软件定义电网

云脑智库 2021-05-12 00:00


软件和传感器是怎样带着

百年历史的电网技术走入现代的
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昂斯洛(Onslow)是澳大利亚西部一个偏远沿海城镇, 人口仅有850人。这里有充沛的太阳能、风能和蓄电池,可以补充该地区传统的发电方式。我和同事花费了大量时间在这里建设了一个项目。我们要确保所有这些分布式能源能够组成一个平衡、协调运行的系统。我们的团队从位于圣地亚哥的公司总部出发,行程超过1.5万公里,大家都很高兴能帮助昂斯洛居民和西澳大利亚的地平线电力公司(Horizon Power)。
与世界其他农村公用事业公司一样,要向分散在广阔地区的数百个小社区提供可靠电力,地平线电力公司面临着巨大挑战。实际上,称之为“广阔地区”还是一种非常保守的说法。地平线电力公司的服务范围约230万平方公里,大约是阿拉斯加面积的1.5倍。高压电线和变电站很难穿越所有地区,所以本地发电是关键。为了配合澳大利亚减少碳足迹的工作,地平线电力公司也在与客户合作,减少对不可再生能源的依赖。因此,部署太阳能光伏和风力涡轮机等可再生能源的激励措施非常有力。
不过,像其他地方一样,在这里增加太阳能和风能设备也带来了问题,尤其对电网的稳定性和适应力提出了挑战。大多数人所接入的电力系统是一个多世纪以前设计的。他们依靠大型集中发电厂,通过输配电网将电力输送到城市、村镇、家庭、学校、工厂、商店、办公楼等。这种已有百年历史的电力系统无法处理只有在阳光明媚或刮风时才能发电的发电机。当发电量与整个电网的需求出现不平衡时,这种发电量的间歇性会导致电网的电压和频率出现危险的波动和峰值。电网会连接成百上千台小型发电机(比如屋顶太阳能电池板),而传统电网的设计无法处理两个方向的能量流动。

随着可再生能源在全球范围内的使用增多,这个问题愈发突出。根据联合国《2019年全球可再生能源投资趋势》报告,2010年风能和太阳能发电仅占全球发电量的4%。预计10年内这一数字将不止翻两番,会达到18%。国际能源署称,至少未来5年内这一趋势会持续下去。预计到2024年,可再生能源产能将增长50%,其中太阳能光伏和陆地风能将占最大份额。

可惜的是,许多电网运营商并未将这种新的发电能力视为一种宝贵资产,而是担心可再生资源的间歇性问题。他们并没有想办法整合可再生资源,而是试图限制可连接至其网络的可再生能源的数量,而且会常规性地削减这些能源的输出量。
2018年末,地平线电力公司聘请了我们PXiSE能源解决方案公司(PXiSE Energy Solutions)来更好地整合其广阔服务领域内的可再生能源。世界各地有许多电力公司都在应对同样的挑战。我们与其他公司所采用方法的主要区别在于,我们使用了一种特殊的传感器,名为相量测量单元(PMU)。这种传感器最早开发于20世纪80年代,能够测量电网上不同点的电压和电流,然后计算信号的幅值和相位,每次数字化测量接收到的时间戳可以精确到真实时间的1微秒以内。这样的测量结果可以显示网络状态在每时每刻的变化。

多年来,公用事业公司已在传输系统上部署了PMU,但并没有充分利用传感器的实时数据。PXiSE团队开发了机器学习算法,我们的高速控制器能够自动快速应对发电量和耗电量的变化,并预测未来可能出现的网络状况。这种智能系统在持续平衡太阳能发电、电池供电和其他可用能源的同时,还可以缓解电网扰动,使电网更加高效、可靠。更重要的是,我们的系统几乎可以集成到任何类型的电网中,无论其规模大小、投入时间长短或者是否结合了发电和负荷。下面是它的工作原理。

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PMU测量的基本内容叫做相量。 工程学巨匠查尔斯•普罗特斯•斯坦梅茨(Charles Proteus Steinmetz)在1893年就发明了这个术语,并说明了如何根据交流电波形的相位和振幅来计算它。将近一个世纪后,阿伦•G.帕德克(Arun G. Phadke)及其弗吉尼亚理工大学的团队开发了相量测量单元,并表明PMU可以直接测量电网上特定点的交流正弦波的幅值和相角。
1992年,PMU实现了商业化,公用事业公司开始部署传感器以帮助识别停电和其他电网“活动”。如今,美国的主要变电站安装了数以万计的PMU。(IEEE标准C37.118和更新的IEEE/IEC标准60255-118-1-2018规定了PMU数据的精度,在精度和电力测量一致性方面,它们对PMU的要求比对其他传感器的要求更高。)
实际上,这些设备的价值远远不止是简单地跟踪停电。如今的高速PMU每秒可提供60次数据,是大多数电网所使用的传统监控和数据采集(SCADA)系统采样率的200多倍。此外,PMU数据使用了全球定位系统(GPS),具备高精度时间戳,可在世界范围内同步所有测量结果。因此,这些数据有时被称为同步相量。
借助这种时间分辨率,PMU可以提供一个非常精确和详细的电力质量快照,显示电压和电流在其规定范围内的一致性情况。大范围的波动会导致效率低下并浪费电力。如果波动过大,还会损坏设备,甚至导致电压过低或停电。如果资源分散在广阔的区域中(比如西澳大利亚地平线电力公司的电网),包含时间戳的数据则尤其有用。
大多数公用事业公司并没有利用现代数据通信和先进的控制技术,这是PMU尚未得到充分利用的主要原因。即使有了PMU和数据网络,他们也没有将其整合在一起以协调太阳能、风能和其他能源资源。SCADA系统每2到3秒会向中央运营中心发送一次信息,中心的操作员会一直监视运行情况,并在出现问题时采取行动。不过,太阳能光伏、风力涡轮机和储能单元等基于逆变器的电力电子设备的运行是毫秒级的,需要对其进行更快速的控制才能最大限度地发挥其效益。

我是一名电力工程师,已在加州各大小型电力公司工作了33年。因此,我非常清楚,随着越来越多的分布式能源的投入使用,公用事业公司面临着哪些问题。我早有预感,PMU和同步相量会在电网现代化中发挥更大的作用。2015年,我在桑普拉能源公司(Sempra Energy)担任基础设施和技术副总裁,开始与当时受雇于傲时软件公司(OSIsoft)的电力系统控制专家查尔斯•威尔斯(Charles Wells)合作,以验证我的这种预感,并研究基于同步相量的控制系统。

我们每周五下午都会开几个小时的会,花了将近一年时间进行计算和运行模拟,最后确认PMU数据可以用于实时测量和控制电网情况。之后,我们求助于加州大学圣地亚哥分校的雷蒙德•德卡拉丰(Raymond de Callafon)和傲时软件公司的其他专家,一起研究如何创建一个强大的商业系统。我们的目标是开发一款基于软件的控制器,它可以自主做出决策,从而实现从传统SCADA系统的手动调整向自动调整过渡。
我们设想的控制器需要以高精度和高速度运行。我们的系统还需要配备人工智能,以便每小时、每天预测电网情况。由于我们的平台主要以软件为基础,因此它需要的新硬件非常少,而且能快速集成到现有网络中,价格也很低廉。实际上,我们想要为电网创建一个新的操作系统。
2017年初,我们的系统已经准备就绪,可以进行第一次实际测试。6名工程师组成的团队来到夏威夷岛上一个21兆瓦的风力发电和储电厂。近年来,夏威夷大大增加了太阳能和风能发电,但由于风能资源的可变性,该岛的电网已经达到了极限,无法整合更多可再生能源。对于电网运营商来说,依赖化石燃料发电机比减少来自风电场的间歇性电力要简单得多。为了确保电网的稳定性,需要定期在夜间关闭或削减风电场的发电。
由于预算有限,我们使用了现成的设备,包括一台标准个人电脑,其中运行的数字模拟器模型由德卡拉丰创建。我们在风电场附近租了一间房子,在那里花了几天时间测试这项技术。发现自己实际上可以在餐桌上控制风力发电场发电时,我们感觉非常奇妙。(当然,我们采取了所有适当的网络安全防范措施。)有了我们的控制系统,通过实时调度储电设施,风电场固有的功率波动变得平缓。风电场的发电更加可靠了。
完成夏威夷项目后不久,我们在桑普拉能源位于圣地亚哥市中心的高层办公楼安装了运行PMU算法的控制器,创建了一个微电网。控制器的设计目的是优化办公楼中电动汽车充电器、太阳能电池板和蓄电池的使用。同时,也将减少傍晚(此时电力需求和价格通常都很高)对电网电力的依赖。这种时候,优化算法会自动确定合适的资源组合和调度安排,使一层楼仅使用本地可再生能源和储存的能源而不靠主电网提供服务。这种改变使大楼的公用事业费用减少了20%,随后我们发现,类似的微电网普遍都能实现这个水平的成本缩减。
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最近,我们的团队去了韩国济州岛。安装我们的电网控制器之前,岛上的电力主要来自韩国本土,通过水下高压电缆传输。该系统旨在将两个容量分别为224千瓦时和776千瓦时的本地储电系统与一个500千瓦的太阳能发电场和600千瓦的风力发电场连接起来。为了实现济州岛的可再生能源目标并节省电费,在电力需求和电网价格较低的白天,风能和太阳能电力会被储存在电池中,而在电力需求和电网价格都很高的夜晚,则会使用这些储存电能。

我们的控制器现场安装只花了4天时间。除了白天和晚上运行两个电池储存系统外,PXiSE的控制器还使用了电池为风力涡轮机提供“斜坡控制”。大多数电网只能承受功率流的逐渐变化,通常不超过每分钟1兆瓦,斜坡控制就像减震器一样,当风力突然改变时,它可以使涡轮机的输出功率稳定,否则会导致电网出现可靠性问题。

每隔16.7毫秒(60赫兹波的一个周期),控制器便会检查风电输出有没有出现变化。如果风停,系统会立即向电网放电以进行补偿,随着主电网的功率逐渐提高达到满足需求的水平,系统会逐渐减少电池的放电量直至为零。再次起风时,电池会立即做出反应,吸收一部分产生的风电,随着控制器逐渐增加向电网输送的风电,储存到电池的电量会逐渐减少到零,从而满足实时能源需求。

控制系统还根会据天气预报和历史负荷数据的人工智能处理结果,进行自己的负荷和发电量预测。预测模型会实时更新,以计算系统的最佳功率和储能设置。

在智利、关岛、中国、日本、墨西哥和美国少数几个地方的其他项目中,根据客户的能源资源组合及其工作重点,我们提供的系统各有不同。从屋顶太阳能电池阵列一直到接入大型电网的集中发电厂,我们设计的PXiSE系统可以部署在电网的任何部分。除控制器以外,客户无须安装额外的复杂设备,就能快速集成我们的技术,而且马上就能看到积极结果,因而对此很满意。

我们更远大的目标是打造更加智能、更加清洁的电网,目前正在做的工作只是其中的一部分。该目标是我们这个时代所面临的一项巨大挑战。电力行业并没有走在技术利用的前沿,而从一个具有百年历史、依赖硬件的模拟电网过渡到基于软件的现代化数字电网,不仅是可取的,而且是必要的。我们的团队由充满激情的的企业家和工程师组成,与世界各地成千上万的其他人共同致力于改变整个行业和地球的未来。

作者:Patrick T. Lee

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