我們今天的大部分高耗能來(lái)自加熱/冷卻，烹飪，照明，洗滌和干燥。這些家用電器開(kāi)始變得聰明，具有連接功能，可以讓他們自動(dòng)化，以獲得智能計量和可變稅費所帶來(lái)的好處。電力公司正在開(kāi)始更好地管理能源需求，更有效地執行負載平衡。

 

在實(shí)用/行業(yè)方面，數據聚合器/集中器在自動(dòng)抄表（AMR）中形成重要組成部分。它通過(guò)將多個(gè)公用事業(yè)公司的儀表（電力，燃氣，水，熱）連接到中央公用事業(yè)服務(wù)器來(lái)創(chuàng )建必要的網(wǎng)絡(luò )基礎設施，獲取并報告重要數據。它還有助于將實(shí)際應用的時(shí)間和日期數據同步到中央應用程序服務(wù)器中，并實(shí)現用戶(hù)認證和加密信息的安全數據傳輸。與電力儀表的通信由射頻無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)（電力線(xiàn)調制解調器）連接組成，使得能夠通過(guò)GPRS，以太網(wǎng)和GSM，POTS或UHF / VHF網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到中央公用事業(yè)服務(wù)器。

 

據派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬(wàn)個(gè)能源管理用戶(hù)。這反過(guò)來(lái)將為公用事業(yè)機構為客戶(hù)提供管理和控制能源分配的巨大機會(huì )；它還使業(yè)主有機會(huì )通過(guò)智能能源管理更好地管理其能源使用。

 

圖1、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用于智能能源中

 

 

第一個(gè)電網(wǎng)出現在19世紀90年代，由先驅者托馬斯·愛(ài)迪生（George Edison），喬治·西屋（George Westinghouse）以及通用電氣（General Electric）和西屋電氣（Westinghouse Electric Corporation）等個(gè)人和公司所驅動(dòng)。當時(shí)這些電網(wǎng)是高度集中的，彼此隔離的系統。在接下來(lái)的幾十年里，本地的電網(wǎng)變得越來(lái)越相互聯(lián)系。到20世紀60年代，電網(wǎng)已經(jīng)成熟為高度互聯(lián)的系統。這些電網(wǎng)主要由大型電廠(chǎng)（通?；诨剂?，如煤，天然氣和石油）主導，大型電力線(xiàn)用于與電力消費中心相連接，低容量線(xiàn)路將電力運送到終端用戶(hù)。由于計量技術(shù)的局限性，往往固定電價(jià)的方式來(lái)對終端用戶(hù)收費。

 

從一開(kāi)始，電力電網(wǎng)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰就是應對不斷變化的能源需求。這里的主要問(wèn)題涉及到非常有限的儲能能力以及根據需要增加額外的發(fā)電機組的高成本。例如，添加峰值時(shí)間發(fā)電機，例如具有低啟動(dòng)時(shí)間的燃氣輪電機是一個(gè)相對昂貴的解決方案。初步嘗試在需求側解決問(wèn)題。例如，引入雙重稅收來(lái)鼓勵客戶(hù)在需求普遍較低的夜間增加電力使用量。還引入了需求感知設備（如空調，冰箱和加熱器），這些設備可以使用模擬技術(shù)例如通過(guò)監視電源頻率的變化來(lái)感測電網(wǎng)中的負載。

 

如今，分布式網(wǎng)絡(luò )可以滿(mǎn)足共享中小型風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)，熱電聯(lián)產(chǎn)，太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)等不斷增長(cháng)的（分散）發(fā)電量。但是這給電網(wǎng)造成了壓力，使電網(wǎng)穩定性更加難以維持。數字化能夠使電網(wǎng)“智能化”以滿(mǎn)足這些新的要求。圖2更詳細地介紹了數字化對能量控制器的影響。

 

圖2、電力電網(wǎng)的演進(jìn)

 

此外，過(guò)去十年間，國家批發(fā)市場(chǎng)和跨國的電力交易量大幅增長(cháng)，導致對輸電電網(wǎng)的新的需求。大多數消費者連接到分布式網(wǎng)絡(luò )中，電表計量服務(wù)用于記錄消費和輸入的電量數據。

 

圖3、智能電網(wǎng)架構的概念形式

 

 

近年來(lái)，數字化現象已經(jīng)演變成跨行業(yè)相關(guān)的真正大趨勢。雖然能源行業(yè)最初落后于其他行業(yè)，但現在正在迎頭趕上，數字元素影響著(zhù)這個(gè)市場(chǎng)的越來(lái)越多的方面。然而，“數字化”這個(gè)術(shù)語(yǔ)其實(shí)是很模糊的，所以我們需要定義我們的意思。 m3管理咨詢(xún)高級經(jīng)理Bernhard Schaefer將數字化定義為：

 

利用新的信息和通信技術(shù)來(lái)實(shí)現能源公司的產(chǎn)品和服務(wù)，價(jià)值鏈（從發(fā)電廠(chǎng)到消費者）以及內部支持功能（控制，采購，人力資源等）的綜合轉型，以滿(mǎn)足相關(guān)客戶(hù)的期望。

 

結果是一個(gè)“智能”電力公司，作為“智能”能源世界的一部分，將被越來(lái)越多地嵌入到更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中。

 

智能能源系統在許多方面將與傳統系統不同：

 

數據主導的智慧正在或多或少地進(jìn)入能源價(jià)值鏈的所有步驟中，突出的重點(diǎn)是發(fā)電，配電，計量和消費。圖4中更詳細地說(shuō)明了IoT應用程序擴展到能源價(jià)值鏈中（請注意，每個(gè)國家的能源價(jià)值鏈會(huì )稍有不同;例如，英國的智能電表是零售業(yè)）。

 

 

博世軟件創(chuàng )新公司的Michael Schlauch是博世的項目經(jīng)理，負責Smart City Rheintal項目。這是項目的兩個(gè)關(guān)鍵外包：

 

我們看到預測過(guò)程仍然有很大的改進(jìn)空間。這適用于光伏設施的發(fā)電預測以及對消費者的消費預測。在這里，需要更長(cháng)的時(shí)間框架，甚至超出了正在資助的項目的結束時(shí)間。例如，這是推斷特定住房單位的實(shí)際和個(gè)性化消費概況的唯一途徑。由于我們與沃拉爾伯格應用科技大學(xué)的合作，并且專(zhuān)門(mén)針對IT公司的，因此我們正在獲得這種類(lèi)型的廣泛的區域性的和結構性的參數，為進(jìn)一步預測做好了準備。

 

諸如洗衣機的消費者設備太小，無(wú)法使需求方管理有合理的進(jìn)展。集成到VPP中的設備必須要更靈活。這對于熱泵以及電鍋爐也是如此。當然，當我們可以將各種不同程度靈活性的設施結合在一起時(shí)，這也是非常有幫助的。

 

圖4、擴展能源價(jià)值鏈和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應用場(chǎng)景

 

 

發(fā)電是數字化無(wú)疑會(huì )帶來(lái)巨大好處的領(lǐng)域。過(guò)去，傳統的電力系統主要由大型集中式電站供電，如今，越來(lái)越多的小型，分散式安裝的發(fā)電機將電力注入電網(wǎng)。大多數這些額外的電力是由可再生能源發(fā)電，如風(fēng)能，太陽(yáng)能和生物能等產(chǎn)生的。然而，風(fēng)能和太陽(yáng)能的生產(chǎn)卻是高度波動(dòng)的，依賴(lài)天氣預報的生產(chǎn)預測容易出現不精確的局面。這對網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商必須通過(guò)確保電力注入和電力消耗之間的平衡來(lái)保持網(wǎng)絡(luò )的穩定和安全。能源專(zhuān)家Bernard Kryszak說(shuō)：

 

滿(mǎn)足這一挑戰的一個(gè)選擇是將各種小型發(fā)電機捆綁成一個(gè)協(xié)調的“虛擬電廠(chǎng)”（VPP：Virtual Power Plant）。 VPP的個(gè)體電廠(chǎng)（可能利用太陽(yáng)能，風(fēng)能，生物質(zhì)能，小型水電廠(chǎng)或者熱電廠(chǎng)（CHP））的電力生產(chǎn)通過(guò)使用單一的IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中優(yōu)化，以收集和分析分散式單元的生產(chǎn)數據，當地天氣預報，需求預測等。這種基于協(xié)同效應的方法使得可以最小化所需輸出的發(fā)電成本。此外，與單個(gè)電力來(lái)源相比，VPP能夠提供更穩定的總體電力輸出，例如在太陽(yáng)不發(fā)光并且不能產(chǎn)生太陽(yáng)能的時(shí)候，通過(guò)提高生物能源的功率來(lái)進(jìn)行補充。特別是在波動(dòng)發(fā)電程度高的市場(chǎng)中，如果監管框架提供足夠的市場(chǎng)信號來(lái)激勵提供儲備能量的話(huà)，那么VPPs在經(jīng)濟上是有吸引力的，同時(shí)還有助于系統的穩定性。

 

數字基礎設施的另一個(gè)應用領(lǐng)域涉及遠程發(fā)電資產(chǎn)的監控和診斷。想象一下遠離海岸的一個(gè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)。簡(jiǎn)單的基于時(shí)間的維護在這里是不合適的，因為到達這個(gè)位置所涉及的成本非常高。相反，來(lái)自連接到每個(gè)風(fēng)力渦輪機中的部件（例如葉片，齒輪箱，油泵，控制器，馬達和發(fā)電機部件）的傳感器的操作數據被連續饋送到中央控制中心。這里，數據以結構化的方式存儲在數據歷史數據中，并可用于分析。這樣就可以監控每個(gè)部件的狀況，并根據維修計劃來(lái)調整渦輪機的實(shí)際狀況。

 

此外，數字化可以使發(fā)電的支持過(guò)程更管用和高效。 “數字供應鏈”的概念描述了與外部供應商的緊密的數據集成。這有助于確?；緜浼墓棠軌颢@得有關(guān)發(fā)電機額外供電要求的透明在線(xiàn)信息。因此，備件可根據需求進(jìn)行交付，庫存量可以實(shí)現最少化，從而提高發(fā)電廠(chǎng)的可靠性。

 

現在有轉向私人發(fā)電領(lǐng)域的智能應用，我們將重點(diǎn)轉移到能源管理解決方案上。這些可以幫助私人能源“消費者” - 也就是通過(guò)光伏（PV）或者微型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP：combined heat and power（熱電聯(lián)產(chǎn)））生產(chǎn)能源的私人消費者。想象一下在屋頂上安裝有PV的家庭。在天氣預報的幫助下，專(zhuān)業(yè)消費者可以預測其安裝的電力輸出，并考慮到其電力公司提供的可變電力價(jià)格 - 相應地優(yōu)化其消費。這增加了自耗太陽(yáng)能電池的份額，同時(shí)減少了外部配電網(wǎng)的使用。

 

通過(guò)完全集成的交易平臺和自動(dòng)交易流程，能源交易也變得更加智慧。而市場(chǎng)參與者只是基于日前的數據來(lái)交易電力，而當天的交易可以通過(guò)系統到系統的信息進(jìn)行，而無(wú)需人工干預。這使得實(shí)時(shí)交易和短期優(yōu)化，從而在新興的動(dòng)態(tài)能源市場(chǎng)中保持了足夠的敏捷性。

 

 

今天，盡管間歇式可再生能源的增長(cháng)壓力越來(lái)越大，但是傳輸系統運營(yíng)商（TSO：transmission system operators）也面臨著(zhù)保持電網(wǎng)運行穩定和安全運行的更大挑戰。由于電網(wǎng)穩定始終是至關(guān)重要的，TSO被允許通過(guò)迫使電力生產(chǎn)商暫時(shí)升高或降低其發(fā)電資產(chǎn)來(lái)確保其負荷平衡（頻率和電壓），以實(shí)現生產(chǎn)和消費之間必要的持續平衡（后者是更難影響）。在這種情況下，TSO的控制中心通過(guò)專(zhuān)用數據接口來(lái)直接和遠程地控制與TSO傳輸網(wǎng)格直接相連的發(fā)電廠(chǎng)的資產(chǎn)。

 

 

展望分布和計量領(lǐng)域，我們可以看到新智能能源領(lǐng)域最有名的元素：“智能電表”。智能電表是一種能夠以短時(shí)間例如每15分鐘記錄功耗的計量裝置，然后將該數據傳送到供應實(shí)用程序用于監控和計費。智能電表還可實(shí)現電力公司和計量電力負荷之間的雙向通信，從而允許電器受到控制，使得由于使用高可再生能源能源而價(jià)格低時(shí)，其能源消耗最高。

 

當智能儀表和其他傳感器和執行器安裝在大量相關(guān)負載點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )資產(chǎn)（如可控變電站）時(shí)，將集中的數據饋送到中央配電管理系統中，便于實(shí)時(shí)分析，控制網(wǎng)絡(luò )。所得到的“智能電網(wǎng)”可以由網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商進(jìn)行詳細監控和遠程控制。網(wǎng)絡(luò )操作實(shí)際上可以在很大程度上實(shí)現自動(dòng)化，從而可以快速響應網(wǎng)絡(luò )事件，如本地電源中斷等。如在遠程發(fā)電的情況下，這也極大地促進(jìn)了基于資產(chǎn)狀況的實(shí)時(shí)信息的基于條件的電網(wǎng)資產(chǎn)維護?？梢酝ㄟ^(guò)預測分析進(jìn)一步優(yōu)化維護活動(dòng)，即實(shí)現基于歷史數據和學(xué)習分析算法的資產(chǎn)狀況預測。

 

正如管理咨詢(xún)部高級經(jīng)理Bernhard Schaefer指出：

 

電網(wǎng)“智能化”有很多好處：優(yōu)化電力流量，提高系統安全性，更好地利用網(wǎng)絡(luò )容量，更好地保護網(wǎng)絡(luò )資源免受故障影響。此外，可再生能源更容易集成到網(wǎng)絡(luò )中。這減少了網(wǎng)絡(luò )所需的投資量，并降低了資產(chǎn)服務(wù)的運營(yíng)費用，同時(shí)減少了網(wǎng)絡(luò )故障，并在供應中斷的情況下 - 使供應恢復得更快。

然而，從網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的角度來(lái)看，與常規儀表的使用相比，在許多情況下安裝和操作智能計量裝置不是成本有效的。事實(shí)上，在歐洲，只有瑞典和意大利才開(kāi)始全面推出智能電表。在其他歐洲國家，智能電表的安裝仍在進(jìn)行中，通常還需要立法規定。但從長(cháng)遠來(lái)看，通信和硬件的成本會(huì )大幅下降，這將改善智能電表的業(yè)務(wù)情況。

 

 

電力儲存是在低需求時(shí)承載可再生能源產(chǎn)生的多余能源的一種選擇。除了大型的中央存儲設備，如抽水蓄能水電，還有大量關(guān)于將中小型存儲投放市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，例如鋰離子電池或電力到燃氣轉換的技術(shù)。潛在的電力儲存的一個(gè)特別有趣的形式是“車(chē)對電網(wǎng)（vehicle-to-grid）”的概念。隨著(zhù)越來(lái)越多的插電式電動(dòng)汽車(chē)，數字基礎設施可用于控制車(chē)輛的電池充電過(guò)程，并在能量過(guò)?；蛐枨蟾叻宓那闆r下將能量釋放回電網(wǎng)。

 

盡管大多數這些存儲技術(shù)在大多數市場(chǎng)環(huán)境中尚未獲利，但顯而易見(jiàn)的是，將分散的小型存儲設備集成到智能電網(wǎng)中可以帶來(lái)額外的好處。因此，調度基于實(shí)際的整體系統需求，并考慮到網(wǎng)絡(luò )和地理約束，以努力實(shí)現整體經(jīng)濟優(yōu)化。

 

 

到目前為止，我們已經(jīng)解決了純粹的技術(shù)解決方案。然而，智能能源不限于機器對機器（M2M）通信。數字客戶(hù)界面是不斷變化的智能能源世界的另一個(gè)重要因素。首先，可以通過(guò)捆綁能源和信息服務(wù)來(lái)設計新產(chǎn)品。其次，通過(guò)基于分析的客戶(hù)細分和定價(jià)優(yōu)化，可以通過(guò)使用新提供的數據來(lái)更好地針對客戶(hù)需求，來(lái)改進(jìn)與現有產(chǎn)品和服務(wù)相關(guān)的銷(xiāo)售和/或利潤。第三，通過(guò)利用智能電表的計量數據的分析來(lái)獲得的客戶(hù)洞察力，還可以通過(guò)引入用戶(hù)友好的移動(dòng)服務(wù)和在線(xiàn)自助網(wǎng)站進(jìn)行計費，提交儀表讀數，按需支持和節能措施。最后，供應商可以期望獲得有關(guān)客戶(hù)行為和主要營(yíng)銷(xiāo)數據的更多信息，可以向第三方提供有針對性的銷(xiāo)售和廣告。

 

 

在最終客戶(hù)方面，在價(jià)值鏈結束時(shí)，許多舉措的重點(diǎn)是通過(guò)提高能源效率并通過(guò)智能負載調度來(lái)降低能耗和降低成本。這通常通過(guò)根據實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格變化的靈活調度來(lái)完成。這使得電力公司可以在由于電力生產(chǎn)過(guò)剩而在網(wǎng)絡(luò )穩定受到威脅的情況下，向提供了增加電力負載的客戶(hù)進(jìn)行獎勵來(lái)激勵他們。

 

能源管理解決方案主要適用于工業(yè)和商業(yè)客戶(hù)，一般來(lái)說(shuō)他們的能源賬單是大多數成本結構的主要部分。需求響應管理用于通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中現有的靈活性來(lái)獲利，例如，在收費較高的時(shí)候，通過(guò)減少冷卻和加熱過(guò)程或其他電氣負載。還可以利用不同發(fā)電廠(chǎng)和/或不同能量形式之間的內部協(xié)同作用（例如電力對天然氣轉換）。

 

在私營(yíng)部門(mén)，“智能家居”理念解決了能源效率，個(gè)人舒適，個(gè)人健康和安全問(wèn)題。在智能家居中，集成的家庭自動(dòng)化控制優(yōu)化了照明，供暖，電器，如電冰箱和洗衣機以及電動(dòng)百葉窗和安全系統的使用。學(xué)習算法有助于減少能源消耗 - 例如，當居民上班時(shí)，減少供暖。傳感器可以監視運動(dòng)并發(fā)出警報，例如在老年人活動(dòng)下降或不長(cháng)時(shí)間移動(dòng)的情況下發(fā)布警報。智能手機應用程序允許用戶(hù)遠程監控家庭的安全功能。此外，電子移動(dòng)應用可以通過(guò)將充電和放電過(guò)程結合到整體家庭能量管理概念中而被集成到智能家居解決方案中。

 

 

智能電表的采用將成為智能家居和其他下游設備廣泛采用的主要推動(dòng)力。在全球的幾個(gè)市場(chǎng)中，這需要政府干預和監管決策，而在其他市場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò )效率和“非技術(shù)損失”（即盜竊）可能是影響智能電表采用的重要因素。采用智能電力計量的智能電表對環(huán)境的潛在有益影響是近乎全球性的驅動(dòng)力。

 

這樣做的最終結果是，智能計量和智能電網(wǎng)管理解決方案將成為即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代首要采用的技術(shù)之一。隨著(zhù)這些技術(shù)的引入，其他一系列解決方案將隨之獲得推動(dòng)。一類(lèi)解決方案將包括電器和設備成為智能電網(wǎng)基礎設施的有效部分，一級支持低壓發(fā)電。我們還將看到一系列設備是更廣泛的智能電網(wǎng)生態(tài)系統的一部分，這些設備將用于通過(guò)修改功耗來(lái)提高效率的地方。第二個(gè)設備類(lèi)別將包括許多智能家居設備。

 

圖5顯示了由兩個(gè)不同類(lèi)別的設備表示的智能電網(wǎng)IoT連接的總數。它還顯示了由智能電網(wǎng)基礎設施設備貢獻的智能電網(wǎng)IoT連接總數的份額，并突出顯示了與新興智能電網(wǎng)有關(guān)的IoT設備總數的份額。

 

圖5、智能電網(wǎng)中的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接數

 

這些數字有三個(gè)明確的信息。首先，物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)中包括的設備總量預計將迅速增長(cháng)，從今天的不到10億而2024年增加將達到120億。第二，也許不奇怪的是，在依賴(lài)于智能電網(wǎng)功能的設備之前，將采用與智能電網(wǎng)基礎設施相關(guān)的設備。第三，與智能電網(wǎng)相關(guān)的設備將占據連接設備的越來(lái)越多的份額。這些預測顯示，到2024年，預計所有物聯(lián)網(wǎng)設備云連接（不包括PC，平板電腦和手機）的40％以上屬于智能電網(wǎng)生態(tài)系統，將智能電網(wǎng)和VPP概念牢固地置于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的核心之中。

 

 

本文描述的大多數趨勢仍處于試點(diǎn)或早期商業(yè)化階段。能源專(zhuān)家Bernard Kryszak強調：

 

我們相信，大量的用例將變得有利可圖。然而，許多智能能源應用的成功取決于采用這些智能技術(shù)的發(fā)電廠(chǎng)，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商，銷(xiāo)售實(shí)體和客戶(hù)那里獲利的利益之間平衡的綜合視角以及成本的公平分配，而共同的基礎設施是這個(gè)綜合視角的重要組成部分。