配備高端測量技術(shù)的電網(wǎng) — 引領(lǐng)未來(lái)能源轉型的新引擎

近年來(lái)，德國政府出臺多項措施加速推動(dòng)能源轉型，太陽(yáng)能、水能和風(fēng)能等可再生能源的比例大幅增加，到 2023 年，這些可再生能源的發(fā)電量已經(jīng)占到德國總發(fā)電量的一半以上。倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士從控制技術(shù)的角度深入剖析了高度波動(dòng)的可再生能源占比給電網(wǎng)運行帶來(lái)的挑戰，以及這一現狀對構建未來(lái)智能電網(wǎng)的深遠意義。

智能電網(wǎng)在能源轉型中扮演什么角色？對電網(wǎng)管理有什么深遠影響？

Fabian Assion 博士：可再生能源發(fā)電量占比的增加導致供電網(wǎng)穩定性面臨更大挑戰的原因主要有兩個(gè)。第一個(gè)原因是，可再生能源的發(fā)電方式更加分散，不再像以前的大型發(fā)電廠(chǎng)那樣集中。因此，現有的電網(wǎng)物理結構已難以滿(mǎn)足當前分布式能源發(fā)電的需求：電流的變化有時(shí)會(huì )引發(fā)電網(wǎng)不穩定，甚至出現過(guò)載現象。第二個(gè)原因在于，傳統發(fā)電廠(chǎng)通常使用的都是同步發(fā)電機。這對于電網(wǎng)運行來(lái)說(shuō)是個(gè)非常理想的選擇，例如，在發(fā)生接地故障時(shí)，它能提供最佳電網(wǎng)支撐。而可再生能源的發(fā)電則由逆變器控制。因此，它們在此類(lèi)情況下提供電流能力方面存在局限性，這也會(huì )導致電網(wǎng)不穩定。當前能源供給網(wǎng)絡(luò )的整體控制也因此愈發(fā)顯得錯綜復雜。而這正是智能電網(wǎng)的用武之地：智能電網(wǎng)擁有更詳盡、實(shí)時(shí)的電網(wǎng)狀態(tài)信息，因此更易于控制。

倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士：“隨著(zhù)可再生能源占比的持續攀升，電網(wǎng)的各個(gè)層級亟需融入更多且控制系統集成的測量技術(shù)?！?/p>

在測量設備方面，智能電網(wǎng)需要哪些額外的技術(shù)需求，能舉例說(shuō)明嗎？

Fabian Assion 博士：必須在電網(wǎng)的各個(gè)層級額外使用測量設備。迄今為止，特高壓與高壓領(lǐng)域已廣泛采用了這一技術(shù)，但中壓與低壓領(lǐng)域則鮮有實(shí)施，幾乎處于空白狀態(tài)。從投入角度來(lái)說(shuō)，事實(shí)上，低壓電網(wǎng)尤其需要進(jìn)行升級。這是因為相較于高壓電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)的覆蓋范圍更為廣泛。因此，相應的需要布置更多的測量點(diǎn)。即便是采取了最為合理且全面的方法，也仍需部署數十萬(wàn)個(gè)測量點(diǎn)。我們可以以供電網(wǎng)最末端環(huán)節的變電站為例來(lái)討論增設測量點(diǎn)的問(wèn)題。變電站是將中壓電轉換為低壓電的場(chǎng)所，通常有 8 個(gè)或更多低壓輸出端的變壓器來(lái)完成這一轉換過(guò)程。這些電壓輸出端都應配備先進(jìn)的測量設備，以精準測量各個(gè)關(guān)鍵變量。在德國，約有十萬(wàn)個(gè)變電站需配備測量設備。

有哪些相關(guān)的測量指標？

Fabian Assion 博士：電流當然是最重要的數值之一，但單純的電流數值本身并不足以全面反映電網(wǎng)的運行狀況。在條件允許的情況下，還應詳細記錄每條輸出饋電線(xiàn)路上各種類(lèi)型的功率數據（無(wú)功功率、視在功率和有功功率），以便更加準確地評估電網(wǎng)狀態(tài)。這一點(diǎn)尤為重要，因為在當前電網(wǎng)中，絕大多數負載設備都會(huì )使用供電裝置，它們在運行過(guò)程中不可避免地會(huì )產(chǎn)生不良諧波。換言之，對于肩負電網(wǎng)質(zhì)量保障重任的運營(yíng)商而言，詳盡地收集每條電壓輸出線(xiàn)上的諧波數據，甚至精確到每個(gè)諧波的具體水平，幾乎已成為一項不可或缺的任務(wù)，以便在必要時(shí)采取有針對性的措施。

我們需要盡可能相近地記錄可再生能源的測量數據，例如 DeWind 為阿根廷維拉德羅金礦（海拔 4300 米）提供的風(fēng)力發(fā)電機所產(chǎn)生的寶貴數據。

倍?；?PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)及其系統集成測量技術(shù)具有哪些優(yōu)勢？

Fabian Assion 博士：采用倍福先進(jìn)的基于 PC 的控制技術(shù)，只需較小的技術(shù)和資金投入即可高效完成測量任務(wù)。此外，倍福的測量產(chǎn)品不僅測量精度高，而且使用方便。它們基于 EtherCAT 及其分布式時(shí)鐘功能，因此測量速度足夠快，測量精度也足夠高，能夠實(shí)時(shí)響應電網(wǎng)中的瞬時(shí)事件。我們想特別強調的是，通過(guò)實(shí)施分布式電力測量方案，我們實(shí)現了成本效益與數據質(zhì)量并重的目標。

借助 EtherCAT 的分布式時(shí)鐘功能，僅需部署一個(gè) EL3443 測量端子模塊，即可與分布在電網(wǎng)中的任意數量的 EL3446 測量端子模塊配合，打造分布式電力測量解決方案，實(shí)現詳盡且高質(zhì)量的電力測量。

分布式電力測量方案背后的原理究竟是什么？

Fabian Assion 博士：EtherCAT 端子模塊 EL3446 是一個(gè)純電流測量端子模塊，它能夠測定供電網(wǎng)絡(luò )的所有相關(guān)電氣數據，包括所有電力測量值（電壓相關(guān)數據除外）。系統中部署的 EL3446 端子模塊可以根據需要通過(guò) EtherCAT 接收 EL3443 電力測量端子模塊（每個(gè)網(wǎng)絡(luò )只能安裝一次）中計算電力數據所需的電壓值，并通過(guò) EtherCAT 分布式時(shí)鐘功能進(jìn)行數據同步處理。這樣就能夠顯著(zhù)減少硬件投入與安裝成本，確保電網(wǎng)質(zhì)量的可靠監控，同時(shí)精準測量每條輸出電壓饋電線(xiàn)路的諧波以及由此產(chǎn)生的電力品質(zhì)因數。

倍福的分布式電力測量解決方案極大地降低了綜合能源數據采集的材料成本與安裝費用。

基于 PC 的控制解決方案已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域屢經(jīng)考驗，充分展示了其價(jià)值。它的主要優(yōu)勢是什么？

Fabian Assion 博士：全球有超過(guò) 100,000 臺風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)使用我們基于 PC 的控制技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化改造，單臺風(fēng)力發(fā)電機的容量最大可達 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰顯了其無(wú)可比擬的優(yōu)勢，它通過(guò)實(shí)現極為快速且精準的同步控制流程，顯著(zhù)提升了運行效率與發(fā)電性能。EtherCAT 的卓越性能不僅局限于單臺風(fēng)機，而且能夠勝任更大規模的風(fēng)力發(fā)電機組的通信任務(wù)，乃至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的聯(lián)網(wǎng)控制。就海上風(fēng)機而言，高壓直流輸電（HVDC）也是供電網(wǎng)中最復雜的部分之一。倍?；?PC 的控制技術(shù)也已成功應用于這一領(lǐng)域。這一點(diǎn)在西門(mén)子能源解決方案中得到了很好的說(shuō)明。

作為輸電系統和電網(wǎng)穩定領(lǐng)域的杰出制造商，西門(mén)子能源今后將更加信賴(lài)倍?；?PC 的控制技術(shù)（本案例中為高壓直流輸電系統）。

倍福技術(shù)不僅在發(fā)電領(lǐng)域，而且在區域供電網(wǎng)的能源分配過(guò)程中也展現了顯著(zhù)的優(yōu)勢?？梢酝诰虺瞿男┬蕽摿?？

Fabian Assion 博士：除了系統集成的測量技術(shù)之外，倍福的 I/O 解決方案也為用戶(hù)帶來(lái)了諸多裨益，這些解決方案能夠輕松應對各類(lèi)應用場(chǎng)景的市場(chǎng)需求及復雜多變的環(huán)境條件。這意味著(zhù)，無(wú)論是電力測量，還是遠程控制協(xié)議、開(kāi)關(guān)位置、信號消息以及變壓器和環(huán)境溫度等關(guān)鍵信息，所有所需的數據都可以在控制系統中進(jìn)行記錄和整合。瑞士西區能源供應商 Romande Energie 的應用案例充分說(shuō)明了倍福技術(shù)在強化電網(wǎng)安全管理方面所做出的杰出貢獻。

瑞士五大能源供應商之一的 Romande Energie 公司在其變電站中采用了倍福的系統集成式測量解決方案，采用了 EL3453 電力測量端子模塊以及其他 EtherCAT 端子模塊，以保障其電網(wǎng)的可利用率（本案例中為高壓裝置）。

數據測量固然重要，但確保電網(wǎng)系統穩定則是另一項不容忽視的關(guān)鍵任務(wù)。在頻率控制與電網(wǎng)穩定方面，基于 PC 的控制技術(shù)能提供哪些解決方案？

Fabian Assion 博士：能源供應電網(wǎng)的頻率控制和穩定是一項極為復雜且精細的任務(wù)。這項任務(wù)不僅依賴(lài)于全面的電網(wǎng)數據支持，還要求系統具有極快的響應速度 — 從毫秒級乃至微秒級。2015 年，韓國公司 Power 21 使用我們具有超采樣功能的 EL3773 電網(wǎng)監測端子模塊為能源供應商 KEPCO 成功實(shí)施了高精度頻率測量解決方案。另一個(gè)例子是德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統和高壓技術(shù)研究所（IEH）正在研究如何確保因向可再生能源過(guò)渡而發(fā)生變化的輸電網(wǎng)的系統穩定性。除了模擬研究之外，發(fā)電廠(chǎng)和基于逆變器的發(fā)電系統的行為正在被用作專(zhuān)用測試環(huán)境的孤島電網(wǎng)中進(jìn)行仿真。為此，研究人員正在運行安裝有 TwinCAT 的倍福嵌入式控制器上實(shí)施具有創(chuàng )新意義的新型控制方法，以驗證它們在真實(shí)場(chǎng)景中的應用是否可行。

使用 TwinCAT HMI 對德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統和高壓技術(shù)研究所（IEH）的電網(wǎng)仿真進(jìn)行操作和監控。

區域性電力用戶(hù)，尤其是那些配備了獨立供電網(wǎng)的大型工業(yè)廠(chǎng)房，有哪些節電潛力可以挖掘？

Fabian Assion 博士：我們自主研發(fā)的能源管理系統具備出色的負荷跟蹤能力，并能夠通過(guò)避開(kāi)用電高峰時(shí)段的方式實(shí)現成本的最小化。在構建企業(yè)內部能源供給網(wǎng)絡(luò )時(shí)，這一系統顯得尤為重要，無(wú)論是大型工業(yè)集團，還是中小型企業(yè)，都需要配備這樣的能源管理系統。一旦企業(yè)成功安裝了諸如光伏發(fā)電系統之類(lèi)的自有發(fā)電設施，接下來(lái)就應當將能源管理視作下一步工作的重中之重。如果企業(yè)同時(shí)配備了儲能系統和可控負載（如雙向充電樁），就能夠精準控制能源流動(dòng)。

在建筑和生產(chǎn)的控制以及它們的能源協(xié)調管理方面，基于 PC 的集成式控制技術(shù)有何重要性？

Fabian Assion 博士：倍福的集成式解決方案顯著(zhù)簡(jiǎn)化了能源數據的測量過(guò)程。它們與相應的能源管理系統相輔相成，不僅奠定了從能源角度審視并優(yōu)化流程的基礎，還為企業(yè)靈活應對電價(jià)波動(dòng)提供了有力支撐。兩者都為降低能源成本提供了巨大的潛力。成功案例包括制藥企業(yè) Engelhard Arzneimittel 采用一站式解決方案實(shí)現生產(chǎn)流程和樓宇自動(dòng)化，以及奧地利機電一體化制造商珀爾曼公司采用基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現樓宇和生產(chǎn)自動(dòng)化的集中控制。

奧地利天窗機械組件和門(mén)鎖外殼供應商鉑爾曼的 Vitis 工廠(chǎng)擁有高效的能源系統和智能高效的生產(chǎn)方式（基于 PC 的自動(dòng)化控制），因此被奧地利弗勞恩霍夫研究院評選為奧地利最佳工廠(chǎng)。

隨著(zhù)可再生能源占比的持續攀升，對分布式儲能能力的擴展需求也日益迫切?；?PC 的控制為電池儲能系統、沼氣發(fā)電廠(chǎng)以及儲氫系統提供了哪些控制選項？

Fabian Assion 博士：我們的控制和測量技術(shù)的應用領(lǐng)域與儲能系統本身一樣具有多樣性。在動(dòng)力電池應用方面，一個(gè)極具潛力的實(shí)踐案例是將電動(dòng)汽車(chē)轉變?yōu)橥＼?chē)庫中的儲能系統。倍福通過(guò) TwinCAT 3 IoT OCPP（開(kāi)放充電點(diǎn)協(xié)議）和 EL6761 EtherCAT 端子模塊，為充電站和電動(dòng)汽車(chē)之間、現有充電樁之間以及充電樁與相應的中央管理系統之間的 ISO 15118 通信提供了完整的解決方案。Reverion 公司的緊湊型集裝箱式沼氣發(fā)電機組和吉凱恩氫氣公司的低壓金屬氫化物儲氫系統。

得益于基于 PC 的控制技術(shù)，Reverion 沼氣發(fā)電機組安裝在一個(gè)高度緊湊的集裝箱內，發(fā)電率高達 80%，并且支持可逆運行。

最后，您還有什么要補充的嗎？

Fabian Assion 博士：當前，我們都面臨著(zhù)諸多嚴峻挑戰，其中一項便是能源供應結構的優(yōu)化調整。倍福正不遺余力地踐行著(zhù)公司所有者兼創(chuàng )始人的核心理念與座右銘：“工程師們必須肩負起拯救世界的重任！”。然而，我們必須坦誠地說(shuō)，僅憑我們一己之力是遠遠不夠的。因此，我誠摯地向我們現有的以及未來(lái)即將加入的每一位客戶(hù)發(fā)出邀請，讓我們攜手并肩，齊心協(xié)力，共同完成這一重要使命！