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配備高端測量技術的電網 — 引領未來能源轉型的新引擎

近年來，德國政府出臺多項措施加速推動能源轉型，太陽能、水能和風能等可再生能源的比例大幅增加，到 2023 年，這些可再生能源的發電量已經占到德國總發電量的一半以上。倍福 I/O 產品經理 Fabian Assion 博士從控制技術的角度深入剖析了高度波動的可再生能源占比給電網運行帶來的挑戰，以及這一現狀對構建未來智能電網的深遠意義。

智能電網在能源轉型中扮演什么角色？對電網管理有什么深遠影響？

Fabian Assion 博士：可再生能源發電量占比的增加導致供電網穩定性面臨更大挑戰的原因主要有兩個。第一個原因是，可再生能源的發電方式更加分散，不再像以前的大型發電廠那樣集中。因此，現有的電網物理結構已難以滿足當前分布式能源發電的需求：電流的變化有時會引發電網不穩定，甚至出現過載現象。第二個原因在于，傳統發電廠通常使用的都是同步發電機。這對于電網運行來說是個非常理想的選擇，例如，在發生接地故障時，它能提供最佳電網支撐。而可再生能源的發電則由逆變器控制。因此，它們在此類情況下提供電流能力方面存在局限性，這也會導致電網不穩定。當前能源供給網絡的整體控制也因此愈發顯得錯綜復雜。而這正是智能電網的用武之地：智能電網擁有更詳盡、實時的電網狀態信息，因此更易于控制。

倍福 I/O 產品經理 Fabian Assion 博士：“隨著可再生能源占比的持續攀升，電網的各個層級亟需融入更多且控制系統集成的測量技術。”

在測量設備方面，智能電網需要哪些額外的技術需求，能舉例說明嗎？

Fabian Assion 博士：必須在電網的各個層級額外使用測量設備。迄今為止，特高壓與高壓領域已廣泛采用了這一技術，但中壓與低壓領域則鮮有實施，幾乎處于空白狀態。從投入角度來說，事實上，低壓電網尤其需要進行升級。這是因為相較于高壓電網，低壓電網的覆蓋范圍更為廣泛。因此，相應的需要布置更多的測量點。即便是采取了最為合理且全面的方法，也仍需部署數十萬個測量點。我們可以以供電網最末端環節的變電站為例來討論增設測量點的問題。變電站是將中壓電轉換為低壓電的場所，通常有 8 個或更多低壓輸出端的變壓器來完成這一轉換過程。這些電壓輸出端都應配備先進的測量設備，以精準測量各個關鍵變量。在德國，約有十萬個變電站需配備測量設備。

有哪些相關的測量指標？

Fabian Assion 博士：電流當然是最重要的數值之一，但單純的電流數值本身并不足以全面反映電網的運行狀況。在條件允許的情況下，還應詳細記錄每條輸出饋電線路上各種類型的功率數據（無功功率、視在功率和有功功率），以便更加準確地評估電網狀態。這一點尤為重要，因為在當前電網中，絕大多數負載設備都會使用供電裝置，它們在運行過程中不可避免地會產生不良諧波。換言之，對于肩負電網質量保障重任的運營商而言，詳盡地收集每條電壓輸出線上的諧波數據，甚至精確到每個諧波的具體水平，幾乎已成為一項不可或缺的任務，以便在必要時采取有針對性的措施。

我們需要盡可能相近地記錄可再生能源的測量數據，例如 DeWind 為阿根廷維拉德羅金礦（海拔 4300 米）提供的風力發電機所產生的寶貴數據。

倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術及其系統集成測量技術具有哪些優勢？

Fabian Assion 博士：采用倍福先進的基于 PC 的控制技術，只需較小的技術和資金投入即可高效完成測量任務。此外，倍福的測量產品不僅測量精度高，而且使用方便。它們基于 EtherCAT 及其分布式時鐘功能，因此測量速度足夠快，測量精度也足夠高，能夠實時響應電網中的瞬時事件。我們想特別強調的是，通過實施分布式電力測量方案，我們實現了成本效益與數據質量并重的目標。

借助 EtherCAT 的分布式時鐘功能，僅需部署一個 EL3443 測量端子模塊，即可與分布在電網中的任意數量的 EL3446 測量端子模塊配合，打造分布式電力測量解決方案，實現詳盡且高質量的電力測量。

分布式電力測量方案背后的原理究竟是什么？

Fabian Assion 博士：EtherCAT 端子模塊 EL3446 是一個純電流測量端子模塊，它能夠測定供電網絡的所有相關電氣數據，包括所有電力測量值（電壓相關數據除外）。系統中部署的 EL3446 端子模塊可以根據需要通過 EtherCAT 接收 EL3443 電力測量端子模塊（每個網絡只能安裝一次）中計算電力數據所需的電壓值，并通過 EtherCAT 分布式時鐘功能進行數據同步處理。這樣就能夠顯著減少硬件投入與安裝成本，確保電網質量的可靠監控，同時精準測量每條輸出電壓饋電線路的諧波以及由此產生的電力品質因數。

倍福的分布式電力測量解決方案極大地降低了綜合能源數據采集的材料成本與安裝費用。

基于 PC 的控制解決方案已經在風力發電等領域屢經考驗，充分展示了其價值。它的主要優勢是什么？

Fabian Assion 博士：全球有超過 100,000 臺風力發電機已經使用我們基于 PC 的控制技術進行自動化改造，單臺風力發電機的容量最大可達 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰顯了其無可比擬的優勢，它通過實現極為快速且精準的同步控制流程，顯著提升了運行效率與發電性能。EtherCAT 的卓越性能不僅局限于單臺風機，而且能夠勝任更大規模的風力發電機組的通信任務，乃至整個風電場的聯網控制。就海上風機而言，高壓直流輸電（HVDC）也是供電網中最復雜的部分之一。倍福基于 PC 的控制技術也已成功應用于這一領域。這一點在西門子能源解決方案中得到了很好的說明。

作為輸電系統和電網穩定領域的杰出制造商，西門子能源今后將更加信賴倍福基于 PC 的控制技術（本案例中為高壓直流輸電系統）。

倍福技術不僅在發電領域，而且在區域供電網的能源分配過程中也展現了顯著的優勢。可以挖掘出哪些效率潛力？

Fabian Assion 博士：除了系統集成的測量技術之外，倍福的 I/O 解決方案也為用戶帶來了諸多裨益，這些解決方案能夠輕松應對各類應用場景的市場需求及復雜多變的環境條件。這意味著，無論是電力測量，還是遠程控制協議、開關位置、信號消息以及變壓器和環境溫度等關鍵信息，所有所需的數據都可以在控制系統中進行記錄和整合。瑞士西區能源供應商 Romande Energie 的應用案例充分說明了倍福技術在強化電網安全管理方面所做出的杰出貢獻。

瑞士五大能源供應商之一的 Romande Energie 公司在其變電站中采用了倍福的系統集成式測量解決方案，采用了 EL3453 電力測量端子模塊以及其他 EtherCAT 端子模塊，以保障其電網的可利用率（本案例中為高壓裝置）。

數據測量固然重要，但確保電網系統穩定則是另一項不容忽視的關鍵任務。在頻率控制與電網穩定方面，基于 PC 的控制技術能提供哪些解決方案？

Fabian Assion 博士：能源供應電網的頻率控制和穩定是一項極為復雜且精細的任務。這項任務不僅依賴于全面的電網數據支持，還要求系統具有極快的響應速度 — 從毫秒級乃至微秒級。2015 年，韓國公司 Power 21 使用我們具有超采樣功能的 EL3773 電網監測端子模塊為能源供應商 KEPCO 成功實施了高精度頻率測量解決方案。另一個例子是德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的電力系統和高壓技術研究所（IEH）正在研究如何確保因向可再生能源過渡而發生變化的輸電網的系統穩定性。除了模擬研究之外，發電廠和基于逆變器的發電系統的行為正在被用作專用測試環境的孤島電網中進行仿真。為此，研究人員正在運行安裝有 TwinCAT 的倍福嵌入式控制器上實施具有創新意義的新型控制方法，以驗證它們在真實場景中的應用是否可行。

使用 TwinCAT HMI 對德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的電力系統和高壓技術研究所（IEH）的電網仿真進行操作和監控。

區域性電力用戶，尤其是那些配備了獨立供電網的大型工業廠房，有哪些節電潛力可以挖掘？

Fabian Assion 博士：我們自主研發的能源管理系統具備出色的負荷跟蹤能力，并能夠通過避開用電高峰時段的方式實現成本的最小化。在構建企業內部能源供給網絡時，這一系統顯得尤為重要，無論是大型工業集團，還是中小型企業，都需要配備這樣的能源管理系統。一旦企業成功安裝了諸如光伏發電系統之類的自有發電設施，接下來就應當將能源管理視作下一步工作的重中之重。如果企業同時配備了儲能系統和可控負載（如雙向充電樁），就能夠精準控制能源流動。

在建筑和生產的控制以及它們的能源協調管理方面，基于 PC 的集成式控制技術有何重要性？

Fabian Assion 博士：倍福的集成式解決方案顯著簡化了能源數據的測量過程。它們與相應的能源管理系統相輔相成，不僅奠定了從能源角度審視并優化流程的基礎，還為企業靈活應對電價波動提供了有力支撐。兩者都為降低能源成本提供了巨大的潛力。成功案例包括制藥企業 Engelhard Arzneimittel 采用一站式解決方案實現生產流程和樓宇自動化，以及奧地利機電一體化制造商珀爾曼公司采用基于 PC 的控制技術實現樓宇和生產自動化的集中控制。

奧地利天窗機械組件和門鎖外殼供應商鉑爾曼的 Vitis 工廠擁有高效的能源系統和智能高效的生產方式（基于 PC 的自動化控制），因此被奧地利弗勞恩霍夫研究院評選為奧地利最佳工廠。

隨著可再生能源占比的持續攀升，對分布式儲能能力的擴展需求也日益迫切。基于 PC 的控制為電池儲能系統、沼氣發電廠以及儲氫系統提供了哪些控制選項？

Fabian Assion 博士：我們的控制和測量技術的應用領域與儲能系統本身一樣具有多樣性。在動力電池應用方面，一個極具潛力的實踐案例是將電動汽車轉變為停車庫中的儲能系統。倍福通過 TwinCAT 3 IoT OCPP（開放充電點協議）和 EL6761 EtherCAT 端子模塊，為充電站和電動汽車之間、現有充電樁之間以及充電樁與相應的中央管理系統之間的 ISO 15118 通信提供了完整的解決方案。Reverion 公司的緊湊型集裝箱式沼氣發電機組和吉凱恩氫氣公司的低壓金屬氫化物儲氫系統。

得益于基于 PC 的控制技術，Reverion 沼氣發電機組安裝在一個高度緊湊的集裝箱內，發電率高達 80%，并且支持可逆運行。

最后，您還有什么要補充的嗎？

Fabian Assion 博士：當前，我們都面臨著諸多嚴峻挑戰，其中一項便是能源供應結構的優化調整。倍福正不遺余力地踐行著公司所有者兼創始人的核心理念與座右銘：“工程師們必須肩負起拯救世界的重任！”。然而，我們必須坦誠地說，僅憑我們一己之力是遠遠不夠的。因此，我誠摯地向我們現有的以及未來即將加入的每一位客戶發出邀請，讓我們攜手并肩，齊心協力，共同完成這一重要使命！