为智能电网的未来提供动力

December 2, 2024

Christina Cardoza

阳光明媚的田野中的太阳能电池板和风力涡轮机，远处的背景是城市景观。

在重大天气事件或极端温度威胁到它之前，大多数人都不太了解他们的本地能源电网。但当然，它支撑了现代社会的功能。关于可再生能源和电力需求增加的讨论（想想推动了电动汽车）使电网摆脱阴影并进入未来，因为这些变化和其他变化推动了从电网向智能电网的过渡。

一个专家小组聚集在一起，讨论未来的智能电网及其挑战和机遇，正如研究公司 CCS Insight“The Grid of the Future ”的最新报告中所强调的：能源管理和自动化全球专家 Schneider Electric 的欧洲电力和电网细分市场负责人Valerie Layan；CCS Insight 网络创新研究总监 Ian Fogg；全球技术服务领导者Capgemini 能源、公用事业和化学品全球集团负责人Philippe Vié；法国 DSO Enedis 高级网络技术总监 Marc Delandre；以及硬件制造商 Advantech 的能源和公用事业部门负责人Paul O’Shaughnessy。

他们讨论了今天的电网及其向明天智能电网的转型之旅；从其他行业及其技术转型中学到什么；以及合作伙伴关系、协作和标准化在推动所有人走上复原力、效率、安全和可持续发展的道路的重要意义（视频 1）。

视频 1. 行业专家讨论了合作伙伴关系和技术在电网现代化道路上的重要意义。

电网的当前状态和智能电网驱动因素是什么？

Valerie Layan：我想说的是，当今电网智能不足，需要更多的数字化才能提高效率，但也要灵活和脱碳。为什么电网需要更智能或更数字化？欧盟对可再生能源的压力确实很大；到 2030 年，我们必须将可再生能源在能源结构中的比例从 2022 年的 23% 增加到 45%。

但当我们投资1美元或1欧元于可再生能源时，我们应该在电网上投资相同的金额。这一变化给电网带来了很大的压力，我们不能再投资大量硬件和 CapEx 来吸收该容量。此外，一个项目的 CapEx 通常需要五年。因此，我们需要使电网更加数字化，并通过投入额外的软件使其更智能，来使其效率更高。

例如，如果我们实施高级分销管理系统 (ADMS) 软件解决方案，我们知道我们可以将技术损失最小降低一个点。这种数字化至关重要，我们真的正在推动整个生态系统，确保我们也投资于该软件。

Ian Fogg：在发电方面，已经出现了向可再生能源的大规模转变。那里的增长来自太阳能和风能，它们具有非常不同的发电模式。很显然，就一年中的时间而言，太阳能是季节性的，这取决于您与赤道之间的距离。风力明显因天气而异。

另一个有趣的部分是，随着更广泛的经济脱碳，每个国家的整体能源需求也会有更大的比例转移到电力上。我认为这导致了 Valerie 所说的在投资可再生能源的同时也投资电网。

您还可以利用太阳能电池板发电，这可能是双向动态的。这与配电网用于什么完全不同，那么您如何平衡耗电与发电？存储能源非常困难，但如果您可以改变耗电模式，更好地响应并反映您使用太阳能或风能获得的更可变发电模式，则不需要拥有这么多的发电量。变电站组件非常重要，因为如果您在那里投入智能，您可以帮助匹配东西。

但您需要在电网不同部分之间具有非常好、非常快速的数据通信，以帮助平衡需求。您需要提高系统的灵活性，以便能够响应这些不同的耗电和发电模式。我们还必须同时保持电网的可靠性。这需要对技术、变电站和计费系统（即电网的所有部分）进行新的投资。

Philippe Vié：我将以 Valerie 和 Ian 的观点为基础。在实现耗电发电平衡方面，电力系统面临很大的压力。在一天中的某些时间段内，产能过剩将导致负价格事件，危及能源转型，因为它危及可再生能源企业的盈利能力。

其次，在过去，能源和电力是通过集中发电资产的传输和配电网流动的。如今，可再生能源分布在电网中。因此出现了范式转变。然后我们实现了大规模的电气化。与能源需求相比，我们目前的电气化率为23%，而国际能源署的净零场景可能会使我们达到约50%或60%，具体取决于各个地区。

其他驱动因素与数字技术有关。可以利用自动化，避免对网络的实物投资。正如 Valerie 所说，只要您投入 1 美元到可再生能源，您就需要投入 1 美元到电网。投资大幅增加，当然也会提高电价。

从 DSO 的角度来看，电网压力是什么？

Marc Delandre：电力有一个大问题：很难存储。电动汽车的主要问题是电池尺寸。因此，我们必须在实时能源消耗和发电之间取得平衡。它必须在一级和二级变电站的水平上，并由连接到电网的任何客户完成。

主要问题是电网可能覆盖一个大国，例如法国。我们在该领域拥有许多许多单元。此外，当我们投资时，它必须是客户负担得起的；最终，客户将支付其账单中的所有投资。

我们还必须处理可再生能源，因为明天每个客户都会成为产销者——消费者和生产者。这意味着任何地方任何建筑物顶部的每个住宅都将有可再生能源。再次强调，该网络的关键作用将是平衡能源发电和耗电。这将是我们明天的核心活动，并且需要强劲、强有力的投资。

向智能电网过渡的其他挑战是什么？

Paul O’Shaughnessy：作为一家硬件制造商，我们面临的主要挑战之一就是挑战规模此外，即使我们是一家硬件制造商，我们也必须考虑支持各种软件的需求我们必须能够支持所有新协议（虚拟化、安全性和传统协议）另一个方面是部署的这些资产差异，并且该差异需要多种解决方案。

存储技术、IO、冷却——所有这些都是资产差异驱动的关键因素。但与我们的重要合作伙伴英特尔等战略技术合作伙伴合作，确定处理器路线图确实有助于确保我们将合适的产品推向市场。

另一件大事是遵守 61850-3 和 IEEE-1613 等协议。我们必须遵守这些协议，才能成为该领域的参与者，而这并不便宜。

Philippe Vié：投资批准应该由利益相关者和股东做出，还要由政府和监管机构批准，到 2030 年，可能会使 2020 年的投资翻倍。

另一个挑战是技能稀缺。在未来 20 年中，智能电网将以数字技术为核心创造约 500 万个就业岗位。还有 Baby Boomer 退休浪潮，并且许多人需要替代。还缺乏路线图。您需要一个一致的路线图，并每两三年对其进行修订，因为事情发展非常迅速。

最后，缺乏标准。联盟 E4S（极端规模科学软件栈）和 vPAC（虚拟保护自动化和控制）的目的是让我们所有技术提供商和电网运营商商定共同标准，以开发智能数据可互操作的模块。

每种限制都有许多解决方案，这些解决方案可能因国家和电网状态而异。

Ian Fogg：出现的另一件事是关于智能计量和蜂窝功能。有两个问题。一个是蜂窝数据通常不是最新的：需要 15 到 60 分钟。数据通常是分散的，如果您有短点定价，并且试图执行非常智能的关税，那么并不总是足够快的。

但另一部分是，它是一个硬件解决方案，而不是一个虚拟化的软件定义解决方案，这意味着现在存在挑战，因为旧的智能电表拥有用于移动运营商希望关闭的旧的蜂窝无线电。这说明了智能电网该经济部分的不同的速度、不同生命周期。

当然，拥有这些智能电表对于改变消费模式的许多使用场景至关重要。如果我们不得不升级和更换这些早期的智能电表，这是我们不应该真正做的一个痛点。如果这些无线电是软件定义的，也许我们可以更新无线电中的软件，以适应新一代技术，而不必提供上门服务或硬件更换周期。

让我们谈谈有助于过渡的技术进步。

Valerie Layan：部分可能不是新的，但对于电网来说，是新的。其他细分市场（电信、健康、交通）一直在使用该技术，这很好，因为我们将利用成熟的技术。因此，我认为我们有一系列来自其他终端市场的成熟技术，加上我们自己的技术，例如我之前提到的 ADMS 技术。

首先，ADMS 解决方案的演变，使电网更加高效、更具复原力，即容量管理、中断管理、负载和发电控制、资产管理、电力。第二项技术是数字映射，其可用于培训、模拟和远程软件更新。

第三点是虚拟化。由于边缘所有这些数据给变电站带来了压力，因此虚拟化至关重要。在 E4S 中，我们认为虚拟化将吸收这一水平的数据和来自二级变电站边缘的压力。我们真的希望在那里协作，定义面向该虚拟化的开放标准参考架构和通用设计。

Prosumer 也非常有趣，因为商业建筑，甚至潜在个人消费者，可以拥有自己的发电机。太阳能屋顶就是一个典型的例子。但在更大的消费工业领域（例如港口），他们实际上可以将风能作为发电源。然后他们可能会重新将该容量转售给电网。因此，我们现在有一个解决方案，可以在边缘集成这种灵活性，使电网更高效，并将该生态系统货币化。

从这些并行行业转型中还可以学到什么？

Ian Fogg：我还认为虚拟化是关键之一，它将更多功能从硬件转移到软件，使用标准化硬件解决方案，为您提供可扩展性，来升级平台，以支持更高性能的工作负载。

我们在其他行业看到的另一部分是 OT 和 IT 的结合。CCS Insight 报告中有一些例子，是关于交互是什么以及围绕它的不同文化是什么。

Philippe Vié：我将从自动化角度来谈例如，我们梦想一个没有人的完全自动化的控制室。我们梦想 AI 在停电时实现自我修复，在一两分钟内重新连接 99% 的消费者。事实上，我们梦想所有可能对电网性能和避免投资真正有利的 AI 功能。

AI 和边缘 AI 在能源和公用事业领域中的作用是什么？

Paul O’Shaughnessy：无例外，这是业务增长最快的部分。它绝对爆炸式增长。到目前为止，边缘 AI 在很大程度上被基于视觉的应用程序所主导，但用例和应用程序的数量与日俱增。

Philippe 还提到实时监控和控制；这是边缘 AI 在节点和变电站的决策方面，有一个真正的机会对电网产生重大影响的地方，从而能够立即响应改变电网条件、提高稳定性并减少停机时间。

另一个是预测维护。我们认为，这已经大量部署在制造环境中，对于利用边缘 AI 优化这些环境效率具有巨大影响。我认为没有理由为什么同样的东西不能应用于电网。

但在物联网行业内，人们可能谈论最多的话题是安全。从网络安全角度，以及从物理安全和健康与安全角度来看，边缘 AI 在增强现有安全方面拥有真正的机会。边缘 AI 的视觉应用正在保护危险环境中的工人，并确保访问某些环境的人是有资格访问它们的人。我认为这对电网具有绝对作用。

变电站是实现所有这些变化的最佳地点吗？

Ian Fogg：变电站确实一直作为一个关键点出现，这是因为它是本地分销、数据收集、本地控制和保护的焦点。那么我们如何构建它们？我们如何升级它们，来使其使用寿命长？

Valerie Layan：二级变电站是有未来的，这实际上是由于在连接和数据方面将在边缘出现压力。但它必须适应新挑战，虚拟化是答案的一部分。

Ian Fogg：虚拟化为我们提供了功能。我们在其他行业看到的是，随着功能被放入软件，创新周期变得更加容易。我认为，这对于长寿以及应对不断变化的消费和需求模式的能力非常重要。

Marc Delandre：我想补充说，我们还需要一个基于开放标准的不断发展的解决方案。Enedis 等大型 DSO，即使是非常好的解决方案，也不能依赖任何专有解决方案。这意味着认证；这意味着互操作性。这必须在 E4S 组织内定义。

公司如何证明其对未来电网做出的努力？

Paul O’Shaughnessy：作为 E4S、vPAC 或 450 MHz 联盟的成员，有一件事非常清楚，我们实现作为生态系统所需的一切的唯一方法是通过模块化和可扩展架构，即设计具有可以轻松交换的其他组件和可以替换的系统。这允许您进行所需的增量更改，以使系统跟上速度。标准化和互操作性，允许支持所需的开放标准和协议，然后实现不同设备和系统之间的兼容性，这一切都是未来验证的关键。我早些时候还提到了网络安全。

英特尔等战略合作伙伴，积极与我们推广他们的路线图，并确保我们了解适合并能够部署在这种环境中的最新技术，这也是非常重要的，我认为这一点经常被忽视。

合作伙伴关系和协作如何确保智能电网成功？

Paul O’Shaughnessy：当然，作为硬件制造商，没有什么比被锁定为供应商更好的。但现实是，这一挑战的规模和这一机会的规模需要如此多的供应商和如此多的活动部件，因此它必须是一个开放的架构。我们完全理解这一点。

本次讨论中的每个人都与提到的几个主要联盟合作。各个工作组内部进行的协作（无论是硬件、软件、上市、网络安全，无论是什么）对我们所有人来说都非常重要。这是一个相互学习并理解真正要求是什么的机会。

Valerie Layan：我可以补充说，传统上，能源管理、能源基础设施和电网运营是一个 OT 世界。但当我们谈论我们需要部署的新技术时，这就要说到 IT。

因此，与英特尔、Capgemini 等拥有大量 IT 知识的公司建立这些联盟非常重要，这些公司将最好的 IT 应用到我们的 OT 中，将过去一个非常依赖硬件的二级变电站转换为虚拟化的东西，从而利用这两个世界的优势。

您如何帮助重塑电网的一些例子是什么？

Valerie Layan：我无法说出客户的名字，但一般来说，我们的 EcoStruxure IoT 架构是 Schneider Electric 设想未来网络的方式，即产品、边缘控制和应用程序分析软件服务三层连接。我们一直在某些电网运营中部署该解决方案，我们知道，通过一个集成解决方案（管理网络配置的企业级解决方案），我们可以将交付时间减少50%以上。

拥有一个利用预测维护、资产绩效管理等的智能网络，也有助于生命周期的运营和维护，TotEx 至少减少 15%。

我们还致力于一种称为 LV 电网管理的新方法，即从馈线的低电平传感器、变电站保护和控制到 ADMS 的端到端方法。对于 DSO 来说，低电压正成为一个越来越严重的问题，因为所有这些消费者都希望将其能源生产连接到网络。

Philippe Vié：Capgemini 与许多领先的传输和配电网运营商合作，从路线图开始，开启他们的智能电网之旅。当然，还咨询技术技能、IT 和 OT。大型企业都启动了持续 10 到 20 年的智能电网计划。

但它不是一个项目；它是一个大型项目的集合：更换控制室、自动化某些东西、使变电站智能化和虚拟化。它对网络、实时健康资产管理、数字映射、数字工程、生命周期规划、性能管理进行了仪器化管理——如此多个维度，并且每个维度的路线图都不同。

Marc Delandre：即使每个公共设施都有自己的路线图，目标也大致相同。市场巨大，但所有公共设施都面临相同的问题：对电气化、可再生能源、电动汽车充电点等的大量投资。

Enedis 不是技术供应商；我们是一个客户。但我们几乎完全知道电网问题以及如何管理电网。因此，我认为与所有合作伙伴一起，我们将能够确定未来几年的最佳解决方案。

Paul O’Shaughnessy：我将给出一个关于数字映射的更具体的故事。Advantech 有一个客户，即分销运营商，在与远程资产连接方面存在复原力问题。有三个主要问题：一个是地理位置本身：地形；一个是环境：天气；另一个是地缘政治，即网络安全。

我们与该 DNO 和另一个合作伙伴合作，提出了一个解决方案，该解决方案将使用我们的一个软件平台（用于设备管理），该平台使用数字映射建模，确保部署在资产上的设备是安全的，并且能够做出更改的唯一方法是网络运营中心。我们与该客户在两年内开发了它，并将其推广到5,000个资产。

当然，这是一个非常重要的话题，但现在有什么最终的想法可以补充？

Ian Fogg：我想补充说，我们甚至没有触及到 CCS Insight 报告中的更多内容，而且它们全部都是模块化的，以便于理解。

但我认为这里更大的想法是，整个电网都在发生转型；我们正处于一个快速变化的时期。这对该行业来说具有战略意义，但该行业对许多其他行业至关重要。

Philippe Vié：我想与正在做出改变的人交谈，即传输和配电网运营商。您是能源转型的关键推动者。没有您，没有电网，没有能源转型是不可能的。因此，您肯定需要快速向前推进。但为此，您需要一个根据需要修订的一致路线图。您需要加入标准（E4S 和其他联盟），以实现工作共享和投资减少。

Paul O’Shaughnessy：当我在内部交谈时，我谈论的是马拉松，而不是冲刺。但我认为我们现在是一个观点 – – — Philippe 的观点 – 我们需要加速。加速的方法是通过方向和优先事项。联盟正在努力为我们提供一些帮助，但我认为为了真正获得明确的方向和优先事项，我们需要更多电网运营者，DSO，加入我们，帮助我们走上这条道路。

Valerie Layan：首先，电网的数字端到端架构是优化整个生命周期投资（CapEx和OpEx）的最佳方法。然后标准化（采用统一、开放的方法）对于使现代化旅程变得高效至关重要。在这一过程中，利用其他行业数字化成功也非常有价值。

最后，协作至关重要。我们必须将 OT 公司、IT 公司、最终用户和不同体验整合到一个群体。E4S 非常适合作为一个确保我们从不同角度获取所有知识并构建更智能的未来电网的机构。

Marc Delandre：电力是神奇的。电力几乎可以完成所有事情。您可以将其用于加热、空调、照明、烹饪。您可以将电力用于汽车、火车等。核电站、太阳能电池板和风电场等发电。

因此，我想说的是，摆在我们面前的是一段漫长、充满挑战、令人惊叹的旅程。