配備高端測(cè)量技術(shù)的電網(wǎng)

　　— 引領(lǐng)未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的新引擎

　　近年來(lái)，德國(guó)政府出臺(tái)多項(xiàng)措施加速推動(dòng)能源轉(zhuǎn)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(guó)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(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，以及這一現(xiàn)狀對(duì)構(gòu)建未來(lái)智能電網(wǎng)的深遠(yuǎn)意義。

　　Q：智能電網(wǎng)在能源轉(zhuǎn)型中扮演什么角色？對(duì)電網(wǎng)管理有什么深遠(yuǎn)影響？

　　Fabian Assion 博士：可再生能源發(fā)電量占比的增加導(dǎo)致供電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨更大挑戰(zhàn)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)電廠那樣集中。因此，現(xiàn)有的電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)已難以滿足當(dāng)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(wěn)定，甚至出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。第二個(gè)原因在于，傳統(tǒng)發(fā)電廠通常使用的都是同步發(fā)電機(jī)。這對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)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?cè)诖祟惽闆r下提供電流能力方面存在局限性，這也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定。當(dāng)前能源供給網(wǎng)絡(luò)的整體控制也因此愈發(fā)顯得錯(cuò)綜復(fù)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：“隨著可再生能源占比的持續(xù)攀升，電網(wǎng)的各個(gè)層級(jí)亟需融入更多且控制系統(tǒng)集成的測(cè)量技術(shù)。”

　　Q：在測(cè)量設(shè)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(jí)額外使用測(cè)量設(shè)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(jí)。這是因?yàn)橄噍^于高壓電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)的覆蓋范圍更為廣泛。因此，相應(yīng)的需要布置更多的測(cè)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(shù)十萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)。我們可以以供電網(wǎng)最末端環(huán)節(jié)的變電站為例來(lái)討論增設(shè)測(cè)量點(diǎn)的問(wèn)題。變電站是將中壓電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過(guò)程。這些電壓輸出端都應(yīng)配備先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，以精準(zhǔn)測(cè)量各個(gè)關(guān)鍵變量。在德國(guó)，約有十萬(wàn)個(gè)變電站需配備測(cè)量設(shè)備。

　　Q：有哪些相關(guān)的測(cè)量指標(biāo)？

　　Fabian Assion 博士：電流當(dāng)然是最重要的數(shù)值之一，但單純的電流數(shù)值本身并不足以全面反映電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。在條件允許的情況下，還應(yīng)詳細(xì)記錄每條輸出饋電線路上各種類型的功率數(shù)據(jù)（無(wú)功功率、視在功率和有功功率），以便更加準(zhǔn)確地評(píng)估電網(wǎng)狀態(tài)。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樵诋?dāng)前電網(wǎng)中，絕大多數(shù)負(fù)載設(shè)備都會(huì)使用供電裝置，它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生不良諧波。換言之，對(duì)于肩負(fù)電網(wǎng)質(zhì)量保障重任的運(yùn)營(yíng)商而言，詳盡地收集每條電壓輸出線上的諧波數(shù)據(jù)，甚至精確到每個(gè)諧波的具體水平，幾乎已成為一項(xiàng)不可或缺的任務(wù)，以便在必要時(shí)采取有針對(duì)性的措施。

　　

　　我們需要盡可能相近地記錄可再生能源的測(cè)量數(shù)據(jù)，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(jī)所產(chǎn)生的寶貴數(shù)據(jù)。

　　Q：倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)及其系統(tǒng)集成測(cè)量技術(shù)具有哪些優(yōu)勢(shì)？

　　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(cè)量任務(wù)。此外，倍福的測(cè)量產(chǎn)品不僅測(cè)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(cè)量速度足夠快，測(cè)量精度也足夠高，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)電網(wǎng)中的瞬時(shí)事件。我們想特別強(qiáng)調(diào)的是，通過(guò)實(shí)施分布式電力測(cè)量方案，我們實(shí)現(xiàn)了成本效益與數(shù)據(jù)質(zhì)量并重的目標(biāo)。

　　

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

　　Q：分布式電力測(cè)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(cè)量端子模塊，它能夠測(cè)定供電網(wǎng)絡(luò)的所有相關(guān)電氣數(shù)據(jù)，包括所有電力測(cè)量值（電壓相關(guān)數(shù)據(jù)除外）。系統(tǒng)中部署的 EL3446 端子模塊可以根據(jù)需要通過(guò) EtherCAT 接收 EL3443 電力測(cè)量端子模塊（每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能安裝一次）中計(jì)算電力數(shù)據(jù)所需的電壓值，并通過(guò) EtherCAT 分布式時(shí)鐘功能進(jìn)行數(shù)據(jù)同步處理。這樣就能夠顯著減少硬件投入與安裝成本，確保電網(wǎng)質(zhì)量的可靠監(jiān)控，同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量每條輸出電壓饋電線路的諧波以及由此產(chǎn)生的電力品質(zhì)因數(shù)。

　　

　　倍福的分布式電力測(cè)量解決方案極大地降低了綜合能源數(shù)據(jù)采集的材料成本與安裝費(fèi)用。

　　Q：基于 PC 的控制解決方案已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域?qū)医?jīng)考驗(yàn)，充分展示了其價(jià)值。它的主要優(yōu)勢(shì)是什么？

　　Fabian Assion 博士：全球有超過(guò) 100,000 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量最大可達(dá) 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰顯了其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)實(shí)現(xiàn)極為快速且精準(zhǔn)的同步控制流程，顯著提升了運(yùn)行效率與發(fā)電性能。EtherCAT 的卓越性能不僅局限于單臺(tái)風(fēng)機(jī)，而且能夠勝任更大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)而言，高壓直流輸電（HVDC）也是供電網(wǎng)中最復(fù)雜的部分之一。倍福基于 PC 的控制技術(shù)也已成功應(yīng)用于這一領(lǐng)域。這一點(diǎn)在西門子能源解決方案中得到了很好的說(shuō)明。

　　

　　作為輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定領(lǐng)域的杰出制造商，西門子能源今后將更加信賴倍福基于 PC 的控制技術(shù)（本案例中為高壓直流輸電系統(tǒng)）。

　　Q：倍福技術(shù)不僅在發(fā)電領(lǐng)域，而且在區(qū)域供電網(wǎng)的能源分配過(guò)程中也展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)。可以挖掘出哪些效率潛力？

　　Fabian Assion 博士：除了系統(tǒng)集成的測(cè)量技術(shù)之外，倍福的 I/O 解決方案也為用戶帶來(lái)了諸多裨益，這些解決方案能夠輕松應(yīng)對(duì)各類應(yīng)用場(chǎng)景的市場(chǎng)需求及復(fù)雜多變的環(huán)境條件。這意味著，無(wú)論是電力測(cè)量，還是遠(yuǎn)程控制協(xié)議、開(kāi)關(guān)位置、信號(hào)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(shù)據(jù)都可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和整合。瑞士西區(qū)能源供應(yīng)商 Romande Energie 的應(yīng)用案例充分說(shuō)明了倍福技術(shù)在強(qiáng)化電網(wǎng)安全管理方面所做出的杰出貢獻(xiàn)。

　　

　　瑞士五大能源供應(yīng)商之一的 Romande Energie 公司在其變電站中采用了倍福的系統(tǒng)集成式測(cè)量解決方案，采用了 EL3453 電力測(cè)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）。

　　Q：數(shù)據(jù)測(cè)量固然重要，但確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定則是另一項(xiàng)不容忽視的關(guān)鍵任務(wù)。在頻率控制與電網(wǎng)穩(wěn)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(yīng)電網(wǎng)的頻率控制和穩(wěn)定是一項(xiàng)極為復(fù)雜且精細(xì)的任務(wù)。這項(xiàng)任務(wù)不僅依賴于全面的電網(wǎng)數(shù)據(jù)支持，還要求系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度 — 從毫秒級(jí)乃至微秒級(jí)。2015 年，韓國(guó)公司 Power 21 使用我們具有超采樣功能的 EL3773 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)端子模塊為能源供應(yīng)商 KEPCO 成功實(shí)施了高精度頻率測(cè)量解決方案。另一個(gè)例子是德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性。除了模擬研究之外，發(fā)電廠和基于逆變器的發(fā)電系統(tǒng)的行為正在被用作專用測(cè)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(yùn)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(yàn)證它們?cè)谡鎸?shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用是否可行。

　　

　　使用 TwinCAT HMI 對(duì)德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統(tǒng)和高壓技術(shù)研究所（IEH）的電網(wǎng)仿真進(jìn)行操作和監(jiān)控。

　　Q：區(qū)域性電力用戶，尤其是那些配備了獨(dú)立供電網(wǎng)的大型工業(yè)廠房，有哪些節(jié)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(tǒng)具備出色的負(fù)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(xiàn)成本的最小化。在構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部能源供給網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這一系統(tǒng)顯得尤為重要，無(wú)論是大型工業(yè)集團(tuán)，還是中小型企業(yè)，都需要配備這樣的能源管理系統(tǒng)。一旦企業(yè)成功安裝了諸如光伏發(fā)電系統(tǒng)之類的自有發(fā)電設(shè)施，接下來(lái)就應(yīng)當(dāng)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(chǔ)能系統(tǒng)和可控負(fù)載（如雙向充電樁），就能夠精準(zhǔn)控制能源流動(dòng)。

　　Q：在建筑和生產(chǎn)的控制以及它們的能源協(xié)調(diào)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簡(jiǎn)化了能源數(shù)據(jù)的測(cè)量過(guò)程。它們與相應(yīng)的能源管理系統(tǒng)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(chǔ)，還為企業(yè)靈活應(yīng)對(duì)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(xiàn)生產(chǎn)流程和樓宇自動(dòng)化，以及奧地利機(jī)電一體化制造商珀?duì)柭?/span>采用基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇和生產(chǎn)自動(dòng)化的集中控制。

　　

　　奧地利天窗機(jī)械組件和門鎖外殼供應(yīng)商鉑爾曼的 Vitis 工廠擁有高效的能源系統(tǒng)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(píng)選為奧地利最佳工廠。

　　Q：隨著可再生能源占比的持續(xù)攀升，對(duì)分布式儲(chǔ)能能力的擴(kuò)展需求也日益迫切。基于 PC 的控制為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、沼氣發(fā)電廠以及儲(chǔ)氫系統(tǒng)提供了哪些控制選項(xiàng)？

　　Fabian Assion 博士：我們的控制和測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與儲(chǔ)能系統(tǒng)本身一樣具有多樣性。在動(dòng)力電池應(yīng)用方面，一個(gè)極具潛力的實(shí)踐案例是將電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橥＼噹?kù)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)。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)汽車之間、現(xiàn)有充電樁之間以及充電樁與相應(yīng)的中央管理系統(tǒng)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(jī)組和吉?jiǎng)P恩氫氣公司的低壓金屬氫化物儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

　　

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

　　Q：最后，您還有什么要補(bǔ)充的嗎？

　　Fabian Assion 博士：當(dāng)前，我們都面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中一項(xiàng)便是能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。倍福正不遺余力地踐行著公司所有者兼創(chuàng)始人的核心理念與座右銘：“工程師們必須肩負(fù)起拯救世界的重任！”。然而，我們必須坦誠(chéng)地說(shuō)，僅憑我們一己之力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，我誠(chéng)摯地向我們現(xiàn)有的以及未來(lái)即將加入的每一位客戶發(fā)出邀請(qǐng)，讓我們攜手并肩，齊心協(xié)力，共同完成這一重要使命！

　　關(guān)于德國(guó)倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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