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随着可再生能源采集技术日趋成熟，绿色能源正逐渐取代污染环境的传统能源。然而，依赖绿色能源势必对电网稳定性构成压力。电网的顺畅运行取决于电力供需是否平衡，但绿色能源的供应往往不可预测，因而带来诸多挑战。为确保电网更具弹性，能使电网快速响应电力波动的技术变得至关重要。而这正是虚拟电厂 (VPP) 技术的用武之地。
虚拟电厂是在 IT 和工业互联网 (IIoT) 技术成熟后出现的去中心化“能源互联网”。不同于传统集中式电厂，虚拟电厂从各种不同渠道汇聚能源，而不仅限于集中式电厂生产的电力。从可再生能源电厂、屋顶太阳能板、储能电池到电动车，虚拟电厂可以从任何地方获得能源。不过，要想从传统和非传统来源同时灵活高效地获取并输送电力，实时监控将必不可少。设想一个电动车成为主要通勤工具的世界，如遇用电高峰，虚拟电厂会提示停泊在充电中心的电动车将电力回充至电网，满足紧急用电需求；而在非高峰期，可再生能源产生的多余电量则储存到电动车内。
由于虚拟电厂可以确保电力供需平衡，也成为减少能源浪费的重要手段。最常见的能源浪费现象是，为特定地区生产的可再生能源如果过剩，就直接被弃置。但在虚拟电厂场景下，能源浪费得以避免。例如，一旦风能供给超过特定地区电网的需求，电价就会随时间价格机制下降，由此刺激用电，解决电力供需不平衡导致的浪费问题。
虚拟电厂显然是满足未来能源需求的理想解决方案。但在这一技术成熟且变为现实之前，尚有一些问题需要解决。为提高电网弹性，虚拟电厂需采集大量实时数据。换句话说，电网必须让所有情况“一目了然”才能提升效能。而要“看清楚”电网，先要回答“多少可再生能源将并入电网？”“用户需要多少能源？”“目前有多少电动车在充电？”等问题。因此，采集海量数据必不可少。然而，在能源领域构建 IIoT 并不像为智能手机安装 API 那样简单。为接收数据，设备可能要安装在沙漠里的太阳能电厂旁，必须能经受极端高温的考验；或安装于海上风力涡轮机旁，面临海浪的颠簸和高盐海风的侵蚀；或安装于充斥着各种信号和强电磁波的变电站中。除现场设备要适应严苛环境外，还需专业人员将工业设计各异的设备集成至同一系统，因此数据采集任务困难重重。下面将详细介绍 IIoT 技术如何通过构建强大持久的数据流基础，帮助虚拟电厂拥有“看见”的能力。
“看见”的力量：揭开配电网络的面纱
为帮助配电系统运营商 (DSO) 高效利用电网，实时掌握负荷变化至关重要，尤其目前电动车正日益成为主流。一家德国配电系统运营商面临重大难题，直至 2020 年仍无法查看低压电网的用电数据。因此，该运营商转向 IIoT 技术控制工程网版权所有，希望提高变电站电力数据的透明度。具体目标是将从馈线实时采集的电压、电流、频率、有功/无功功率等 21 类测量数据转换为运维人员能轻松查看和理解的信息。这些信息与完善的电动车充电管理系统相结合可极大提升现有配电系统的功能，为该运营商服务的 230 万户家庭提供更多电力。
然而，变电站馈线的数量、形状、尺寸各异，并分布于不同区域。最重要的是，为防止安装人员日常进出时无意碰触其他设备，变电站通常管理严格。因此，存在两大全新挑战：首先，如何以较少人力迅速部署 IIoT 技术？其次，如何高效完善分布在不同变电站的 IIoT 设备，确保设备安全？为解决这两大问题控制工程网版权所有，IIoT 基础设施必须满足“易操作、安全、无缝升级”等基本要求。许多系统开发商为此积极寻求解决方案。
在本案例中，系统集成商提出使用端到端解决方案，快速安全地部署 IIoT 设备，又无需调整变电站的设计。不熟悉 IIoT 技术的运维人员也能便捷安装设备。该系统支持在云设备管理平台上远程储存和管理设置。通过安全认证后，已有设置还可自动导入现场设备，免除繁琐的激活步骤。除了解决专业人员和资源调度问题，该解决方案也提供远程补丁。此类强大功能的解决方案将加速电网升级，助力“能源互联网”发展。
调节的力量：实时控制
可再生能源发电一直内认为不稳定CONTROL ENGINEERING China版权所有，并且不可预测。为实现可持续供电，必须控制供需，达到最优平衡。要实现这一点，实时监控非常重要。但知易行难。例如，按照一些国家的电网规范，可再生能源电厂需在 150 毫秒内完成并网调整。鉴于调整时间有限，稳定可靠的实时数据采集便尤为关键。然而，由于数据托管设备往往广泛分布在户外终端站点，经受恶劣天气、盐侵蚀、电磁干扰是常态，导致数据传输很难稳定。为防止数据丢失，确保数据实时顺畅传输，可采用先进网络冗余技术。如遇网络“罢工”，数据可通过备用网络传输，避免数据流中断。因此，有必要搭建 24 小时不间断的精准实时监控系统。(点击此处了解 DNV GreenPowerMonitor 成功案例详情。)
用户和运营商双赢
除了监控户外远程站点能获取运营商所需数据外，深入家庭和各类建筑的高级计量架构 (AMI) 也能提供有用数据。AMI 让用电信息一览无余。用户可通过手机追踪精确至秒的用电情况，而电网运营商可利用 AMI 实时发现异常，无需等待用户提醒，从而缩短维修时间。此外，获取用户实时数据后，就能计算出每户家庭的用电“波形”分布控制工程网版权所有，进一步了解甚至预测每个时段的用电情况。此类信息不仅有助于用户关闭无人空间的空调，避免浪费，还能帮助供电商针对特定时段灵活定价。不过，要想达此目的，用电信息必须准确传回运营商系统。虽然家用电表安装环境不如户外环境严苛，但电表的现场部署往往复杂多变，受人为因素影响较大。任何细微疏忽都可能影响通信的稳定性，而运营商可能收到错误的用电信息，进而误判用电情况。为避免信息丢失，当通信中断时要立即启用存储转发技术。电表数据先存储在本地，待通信恢复后再发送出去，这样用户和运营商的权益均得到保护。
虚拟电力交易
如果信息更为透明，可再生能源技术的价格更加实惠，用户也能成为生产者。也就是说，及时向电网出售电力目前已经切实可行。这一转变让供需调节更加灵活，但前提是，必须搭建安全的去中心化网络。因此，越来越多的国家开始尝试将虚拟电厂与区块链结合。由于区块链具备去中心化、透明、不可篡改等特性CONTROL ENGINEERING China版权所有，通过区块链的智能交易合约，能源可安全顺畅地交易转让。用户能自由选择较便宜甚至非常规的能源，如来自邻居的能源，并跳过中心系统。
借助 IIoT 技术控制工程网版权所有，电网管理从基于经验转变为基于数据。通过多平台支撑和公众参与，电网将日益强大。用电率不断提高的同时电力浪费将大幅减少，向真正高能效的未来迈进。
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