释放电网潜能

Grid unlocked

Nordic Semiconductor

更灵活、更稳定的电网运作是实现未来清洁能源的关键，无线监控可为实现这一潜能发挥至关重要的作用。

在历史上最大规模的一次停电事件中，超过7亿人口在大范围停电后陷入黑暗，这个数目比当时整个欧洲的人口还要多。

发生地点是2012年的印度，那时酷暑将要结束。对于这个世界上最大的国家的公民来说，空调断电只是小事。交通灯被切断，外科手术室关门，矿工被困在井下电梯里。而且在混乱中，电力火葬场也停止了运作。当时人们非常关注电力系统的存在理由，即是要实现可靠的能源供应。

几个月后调查发现，停电事故的一个关键因素就是人们无法看到电网运行中发生的情况。调查显示，由于电网运营商忙于维护复杂网络的正常运行，而忽略了对相关设备故障数据的及时分析，从而难以发现负载与供应不平衡的状况，最终导致了事故的发生。

对于全球能源行业来说，这是一个需要警惕的重大教训;能源行业正在迅速转向可再生能源以减少碳排放，这一转变肯定会给电网带来更多的复杂性。为了适应复杂性并实现未来全球更清洁能源的共同愿望，电网需要更好地利用数据从而变得更智能、更可靠。

事实上，世界许多地方的电网已经面对重重困难。咨询公司麦肯锡称，尽管投入了大量资金，但自2000年以来，美国发生重大电力中断事件的频率和严重程度均有所增加。考虑到美国电网中70%的电力变压器已使用25年及以上，60%的断路器已使用30年及以上，以及70%的输电线路已使用25年及以上，这种状况也就不足为奇了。欧洲地区电网也有关于老化基础设施的类似观察数据。

1绝望真相？

老化的电力基础设施现在必须应对可再生能源的引入。全球范围的政治领导人、行业和公民已经觉醒，推动这种改变是必要的。美国总统拜登于2021年4月承诺，美国到2035年将实现100%无碳污染电力供应。英国也制定了到2050年实现净零排放的目标，这个目标是以可再生能源的增长为基础的。

虽然这些转变对地球的益处是显而易见的，然而，转向可再生能源确实给电网带来了难题，电网的设计和建造，原本是为了支持能源通过广泛的输配电网络从基荷电站到消费者的单向流动。

而现在，相同的电力基础设施必须适应分布式发电，甚至能源的双向流动，因为最终用户会将多余的电力从屋顶太阳能电池板回馈到电网。

全新类别的设备（太阳能电池板、电动汽车（EV）及其充电站、热泵和电池）的使用，也表明电网必须进行发展演进，以支持能源消費模式的根本转变。在电动汽车方面，麦肯锡表示，虽然汽车销量的增加不太可能增加总体电力需求，但是将会重塑电力负荷曲线。

该公司报告称：“除了峰值负载增加（因为人们在高需求时段一起插入电动汽车充电），公共快速充电站的高度波动和峰值负载情况亦需要额外的系统平衡。”

“系统平衡”的概念可能是最大的挑战，电力供应的稳定性和可靠性取决于运营商在电网中保持发电和需求之间的平衡状态。不平衡会影响交流电频率，进而可能导致崩溃和停电。

在这种情况下，可再生能源带来了一个棘手的问题，它可以是高度可变的（有时云层遮住了太阳，风力减弱了）。在电网中增加可再生能源的比例（正如许多国家的目标）本质上增加了发电的可变性。随着电力行业转向可再生能源，能源运营商平衡电网和确保可靠电力供应的责任变得更具挑战性。

2数据是新的石油

升级电网以应对挑战，是一项艰巨的任务。根据国际能源署（International Energy Agency）预测，到2030年需要超过3000亿美元投资才能满足全球电网现代化改造的需求。

“数据是新的石油”这句话凸显了数字技术和数据分析在推动人类社会向前发展的进程中，发挥的重要作用。鉴于这句话的中心是碳氢化合物，这一概念引起能源运营商的关注是不足为奇的。能源行业的一些运营商认为，更多地使用计算机化和数据，可以促进该行业提供更清洁、更可靠的能源。

澳大利亚能源部门政策制定者KerrySchott表示：“我们存在数据盲点，表明电网运营商、发电厂和网络无法完全了解屋顶太阳能等新技术如何影响可靠和安全的电力供应，这意味着网络对太阳能电力施加了通常不必要的限制，以避免对能源系统造成安全风险。并且人们难以确定需要额外发电、电线杆和电线的具体要求、地点和时间。”

“智能电网”旨在消除这些盲点。但它们的作用还不止于此;欧盟委员会（EC）表示，智能电网是“能够以经济高效的方式整合所有连接到它的用户的行为和操作的电力网络，包括发电机、消费者以及那些既发电又消费的用户，以确保实现经济高效的可持续的电力系统，具有低损耗和高质量、供电安全和安全性。”简而言之，智能电网是可以更加有效、可靠和可持续地管理，并且具有更多数据以了解其组件运行的网络。

幸运的是，这并不需要整个更换当前的电网。Nordic Semiconductor业务发展经理Lorenzo Amicucci表示：“可以通过将传感器、连接仪表和其他设备等物联网技术引入现有的电网中，并利用快速发展的通信和数据分析技术来收集数据和提供全新的有意义的意见和功能，从而构建未来的智能电网。”

3自我修复的电网

首先发生也是最有影响力的变化可能是更智能化的电网状态监测和故障检测。通常，当消费者抱怨电力中断时，运营商就会发现电网故障。即使电力企业本身发现了电网区段的停电，将故障隔离到特定设备，也需要派遣技术人员外出作业和花费大量时间来查明故障。

Amicucci表示：“这种响应式方法要花费许多时间在检测和解决问题方面，这意味着电力中断要持续更长时间。通过使用连接的传感器，日后就会有更好的解决方式。”

斯洛文尼亚Irnas公司开发了一种远程监控电网和避雷器的设备“RAM-1”，可以安装在电线杆上。“RAM-1”集成了电压、温度、加速度计和浪涌计数器传感器，可以监控那些指示可能导致停电故障的变量。例如，传感器可以检测到表明发生火灾的过高温度，而来自其他传感器的数据则可以表明输电塔倒塌或电涌。由于电网覆盖数千公里，要找到故障的确切位置也很困难，并且需要运营商关闭大部分电网以确保安全。RAM-1设备使用Nordic Semiconductor的nRF9160 SiP，它具有内置的GPS功能，可以精确地传递故障位置数据。Amicucci表示：“nRF9160具有执行边缘处理的能力，这意味着只传输关于故障的最关键信息，而无需花费高昂成本来传输所有通过无线链路的原始数据。”

在连接方面，nRF9160支持LPWAN蜂窝技术LTE-M和NB-IoT。这些解决方案非常适用于智能电网，因为它们充分利用了现有的和面向未来的网络基础设施（未来5G网络将支持蜂窝物联网），并且具有低功耗。因此，RAM-1可以在现场使用长达20年时间，仅使用初级Li-MnO2电池，这优势使得RAM-1可以安装在分布于广阔区域的电线杆上。

借助来自物联网传感器的更精确的状态信息，电网运营商可以采取措施主动检测和隔离故障并在停电时恢复供电。这包括使用控制系统和开关基础设施（例如自动电路重合器（ACR）），从而将电力重新定向传输到网络中受影响的部分。这种能力被称为“自我修复（self-healing）”，并且具有深远的好处。根据美国能源部报告，自我修复和“配电自动化”技术将客户经历电力中断的时间减少51%，并且将遭受影响的客户总数减少45%。

其他公用事业公司也可从这种方法中受益。天然气和供水管道通常穿越很远的距离，必须应对从沙漠的酷热到强烈的水下压力等各种环境。这方面的故障很常见，仅在美国，液体管道事故每年就造成3.26亿美元损失，并且可能由一系列事件引起，包括结构故障、施工活动和冰冻天气。就天然气而言，泄漏不仅会影响供应的可靠性，还会引起明显的公共安全问题。及时检测和修复泄漏当然是必不可少的。

定位管道中的故障（如配电输送可能跨越数千公里距离）通常需要昂贵的设备和试错（trial-and-error）操作。日本物联网解决方案公司Braveridge开发了一种远程监控系统，可以更快速地识别故障。该系统使用传感器记录燃气管道内外的气压，并且确定压力差是否指示存在泄漏。这个系统使用了Nordic的nRF9160 SiP，因而在本地执行计算，内置GPS提供了精确的故障定位。通过使用LTE-M蜂窝连接，可将数据中继传输到管理团队使用的云平台，管理团队可以指引维修人员到达故障的精确位置，加快维修速度并最大限度地减少危险。

4保持良好的平衡

让我们回到电网方面，传感器技术和自我修复能力的引入，有望提高电网的韧性。然而，随着可再生能源的引入，故障并不是现代电网维持稳定所需应对的唯一突发事件。可再生能源的不断增长，意味着发电量的巨大变化。在负载方面，屋顶太阳能电池板和电池等“仪表后（behind-the-meter）”系统的增长，通常超出了电力企业的视野范围，也使得负荷预测变得更加困难了。

能源行业顾问兼作家Peter Fox-Penner表示，在未来的电网中实现平衡需要一种更加动态、敏捷和灵活的方法，这可以通过提高电网所有部分的电力流动的可见性来实现。

他表示：“整个电力系统经过精心设计，每时每刻都在平衡供应和需求，这意味着对发电机的控制非常重要。然而，如果确实拥有有关电网上所有流量的最新信息，则可以应对更多的可变性。智能电网将非常精细地监控一切细节，并且反应速度非常快，因此如果风速下降或大云层形成减少了太阳能输出，运营商将会有时间来启动另一个发电厂。”

Amicucci表示先进计量基础设施或“智能电表”在这里至关重要。智能电表可以深入了解客户家中的电力使用情况，它们还可以通过传输和分配来测量能源的流动和输出，提供可以极大地帮助电网管理的数据。集成智能电表还可以了解电表背后的系统。

虽然开关和ACR等关键电网设备可能会继续使用有线连接，但Amicucci预计业界会更多地使用LPWAN连接来传输智能电表等设备的数据。他解释道：“数以百万计的智能电表正在世界各地部署。如果想要跟上步伐并连接所有这些设备，很难通过需要额外网络和物理基础设施的有线连接来做到这一点。相反地，运营商越来越多地转向成熟、安全的远程无线连接选项，例如可以扩展和发展的NB-IoT和LTE-M连接。”

随着能源的来源变得更加分散和分布式，边缘处理能力对于维持电网平衡变得更加重要。一些人士担心，通过长距离将影响分布式能源的浪涌和电压波动的数据传输到集中控制系统进行处理，并将操作动作传回将会花费太长的时间。这使得本地解决方案（在边缘处理数据和做出决策）变得越来越重要。

网络安全是另一个重要的考虑因素。今年五月当此类威胁破坏了美国Colonial公司的管道时，当局已经在密切关注关键基础设施提供商如何应对日益增长的网络攻击风险，此次攻击导致天然气供应中断了将近一周。

从理论上讲，将新技术融入电网可能会带来更多的网络风险。现实情况是，电力公司用于故障检测和监控的许多技术都基于日益老化的专有系统，它们更容易遭受网络攻击。

向智能电网的转变，是整合现代物联网网关的机会，这些网关的组件在设计时考虑了安全性，并且使用基于标准的协议，更可以针对新出现的网络威胁进行更新。例如，Nordic的nRF9160蜂窝物联网解决方案通过使用Arm TrustZone强制隔离关键组件硬件，并通过Arm CryptoCell提供安全层。

5能源互联网

对于具有更多互联和数据驱动的能源系统，即“能源互联网”，正如一些人所创造的，最大的卖点可能是它可为多方带来益处。对于最终用户而言，提供了更可靠的能源供应与更低的能源成本，尤其是智能电网，可让消费者能够更好地管理自己的能源应用，并且可以获得屋顶太阳能电池板等提供的可再生能源。

除了能够更好地管理供应的可靠性之外，能源运营商和公用事业公司还将受益于维护成本的降低，特別是通过更主动的故障检测和使用远程监控，减少依赖现场工作人员修复网络故障（这些员工现在占据公用事业公司工资费的40%）。从长远来看，电力公司还可以通过更好地利用有关能源使用的数据来扩大和深化与客户的关系。

政府和政策制定者对于从智能电网生成和收集数据是欢迎的，这将提供对于当前和未来能源消耗的重要了解，并为未来电网基础设施的规划提供信息。

然而，长久的赢家将是地球。在全球范围内，能源部门仍然是最大的碳排放源。尽管电力在电路中的传输路径可能是明显的，但对于能源部门来说，有意义的减排之路并不总是明显的。而通过使用智能电网，这条道路就变得更清晰了。

上图Irnas的RAM-1设备集成了电压、温度、加速度计和浪涌计数器传感器，可以监控一些变量以发现可能导致停电的故障。

上图Braveridge的远程监控燃气管道系统使用传感器记录燃气管道内外的气压，并确定压力差是否表明存在泄漏。

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