隨著南美、歐洲和亞洲地區(qū)智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，設計領域的機會開始浮出水面。在尋找這些機會的過程中，開展技術專題討論會，深入研究相關報告并展開討論大有裨益，這樣可以更加深入地了解已經(jīng)出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

　　目標和推動力

　　“智能電網(wǎng)”一詞是指致力于在全球范圍內建立與21世紀的技術相匹配的國內電網(wǎng)和跨國電網(wǎng)的各種工作。不過不同地區(qū)的目標各有不同。

　　中國在這方面幾乎是一片空白，正在從頭開始。相比之下，美國的市區(qū)擁有可追溯到愛迪生和斯坦梅茨時期的各種五花八門的基礎設施，農(nóng)村的基礎設施可以追溯到富蘭克林?羅斯福執(zhí)政時期，郊區(qū)邊緣的基礎設施則是相對近代的事情。雖然有良好的愿望，并做了各種無微不至的工作，但許多基礎設施都已經(jīng)陳舊不堪，相當不穩(wěn)定。

　　除了電力中斷的不足之外，對發(fā)電量的需求也在與日俱增。但是由于存在各種出于好意的特殊利益要求，為新發(fā)電廠提供場所或者運行輸電線路幾乎成了不可能的事情。

　　人口集中在北緯49度的加拿大受美國影響。但是加拿大擁有相對而言更加豐富的有待開發(fā)的自然資源，不管怎樣，這些資源都可以以原始形式或者作為電力與其南邊的合作伙伴進行交易。歐盟的情況與美國差不多，不過歐盟二戰(zhàn)后的機械設備更新。盡管歐盟比美國更“環(huán)保”，但是歐洲人更能接受核電，這主要是由于法國將剩余電力銷售給意大利和英國。

　　因此，美國有兩個主要目標。首先，需要提高對于停電的防御能力。其次，美國打算通過“負載均衡”來解決設置新發(fā)電廠和輸電線路的難題，這意味著需要一天24小時內更加頻繁地對發(fā)電和配電系統(tǒng)提出需求。

　　實際上，負載均衡意味著更多的分布式發(fā)電，這一概念向下可以延伸到非高峰時段電動汽車電池的細粒度能量存儲和高峰時段的細粒度能量回收。不過，具體來講，負載均衡意味著鼓勵采用電池儲能的新型工業(yè)太陽能電池、風力電池和燃料電池的電量，以便在必要時增加火力發(fā)電廠的發(fā)電量。

　　這提升了“微網(wǎng)(microgrids)”的前景。理論上，這些可隔離的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)可以通過大型電網(wǎng)進行連接，而出現(xiàn)外部故障時又可以自行維護。

　　許多智能電網(wǎng)倡議已經(jīng)深入到每個公民中，這些倡議通過動態(tài)調整電價激勵公民管理他們的需求，電價則通過RF或電力線通信(PLC)下載到電表上，這是一種慢頻移鍵控(FSK)技術，采用通過變壓器的低頻載波實現(xiàn)。

　　在家里和公司中，電表(或者某種其他類型的中繼器)會將電價信息傳遞給“智能”電器或溫度調節(jié)裝置，在其控制回路中整合動態(tài)變化的電價。

　　在北美，每度電的價格(至少部分)由自由市場根據(jù)紐約和芝加哥商品交易所中安然式的交易來確定。能源交易商則根據(jù)發(fā)電廠和國家輸電和配電(“T和D”)組織實時報告的需電量和供電量波動進行決策。

　　有意思的是，現(xiàn)在本地電力公司發(fā)電越來越少了。這些公司一直都在出讓他們的實際發(fā)電設施。

　　這些變化并不會一夜之間形成，在這個過程中將出現(xiàn)各種各樣的調整。在美國，美國國家標準與技術研究所(NIST)和IEEE參與到確保互操作性的工作中。除了互操作性之外，責任是另一個關鍵的標準驅動因素，因為電力公司律師的第一道防線就是嚴格遵守行業(yè)標準。

　　輸電和配電公司的相量監(jiān)測

　　2010年初，IEEE電力和能源協(xié)會(PES)和通信協(xié)會在馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST召開了一次有關智能電網(wǎng)的會議。美國亞拉巴馬電力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程師、配電自動化全美公認專家G. Larry Clark在這次會議全體會談的發(fā)言中指出，負載均衡的實際問題在于，實現(xiàn)電網(wǎng)時，接下來的一二十年需要展開大量的監(jiān)測和統(tǒng)計分析工作。

　　只要用戶需求存在晝夜周期，APC公司的累積數(shù)據(jù)就說明，如果變電所變壓器在高于其銘牌額定值的高峰負載時段工作的時間有限，并且變壓器有足夠的時間在低負載水平下冷卻，那么變電所變壓器就可以在高于其銘牌額定值的高峰負載時段安全工作。

　　Clark指出，沒有人能夠確定最終可以實現(xiàn)負載均衡的負載水平，也沒有人能夠準確地確定何為均衡負載“水平”。現(xiàn)狀下保守的設備政策可能導致設備在將來過早損壞。在此期間要做的唯一一件事就是收集數(shù)據(jù)并推斷發(fā)展趨勢。
　
　　事實證明，對多相輸電線路進行準確且精確的測量需要使用某些專用芯片。這是因為對單相線路進行瞬時測量相對比較簡單，但是對多相線路進行測量往往復雜得多。

　　這個難題直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)發(fā)明相量測量單元(PMU)才真正得到解決。PMU可以通過GPS產(chǎn)生的時間信號實現(xiàn)電網(wǎng)各個部分之間實時相量測量的同步。

　　Macrodyne表示，雖然早在Charles Steinmetz時代他就第一次將相量應用到交流電源，但是在實現(xiàn)基于時間的全球導航系統(tǒng)時，出現(xiàn)用于同時測量的商用產(chǎn)品卻經(jīng)歷了99年的時間。

　　測量三相輸電系統(tǒng)中單個點的相量是一個非常有意思的芯片級挑戰(zhàn)。Maxim公司的Martin Mason表示，用于實現(xiàn)這種任務的模數(shù)轉換器(ADC)要求精度和準確度。此外他還表示，所有的電壓和電流測量都必須同時進行。復用ADC絕對不可能。

　　此外，Mason還負責Maxim公司的電力線監(jiān)控芯片，包括采樣速率為250kbps的MAX11046八通道同步采樣16位ADC。

　　幫助電動汽車找到充電站

　　繼IEEE電力和能源協(xié)會在NIST召開的會議之后，NIST/通信協(xié)會大會進一步證明，并非電網(wǎng)面臨的所有挑戰(zhàn)最終都能以芯片的形式解決。信息理論難題的解決方案主要基于數(shù)學方面，此次大會上討論了諸多這方面的問題。

　　有一篇研究報告指出了數(shù)學問題可以如何通過適當?shù)恼{整來解決，以及嚴謹?shù)慕鉀Q方案途徑如何通過相當?shù)皖A算的試驗來說明。

　　無論如何，智能電網(wǎng)的分布式發(fā)電都依賴于電動汽車的電池，電動汽車能否得到廣泛使用取決于耗盡的電池能否方便地進行充電或更換。這樣就引出了一系列問題：電動汽車與充電站的最佳比例、充電站如何確定客戶優(yōu)先級(或者如何引導客戶前往仍在可到達范圍內的比較清閑的充電站)等。

　　羅徹斯特理工學院(RIT)的Clark Hochgraf、Rahul Tripathi和Spencer Herzberg根據(jù)簡單的SMS短信和GPS定位進行了一種實用的實驗。坦率地講，這個實驗聽起來微不足道，不過其嚴謹?shù)姆治龊挽`活的調查在此次會議的1002篇研究報告中為這篇報告的作者們贏得了一席之地。

　　實驗目標是建立一種低成本系統(tǒng)，用來管理和監(jiān)控實際的PEV(插電式電動汽車)充電電路，并通過監(jiān)視使電動汽車保持在可到達的充電站范圍內，引導汽車走最優(yōu)的路線。這個團隊開發(fā)的硬件包含一個內置GPS的GSM調制解調器和一個可運行定制應用的Python解釋器。

　　在解釋器上運行的代碼可以解析代碼形式的SMS短信，并將命令發(fā)送給充電電路。來自模塊的SMS短信還可以通過命令獲取PEV的GPS位置、充電狀態(tài)和電池電量。

　　這個團隊利用這種基本功能可以建立一種電力公司能用來控制多個PEV充電的虛擬基礎設施。這種功能還設想了這樣一種方案，即電力公司向有規(guī)律充電的客戶收取較低的每度電電價。

　　此外，這個團隊還基于這些基本功能創(chuàng)建了用戶界面，以顯示PEV位置、充電狀態(tài)和電池電量的相關信息。通過調制解調器訪問的數(shù)據(jù)庫用于儲存PEV可到達的充電站(根據(jù)其電池的電量狀態(tài)判斷)位置和狀態(tài)相關信息。該數(shù)據(jù)被用于路由算法。

　　由于擁有所有這些信息，電力公司可以監(jiān)視并控制需要的電量，以使其不超過供電量。對于駕駛員來講，充電知識(及其良好的圖形表示)是在實際充電狀態(tài)變得比較危急之前選擇充電路線和停車充電時間的關鍵。

　　是否仍然可以實現(xiàn)一種基于短信和GPS的系統(tǒng)來根據(jù)國家智能電網(wǎng)的需要進行調整呢？正如APC公司的變壓器額定值和負載均衡問題一樣，請務必記住，智能電網(wǎng)的演進將經(jīng)歷幾十年的時間，這是一個必須一步一步完成的過程。

　　對于短期而言，RIT的團隊在其報告中給出了一些重要的觀點。“充電站與電力公司之間的智能電網(wǎng)通信可使ISO/RTO降低高峰時段的需電量，同時仍可滿足電動汽車充電負載，不過完全充電的完成時間則有所延遲，”這份報告指出。“控制汽車何時需要充電或充電價格(kW)可實現(xiàn)在無需額外的發(fā)電量的情況下引入電動汽車。”

　　這個團隊進一步認為，PEV不可能在2025年前實現(xiàn)超出低個位數(shù)的市場滲透率。

　　在這種背景下，RIT演示系統(tǒng)支持現(xiàn)有的汽車工程師協(xié)會(SAE)推薦的插電式汽車與公共電網(wǎng)之間的通信實踐(SAE J2847/1)和IEEE與電力系統(tǒng)互連的分布式資源的監(jiān)控、信息交換和控制指南(IEEE 1547.3)。這兩個指南仍由其各自的工作組負責。

　　會議上演示其他電動汽車相關報告的還有IBM公司的蘇黎世研究實驗室(“電動汽車虛擬電廠的架構和通信”)、埃森哲(Accenture)公司(“插電式電動汽車策略的評估框架”)、西門子(Siemens)公司和帕紹大學(“電動汽車與智能電網(wǎng)的互連和通信”)以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室(“V2G模式中混合動力汽車交換站的定位”)。

　　順著RIT報告的方向，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Konstantin Turitsyn等在“控制和通信”發(fā)言階段演示了“魯棒的電動汽車充電廣播通信控制”。

　　這些科學家并沒有專注于RIT團隊的雙向通信主題，而是重點探討了基于隨機電動汽車充電起始時間的控制算法和簡單的單向廣播通信(允許各個通信事件之間出現(xiàn)時間延遲)。他們采用排隊論和統(tǒng)計分析得出的論據(jù)，力求最大限度地提高過剩的配電電路產(chǎn)能的利用率，而不造成電路過載。

　　小偷和電池問題

　　還有許多意想不到的設計機會，智能電表將使用數(shù)據(jù)傳送到電力公司之前對使用數(shù)據(jù)進行模糊和加密的方法就是其中之一。這種方案包括“負載簽名”、大電池、充電器和逆變器，其發(fā)展歷史牽涉到焦急的荷蘭市民發(fā)起的一場反對智能電表的運動。

　　荷蘭市民反對使用智能電表，但他們的反對原因與美國人的反對原因(比如不可思議的高電費帳單和對嬰兒監(jiān)視器的干擾)有所不同。根據(jù)東芝(Toshiba)公司設在英國的電信研究實驗室的Georgios Kalogridis在“虛假數(shù)據(jù)注入和隱私”發(fā)言階段演示的題為“智能電表的隱私：用于不可檢測的設備負載簽名”的報告，荷蘭所面臨的問題在于電網(wǎng)讀數(shù)的精細度。

　　普通電表一般每個結算周期讀表一次。但是被設計用于實時監(jiān)控所需電量的智能電表的讀表頻率比較頻繁，以便能夠反映出日常用電模式。獲得這些模式的小偷可以找出在主人離開時可能成為下手目標的家庭：比如在下午四點前不會使用烤箱的家庭。

　　東芝公司從最原始的角度提出了這樣一種方案，即為每個家庭增加一個大電池和相關的逆變器，這樣可以消除這些讀數(shù)中的微小細節(jié)。

　　當然，解決方案并沒有這么簡單。對用電進行細粒度采樣的目的在于提供或多或少的實時需電量狀況，以便于操作員確定何時在線提供或關斷發(fā)電量、何時調整配電線路以及何時重設電價等。如果這些信息不清楚，這個方案又有什么用呢？

　　由于東芝的報告比較淺顯，因此電池方案只是能更輕松地讓數(shù)據(jù)更加安全，同時提供數(shù)據(jù)以某種形式表示的信息，這種形式的信息僅用來管理發(fā)電量、配電路線和其他功能。顯然，第一步是收集來自鄰近的所有家庭的細粒度信息，然后再通過回程將這些信息發(fā)送給供電商。

　　不過這卻給黑客大開后門。要堵住這個后門，東芝的研究人員提出了一種稱為負載簽名仲裁器(LSM)的器件，該器件與設備、電池(獨立電池或汽車電池)和充電站/連接電網(wǎng)的逆變器配合工作。與LSM配合工作的器件可大可小。

　　導通時汲取2kW功率的水壺就是一個例子；電力路由器可以通過配置，以便太陽能面板提供1kW，電池提供0.5kW，市電電源提供0.5kW的電量，東芝的報告指出。

　　LSM的主要作用是‘檢測隱私威脅以及通過‘配置電源線路作出反應。LSM可以在識別(家庭內的)功耗活動后檢測隱私威脅，”該報告進一步指出，這可能是用戶或供電商產(chǎn)生的功率觸發(fā)事件，比如功耗的變化(如設備導通/關斷事件)。”

　　該報告介紹了多個實現(xiàn)這一目標的方法。例如，其中一種的思路是(在可能的程度上)抑制電力負載變化，以便保持恒定的計量負載。這種算法強制電池在所需的負載(分別)比之前計量的負載大或小時放電或充電。在未超出電池充電范圍的情況下，電池充電/放電的功率和持續(xù)時間可以通過適當?shù)呐渲茫瑏韺崿F(xiàn)相同的功率差。該報告在作完這些說明之后進行了更加詳細的密碼分析。