深入智能電網(wǎng)控制系統: IT革命由此開(kāi)始

　　整個(gè)工業(yè)界都在向數字領(lǐng)域轉變——一個(gè)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。

　　是什么使這種改變如此不可抗拒，看起來(lái)沒(méi)有任何行業(yè)能夠阻止它的腳步?這當中有很多原因，從快速的物流和服務(wù)，到巨大的生產(chǎn)力。無(wú)論如何，最重要的還是性?xún)r(jià)比。事實(shí)證明，信息技術(shù)帶來(lái)更快的增長(cháng)率，當性能呈指數級增長(cháng)的同時(shí)(分子位置)，價(jià)格呈指數級的下降(分母位置)。任何拒絕“數字化”進(jìn)程的行業(yè)都要承擔被淘汰的風(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(wàn)英里的嗡嗡作響的輸電線(xiàn)路，數以千計的發(fā)電機，以及數十億的互連設備，但電網(wǎng)的運行仍然主要依靠現代計算機與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之前的陳舊技術(shù)來(lái)控制。但是，隨著(zhù)新的電網(wǎng)控制系統的深入，數字革命已經(jīng)啟航。這種變革會(huì )帶來(lái)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(dòng)車(chē)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(kāi)始了，沒(méi)有任何能源行業(yè)能夠忽視它的存在。

　　電網(wǎng)的覺(jué)醒

　　將電網(wǎng)數字化的第一步是分布式的傳感技術(shù)?？梢栽O想一下，嵌入式的儀器系統分布在整個(gè)電網(wǎng)，從傳輸線(xiàn)采集電功率信號，將信號數字化，并通過(guò)因特網(wǎng)將信號傳送出去。向量測量單元，也稱(chēng)為PMU，通過(guò)比較電網(wǎng)中多個(gè)點(diǎn)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)穩定性，在出現電力斷供之前發(fā)現問(wèn)題，甚至于在出現故障時(shí)，能夠 “修復”電網(wǎng)。這就要求可以實(shí)時(shí)分析處理從電網(wǎng)中收集到的高速數據，并將數據提供給計算機模型，生成直觀(guān)的結果提供給控制室的操作人員。NI公司將這一過(guò)程歸納為世界范圍內的“采集，分析，與呈現”。滿(mǎn)足實(shí)現這一切的技術(shù)要求不再是簡(jiǎn)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(lái)可靠地傳送數據包。所有的這些需求都是為了分析過(guò)程。當測量數據以30-60幀/秒的速率從現場(chǎng)匯總時(shí)，對于指導電網(wǎng)操作員如何操作的算法來(lái)說(shuō)，使用的數據必須保持實(shí)時(shí)性和準確性?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA技術(shù)的PMU可以通過(guò)高保真的測量和多線(xiàn)程處理能力使這一切成為現實(shí)。最重要的是其現場(chǎng)可重新配置的特性，系統可重構的內部電路可以適應變化需求。即使在部署到現場(chǎng)之后，可精確到門(mén)陣列級的系統重新配置能力也可以在未來(lái)幾年內保持技術(shù)的領(lǐng)先。這是因為PMU以及其它智能電網(wǎng)設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(shí)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(huì )在2011年后半年發(fā)布。

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

　　電網(wǎng)響應

　　將電網(wǎng)數字化的第二步是通過(guò)智能分布式系統來(lái)進(jìn)行控制。這種系統可以檢測并保持電網(wǎng)處于最佳性能。系統以高性能的同步測量，實(shí)時(shí)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(diǎn)。

　　配電系統中的變電站將高電壓的傳輸信號降低為適于輸電線(xiàn)的中等水平電壓。電壓又經(jīng)過(guò)柱上變壓器，被轉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，配電網(wǎng)都在經(jīng)歷巨大變革，將智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護設備等數字控制系統整合進(jìn)來(lái)。

　　如果您的照明系統會(huì )在雷暴來(lái)臨的時(shí)候燈光閃爍，您看到的也許正是自動(dòng)開(kāi)關(guān)正在工作。一個(gè)智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以實(shí)時(shí)的中斷故障電流，也能夠監測電力信號并確定何時(shí)恢復供電。這就像一個(gè)智能電路中斷器。它們會(huì )在出現故障電流的情況下開(kāi)啟中斷保護電路，也可以“重新閉合”來(lái)恢復服務(wù)，避免電網(wǎng)停止工作。

　　電網(wǎng)修復

　　當出現問(wèn)題時(shí)，智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)檢測到問(wèn)題并重新配置線(xiàn)路恢復電力供應。這可以看作是一種“自我修復”。一個(gè)回路含有兩個(gè)有智能設備鏈接的饋電線(xiàn)路，可以大大提高可靠性。一般來(lái)說(shuō)，變電站附近有一個(gè)隔離自動(dòng)開(kāi)關(guān)，沿輸電線(xiàn)的是中間自動(dòng)開(kāi)關(guān)，還有可以隨意連接兩個(gè)饋電線(xiàn)路的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。當出現故障時(shí)，智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以在檢測到故障的同時(shí)，及時(shí)提供保護。最后，系統通過(guò)開(kāi)啟適當 的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)恢復并重新提供電力，實(shí)現自我修復，并將電能存儲損耗降到最低。

圖2. 可“自我修復”的電力分配系統能夠自動(dòng)檢測和自動(dòng)調節，從而達到較高的可靠性

　　智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以被比作是未來(lái)智能電網(wǎng)的因特網(wǎng)路由——能夠自動(dòng)診斷并調整以適應電流。結合了儀器，分析，以及控制的網(wǎng)絡(luò )化嵌入式系統，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，并采用效能遠遠超過(guò)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，將電力的生產(chǎn)，消耗，以及分配變得更加現代化。