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如何模擬智能電網(wǎng)

開(kāi)發(fā)面向未來(lái)智能電網(wǎng)的技術(shù)，研究工作仍任重道遠(yuǎn)。西門子中央研究院的工程師們正在設(shè)計(jì)相應(yīng)軟件，以期在電力網(wǎng)絡(luò)中整合各類分布式發(fā)電廠。

未來(lái)的電網(wǎng)將如何處理來(lái)自為數(shù)眾多的太陽(yáng)能電站和風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)電量？實(shí)事求是的說(shuō)，無(wú)人知曉這個(gè)問(wèn)題的答案。未來(lái)電網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題包括價(jià)格的不確定性和供需的多變性。不過(guò)西門子中央研究院的Christian Glomb開(kāi)發(fā)的一款軟件對(duì)于解決這些問(wèn)題可能會(huì)有所助益。Glomb的軟件可對(duì)智能電網(wǎng)作為輸電網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行模擬。該項(xiàng)目是西門子對(duì)“2020軟件平臺(tái)嵌入式系統(tǒng)”（SPES）的貢獻(xiàn)。SPES是德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部撥款開(kāi)展的項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，西門子負(fù)責(zé)模擬德國(guó)錫根的一個(gè)虛擬智能電網(wǎng)。SPES的初衷是為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)程序，例如可以安裝在設(shè)備中并用于管理交通系統(tǒng)或電網(wǎng)的控制軟件。

該軟件以常規(guī)電網(wǎng)模擬為基礎(chǔ)，增加了系統(tǒng)組件之間的通信模擬和系統(tǒng)控制功能模擬功能。它囊括電網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行所需的所有重要組件和程序。例如，由于通信網(wǎng)絡(luò)可能是容易出現(xiàn)問(wèn)題的薄弱環(huán)節(jié)，那么盡量加強(qiáng)系統(tǒng)在這方面的可靠性就十分重要。

SoEasy能源自動(dòng)化系統(tǒng)與個(gè)人能源代理（PEA）協(xié)同工作。這種代理可以自動(dòng)交易電量和確定價(jià)格。

利用關(guān)于輸電和通信網(wǎng)絡(luò)、發(fā)電廠和電力用戶的數(shù)據(jù)，軟件可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)組件的行為。舉例而言，在天氣晴朗的星期日，光伏電站的發(fā)電量會(huì)很高，但是企業(yè)基本不用電，這種情況下軟件可以識(shí)別電壓何時(shí)超過(guò)上限，何時(shí)需要啟動(dòng)調(diào)壓變壓器來(lái)緩沖電涌。“在系統(tǒng)操作之前，軟件可以告訴我們系統(tǒng)的預(yù)期行為。”Glomb表示。

模擬并未細(xì)化到電器，盡管這并非不可行。該軟件假設(shè)家庭或企業(yè)連網(wǎng)點(diǎn)的整體負(fù)載曲線。否則，將無(wú)法駕馭控制功能的復(fù)雜性。Glomb用了一年時(shí)間來(lái)編寫基本模擬程序，隨后又用幾周時(shí)間來(lái)構(gòu)建具體的電網(wǎng)模型。Glomb和維也納的西門子同事初期構(gòu)建了奧地利Eberstalzell智能電網(wǎng)的模型。按計(jì)劃，該電網(wǎng)將于2013年投入運(yùn)行，它包含150到200個(gè)連網(wǎng)點(diǎn)，多達(dá)70個(gè)光伏電站以及大約同等數(shù)量的電動(dòng)汽車。該模擬軟件還可以用于模擬包含數(shù)千個(gè)連網(wǎng)點(diǎn)的大型電網(wǎng)。

若說(shuō)到智能電網(wǎng)技術(shù)，Wildpoldsried已然*步入未來(lái)。利用光伏、風(fēng)電和生物質(zhì)發(fā)電設(shè)施，這個(gè)風(fēng)景秀麗的德國(guó)南部小鎮(zhèn)可以生產(chǎn)出三倍于自身需求的電力。在一個(gè)名為IRENE的項(xiàng)目中，當(dāng)?shù)仉娏続llgäuer überlandwerke（AüW）和西門子正在探索智能電網(wǎng)如何應(yīng)對(duì)大量的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電。AüW技術(shù)總監(jiān)Michael Fiedeldey表示，為迎接新能源時(shí)代的到來(lái)，智能電網(wǎng)必須提升智能化水平。他呼吁，“與其多建電網(wǎng)，不如發(fā)展智能技術(shù)。”這不僅可以節(jié)省建設(shè)新的輸電線路的高昂成本，而且還將為AüW帶來(lái)新的服務(wù)商機(jī)，開(kāi)辟新的創(chuàng)收渠道。

該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的核心是西門子開(kāi)發(fā)的一套智能軟件系統(tǒng)。這款能源自動(dòng)化系統(tǒng)叫做SoEasy，它可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬市場(chǎng)，這樣生物質(zhì)發(fā)電廠和光伏電站的運(yùn)營(yíng)商可將電力出售給中間商。在IRENE項(xiàng)目中，AüW便是這個(gè)中間商。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是分布式電廠與電動(dòng)車并網(wǎng)。系統(tǒng)將優(yōu)化并網(wǎng)能源（電能、熱能和天然氣）存儲(chǔ)設(shè)施的管理，從而避免電網(wǎng)高峰或過(guò)載。

上圖和下圖：研究人員模擬德國(guó)Siegen的一個(gè)智能電網(wǎng)。

SoEasy借助軟件代理運(yùn)作，它們可作為經(jīng)紀(jì)人，自動(dòng)交易電量和確定價(jià)格。目前有以下幾種代理：

PEA（個(gè)人能源代理）：無(wú)論是電力生產(chǎn)者，還是電力用戶，連入智能電網(wǎng)的每個(gè)設(shè)施都將配備這個(gè)小裝備。它內(nèi)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并配備與設(shè)施通信的接口以及互聯(lián)網(wǎng)接口。電廠運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)計(jì)算機(jī)電力所有者希望出售的電量、出售時(shí)間以及能接受的最低電價(jià)。PEA每15分鐘（也可以設(shè)置其他時(shí)間間隔）利用Balance Master（平衡儀）進(jìn)行一次電力交易，并確定價(jià)格。

Balance Master（平衡儀）：此軟件代理安裝在電力公司，它可以根據(jù)電網(wǎng)的需求決定接受適當(dāng)?shù)腜EA報(bào)價(jià)，避免電網(wǎng)中出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀況。對(duì)于與PEA相連的電廠，關(guān)于其技術(shù)運(yùn)作和定價(jià)策略的詳細(xì)信息并不會(huì)被提供給Balance Master，此類信息仍然掌握在電廠運(yùn)營(yíng)商的手中。根據(jù)規(guī)則，系統(tǒng)可以規(guī)劃未來(lái)24小時(shí)的交易，但也可以設(shè)定更短的周期來(lái)參與即日市場(chǎng)交易。

Area Administrator（區(qū)域管理員）：此代理可幫助電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。只有當(dāng)電壓超出上*，該軟件才會(huì)進(jìn)行干預(yù)。例如，如果有過(guò)多的太陽(yáng)能電力上網(wǎng)，Area Administrator可以通過(guò)向其PEA發(fā)送命令調(diào)整從其他渠道送入的電量，或者調(diào)整配電變壓器的變壓比。*套Area Administrator即將在Wildpoldsried投入使用。

NTA（網(wǎng)絡(luò)傳輸代理）：此代理集中收集來(lái)自電廠、電表和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的控制室中以可視形式顯示這些數(shù)據(jù)。NAT將這些信息提供給Area Administrator，以便其判斷是否需要進(jìn)行干預(yù)。同時(shí)，這些信息還將提供給Balance Master，后者據(jù)此決定應(yīng)接受哪份報(bào)價(jià)才不會(huì)致使電網(wǎng)過(guò)載。

Energy Police（能源）：此代理可確保市場(chǎng)參與方遵循所有的協(xié)議，電廠運(yùn)營(yíng)商提供其個(gè)人能源代理承諾的電能，不得非法私自縮減供應(yīng)。

個(gè)人能源代理進(jìn)行電量交易。

“IRENE項(xiàng)目的軟件代理并不進(jìn)行真金白銀的交易。”西門子中央研究院工程師Michael Metzger博士介紹道。Metzger在該系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。“從技術(shù)角度上講，SoEasy能夠支持?jǐn)?shù)十萬(wàn)家電廠并網(wǎng)，所以將來(lái)它應(yīng)該可以用于真正的電力市場(chǎng)交易。”

Metzger正與西門子智能電網(wǎng)集團(tuán)的同事合作，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的功能與組件轉(zhuǎn)化為西門子的產(chǎn)品和服務(wù)。比如，IRENE的某些組件已在其他成功案例中得以應(yīng)用，其中包括丹麥波爾霍爾姆島上的一個(gè)項(xiàng)目。與此同時(shí)，IRENE還利用了西門子中央研究院其他研究項(xiàng)目的技術(shù)成果。例如，德國(guó)Harz地區(qū)的一個(gè)類似項(xiàng)目便提供了可以集成和自動(dòng)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的模塊。

在Harz項(xiàng)目中，西門子中央研究院的研究人員正在對(duì)一個(gè)叫做“電力橋”的迷你盒子進(jìn)行試驗(yàn)。電力橋可以充當(dāng)一個(gè)通信接口，用來(lái)支持電網(wǎng)與各類獨(dú)立的分布式發(fā)電廠和電力用戶之間的通信。支持的對(duì)象包括熱電聯(lián)產(chǎn)廠、燃料電池和游泳池等。但凡是電廠向電網(wǎng)送電的地方，以及可以通過(guò)開(kāi)閉蓄能設(shè)施或電力負(fù)荷來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)的地方，都有電力橋的用武之地。這些設(shè)施可以自動(dòng)登錄到智能電網(wǎng)。“我們借鑒了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的做法，他們利用自動(dòng)配置DSL路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”嵌入式網(wǎng)絡(luò)研究小組組長(zhǎng)Jörg Heuer表示。

電力橋有兩個(gè)接口：一個(gè)面向電力生產(chǎn)商或電力用戶，另一個(gè)面向公共電網(wǎng)。電廠運(yùn)營(yíng)商告知特定電力橋自身是否有額外的發(fā)電量或電力需求。然后，這些數(shù)據(jù)以所有電廠通用的數(shù)據(jù)模型形式傳輸至控制中心。控制中心再通知相應(yīng)電力橋自身希望接受的額外產(chǎn)量或需求量。電力橋不會(huì)收到有關(guān)電廠運(yùn)營(yíng)商如何完成此訂單的相應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程的信息。此外，電力橋同樣不會(huì)了解到電廠運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，包括任何儀表數(shù)據(jù)，也不會(huì)了解到運(yùn)營(yíng)商的成本計(jì)算方式。電力橋也不會(huì)成為電廠的直接控制者。相反，它相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)，可以保護(hù)電廠詳細(xì)運(yùn)營(yíng)信息及運(yùn)營(yíng)安全，防止外界看到這些信息，同時(shí)又可以作為運(yùn)營(yíng)商的市場(chǎng)工具，幫助其把當(dāng)前發(fā)電量投向市場(chǎng)。