网协议已经导致地址不足问题,并进而引发了严重的日常通信问题。

尽管如此,仅凭理论本身,并不能确切断言由持续交互的部件构成的复杂网络的实际性能。因此,在亚琛工业大学的复杂电力系统自动化研究院,FINSENY项目合作伙伴设置了一个合乎实际情况的测试环境,以供这份研究报告的作者试验他们的想法。研究院具备一台能够模拟电网的模拟机。它采用了功能强大的硬件和软件来进行实时互动,就像真正的电网那样。在FINSENY项目中,研究人员选择了以爱尔兰的电网为研究对象。相对于爱尔兰电网规模而言,其风力发电比重相当可观,因此,爱尔兰电网被视为一项特殊挑战。

亚琛工业大学的Antonello Monti教授表示:“借助我们的电网模拟机,我们*次能确定用于确保通信网络质量的技术阈值。”在Helbich的办公室里挂着一张图表,图中采用数据流比特率和以毫秒为单位的容许延迟显示了试验结果。研究报告作者将服务划分为三种类别:“安全关键型”、“非常重要”和“一般重要”。*类服务是关于人员和机器安全的消息;第二类服务侧重于保证电网稳定性。第三类服务涉及正常运行状态下的消息。这个模拟代表了电网的一切组件,从智能电表,到变压器,不一而足。其目标始终一样:足够快速地反应,以使电网保持稳定和安全,不受负载波动的影响。

半秒钟内完成重新调节。模拟试验的一个重大发现是,常规电能与供应量波动不定的电能的相对数量,对结果有显著影响。Monti解释道:“电网中的可再生能源发电比重越大,对通信网络的要求也越高。”过去,具备旋转质量达数吨的发电机的常规电厂,可以抵消电网供电量的突然波动。然而,这样的电厂越来越少。Monti说:“如今,需要进行更多的重新调节,并且总是必须按照当前供需状况进行调节。这里说的是半秒钟左右的延迟时间。”否则,电网频率波动将过于极端。

欧盟正在通过开展试点项目,对FINSENY得出的结论进行测试。西门子参与了其中许多试点项目。Eger说:“缺的不是技术知识,而是将这些真知灼见应用到大规模市场中的政治意愿。”实现这一点的前提条件之一是明确的欧洲标准,以保证不计其数的组件之间的互通性,以及确保快速建成FINSENY报告中阐明的通信网络。这将为利用自治软件模块——即“软件代理”——来协调供需的地方电力市场的发展道路扫清障碍。此外,需求响应型供电企业可以为能够灵活关断的负载供应电能,譬如,电老虎可以临时关闭,以免造成有害后果。

这只是开端,专家认为,如果考虑到通信技术的快速创新周期,智能电网还将取得更大的发展。Eger指出:“只要我们坚持不懈地采用技术,我们就能实现2020、2030和2050能源政策目标。发展速度非常之快。”

除在必要的时候将其设备停机几个小时之外,虚构的Acme冷藏仓库有限公司也可以使用其叉车及其购置的电动汽车的巨大充电电池。这些蓄电介质可以充当本地缓冲器,以使电网频率保持稳定。在双赢局面中,供电企业能为用电户提供的这种协助支付报酬,向Acme公司的账户打入一笔可观的资金。

 

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