深入智能電網(wǎng)控制系統(tǒng): IT革命由此開(kāi)始

　　整個(gè)工業(yè)界都在向數(shù)字領(lǐng)域轉(zhuǎn)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?nèi)绱瞬豢煽咕?，看起?lái)沒(méi)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(wú)論如何，最重要的還是性價(jià)比。事實(shí)證明，信息技術(shù)帶來(lái)更快的增長(zhǎng)率，當(dāng)性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的同時(shí)(分子位置)，價(jià)格呈指數(shù)級(jí)的下降(分母位置)。任何拒絕“數(shù)字化”進(jìn)程的行業(yè)都要承擔(dān)被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。

　　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路，數(shù)以千計(jì)的發(fā)電機(jī)，以及數(shù)十億的互連設(shè)備，但電網(wǎng)的運(yùn)行仍然主要依靠現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(huì)帶來(lái)更高的性能，更低的花費(fèi)，以及完全不同的新特征，例如完美的電動(dòng)車輛整合，電網(wǎng)級(jí)能量存儲(chǔ)，以及分布式的可再生能源生產(chǎn)。盡管仍然處于初級(jí)階段，但智能電網(wǎng)革命已經(jīng)不可否認(rèn)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(shù)字化的第一步是分布式的傳感技術(shù)。可以設(shè)想一下，嵌入式的儀器系統(tǒng)分布在整個(gè)電網(wǎng)，從傳輸線采集電功率信號(hào)，將信號(hào)數(shù)字化，并通過(guò)因特網(wǎng)將信號(hào)傳送出去。向量測(cè)量單元，也稱為PMU，通過(guò)比較電網(wǎng)中多個(gè)點(diǎn)的同步電壓與相位測(cè)量的方式測(cè)量流量。 這樣做的目的是為了評(píng)估電網(wǎng)穩(wěn)定性，在出現(xiàn)電力斷供之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，甚至于在出現(xiàn)故障時(shí)，能夠 “修復(fù)”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(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)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(guò)程歸納為世界范圍內(nèi)的“采集，分析，與呈現(xiàn)”。滿足實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確測(cè)量，精確的同步采樣，板上信號(hào)處理，以及足夠的通訊帶寬來(lái)可靠地傳送數(shù)據(jù)包。所有的這些需求都是為了分析過(guò)程。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)以30-60幀/秒的速率從現(xiàn)場(chǎng)匯總時(shí)，對(duì)于指導(dǎo)電網(wǎng)操作員如何操作的算法來(lái)說(shuō)，使用的數(shù)據(jù)必須保持實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。基于FPGA技術(shù)的PMU可以通過(guò)高保真的測(cè)量和多線程處理能力使這一切成為現(xiàn)實(shí)。最重要的是其現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)之后，可精確到門(mén)陣列級(jí)的系統(tǒng)重新配置能力也可以在未來(lái)幾年內(nèi)保持技術(shù)的領(lǐng)先。這是因?yàn)镻MU以及其它智能電網(wǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(xiàn)場(chǎng)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(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行更新

　　電網(wǎng)響應(yīng)

　　將電網(wǎng)數(shù)字化的第二步是通過(guò)智能分布式系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以檢測(cè)并保持電網(wǎng)處于最佳性能。系統(tǒng)以高性能的同步測(cè)量，實(shí)時(shí)的通信，以及嵌入式分析為保障，增強(qiáng)了功率分配的可靠性。在這里，電力傳輸也到達(dá)了它的終點(diǎn)。

　　配電系統(tǒng)中的變電站將高電壓的傳輸信號(hào)降低為適于輸電線的中等水平電壓。電壓又經(jīng)過(guò)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(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù)設(shè)備等數(shù)字控制系統(tǒng)整合進(jìn)來(lái)。

　　如果您的照明系統(tǒng)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(jiān)測(cè)電力信號(hào)并確定何時(shí)恢復(fù)供電。這就像一個(gè)智能電路中斷器。它們會(huì)在出現(xiàn)故障電流的情況下開(kāi)啟中斷保護(hù)電路，也可以“重新閉合”來(lái)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(wèn)題時(shí)，智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)檢測(cè)到問(wèn)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(gè)回路含有兩個(gè)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(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)饋電線路的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，智能自動(dòng)開(kāi)關(guān)可以在檢測(cè)到故障的同時(shí)，及時(shí)提供保護(hù)。最后，系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)啟適當(dāng) 的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)恢復(fù)并重新提供電力，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，并將電能存儲(chǔ)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(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)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(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)，將電力的生產(chǎn)，消耗，以及分配變得更加現(xiàn)代化。