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重构电网蓝图,英特尔如何Inside?

作者:包永刚
2021/09/15 09:31

应对气候变化已经成为了全人类共同面临的挑战。我国已经明确了“双碳”实现目标,2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和。迈向碳中和,需要分两步走,首先需要提前碳达峰,然后再加速净减碳。

要提前实现碳达峰,减少化石能源的消费成为关键。2020年,我国一次能源消费总量的85%为富碳化石能源。为此,我国提出,到2030年,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上的目标。

不过,要提升非化石能源消费的占比,需要先解决现有电网灵活性和能源互联网数字化升级的问题。

重构电网蓝图,英特尔如何Inside?

自20世纪首批集中式电网问世以来,几乎所有电力都是由集中式的大型发电厂通过输配电网输送。随着非化石燃料发电电源的增加,风电、太阳能等分布式能源并网需求剧增,电力的传输就需要向双向化的电网新架构和商业新模式的双新目标演进。

显然,电力数字化成了新型电力系统适应能源革命和数字化革命相融并进的必然选择。这也意味着,新型电力系统中的电网蓝图得以重构。

那么,新型电力系统下的电网架构应该如何进行电力数字化升级?效果又将如何呢?

面对能源革命,新型电力系统中的电网蓝图得以重构

既然要重构电网蓝图,那就先了解一下目前的电网架构。绝大多数的输电变电站和配电变电站都建造于几十年前,电厂所发送的电力先通过升压变电站升压,然后通过输电电缆传输到输电变电站,再通过多级配电变电站变压,最后输送给企业和家庭电力用户。

但目前的电网架构有两大的问题,高成本和缺乏灵活性。

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高成本是因为在役的电网中有数以亿计的固定功能的电力设备,比如自动化控制器、继电保护器等,这些电力设备使用特定厂家的专用硬件和软件,每次出现问题或需要升级时,技术团队都必须赶赴现场进行维护和升级,这带来了极高成本。

灵活性的问题则是因为能源消费正在变革。传统的电力系统是为集中式大型电厂的输配电任务设计,随着太阳能、风电等的分布式电源的出现,传统的电力系统无法完全满足用于分布式电源向电网进行电力传输的控制。

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包含边缘分布式电源的智能电网架构

也就是说,无论是为了解决电网运营、维护和升级的高成本挑战,或是适应新能源大规模高比例并网和消纳要求,还是支撑分布式能源、储能设施广泛接入,都需要重构电网蓝图,推动电网向更加智慧、更加友好的能源互联网升级。

要实现这个目标,需要借助虚拟化技术使硬件与软件相互独立,并对整个系统进行标准化。

标准化不仅能够取代传统电力设备自顶向下的专属硬件和软件,还能让多个智能电子设备可以通过标准协议相互通信或各自与监控中心通信,最终让电力系统能够整合工作负载,灵活部署新应用。

当然,电网现代化也能够帮助电网运营商充分利用强大的计算能力进行高级监测、诊断和安全增强。同时,也可以使用机器学习技术挖掘电力大数据这座“富矿”,以获取更深刻的洞察。

有数据显示,部署软件定义的自动化和控制系统能够将变电站中的总设备数量减少50%,并将运营和维护总成本降低76%。这样,越来越多的电力公司开始认识到,有必要使用智慧边缘架构对变电站进行技改和现代化改造。

通过基于英特尔的技术来实现变电站现代化,将帮助电力公司打破传统监控和数据采集(SCADA)系统的局限。

虚拟化技术支撑电网现代化

电网的现代化需要大数据、云、物联网等现代信息技术和能源技术的深度融合。这是因为,电网数字化基础设施是一种基于物联网(IoT)的新型基础设施,支持各类电力装置连接到智能电力网络,帮助电力公司通过实时数据分析实现可执行的洞察和自动化的控制。

其中,电网现代化的基石是虚拟化技术,虚拟化技术过去十年间在数据中心经受了考验和证明,可以实现软硬件解耦,帮助电力公司的电网架构提升可扩展性、安全性、可靠性和效率。

既然如此,实现电网现代化就需要从最基础的模块开始进行虚拟化和软件化,虚拟保护继电器(VPR)、微数据中心、配网变电站、风力发电透平和微电网都是非常关键的基础模块。

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继电保护装置的作用是当电力系统发生故障危及电力系统安全运行时,能够及时发出警告信号并直接自动触发跳闸动作。将构建于标准化硬件设备上的保护和控制系统进行虚拟化、软件化,集中化的新架构就可以大幅度减少电力装置的数量,还能减少工作人员往返变电站的频率,降低运维成本。

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在虚拟继电装置的基础上,就可以将传统的电力系统架构从固定功能电力装置组成的拓扑集合,转向采用标准化新电力融合边缘基础设施的系统架构进行新型电力系统基础设施建设。

一种基于微数据中心架构的新型电力系统架构正在得到大力发展,这种微数据中心可在站内总线层面对变电自动化和IT信息化应用进行虚拟化,并引入虚拟网络技术来隔离虚拟机之间的流量,加强软件化电网装置间的隔离和安全性,还有助于改善电力公司的通信和决策。

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当然,新型电力系统的架构需要有先进技术和稳定的产品作为支撑。英特尔与电力合作伙伴所推动的变电站微数据中心技术,将以运营技术为核心的应用和以信息技术为核心的应用融合到集中的、可扩展的电网新基础设施成为了可能。

实现了电网工作的负载整合,就可以进一步对配网变电站进行现代化改造。传统的配电网变电站由于物理尺寸的限制,想要为每个应用添加新硬件的空间非常有限,用人工更换或升级每台设备成本又很高昂。

标准化设计的配网变电站全新参考架构不仅能够解决这个问题,还能满足灵活性需求。英特尔与行业合作伙伴形成合作联盟,已经开发出了相关原型机及标准化设计规范。

重构电网蓝图,英特尔如何Inside?

雷锋网了解到,英特尔的配网变电站原型机已经通过各种硬件的验证要求,包括开机可靠性、高温承受度以及IEC 61850-3变电站标准的合规性。同时,电气装置数量和现场安装服务需求的减少将帮助电力公司降低固定资产成本、运营成本和系统集成成本,新应用的部署和规模化更加简单,安全性也大幅增强。

传统电力系统借助虚拟化技术进行一系列的升级和改造之后,就足以满足分布式能源系统的并网需求。但为了更好地发挥数字化电网的优势,在可再生能源发电侧,风力发电透平中的工作负载整合也需要像先变电站中的保护和控制系统一样进行虚拟化,因为风力发电透平控制器中也存在大量专有的软硬件系统。

除了风力发电透平,太阳能电池板、燃料电池、发电机组和储能设备等各种发电电源也是微电网的重要分布式电源组成,微电网可以降低能源成本,为关键业务地运营提供弹性供电,并提供清洁、可持续的能源,从而实现“双碳”目标。

Markets and Markets今年发布的研究报告指出,2021年全球微电网市场规模约为246亿美元,预计到2026年这一数字将增至423亿美元,年复合增长率为11.4%。

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同样,要充分挖掘微电网的全部潜能需要使用标准化的电力自控平台,以便使用虚拟化技术解耦硬件和软件,这同为变电站设计的新型的保护和控制平台非常类似。

至此,不难发现工作负载整合将能够帮助电力公司提高可靠性并降低全生命周期成本,而虚拟化技术将可以帮助电力公司加快产品和服务的上市速度,同时降低运营成本和固定资产成本。

虚拟化技术作为电网数字化转型的关键,内嵌英特尔处理器的硬件系统,包括英特尔至强可扩展处理器、英特尔Arria 10 FPGA 和 SoC、3D XPoint 内存模块、英特尔Movidius视觉处理单元加速卡和英特尔网络接口卡等硬件设备将为电网虚拟化奠定坚实基础。

英特尔能帮助解决哪些电网数字化过程中的问题?

随着能源市场全面拥抱数字化转型,电力系统将从传统架构向全新的数字化新型电力系统标准演进。当然,电网现代化的演进需要对现有电力基础设施进行全面升级,需要电力公司、监管机构、政策制定者以及民营公司跨领域的通力合作。

更为关键的是,数字化转型不能盲目跟风,关键是满足需求、创造价值。电网数字化到底能创造哪些价值?英特尔与多位合作伙伴的合作已经通过实践给出了一些答案。

电力设备的运行状态是电力公司最为重要的监测指标,目前电力公司通过维护人员用手持红外检测设备多以及特定时间点的红外成像设备判断电力设备的状态是否良好。

为了发挥红外技术的优势和提高设备检测效率,英特尔提出了基于Intel 5G MEC(Multi-access Edge Computing)架构和OpenVINO(英特尔推出的一款加速深度学习的推理及部署软件工具套件)的电力设备故障诊断系统。

重构电网蓝图,英特尔如何Inside?

国网信通与英特尔等合作伙伴,通过引入第二代英特尔至强可扩展处理器、英特尔FlexRAN参考架构,以及开放式网络边缘服务软件(OpenNESS)等一系列先进产品与技术,在5G白盒一体化小站设计、统一边缘应用管理,以及高性能计算处理等方面为新方案提供支撑,最终帮助生产人员能够准确方便地发现和测量电力设备温度变化,对消除电力设备的安全隐患起到关键有效的作用。

电能质量也是电力公司和消费者越来越关心的指标,在众多电能质量问题中,电压暂降会引起敏感负荷的故障甚至损坏,造成重大经济损。因此,快速有效检测电压暂降成为解决这一问题的关键。

英特尔提出了一种基于边缘计算+云计算的电压暂降检测及分析方法,并开发完成了基于边缘计算的前端监测装备和基于云计算的后台分析系统。最终的仿真结果表明,英特尔与合作伙伴联合创新的方法能快速、有效检测电压暂降,为电压暂降治理提供了参考依据。

相比解决故障,预测故障对于电力公司有更高价值,在这方面,也有成功案例。面向光伏系统或分支线路的单相接地判断,电网公司通过利用基于机器学习的时间序列分析方法对小电流接地故障诊断进行预测。

实际应用表明,该方案在保证100%判断准确性的基础上,将自动判决的速度从百毫秒级提高到了十毫秒级,大幅提高了判断效率。不仅能够预防接地事故蔓延,增强了新能源项目安全水平,还能维持光伏电厂继续发电,提高经济效益。

小结

要实现碳中和目标,现有的生产和生活方式都将面临根本转型,电网数字化将是适合这一变革的最佳选择。在这个过程中,英特尔作为用算力服务传统能源行业的领头羊之一,将为“双碳”目标以及传统行业的数字化转型提供最有力的保障。

注:文中图片除头图均来自英特尔雷锋网雷锋网(公众号:雷锋网)

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