人物专访 | 配备高端测量技术的电网 — 引领未来能源转型的新引擎

　　配备高端测量技术的电网

　　— 引领未来能源转型的新引擎

　　近年来，德国政府出台多项措施加速推动能源转型，太阳能、水能和风能等可再生能源的比例大幅增加，到 2023 年，这些可再生能源的发电量已经占到德国总发电量的一半以上。倍福 I/O 产品经理 Fabian Assion 博士从控制技术的角度深入剖析了高度波动的可再生能源占比给电网运行带来的挑战，以及这一现状对构建未来智能电网的深远意义。

　　Q：智能电网在能源转型中扮演什么角色？对电网管理有什么深远影响？

　　Fabian Assion 博士：可再生能源发电量占比的增加导致供电网稳定性面临更大挑战的原因主要有两个。第一个原因是，可再生能源的发电方式更加分散，不再像以前的大型发电厂那样集中。因此，现有的电网物理结构已难以满足当前分布式能源发电的需求：电流的变化有时会引发电网不稳定，甚至出现过载现象。第二个原因在于，传统发电厂通常使用的都是同步发电机。这对于电网运行来说是个非常理想的选择，例如，在发生接地故障时，它能提供最佳电网支撑。而可再生能源的发电则由逆变器控制。因此，它们在此类情况下提供电流能力方面存在局限性，这也会导致电网不稳定。当前能源供给网络的整体控制也因此愈发显得错综复杂。而这正是智能电网的用武之地：智能电网拥有更详尽、实时的电网状态信息，因此更易于控制。

　　

　　倍福 I/O 产品经理 Fabian Assion 博士：“随着可再生能源占比的持续攀升，电网的各个层级亟需融入更多且控制系统集成的测量技术。”

　　Q：在测量设备方面，智能电网需要哪些额外的技术需求，能举例说明吗？

　　Fabian Assion 博士：必须在电网的各个层级额外使用测量设备。迄今为止，特高压与高压领域已广泛采用了这一技术，但中压与低压领域则鲜有实施，几乎处于空白状态。从投入角度来说，事实上，低压电网尤其需要进行升级。这是因为相较于高压电网，低压电网的覆盖范围更为广泛。因此，相应的需要布置更多的测量点。即便是采取了最为合理且全面的方法，也仍需部署数十万个测量点。我们可以以供电网最末端环节的变电站为例来讨论增设测量点的问题。变电站是将中压电转换为低压电的场所，通常有 8 个或更多低压输出端的变压器来完成这一转换过程。这些电压输出端都应配备先进的测量设备，以精准测量各个关键变量。在德国，约有十万个变电站需配备测量设备。

　　Q：有哪些相关的测量指标？

　　Fabian Assion 博士：电流当然是最重要的数值之一，但单纯的电流数值本身并不足以全面反映电网的运行状况。在条件允许的情况下，还应详细记录每条输出馈电线路上各种类型的功率数据（无功功率、视在功率和有功功率），以便更加准确地评估电网状态。这一点尤为重要，因为在当前电网中，绝大多数负载设备都会使用供电装置，它们在运行过程中不可避免地会产生不良谐波。换言之，对于肩负电网质量保障重任的运营商而言，详尽地收集每条电压输出线上的谐波数据，甚至精确到每个谐波的具体水平，几乎已成为一项不可或缺的任务，以便在必要时采取有针对性的措施。

　　

　　我们需要尽可能相近地记录可再生能源的测量数据，例如 DeWind 为阿根廷维拉德罗金矿（海拔 4300 米）提供的风力发电机所产生的宝贵数据。

　　Q：倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术及其系统集成测量技术具有哪些优势？

　　Fabian Assion 博士：采用倍福先进的基于 PC 的控制技术，只需较小的技术和资金投入即可高效完成测量任务。此外，倍福的测量产品不仅测量精度高，而且使用方便。它们基于 EtherCAT 及其分布式时钟功能，因此测量速度足够快，测量精度也足够高，能够实时响应电网中的瞬时事件。我们想特别强调的是，通过实施分布式电力测量方案，我们实现了成本效益与数据质量并重的目标。

　　

　　借助 EtherCAT 的分布式时钟功能，仅需部署一个 EL3443 测量端子模块，即可与分布在电网中的任意数量的 EL3446 测量端子模块配合，打造分布式电力测量解决方案，实现详尽且高质量的电力测量。

　　Q：分布式电力测量方案背后的原理究竟是什么？

　　Fabian Assion 博士：EtherCAT 端子模块 EL3446 是一个纯电流测量端子模块，它能够测定供电网络的所有相关电气数据，包括所有电力测量值（电压相关数据除外）。系统中部署的 EL3446 端子模块可以根据需要通过 EtherCAT 接收 EL3443 电力测量端子模块（每个网络只能安装一次）中计算电力数据所需的电压值，并通过 EtherCAT 分布式时钟功能进行数据同步处理。这样就能够显著减少硬件投入与安装成本，确保电网质量的可靠监控，同时精准测量每条输出电压馈电线路的谐波以及由此产生的电力品质因数。

　　

　　倍福的分布式电力测量解决方案极大地降低了综合能源数据采集的材料成本与安装费用。

　　Q：基于 PC 的控制解决方案已经在风力发电等领域屡经考验，充分展示了其价值。它的主要优势是什么？

　　Fabian Assion 博士：全球有超过 100,000 台风力发电机已经使用我们基于 PC 的控制技术进行自动化改造，单台风力发电机的容量最大可达 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰显了其无可比拟的优势，它通过实现极为快速且精准的同步控制流程，显著提升了运行效率与发电性能。EtherCAT 的卓越性能不仅局限于单台风机，而且能够胜任更大规模的风力发电机组的通信任务，乃至整个风电场的联网控制。就海上风机而言，高压直流输电（HVDC）也是供电网中最复杂的部分之一。倍福基于 PC 的控制技术也已成功应用于这一领域。这一点在西门子能源解决方案中得到了很好的说明。

　　

　　作为输电系统和电网稳定领域的杰出制造商，西门子能源今后将更加信赖倍福基于 PC 的控制技术（本案例中为高压直流输电系统）。

　　Q：倍福技术不仅在发电领域，而且在区域供电网的能源分配过程中也展现了显著的优势。可以挖掘出哪些效率潜力？

　　Fabian Assion 博士：除了系统集成的测量技术之外，倍福的 I/O 解决方案也为用户带来了诸多裨益，这些解决方案能够轻松应对各类应用场景的市场需求及复杂多变的环境条件。这意味着，无论是电力测量，还是远程控制协议、开关位置、信号消息以及变压器和环境温度等关键信息，所有所需的数据都可以在控制系统中进行记录和整合。瑞士西区能源供应商 Romande Energie 的应用案例充分说明了倍福技术在强化电网安全管理方面所做出的杰出贡献。

　　

　　瑞士五大能源供应商之一的 Romande Energie 公司在其变电站中采用了倍福的系统集成式测量解决方案，采用了 EL3453 电力测量端子模块以及其他 EtherCAT 端子模块，以保障其电网的可利用率（本案例中为高压装置）。

　　Q：数据测量固然重要，但确保电网系统稳定则是另一项不容忽视的关键任务。在频率控制与电网稳定方面，基于 PC 的控制技术能提供哪些解决方案？

　　Fabian Assion 博士：能源供应电网的频率控制和稳定是一项极为复杂且精细的任务。这项任务不仅依赖于全面的电网数据支持，还要求系统具有极快的响应速度 — 从毫秒级乃至微秒级。2015 年，韩国公司 Power 21 使用我们具有超采样功能的 EL3773 电网监测端子模块为能源供应商 KEPCO 成功实施了高精度频率测量解决方案。另一个例子是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的电力系统和高压技术研究所（IEH）正在研究如何确保因向可再生能源过渡而发生变化的输电网的系统稳定性。除了模拟研究之外，发电厂和基于逆变器的发电系统的行为正在被用作专用测试环境的孤岛电网中进行仿真。为此，研究人员正在运行安装有 TwinCAT 的倍福嵌入式控制器上实施具有创新意义的新型控制方法，以验证它们在真实场景中的应用是否可行。

　　

　　使用 TwinCAT HMI 对德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的电力系统和高压技术研究所（IEH）的电网仿真进行操作和监控。

　　Q：区域性电力用户，尤其是那些配备了独立供电网的大型工业厂房，有哪些节电潜力可以挖掘？

　　Fabian Assion 博士：我们自主研发的能源管理系统具备出色的负荷跟踪能力，并能够通过避开用电高峰时段的方式实现成本的最小化。在构建企业内部能源供给网络时，这一系统显得尤为重要，无论是大型工业集团，还是中小型企业，都需要配备这样的能源管理系统。一旦企业成功安装了诸如光伏发电系统之类的自有发电设施，接下来就应当将能源管理视作下一步工作的重中之重。如果企业同时配备了储能系统和可控负载（如双向充电桩），就能够精准控制能源流动。

　　Q：在建筑和生产的控制以及它们的能源协调管理方面，基于 PC 的集成式控制技术有何重要性？

　　Fabian Assion 博士：倍福的集成式解决方案显著简化了能源数据的测量过程。它们与相应的能源管理系统相辅相成，不仅奠定了从能源角度审视并优化流程的基础，还为企业灵活应对电价波动提供了有力支撑。两者都为降低能源成本提供了巨大的潜力。成功案例包括制药企业 Engelhard Arzneimittel 采用一站式解决方案实现生产流程和楼宇自动化，以及奥地利机电一体化制造商珀尔曼公司采用基于 PC 的控制技术实现楼宇和生产自动化的集中控制。

　　

　　奥地利天窗机械组件和门锁外壳供应商铂尔曼的 Vitis 工厂拥有高效的能源系统和智能高效的生产方式（基于 PC 的自动化控制），因此被奥地利弗劳恩霍夫研究院评选为奥地利最佳工厂。

　　Q：随着可再生能源占比的持续攀升，对分布式储能能力的扩展需求也日益迫切。基于 PC 的控制为电池储能系统、沼气发电厂以及储氢系统提供了哪些控制选项？

　　Fabian Assion 博士：我们的控制和测量技术的应用领域与储能系统本身一样具有多样性。在动力电池应用方面，一个极具潜力的实践案例是将电动汽车转变为停车库中的储能系统。倍福通过 TwinCAT 3 IoT OCPP（开放充电点协议）和 EL6761 EtherCAT 端子模块，为充电站和电动汽车之间、现有充电桩之间以及充电桩与相应的中央管理系统之间的 ISO 15118 通信提供了完整的解决方案。Reverion 公司的紧凑型集装箱式沼气发电机组和吉凯恩氢气公司的低压金属氢化物储氢系统。

　　

　　得益于基于 PC 的控制技术，Reverion 沼气发电机组安装在一个高度紧凑的集装箱内，发电率高达 80%，并且支持可逆运行。

　　Q：最后，您还有什么要补充的吗？

　　Fabian Assion 博士：当前，我们都面临着诸多严峻挑战，其中一项便是能源供应结构的优化调整。倍福正不遗余力地践行着公司所有者兼创始人的核心理念与座右铭：“工程师们必须肩负起拯救世界的重任！”。然而，我们必须坦诚地说，仅凭我们一己之力是远远不够的。因此，我诚挚地向我们现有的以及未来即将加入的每一位客户发出邀请，让我们携手并肩，齐心协力，共同完成这一重要使命！

　　关于德国倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家专注于自动化新技术的德资企业，创立于 1980 年，总部位于德国威尔市。作为全球自动化技术的驱动者，倍福定义了自动化领域的许多标准，是国际标准的制定者和推动者。公司所生产的工业 PC、现场总线模块、驱动产品和 TwinCAT 自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。经过 40 年的发展和努力，倍福已在世界各地设立 30 多家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及 70 多个国家和地区。

　　倍福于 1997 年进入中国市场，中国区总部落户于上海市北高新产业园区，现有员工 300 人，办事处遍及国内 30 座大中城市。创新产品和解决方案广泛应用于风力发电、半导体、光伏太阳能、电子制造、金属加工、包装机械、印刷机械、塑料加工、轮胎加工、木材加工、玻璃机械、物流输送以及楼宇自动化等众多领域。

　　公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网于 2014 年成为中国国家推荐性标准，并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。作为一家技术驱动型公司，倍福一直注重在技术上寻求突破创新，在业内享有“创新引擎”的美誉。倍福基于 PC 的控制技术具有良好的开放性，它支持所有主流的工业通信协议，将 IT 技术、互联网和自动化技术完美融合在一起，为实现工业 4.0 和智能制造奠定了坚实的技术基础。

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