直击智能电网设计机会

中心议题：
       *智能电网的实现

随着南美、欧洲和亚洲地区智能电网的实现，设计领域的机会开始浮出水面。在寻找这些机会的过程中，开展技术专题讨论会，深入研究相关报告并展开讨论大有裨益，这样可以更加深入地了解已经出现的各种挑战。

目标和推动力

“智能电网”一词是指致力于在全球范围内建立与21世纪的技术相匹配的国内电网和跨国电网的各种工作。不过不同地区的目标各有不同。

中国在这方面几乎是一片空白，正在从头开始。相比之下，美国的市区拥有可追溯到爱迪生和斯坦梅茨时期的各种五花八门的基础设施，农村的基础设施可以追溯到富兰克林?罗斯福执政时期，郊区边缘的基础设施则是相对近代的事情。虽然有良好的愿望，并做了各种无微不至的工作，但许多基础设施都已经陈旧不堪，相当不稳定。

除了电力中断的不足之外，对发电量的需求也在与日俱增。但是由于存在各种出于好意的特殊利益要求，为新发电厂提供场所或者运行输电线路几乎成了不可能的事情。

人口集中在北纬49度的加拿大受美国影响。但是加拿大拥有相对而言更加丰富的有待开发的自然资源，不管怎样，这些资源都可以以原始形式或者作为电力与其南边的合作伙伴进行交易。欧盟的情况与美国差不多，不过欧盟二战后的机械设备更新。尽管欧盟比美国更“环保”，但是欧洲人更能接受核电，这主要是由于法国将剩余电力销售给意大利和英国。

因此，美国有两个主要目标。首先，需要提高对于停电的防御能力。其次，美国打算通过“负载均衡”来解决设置新发电厂和输电线路的难题，这意味着需要一天24小时内更加频繁地对发电和配电系统提出需求。

实际上，负载均衡意味着更多的分布式发电，这一概念向下可以延伸到非高峰时段电动汽车电池的细粒度能量存储和高峰时段的细粒度能量回收。不过，具体来讲，负载均衡意味着鼓励采用电池储能的新型工业太阳能电池、风力电池和燃料电池的电量，以便在必要时增加火力发电厂的发电量。

这提升了“微网(microgrids)”的前景。理论上，这些可隔离的小规模发电系统可以通过大型电网进行连接，而出现外部故障时又可以自行维护。

许多智能电网倡议已经深入到每个公民中，这些倡议通过动态调整电价激励公民管理他们的需求，电价则通过RF或电力线通信(PLC)下载到电表上，这是一种慢频移键控(FSK)技术，采用通过变压器的低频载波实现。

在家里和公司中，电表(或者某种其他类型的中继器)会将电价信息传递给“智能”电器或温度调节装置，在其控制回路中整合动态变化的电价。

在北美，每度电的价格(至少部分)由自由市场根据纽约和芝加哥商品交易所中安然式的交易来确定。能源交易商则根据发电厂和国家输电和配电(“T和D”)组织实时报告的需电量和供电量波动进行决策。

有意思的是，现在本地电力公司发电越来越少了。这些公司一直都在出让他们的实际发电设施。

这些变化并不会一夜之间形成，在这个过程中将出现各种各样的调整。在美国，美国国家标准与技术研究所(NIST)和IEEE参与到确保互操作性的工作中。除了互操作性之外，责任是另一个关键的标准驱动因素，因为电力公司律师的第一道防线就是严格遵守行业标准。

制定智能电网基本理论的种子文档仍是“NIST Special Publication 1108, NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards”，可访问www.nist.gov/public_affairs/releases/upload/smartgrid_interoperability_final.pdf了解详细情况。该文档有145页，确定了利益相关方、问题和任务。

输电和配电公司的相量监测

2010年初，IEEE电力和能源协会(PES)和通信协会在马里兰州盖瑟斯堡的NIST召开了一次有关智能电网的会议。ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=5619950上提供了此次会议的议程(非会员需付费)。

美国亚拉巴马电力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程师、配电自动化全美公认专家G. Larry Clark在这次会议全体会谈的发言中指出，负载均衡的实际问题在于，实现电网时，接下来的一二十年需要展开大量的监测和统计分析工作。

只要用户需求存在昼夜周期，APC公司的累积数据就说明，如果变电所变压器在高于其铭牌额定值的高峰负载时段工作的时间有限，并且变压器有足够的时间在低负载水平下冷却，那么变电所变压器就可以在高于其铭牌额定值的高峰负载时段安全工作。

Clark指出，没有人能够确定最终可以实现负载均衡的负载水平，也没有人能够准确地确定何为均衡负载“水平”。现状下保守的设备政策可能导致设备在将来过早损坏。在此期间要做的唯一一件事就是收集数据并推断发展趋势。

事实证明，对多相输电线路进行准确且精确的测量需要使用某些专用芯片。这是因为对单相线路进行瞬时测量相对比较简单，但是对多相线路进行测量往往复杂得多。

这个难题直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)发明相量测量单元(PMU)才真正得到解决。PMU可以通过GPS产生的时间信号实现电网各个部分之间实时相量测量的同步。

Macrodyne表示，虽然早在Charles Steinmetz时代他就第一次将相量应用到交流电源，但是在实现基于时间的全球导航系统时，出现用于同时测量的商用产品却经历了99年的时间。

测量三相输电系统中单个点的相量是一个非常有意思的芯片级挑战。Maxim公司的Martin Mason表示，用于实现这种任务的模数转换器(ADC)要求精度和准确度。此外他还表示，所有的电压和电流测量都必须同时进行。复用ADC绝对不可能。

此外，Mason还负责Maxim公司的电力线监控芯片(图1)，包括采样速率为250kbps的MAX11046八通道同步采样16位ADC。另请参阅ADI公司针对同类应用的六通道ADE7764。

图1：控制多相配电系统中的功率流需要对所有三相的电压和电流进行精确、准确和同步的相量测量。为进行计算，电压和电流需以相量的复数形式表示。为实现同步，通过GPS时间信号来同步各个测量。相量的数字化需要同步采样ADC，如Maxim的八通道16位MAX11046。

帮助电动汽车找到充电站

继IEEE电力和能源协会在NIST召开的会议之后，NIST/通信协会大会进一步证明，并非电网面临的所有挑战最终都能以芯片的形式解决。信息理论难题的解决方案主要基于数学方面，此次大会上讨论了诸多这方面的问题。

有一篇研究报告指出了数学问题可以如何通过适当的调整来解决，以及严谨的解决方案途径如何通过相当低预算的试验来说明。

无论如何，智能电网的分布式发电都依赖于电动汽车的电池，电动汽车能否得到广泛使用取决于耗尽的电池能否方便地进行充电或更换。这样就引出了一系列问题：电动汽车与充电站的最佳比例、充电站如何确定客户优先级(或者如何引导客户前往仍在可到达范围内的比较清闲的充电站)等。

罗彻斯特理工学院(RIT)的Clark Hochgraf、Rahul Tripathi和Spencer Herzberg根据简单的SMS短信和GPS定位进行了一种实用的实验。坦率地讲，这个实验听起来微不足道，不过其严谨的分析和灵活的调查在此次会议的1002篇研究报告中为这篇报告的作者们赢得了一席之地。

实验目标是建立一种低成本系统，用来管理和监控实际的PEV(插电式电动汽车)充电电路，并通过监视使电动汽车保持在可到达的充电站范围内，引导汽车走最优的路线。这个团队开发的硬件包含一个内置GPS的GSM调制解调器和一个可运行定制应用的Python解释器。

在解释器上运行的代码可以解析代码形式的SMS短信，并将命令发送给充电电路。来自模块的SMS短信还可以通过命令获取PEV的GPS位置、充电状态和电池电量。

这个团队利用这种基本功能可以建立一种电力公司能用来控制多个PEV充电的虚拟基础设施。这种功能还设想了这样一种方案，即电力公司向有规律充电的客户收取较低的每度电电价。

此外，这个团队还基于这些基本功能创建了用户界面，以显示PEV位置、充电状态和电池电量的相关信息(图2)。通过调制解调器访问的数据库用于储存PEV可到达的充电站(根据其电池的电量状态判断)位置和状态相关信息。该数据被用于路由算法。

图2：罗彻斯特理工学院(RIT)的研究人员开发出一种基于GPS定位和SMS短信的通信方案来衔接电动汽车和供电商。该系统旨在帮助驾驶员规划线路，同时方便电力公司均衡负载。这个团队采用现成的技术，在相对较短的时间内凭观察和实验验证了他们的思路。

由于拥有所有这些信息，电力公司可以监视并控制需要的电量，以使其不超过供电量。对于驾驶员来讲，充电知识(及其良好的图形表示)是在实际充电状态变得比较危急之前选择充电路线和停车充电时间的关键。

是否仍然可以实现一种基于短信和GPS的系统来根据国家智能电网的需要进行调整呢？正如APC公司的变压器额定值和负载均衡问题一样，请务必记住，智能电网的演进将经历几十年的时间，这是一个必须一步一步完成的过程。

对于短期而言，RIT的团队在其报告中给出了一些重要的观点。“充电站与电力公司之间的智能电网通信可使ISO/RTO降低高峰时段的需电量，同时仍可满足电动汽车充电负载，不过完全充电的完成时间则有所延迟，”这份报告指出。“控制汽车何时需要充电或充电价格(kW)可实现在无需额外的发电量的情况下引入电动汽车。”

这个团队进一步认为，PEV不可能在2025年前实现超出低个位数的市场渗透率。

在这种背景下，RIT演示系统支持现有的汽车工程师协会(SAE)推荐的插电式汽车与公共电网之间的通信实践(SAE J2847/1)和IEEE与电力系统互连的分布式资源的监控、信息交换和控制指南(IEEE 1547.3)。这两个指南仍由其各自的工作组负责。

会议上演示其他电动汽车相关报告的还有IBM公司的苏黎世研究实验室(“电动汽车虚拟电厂的架构和通信”)、埃森哲(Accenture)公司(“插电式电动汽车策略的评估框架”)、西门子(Siemens)公司和帕绍大学(“电动汽车与智能电网的互连和通信”)以及洛斯阿拉莫斯国家实验室(“V2G模式中混合动力汽车交换站的定位”)。

顺着RIT报告的方向，洛斯阿拉莫斯国家实验室的Konstantin Turitsyn等在“控制和通信”发言阶段演示了“鲁棒的电动汽车充电广播通信控制”。

这些科学家并没有专注于RIT团队的双向通信主题，而是重点探讨了基于随机电动汽车充电起始时间的控制算法和简单的单向广播通信(允许各个通信事件之间出现时间延迟)。他们采用排队论和统计分析得出的论据，力求最大限度地提高过剩的配电电路产能的利用率，而不造成电路过载。

小偷和电池问题

还有许多意想不到的设计机会，智能电表将使用数据传送到电力公司之前对使用数据进行模糊和加密的方法就是其中之一。这种方案包括“负载签名”、大电池、充电器和逆变器，其发展历史牵涉到焦急的荷兰市民发起的一场反对智能电表的运动。

荷兰市民反对使用智能电表，但他们的反对原因与美国人的反对原因(比如不可思议的高电费帐单和对婴儿监视器的干扰)有所不同。根据东芝(Toshiba)公司设在英国的电信研究实验室的Georgios Kalogridis在“虚假数据注入和隐私”发言阶段演示的题为“智能电表的隐私：用于不可检测的设备负载签名”的报告，荷兰所面临的问题在于电网读数的精细度。

普通电表一般每个结算周期读表一次。但是被设计用于实时监控所需电量的智能电表的读表频率比较频繁，以便能够反映出日常用电模式。获得这些模式的小偷可以找出在主人离开时可能成为下手目标的家庭：比如在下午四点前不会使用烤箱的家庭。

东芝公司从最原始的角度提出了这样一种方案，即为每个家庭增加一个大电池和相关的逆变器，这样可以消除这些读数中的微小细节。

当然，解决方案并没有这么简单。对用电进行细粒度采样的目的在于提供或多或少的实时需电量状况，以便于操作员确定何时在线提供或关断发电量、何时调整配电线路以及何时重设电价等。如果这些信息不清楚，这个方案又有什么用呢？

由于东芝的报告比较浅显，因此电池方案只是能更轻松地让数据更加安全，同时提供数据以某种形式表示的信息，这种形式的信息仅用来管理发电量、配电路线和其他功能。显然，第一步是收集来自邻近的所有家庭的细粒度信息，然后再通过回程将这些信息发送给供电商。

不过这却给黑客大开后门。要堵住这个后门，东芝的研究人员提出了一种称为负载签名仲裁器(LSM)的器件，该器件与设备、电池(独立电池或汽车电池)和充电站/连接电网的逆变器配合工作。与LSM配合工作的器件可大可小。

“导通时汲取2kW功率的水壶就是一个例子；电力路由器可以通过配置，以便太阳能面板提供1kW，电池提供0.5kW，市电电源提供0.5kW的电量，”东芝的报告指出。

“LSM的主要作用是‘检测隐私威胁’以及通过‘配置电源线路’作出反应。LSM可以在识别(家庭内的)功耗活动后检测隐私威胁，”该报告进一步指出，“这可能是用户或供电商产生的功率触发事件，比如功耗的变化(如设备导通/关断事件)。”

该报告介绍了多个实现这一目标的方法。例如，其中一种的“思路是(在可能的程度上)抑制电力负载变化，以便保持恒定的计量负载。这种算法强制电池在所需的负载(分别)比之前计量的负载大或小时放电或充电。在未超出电池充电范围的情况下，电池充电/放电的功率和持续时间可以通过适当的配置，来实现相同的功率差。”该报告在作完这些说明之后进行了更加详细的密码分析。