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智能電網(wǎng)抵御未來風(fēng)暴

2012年10月底，颶風(fēng)“桑迪”以時(shí)速150公里（超過90英里/小時(shí)）席卷美國東北部沿海地區(qū)，令數(shù)百萬人陷入一片黑暗之中。面對(duì)氣候變化，能源管理系統(tǒng)必須更加強(qiáng)健，以抵御桑迪這樣的自然災(zāi)害。西門子智能電網(wǎng)技術(shù)多年來一直致力于幫助電網(wǎng)更好地應(yīng)對(duì)颶風(fēng)、熱浪和干旱等極端天氣。

三年前，颶風(fēng)“桑迪”席卷了大西洋沿岸，途經(jīng)紐約市、新澤西州和賓夕法尼亞州，所到之處，無不一片狼藉。這為美國最大的電網(wǎng)運(yùn)營商PJM Interconnection帶來了巨大的挑戰(zhàn)。該公司主要向賓夕法尼亞州、新澤西州、馬里蘭州、哥倫比亞特區(qū)及美國其它10個(gè)州超過6100萬客戶輸送電力。此外，它還負(fù)責(zé)將1300多座電廠生產(chǎn)的電力輸送給眾多區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)營商。一旦電力供應(yīng)中斷，這些客戶都將陷入黑暗之中。

颶風(fēng)“桑迪”確實(shí)造成了巨大的損失。這場災(zāi)難一共致使800萬住戶停電，而其中500萬就在PJM Interconnection覆蓋區(qū)域內(nèi)。超過140套高架電纜和變電站被損毀，直到數(shù)個(gè)星期之后才得以*修復(fù)。

（如圖）颶風(fēng)“桑迪”損毀了超過140套高架電纜和變電站。地處新澤西州奧特雷海灘的35號(hào)公路北就是重災(zāi)區(qū)之一。

氣候變化：電網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)
持續(xù)的氣候變化令停電變得愈發(fā)常見。氣候變化不僅會(huì)增加像颶風(fēng)“桑迪”這樣的風(fēng)暴的次數(shù)，還會(huì)帶來更多洪災(zāi)、森林大火、熱浪和干旱。美國能源部在其于2015年10月發(fā)布的一份報(bào)告中再次指明了這一點(diǎn)。面對(duì)這樣的變化，包含超過9200座電廠和長約50萬公里的高架電纜的美國電網(wǎng)已經(jīng)感受到了壓力。

在干旱的美國西南部地區(qū)，電廠經(jīng)常因沒有足夠的冷卻水而不得不降低發(fā)電量。從2011年開始，加州經(jīng)歷了氣象測量最嚴(yán)重的干旱。而根據(jù)新的對(duì)樹上年輪的研究，這也是1200年以來最嚴(yán)重的干旱。與此同時(shí)，中太平洋的厄爾尼諾現(xiàn)象有可能使加州在今年冬季遭遇極端降水天氣。雖然降水能幫助緩解干旱，但極端降水帶來的麻煩可能比其帶來的益處更大。譬如今年10月中旬，暴雨導(dǎo)致的泥石流令1萬多個(gè)家庭被迫停電。

墨西哥灣和太平洋沿岸的風(fēng)暴與颶風(fēng)也在增加。2015年10月，有史以來颶風(fēng)之一“帕特里夏”以高達(dá)400公里的時(shí)速橫掃了墨西哥西南沿海地區(qū)。其所過之后產(chǎn)生的洪災(zāi)摧毀了許多樓宇、變壓器和高架電纜。10月初，颶風(fēng)“華金”以時(shí)速250公里（超過150英里）席卷大西洋沿岸地區(qū)。盡管颶風(fēng)此次繞開了美國內(nèi)陸，但其分支及隨之產(chǎn)生的一片低壓區(qū)域仍然造成了南卡羅來納州最大暴雨。這些事件均佐證了美國能源部的觀點(diǎn)，即必須增強(qiáng)電網(wǎng)的防御能力，以抵御這些極端天氣帶來的影響。

2015年10月襲擊墨西哥西南沿海的颶風(fēng)“帕特里夏”的風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)400公里，是有記錄以來最熱帶氣旋。

兩個(gè)控制中心
PJM Interconnection非常清楚氣候變化帶來的威脅將不斷增加。從2011年11月開始，它部署了來自西門子的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在斷電時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估并完成更優(yōu)化的管理。系統(tǒng)采用兩個(gè)控制中心。在正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)中心會(huì)共同管理電網(wǎng)。如果其中一個(gè)在突發(fā)事件中發(fā)生故障，另一個(gè)中心則可以繼續(xù)獨(dú)自管理電網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)颶風(fēng)“桑迪”襲來時(shí)，這套系統(tǒng)正是這樣工作的，這也令PJM能夠隨時(shí)掌握其輸電網(wǎng)絡(luò)的情況。

該電網(wǎng)管理系統(tǒng)采用了西門子和PJM Interconnection共同開發(fā)的一個(gè)集成式平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)能夠整合諸如電力、市場和配電網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等多種應(yīng)用。西門子在明尼阿波里斯的能源管理集團(tuán)技術(shù)戰(zhàn)略副總裁Ravi Pradhan表示，“該系統(tǒng)的開放式架構(gòu)是其優(yōu)勢所在。它能以低成本集成新舊應(yīng)用，這使得現(xiàn)存的解決方案也能被包括在內(nèi)。而兩個(gè)控制中心同時(shí)運(yùn)行則加強(qiáng)了電網(wǎng)的安全性，幫助其應(yīng)對(duì)如颶風(fēng)一樣會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的突發(fā)事件。”

智能電網(wǎng)分區(qū)
然而，不僅區(qū)域間的電網(wǎng)需要變得更強(qiáng)健，紐約市的電網(wǎng)同樣有此需求。颶風(fēng)“桑迪”使超過100萬紐約市民受到數(shù)日停電的影響。為了應(yīng)對(duì)類似的災(zāi)難，電力公司Con Edison從2013年起開始實(shí)施一項(xiàng)耗資逾10億美元的計(jì)劃，旨在于2017年前增強(qiáng)紐約電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端天氣的能力。譬如，修建更高的大壩、保護(hù)性圍墻和強(qiáng)化防護(hù)門來保護(hù)電廠、變電站和開關(guān)柜。同時(shí)，公司還會(huì)建立更堅(jiān)固的電線桿，在電網(wǎng)中安裝監(jiān)控傳感器，并重新鋪設(shè)用于、消防部門、醫(yī)院、藥房和超市等關(guān)鍵場所的高架電纜。

美國輸電網(wǎng)絡(luò)包含超過9200座發(fā)電站和近50萬公里的高架電纜。自然災(zāi)害來臨時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)面臨輸電中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

西門子提供的電力管理系統(tǒng)幫助PJM Interconnection在斷電時(shí)更好地掌握電網(wǎng)情況和控制電網(wǎng)。

PJM Interconnection部署了來自西門子的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩個(gè)控制中心，如果其中一個(gè)在突發(fā)事件中發(fā)生故障，另一個(gè)就可以繼續(xù)獨(dú)自管理電網(wǎng)運(yùn)行。

借助于西門子的技術(shù)，在2015年夏季， Con Edison也為其在曼哈頓地區(qū)的兩個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)部署了全新的自動(dòng)化系統(tǒng)。如果遭遇洪災(zāi)，該系統(tǒng)能立刻分割為4個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。一旦電網(wǎng)受損（如變電站發(fā)生爆炸），事故地點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)就會(huì)被系統(tǒng)隔離開來。這樣做可以防止事故造成的影響擴(kuò)散到整個(gè)電網(wǎng)。

這種隔離是通過許多集中控制的開關(guān)站實(shí)現(xiàn)的。Con Edison共在位于曼哈頓下城區(qū)的兩個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中安裝了44臺(tái)這種地下開關(guān)站。一旦控制中心觸發(fā)隔離指令，多達(dá)20個(gè)開關(guān)會(huì)在短短數(shù)毫秒內(nèi)同時(shí)啟動(dòng)。為了同時(shí)控制如此之多且分布于整個(gè)電網(wǎng)的開關(guān)，系統(tǒng)依賴于采用冗余設(shè)計(jì)的光纖網(wǎng)絡(luò)。

自動(dòng)切換系統(tǒng)投入使用前，整個(gè)解決方案在西門子進(jìn)行了測試，以確保其具備符合要求的同時(shí)切換速度。測試最終取得了成功。“這是配電系統(tǒng)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)同步開關(guān)。”位于北卡羅來納州溫德爾的西門子能源管理集團(tuán)*工程師Andre Smit說道。他指出，下次風(fēng)暴來臨時(shí)，包括華爾街在內(nèi)的曼哈頓東南區(qū)將能在必要情況下快速從城市電網(wǎng)中斷開。