智能電網(wǎng)中的以太網(wǎng)
電網(wǎng)接受來自傳統(tǒng)和綠色（可再生能源，如：太陽能墓且、風(fēng)能等）等不同能源的電力临辰。然后把這個(gè)電力配送到工業(yè)、商業(yè)和住宅的消費(fèi)者讲媚。流入電網(wǎng)的電力必須與流出電網(wǎng)的電力在實(shí)時(shí)連續(xù)的基礎(chǔ)上亏乞，要盡可能相一致 。
當(dāng)流入電力和流出電力不匹配的時(shí)候玲躯，會使電網(wǎng)產(chǎn)生電壓波動(dòng)据德。超額的需求會使電壓降低，最終會造成故障跷车。電網(wǎng)中的電力存儲能夠暫時(shí)提升電力供應(yīng)棘利，解決部分問題 ，但存儲即有技術(shù)上的挑戰(zhàn)朽缴，造價(jià)也非常昂貴善玫。一個(gè)比較好的方法是使用實(shí)時(shí)信息和控制系統(tǒng)，平衡電網(wǎng)中流入的電力和流出的電力密强。
這些實(shí)時(shí)信息和系統(tǒng)必須依靠有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)茅郎，使用事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)就是以太網(wǎng)。不同以太網(wǎng)協(xié)議和參與的硬件或渤，包括交換機(jī)系冗、路由器和連接器構(gòu)成了電網(wǎng)的通信骨干。
控制發(fā)電
對發(fā)電廠電力輸出的排產(chǎn)是相對容易的薪鹦，只需要一點(diǎn)兒或不需要實(shí)時(shí)的信息掌敬。一個(gè)配電中心的工作人員可以簡單估算一下幾天周期的客戶需求，然后把這個(gè)信息通過電話告訴這個(gè)地區(qū)發(fā)電廠的運(yùn)營者 池磁。
發(fā)電廠會按照預(yù)先制定的估算排產(chǎn)發(fā)送電力犀刀。某些電廠，典型為大型火力電廠或核電廠，指定為基礎(chǔ)負(fù)載供電饮茬，通常運(yùn)行在或接近運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)努示。天然氣渦輪機(jī)常用于尖峰時(shí)刻的發(fā)電，而水電單元?jiǎng)t用于滿足短期波動(dòng)的需求拉狸。因?yàn)榘l(fā)電可預(yù)測和可控制盾峭，所以系統(tǒng)能夠很好工作。
發(fā)電情景的主要變化發(fā)生在上世紀(jì)80年代荸刁，當(dāng)時(shí)美國出現(xiàn)了獨(dú)立電力生產(chǎn)者（IPP）帅忌。這些IPP不屬于電力公司弦银，但允許他們連接電網(wǎng)态措。由于各種不同的原因，對這些IPP電力輸出的控制比電力公司完全擁有的發(fā)電廠要困難得多宦衡。
IPP希望他們的設(shè)施能在最大效率和低發(fā)電成本下運(yùn)行桑抱，以增加利潤。這些目標(biāo)經(jīng)常與電力公司發(fā)生直接沖突尼荆，因?yàn)殡娏娟P(guān)心的是控制IPP輸出滿足客戶需求左腔，而不顧效率的多少。為了緩解兩者的沖突捅儒，需要在IPP和電力公司之間建立實(shí)時(shí)的信息通信液样。電力公司必須告知IPP他需要的電力數(shù)據(jù)，IPP必須讓電力公司知道他是否能提供這些電力或滿足到什么程度巧还。
對于發(fā)電等式另一個(gè)大的變化是代用能源的出現(xiàn)鞭莽，特別是風(fēng)能和太陽能。與傳統(tǒng)的發(fā)電不同麸祷，由太陽和風(fēng)產(chǎn)生電力澎怒，因?yàn)樘枴⑻貏e是風(fēng)會在一個(gè)很大范圍里以一種不可預(yù)測的方式變化阶牍，所以破壞了整個(gè)電網(wǎng)中電力供給的穩(wěn)定喷面。
在很多實(shí)例中，特別是本地區(qū)走孽，太陽能至少對需求具有一些 正相關(guān)性惧辈。如太陽普照大地時(shí)，至少部分電力需求是增加的伶葵，主要由于空調(diào)負(fù)載的增加承蠕。但風(fēng)能與需求幾乎沒有相關(guān)性，在一些實(shí)例中甚至與需求為負(fù)相關(guān)极谚】雷郑“在加州，當(dāng)你最需要電的時(shí)候風(fēng)能往往最不給力，”皮特?達(dá)比說通肋，他是PG&E 電力公司的首席執(zhí)行官贮猛。
“當(dāng)然，有些風(fēng)是好事情璃蓬。但如果風(fēng)能低于一定的比例時(shí)－大概 15％或更泄腧凇－你要做的事情是使用天然氣彌補(bǔ)風(fēng)能的不足－推動(dòng)渦輪機(jī)，使你為滿足用戶需要的時(shí)能更加靠譜想祝，”達(dá)比補(bǔ)充道昵人。
最初，太陽能和風(fēng)能的變化問題還能容忍览讳，因?yàn)檫@些能源對于整個(gè)電網(wǎng)的電力供應(yīng)僅為很小的比例誊酌。但是隨著越來越多太陽能和風(fēng)能電廠的建立，連接到電網(wǎng)的變化電力正在成為一個(gè)巨大的問題露乏，特別是風(fēng)電碧浊。
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監(jiān)視和控制需求
發(fā)電在過去是非常容易管理的，僅需要相對小的努力就可以控制電力需求瘟仿。
整個(gè)發(fā)電箱锐、輸電和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電力輸出應(yīng)能容納尖峰負(fù)載劳较。需求的尖峰和波谷相對容易預(yù)測驹止，傳統(tǒng)的排產(chǎn)發(fā)電可以維持比較好的發(fā)電和用電匹配 。
通常允許電力公司基于投資回報(bào)率來設(shè)定電價(jià)观蜗，所以對建設(shè)新電廠和相應(yīng)的輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施具有激勵(lì)作用臊恋。容許這些設(shè)施用數(shù)周或數(shù)月處理公眾關(guān)注電廠排放和其他負(fù)面問題。
削平尖峰是新建電廠追求的目標(biāo)嫂便，但要進(jìn)行多種努力捞镰。通常這些努力不需要高速實(shí)時(shí)控制和信息系統(tǒng)。電力對某些最終用戶毙替，特別是大工業(yè)客戶岸售，簡單使用階梯電價(jià)的手段就可以取消或減少需求－這都基于與電力公司談判的長期合同。
但今天電力公司的情況有非常大的不同弯枢。法規(guī)和公眾輿論都在推行節(jié)能和綠色發(fā)電玖远，而不是傳統(tǒng)發(fā)電和新基礎(chǔ)設(shè)施。加上來自太陽能涡瀑、特別是風(fēng)能的可變能源契惶，使得發(fā)電－需求等式快速地變化。為了平衡發(fā)電與需求－一個(gè)電力公司必須能夠連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)電婉错、需求或兩者－所有都以實(shí)時(shí)為基礎(chǔ)驳蒙。
通嘲酒牵控制需求比較容易而廉價(jià)，甚至在能夠?qū)崟r(shí)快速調(diào)節(jié)發(fā)電的時(shí)候组缎。 需求的監(jiān)視和控制需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)滔壳，它們依靠大量的實(shí)時(shí)信息。 電力公司使用這些控制系統(tǒng)做出決定朴轰，對他們的客戶發(fā)送信息武填。
收集關(guān)于當(dāng)前需求的信息和把信息發(fā)布到發(fā)電機(jī)和客戶，兩者都可以通過以太網(wǎng)來傳送唆阿。很多這樣的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在一些電力公司的現(xiàn)場存在了益涧， 但還需要建立更多這樣的網(wǎng)絡(luò)。
圖1：本圖表示了電力怎樣從發(fā)電廠配送到客戶驯鳖。實(shí)時(shí)電力監(jiān)視通常在變電站執(zhí)行闲询。
變電站信息
關(guān)注電網(wǎng)電力流入和流出的實(shí)時(shí)信息由電力公司通過對他們輸電和配電系統(tǒng)的監(jiān)視來測量的，特別是他們的變電站臼隔。電力公司先使用變電站把發(fā)出的電壓升高到輸電的等級嘹裂，然后再用變電站把輸電電壓降低到配電的水平（見圖1）妄壶。
靠近電廠的變電站把發(fā)電電壓從11－22kV升高到的輸電電壓138和 765kV摔握。靠近使用點(diǎn)的變電站再把輸電電壓降到配電電壓丁寄，范圍從13.2kV到69kV氨淌。
在變電站，為不同的目的通常要進(jìn)行電力測量伊磺，包括對變電站設(shè)備的控制和保護(hù)盛正，諸如電路斷路器和變壓器。這些電力測量使用多種基于以太網(wǎng)的設(shè)備屑埋，諸如保護(hù)繼電器和功率監(jiān)視器矢骚。
這些設(shè)備通過變電站的以太網(wǎng)連接到變電站控制器，即可以是通用的可編程控制器（PLC）肤俱，也可以是非常特殊的變電站控制器县防。在一些變電站，控制器也連接到本地的工業(yè)計(jì)算機(jī)绸搞。
理想的情況是所有這些以太網(wǎng)設(shè)備應(yīng)該遵從IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)－用于變電站自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)窍蟹。 遵從這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以使這些設(shè)備的通信標(biāo)準(zhǔn)化和簡單化。
這些以太網(wǎng)設(shè)備之間通信的管理通常由安裝在變電站的交換機(jī)來完成亭结。雖然這些交換機(jī)可以是管理型或非管理型的舟到，但管理型交換機(jī)能提供更多功能，這對變電站自動(dòng)化應(yīng)用中以太網(wǎng)的可靠性至關(guān)重要臀嘱。
在變電站環(huán)境中的以太網(wǎng)交換機(jī)必須能運(yùn)行在惡劣的條件下章理，如溫度和濕度有很大變化以及大振動(dòng)和電噪聲。由于變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的艱巨性，高可靠性是最重要的考量杂蒙。與電力標(biāo)準(zhǔn)兼容琴致，特別是用于變電站自動(dòng)化的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，確焙檠迹可靠性要高于運(yùn)行參數(shù)的范圍样刷。
除了在變電站等級的設(shè)備通信管理，交換機(jī)還要完成變電站與電力公司管控中心的SCADA系統(tǒng)通信览爵。這些通信通過虛擬私有網(wǎng)絡(luò)或一些其他方式置鼻，提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，使電力公司能夠匹配發(fā)電和需求蜓竹。
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圖2：變電站設(shè)備之間的通信管理通常由以安裝在變電站的以太網(wǎng)交換機(jī)完成箕母。雖然這些交換機(jī)可以是管理型或非管理型，但管理型交換機(jī)能提供更多功能俱济，這對變電站自動(dòng)化應(yīng)用中以太網(wǎng)的牢靠性是至關(guān)重要的嘶是。
平衡發(fā)電和需求
信息在變電站收集，然后通過SCADA系統(tǒng)提供給電力公司的管控中心蛛碌。這個(gè)信息使電力公司能夠連續(xù)監(jiān)視電網(wǎng)中的電力流入和流出聂喇。
信息監(jiān)視只是第一步，第二步是使用這個(gè)信息控制和平衡發(fā)電與需求蔚携。前面已經(jīng)提到希太，發(fā)電的控制在今天的電力系統(tǒng)要比過去困難得多，主要因?yàn)镮PP的出現(xiàn)和來自綠色電力資源的發(fā)電變化那辰。
出現(xiàn)的一種趨勢是拳鹉，對電力公司不僅要提供輸向電網(wǎng)的電力數(shù)量， 還要提供電力的預(yù)測性和可靠性绑燃。為了與風(fēng)電做斗爭乍之，一些電力公司正強(qiáng)制性收取一種風(fēng)能集成附加費(fèi)，至少部分補(bǔ)貼了電力公司對付變化發(fā)電的費(fèi)用出毁。
這種收費(fèi)很有爭議促奇，所以很多電力公司 不得不把原來提出的風(fēng)能集成附加費(fèi)率由 2.72美元/每千瓦每月 減少到1.29美元/每千瓦每月。這個(gè)附加費(fèi)減少的部分是由于“當(dāng)風(fēng)力不可預(yù)測而忽高忽低時(shí)酌峻，為了發(fā)電的可靠性盈综，對風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所采取的行動(dòng)，”但公眾壓力確實(shí)起到了作用坊阎。
IPP和綠色電力現(xiàn)已存在寒圃，所以他跟隨電力公司把更多努力聚焦在發(fā)電－需求等式的需求側(cè)。 控制需求的最佳方法要依靠基本經(jīng)濟(jì)學(xué)惶政，也就是提高價(jià)格減小消耗背涉。
一種粗放式管理是在整個(gè)時(shí)間都提高價(jià)格矮男，而一種精細(xì)式管理是僅在高峰用電時(shí)間提高價(jià)格∈已瑁基于來自變電站以太網(wǎng)收集的信息毡鉴，電力公司現(xiàn)在具有實(shí)時(shí)高保真圖像。
可以用兩種辦法對需求削峰秒赤。第一種猪瞬，對個(gè)別客戶需求可以按電力公司事先與該客戶簽訂的協(xié)議進(jìn)行削減。這種協(xié)議是一種與大型工業(yè)客戶簽訂的長期協(xié)議入篮， 新技術(shù)使它更為實(shí)際陈瘦，可以擴(kuò)展到小型工業(yè)、商業(yè)建筑潮售、甚至到住宅客戶的協(xié)議 痊项。
因?yàn)橛谢谧冸娬镜腟CADA系統(tǒng)，以太網(wǎng)技術(shù)使?jié)M足這些客戶的需求更為可行酥诽。使用有線和無線以太網(wǎng)將通過廣域以太網(wǎng)收集來自智能電表的數(shù)據(jù)鞍泉。
一旦收集了數(shù)據(jù)，有兩種方法傳遞給客戶肮帐。對于已經(jīng)具有寬帶因特網(wǎng)連接PC的客戶咖驮，可以用瀏覽器在線實(shí)時(shí)訪問他們的用電和價(jià)格情況。對于沒有這種訪問的客戶或?qū)τ谙矚g用一種分開顯示用電的客戶依堆，現(xiàn)在有一種設(shè)備可以提供耘炭，顯示實(shí)時(shí)用電和價(jià)格。通過價(jià)格調(diào)節(jié)驮荚，電力公司希望客戶來控制需求。
（羅克韋爾自動(dòng)化 華镕）
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