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如何模擬智能電網
開發(fā)面向未來智能電網的技術,研究工作仍任重道遠。西門子中央研究院的工程師們正在設計相應軟件,以期在電力網絡中整合各類分布式發(fā)電廠。
未來的電網將如何處理來自為數眾多的太陽能電站和風電場的波動電量?實事求是的說,無人知曉這個問題的答案。未來電網面臨的主要問題包括價格的不確定性和供需的多變性。不過西門子中央研究院的Christian Glomb開發(fā)的一款軟件對于解決這些問題可能會有所助益。Glomb的軟件可對智能電網作為輸電網絡和通信網絡的容量進行模擬。該項目是西門子對“2020軟件平臺嵌入式系統(tǒng)”(SPES)的貢獻。SPES是德國聯(lián)邦教育與研究部撥款開展的項目,在該項目中,西門子負責模擬德國錫根的一個虛擬智能電網。SPES的初衷是為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)程序,例如可以安裝在設備中并用于管理交通系統(tǒng)或電網的控制軟件。
該軟件以常規(guī)電網模擬為基礎,增加了系統(tǒng)組件之間的通信模擬和系統(tǒng)控制功能模擬功能。它囊括電網正常穩(wěn)定運行所需的所有重要組件和程序。例如,由于通信網絡可能是容易出現問題的薄弱環(huán)節(jié),那么盡量加強系統(tǒng)在這方面的可靠性就十分重要。
SoEasy能源自動化系統(tǒng)與個人能源代理(PEA)協(xié)同工作。這種代理可以自動交易電量和確定價格。
利用關于輸電和通信網絡、發(fā)電廠和電力用戶的數據,軟件可以預測系統(tǒng)組件的行為。舉例而言,在天氣晴朗的星期日,光伏電站的發(fā)電量會很高,但是企業(yè)基本不用電,這種情況下軟件可以識別電壓何時超過上限,何時需要啟動調壓變壓器來緩沖電涌。“在系統(tǒng)操作之前,軟件可以告訴我們系統(tǒng)的預期行為。”Glomb表示。
模擬并未細化到電器,盡管這并非不可行。該軟件假設家庭或企業(yè)連網點的整體負載曲線。否則,將無法駕馭控制功能的復雜性。Glomb用了一年時間來編寫基本模擬程序,隨后又用幾周時間來構建具體的電網模型。Glomb和維也納的西門子同事初期構建了奧地利Eberstalzell智能電網的模型。按計劃,該電網將于2013年投入運行,它包含150到200個連網點,多達70個光伏電站以及大約同等數量的電動汽車。該模擬軟件還可以用于模擬包含數千個連網點的大型電網。
若說到智能電網技術,Wildpoldsried已然*步入未來。利用光伏、風電和生物質發(fā)電設施,這個風景秀麗的德國南部小鎮(zhèn)可以生產出三倍于自身需求的電力。在一個名為IRENE的項目中,當地電力公司Allgäuer überlandwerke(AüW)和西門子正在探索智能電網如何應對大量的可再生能源并網發(fā)電。AüW技術總監(jiān)Michael Fiedeldey表示,為迎接新能源時代的到來,智能電網必須提升智能化水平。他呼吁,“與其多建電網,不如發(fā)展智能技術。”這不僅可以節(jié)省建設新的輸電線路的高昂成本,而且還將為AüW帶來新的服務商機,開辟新的創(chuàng)收渠道。
該現場試驗的核心是西門子開發(fā)的一套智能軟件系統(tǒng)。這款能源自動化系統(tǒng)叫做SoEasy,它可以創(chuàng)建一個虛擬市場,這樣生物質發(fā)電廠和光伏電站的運營商可將電力出售給中間商。在IRENE項目中,AüW便是這個中間商。該項目的重點是分布式電廠與電動車并網。系統(tǒng)將優(yōu)化并網能源(電能、熱能和天然氣)存儲設施的管理,從而避免電網高峰或過載。
上圖和下圖:研究人員模擬德國Siegen的一個智能電網。
SoEasy借助軟件代理運作,它們可作為經紀人,自動交易電量和確定價格。目前有以下幾種代理:
PEA(個人能源代理):無論是電力生產者,還是電力用戶,連入智能電網的每個設施都將配備這個小裝備。它內置一臺計算機,并配備與設施通信的接口以及互聯(lián)網接口。電廠運營商可以通過計算機電力所有者希望出售的電量、出售時間以及能接受的最低電價。PEA每15分鐘(也可以設置其他時間間隔)利用Balance Master(平衡儀)進行一次電力交易,并確定價格。
Balance Master(平衡儀):此軟件代理安裝在電力公司,它可以根據電網的需求決定接受適當的PEA報價,避免電網中出現供不應求的狀況。對于與PEA相連的電廠,關于其技術運作和定價策略的詳細信息并不會被提供給Balance Master,此類信息仍然掌握在電廠運營商的手中。根據規(guī)則,系統(tǒng)可以規(guī)劃未來24小時的交易,但也可以設定更短的周期來參與即日市場交易。
Area Administrator(區(qū)域管理員):此代理可幫助電網運營商維護網絡的穩(wěn)定性。只有當電壓超出上*,該軟件才會進行干預。例如,如果有過多的太陽能電力上網,Area Administrator可以通過向其PEA發(fā)送命令調整從其他渠道送入的電量,或者調整配電變壓器的變壓比。*套Area Administrator即將在Wildpoldsried投入使用。
NTA(網絡傳輸代理):此代理集中收集來自電廠、電表和電網的數據,并在網絡運營商的控制室中以可視形式顯示這些數據。NAT將這些信息提供給Area Administrator,以便其判斷是否需要進行干預。同時,這些信息還將提供給Balance Master,后者據此決定應接受哪份報價才不會致使電網過載。
Energy Police(能源):此代理可確保市場參與方遵循所有的協(xié)議,電廠運營商提供其個人能源代理承諾的電能,不得非法私自縮減供應。
個人能源代理進行電量交易。
“IRENE項目的軟件代理并不進行真金白銀的交易。”西門子中央研究院工程師Michael Metzger博士介紹道。Metzger在該系統(tǒng)的研發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。“從技術角度上講,SoEasy能夠支持數十萬家電廠并網,所以將來它應該可以用于真正的電力市場交易。”
Metzger正與西門子智能電網集團的同事合作,將現場試驗的功能與組件轉化為西門子的產品和服務。比如,IRENE的某些組件已在其他成功案例中得以應用,其中包括丹麥波爾霍爾姆島上的一個項目。與此同時,IRENE還利用了西門子中央研究院其他研究項目的技術成果。例如,德國Harz地區(qū)的一個類似項目便提供了可以集成和自動實現通信協(xié)議的模塊。
在Harz項目中,西門子中央研究院的研究人員正在對一個叫做“電力橋”的迷你盒子進行試驗。電力橋可以充當一個通信接口,用來支持電網與各類獨立的分布式發(fā)電廠和電力用戶之間的通信。支持的對象包括熱電聯(lián)產廠、燃料電池和游泳池等。但凡是電廠向電網送電的地方,以及可以通過開閉蓄能設施或電力負荷來穩(wěn)定電網的地方,都有電力橋的用武之地。這些設施可以自動登錄到智能電網。“我們借鑒了互聯(lián)網服務提供商的做法,他們利用自動配置DSL路由器來實現這一點。”嵌入式網絡研究小組組長Jörg Heuer表示。
電力橋有兩個接口:一個面向電力生產商或電力用戶,另一個面向公共電網。電廠運營商告知特定電力橋自身是否有額外的發(fā)電量或電力需求。然后,這些數據以所有電廠通用的數據模型形式傳輸至控制中心??刂浦行脑偻ㄖ鄳娏蜃陨硐M邮艿念~外產量或需求量。電力橋不會收到有關電廠運營商如何完成此訂單的相應生產過程的信息。此外,電力橋同樣不會了解到電廠運營商的實際運營情況,包括任何儀表數據,也不會了解到運營商的成本計算方式。電力橋也不會成為電廠的直接控制者。相反,它相當于一個網關,可以保護電廠詳細運營信息及運營安全,防止外界看到這些信息,同時又可以作為運營商的市場工具,幫助其把當前發(fā)電量投向市場。