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”實現(xiàn)目標(biāo)，2030年實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和。邁向碳中和，需要分兩步走，首先需要提前碳達峰，然后再加速凈減碳。

要提前實現(xiàn)碳達峰，減少化石能源的消費成為關(guān)鍵。2020年，我國一次能源消費總量的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比重將達到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上的目標(biāo)。

不過，要提升非化石能源消費的占比，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。

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)字化革命相融并進的必然選擇。這也意味著，新型電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)藍圖得以重構(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)藍圖得以重構(gòu)

既然要重構(gòu)電網(wǎng)藍圖，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?，再通過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。

高成本是因為在役的電網(wǎng)中有數(shù)以億計的固定功能的電力設(shè)備，比如自動化控制器、繼電保護器等，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)團隊都必須趕赴現(xiàn)場進行維護和升級，這帶來了極高成本。

靈活性的問題則是因為能源消費正在變革。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，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)運營、維護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立，并對整個系統(tǒng)進行標(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)運營商充分利用強大的計算能力進行高級監(jiān)測、診斷和安全增強。同時，也可以使用機器學(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%，并將運營和維護總成本降低76%。這樣，越來越多的電力公司開始認識到，有必要使用智慧邊緣架構(gòu)對變電站進行技改和現(xiàn)代化改造。

通過基于英特爾的技術(shù)來實現(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。這是因為，電網(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時數(shù)據(jù)分析實現(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)受了考驗和證明，可以實現(xiàn)軟硬件解耦，幫助電力公司的電網(wǎng)架構(gòu)提升可擴展性、安全性、可靠性和效率。

既然如此，實現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化就需要從最基礎(chǔ)的模塊開始進行虛擬化和軟件化，虛擬保護繼電器（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)備上的保護和控制系統(tǒng)進行虛擬化、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撲集合，轉(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)用進行虛擬化，并引入虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來隔離虛擬機之間的流量，加強軟件化電網(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、可擴展的電網(wǎng)新基礎(chǔ)設(shè)施成為了可能。

實現(xiàn)了電網(wǎng)工作的負載整合，就可以進一步對配網(wǎng)變電站進行現(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)原型機及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范。

雷鋒網(wǎng)了解到，英特爾的配網(wǎng)變電站原型機已經(jīng)通過各種硬件的驗證要求，包括開機可靠性、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。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)借助虛擬化技術(shù)進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)電透平中的工作負載整合也需要像先變電站中的保護和控制系統(tǒng)一樣進行虛擬化，因為風(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)地運營提供彈性供電，并提供清潔、可持續(xù)的能源，從而實現(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)計的新型的保護和控制平臺非常類似。

至此，不難發(fā)現(xiàn)工作負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)，包括英特爾至強可擴展處理器、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)虛擬化奠定堅實基礎(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。當(dāng)然，電網(wǎng)現(xiàn)代化的演進需要對現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施進行全面升級，需要電力公司、監(jiān)管機構(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)通過實踐給出了一些答案。

電力設(shè)備的運行狀態(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人員用手持紅外檢測設(shè)備多以及特定時間點的紅外成像設(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可擴展處理器、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）等一系列先進產(chǎn)品與技術(shù)，在5G白盒一體化小站設(shè)計、統(tǒng)一邊緣應(yīng)用管理，以及高性能計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荷的故障甚至損壞，造成重大經(jīng)濟損。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算+云計算的電壓暫降檢測及分析方法，并開發(fā)完成了基于邊緣計算的前端監(jiān)測裝備和基于云計算的后臺分析系統(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行預(yù)測。

實際應(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，增強了新能源項目安全水平，還能維持光伏電廠繼續(xù)發(fā)電，提高經(jīng)濟效益。

小結(jié)

要實現(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)

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