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配備高端測量技術(shù)的電網(wǎng) — 引領(lǐng)未來能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型，太陽能、水能和風(fēng)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(fā)電量已經(jīng)占到德國總發(fā)電量的一半以上。倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士從控制技術(shù)的角度深入剖析了高度波動的可再生能源占比給電網(wǎng)運行帶來的挑戰(zhàn)，以及這一現(xiàn)狀對構(gòu)建未來智能電網(wǎng)的深遠(yuǎn)意義。

智能電網(wǎng)在能源轉(zhuǎn)型中扮演什么角色？對電網(wǎng)管理有什么深遠(yuǎn)影響？

Fabian Assion 博士：可再生能源發(fā)電量占比的增加導(dǎo)致供電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨更大挑戰(zhàn)的原因主要有兩個。第一個原因是，可再生能源的發(fā)電方式更加分散，不再像以前的大型發(fā)電廠那樣集中。因此，現(xiàn)有的電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)已難以滿足當(dāng)前分布式能源發(fā)電的需求：電流的變化有時會引發(fā)電網(wǎng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)過載現(xiàn)象。第二個原因在于，傳統(tǒng)發(fā)電廠通常使用的都是同步發(fā)電機。這對于電網(wǎng)運行來說是個非常理想的選擇，例如，在發(fā)生接地故障時，它能提供最佳電網(wǎng)支撐。而可再生能源的發(fā)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(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定。當(dāng)前能源供給網(wǎng)絡(luò)的整體控制也因此愈發(fā)顯得錯綜復(fù)雜。而這正是智能電網(wǎng)的用武之地：智能電網(wǎng)擁有更詳盡、實時的電網(wǎng)狀態(tài)信息，因此更易于控制。

倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士：“隨著可再生能源占比的持續(xù)攀升，電網(wǎng)的各個層級亟需融入更多且控制系統(tǒng)集成的測量技術(shù)。”

在測量設(shè)備方面，智能電網(wǎng)需要哪些額外的技術(shù)需求，能舉例說明嗎？

Fabian Assion 博士：必須在電網(wǎng)的各個層級額外使用測量設(shè)備。迄今為止，特高壓與高壓領(lǐng)域已廣泛采用了這一技術(shù)，但中壓與低壓領(lǐng)域則鮮有實施，幾乎處于空白狀態(tài)。從投入角度來說，事實上，低壓電網(wǎng)尤其需要進(jìn)行升級。這是因為相較于高壓電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)的覆蓋范圍更為廣泛。因此，相應(yīng)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(shù)十萬個測量點。我們可以以供電網(wǎng)最末端環(huán)節(jié)的變電站為例來討論增設(shè)測量點的問題。變電站是將中壓電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程。這些電壓輸出端都應(yīng)配備先進(jìn)的測量設(shè)備，以精準(zhǔn)測量各個關(guān)鍵變量。在德國，約有十萬個變電站需配備測量設(shè)備。

有哪些相關(guān)的測量指標(biāo)？

Fabian Assion 博士：電流當(dāng)然是最重要的數(shù)值之一，但單純的電流數(shù)值本身并不足以全面反映電網(wǎng)的運行狀況。在條件允許的情況下，還應(yīng)詳細(xì)記錄每條輸出饋電線路上各種類型的功率數(shù)據(jù)（無功功率、視在功率和有功功率），以便更加準(zhǔn)確地評估電網(wǎng)狀態(tài)。這一點尤為重要，因為在當(dāng)前電網(wǎng)中，絕大多數(shù)負(fù)載設(shè)備都會使用供電裝置，它們在運行過程中不可避免地會產(chǎn)生不良諧波。換言之，對于肩負(fù)電網(wǎng)質(zhì)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(shù)據(jù)，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(wù)，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(shù)據(jù)，例如 DeWind 為阿根廷維拉德羅金礦（海拔 4300 米）提供的風(fēng)力發(fā)電機所產(chǎn)生的寶貴數(shù)據(jù)。

倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)及其系統(tǒng)集成測量技術(shù)具有哪些優(yōu)勢？

Fabian Assion 博士：采用倍福先進(jìn)的基于 PC 的控制技術(shù)，只需較小的技術(shù)和資金投入即可高效完成測量任務(wù)。此外，倍福的測量產(chǎn)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?qū)崟r響應(yīng)電網(wǎng)中的瞬時事件。我們想特別強調(diào)的是，通過實施分布式電力測量方案，我們實現(xiàn)了成本效益與數(shù)據(jù)質(zhì)量并重的目標(biāo)。

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(wǎng)中的任意數(shù)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(xiàn)詳盡且高質(zhì)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(wǎng)絡(luò)的所有相關(guān)電氣數(shù)據(jù)，包括所有電力測量值（電壓相關(guān)數(shù)據(jù)除外）。系統(tǒng)中部署的 EL3446 端子模塊可以根據(jù)需要通過 EtherCAT 接收 EL3443 電力測量端子模塊（每個網(wǎng)絡(luò)只能安裝一次）中計算電力數(shù)據(jù)所需的電壓值，并通過 EtherCAT 分布式時鐘功能進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wǎng)質(zhì)量的可靠監(jiān)控，同時精準(zhǔn)測量每條輸出電壓饋電線路的諧波以及由此產(chǎn)生的電力品質(zhì)因數(shù)。

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(shù)據(jù)采集的材料成本與安裝費用。

基于 PC 的控制解決方案已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域?qū)医?jīng)考驗，充分展示了其價值。它的主要優(yōu)勢是什么？

Fabian Assion 博士：全球有超過 100,000 臺風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)使用我們基于 PC 的控制技術(shù)進(jìn)行自動化改造，單臺風(fēng)力發(fā)電機的容量最大可達(dá) 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰顯了其無可比擬的優(yōu)勢，它通過實現(xiàn)極為快速且精準(zhǔn)的同步控制流程，顯著提升了運行效率與發(fā)電性能。EtherCAT 的卓越性能不僅局限于單臺風(fēng)機，而且能夠勝任更大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機組的通信任務(wù)，乃至整個風(fēng)電場的聯(lián)網(wǎng)控制。就海上風(fēng)機而言，高壓直流輸電（HVDC）也是供電網(wǎng)中最復(fù)雜的部分之一。倍福基于 PC 的控制技術(shù)也已成功應(yīng)用于這一領(lǐng)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(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定領(lǐng)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(shù)（本案例中為高壓直流輸電系統(tǒng)）。

倍福技術(shù)不僅在發(fā)電領(lǐng)域，而且在區(qū)域供電網(wǎng)的能源分配過程中也展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。可以挖掘出哪些效率潛力？

Fabian Assion 博士：除了系統(tǒng)集成的測量技術(shù)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(yīng)對各類應(yīng)用場景的市場需求及復(fù)雜多變的環(huán)境條件。這意味著，無論是電力測量，還是遠(yuǎn)程控制協(xié)議、開關(guān)位置、信號消息以及變壓器和環(huán)境溫度等關(guān)鍵信息，所有所需的數(shù)據(jù)都可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和整合。瑞士西區(qū)能源供應(yīng)商 Romande Energie 的應(yīng)用案例充分說明了倍福技術(shù)在強化電網(wǎng)安全管理方面所做出的杰出貢獻(xiàn)。

瑞士五大能源供應(yīng)商之一的 Romande Energie 公司在其變電站中采用了倍福的系統(tǒng)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(wǎng)的可利用率（本案例中為高壓裝置）。

數(shù)據(jù)測量固然重要，但確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定則是另一項不容忽視的關(guān)鍵任務(wù)。在頻率控制與電網(wǎng)穩(wěn)定方面，基于 PC 的控制技術(shù)能提供哪些解決方案？

Fabian Assion 博士：能源供應(yīng)電網(wǎng)的頻率控制和穩(wěn)定是一項極為復(fù)雜且精細(xì)的任務(wù)。這項任務(wù)不僅依賴于全面的電網(wǎng)數(shù)據(jù)支持，還要求系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)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(wǎng)監(jiān)測端子模塊為能源供應(yīng)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(xué)院（KIT）的電力系統(tǒng)和高壓技術(shù)研究所（IEH）正在研究如何確保因向可再生能源過渡而發(fā)生變化的輸電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。除了模擬研究之外，發(fā)電廠和基于逆變器的發(fā)電系統(tǒng)的行為正在被用作專用測試環(huán)境的孤島電網(wǎng)中進(jìn)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(chuàng)新意義的新型控制方法，以驗證它們在真實場景中的應(yīng)用是否可行。

使用 TwinCAT HMI 對德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統(tǒng)和高壓技術(shù)研究所（IEH）的電網(wǎng)仿真進(jìn)行操作和監(jiān)控。

區(qū)域性電力用戶，尤其是那些配備了獨立供電網(wǎng)的大型工業(yè)廠房，有哪些節(jié)電潛力可以挖掘？

Fabian Assion 博士：我們自主研發(fā)的能源管理系統(tǒng)具備出色的負(fù)荷跟蹤能力，并能夠通過避開用電高峰時段的方式實現(xiàn)成本的最小化。在構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部能源供給網(wǎng)絡(luò)時，這一系統(tǒng)顯得尤為重要，無論是大型工業(yè)集團，還是中小型企業(yè)，都需要配備這樣的能源管理系統(tǒng)。一旦企業(yè)成功安裝了諸如光伏發(fā)電系統(tǒng)之類的自有發(fā)電設(shè)施，接下來就應(yīng)當(dāng)將能源管理視作下一步工作的重中之重。如果企業(yè)同時配備了儲能系統(tǒng)和可控負(fù)載（如雙向充電樁），就能夠精準(zhǔn)控制能源流動。

在建筑和生產(chǎn)的控制以及它們的能源協(xié)調(diào)管理方面，基于 PC 的集成式控制技術(shù)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(shù)據(jù)的測量過程。它們與相應(yīng)的能源管理系統(tǒng)相輔相成，不僅奠定了從能源角度審視并優(yōu)化流程的基礎(chǔ)，還為企業(yè)靈活應(yīng)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(yè) Engelhard Arzneimittel 采用一站式解決方案實現(xiàn)生產(chǎn)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(shù)實現(xiàn)樓宇和生產(chǎn)自動化的集中控制。

奧地利天窗機械組件和門鎖外殼供應(yīng)商鉑爾曼的 Vitis 工廠擁有高效的能源系統(tǒng)和智能高效的生產(chǎn)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(xù)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(tǒng)、沼氣發(fā)電廠以及儲氫系統(tǒng)提供了哪些控制選項？

Fabian Assion 博士：我們的控制和測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與儲能系統(tǒng)本身一樣具有多樣性。在動力電池應(yīng)用方面，一個極具潛力的實踐案例是將電動汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橥＼噹熘械膬δ芟到y(tǒng)。倍福通過 TwinCAT 3 IoT OCPP（開放充電點協(xié)議）和 EL6761 EtherCAT 端子模塊，為充電站和電動汽車之間、現(xiàn)有充電樁之間以及充電樁與相應(yīng)的中央管理系統(tǒng)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(fā)電機組和吉凱恩氫氣公司的低壓金屬氫化物儲氫系統(tǒng)。

得益于基于 PC 的控制技術(shù)，Reverion 沼氣發(fā)電機組安裝在一個高度緊湊的集裝箱內(nèi)，發(fā)電率高達(dá) 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(dāng)前，我們都面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中一項便是能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。倍福正不遺余力地踐行著公司所有者兼創(chuàng)始人的核心理念與座右銘：“工程師們必須肩負(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，我誠摯地向我們現(xiàn)有的以及未來即將加入的每一位客戶發(fā)出邀請，讓我們攜手并肩，齊心協(xié)力，共同完成這一重要使命！