隨著可再生能源采集技術(shù)日趨成熟，綠色能源正逐漸取代污染環(huán)境的傳統(tǒng)能源。然而，依賴綠色能源勢必對電網(wǎng)穩(wěn)定性構(gòu)成壓力。電網(wǎng)的順暢運(yùn)行取決于電力供需是否平衡，但綠色能源的供應(yīng)往往不可預(yù)測，因而帶來諸多挑戰(zhàn)。為確保電網(wǎng)更具彈性，能使電網(wǎng)快速響應(yīng)電力波動的技術(shù)變得至關(guān)重要。而這正是虛擬電廠 (VPP) 技術(shù)的用武之地。
虛擬電廠是在 IT 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 技術(shù)成熟后出現(xiàn)的去中心化“能源互聯(lián)網(wǎng)”。不同于傳統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)和非傳統(tǒng)來源同時靈活高效地獲取并輸送電力，實(shí)時監(jiān)控將必不可少。設(shè)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(wǎng)，滿足緊急用電需求；而在非高峰期，可再生能源產(chǎn)生的多余電量則儲存到電動車內(nèi)。
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(fèi)的重要手段。最常見的能源浪費(fèi)現(xiàn)象是，為特定地區(qū)生產(chǎn)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(fèi)得以避免。例如，一旦風(fēng)能供給超過特定地區(qū)電網(wǎng)的需求，電價就會隨時間價格機(jī)制下降，由此刺激用電，解決電力供需不平衡導(dǎo)致的浪費(fèi)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(shù)成熟且變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之前，尚有一些問題需要解決。為提高電網(wǎng)彈性，虛擬電廠需采集大量實(shí)時數(shù)據(jù)。換句話說，電網(wǎng)必須讓所有情況“一目了然”才能提升效能。而要“看清楚”電網(wǎng)，先要回答“多少可再生能源將并入電網(wǎng)？”“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(shù)據(jù)必不可少。然而，在能源領(lǐng)域構(gòu)建 IIoT 并不像為智能手機(jī)安裝 API 那樣簡單。為接收數(shù)據(jù)，設(shè)備可能要安裝在沙漠里的太陽能電廠旁，必須能經(jīng)受極端高溫的考驗(yàn)；或安裝于海上風(fēng)力渦輪機(jī)旁，面臨海浪的顛簸和高鹽海風(fēng)的侵蝕；或安裝于充斥著各種信號和強(qiáng)電磁波的變電站中。除現(xiàn)場設(shè)備要適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境外，還需專業(yè)人員將工業(yè)設(shè)計(jì)各異的設(shè)備集成至同一系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)采集任務(wù)困難重重。下面將詳細(xì)介紹 IIoT 技術(shù)如何通過構(gòu)建強(qiáng)大持久的數(shù)據(jù)流基礎(chǔ)，幫助虛擬電廠擁有“看見”的能力。
“看見”的力量：揭開配電網(wǎng)絡(luò)的面紗
為幫助配電系統(tǒng)運(yùn)營商 (DSO) 高效利用電網(wǎng)，實(shí)時掌握負(fù)荷變化至關(guān)重要，尤其目前電動車正日益成為主流。一家德國配電系統(tǒng)運(yùn)營商面臨重大難題，直至 2020 年仍無法查看低壓電網(wǎng)的用電數(shù)據(jù)。因此，該運(yùn)營商轉(zhuǎn)向 IIoT 技術(shù)，希望提高變電站電力數(shù)據(jù)的透明度。具體目標(biāo)是將從饋線實(shí)時采集的電壓、電流、頻率、有功/無功功率等 21 類測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)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(tǒng)相結(jié)合可極大提升現(xiàn)有配電系統(tǒng)的功能，為該運(yùn)營商服務(wù)的 230 萬戶家庭提供更多電力。
然而，變電站饋線的數(shù)量、形狀、尺寸各異，并分布于不同區(qū)域。最重要的是，為防止安裝人員日常進(jìn)出時無意碰觸其他設(shè)備，變電站通常管理嚴(yán)格。因此，存在兩大全新挑戰(zhàn)：首先，如何以較少人力迅速部署 IIoT 技術(shù)？其次，如何高效完善分布在不同變電站的 IIoT 設(shè)備，確保設(shè)備安全？為解決這兩大問題，IIoT 基礎(chǔ)設(shè)施必須滿足“易操作、安全、無縫升級”等基本要求。許多系統(tǒng)開發(fā)商為此積極尋求解決方案。
在本案例中，系統(tǒng)集成商提出使用端到端解決方案，快速安全地部署 IIoT 設(shè)備，又無需調(diào)整變電站的設(shè)計(jì)。不熟悉 IIoT 技術(shù)的運(yùn)維人員也能便捷安裝設(shè)備。該系統(tǒng)支持在云設(shè)備管理平臺上遠(yuǎn)程儲存和管理設(shè)置。通過安全認(rèn)證后，已有設(shè)置還可自動導(dǎo)入現(xiàn)場設(shè)備，免除繁瑣的激活步驟。除了解決專業(yè)人員和資源調(diào)度問題，該解決方案也提供遠(yuǎn)程補(bǔ)丁。此類強(qiáng)大功能的解決方案將加速電網(wǎng)升級，助力“能源互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展。
調(diào)節(jié)的力量：實(shí)時控制
可再生能源發(fā)電一直內(nèi)認(rèn)為不穩(wěn)定，并且不可預(yù)測。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)供電，必須控制供需，達(dá)到最優(yōu)平衡。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)控非常重要。但知易行難。例如，按照一些國家的電網(wǎng)規(guī)范，可再生能源電廠需在 150 毫秒內(nèi)完成并網(wǎng)調(diào)整。鑒于調(diào)整時間有限，穩(wěn)定可靠的實(shí)時數(shù)據(jù)采集便尤為關(guān)鍵。然而，由于數(shù)據(jù)托管設(shè)備往往廣泛分布在戶外終端站點(diǎn)，經(jīng)受惡劣天氣、鹽侵蝕、電磁干擾是常態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸很難穩(wěn)定。為防止數(shù)據(jù)丟失，確保數(shù)據(jù)實(shí)時順暢傳輸，可采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)。如遇網(wǎng)絡(luò)“罷工”，數(shù)據(jù)可通過備用網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免數(shù)據(jù)流中斷。因此，有必要搭建 24 小時不間斷的精準(zhǔn)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。(點(diǎn)擊此處了解 DNV GreenPowerMonitor 成功案例詳情。)
用戶和運(yùn)營商雙贏
除了監(jiān)控戶外遠(yuǎn)程站點(diǎn)能獲取運(yùn)營商所需數(shù)據(jù)外，深入家庭和各類建筑的高級計(jì)量架構(gòu) (AMI) 也能提供有用數(shù)據(jù)。AMI 讓用電信息一覽無余。用戶可通過手機(jī)追蹤精確至秒的用電情況，而電網(wǎng)運(yùn)營商可利用 AMI 實(shí)時發(fā)現(xiàn)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(shí)時數(shù)據(jù)后，就能計(jì)算出每戶家庭的用電“波形”分布，進(jìn)一步了解甚至預(yù)測每個時段的用電情況。此類信息不僅有助于用戶關(guān)閉無人空間的空調(diào)，避免浪費(fèi)，還能幫助供電商針對特定時段靈活定價。不過，要想達(dá)此目的，用電信息必須準(zhǔn)確傳回運(yùn)營商系統(tǒng)。雖然家用電表安裝環(huán)境不如戶外環(huán)境嚴(yán)苛，但電表的現(xiàn)場部署往往復(fù)雜多變，受人為因素影響較大。任何細(xì)微疏忽都可能影響通信的穩(wěn)定性，而運(yùn)營商可能收到錯誤的用電信息，進(jìn)而誤判用電情況。為避免信息丟失，當(dāng)通信中斷時要立即啟用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。電表數(shù)據(jù)先存儲在本地，待通信恢復(fù)后再發(fā)送出去，這樣用戶和運(yùn)營商的權(quán)益均得到保護(hù)。
虛擬電力交易
如果信息更為透明，可再生能源技術(shù)的價格更加實(shí)惠，用戶也能成為生產(chǎn)者。也就是說，及時向電網(wǎng)出售電力目前已經(jīng)切實(shí)可行。這一轉(zhuǎn)變讓供需調(diào)節(jié)更加靈活，但前提是，必須搭建安全的去中心化網(wǎng)絡(luò)。因此，越來越多的國家開始嘗試將虛擬電廠與區(qū)塊鏈結(jié)合。由于區(qū)塊鏈具備去中心化、透明、不可篡改等特性，通過區(qū)塊鏈的智能交易合約，能源可安全順暢地交易轉(zhuǎn)讓。用戶能自由選擇較便宜甚至非常規(guī)的能源，如來自鄰居的能源，并跳過中心系統(tǒng)。
借助 IIoT 技術(shù)，電網(wǎng)管理從基于經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)。通過多平臺支撐和公眾參與，電網(wǎng)將日益強(qiáng)大。用電率不斷提高的同時電力浪費(fèi)將大幅減少，向真正高能效的未來邁進(jìn)。