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協(xié)調(diào)供需

在歐盟發(fā)起的“面向智能能源的未來互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目之下，西門子工程師正在研制一個可支持能源轉(zhuǎn)型、允許輕松構(gòu)建智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

直到不久前，每當(dāng)Acme冷藏倉庫有限公司啟動其工業(yè)制冷系統(tǒng)時，當(dāng)?shù)仉娏径紩o張不已。制冷系統(tǒng)通常是在夜間工作。這個時段的用電戶少，電價也更低。白天，僅當(dāng)氣溫升高至預(yù)設(shè)閾值以上時，制冷設(shè)備才會開始嗡嗡嗡地工作。然而現(xiàn)在，情況正好相反。夜間，所有設(shè)備都停止運(yùn)行，哪怕是在仲夏之夜，而在白天，系統(tǒng)則幾乎持續(xù)不斷地隆隆作響。到底是怎么回事呢？如今，這些系統(tǒng)的動力來自太陽能電站。不過，如果太陽躲在云彩背后，那么，電力公司將不得不不時切換至其他發(fā)電設(shè)施。為了做到這一點(diǎn)，智能電力系統(tǒng)——即“智能電網(wǎng)”——需要有全新的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

西門子正攜手合作伙伴，共同研究如何實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的珠聯(lián)璧合。

盡管這只是一個虛構(gòu)的例子，但從中我們可以看出，歐盟發(fā)起的“面向智能能源的未來互聯(lián)網(wǎng)（FINSENY）”項(xiàng)目旨在解決智能電網(wǎng)面臨的哪些挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目預(yù)見，需要在供電系統(tǒng)的參與各方之間實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)網(wǎng)，需要加強(qiáng)通信能力，還需要提高供電質(zhì)量。

FINSENY是縱觀整個電網(wǎng)，將220到380千伏（kV）高壓系統(tǒng)、10到30 kV中壓系統(tǒng)以及230到400 V低壓系統(tǒng)等全部納入考慮的研究項(xiàng)目。西門子中央研究院（CT）電網(wǎng)專家Kolja Eger博士解釋道：“在德國踏上可持續(xù)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型之路以前，這三個系統(tǒng)幾乎不進(jìn)行相互通信。也沒有必要進(jìn)行相互通信，因?yàn)榈蛪弘娋W(wǎng)僅扮演消費(fèi)角色。”

然而現(xiàn)在，“隨著能源轉(zhuǎn)型步伐加快，分布式發(fā)電設(shè)施的數(shù)量與日俱增，這些關(guān)系被顛覆了，”Eger如是道。因此，電力網(wǎng)絡(luò)正處于不斷演變之中。他補(bǔ)充道：“不過，現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)表明，借助通信技術(shù)，可以避免進(jìn)行成本高昂得多的電網(wǎng)擴(kuò)建，哪怕可再生能源發(fā)電比例大幅提高。”為此，Eger聯(lián)合來自12個國家的35位合作伙伴，組織并協(xié)調(diào)FINSENY項(xiàng)目的具體環(huán)節(jié)。

在常規(guī)系統(tǒng)中，電能從高壓電網(wǎng)流向中低壓電網(wǎng)。大型電廠位于系統(tǒng)“頂端”，下面的系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)逐級向下輸送電能。但如今，用電戶也能自行發(fā)電。只要其能夠消耗掉所生產(chǎn)的電能，這就不是問題。但如果發(fā)電量超出了需求量，則會成為問題。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)變電站不能上行輸送電能。為防止發(fā)生損害，必須限定最大發(fā)電量。Eger解釋道：“供電企業(yè)對本地情況幾乎茫然無知；它們對各個變電站另一側(cè)的電能流動情況一無所知。這種狀況必須盡快得到改觀。”

另一個問題是，不同地區(qū)的電網(wǎng)采用了不同的部署方案。譬如，在德國，電表通常安裝在地下室或過道里，而在其他國家，電表則安裝在戶外。配電站的安裝地點(diǎn)也各不相同。在美國，變壓器直接連接至電線桿；在德國，變壓器則安裝在小型建筑物中。在美國，一個明顯的可選方案是，仿效國內(nèi)無線局域網(wǎng)，搭建無線網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)殡娋€桿與變壓器相互之間的距離很近。但在德國，這種方案便不可行，因?yàn)殡娋€桿與變壓器之間的距離要遠(yuǎn)得多。因此，F(xiàn)INSENY的建議隨國家和電網(wǎng)架構(gòu)的不同而大相徑庭。

在西門子基礎(chǔ)設(shè)施和城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域，Guido Helbich是智能電網(wǎng)集團(tuán)智能通信業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人，他指出，自2013年3月起，工程師就已開始將這個項(xiàng)目的研究成果運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。Helbich與他的團(tuán)隊一道，將這些研究成果繪制成了一張圖表。這張圖表表明，隨著可再生能源發(fā)電比例穩(wěn)步提高，西門子的電力工程與通信技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)*的高度融合。Eger說：“有史以來*次，物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出有形形式。”但是，并非每一個太陽能電池板都需要一條單獨(dú)的信息高速路來向電力公司發(fā)送區(qū)區(qū)幾個字節(jié)的信息。在這方面，譬如，利用基于電力線本身的窄帶連接便足以滿足要求。

然而，電力網(wǎng)的一些組件，如重要的變電站變壓器，則要求高度可靠的連接。在這種情況下，細(xì)節(jié)極其棘手。這種變壓器安裝在小屋子里。Helbich說：“幾乎沒有任何剩余空間可供安裝通信設(shè)備。”這些建筑物通常年代久遠(yuǎn)，其修建之初沒有人能預(yù)見到需要為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)管道。因此，蜂窩網(wǎng)絡(luò)是個頗具吸引力的選擇，因?yàn)樗鼈冊诖蠖鄶?shù)國家都實(shí)現(xiàn)了幾乎無處不在的覆蓋，并且比光纜系統(tǒng)更為便宜。

Helbich說：“我們的研究建議采用功能強(qiáng)大的UMTS和LTE平臺，或者基于專有無線網(wǎng)絡(luò)的解決方案。”但是，除所涉及的龐大數(shù)據(jù)量之外，還要考慮其他一些因素。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容許信號延遲在幾百毫秒到整整一秒之間波動。如果電網(wǎng)數(shù)據(jù)到達(dá)目的端太遲，其結(jié)果將置電力供應(yīng)于危險之境。

面向電網(wǎng)的信息高速路。一般而言，越是功能強(qiáng)大的安全關(guān)鍵型組件，其數(shù)據(jù)連接越是要更快速、更可靠。因此，通信提供商必須保證線路可用性和最大允許延遲時間。有鑒于此，這項(xiàng)研究要求部署單獨(dú)的通信網(wǎng)絡(luò)：單獨(dú)線路或與提供商簽訂特殊合同，以保證充足的帶寬和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。這樣做雖然成本更高，但卻十分必要。由于網(wǎng)絡(luò)組件數(shù)量眾多，也可能將使用不久前問世的IPv6技術(shù)，因?yàn)橹挥羞@個版本才能提供足夠多的地址。在亞洲，使用老版本的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)導(dǎo)致地址不足問題，并進(jìn)而引發(fā)了嚴(yán)重的日常通信問題。

盡管如此，僅憑理論本身，并不能確切斷言由持續(xù)交互的部件構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能。因此，在亞琛工業(yè)大學(xué)的復(fù)雜電力系統(tǒng)自動化研究院，F(xiàn)INSENY項(xiàng)目合作伙伴設(shè)置了一個合乎實(shí)際情況的測試環(huán)境，以供這份研究報告的作者試驗(yàn)他們的想法。研究院具備一臺能夠模擬電網(wǎng)的模擬機(jī)。它采用了功能強(qiáng)大的硬件和軟件來進(jìn)行實(shí)時互動，就像真正的電網(wǎng)那樣。在FINSENY項(xiàng)目中，研究人員選擇了以愛爾蘭的電網(wǎng)為研究對象。相對于愛爾蘭電網(wǎng)規(guī)模而言，其風(fēng)力發(fā)電比重相當(dāng)可觀，因此，愛爾蘭電網(wǎng)被視為一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)。

亞琛工業(yè)大學(xué)的Antonello Monti教授表示：“借助我們的電網(wǎng)模擬機(jī)，我們*次能確定用于確保通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的技術(shù)閾值。”在Helbich的辦公室里掛著一張圖表，圖中采用數(shù)據(jù)流比特率和以毫秒為單位的容許延遲顯示了試驗(yàn)結(jié)果。研究報告作者將服務(wù)劃分為三種類別：“安全關(guān)鍵型”、“非常重要”和“一般重要”。*類服務(wù)是關(guān)于人員和機(jī)器安全的消息；第二類服務(wù)側(cè)重于保證電網(wǎng)穩(wěn)定性。第三類服務(wù)涉及正常運(yùn)行狀態(tài)下的消息。這個模擬代表了電網(wǎng)的一切組件，從智能電表，到變壓器，不一而足。其目標(biāo)始終一樣：足夠快速地反應(yīng)，以使電網(wǎng)保持穩(wěn)定和安全，不受負(fù)載波動的影響。

半秒鐘內(nèi)完成重新調(diào)節(jié)。模擬試驗(yàn)的一個重大發(fā)現(xiàn)是，常規(guī)電能與供應(yīng)量波動不定的電能的相對數(shù)量，對結(jié)果有顯著影響。Monti解釋道：“電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電比重越大，對通信網(wǎng)絡(luò)的要求也越高。”過去，具備旋轉(zhuǎn)質(zhì)量達(dá)數(shù)噸的發(fā)電機(jī)的常規(guī)電廠，可以抵消電網(wǎng)供電量的突然波動。然而，這樣的電廠越來越少。Monti說：“如今，需要進(jìn)行更多的重新調(diào)節(jié)，并且總是必須按照當(dāng)前供需狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里說的是半秒鐘左右的延遲時間。”否則，電網(wǎng)頻率波動將過于極端。

歐盟正在通過開展試點(diǎn)項(xiàng)目，對FINSENY得出的結(jié)論進(jìn)行測試。西門子參與了其中許多試點(diǎn)項(xiàng)目。Eger說：“缺的不是技術(shù)知識，而是將這些真知灼見應(yīng)用到大規(guī)模市場中的政治意愿。”實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的前提條件之一是明確的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，以保證不計其數(shù)的組件之間的互通性，以及確?？焖俳ǔ蒄INSENY報告中闡明的通信網(wǎng)絡(luò)。這將為利用自治軟件模塊——即“軟件代理”——來協(xié)調(diào)供需的地方電力市場的發(fā)展道路掃清障礙。此外，需求響應(yīng)型供電企業(yè)可以為能夠靈活關(guān)斷的負(fù)載供應(yīng)電能，譬如，電老虎可以臨時關(guān)閉，以免造成有害后果。

這只是開端，專家認(rèn)為，如果考慮到通信技術(shù)的快速創(chuàng)新周期，智能電網(wǎng)還將取得更大的發(fā)展。Eger指出：“只要我們堅持不懈地采用技術(shù)，我們就能實(shí)現(xiàn)2020、2030和2050能源政策目標(biāo)。發(fā)展速度非常之快。”

除在必要的時候?qū)⑵湓O(shè)備停機(jī)幾個小時之外，虛構(gòu)的Acme冷藏倉庫有限公司也可以使用其叉車及其購置的電動汽車的巨大充電電池。這些蓄電介質(zhì)可以充當(dāng)本地緩沖器，以使電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定。在雙贏局面中，供電企業(yè)能為用電戶提供的這種協(xié)助支付報酬，向Acme公司的賬戶打入一筆可觀的資金。