数字能源网络: 物联网和智能电网 要点综述

数字能源网络: 物联网和智能电网 要点综述
白皮书
智能电网
数字能源网络:
物联网和智能电网
要点综述
受到新法规、新的市场结构和新能源的影响,智能电网专为应对发电、配电、电力管理
和电力使用方式的重大变化而构建。能源生产在现代民主国家中的重要作用使得这一挑
战变得尤为严峻。确保能源的可持续发展是政治、经济和社会的当务之急。
在当前和未来技术发展的鼎力支持下,智能电网将更好地帮助电力企业满足不断增长的
需求,提高供电的可靠性和质量,改进能源效率并将低碳能源整合到电网中。
本文从行业标准角度探讨了智能电网的开发环境,以及互联互通的新智能电网如何被视
为物联网的良好典范。
瞬息万变的环境
智能电网可被视为应对能源市场中各种重
2. 法规
大挑战的手段。
一系列越来越严格的法规会进一步增加成
本。欧盟能源效率指令中的 ‘到 2020 年
1. 不断上涨的批发价格
欧盟委员会(EC)预计,2010 至 2020
C. Donitzky
年电力价格将上涨 31%1,全球能源需求
能源行业解决方案
到 2030 年将翻一番。2 此外,电网系统
英特尔 EMEA 地区架构师
运营商还面临着最大限度减少 ‘能源贫困’
减少 20%’ 等要求 正在增加合规成本。不
那么直接但同样重要的是排放交易计划,
这一计划使几乎没有套期保值空间的公用
设施在中期到长期的时间内面对不断波动
的碳价格。
O. Roos
的政治和社会压力,以及建设新厂以应对
能源业务发展
峰值需求激增的限制,因此必须设法使其
3. 市场结构
老化的现有基础架构发挥更大作用。
法规也正在改变市场本身的结构。越来
英特尔 EMEA 地区经理
S. Sauty
英特尔 EMEA 地区智能电网架构师
越多的国家正在向解除管制的能源市场
智能电网
目录
要点综述................................................. 1
瞬息万变的环境..................................... 1
1. 不断上涨的批发价格.......................1
2. 法规......................................................1
过渡,引入一个更有竞争力的环境。与
2. 生产消费者现象
此同时,能源市场和电信市场的拆分正
电网系统运营商和公用事业企业正在失去
在使新的企业进入公用事业领域,包括
其能源生产的垄断地位。生产消费者是住
电信提供商、互联网服务提供商和软件
宅、商业或工业级的传统消费者,他们也
公司。
发电,挑战着从发电者到消费者的旧单向
关系。无论是使用太阳能电池板给一个家
3. 市场结构.............................................1
市场对于制定关键绩效指标(KPI)和定
电网转型................................................. 2
义电网总体拥有成本的越发关注反映了这
1. 可再生能源的影响...........................2
些变化。
2. 生产消费者现象................................2
3. 碎片化.................................................2
电网转型
4. 互联......................................................2
随着低碳技术的采用引导着能源系统从需
智能电网:物联网的实际应用............. 2
求驱动型转变为供应依赖型,模拟电网已
技术计划................................................. 2
经发生演变。
3. 分析......................................................5
4. 可管理性。........................................5
智能电网的实际应用............................. 6
发电...........................................................6
输电...........................................................6
配电...........................................................6
分布式能源 (DER)...........................7
济动机的实体组成的金字塔,这些实体运
营或拥有一个包含发电负荷甚至能量存储
的电力系统。
3. 碎片化
因此,传统的整体电网正在变为一系列互
1. 可再生能源的影响
电网和微微电网。随着电动车和混合动力
太阳能、热电联供(CHP)、陆上和海
车增添新的间歇存储容量,电网的边缘变
上风力发电、水力发电和生物质能正在增
得更加难以预测,甚至移动化。
加其大规模发电和较小规模的分布式发
电的份额。国际能源署(IEA)表示,到
2050 年,太阳能可能将成为电力的主要
来源,其中太阳能光伏(PV)系统的发
电量将占全球电力的 16%,太阳能热力
4. 互联
这种联合性和灵活性更强的电网结构将在
欧洲未来愿景中扮演重要角色,在该愿景
中,一种完全互联的基础架构将推动泛大
发电(STE)将占 11%。3
陆能源市场。
这种不可预测的间歇供电需求的增长正在
智能电网:物联网的实际应用
客户现场..................................................7
结论:智能电网中的英特尔技术......... 7
供电,生产消费者都在创造一个由出于经
联系统,包括超高压超级电网和超低压微
1. 安全性.................................................4
2. 通信......................................................5
庭供暖,还是使用商业风电场给整个超市
打乱谨慎调整的供需关系,给如今的用电
限制和需求响应能力带来了压力。间歇供
电需求的增长也意味着,某些电网区域在
一天中特定时间所吸收的可再生能源发电
量大于其实际消耗量。 4
如果市场条件推动了智能电网的发展,那
么技术发展使它成为可能。从根本上说,
智能电网是一种通过数字化控制、监控和
通信能力增强的发电、输电和配电网络。
除了提供实时、双向的电力流之外,智能
电网还支持自动化的双向信息流。因此,
2
智能电网
电力链中的所有利益相关方(从发电厂到
然而,物联网的真正价值在于它能够使无
• 管理需求。借助对消费模式的精细了
商业、工业和住宅用户)可以深入了解电
关联的现有基础架构中的数据发挥价值,
解和更高的预测能力,企业可以实施
流和输电基础架构。
并使用数据分析从这些数据中提取洞察和
更多的节能计划,包括需求响应、时
信息。收集关于电力供应链每个环节的数
段使用费和动态定价。这可帮助平衡
为了给现有基础架构增加智能特性,需要
据后,系统运营商可以使用强大的分析、
供需,最大限度减少过度配置基本负
战略性部署新的数字设备和装置,以补充
仿真模型和假设场景更准确地预测从电网
现有设备。这种新的数字设备层能够将可
状态到天气条件的各种因素。
称为 ‘功耗互联网’ 中的所有资产联系起
来,但实际上是物联网(IoT)实际应用
的一个实例。
物联网的构建方式是将网络连接整合到各
种厂房、设备和装置,连接智能网络中的
这些设备,并使用数据分析从设备中提取
与预测分析相关的可能性和从被动运营到
主动运营的转变是智能电网最典型、最重
要的特性之一。它可帮助电力公司和电网
系统运营商:
• 降低资本支出。通过智能电网,可更
载或峰值负载所导致的浪费。
• 提高可再生能力。能源结构中可纳入
更多的陆上和海上可再生能源发电。
公用事业企业能够更有效地响应大规
模可再生能源电厂的间歇性问题和较
小规模的分布式发电,同时仍确保供
应安全。
准确地匹配整个电网的供应和需求。
有价值、切实可用的洞察。在智能电网
公用事业企业可以避免不必要的发电
• 降低维护成本。了解各种发电、输电
中,这意味着在整个基础架构中分配计算
容量,满足高峰需求,并确保最高效
和配电资产的活动可帮助企业执行远
智能。这包括风力涡轮机叶片中控制其斜
的分配路径,从而最大限度降低传输
程故障诊断,最大限度减少现场访问,
度、旋转和功能以实时响应风力条件变化
成本并确保最佳资产运营。
提高预测维护能力,从而更高效地提
的嵌入式传感器,以及快速响应事件并最
大限度缩短与网络干扰相关的生产停机时
间的变电站控制系统,这两种情况都无需
人工干预。
Daikin Applied* 是全球最大的空调、供
暖、通风和制冷公司。通过利用预先验
证、灵活、采用开放式计算的英特尔网
关解决方案为商用 HVAC 设备创建一个
完整的端到端系统,该公司正在利用物联
网的强大功能。通过部署集成智能网关,
Daikin Applied 可以专注于为客户快速实
施差异化的增值服务,如实时机组性能、
远程诊断、监控和控制、高级能源管理和
第三方内容集成。
3
智能电网
供技术支持,使工程团队专注于最需
要的领域。
技术计划
随着电网从模拟向数字转变,几乎每一个
• 遵守法规。通过更多地使用可再生能
设备和设备部件都需要内置、安全且互联
源发电,支持更高效的发电、输电和
的智能特性。此外还需要对支持性的云和
配电以及帮助更高效地用电,数字技
网络基础架构进行增强,以保护数据,管
术可帮助电力和公用事业企业满足法
理设备并执行数据分析。
规要求,降低碳排放量。在欧盟,这
包括在 2020 年前将碳排放量降至比
1990 年低 20% 的水平,在 2030 年
前将其降至比 1990 年低 54-68% 的
水平,以及在 2050 年前将其降至比
2020 年低近 100% 的水平。
• 增强客户参与。由于越来越需要在解
除管制的市场中竞争并满足特定监管
市场的节能目标,电力企业可以利用
洞察来准确地了解客户的使用模式,
从而提供更有针对性、更有竞争力的
产品和服务。
若要实现智能电网的承诺,必须满足四大
技术标准。
1. 安全性
安全性是关键:如果不具备安全性,智能
电网将和所有数据网络一样,无法正常工
作。电网是需要提供保护以防范网络威胁
的重要目标。作为一个大型分布式和互联
系统,智能电网提供了一个非常大的攻击
网子系统及其相关资产以及从这些资产中
获得的数据都需要特定的安全功能和解决
方案。保护变电站的解决方案与保护需求
响应或保护个人数据或运营智能的解决方
案不一样。
保护智能电网所需的网络安全技术和最
佳实践包括:防病毒、防火墙、入侵防
御系统、网络安全设计,深度防护和系
统强化。
此外,应对更复杂的高级持续性威胁
(APT)需要先进的网络安全技术,包括
安全信息和事件管理(SIEM)系统、
应用白名单和嵌入在处理器级别的安全
功能等。
面。对关键元件的任何成功攻击都会危害
电网安全,导致整个系统断电。
英特尔® 提供一系列来自英特尔、Wind
River* 和 McAfee* 的技术,在硬件、嵌
因此,端到端安全性是有效的数字能源基
入式操作系统和安全软件中加入了安全
础架构的主要起始条件之一。每个智能电
层,可确保智能电网中的端到端安全性。
英特尔® 可信执行技术(英特尔® TXT)
将全新的安全功能集成到处理器、芯片组
和其它平台组件中。这些基于硬件、流氓
软件无法更改的安全特性在安全的分区中
运行关键任务应用,保护关键的平台数据
并阻止恶意软件启动。此外,McAfee 数
据交换层(DXL)提供实时环境共享和
协调,以及适用于智能电网等大规模扩
展网络的集体威胁智能和自适应威胁防
御技术。
4
智能电网
2. 通信
和任何其他数据网络一样,智能电网的最
终成功取决于各个设备和系统安全、可靠
地互联并相互共享信息的能力。
在智能电网中,通信分为两类:在相对封
闭的环境(如家庭局域网络或工业园区网
络)中传输数据所需的协议;从外部将数
据传输回中心位置所需的协议。这将涉及
各种协议,包括 2G、3G、LTE、LTN 和
WAN,并需要专业电信服务提供商、硬
件和软件公司的参与。
这需要基于开放行业标准的通用框架,以
便电网系统运营商无需将其电网生态系统
与一家公司的解决方案相关联便可确保可
互操作的连接性。来自 SGAM 和 ETSI 联
合工作组的一份报告概述了在 SGAM 确
3. 分析
种分布式智能及其支持的机器对机器通信
电网中可收集各种洞察,包括可提高维护
对于提高未来智能电网的能力至关重要。
计划效率的实时运营可见性和分析,以及
可实现更精准发电计划和负载平衡的预测
分析。从这些数百万个数据点中获取切实
可行的信息需要分析。
5
定的领域和特定情况下使用的各种标准。
在能源生产中,可再生能源电厂可使用计
算密集型仿真模型来更好地预测能源需
物联网为企业提供了一个真正转变自身的
求,考虑天气条件并优化容量。例如,分
巨大机会,帮助他们使无关联的现有基础
析风型可表明可能的发电量,也能说明高
架构中的数据发挥价值。然而,开放的
风速何时能完全切断发电。这些信息可用
互操作性标准和通用的架构对于将传统
来解决间歇性问题并减少旋转备用。同
设备连接到数据中心和云以及可帮助实现
样,分析可帮助配电服务运营商(DSO)、
其优势的端到端分析至关重要。AT&T*、
输电服务运营商(TSO) 和垂直整合的
Cisco*、GE*、IBM* 和英特尔已经形成了
公用事业企业实时优化变电站的供电电压
工业网络联盟(IIC)。该联盟是一家成员
和相机,从而提高能源效率。
开放的非营利性组织,将带头建立各种工
业环境中的互操作性,打造一个联系更为
紧密的世界。
随着电网的复杂性不断增加,公用事业运
营商将需要分布在整个电网中的智能代理
来作出直接影响运营效率的实时决策。这
英特尔® 至强™ E7 v2 产品系列提供最先
进的内存分析能力,支持您收集实时洞
察,使数据更有价值。通过使用分析,
能源企业可在几秒内挖掘隐藏洞察,快
速作出决策,更好地平衡供需。为了帮
助企业充分发挥其大数据投资的价值,
英特尔还提供了英特尔® 数据平台。英
特尔数据平台是一个基于开源技术的软
件套件,旨在帮助企业更轻松从大数据
中获得重要见解,更快速地作出决策。
4. 可管理性
有了延伸数千公里的智能电网基础架构、
最终用户场所的各种设备(包括巨大的涡
轮机和智能电表等)以及涵盖各种软件和
硬件类型的技术,设备和通信的可管理性
是打造成功智能电网的第四个关键要素。
5
智能电网
可管理性涵盖三大领域:设备、软件和安
全性,并且可以一直延伸到管理现场员工
的移动电脑和平板电脑的升级和维修上。
远程诊断、控制和维修能力可显著提高设
备可用性,提升维护和运营效率,特别是
当资产分散在各地或难以访问时(比如在
地下、水下或客户驻地)。
数据模型还必须反映出复杂技术和运营挑
战的难题。虚拟化执行环境可帮助开发人
员隔离不同的工作负载,运行多个操作系
统并防止它们之间互相干扰,从而保护数
百万行计算代码并提高控制系统可靠性。
最后,使用内建到计算系统中的基于硬件
最佳发电计划。机器内的传感器可监控设
配电领域至关重要。传感器甚至可用于引
的安全特性可创造一个可信执行环境,这
备状态和执行危险任务的工程师的健康状
导无人驾驶飞机,从而实现完全自动化的
个环境中只能添加经过验证的软件,以防
况。它们可在发生故障、事故或异常时向
维护监控。这是对目前部署的昂贵直升机
止黑客在控制网络中执行恶意软件。
技术人员发送实时警报,而远程控制管理
的重大提升。
智能电网的实际应用
SGAM 标准型号确定了智能电网的五大关
键领域。下文确定了每个领域中一些更立
竿见影的优势。
系统支持快速解决特定故障,无需派遣技
术人员。
流输电线路的损失,帮助运营商了解天气
如果技术人员需要前往现场,基于位置的
对电缆的影响,例如防止电缆下垂和导致
服务可使用多个传感器提供的信息来确定
的任何容量损失。
机器内发生故障的准确位置。持续的设备
发电
监控可实现从计划维护到预测维护的转
维持资产最佳运营 是一项持续挑战。派
变。这可带来显著的成本优势,加强资产
遣技术人员进行推测性维修 不仅成本高
管理计划并延长资产的生命周期。
昂,而且效率低下。而在确定故障(但
此外,实时可见性可最大限度减少高压直
配电
与输电领域相比,配电领域中等电压电平
的可见性相对较高,这是由于有效利用了
SCADA 系统来确保能源供应。但低电压
输电
电平的透明度却下降至接近零。远程维护
在电流可见性很高的输电领域,采用智能
和监控仍相对少见,因而导致对于配电最
电网是为了最大限度减少运营损失。由于
后一环的资产和活动的实时状态缺少了
有成千上万公里的线缆需要监控,智能传
解。由于间歇电流的增加,资产恶化也在
感器实时确定异常、故障和中断原因的能
加速,而日趋老龄化的劳动力正在消耗可
通过在发电点添加智能特性以及了解发电
力 是一个显著优势。通过将信息发送至
用的运营经验。
点附近和全球的需求,电力供应商可制定
中央位置,运营商可快速作出响应,这在
不一定找出了故障位置)后派遣维修团队
可减少不必要的时间输出。当发电机的位
置较为偏远或不易接近时,问题更加复
杂,比如海上发电。
6
智能电网
凭借智能电网,可对二次变电站进行远程
分布式能源(DER)
企业可以开发动态定价模式,鼓励制造商
监控和管理,因为与主变电站的更高互联
除了负载平衡挑战之外,不同分布式发电
采用有益的消费模式,帮助平衡负载、
性可提高配电网的稳定性。对于 DSO,
来源的供应变化给现有的输电和配电资产
消除高峰用量并稳定电网,同时降低自
智能电网的吸引力在于它能够为智能现场
带来了不太适宜的条件。它还延长了配电
身成本。
员工提供支持。运营和维护人员可以成为
网络,增加了最后一环的复杂性,并提高
高度互联的资产智能团队,并在位于市中
了损失容量的可能性。
客户和数量不断增加的生产消费者之间建
心的专家与处理各种重要或不常见任务的
现场工作人员之间建起一座桥梁。远程承
包商可以使用加固的笔记本电脑和平板电
脑来实时访问中央 ERP、GIS 和资产管理
系统、技术手册和通过增强现实技术增强
的教学视频。
可互操作的智能电网支持从分布式发电装
立新关系的核心原则。
置集群建立虚拟电厂(VPP),并支持它
们从中央控制设施运行。借助预测分析、
安全通信和有效控制,虚拟电厂可在短时
间内提供高峰负荷用电或负载感知发电,
从而补充现有的传统发电。通过负载转
移,它们还可以提供比传统发电的碳效率
英特尔正在与 Westfalen Weser
动态定价和需求响应是电力公司与其传统
更高的稳定基荷。
Energie* 进行合作,为其变电站构建一
英特尔提供基于 Intel® Quark®、凌动® 和
酷睿® 技术的智能化安全网关。这些网关
提供预验证、符合行业标准的集成软硬件
堆栈,可在工厂中用来连接传统设备。这
使得优化制造流程中的工作效率成为可
能,同时降低能耗和成本。
个智能监控系统。在 100 个二次变电站
客户现场
中,有 2 个变电站配备了传感器、边缘
SGAM/ ETSI 模型中的最后一个领域是客
分析、网络安全和通信。两个变电站均配
户现场。这里有两个主题。第一个是通过
备了用于测量中低压、电流、环境数据和
极为精细地了解消费模式和成本,鼓励用
中压短路指标以及实时传输这些数据的仪
户降低能耗、节省成本并减少碳排放量。
器。这些数据由基于英特尔® 酷睿® i5 处
第二个是电网系统运营商培养通过自动
理器的工业电脑进行分析。标题统计数据
化需求响应系统更好地响应用电波动的
将发送至控制中心,从而支持 Westfalen
能力。
Weser Energie 响应发电需求变化。
这两个主题都需要更好地了解客户行为和
要求,并需要预测用电量。例如,通过使
用区域需求响应系统(DRS),公用事业
7
结论:智能电网中的英特尔技术
发电技术正处于转型期。它已经不再是单
行业能够以最快速、最经济高效的方式开
电网发展的核心,基于英特尔架构的网络
纯的工程问题,而是越来越多地涉及到围
发安全的智能电网基础架构。
不会局限于特定厂商。选择仍在电网运营
绕信息和通信技术构建的基础架构。为
了推动这一转型,设备制造商正在部署
英特尔® 技术来满足能源基础架构许多方
面的计算要求,包括能源生产、分配和使
用监控系统。通过利用英特尔的技术领
先优势、质量承诺和批量制造能力,能源
1.
商的手中,并且也应如此。
英特尔为公用事业企业、电网系统运营商
和 OEM 提供了必要的计算能力以及随着
如欲了解有关英特尔® 和智能电网的更多
系统发展演变在多个平台上重复使用软件
信息,请访问:
的重要能力。由于英特尔架构符合各种软
http://www.intel.com/content/www/
硬件提供商的要求,并且特定标准是智能
us/en/energy/energy-overview.html
http://ec.europa.eu/energy/observatory/trends_2030/doc/trends_to_2050_update_2013.pdf
国际能源机构,“技术路线图:智能电网”,http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/smartgrids_roadmap.pdf (2011)
3.
国际能源机构,技术路线图:太阳能光伏发电。2014 http://www.iea.org/media/freepublications/technologyroadmaps/solar/TechnologyRoadma
pSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
4.
国际能源机构,技术路线图:智能电网。2011 http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/smartgrids_roadmap.pdf
5.
CEN-CENELEC-ETSI 智能电网协调组:智能电网参考架构。2012 年 11 月。
英特尔公司 © 2014 年版权所有。所有权保留。
英特尔、英特尔标识、Atom、凌动、Core、酷睿、Quark、Xeon 和至强是英特尔在美国和/或其他国家的商标。
* 其他的名称和品牌可能是其他所有者的资产。
2.
C 请注意环保
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