重構(gòu)電網(wǎng)藍(lán)圖，英特爾如何Inside？

應(yīng)對氣候變化已經(jīng)成為了全人類共同面臨的挑戰(zhàn)。我國已經(jīng)明確了“雙碳”實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。邁向碳中和，需要分兩步走，首先需要提前碳達(dá)峰，然后再加速凈減碳。

要提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，減少化石能源的消費(fèi)成為關(guān)鍵。2020年，我國一次能源消費(fèi)總量的85%為富碳化石能源。為此，我國提出，到2030年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上的目標(biāo)。

不過，要提升非化石能源消費(fèi)的占比，需要先解決現(xiàn)有電網(wǎng)靈活性和能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化升級的問題。

自20世紀(jì)首批集中式電網(wǎng)問世以來，幾乎所有電力都是由集中式的大型發(fā)電廠通過輸配電網(wǎng)輸送。隨著非化石燃料發(fā)電電源的增加，風(fēng)電、太陽能等分布式能源并網(wǎng)需求劇增，電力的傳輸就需要向雙向化的電網(wǎng)新架構(gòu)和商業(yè)新模式的雙新目標(biāo)演進(jìn)。

顯然，電力數(shù)字化成了新型電力系統(tǒng)適應(yīng)能源革命和數(shù)字化革命相融并進(jìn)的必然選擇。這也意味著，新型電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)藍(lán)圖得以重構(gòu)。

那么，新型電力系統(tǒng)下的電網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)該如何進(jìn)行電力數(shù)字化升級？效果又將如何呢？

面對能源革命，新型電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)藍(lán)圖得以重構(gòu)

既然要重構(gòu)電網(wǎng)藍(lán)圖，那就先了解一下目前的電網(wǎng)架構(gòu)。絕大多數(shù)的輸電變電站和配電變電站都建造于幾十年前，電廠所發(fā)送的電力先通過升壓變電站升壓，然后通過輸電電纜傳輸?shù)捷旊娮冸娬荆偻ㄟ^多級配電變電站變壓，最后輸送給企業(yè)和家庭電力用戶。

但目前的電網(wǎng)架構(gòu)有兩大的問題，高成本和缺乏靈活性。

高成本是因?yàn)樵谝鄣碾娋W(wǎng)中有數(shù)以億計(jì)的固定功能的電力設(shè)備，比如自動化控制器、繼電保護(hù)器等，這些電力設(shè)備使用特定廠家的專用硬件和軟件，每次出現(xiàn)問題或需要升級時，技術(shù)團(tuán)隊(duì)都必須趕赴現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)和升級，這帶來了極高成本。

靈活性的問題則是因?yàn)槟茉聪M(fèi)正在變革。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是為集中式大型電廠的輸配電任務(wù)設(shè)計(jì)，隨著太陽能、風(fēng)電等的分布式電源的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無法完全滿足用于分布式電源向電網(wǎng)進(jìn)行電力傳輸?shù)目刂啤?/p>

包含邊緣分布式電源的智能電網(wǎng)架構(gòu)

也就是說，無論是為了解決電網(wǎng)運(yùn)營、維護(hù)和升級的高成本挑戰(zhàn)，或是適應(yīng)新能源大規(guī)模高比例并網(wǎng)和消納要求，還是支撐分布式能源、儲能設(shè)施廣泛接入，都需要重構(gòu)電網(wǎng)藍(lán)圖，推動電網(wǎng)向更加智慧、更加友好的能源互聯(lián)網(wǎng)升級。

要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，需要借助虛擬化技術(shù)使硬件與軟件相互獨(dú)立，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

標(biāo)準(zhǔn)化不僅能夠取代傳統(tǒng)電力設(shè)備自頂向下的專屬硬件和軟件，還能讓多個智能電子設(shè)備可以通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相互通信或各自與監(jiān)控中心通信，最終讓電力系統(tǒng)能夠整合工作負(fù)載，靈活部署新應(yīng)用。

當(dāng)然，電網(wǎng)現(xiàn)代化也能夠幫助電網(wǎng)運(yùn)營商充分利用強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行高級監(jiān)測、診斷和安全增強(qiáng)。同時，也可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘電力大數(shù)據(jù)這座“富礦”，以獲取更深刻的洞察。

有數(shù)據(jù)顯示，部署軟件定義的自動化和控制系統(tǒng)能夠?qū)⒆冸娬局械目傇O(shè)備數(shù)量減少50%，并將運(yùn)營和維護(hù)總成本降低76%。這樣，越來越多的電力公司開始認(rèn)識到，有必要使用智慧邊緣架構(gòu)對變電站進(jìn)行技改和現(xiàn)代化改造。

通過基于英特爾的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)代化，將幫助電力公司打破傳統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)的局限。

虛擬化技術(shù)支撐電網(wǎng)現(xiàn)代化

電網(wǎng)的現(xiàn)代化需要大數(shù)據(jù)、云、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)和能源技術(shù)的深度融合。這是因?yàn)椋娋W(wǎng)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施是一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的新型基礎(chǔ)設(shè)施，支持各類電力裝置連接到智能電力網(wǎng)絡(luò)，幫助電力公司通過實(shí)時數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)可執(zhí)行的洞察和自動化的控制。

其中，電網(wǎng)現(xiàn)代化的基石是虛擬化技術(shù)，虛擬化技術(shù)過去十年間在數(shù)據(jù)中心經(jīng)受了考驗(yàn)和證明，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，幫助電力公司的電網(wǎng)架構(gòu)提升可擴(kuò)展性、安全性、可靠性和效率。

既然如此，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化就需要從最基礎(chǔ)的模塊開始進(jìn)行虛擬化和軟件化，虛擬保護(hù)繼電器（VPR）、微數(shù)據(jù)中心、配網(wǎng)變電站、風(fēng)力發(fā)電透平和微電網(wǎng)都是非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)模塊。

繼電保護(hù)裝置的作用是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時，能夠及時發(fā)出警告信號并直接自動觸發(fā)跳閘動作。將構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)備上的保護(hù)和控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化、軟件化，集中化的新架構(gòu)就可以大幅度減少電力裝置的數(shù)量，還能減少工作人員往返變電站的頻率，降低運(yùn)維成本。

在虛擬繼電裝置的基礎(chǔ)上，就可以將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)架構(gòu)從固定功能電力裝置組成的拓?fù)浼希D(zhuǎn)向采用標(biāo)準(zhǔn)化新電力融合邊緣基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行新型電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

一種基于微數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的新型電力系統(tǒng)架構(gòu)正在得到大力發(fā)展，這種微數(shù)據(jù)中心可在站內(nèi)總線層面對變電自動化和IT信息化應(yīng)用進(jìn)行虛擬化，并引入虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來隔離虛擬機(jī)之間的流量，加強(qiáng)軟件化電網(wǎng)裝置間的隔離和安全性，還有助于改善電力公司的通信和決策。

當(dāng)然，新型電力系統(tǒng)的架構(gòu)需要有先進(jìn)技術(shù)和穩(wěn)定的產(chǎn)品作為支撐。英特爾與電力合作伙伴所推動的變電站微數(shù)據(jù)中心技術(shù)，將以運(yùn)營技術(shù)為核心的應(yīng)用和以信息技術(shù)為核心的應(yīng)用融合到集中的、可擴(kuò)展的電網(wǎng)新基礎(chǔ)設(shè)施成為了可能。

實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)工作的負(fù)載整合，就可以進(jìn)一步對配網(wǎng)變電站進(jìn)行現(xiàn)代化改造。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)變電站由于物理尺寸的限制，想要為每個應(yīng)用添加新硬件的空間非常有限，用人工更換或升級每臺設(shè)備成本又很高昂。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的配網(wǎng)變電站全新參考架構(gòu)不僅能夠解決這個問題，還能滿足靈活性需求。英特爾與行業(yè)合作伙伴形成合作聯(lián)盟，已經(jīng)開發(fā)出了相關(guān)原型機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范。

雷鋒網(wǎng)了解到，英特爾的配網(wǎng)變電站原型機(jī)已經(jīng)通過各種硬件的驗(yàn)證要求，包括開機(jī)可靠性、高溫承受度以及IEC 61850-3變電站標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性。同時，電氣裝置數(shù)量和現(xiàn)場安裝服務(wù)需求的減少將幫助電力公司降低固定資產(chǎn)成本、運(yùn)營成本和系統(tǒng)集成成本，新應(yīng)用的部署和規(guī)模化更加簡單，安全性也大幅增強(qiáng)。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)借助虛擬化技術(shù)進(jìn)行一系列的升級和改造之后，就足以滿足分布式能源系統(tǒng)的并網(wǎng)需求。但為了更好地發(fā)揮數(shù)字化電網(wǎng)的優(yōu)勢，在可再生能源發(fā)電側(cè)，風(fēng)力發(fā)電透平中的工作負(fù)載整合也需要像先變電站中的保護(hù)和控制系統(tǒng)一樣進(jìn)行虛擬化，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電透平控制器中也存在大量專有的軟硬件系統(tǒng)。

除了風(fēng)力發(fā)電透平，太陽能電池板、燃料電池、發(fā)電機(jī)組和儲能設(shè)備等各種發(fā)電電源也是微電網(wǎng)的重要分布式電源組成，微電網(wǎng)可以降低能源成本，為關(guān)鍵業(yè)務(wù)地運(yùn)營提供彈性供電，并提供清潔、可持續(xù)的能源，從而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

Markets and Markets今年發(fā)布的研究報告指出，2021年全球微電網(wǎng)市場規(guī)模約為246億美元，預(yù)計(jì)到2026年這一數(shù)字將增至423億美元，年復(fù)合增長率為11.4%。

同樣，要充分挖掘微電網(wǎng)的全部潛能需要使用標(biāo)準(zhǔn)化的電力自控平臺，以便使用虛擬化技術(shù)解耦硬件和軟件，這同為變電站設(shè)計(jì)的新型的保護(hù)和控制平臺非常類似。

至此，不難發(fā)現(xiàn)工作負(fù)載整合將能夠幫助電力公司提高可靠性并降低全生命周期成本，而虛擬化技術(shù)將可以幫助電力公司加快產(chǎn)品和服務(wù)的上市速度，同時降低運(yùn)營成本和固定資產(chǎn)成本。

虛擬化技術(shù)作為電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，內(nèi)嵌英特爾處理器的硬件系統(tǒng)，包括英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器、英特爾Arria 10 FPGA 和 SoC、3D XPoint 內(nèi)存模塊、英特爾Movidius視覺處理單元加速卡和英特爾網(wǎng)絡(luò)接口卡等硬件設(shè)備將為電網(wǎng)虛擬化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

英特爾能幫助解決哪些電網(wǎng)數(shù)字化過程中的問題？

隨著能源市場全面擁抱數(shù)字化轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)將從傳統(tǒng)架構(gòu)向全新的數(shù)字化新型電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)。當(dāng)然，電網(wǎng)現(xiàn)代化的演進(jìn)需要對現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面升級，需要電力公司、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、政策制定者以及民營公司跨領(lǐng)域的通力合作。

更為關(guān)鍵的是，數(shù)字化轉(zhuǎn)型不能盲目跟風(fēng)，關(guān)鍵是滿足需求、創(chuàng)造價值。電網(wǎng)數(shù)字化到底能創(chuàng)造哪些價值？英特爾與多位合作伙伴的合作已經(jīng)通過實(shí)踐給出了一些答案。

電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是電力公司最為重要的監(jiān)測指標(biāo)，目前電力公司通過維護(hù)人員用手持紅外檢測設(shè)備多以及特定時間點(diǎn)的紅外成像設(shè)備判斷電力設(shè)備的狀態(tài)是否良好。

為了發(fā)揮紅外技術(shù)的優(yōu)勢和提高設(shè)備檢測效率，英特爾提出了基于Intel 5G MEC（Multi-access Edge Computing）架構(gòu)和OpenVINO（英特爾推出的一款加速深度學(xué)習(xí)的推理及部署軟件工具套件）的電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。

國網(wǎng)信通與英特爾等合作伙伴，通過引入第二代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器、英特爾FlexRAN參考架構(gòu)，以及開放式網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)軟件（OpenNESS）等一系列先進(jìn)產(chǎn)品與技術(shù)，在5G白盒一體化小站設(shè)計(jì)、統(tǒng)一邊緣應(yīng)用管理，以及高性能計(jì)算處理等方面為新方案提供支撐，最終幫助生產(chǎn)人員能夠準(zhǔn)確方便地發(fā)現(xiàn)和測量電力設(shè)備溫度變化，對消除電力設(shè)備的安全隱患起到關(guān)鍵有效的作用。

電能質(zhì)量也是電力公司和消費(fèi)者越來越關(guān)心的指標(biāo)，在眾多電能質(zhì)量問題中，電壓暫降會引起敏感負(fù)荷的故障甚至損壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損。因此，快速有效檢測電壓暫降成為解決這一問題的關(guān)鍵。

英特爾提出了一種基于邊緣計(jì)算+云計(jì)算的電壓暫降檢測及分析方法，并開發(fā)完成了基于邊緣計(jì)算的前端監(jiān)測裝備和基于云計(jì)算的后臺分析系統(tǒng)。最終的仿真結(jié)果表明，英特爾與合作伙伴聯(lián)合創(chuàng)新的方法能快速、有效檢測電壓暫降，為電壓暫降治理提供了參考依據(jù)。

相比解決故障，預(yù)測故障對于電力公司有更高價值，在這方面，也有成功案例。面向光伏系統(tǒng)或分支線路的單相接地判斷，電網(wǎng)公司通過利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的時間序列分析方法對小電流接地故障診斷進(jìn)行預(yù)測。

實(shí)際應(yīng)用表明，該方案在保證100%判斷準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，將自動判決的速度從百毫秒級提高到了十毫秒級，大幅提高了判斷效率。不僅能夠預(yù)防接地事故蔓延，增強(qiáng)了新能源項(xiàng)目安全水平，還能維持光伏電廠繼續(xù)發(fā)電，提高經(jīng)濟(jì)效益。

小結(jié)

要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，現(xiàn)有的生產(chǎn)和生活方式都將面臨根本轉(zhuǎn)型，電網(wǎng)數(shù)字化將是適合這一變革的最佳選擇。在這個過程中，英特爾作為用算力服務(wù)傳統(tǒng)能源行業(yè)的領(lǐng)頭羊之一，將為“雙碳”目標(biāo)以及傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供最有力的保障。

注：文中圖片除頭圖均來自英特爾雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。