At more than a century old, the U.S. power grid is creaking under the weight of increased electrification demands, prompting a slow-moving transformation of the aging infrastructure into a digital system powered by state-of-the-art automation technology, Big Data analytics and the Industrial Internet of Things (IIoT).
传统的电网基于中央发电、输电和配电模式，其设计并不是为了支持现代的电力需求——无论是满足风能和太阳能等不可预测的可再生能源的峰值需求，还是推动蓬勃发展的电动汽车市场。今天，交通运输部门占全球能源使用量的20%左右;然而，随着电动汽车需求的激增——根据彭博新能源财经2017年的报告，到2040年，超过一半的汽车销售将是电动的——该行业将需要另外1800太瓦时的电力，这只是一个高速增长市场的一个快照。
与此同时，人们越来越关注全球电力接入延伸到更多的人口。业内人士估计确认有超过十亿人在这个星球上还没有用上电，并且在通电的风口浪尖整个社会。基于这些和其它生长因子，GE期待全球发电2.3％的年增长率，在未来的十年，同时成长为全球用电量的26％上升。
还有其他因素在起作用。小型化、数字化、储能和普及网络等领域的技术创新正在使集中式发电向分散式发电模式转变。发电需求将在更接近需求的地方分布和处理，在网络的边缘，有助于提高效率和优化能源使用。微电网、分布式管理软件和工业物联网预测分析等领域的新产品正在引领一项持续而持久的努力，将传统电网转变为更智能、更有弹性、更可持续的东西，以满足下一代电力需求。
“能够适应更分散的方式创造的能源是一个更复杂的电网的故事，”Mark Feasel说，他是电力部门和智能电网的副总裁施耐德电气．“在这个更加复杂的世界里，自动化是解锁操作能力的关键。”
 |
GE的Predix支持基于机器学习的分析，可以提高电网的可靠性和效率。 |
今天网格的局限性
向更多样化的可再生能源的转变，以及从模拟控制向数字控制和通信的转变，正在给现有电网带来压力，使其无法按照设计的方式运行。在一份评估现代化潜力的报告中，美国能源部将传统架构描述为大规模集中式发电，从用户远程操作，能源存储有限，无源负载，没有双向通信能力。相比之下，现代电网需要能够动态优化运行和能源来源，快速检测和减轻任何中断或干扰，并集成混合能源。与此同时，现代电网应使消费者能够管理自己的用电，以便他们能够在能源优化和降低成本方面发挥作用。
该公司副总裁兼首席数字官史蒂夫·马丁解释说:“可能有大量的能源流向电网边缘，所以能够将这些能量流回变电站，并输送到另一个地方使用的更大的输电网，这是一个巨大的机会。通用电气动力．“但电网的设计初衷并非如此——它完全是集中发电和传输，而不是多向或双向流动。”
为了完成任务，在电力科学研究院（EPRI）和其他专家都投射高达$ 476十亿需要的是涵盖智能控制系统架构，先进的电网建模应用和分布式发电，所有的功能设计基金电网现代化计划新增投资从地上爬起来具有内置的网络安全保护。智能数字设备-从智能电表到电池存储在EV充电站和太阳能电池阵列，将需要启用的信息和能量的双向交流，以便使用可被优化，并且溢出可以被重定向到它需要的地方。考虑这种情况：利用数据分析和智能电表的组合，由太阳能电池板在商业建筑或家庭产生的多余能量可以在分散电网重新路由回本地微电网，一个关键组成部分的基础设施，所以储备可能是其他地方利用。
 |
施耐德电气为蒙哥马利县的公共安全总部和马里兰州的惩教机构设计并部署了两个微电网。 |
技术部分
电网改造从数字化开始，用传感器改装或更换变压器或仪表等部件，并加强网络连接，以增加对资产的态势感知，更好地了解其运行情况。下一步是实施自动化技术，包括预测分析和智能控制，以优化资产，主动响应，避免潜在的停机时间或最大化性能。
费索说:“随着世界变得越来越数字化，它对你如何看待电力产生了深远的影响，并创造了一层知识，使你能够以新的方式思考能源。”“当你开始将能源价值链数字化时，消费者可以考虑弹性、可持续性和成本对他们有多重要，并解决结果。”
微电网和配电管理系统将在电网现代化中发挥关键作用。微电网被认为是一种更有效的将能源分配到本地的方式，而且在大型电网出现停电或中断的情况下，微电网还可以作为备用的“孤岛模式”电源。包括先进的边缘控制和云连接优化服务在内的一系列技术，微电网正在由公用事业、政府设施和制造商实施，以增强弹性，获得能源独立性和效率。施耐德电气提供了EcoStruxure，这是一种工业物联网互操作框架，支持将现有基础设施和新技术集成到微电网架构中。
DMS充当编配平台，使用规则来管理和治理能量流。考虑到电网的复杂性和范围，以及日照量或电动汽车充电间歇性需求等外部因素的影响，机器学习能力将是DMS的重要组成部分。
“这是不可能的规则编纂了第二逐秒的基础上所有可能的方案，” GE的Martin说。“管理所有实时数据越来越复杂。而且，最终，机器学习是提供能够有效地规范所有场景模型的唯一途径。”
IIoT分析将在DMS和能源协调发挥关键作用。Let’s say that an EV is parked in a garage and it’s determined—through analysis of past behavior—that it won’t hit the road until 7 a.m. Based on that data, a utility could extend the charge over a longer period of time and spread the load to meet other demands. A similar load-shaping scenario could be applied to turning down air conditioning or heat a degree or two midday, while people are out of the home, and then leveraging the excess for peak demand in the evening hours.
“我们可以利用设备的智能化，以确保消费者越来越需要的东西，但在最大化为能源的生产和配送效率的一种方式，”马丁说。
GE的Predix IIoT平台，作为其数字化电网产品骨干，并在网格创建物理的资产数字双胞胎，可以在发电技术和发电厂被利用来进行对资产绩效管理和运营优化分析。
Storage-whether锂离子、化学或其他电池技术是新兴作为立即回应的关键基础设施高峰需求上升时,根据需要存储和分配多余的能量,和燃料能源需求来自EVs的涌入。
福特汽车营销主管杰夫•菲利普斯(Jeff Phillips)表示，电动汽车对现代电网基础设施的存储部分既是挑战，也是机遇国家仪器．电动汽车在哪里充电，何时需要能源，这种相当随机的模式既增加了负荷，也给电网带来了一定程度的不可预测性。与此同时，他补充说，oem正在设计电池，以便当它们在电动汽车上使用寿命结束时，高密度电池组可以重新部署，作为电网的额外存储容量。
菲利普斯解释说:“电动汽车趋势的最大含义不是总容量将超出限制，而是峰值容量将超出限制。”“将大量的电动汽车电池添加到电网中，为电网提供了一个额外的来源，电网可以通过推动和拉动来满足需求。此外，设计到电网接口的智能可以使各种接口帮助电网确定哪些电池可以延迟充电，甚至将电力回馈给电网。”与此同时，他补充道，几乎所有的电动汽车制造商都计划，一旦电池的性能下降到无法满足汽车需求的程度，就会将其用于大规模存储。
西门子正在尽自己的一部分，以帮助城市规划出了其新的电动交通计算器，它估计在未来几十年的基础设施要求和电动交通的潜在进口在城市他们的电动交通基础设施需求的计划。例如，像洛杉矶一个城市就需要到2050年安装每周最多100个电动汽车充电站，现在，以适应其地理区域的需求。
西门子美洲移动业务主管约翰•德波尔(John DeBoer)表示:“随着电动汽车等新技术的迅速涌入，系统更难做出反应。”“这是一个巨大的自动化机遇，需要对电网进行平衡的核心投资，使其达到下一个水平。”
考虑到所需的范围，电网的改造将是一个缓慢的转变。除了明显的技术挑战之外，还有一个问题，即资金从哪里来资助这些大规模的升级和改造——这一障碍突显了公共/私营伙伴关系的重要性。
施耐德电气(Schneider Electric)的费索表示:“在这个世界里，你不可能把所有东西都拆下来，然后替换掉。”“电网将以零碎的方式升级，因为它是为未来加强的。”
