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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(gè)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(cāng)庫有限公司啟動(dòng)其工業(yè)制冷系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)?shù)仉娏径紩?huì)緊張不已。制冷系統(tǒng)通常是在夜間工作。這個(gè)時(shí)段的用電戶少，電價(jià)也更低。白天，僅當(dāng)氣溫升高至預(yù)設(shè)閾值以上時(shí)，制冷設(shè)備才會(huì)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(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)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(guó)踏上可持續(xù)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型之路以前，這三個(gè)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(gè)國(guó)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(jí)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(huì)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(duì)本地情況幾乎茫然無知；它們對(duì)各個(gè)變電站另一側(cè)的電能流動(dòng)情況一無所知。這種狀況必須盡快得到改觀。”

另一個(gè)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(guó)，電表通常安裝在地下室或過道里，而在其他國(guó)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(guó)，變壓器直接連接至電線桿；在德國(guó)，變壓器則安裝在小型建筑物中。在美國(guó)，一個(gè)明顯的可選方案是，仿效國(guó)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(guó)，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(guó)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)頗具吸引力的選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖蠖鄶?shù)國(guó)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(tái)，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(hào)延遲在幾百毫秒到整整一秒之間波動(dòng)。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(xiǎn)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(shí)間。有鑒于此，這項(xiàng)研究要求部署單獨(dú)的通信網(wǎng)絡(luò)：?jiǎn)为?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(gè)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(dòng)化研究院，F(xiàn)INSENY項(xiàng)目合作伙伴設(shè)置了一個(gè)合乎實(shí)際情況的測(cè)試環(huán)境，以供這份研究報(bào)告的作者試驗(yàn)他們的想法。研究院具備一臺(tái)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(shí)互動(dòng)，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(duì)象。相對(duì)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(bào)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(gè)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(dòng)的影響。

半秒鐘內(nèi)完成重新調(diào)節(jié)。模擬試驗(yàn)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)是，常規(guī)電能與供應(yīng)量波動(dòng)不定的電能的相對(duì)數(shù)量，對(duì)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(duì)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(dòng)。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(shí)間。”否則，電網(wǎng)頻率波動(dòng)將過于極端。

歐盟正在通過開展試點(diǎn)項(xiàng)目，對(duì)FINSENY得出的結(jié)論進(jìn)行測(cè)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(shí)，而是將這些真知灼見應(yīng)用到大規(guī)模市場(chǎng)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(jì)其數(shù)的組件之間的互通性，以及確保快速建成FINSENY報(bào)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(chǎng)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(shí)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(jiān)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(shí)候?qū)⑵湓O(shè)備停機(jī)幾個(gè)小時(shí)之外，虛構(gòu)的Acme冷藏倉(cāng)庫有限公司也可以使用其叉車及其購(gòu)置的電動(dòng)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(bào)酬，向Acme公司的賬戶打入一筆可觀的資金。