隨著南美、歐洲和亞洲地區(qū)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)開始浮出水面。在尋找這些機(jī)會(huì)的過程中，開展技術(shù)專題討論會(huì)，深入研究相關(guān)報(bào)告并展開討論大有裨益，這樣可以更加深入地了解已經(jīng)出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

　　目標(biāo)和推動(dòng)力

　　“智能電網(wǎng)”一詞是指致力于在全球范圍內(nèi)建立與21世紀(jì)的技術(shù)相匹配的國內(nèi)電網(wǎng)和跨國電網(wǎng)的各種工作。不過不同地區(qū)的目標(biāo)各有不同。

　　中國在這方面幾乎是一片空白，正在從頭開始。相比之下，美國的市區(qū)擁有可追溯到愛迪生和斯坦梅茨時(shí)期的各種五花八門的基礎(chǔ)設(shè)施，農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施可以追溯到富蘭克林?羅斯福執(zhí)政時(shí)期，郊區(qū)邊緣的基礎(chǔ)設(shè)施則是相對近代的事情。雖然有良好的愿望，并做了各種無微不至的工作，但許多基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)陳舊不堪，相當(dāng)不穩(wěn)定。

　　除了電力中斷的不足之外，對發(fā)電量的需求也在與日俱增。但是由于存在各種出于好意的特殊利益要求，為新發(fā)電廠提供場所或者運(yùn)行輸電線路幾乎成了不可能的事情。

　　人口集中在北緯49度的加拿大受美國影響。但是加拿大擁有相對而言更加豐富的有待開發(fā)的自然資源，不管怎樣，這些資源都可以以原始形式或者作為電力與其南邊的合作伙伴進(jìn)行交易。歐盟的情況與美國差不多，不過歐盟二戰(zhàn)后的機(jī)械設(shè)備更新。盡管歐盟比美國更“環(huán)保”，但是歐洲人更能接受核電，這主要是由于法國將剩余電力銷售給意大利和英國。

　　因此，美國有兩個(gè)主要目標(biāo)。首先，需要提高對于停電的防御能力。其次，美國打算通過“負(fù)載均衡”來解決設(shè)置新發(fā)電廠和輸電線路的難題，這意味著需要一天24小時(shí)內(nèi)更加頻繁地對發(fā)電和配電系統(tǒng)提出需求。

　　實(shí)際上，負(fù)載均衡意味著更多的分布式發(fā)電，這一概念向下可以延伸到非高峰時(shí)段電動(dòng)汽車電池的細(xì)粒度能量存儲和高峰時(shí)段的細(xì)粒度能量回收。不過，具體來講，負(fù)載均衡意味著鼓勵(lì)采用電池儲能的新型工業(yè)太陽能電池、風(fēng)力電池和燃料電池的電量，以便在必要時(shí)增加火力發(fā)電廠的發(fā)電量。

　　這提升了“微網(wǎng)(microgrids)”的前景。理論上，這些可隔離的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)可以通過大型電網(wǎng)進(jìn)行連接，而出現(xiàn)外部故障時(shí)又可以自行維護(hù)。

　　許多智能電網(wǎng)倡議已經(jīng)深入到每個(gè)公民中，這些倡議通過動(dòng)態(tài)調(diào)整電價(jià)激勵(lì)公民管理他們的需求，電價(jià)則通過RF或電力線通信(PLC)下載到電表上，這是一種慢頻移鍵控(FSK)技術(shù)，采用通過變壓器的低頻載波實(shí)現(xiàn)。

　　在家里和公司中，電表(或者某種其他類型的中繼器)會(huì)將電價(jià)信息傳遞給“智能”電器或溫度調(diào)節(jié)裝置，在其控制回路中整合動(dòng)態(tài)變化的電價(jià)。

　　在北美，每度電的價(jià)格(至少部分)由自由市場根據(jù)紐約和芝加哥商品交易所中安然式的交易來確定。能源交易商則根據(jù)發(fā)電廠和國家輸電和配電(“T和D”)組織實(shí)時(shí)報(bào)告的需電量和供電量波動(dòng)進(jìn)行決策。

　　有意思的是，現(xiàn)在本地電力公司發(fā)電越來越少了。這些公司一直都在出讓他們的實(shí)際發(fā)電設(shè)施。

　　這些變化并不會(huì)一夜之間形成，在這個(gè)過程中將出現(xiàn)各種各樣的調(diào)整。在美國，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和IEEE參與到確?；ゲ僮餍缘墓ぷ髦?。除了互操作性之外，責(zé)任是另一個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)殡娏韭蓭煹牡谝坏婪谰€就是嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　輸電和配電公司的相量監(jiān)測

　　2010年初，IEEE電力和能源協(xié)會(huì)(PES)和通信協(xié)會(huì)在馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST召開了一次有關(guān)智能電網(wǎng)的會(huì)議。美國亞拉巴馬電力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程師、配電自動(dòng)化全美公認(rèn)專家G. Larry Clark在這次會(huì)議全體會(huì)談的發(fā)言中指出，負(fù)載均衡的實(shí)際問題在于，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)時(shí)，接下來的一二十年需要展開大量的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析工作。

　　只要用戶需求存在晝夜周期，APC公司的累積數(shù)據(jù)就說明，如果變電所變壓器在高于其銘牌額定值的高峰負(fù)載時(shí)段工作的時(shí)間有限，并且變壓器有足夠的時(shí)間在低負(fù)載水平下冷卻，那么變電所變壓器就可以在高于其銘牌額定值的高峰負(fù)載時(shí)段安全工作。

　　Clark指出，沒有人能夠確定最終可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的負(fù)載水平，也沒有人能夠準(zhǔn)確地確定何為均衡負(fù)載“水平”?，F(xiàn)狀下保守的設(shè)備政策可能導(dǎo)致設(shè)備在將來過早損壞。在此期間要做的唯一一件事就是收集數(shù)據(jù)并推斷發(fā)展趨勢。
　
　　事實(shí)證明，對多相輸電線路進(jìn)行準(zhǔn)確且精確的測量需要使用某些專用芯片。這是因?yàn)閷蜗嗑€路進(jìn)行瞬時(shí)測量相對比較簡單，但是對多相線路進(jìn)行測量往往復(fù)雜得多。

　　這個(gè)難題直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)發(fā)明相量測量單元(PMU)才真正得到解決。PMU可以通過GPS產(chǎn)生的時(shí)間信號實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各個(gè)部分之間實(shí)時(shí)相量測量的同步。

　　Macrodyne表示，雖然早在Charles Steinmetz時(shí)代他就第一次將相量應(yīng)用到交流電源，但是在實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間的全球?qū)Ш较到y(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)用于同時(shí)測量的商用產(chǎn)品卻經(jīng)歷了99年的時(shí)間。

　　測量三相輸電系統(tǒng)中單個(gè)點(diǎn)的相量是一個(gè)非常有意思的芯片級挑戰(zhàn)。Maxim公司的Martin Mason表示，用于實(shí)現(xiàn)這種任務(wù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)要求精度和準(zhǔn)確度。此外他還表示，所有的電壓和電流測量都必須同時(shí)進(jìn)行。復(fù)用ADC絕對不可能。

　　此外，Mason還負(fù)責(zé)Maxim公司的電力線監(jiān)控芯片，包括采樣速率為250kbps的MAX11046八通道同步采樣16位ADC。

　　幫助電動(dòng)汽車找到充電站

　　繼IEEE電力和能源協(xié)會(huì)在NIST召開的會(huì)議之后，NIST/通信協(xié)會(huì)大會(huì)進(jìn)一步證明，并非電網(wǎng)面臨的所有挑戰(zhàn)最終都能以芯片的形式解決。信息理論難題的解決方案主要基于數(shù)學(xué)方面，此次大會(huì)上討論了諸多這方面的問題。

　　有一篇研究報(bào)告指出了數(shù)學(xué)問題可以如何通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來解決，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q方案途徑如何通過相當(dāng)?shù)皖A(yù)算的試驗(yàn)來說明。

　　無論如何，智能電網(wǎng)的分布式發(fā)電都依賴于電動(dòng)汽車的電池，電動(dòng)汽車能否得到廣泛使用取決于耗盡的電池能否方便地進(jìn)行充電或更換。這樣就引出了一系列問題：電動(dòng)汽車與充電站的最佳比例、充電站如何確定客戶優(yōu)先級(或者如何引導(dǎo)客戶前往仍在可到達(dá)范圍內(nèi)的比較清閑的充電站)等。

　　羅徹斯特理工學(xué)院(RIT)的Clark Hochgraf、Rahul Tripathi和Spencer Herzberg根據(jù)簡單的SMS短信和GPS定位進(jìn)行了一種實(shí)用的實(shí)驗(yàn)。坦率地講，這個(gè)實(shí)驗(yàn)聽起來微不足道，不過其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊挽`活的調(diào)查在此次會(huì)議的1002篇研究報(bào)告中為這篇報(bào)告的作者們贏得了一席之地。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是建立一種低成本系統(tǒng)，用來管理和監(jiān)控實(shí)際的PEV(插電式電動(dòng)汽車)充電電路，并通過監(jiān)視使電動(dòng)汽車保持在可到達(dá)的充電站范圍內(nèi)，引導(dǎo)汽車走最優(yōu)的路線。這個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的硬件包含一個(gè)內(nèi)置GPS的GSM調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)可運(yùn)行定制應(yīng)用的Python解釋器。

　　在解釋器上運(yùn)行的代碼可以解析代碼形式的SMS短信，并將命令發(fā)送給充電電路。來自模塊的SMS短信還可以通過命令獲取PEV的GPS位置、充電狀態(tài)和電池電量。

　　這個(gè)團(tuán)隊(duì)利用這種基本功能可以建立一種電力公司能用來控制多個(gè)PEV充電的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施。這種功能還設(shè)想了這樣一種方案，即電力公司向有規(guī)律充電的客戶收取較低的每度電電價(jià)。

　　此外，這個(gè)團(tuán)隊(duì)還基于這些基本功能創(chuàng)建了用戶界面，以顯示PEV位置、充電狀態(tài)和電池電量的相關(guān)信息。通過調(diào)制解調(diào)器訪問的數(shù)據(jù)庫用于儲存PEV可到達(dá)的充電站(根據(jù)其電池的電量狀態(tài)判斷)位置和狀態(tài)相關(guān)信息。該數(shù)據(jù)被用于路由算法。

　　由于擁有所有這些信息，電力公司可以監(jiān)視并控制需要的電量，以使其不超過供電量。對于駕駛員來講，充電知識(及其良好的圖形表示)是在實(shí)際充電狀態(tài)變得比較危急之前選擇充電路線和停車充電時(shí)間的關(guān)鍵。

　　是否仍然可以實(shí)現(xiàn)一種基于短信和GPS的系統(tǒng)來根據(jù)國家智能電網(wǎng)的需要進(jìn)行調(diào)整呢？正如APC公司的變壓器額定值和負(fù)載均衡問題一樣，請務(wù)必記住，智能電網(wǎng)的演進(jìn)將經(jīng)歷幾十年的時(shí)間，這是一個(gè)必須一步一步完成的過程。

　　對于短期而言，RIT的團(tuán)隊(duì)在其報(bào)告中給出了一些重要的觀點(diǎn)。“充電站與電力公司之間的智能電網(wǎng)通信可使ISO/RTO降低高峰時(shí)段的需電量，同時(shí)仍可滿足電動(dòng)汽車充電負(fù)載，不過完全充電的完成時(shí)間則有所延遲，”這份報(bào)告指出。“控制汽車何時(shí)需要充電或充電價(jià)格(kW)可實(shí)現(xiàn)在無需額外的發(fā)電量的情況下引入電動(dòng)汽車。”

　　這個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步認(rèn)為，PEV不可能在2025年前實(shí)現(xiàn)超出低個(gè)位數(shù)的市場滲透率。

　　在這種背景下，RIT演示系統(tǒng)支持現(xiàn)有的汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)推薦的插電式汽車與公共電網(wǎng)之間的通信實(shí)踐(SAE J2847/1)和IEEE與電力系統(tǒng)互連的分布式資源的監(jiān)控、信息交換和控制指南(IEEE 1547.3)。這兩個(gè)指南仍由其各自的工作組負(fù)責(zé)。

　　會(huì)議上演示其他電動(dòng)汽車相關(guān)報(bào)告的還有IBM公司的蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室(“電動(dòng)汽車虛擬電廠的架構(gòu)和通信”)、埃森哲(Accenture)公司(“插電式電動(dòng)汽車策略的評估框架”)、西門子(Siemens)公司和帕紹大學(xué)(“電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)的互連和通信”)以及洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(“V2G模式中混合動(dòng)力汽車交換站的定位”)。

　　順著RIT報(bào)告的方向，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Konstantin Turitsyn等在“控制和通信”發(fā)言階段演示了“魯棒的電動(dòng)汽車充電廣播通信控制”。

　　這些科學(xué)家并沒有專注于RIT團(tuán)隊(duì)的雙向通信主題，而是重點(diǎn)探討了基于隨機(jī)電動(dòng)汽車充電起始時(shí)間的控制算法和簡單的單向廣播通信(允許各個(gè)通信事件之間出現(xiàn)時(shí)間延遲)。他們采用排隊(duì)論和統(tǒng)計(jì)分析得出的論據(jù)，力求最大限度地提高過剩的配電電路產(chǎn)能的利用率，而不造成電路過載。

　　小偷和電池問題

　　還有許多意想不到的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，智能電表將使用數(shù)據(jù)傳送到電力公司之前對使用數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊和加密的方法就是其中之一。這種方案包括“負(fù)載簽名”、大電池、充電器和逆變器，其發(fā)展歷史牽涉到焦急的荷蘭市民發(fā)起的一場反對智能電表的運(yùn)動(dòng)。

　　荷蘭市民反對使用智能電表，但他們的反對原因與美國人的反對原因(比如不可思議的高電費(fèi)帳單和對嬰兒監(jiān)視器的干擾)有所不同。根據(jù)東芝(Toshiba)公司設(shè)在英國的電信研究實(shí)驗(yàn)室的Georgios Kalogridis在“虛假數(shù)據(jù)注入和隱私”發(fā)言階段演示的題為“智能電表的隱私：用于不可檢測的設(shè)備負(fù)載簽名”的報(bào)告，荷蘭所面臨的問題在于電網(wǎng)讀數(shù)的精細(xì)度。

　　普通電表一般每個(gè)結(jié)算周期讀表一次。但是被設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控所需電量的智能電表的讀表頻率比較頻繁，以便能夠反映出日常用電模式。獲得這些模式的小偷可以找出在主人離開時(shí)可能成為下手目標(biāo)的家庭：比如在下午四點(diǎn)前不會(huì)使用烤箱的家庭。

　　東芝公司從最原始的角度提出了這樣一種方案，即為每個(gè)家庭增加一個(gè)大電池和相關(guān)的逆變器，這樣可以消除這些讀數(shù)中的微小細(xì)節(jié)。

　　當(dāng)然，解決方案并沒有這么簡單。對用電進(jìn)行細(xì)粒度采樣的目的在于提供或多或少的實(shí)時(shí)需電量狀況，以便于操作員確定何時(shí)在線提供或關(guān)斷發(fā)電量、何時(shí)調(diào)整配電線路以及何時(shí)重設(shè)電價(jià)等。如果這些信息不清楚，這個(gè)方案又有什么用呢？

　　由于東芝的報(bào)告比較淺顯，因此電池方案只是能更輕松地讓數(shù)據(jù)更加安全，同時(shí)提供數(shù)據(jù)以某種形式表示的信息，這種形式的信息僅用來管理發(fā)電量、配電路線和其他功能。顯然，第一步是收集來自鄰近的所有家庭的細(xì)粒度信息，然后再通過回程將這些信息發(fā)送給供電商。

　　不過這卻給黑客大開后門。要堵住這個(gè)后門，東芝的研究人員提出了一種稱為負(fù)載簽名仲裁器(LSM)的器件，該器件與設(shè)備、電池(獨(dú)立電池或汽車電池)和充電站/連接電網(wǎng)的逆變器配合工作。與LSM配合工作的器件可大可小。

　　導(dǎo)通時(shí)汲取2kW功率的水壺就是一個(gè)例子；電力路由器可以通過配置，以便太陽能面板提供1kW，電池提供0.5kW，市電電源提供0.5kW的電量，東芝的報(bào)告指出。

　　LSM的主要作用是‘檢測隱私威脅以及通過‘配置電源線路作出反應(yīng)。LSM可以在識別(家庭內(nèi)的)功耗活動(dòng)后檢測隱私威脅，”該報(bào)告進(jìn)一步指出，這可能是用戶或供電商產(chǎn)生的功率觸發(fā)事件，比如功耗的變化(如設(shè)備導(dǎo)通/關(guān)斷事件)。”

　　該報(bào)告介紹了多個(gè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。例如，其中一種的思路是(在可能的程度上)抑制電力負(fù)載變化，以便保持恒定的計(jì)量負(fù)載。這種算法強(qiáng)制電池在所需的負(fù)載(分別)比之前計(jì)量的負(fù)載大或小時(shí)放電或充電。在未超出電池充電范圍的情況下，電池充電/放電的功率和持續(xù)時(shí)間可以通過適當(dāng)?shù)呐渲?，來?shí)現(xiàn)相同的功率差。該報(bào)告在作完這些說明之后進(jìn)行了更加詳細(xì)的密碼分析。