解密：什麼是「智慧電網」以及它如何運作？
來源：i-SCOOP
智慧電網是一種電力網路/電網，能夠實現電力和數據的雙向流動，因此智慧計量通常被視為第一步。
智慧電網 —— 作為一個概念 —— 在十多年前就廣為人知，在電力部門的數位化轉型中非常重要。介紹智慧電網的定義、趨勢和基本特徵。
智慧電網是一種電力網路，能夠透過數位通信技術，實現電力和數據的雙向流動，從而能夠檢測、反應和主動應對使用變化和多個問題。智慧電網具有自愈能力，使電力客戶成為積極參與者。
大數據分析和物聯網技術是智慧電網中的重要技術驅動因素，分析轉向邊緣，如邊緣運算。智慧電網利用了更多技術，但不僅僅與 IT 有關，甚至與技術有關。
智慧電網有多種用途，從傳統電網向智慧電網的轉變受多種因素驅動。
其中包括能源市場的放鬆管制、計量的演變、電力生產水準的變化、分散化（分佈式能源）、相關「產消者」的出現、不斷變化的法規、微型發電和（孤立的）微電網的興起、可再生能源能源，要求更多的能源和需要電力的新地點和目的（例如電動汽車充電點）。
電力網路或電網，是將電力從生產者和產生和轉換電力的地方（發電廠和變電站）輸送到電力「消耗」的最終目的地的網路：家庭、企業、各種設施和一般消費者。
在實踐中，它是一個高度互連的網路，包含多個組件，例如變電站、輸電線路和佈線、配電線路、變壓器等。
電網生態系統參與者，在能源生產和運輸的分散化方面面臨各種挑戰。
智慧電網和電網現代化 —— 名稱是什麼？
請注意，業內一些人不再談論智慧電網。他們認為該術語指的是在第一代智慧電錶上，佈署高級計量基礎設施(AMI)計劃的第一階段。
例如，他們更喜歡談論電網現代化，因為它的真正含義遠不止智慧計量，而是在兩個方向發送數據，並在相反方向為電網增加電力。然而，儘管許多國家、地區、州等，在十年前就已經採取了這種智慧計量措施，但仍有幾個地方才真正開始。在許多國家，電網參與者的挑戰，主要體現在能源生產和運輸的分散化。
對於像 AllThingsTalk 這樣的物聯網公司來說，能源和電網參與者要求他們，幫助解決的挑戰，是連接大量儀表和標準化結果數據，正如創始人 Tom Casaer 在接受採訪時所解釋的那樣，能夠以更快和自動化的方式推出.
智慧電網與傳統電網的對比 —— 本質與區別
傳統電網幾乎沒有儲存能力，它們是需求驅動的，具有層次結構。在電力網路中，電壓逐漸降低，因此這些不同的消費者可以使用電力：從傳輸電壓水準到配電電壓水準，再到服務電壓水準（實際上它既是加速也是減速，因此有點複雜）。
通常，在傳輸（傳輸電網：高壓和超高壓）和配電（配電網：低壓）之間進行區分，其中不同的佈線和電纜系統出現。電網的目的是確保始終在需要的時間和地點不間斷地提供電力 —— 這就是智慧電網已經可以提供解決方案/答案的許多挑戰。
在智慧電網中，自愈能力能夠自動檢測和響應電網問題，並確保在受到干擾後快速恢復。
鑑於可能出現的複雜性和多重挑戰，例如惡劣天氣條件的後果、野生動物的破壞、人為破壞和其他外部因素和內部因素（設備故障和關鍵資產問題），管理電網非常複雜，需要專門的專家的領域，他們還需要考慮政府在能源法規和永續發展倡議方面的選擇。
電力和數據的雙向流動是智慧電網的基本特徵，能夠將資訊和數據提供給電力市場中的各個利益相關者，可以對其進行分析以優化電網、預見潛在問題、在挑戰出現時，更快地做出反應隨著電力格局的變化，建立新的能力和服務。
電力市場、電力消耗、法規、各種利益相關者的需求，以及電力生產都在發生變化。因此，智慧電網計劃遍布全球，儘管有時採用不同的方法和目標。
雖然智慧電網仍然是指數據和電力的雙向傳輸（產消者和組織也發電），但鑑於這一重要變化帶來的許多可能性，以及越來越多的技術用於智慧電網，該術語的含義和範圍已經擴大智慧電網佈署的背景。
如前所述，這包括物聯網技術（電網是高度感測器密集型操作，早在任何人使用物聯網這個詞之前）、大數據和高級分析，以及人工智慧和機器學習、用於發送數據的充足通信標準點對點（例如從智慧電錶到公用事業公司）和更多技術（例如數位雙胞胎），我們看到在公用事業數位化轉型和工業 4.0中出現。
如前所述，我們還必須在這裡提到邊緣運算。邊緣運算和邊緣分析，在整體公用事業中發揮著重要作用。
智慧電網：不僅僅是智慧電錶和先進的計量基礎設施
如前所述，當人們第一次聽說智慧電網計劃時，其中一個主要方面是計量和所謂的智慧電錶。智慧電錶是幾十年前開始的演變的下一個階段，並導致了第一個智慧電網技術，如自動計量和下一個高級計量基礎設施。
微電網在建構低碳未來方面，發揮著重要作用，因為它們為主電網帶來彈性、優化能源成本、允許可再生能源託管、增加電動汽車整合併改善能源可及性。
然而，智慧電網不僅僅是智慧計量，其他一些要素還包括配電線路和變電站（變電站自動化以及越來越多的數位變電站）、防止停電和確保電能品質（可用性、可靠性、等），整合各種來源的能源，更加關注「綠色能源」、智慧發電、輸電線路感測、電力系統自動化、包括微型發電，特別是組織和大型設施可以自己發電和將其提供給中央網路網格（在產消者之上），更好和更多的電力儲存能力，增強安全性的方法，節省貴金屬的替代傳輸方法，以及在舊電網需要更換的國家和地區，設計更現代和穩定的電網。
目前，人們非常關注自愈電網容量、微電網和分佈式能源(DER)、電網中的通信架構和技術，以及在電網較舊的地區使用智慧電網技術/解決方案/方法。停電和電能品質差。
「智慧電網的主要特徵之一是其自我修復能力」，施耐德電氣的 Julio Cesar Martins 證實（該公司有一個名為 EcoXpert 的通路計劃，用於關鍵電力、變電站自動化等方面的認證，並且是領先的之一智慧電網市場的參與者）。
在談到 FLISR 技術（故障定位、隔離和服務恢復）時，他補充說，自我修復功能可以最大限度地減少停電，因為它們允許進行持續的自我評估，檢查、分析、響應和自動響應問題。
這是透過廣泛佈署智慧感測器和其他智慧設備，以及自動控制來實現的，這些設備可以檢查和評估網路的狀態和狀況，以辨識他所說的異常和問題。
靈活是另一個關鍵詞。根據之前提到的到 2023 年，65% 的電力公司將投資於數位技術和平台，以支持靈活性服務，從而激活高達 35% 的裝機容量的負載潛力。
利用分析的力量，智慧電網通常包括資產優化、預測性維護、上述自我修復，以及在出現問題或需要維護時，重新啟動（部分）電網的任何方法等領域的工業物聯網應用案例。外部因素以及糾正和優化電能品質的方法，同時確保以最佳方式滿足電力需求，同時實現節能和環保要求。
隨著新技術繼續允許不同形式的發電、儲存和傳輸，集中式發電正越來越多地讓位於分散式發電。
產消者在能源公司和公用事業價值鏈中的各種參與者（如能源零售商）的努力中發揮著重要作用，因此以客戶為中心和改善客戶體驗是關鍵。IDC 表示，2019 年，公用事業/能源零售商在人工智慧方面的投資翻了一番，以提高客戶的便利性、客製化和控制力，從而提升客戶體驗。
智慧電網不應該只是減少電力浪費，和提高電力部門的競爭力，還應該讓消費者更好地控制（能源公司也希望看到更少的未付賬單）。
分散式能源發電和智慧電網
如前所述，電力行業的主要變化之一，是所謂的分散式能源發電，和微電網/微型發電的興起。
去中心化能源生產本質上，意味著越來越多的能源，以更接近需要能源的客戶的各種方式產生（和儲存）。如果廣義上的能源消費者更頻繁地產生自己的能源，這實際上意味著在各種「更高」級別的電網中賺到的錢更少。
「更近」並不一定意味著距離。如果一家公司在它所 在的地方有發電裝置，那麼機會確實很高，沒有其他東西在實體上更接近。然而，你可以完美地想像發電廠也可以在實體上，非常接近的情況。重要的是整合各種資源的能力，其中分散能源通常是指在靠近使用點，而不是在某個大型工廠生產的能源，從那裡通過國家電網輸送。
到 2023 年，65% 的電力公司將投資於數位技術和平台，以支持靈活性服務，從而激活高達 35% 的裝機容量(IDC)的負載潛力
「隨著新技術繼續允許不同形式的發電、儲存和傳輸，集中式發電正越來越多地讓位於分散式發電，」Emmanuel Lagarrigue 說。他補充說，去中心化不亞於我們如何生成、儲存、行動和消耗能源的一場革命。
挑戰之一是整合所有這些，但也將可能以分散方式，創建的額外容量發送到電網，從而使公司和個人成為能源的賣家和買家。你可以想像這不是智慧電網方程式中最簡單的任務。孤立的微電網還可以最大限度地減少潛在中斷的影響。
什麼是智慧電網？智慧電網定義和需要解決的一些挑戰
智慧電網被定義為（一個網路）自給自足的系統，能夠將任何類型和/或規模的發電資源整合到電網中，從而減少勞動力，並目的在提供安全、可靠、高品質和為消費者和組織提供永續電力。
減少勞動力的方面確實也很重要。預計智慧電網將需要很少的工人，因為它們將成為真正的自給自足系統。在致力於智慧電網的國家和國際實例，所提供的定義中，它的重點較少，主要是為瞭解決好處（本文底部提到了一些更多的挑戰）。
Debashish Chakraborty 的另一個定義是：「智慧電網是一個智慧數位化能源網路，以最佳方式從源頭到消費地提供能源」。
「這是透過將資訊、電信和電力技術，與現有電力系統相結合來實現的。它引入了一種雙向對話，電力和資訊可以在公用事業公司，與其客戶之間交換。它是一個由通信、控制、電腦、自動化，以及新技術和工具組成的發展中網路，它們共同使電網更高效、更可靠、更安全和更環保。」
當然，我們不能忘記那些擁有智慧電網專案/政策的國家和超國家實例（電網可以是區域性、國家性、國際性等，具體取決於區域） 。
歐盟對智慧電網的定義如下：智慧電網是一種電力網路，可以經濟高效地整合與其連接的所有用戶（發電機、消費者和兩者兼有）的行為和行為，以確保經濟高效、永續的電力系統具有低損失，和高水準平的品質和供應和安全保障。
智慧電網的好處，包括提高電力供應的效率和可靠性，將更多的可再生能源整合到現有網路中，支持電動汽車的大規模發展，為客戶優化電力消耗和減少碳排放提供新的解決方案。
雖然歐盟（PDF 下載）承認電網的幾個部分都存在智慧元素，但它對現有電網和智慧電網的區別如下：「今天的電網和未來的智慧電網之間的區別，主要在於電網的以高效和有效的方式，處理比現在更複雜的能力」。
根據歐盟的說法，智慧電網採用創新產品和服務，以及智慧監控、控制、通信和自愈技術來：
- 更好地促進各種規模和技術的發電機的連接和運行；
- 讓消費者參與優化系統的運行；
- 為消費者提供更多關於他們如何使用供應的資訊和選擇；
- 顯著降低整個供電系統對環境的影響；
- 保持甚至提高現有的高水準系統可靠性、供應品質和安全性；
- 有效地維護和改進現有服務。
類似的智慧電網定義，存在於世界其他地區存在智慧電網計劃的地區，大多數國家都是這種情況，顯然包括美國。
美國能源部將「智慧電網」 （美國的整體智慧電網計劃稱為）描述為將能源行業推向可靠性、可用性和效率的新時代的前所未有的機會，這將有助於經濟和環境健康。
它總結了與智慧電網相關的一些好處（同樣是倡議，但你可以將其擴展到智慧電網）：
- 更高效的電力傳輸；
- 電力干擾後更快恢復電力；
- 降低公用事業的營運和管理成本，最終降低消費者的電力成本；
- 減少高峰需求，這也將有助於降低電費；
- 增加大規模可再生能源系統的整合；
- 更好地整合客戶-業主發電系統，包括可再生能源系統；
- 提高了安全性。
智慧電網：一些額外的挑戰
顯然，轉向智慧電網也存在挑戰。在本概述的前面部分已經解決了一些問題。其他問題包括消費者關注（隱私和個人數據保護）和網路安全。
在智慧電錶計劃已經開始的國家，我們經常看到消費者的抵制（因此，安裝智慧電錶通常最終成為一種選擇；在其他國家，拒絕會導致財務後果，或者假設接受意味著經濟回報）。
第二個挑戰當然是整體網路安全方面，這在所有工業環境中都是典型的數位化和數位化轉型，數據成為關鍵，IT 和 OT 融合（IT 代表資訊技術，OT 代表營運技術）。
智慧電網將通過開發整合在網路設備中的附加智慧（例如變壓器的溫度控制、電纜的即時熱監測等）來提高網路靈活性，並將改進現有的通信系統（歐盟委員會智慧電網工作組）
智慧電網的其他挑戰包括監管變化、在放鬆管制的市場中整合資源、系統和不同參與者之間的合作關係的複雜性、當地情況，即選定數量的大公司通常仍占主導地位，以及產消者態度的變化。
本文的目的是介紹智慧電網，並解釋智慧電網概念的本質（我們稱之為概念，因為還沒有真正的智慧電網）。然而，考慮到電網的絕對複雜性、所涉及的組件和眾多利益相關者，當然還有更多內容。
智慧電網顯然適合更廣泛的公用事業數位化轉型，鑑於有這麼多利益相關者（包括地方和更高級別的當局）以及萬物互聯的事實，它還涉及智慧製造和智慧城市等其他幾個所謂的「智慧」領域到智慧家庭和智慧樓宇。
從先進的計量基礎設施到分佈式能源
最後的想法：如前所述，智慧電網概念並不新鮮。此外，這是一個旅程和漸進的過程，包含許多可能的不同步驟和挑戰。儘管如此，很明顯我們已經遠遠超出了高級計量的早期階段。
智慧電網包括各種運行和能源措施，例如智慧電錶、智慧電器、可再生能源和節能資源。
Zach Pollock 描述了自「智慧電網之旅」一詞首次出現以來的演變：「第一波電網投資發生在 2000 年代後期，打著智能電網技術的旗號，導致公用事業公司擁有、儀表資產，例如高級計量基礎設施(AMI)和配電自動化設備。今天，電網現代化已經發展到更加包容客戶的偏好和願望。在許多地區，這已轉化為促進分佈式能源(DER)整合的基礎設施和流程改進。」
正如這裡所解釋的，分佈式能源(DER)，是直接連接到本地配電系統，或連接到本地配電系統內的主機設施的發電資源或可控負載。
DER 系統通常使用可再生能源，包括小水電、生物質能、沼氣、太陽能、風能和地熱能，並且在配電系統中發揮著越來越重要的作用。
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