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昂斯洛（Onslow）是澳大利亞西部一個偏遠(yuǎn)沿海城鎮(zhèn)，人口僅有850人,。這里有充沛的太陽能,、風(fēng)能和蓄電池，可以補充該地區(qū)傳統(tǒng)的發(fā)電方式,。

我和同事花費了大量時間在這里建設(shè)了一個項目,。我們要確保所有這些分布式能源能夠組成一個平衡、協(xié)調(diào)運行的系統(tǒng),。我們的團(tuán)隊從位于圣地亞哥的公司總部出發(fā),，行程超過1.5萬公里，大家都很高興能幫助昂斯洛居民和西澳大利亞的地平線電力公司（Horizon Power）,。

與世界其他農(nóng)村公用事業(yè)公司一樣,，要向分散在廣闊地區(qū)的數(shù)百個小社區(qū)提供可靠電力，地平線電力公司面臨著巨大挑戰(zhàn),。

實際上,，稱之為“廣闊地區(qū)”還是一種非常保守的說法,。地平線電力公司的服務(wù)范圍約230萬平方公里，大約是阿拉斯加面積的1.5倍,。高壓電線和變電站很難穿越所有地區(qū),，所以本地發(fā)電是關(guān)鍵。

為了配合澳大利亞減少碳足跡的工作,，地平線電力公司也在與客戶合作,，減少對不可再生能源的依賴。因此,，部署太陽能光伏和風(fēng)力渦輪機等可再生能源的激勵措施非常有力,。

不過，像其他地方一樣,，在這里增加太陽能和風(fēng)能設(shè)備也帶來了問題,，尤其對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)力提出了挑戰(zhàn)。大多數(shù)人所接入的電力系統(tǒng)是一個多世紀(jì)以前設(shè)計的,。

他們依靠大型集中發(fā)電廠,，通過輸配電網(wǎng)將電力輸送到城市、村鎮(zhèn),、家庭,、學(xué)校、工廠,、商店,、辦公樓等。這種已有百年歷史的電力系統(tǒng)無法處理只有在陽光明媚或刮風(fēng)時才能發(fā)電的發(fā)電機,。

當(dāng)發(fā)電量與整個電網(wǎng)的需求出現(xiàn)不平衡時,，這種發(fā)電量的間歇性會導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓和頻率出現(xiàn)危險的波動和峰值。電網(wǎng)會連接成百上千臺小型發(fā)電機（比如屋頂太陽能電池板）,，而傳統(tǒng)電網(wǎng)的設(shè)計無法處理兩個方向的能量流動,。

隨著可再生能源在全球范圍內(nèi)的使用增多，這個問題愈發(fā)突出,。根據(jù)聯(lián)合國《2019年全球可再生能源投資趨勢》報告,，2010年風(fēng)能和太陽能發(fā)電僅占全球發(fā)電量的4%。預(yù)計10年內(nèi)這一數(shù)字將不止翻兩番,，會達(dá)到18%,。國際能源署稱，至少未來5年內(nèi)這一趨勢會持續(xù)下去,。預(yù)計到2024年,，可再生能源產(chǎn)能將增長50%，其中太陽能光伏和陸地風(fēng)能將占最大份額,。

可惜的是,，許多電網(wǎng)運營商并未將這種新的發(fā)電能力視為一種寶貴資產(chǎn),，而是擔(dān)心可再生資源的間歇性問題。他們并沒有想辦法整合可再生資源,，而是試圖限制可連接至其網(wǎng)絡(luò)的可再生能源的數(shù)量,，而且會常規(guī)性地削減這些能源的輸出量。

2018年末,，地平線電力公司聘請了我們PXiSE能源解決方案公司（PXiSE Energy Solutions）來更好地整合其廣闊服務(wù)領(lǐng)域內(nèi)的可再生能源,。世界各地有許多電力公司都在應(yīng)對同樣的挑戰(zhàn)。

我們與其他公司所采用方法的主要區(qū)別在于,，我們使用了一種特殊的傳感器,，名為相量測量單元（PMU）。這種傳感器最早開發(fā)于20世紀(jì)80年代,，能夠測量電網(wǎng)上不同點的電壓和電流，然后計算信號的幅值和相位,，每次數(shù)字化測量接收到的時間戳可以精確到真實時間的1微秒以內(nèi),。這樣的測量結(jié)果可以顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)在每時每刻的變化。

多年來,，公用事業(yè)公司已在傳輸系統(tǒng)上部署了PMU,，但并沒有充分利用傳感器的實時數(shù)據(jù)。PXiSE團(tuán)隊開發(fā)了機器學(xué)習(xí)算法,，我們的高速控制器能夠自動快速應(yīng)對發(fā)電量和耗電量的變化,，并預(yù)測未來可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)狀況。

這種智能系統(tǒng)在持續(xù)平衡太陽能發(fā)電,、電池供電和其他可用能源的同時,，還可以緩解電網(wǎng)擾動，使電網(wǎng)更加高效,、可靠,。更重要的是，我們的系統(tǒng)幾乎可以集成到任何類型的電網(wǎng)中,，無論其規(guī)模大小,、投入時間長短或者是否結(jié)合了發(fā)電和負(fù)荷。下面是它的工作原理,。

PMU測量的基本內(nèi)容叫做相量,。工程學(xué)巨匠查爾斯·普羅特斯·斯坦梅茨（Charles Proteus Steinmetz）在1893年就發(fā)明了這個術(shù)語，并說明了如何根據(jù)交流電波形的相位和振幅來計算它,。將近一個世紀(jì)后,，阿倫·G.帕德克（Arun G. Phadke）及其弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊開發(fā)了相量測量單元，并表明PMU可以直接測量電網(wǎng)上特定點的交流正弦波的幅值和相角,。

1992年,，PMU實現(xiàn)了商業(yè)化,，公用事業(yè)公司開始部署傳感器以幫助識別停電和其他電網(wǎng)“活動”。如今,，美國的主要變電站安裝了數(shù)以萬計的PMU,。

（IEEE標(biāo)準(zhǔn)C37.118和更新的IEEE/IEC標(biāo)準(zhǔn)60255-118-1-2018規(guī)定了PMU數(shù)據(jù)的精度，在精度和電力測量一致性方面,，它們對PMU的要求比對其他傳感器的要求更高,。）

實際上，這些設(shè)備的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是簡單地跟蹤停電,。如今的高速PMU每秒可提供60次數(shù)據(jù),，是大多數(shù)電網(wǎng)所使用的傳統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)采樣率的200多倍。

此外,，PMU數(shù)據(jù)使用了全球定位系統(tǒng)（GPS）,，具備高精度時間戳，可在世界范圍內(nèi)同步所有測量結(jié)果,。因此,，這些數(shù)據(jù)有時被稱為同步相量。

借助這種時間分辨率,，PMU可以提供一個非常精確和詳細(xì)的電力質(zhì)量快照,，顯示電壓和電流在其規(guī)定范圍內(nèi)的一致性情況。大范圍的波動會導(dǎo)致效率低下并浪費電力,。如果波動過大,，還會損壞設(shè)備，甚至導(dǎo)致電壓過低或停電,。如果資源分散在廣闊的區(qū)域中（比如西澳大利亞地平線電力公司的電網(wǎng)）,，包含時間戳的數(shù)據(jù)則尤其有用。

大多數(shù)公用事業(yè)公司并沒有利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信和先進(jìn)的控制技術(shù),，這是PMU尚未得到充分利用的主要原因,。即使有了PMU和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，他們也沒有將其整合在一起以協(xié)調(diào)太陽能,、風(fēng)能和其他能源資源,。SCADA系統(tǒng)每2到3秒會向中央運營中心發(fā)送一次信息，中心的操作員會一直監(jiān)視運行情況,，并在出現(xiàn)問題時采取行動,。不過，太陽能光伏,、風(fēng)力渦輪機和儲能單元等基于逆變器的電力電子設(shè)備的運行是毫秒級的,，需要對其進(jìn)行更快速的控制才能最大限度地發(fā)揮其效益。

我是一名電力工程師，已在加州各大小型電力公司工作了33年,。因此,，我非常清楚，隨著越來越多的分布式能源的投入使用,，公用事業(yè)公司面臨著哪些問題,。我早有預(yù)感，PMU和同步相量會在電網(wǎng)現(xiàn)代化中發(fā)揮更大的作用,。

2015年,，我在桑普拉能源公司（Sempra Energy）擔(dān)任基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)副總裁，開始與當(dāng)時受雇于傲?xí)r軟件公司（OSIsoft）的電力系統(tǒng)控制專家查爾斯·威爾斯（Charles Wells）合作,，以驗證我的這種預(yù)感,，并研究基于同步相量的控制系統(tǒng)。

我們每周五下午都會開幾個小時的會,，花了將近一年時間進(jìn)行計算和運行模擬,，最后確認(rèn)PMU數(shù)據(jù)可以用于實時測量和控制電網(wǎng)情況。之后,，我們求助于加州大學(xué)圣地亞哥分校的雷蒙德·德卡拉豐（Raymond de Callafon）和傲?xí)r軟件公司的其他專家,，一起研究如何創(chuàng)建一個強大的商業(yè)系統(tǒng)。我們的目標(biāo)是開發(fā)一款基于軟件的控制器,，它可以自主做出決策，從而實現(xiàn)從傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的手動調(diào)整向自動調(diào)整過渡,。

我們設(shè)想的控制器需要以高精度和高速度運行,。我們的系統(tǒng)還需要配備人工智能，以便每小時,、每天預(yù)測電網(wǎng)情況,。由于我們的平臺主要以軟件為基礎(chǔ)，因此它需要的新硬件非常少,，而且能快速集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中,，價格也很低廉。實際上,，我們想要為電網(wǎng)創(chuàng)建一個新的操作系統(tǒng),。

2017年初，我們的系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,，可以進(jìn)行第一次實際測試,。6名工程師組成的團(tuán)隊來到夏威夷島上一個21兆瓦的風(fēng)力發(fā)電和儲電廠。近年來,，夏威夷大大增加了太陽能和風(fēng)能發(fā)電,，但由于風(fēng)能資源的可變性，該島的電網(wǎng)已經(jīng)達(dá)到了極限，無法整合更多可再生能源,。對于電網(wǎng)運營商來說,，依賴化石燃料發(fā)電機比減少來自風(fēng)電場的間歇性電力要簡單得多。為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性,，需要定期在夜間關(guān)閉或削減風(fēng)電場的發(fā)電,。

由于預(yù)算有限，我們使用了現(xiàn)成的設(shè)備,，包括一臺標(biāo)準(zhǔn)個人電腦,，其中運行的數(shù)字模擬器模型由德卡拉豐創(chuàng)建。我們在風(fēng)電場附近租了一間房子,，在那里花了幾天時間測試這項技術(shù),。發(fā)現(xiàn)自己實際上可以在餐桌上控制風(fēng)力發(fā)電場發(fā)電時，我們感覺非常奇妙,。（當(dāng)然,，我們采取了所有適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全防范措施。）有了我們的控制系統(tǒng),，通過實時調(diào)度儲電設(shè)施,，風(fēng)電場固有的功率波動變得平緩。風(fēng)電場的發(fā)電更加可靠了,。

完成夏威夷項目后不久,，我們在桑普拉能源位于圣地亞哥市中心的高層辦公樓安裝了運行PMU算法的控制器，創(chuàng)建了一個微電網(wǎng),?？刂破鞯脑O(shè)計目的是優(yōu)化辦公樓中電動汽車充電器、太陽能電池板和蓄電池的使用,。同時,，也將減少傍晚（此時電力需求和價格通常都很高）對電網(wǎng)電力的依賴。這種時候,，優(yōu)化算法會自動確定合適的資源組合和調(diào)度安排,，使一層樓僅使用本地可再生能源和儲存的能源而不靠主電網(wǎng)提供服務(wù)。

這種改變使大樓的公用事業(yè)費用減少了20%,，隨后我們發(fā)現(xiàn),，類似的微電網(wǎng)普遍都能實現(xiàn)這個水平的成本縮減。

最近,，我們的團(tuán)隊去了韓國濟(jì)州島,。安裝我們的電網(wǎng)控制器之前，島上的電力主要來自韓國本土,，通過水下高壓電纜傳輸,。該系統(tǒng)旨在將兩個容量分別為224千瓦時和776千瓦時的本地儲電系統(tǒng)與一個500千瓦的太陽能發(fā)電場和600千瓦的風(fēng)力發(fā)電場連接起來。

為了實現(xiàn)濟(jì)州島的可再生能源目標(biāo)并節(jié)省電費，在電力需求和電網(wǎng)價格較低的白天,，風(fēng)能和太陽能電力會被儲存在電池中,，而在電力需求和電網(wǎng)價格都很高的夜晚，則會使用這些儲存電能,。

我們的控制器現(xiàn)場安裝只花了4天時間,。除了白天和晚上運行兩個電池儲存系統(tǒng)外，PXiSE的控制器還使用了電池為風(fēng)力渦輪機提供“斜坡控制”,。大多數(shù)電網(wǎng)只能承受功率流的逐漸變化,，通常不超過每分鐘1兆瓦，斜坡控制就像減震器一樣,，當(dāng)風(fēng)力突然改變時,，它可以使渦輪機的輸出功率穩(wěn)定，否則會導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)可靠性問題,。

每隔16.7毫秒（60赫茲波的一個周期）,，控制器便會檢查風(fēng)電輸出有沒有出現(xiàn)變化。如果風(fēng)停,，系統(tǒng)會立即向電網(wǎng)放電以進(jìn)行補償,，隨著主電網(wǎng)的功率逐漸提高達(dá)到滿足需求的水平，系統(tǒng)會逐漸減少電池的放電量直至為零,。再次起風(fēng)時,，電池會立即做出反應(yīng)，吸收一部分產(chǎn)生的風(fēng)電,，隨著控制器逐漸增加向電網(wǎng)輸送的風(fēng)電,，儲存到電池的電量會逐漸減少到零，從而滿足實時能源需求,。

控制系統(tǒng)還根會據(jù)天氣預(yù)報和歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的人工智能處理結(jié)果，進(jìn)行自己的負(fù)荷和發(fā)電量預(yù)測,。預(yù)測模型會實時更新,，以計算系統(tǒng)的最佳功率和儲能設(shè)置。

在智利,、關(guān)島,、中國、日本,、墨西哥和美國少數(shù)幾個地方的其他項目中,，根據(jù)客戶的能源資源組合及其工作重點，我們提供的系統(tǒng)各有不同,。從屋頂太陽能電池陣列一直到接入大型電網(wǎng)的集中發(fā)電廠,，我們設(shè)計的PXiSE系統(tǒng)可以部署在電網(wǎng)的任何部分。除控制器以外，客戶無須安裝額外的復(fù)雜設(shè)備,，就能快速集成我們的技術(shù),，而且馬上就能看到積極結(jié)果，因而對此很滿意,。

我們更遠(yuǎn)大的目標(biāo)是打造更加智能,、更加清潔的電網(wǎng)，目前正在做的工作只是其中的一部分,。該目標(biāo)是我們這個時代所面臨的一項巨大挑戰(zhàn),。

電力行業(yè)并沒有走在技術(shù)利用的前沿，而從一個具有百年歷史,、依賴硬件的模擬電網(wǎng)過渡到基于軟件的現(xiàn)代化數(shù)字電網(wǎng),，不僅是可取的，而且是必要的,。我們的團(tuán)隊由充滿激情的的企業(yè)家和工程師組成,，與世界各地成千上萬的其他人共同致力于改變整個行業(yè)和地球的未來。（作者：Patrick T. Lee）