隨著可再生能源采集技術日趨成熟，綠色能源正逐漸取代污染環境的傳統能源。然而，依賴綠色能源勢必對電網穩定性構成壓力。電網的順暢運行取決于電力供需是否平衡，但綠色能源的供應往往不可預測，因而帶來諸多挑戰。為確保電網更具彈性，能使電網快速響應電力波動的技術變得至關重要。而這正是虛擬電廠 (VPP) 技術的用武之地。
虛擬電廠是在 IT 和工業互聯網 (IIoT) 技術成熟后出現的去中心化“能源互聯網”。不同于傳統集中式電廠，虛擬電廠從各種不同渠道匯聚能源，而不僅限于集中式電廠生產的電力。從可再生能源電廠、屋頂太陽能板、儲能電池到電動車，虛擬電廠可以從任何地方獲得能源。不過，要想從傳統和非傳統來源同時靈活高效地獲取并輸送電力，實時監控將必不可少。設想一個電動車成為主要通勤工具的世界，如遇用電高峰，虛擬電廠會提示停泊在充電中心的電動車將電力回充至電網，滿足緊急用電需求；而在非高峰期，可再生能源產生的多余電量則儲存到電動車內。
由于虛擬電廠可以確保電力供需平衡，也成為減少能源浪費的重要手段。最常見的能源浪費現象是，為特定地區生產的可再生能源如果過剩，就直接被棄置。但在虛擬電廠場景下，能源浪費得以避免。例如，一旦風能供給超過特定地區電網的需求，電價就會隨時間價格機制下降，由此刺激用電，解決電力供需不平衡導致的浪費問題。
虛擬電廠顯然是滿足未來能源需求的理想解決方案。但在這一技術成熟且變為現實之前，尚有一些問題需要解決。為提高電網彈性，虛擬電廠需采集大量實時數據。換句話說，電網必須讓所有情況“一目了然”才能提升效能。而要“看清楚”電網，先要回答“多少可再生能源將并入電網？”“用戶需要多少能源？”“目前有多少電動車在充電？”等問題。因此，采集海量數據必不可少。然而，在能源領域構建 IIoT 并不像為智能手機安裝 API 那樣簡單。為接收數據，設備可能要安裝在沙漠里的太陽能電廠旁，必須能經受極端高溫的考驗；或安裝于海上風力渦輪機旁，面臨海浪的顛簸和高鹽海風的侵蝕；或安裝于充斥著各種信號和強電磁波的變電站中。除現場設備要適應嚴苛環境外，還需專業人員將工業設計各異的設備集成至同一系統，因此數據采集任務困難重重。下面將詳細介紹 IIoT 技術如何通過構建強大持久的數據流基礎，幫助虛擬電廠擁有“看見”的能力。
“看見”的力量：揭開配電網絡的面紗
為幫助配電系統運營商 (DSO) 高效利用電網，實時掌握負荷變化至關重要，尤其目前電動車正日益成為主流。一家德國配電系統運營商面臨重大難題，直至 2020 年仍無法查看低壓電網的用電數據。因此，該運營商轉向 IIoT 技術，希望提高變電站電力數據的透明度。具體目標是將從饋線實時采集的電壓、電流、頻率、有功/無功功率等 21 類測量數據轉換為運維人員能輕松查看和理解的信息。這些信息與完善的電動車充電管理系統相結合可極大提升現有配電系統的功能，為該運營商服務的 230 萬戶家庭提供更多電力。
然而，變電站饋線的數量、形狀、尺寸各異，并分布于不同區域。最重要的是，為防止安裝人員日常進出時無意碰觸其他設備，變電站通常管理嚴格。因此，存在兩大全新挑戰：首先，如何以較少人力迅速部署 IIoT 技術？其次，如何高效完善分布在不同變電站的 IIoT 設備，確保設備安全？為解決這兩大問題，IIoT 基礎設施必須滿足“易操作、安全、無縫升級”等基本要求。許多系統開發商為此積極尋求解決方案。
在本案例中，系統集成商提出使用端到端解決方案，快速安全地部署 IIoT 設備，又無需調整變電站的設計。不熟悉 IIoT 技術的運維人員也能便捷安裝設備。該系統支持在云設備管理平臺上遠程儲存和管理設置。通過安全認證后，已有設置還可自動導入現場設備，免除繁瑣的激活步驟。除了解決專業人員和資源調度問題，該解決方案也提供遠程補丁。此類強大功能的解決方案將加速電網升級，助力“能源互聯網”發展。
調節的力量：實時控制
可再生能源發電一直內認為不穩定，并且不可預測。為實現可持續供電，必須控制供需，達到最優平衡。要實現這一點，實時監控非常重要。但知易行難。例如，按照一些國家的電網規范，可再生能源電廠需在 150 毫秒內完成并網調整。鑒于調整時間有限，穩定可靠的實時數據采集便尤為關鍵。然而，由于數據托管設備往往廣泛分布在戶外終端站點，經受惡劣天氣、鹽侵蝕、電磁干擾是常態，導致數據傳輸很難穩定。為防止數據丟失，確保數據實時順暢傳輸，可采用先進網絡冗余技術。如遇網絡“罷工”，數據可通過備用網絡傳輸，避免數據流中斷。因此，有必要搭建 24 小時不間斷的精準實時監控系統。(點擊此處了解 DNV GreenPowerMonitor 成功案例詳情。)
用戶和運營商雙贏
除了監控戶外遠程站點能獲取運營商所需數據外，深入家庭和各類建筑的高級計量架構 (AMI) 也能提供有用數據。AMI 讓用電信息一覽無余。用戶可通過手機追蹤精確至秒的用電情況，而電網運營商可利用 AMI 實時發現異常，無需等待用戶提醒，從而縮短維修時間。此外，獲取用戶實時數據后，就能計算出每戶家庭的用電“波形”分布，進一步了解甚至預測每個時段的用電情況。此類信息不僅有助于用戶關閉無人空間的空調，避免浪費，還能幫助供電商針對特定時段靈活定價。不過，要想達此目的，用電信息必須準確傳回運營商系統。雖然家用電表安裝環境不如戶外環境嚴苛，但電表的現場部署往往復雜多變，受人為因素影響較大。任何細微疏忽都可能影響通信的穩定性，而運營商可能收到錯誤的用電信息，進而誤判用電情況。為避免信息丟失，當通信中斷時要立即啟用存儲轉發技術。電表數據先存儲在本地，待通信恢復后再發送出去，這樣用戶和運營商的權益均得到保護。
虛擬電力交易
如果信息更為透明，可再生能源技術的價格更加實惠，用戶也能成為生產者。也就是說，及時向電網出售電力目前已經切實可行。這一轉變讓供需調節更加靈活，但前提是，必須搭建安全的去中心化網絡。因此，越來越多的國家開始嘗試將虛擬電廠與區塊鏈結合。由于區塊鏈具備去中心化、透明、不可篡改等特性，通過區塊鏈的智能交易合約，能源可安全順暢地交易轉讓。用戶能自由選擇較便宜甚至非常規的能源，如來自鄰居的能源，并跳過中心系統。
借助 IIoT 技術，電網管理從基于經驗轉變為基于數據。通過多平臺支撐和公眾參與，電網將日益強大。用電率不斷提高的同時電力浪費將大幅減少，向真正高能效的未來邁進。