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什么是“智能电网”,它如何“智能”?

时间:2017-10-12 16:07:16 作者:Nick Davis,特约编辑/电气工程师 阅读:
电网就是将电力从发电厂输送到家庭的设施。当前的电网使用有限的单向交互。也就是说,电力从发电厂流向消费者。相比之下,智能电网引入了双向交互机制:电力和信息可以在电力公司和消费者之间双向交互。这种通信、自动化、计算机和控制应用不断增长的网络,有助于使电网更高效、更可靠、更安全、更“绿色”。
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“电网”的官方定义是指电能网或电力网,它是目前人类建造的最大规模和最复杂的设备,也是最易于使用的设备之一,你只需要简单地在插座中插入电源线,或转动开关就可以了。换句话说,电网是将电力从发电厂输送到家庭的设施。
1882年时,发明家托马斯·爱迪生在纽约市的珍珠街车站架设了世界上第一个电网。现在,电网通过各种形态的发电厂(如核电、水电、风电、太阳能、煤炭和天然气)、变压器、变电站以及超过20万英里的高压输电线路(这几乎是地球到月球的距离),以及550万英里的当地配送线,将电力输送到了千家万户。

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图1:电网。(图片来源:EIA.gov)
Electricity generation, transmission and distribution: 电能的生产、输送和配给

当前的电网使用有限的单向交互。也就是说,电力从发电厂流向消费者。相比之下,智能电网引入了双向交互机制:电力和信息可以在电力公司和消费者之间双向交互。这种通信、自动化、计算机和控制应用不断增长的网络,有助于使电网更高效、更可靠、更安全、更“绿色”。智能电网还允许可再生能源技术,如风能和太阳能生产的电能和插电式电动汽车,接入国家电网。

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图2:智能电网描述。(图片来源:SmartGrids.eu)

*Nuclear Power Plant: 核电站

Factories: 工厂

Thermal Power Plant: 热电站

Electric Vehicle: 电动汽车

City & Buildings: 城市和建筑

Wind Power Plant: 风电站

Smart Houses: 智能家居

Solar Power Plant: 太阳能电站

Smart Grid: 智能电网*

智能电网还能帮助发电和配电公司远程预测和应对故障,因此,可以帮助当地的维修人员更快地修复停电。

说说断电

不久前的旧金山停电事件就影响了9万人,包括在高峰时间关闭旧金山市中心的BART(湾区快速公交)车站。你可能会问:“导致停电的原因是什么?”是恐怖袭击吗?不。是黑客吗?不。它是由变电站断路器故障引起的,故障引燃了绝缘并引发了火灾。另一次发生在2003年、被称为美国东北地区大停电的事故,虽不是最近的事,也影响了5500万人。其原因竟是未经修剪的树枝。

这两个事件清楚地表明美国的电网竞是如此脆弱,从而进一步证明真的需要智能电网。

除了防止停电的优点,或者至少能更快地恢复供电,智能电网也为消费者带来了好处。其中一种 “智能”能源技术的例子——智能电表。

智能电表

智能电表是一种更新的用于天然气和电力的计量技术,可以将实际能源使用情况以数字方式发送到能源提供商。这意味着家庭将不再依赖于估计的能源支出,也不必再不得不允许抄表人员进入家庭或庭院来人工读取电表。
智能电表还为客户提供了近乎实时的能源消耗数据,从而使他们能够理解、分析和更好地管理能耗,包括减少能源浪费,从而减少发电厂的排放。

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图3.智能电表示例。

此外,智能电表数据可以帮助公用事业公司更好地了解每个家庭的用电量。“发电机组面临着将任何给定时间内产生的电量与消费者需求相匹配的不断挑战。发电过多会浪费,而且价格昂贵,而发电不足可能需要限制用电。因此,数小时甚至数天前、准确预测电力需求,对电网可靠和持续运行至关重要。”

而且,像任何新技术一样,并不是每个人都对其有充分的了解。实际上,还存在着一些误解。以下是关于智能电表的一些常见谬见:

谬见1:智能电表威胁健康,因为其使用无线信号进行通信。

真相:“智能电表发射的射频远低于FCC(联邦通信委员会)制定的极限,而且低于其它常见家用设备(如手机、婴儿监视器、卫星电视和微波炉)所产生的辐射水平。事实上,智能电表的射频在375年间产生的辐射总量才相当于一年内每天使用15分钟手机所产生的辐射量。”

谬见2:智能电表不能保护我的数据安全。

真相:“正如银行、信用卡和有线行业在线提供安全访问你的信息一样,公用事业行业准备好采用先进的安全和加密技术保护你的数据。你数据的隐私现在受到保护。公用事业不断努力以保护其安全。这不会随着智能电表的使用而改变。”

谬见3:智能电表不会给消费者带来任何好处。

真相:“作为智能电网的一部分,智能电表可以改善断电检测和通知。甚至在你不得不打电话给你的供电商之前,智能电表就能领先一步以电子方式报告断电位置,从而能更快恢复供电。此外,给你发送状态通知也会方便很多。”

环境

从环境的角度看,在利用太阳能发电厂、风力发电场和水电站等间歇性可再生能源优势的同时,还可缓解电力需求,这一事实证明智能电网也能为环保做出贡献。特别是,“高智商”的智能电网子系统将战略性地管理这些多样化和地理上分散的可再生能源资源,以确保能够大规模,大范围地安全存储这些能源,并按照需求配送给不同的地方。

智能电网技术的发展并非一帆风顺:2012年,全美的公用事业公司的大佬们聚集在一起讨论有关对美国电网运营商造成严重新威胁的警告。你可能会问这个“严重威胁”是啥?屋顶太阳能电池板!

这些高管看到零售额下滑、客户流失的迹象,如果住宅太阳能的需求继续攀升,传统供电方式可能被淘汰。净计量(Net metering)是一种计费机制,它计费太阳能系统所有者所发的传送到电网中的电量。不幸的是,一些公用事业公司认为净计量是一种减少其收入的方法。

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图4:净计量图。 (图片来源:华盛顿邮报)

*Net metering: Home, sweet power plant: 净计量:家庭、发电厂

A house with solar panels can produce more power than it needs during daylight hours. In most states, the surplus can be pushed through a meter and out on to an electric utility’s grid. The homeowner can be credited-or even paid-for generating electricity: 带太阳能电池板的房子会在白天发出比它需要的更多的电量。 在大多数州,多余电量可以通过电表接入馈送到电力公司的电网。房主可将入网的多余电量抵扣所用电网的电量,甚至从电力公司拿钱。

Solar panels: 太阳能面板

Inverter converts solar DC current into AC current: 逆变器将光伏直流电转化为交流电

Net meter measures power going to and from the property: 净计量电表计量进入家庭和从家庭馈送入电网的电量

Transformer: 变压器

House wiring: 入户电线

Grid: 电网

Excess power feeds onto grid: 多余电量入网*

可以预测,“公用事业公司正在针对住宅太阳能行业,以提议的法律条款限制允许太阳能客户将其生产的多余电量卖给电网获利的‘净计量’做法。 行业组织表示,现行法律给太阳能用户带来不公平的优势;而行业组织的对手则指称其真正目的是摧毁竞争业务。”

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图5:参与家庭太阳能战斗的各州。(图片来源:华盛顿邮报)

States that have had fights or are fighting over home solar: 业已打过或正在就屋顶光伏开战的各州示意图

事实上,像佛罗里达等州的官员已经把“离网”的家庭宣布为非法,因为他们违反了“国际物业维护条款”,该条款要求房屋必须接到电网和自来水网。

未来

智能电网,以其所有的智能技术、工具和设备,一定会对国家电网在效率、减排以及提高其鲁棒性和安全性方面产生积极影响。当然,这是一项新技术,任何新技术,特别是颠覆性技术,都有需克服的困难。但是,我的确认为我们都希望有一个可靠、安全和具成本效益的电网,我们期许的智能电网已可以提供这样的功能。

此外,我坚信就智能电网的发展和部署来说,将是个有机整体。随着时间的推移,它将不断改进和发展、将经历数代人的努力——正如自1882年架设电网以来,我们一直在做的。

本文来自《电子工程专辑》2017年10月刊,版权所有,谢绝转载

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