利用电气化和自动化构建更高效、更可持续的电网 - 第 1 篇（共 2 篇）

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

用可持续绿色能源取代传统电网能源被称为电气化。本文为 2 篇系列文章中的第 1 篇，将讨论电气化所面临的一些挑战，以及自动化如何帮助提高效率和可持续性。本系列文章的[第 2 篇]将讨论能源与环境设计先导 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 认证，以及它们如何能减少碳排放和提高可持续性。

电气化是指用光伏 (PV) 和其他绿色技术取代使用石油、煤炭和天然气等化石燃料发电的系统，用电动汽车 (EV) 取代内燃机汽车 (ICE)。电气化系统以及将其连接在一起并支持智能电网和微电网的自动化技术的使用，是推动社会迈向更可持续、更绿色未来的重要因素。

如今的电网并非为大量电动汽车充电而设计，智能电网和微电网预计将成为支持电动汽车广泛取代内燃机汽车所需的关键技术。加利福尼亚州州长最近发布了一项行政命令，要求所有新销售的汽车和轻型载客卡车到 2035 年都必须是零排放汽车 (EV)。智能电网和微电网的开发商必须满足一系列令人生畏的国际标准，才能实现这一目标。例如，IEEE 已批准或正在制定 100 多个与智能电网相关的标准，其中包括美国国家科学技术研究院 (NIST) 智能电网互操作性框架和路线图中列出的 20 多个 IEEE 标准。除 IEEE 标准外，微电网还受 IEC 62898 微电网系列标准和其他标准的制约。

本文为 2 篇系列文章中的第 1 篇。本文探讨与实施电气化、整合分布式能源资源 (DER) 有关的各项挑战、智能电网和微电网之间的异同，以及自动化如何提高这些电网的效率和可持续性，具体包括支持电动汽车的普及。本文首先深入探讨什么是分布式能源资源及其定位，最后探讨公用事业微电网的出现如何模糊了微电网与智能电网之间的差异。无论实施方式如何，DigiKey 都能提供各种支持电气化和分布式能源资源集成的[工业自动化产品]。第 2 篇文章探讨如何在绿色建筑中利用电气化和自动化技术来获得能源与环境设计先导 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 的认证。

什么是分布式能源资源？

北美电力可靠性公司 (NERC) 对此的定义是：“分布式能源资源是指配电系统中能够产生电能的任何资源，且不包括在北美电力可靠性公司正式的大容量电力系统正式定义中”。

在北美，“配电系统”是指通常从变电站到最终用户的 34.5 kV 或更低电压的电力线路。大容量发电系统 (BPS) 包括进入变电站的线路，这些线路通常长距离输送 100 kV 以上的电压，将大型大容量发电设施与互联资源、变电站连接起来（图 1）。

图 1：配电系统中存在分布式能源资源（蓝色）；大容量电力系统中存在其他可再生能源（绿色）。（图片来源：NERC）

分布式能源资源是指任何非大容量系统资源，包括风力涡轮机和光伏装置等发电装置、蓄能装置、大多数电池蓄能系统 (BESS)、电动汽车电池充电器（也称作电动汽车服务设备 (EVSE)）和微电网。分布式能源资源既存在于公用电表后面，也直接存在于配电系统中。在电表后面，分布式能源资源电源包括光伏阵列、电池蓄能系统、联网的电动汽车以及如数据中心和其他地点安装的大型柴油发电机的备用电源。微电网是分布式能源资源的一种特殊类型。

智能电网、微电网和电气化

微电网是分布式能源资源的一种，但并非所有分布式能源资源都是微电网。从大容量发电系统的角度来看，微电网和分布式能源资源指的是发电或蓄能资源的类型。所谓智能电网，是指大容量发电系统为确保弹性和高效运行而使用的通信和控制技术。另一个区别是，微电网包括发电和蓄能资源以及负载。智能电网主要由发电资源组成，带一些蓄能资源，但无负载。智能电网可以与负载通信，但它们与电网相隔离。

电气化以不同的方式影响着微电网、大容量发电系统和智能电网。在大容量发电系统中，在现有电网中进行电气化，如果管理不当，可能会产生人们不愿看到的运行后果。这时候，智能电网技术就有用武之地了。

双向通信和控制是智能电网的显著特点。这些控制系统包括用于监测电网稳定性的传感器、用于监测用电需求的先进电表。控制系统还使用各种可控电源开关和电能质量装置来管理电力流。传感器对于提高可再生能源 (RE) 的占有率、大容量发电系统的电气化水平以及确保电网稳定至关重要。此外，传感器和控制元件还能更快、更有效地应对电力干扰，实现电网的平衡与安全，尤其是在用电需求高峰期和可再生能源供应不稳定的情况下。智能电网技术还支持微电网与配电系统、大容量发电系统的之间的协调与集成。

相反，微电网是为了适应可再生能源、电池蓄能系统和电动汽车等电气化技术。微电网和智能电网需要自动控制，包括分布式能源资源管理 (DERM) 系统。

分布式能源资源管理是必选

在智能电网和微电网中， 分布式能源资源管理和自动化的定义和实施方式有所不同。智能电网包括分布区域广阔的各种发电资源和电力用户，以及一个用于电网管理的集中式控制中心（图 2）。电网管理是大容量发电系统中智能电网控制的关键概念。现有的大容量发电系统是在需要支持电气化之前设计、建造的，随着可调度（可控制）的化石燃料发电越来越多地被不可预测（因此可控性较差）的可再生能源所取代，这些大容量发电系统可能会出现运行不可靠的情况。此外，为大量电动汽车充电大多时非调度性的，且电力公司无法对其进行直接控制。由于用于电气化和电动汽车充电的可再生能源不像传统公用电网那样可以预测，因此需要通过智能电网技术实现集中自动控制，以弥补这一不足。

图 2：智能电网依靠自动控制器和分布式能源资源管理进行实时电网管理。（图片来源：ETAP）

智能电网和微电网控制器需要来自各种传感器发出的信息，以实时监控所连接的资源。随着电动汽车和电动汽车服务设备 (EVSE) 的出现，控制器还有助于管理充电时的用电需求，并可利用车联网 (V2G) 通信协调电动汽车与电网或微电网之间的连接，以提供增量式蓄能能力。

除了监控已连接资源的状态外，并网微电网的控制器还必须监控当地公用电网的状态。开关设备是智能电网和微电网的重要组成部分，必须能在几毫秒内做出响应，以确保稳定、可靠的运行。开关设备的功率大小不一，从小型微电网的几千瓦 (kW) 到大型微电网和公用电网的数兆瓦 (MW) 不等。对于小型微电网来说，开关设备和控制器可安装在同一个机柜中，以降低成本并加快安装速度。智能电网和微电网的分布式能源资源管理包括对电能生产和电能消耗进行智能计量。这种智能计量通过基于云的分析，能够最大限度地提高分布式能源资源管理的经济效益，并支持高水平的复原力。微电网类型不同，所采用的分布式能源资源管理的具体架构也可能不同。

微电网的种类

微电网可按其应用和架构进行分类。微电网包括偏远、联网和并网式三种架构。偏远微电网位于岛屿或偏远的矿区、农业区等地点。这类微电网也被称为离网微电网，它们与任何公用事业的大容量发电系统都是相隔离的。这类微电网必须能够完全自给自足。

联网或嵌入式微电网是由多个独立的分布式能源资源或者与公用配电系统相连的微电网组成的电力网络。这类电网通常由集中监控系统控制，该系统可在微电网运行需求与是否支持更广泛的公用电网之间取得平衡。控制器通常会对微电网和分布式能源资源的重要性进行分级，以保证最关键的部分得到保护。联网微电网的应用包括社区微电网、智慧城市和新兴公用事业微电网。

联网微电网是并网微电网的一个子类。所有并网微电网都与配电网连接，并在与配电网连接的共用耦合点 (PCC) 处安装开关设备。正常运行时，并网微电网与配电网相连。并网微电网可为电网进行频率和电压调节、支持有功和无功功率以及响应用电需求，从而缓解容量模拟。

在孤岛运行模式下，微电网不与公用配电网连接。出现孤岛的原因可能是由于配电网中断，或者是出于如维护等其他需要。从孤岛运行过渡到并网运行时，微电网需要检测配电频率，并在重新连接前实现同步运行。

微电网的应用领域非常广泛，包括校园、医院和医疗中心、商业设施、社区和工业设施。最新的应用种类是公用事业微电网（图 3）。

图 3：微电网通常按其应用进行分类。（图片来源：[Siemens]）

模糊界限

正在部署的公用事业微电网模糊了智能电网和微电网之间的界限。在此过程中，分布式能源资源的定义从分布式能源资源变为专用能源资源。公用事业微电网旨在减少因极端天气、野火和其他不可预见的事件造成的停电。在现有电网架构中，为了确保极端事件发生时的安全，电网的大部分区域在此时都是断电的。

这些非计划大面积停电造成的一个严重且不幸的影响就是阻碍了电动汽车的使用。公用事业微电网被视为电动车普及的关键。例如，南加州爱迪生公司 (SCE) 建议开发公共安全断电微电网，以帮助在野火期间尽可能广泛地维持电力供应。其他公用事业公司将新电网架构称为社区微电网（图 4）。

图 4：公用事业微电网可包括分布在相对较广的地理区域内的各种资产，并模糊了传统微电网与智能电网之间的界限。（图片来源：Edison International）

公用事业微电网的孤岛功能是相比目前在更细粒度水平上提高电力利用率的关键所在。该功能预计将部署在各种规模的微电网中，从完整的住宅社区到公共场所，包括学校和消防站、医疗中心和疏散中心等其他战略地点。在大多数社区微电网的设计中，电动汽车服务设备是至关重要的一部分。按照设想，电动汽车供电系统将支持电动汽车并网，在为电动汽车供电的同时作为额外备用电源。

结束语

电气化是确保电网更具可持续性和减少 CO2 排放的必要条件。如光伏能源和电动汽车等许多电气化技术，并不像它们所替代的传统资源那样具有可预测性。这意味着电气化必须依赖智能电网和微电网中先进传感器网络和自动控制系统。