深入智能電網(wǎng)控制系統(tǒng): IT革命由此開始

目錄
電網(wǎng)的覺醒
電網(wǎng)響應(yīng)
電網(wǎng)修復(fù)
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我們生活的方方面面越來越受新技術(shù)的影響——從我們手中的電話到我們的閱讀方式。

整個工業(yè)界都在向數(shù)字領(lǐng)域轉(zhuǎn)變——一個涵蓋了軟件，網(wǎng)絡(luò)，處理器，以及傳感器的融合與信息交換的信息技術(shù)(IT)新世界。

是什么使這種改變?nèi)绱瞬豢煽咕?，看起來沒有任何行業(yè)能夠阻止它的腳步？這當(dāng)中有很多原因，從快速的物流和服務(wù)，到巨大的生產(chǎn)力。無論如何，最重要的還是性價比。事實證明，信息技術(shù)帶來更快的增長率，當(dāng)性能呈指數(shù)級增長的同時(分子位置)，價格呈指數(shù)級的下降(分母位置)。任何拒絕“數(shù)字化”進程的行業(yè)都要承擔(dān)被淘汰的風(fēng)險。

近距離地審視電力網(wǎng)絡(luò)，同很多其它工業(yè)相比，我們發(fā)電，傳輸，以及分配電力的方式仍然固守“前IT”技術(shù)。盡管它具有成百上千萬英里的嗡嗡作響的輸電線路，數(shù)以千計的發(fā)電機，以及數(shù)十億的互連設(shè)備，但電網(wǎng)的運行仍然主要依靠現(xiàn)代計算機與互聯(lián)網(wǎng)時代之前的陳舊技術(shù)來控制。但是，隨著新的電網(wǎng)控制系統(tǒng)的深入，數(shù)字革命已經(jīng)啟航。這種變革會帶來更高的性能，更低的花費，以及完全不同的新特征，例如完美的電動車輛整合，電網(wǎng)級能量存儲，以及分布式的可再生能源生產(chǎn)。盡管仍然處于初級階段，但智能電網(wǎng)革命已經(jīng)不可否認的開始了，沒有任何能源行業(yè)能夠忽視它的存在。

電網(wǎng)的覺醒
將電網(wǎng)數(shù)字化的第一步是分布式的傳感技術(shù)?？梢栽O(shè)想一下，嵌入式的儀器系統(tǒng)分布在整個電網(wǎng)，從傳輸線采集電功率信號，將信號數(shù)字化，并通過因特網(wǎng)將信號傳送出去。向量測量單元，也稱為PMU，通過比較電網(wǎng)中多個點的同步電壓與相位測量的方式測量流量。 這樣做的目的是為了評估電網(wǎng)穩(wěn)定性，在出現(xiàn)電力斷供之前發(fā)現(xiàn)問題，甚至于在出現(xiàn)故障時，能夠 “修復(fù)”電網(wǎng)。這就要求可以實時分析處理從電網(wǎng)中收集到的高速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提供給計算機模型，生成直觀的結(jié)果提供給控制室的操作人員。NI公司將這一過程歸納為世界范圍內(nèi)的“采集，分析，與呈現(xiàn)”。滿足實現(xiàn)這一切的技術(shù)要求不再是簡單的嘗試。PMU需要高電壓電流的準確測量，精確的同步采樣，板上信號處理，以及足夠的通訊帶寬來可靠地傳送數(shù)據(jù)包。所有的這些需求都是為了分析過程。當(dāng)測量數(shù)據(jù)以30-60幀/秒的速率從現(xiàn)場匯總時，對于指導(dǎo)電網(wǎng)操作員如何操作的算法來說，使用的數(shù)據(jù)必須保持實時性和準確性?；贔PGA技術(shù)的PMU可以通過高保真的測量和多線程處理能力使這一切成為現(xiàn)實。最重要的是其現(xiàn)場可重新配置的特性，系統(tǒng)可重構(gòu)的內(nèi)部電路可以適應(yīng)變化需求。即使在部署到現(xiàn)場之后，可精確到門陣列級的系統(tǒng)重新配置能力也可以在未來幾年內(nèi)保持技術(shù)的領(lǐng)先。這是因為PMU以及其它智能電網(wǎng)設(shè)備的標準一直在不停地發(fā)展。例如，一種新的用于PMU精確時鐘同步的標準，IEEE 1588 PC37.238，以及最新的通信協(xié)議，IEC 61850-90-5，都會在2011年后半年發(fā)布。

圖 1. 基于 NI CompactRIO的PMU能夠提供現(xiàn)場可配置的嵌入式儀器 ，并且在儀器部署到電網(wǎng)數(shù)年之后都可以通過遠程控制進行更新

電網(wǎng)響應(yīng)
將電網(wǎng)數(shù)字化的第二步是通過智能分布式系統(tǒng)來進行控制。這種系統(tǒng)可以檢測并保持電網(wǎng)處于最佳性能。系統(tǒng)以高性能的同步測量，實時的通信，以及嵌入式分析為保障，增強了功率分配的可靠性。在這里，電力傳輸也到達了它的終點。

配電系統(tǒng)中的變電站將高電壓的傳輸信號降低為適于輸電線的中等水平電壓。電壓又經(jīng)過柱上變壓器，被轉(zhuǎn)換成適于居民用和商業(yè)用的低電壓輸出。在全世界范圍內(nèi)，配電網(wǎng)都在經(jīng)歷巨大變革，將智能自動開關(guān)保護設(shè)備等數(shù)字控制系統(tǒng)整合進來。

如果您的照明系統(tǒng)會在雷暴來臨的時候燈光閃爍，您看到的也許正是自動開關(guān)正在工作。一個智能自動開關(guān)可以實時的中斷故障電流，也能夠監(jiān)測電力信號并確定何時恢復(fù)供電。這就像一個智能電路中斷器。它們會在出現(xiàn)故障電流的情況下開啟中斷保護電路，也可以“重新閉合”來恢復(fù)服務(wù)，避免電網(wǎng)停止工作。

電網(wǎng)修復(fù)
當(dāng)出現(xiàn)問題時，智能自動開關(guān)可以自動檢測到問題并重新配置線路恢復(fù)電力供應(yīng)。這可以看作是一種“自我修復(fù)”。一個回路含有兩個有智能設(shè)備鏈接的饋電線路，可以大大提高可靠性。一般來說，變電站附近有一個隔離自動開關(guān)，沿輸電線的是中間自動開關(guān)，還有可以隨意連接兩個饋電線路的自動開關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，智能自動開關(guān)可以在檢測到故障的同時，及時提供保護。最后，系統(tǒng)通過開啟適當(dāng) 的自動開關(guān)，自動恢復(fù)并重新提供電力，實現(xiàn)自我修復(fù)，并將電能存儲損耗降到最低。

圖 2. 可“自我修復(fù)”的電力分配系統(tǒng)能夠自動檢測和自動調(diào)節(jié)，從而達到較高的可靠性

智能自動開關(guān)可以被比作是未來智能電網(wǎng)的因特網(wǎng)路由——能夠自動診斷并調(diào)整以適應(yīng)電流。結(jié)合了儀器，分析，以及控制的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)，正在逐漸把電網(wǎng)變得像因特網(wǎng)一樣——自我診斷，自我修復(fù)，并采用效能遠遠超過集中式的分布式方式。就如同因特網(wǎng)一樣，智能電網(wǎng)革命正在由處于技術(shù)最前沿的工程師們所主導(dǎo)，將電力的生產(chǎn)，消耗，以及分配變得更加現(xiàn)代化。