解决智能电网挑战

全国各地的电力公司和其他公司正在部署一系列智能电网自动化和通信技术,以节省能源、降低成本和提高可靠性。

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在最近的一份报告中,电力研究所(EPRI)将智能电网定义为“电力输送系统的现代化,因此它监控,保护,并自动优化其互连元件的操作 - 从中​​央和分布式发电机通过高压网络和分销系统,向工业用户和建筑自动化系统,能量存储装置,以及最终使用的消费者及其恒温器,电动车,电器等家用设备。“

当然,这很拗口,而且它涵盖了大量的通信和自动化技术。因此,智能电网对不同的人有不同的意义并不奇怪。“如果你在业内人士中做个调查,问他们什么是智能电网,你会从每个人那里得到不同的答案,”鲍勃·吉利根(Bob Gilligan)说,他是亚特兰大通用电气能源公司(GE Energy Co.)的输电和配电副总裁,该公司是一家智能电网技术供应商。“智能电网不是一个单一的产品,而是一套解决方案。”

什么时候自动化的世界开始提供智能电网的报道,作为“网络和连接”重点的一部分,我们决定与一些智能电网技术的终端用户接触,以了解智能电网对他们意味着什么。我们采访了三家主要的公用事业公司和一个主要的美国军事基地的知情者。在接下来的个别报告中,读者将了解到使智能电网成为现实所需的一些要素,涉及到的一些考虑,以及需要实现的一些好处。

[案例#1]国家电网看到智能电网“数据爆炸”

纽约州北部的阿迪朗达克松树有一件很有趣的事。美国最大的公用事业公司之一,纽约州奥尔巴尼国家电网公司的智能电网首席工程师Vince Forte说,它们使得通过900兆赫兹(MHz)无线电通信变得困难。

“当它们完全长大后,这些长针松恰好是900兆赫兹的完美分数波长,”福特说。“它们实际上吸收了信号,并把它圆了,所以它就像一个黑洞——你就是无法通过它们。”你要么必须在树上安装天线,要么就需要找到另一种技术,”他说。在占地610万英亩的阿迪朗达克公园(Adirondack Park),纽约州的一个保护区,对塔的高度有限制。

这是美国国家电网在最近进行的智能电网配电自动化(DA)试点测试中证实的事实。该公司为马萨诸塞州、新罕布什尔州、纽约和罗德岛的约330万客户提供电力。Forte说,该公司在试点测试区使用了900 MHz扩频无线电,用于安装在其分配馈线上的设备之间的点对点数据通信。但当国家电网试图用同样的技术将野外收集的数据发送回控制中心进行分析时,却遇到了通信问题。因此,Forte说,“我们正在为这部分网络探索其他通信选择”。

经验指出,尽管强大的宽带双向通信对有效的智能电网运行至关重要,但没有一种单一的通信技术能做到这一切。“我不认为你会看到一种交流方式在全国范围内占据主导地位,”福特说。“我认为,根据特定公用事业的需求和它们所处的物理环境,你会看到一种混合模式。”

大的管

一件事对于许多应用来说,“一个非常大的管道”将需要处理大量智能电网产生的数据,Forte说。这可能意味着任何东西,从光纤或T1通信线路到900 Mz扩频或WiMax(微波接入的全球互操作性)。

凭借智能电网,“将有一种数据爆炸,”Forte预测。虽然公用事业公司长期以来,但能够从中央设施控制传输线设备,但智能电网将使能力降至分配级别。“所以,而不是数百条传输线,我们正在谈论数千条分销线和所有相关变电站,”Forte指出。这意味着来自返回控制室的更多设备的数据。

此外,许多这些“智能”设备传输的数据量将比传统的网格通信多得多。Forte观察到,在当今典型的传输监控和数据采集(SCADA)环境中,设备的双向通信可能仅限于一组简单的“开放”或“关闭”数据交换。但在电网自动化智能设备的世界里,例如,一个开关可能会发送多达90个关于它自己的数据点,Forte说。

那个智慧将支付福利。“它将允许我们增加自动化的网格自我修复,从而尽可能迅速找到尽可能多的客户的故障,隔离它们并恢复尽可能多的客户,并且通信可以运输信号对我们来说,“Forte说。“所以我们希望看到从中获得可靠性的改进。”

让我们谈谈

安装在客户家庭和企业中的数以百万计的智能电表将产生额外的通信阻塞。“每一个电表不仅会告诉我们客户的千瓦/小时使用量,还会告诉我们电表上的电压,电表是否连接正确,以及电表本身的健康状况,”Forte说。这还不包括公用事业公司和客户家庭自动化系统之间就电价、客户参与公用事业减负荷计划的意愿等问题进行的双向“对话”。

Forte说,作为处理预期智能电网需求的一种方式,国家电网目前正在评估各种新系统,包括一个新的传输级能源管理系统、一个配电管理系统、一个停电管理系统和一个电表数据管理系统。该公司正在一个概念验证环境中与多个供应商合作,但还没有为即将到来的智能电网计划选择供应商。

这个决定可能很快就会做出。今年8月,美国国家电网(National Grid)申请了2亿美元的联邦刺激资金,以帮助资助涉及“端到端”智能电网部署的试点项目,该项目将包括纽约、马萨诸塞州和罗德岛的约20万客户。美国国家电网(National Grid)智能电网项目主管比尔•普拉特(Bill Pratt)表示,有关应用的决定预计将于今年秋季做出,如果获得批准,最早将于明年夏天开始部署。

[案例#2]波特兰通用电气分布式发电密钥

2000年,当波特兰通用电气公司(Portland General Electric Co., PGE)聘请马克•奥斯本(Mark Osborn)领导这家位于俄勒冈州波特兰市的公用事业公司的一个新的需求响应项目时,还没有人在谈论“智能电网”。但如今,该系统所基于的分布式发电概念成为PGE和全国各地智能电网计划的重要组成部分。

PGE系统通过将客户拥有的发电机连接起来,作为公用事业公司可调备用发电(DSG)计划的“虚拟电厂”的一部分,提供电网容量。通过该系统,PGE可以将客户应急备用发电机的可用聚合发电作为其备用容量系统的一部分,从而减少电网的峰值负荷。

从2000年的单一客户发电机开始,DSG系统今天已经发展到与包括40个发电机的26个客户达成协议。PGE分布式资源经理Osborn表示:“目前,我们已经有大约58兆瓦的电力投入使用,还有13兆瓦正在建设中,所以我们很快就会超过70兆瓦。”参与的客户包括医院、数据中心、工业工厂和废水处理设施等。

甜蜜的交易

根据DSG计划,客户允许PGE每年在电力需求高峰期间使用发电机最多400小时。“我们支付了并联开关设备的费用,让它们的发电机在电网上无缝连接。我们支付发电机的燃料费用,我们支付发电机的所有维护费用,包括发生意外时的更换费用,”奥斯本说。所以他们的发电机基本上不会再有运营成本了。”

奥斯本解释说,作为回报,PGE可以避免在批发电价飞涨时从西方电网购买电力。他以2006年西海岸夏季的一个炎热时期为例,当时电力批发价格达到了联邦规定的每兆瓦时400美元左右的价格上限。Osborn指出,当时,DSG的运营成本只有当时的一半,大约为200美元/兆瓦时,这使得PGE在危机期间获得了显著的节省,而不是以市场价格购买电力。

PGE控制中心的操作人员可以使用GenOnSys系统在需要时启动DSG发电机,该系统能够对发电机进行分布式实时监控、实时视频摄像头和报警。GenOnSys系统集成了该中心的监控和数据采集(SCADA)系统,该系统基于Wonderware公司提供的软件。Wonderware公司是英维思运营管理(IOM)位于加州Lake Forest的子公司。

Osborn说,GenOnSys系统的当前版本利用了Wonderware ArchestrA平台的特性,可以轻松地与不同制造商提供的各种发电机和系统集成。他指出,用于使用软件对象的archstra结构非常符合国际电工委员会IEC 61850标准中关于变电站自动化的通信模型。许多人认为,这一标准将在国家智能电网的互操作性中发挥重要作用。俄勒冈州波特兰市的系统集成商Factory IQ Inc.被选中开发GenOnSys系统。

Osborn说,该软件允许为不同制造商的发电机、控制系统和开关设备创建对象。“一旦我们创造了一个对象,我们就再也不需要创造它了,你可以将图像与它结合起来。”奥斯本表示,结果是PGE现在可以在一天或更少的时间内将一个新的发电机站点添加到DSG系统中,而使用GenOnSys的早期版本需要大约三周的时间。

风能和太阳能

除了客户拥有的发电机,GenOnSys软件也已扩展到提供各种PGE太阳能发电项目和仪表的监控。Osborn说,在未来,DSG将在管理公用事业公司的智能电网资产方面发挥重要作用。例如,一种方案可能涉及PGE目前正在建设的一个450兆瓦的风力发电场,计划于2010年完工。

“风刮的时候很厉害,但风停的时候就不那么厉害了。因此,我们的概念是能够拥有一个智能系统,当风力减弱时,它可以做出反应,要么减少负载,要么启动分布式发电,”奥斯本解释道。除了发电机,其他智能电网组件可能还包括先进的存储系统,比如可以存储太阳能电池阵的电池。如果大规模实施,这些存储系统还可以在风力小的时候向电网提供电力。

奥斯本补充说,作为另一种选择,“你也可以考虑进行需求响应——换句话说,切断热水器元件或改变恒温器设置,或者可能减少照明。”“所以你可以使用多种智能电网方法。”

[案例#3]Oncor在多个智能电网前线工作

假设你在一个人口稀少的农村地区有一条180英里长的电线,线路上的某个地方发生了问题。“如果你有足够的技术来告诉你河断层的哪一边,你刚刚救了自己大量的时间在寻找它,”基斯船体指出,高级主管,分配系统操作,Oncor电动货运有限公司有限责任公司,位于达拉斯的电力分配和传输工具。

船体应该知道。Oncor的53,469平方英里的服务区域包括人口密集的达拉斯/沃斯堡大都会区,但也从德克萨斯州东部的“松林”地区的国家森林,一直延伸到西部干旱的广阔地区,那里的人口中心很少。随着Oncor继续发展其智能电网技术,它希望能够更紧密地定位其配电网络中的故障——在某些情况下,甚至可以精确到几英尺。当必须派遣工作人员去解决问题并恢复电力时,这是很有价值的信息。

赫尔说:“建立一个具有所有智能的智能电网系统需要很长时间,因为有很多不同的部分需要投入到现场。”“我们已经有了很大一部分,但随着新技术的出现,我们将继续通过项目添加不同类型的技术。”

250000年和计数

事实上,Oncor正在进行各种各样的智能电网项目。该公司从2005年开始更换传统的模拟客户电表,目前已有超过25万先进的电子电表,并计划到2012年为340万Oncor客户配备智能电表。Hull表示,该公司还在去年12月完成了为期4个月的新移动劳动力管理(MWM)系统的推出,该系统能够每天自动发送数千个客户服务订单。

即将推出的oncor智能电网项目包括新的中断管理系统(OMS);分配监督控制和数据收购(DSCADA)项目;根据船体的说法,安装配电自动化(DA)设备和分销网络分析(DNA)技术提供智能决策支持。

Hull说,随着所有这些组成一个统一的智能电网系统,主要目标是将tb级的数据整合成可操作的信息,Oncor可以使用这些信息为其客户提供更好、更可靠的服务。

今天,公用事业中的运营商的两个分销运作中心依靠六个屏幕,他说,运行七到10个不同的应用。但是Oncor的智能电网计划将使所有人员,包括运营商,调度员和移动现场工作人员一起使用的“单一前端” - 这将提供对所有所需应用程序的访问。使用配备通信的移动个人电脑(PC),公司的1,500至2,000个外部建设,维护和运营工作人员将能够看到同样的屏幕,因为在运营中心看到的那些,船体指出。通过为所有用户创建单个界面,该公司预计通过改善运营效率,简化培训和更容易转移劳动力知识来获得收益。

Oncor正在与阿拉巴马州亨茨维尔的鹰图公司合作。,为智能电网提供前端图形
根据赫尔的说法,网络和分销管理。据赫尔介绍,奥兰多的西门子能源公司将提供“后台智能设备,使发动机运行以控制所有的设备”。

“真正的困难部分,”赫尔说,船体将涉及软件算法和编号嘎吱嘎吱,以转换由于oncor的智能电网计划而产生的大量实时数据,以便其工作人员可以使用的有用信息。

在tb字节

Oncor已经拥有1200个配电可控设备,如开关柜和重输器,以及3200个可控电容器。赫尔说,计划要求建造这种分布装置,数量多达3万个点,每个点可以实时向控制系统提供12到15条数据。此外,计划中的340万个高级客户仪表将每15分钟提供一次读数,hull指出,“我们说的是tb级的数据。”

[案例#4]海洋基地朝着储蓄的微电网

世界上最大的海军陆战队基地即将加入智能电网运动。在一个定于明年1月开始的项目中,位于洛杉矶东部加州莫哈韦沙漠的一流海军训练设施——二十九棕榈基地将成为一个由联邦政府200万美元刺激资金资助的“智能微电网”示范项目的场地。该项目旨在作为其他军事基地的一个模型,也演示其他类型的设施,如工业综合体,如何利用智能电网。

今年夏天,美国国防部(DOD)将微电网项目授予了位于康涅狄格州费尔菲尔德的通用电气公司。根据这份为期两年的合同,GE将设计并演示一套智能能源管理系统,该系统能够更优化地管理现场发电和能源存储,同时以更智能、更高效的方式与区域电网进行交互。

现场的一代

和许多军事基地一样,二十九棕榈在当地就地发电——以天然气热电联产厂和太阳能电池板的形式。该基地还与美国更大的电网相连,从位于加州洛杉矶市罗斯米德的南加州爱迪生公司(SCE)获得电力。

二十九棕榈基地公共工程部公用事业/能源管理部门负责人Gary L. Morrissett说,联合发电厂和太阳能阵列可以提供大约60%的基本电力负荷,平均在夏季为22兆瓦(MW)。Morrissett补充说,计划中的其他项目将使现场发电能力在未来达到基础需求的80%到90%。

如今,当二十九棕榈偶尔会失去外部电网的电力时(最常见的是在用电需求旺盛的夏季月份),基地有能力通过联合发电机和太阳能阵列的电力,手动恢复其关键基础设施的电力。但二十九棕榈基地公共工程官员、中校伊冯·r·利达(Yvonne R. Lyda)指出,这种转变是突然的。“一切都在下降,”她说,同时操作员启动了一种“孤岛模式”——通过关闭外部电网的断路器——然后将现场可用的电力输送到基础的关键基础设施。

由GE数字能源公司提供的新微电网控制系统有望通过自动化使这一过程顺利进行,同时在正常运行期间提供最佳的能源管理。“智能电网应能看看我们的负载,看看电力的成本来满足负载,并想出一个或混合电源供应负载,以便从理论上讲,我们支付更少的能源在任何给定的时间点,”莉达说。基地公共工程部的电气工程师马奎斯·拉塞尔补充说:“这个电网将真的能够思考。”

问题发现

该系统将连接到多个基础设施进行双向通信和控制,包括7个变电站和众多建筑能源管理控制系统(EMCS),以在需要时启动减负荷方案。Morrissett说,增加的集成有望提高可靠性。“我们将能够看到负载的实际位置,所以如果出现问题——也许是变压器承受了太多负载——我们将能够在出现更大的问题之前做出反应。”

最后,Morrissett说,他希望智能微电网项目将为基地节省10%的能源系统。他补充道:“随着我们的系统的发展,我们将把它整合到新一代的系统中,所以这将是一个非常有用的系统。”

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