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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(lái)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(kù)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(lái)自太陽(yáng)能電站,。不過(guò)，如果太陽(yáng)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(lái)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(guò),，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(lái)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(wèn)題,。但如果發(fā)電量超出了需求量，則會(huì)成為問(wèn)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(wú)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(wú)所知。這種狀況必須盡快得到改觀,。”

另一個(gè)問(wèn)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(guò)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(wú)線局域網(wǎng),，搭建無(wú)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(shuō)：“有史以來(lái)*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(yáng)能電池板都需要一條單獨(dú)的信息高速路來(lái)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(shuō)：“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(wú)處不在的覆蓋,，并且比光纜系統(tǒng)更為便宜,。

Helbich說(shuō)：“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(wú)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(wèn)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(wèn)題，并進(jìn)而引發(fā)了嚴(yán)重的日常通信問(wèn)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(lái)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(guò)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(lái)越少,。Monti說(shuō)：“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(shuō)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(guò)于極端,。

歐盟正在通過(guò)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(shuō)：“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?？焖俳ǔ蒄INSENY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(lái)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(kù)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。