网格现代化基石到清洁能源未来
通过Joshua Biggins，Rajarshi Chatterjee，克里斯汀•卡尔霍恩 2019年10月|简要|18分钟阅读|通过电子邮件发送本文|下载
为了使公用事业公司能够承诺清洁能源未来，他们必须在今天拥抱网格现代化努力。但是，在公用事业公司可以有效地支持通过引入分布式能源（太阳能电动汽车和电池）而产生的双向电力流动之前需要许多能力。
介绍
公用事业公司必须使电网现代化并解决分布式能源创造的双向动力挑战。监管强调和改善可再生资源的价格竞争力正在对从未设计用于处理双向动力流动的电网的压力增加。目前的电网不设计用于管理DER的复杂性。除了帮助解决DER造成的挑战外，网格现代化具有许多额外的福利，包括提高可靠性，公共安全，运营效率，弹性和加速恢复，这些恢复在上一个标题的之前的文件中突出显示“网格现代化的案例。”1
具有重要内容的公用事业更加敏锐地感受到现代化的压力。风不是der。
通过侵略性的解除碳化监管制度和太阳能VIS-VIS煤，天然气和核的改善经济学，加速了渗透率。
随着太阳能价格的提高，电网现代化的压力也在增加
本文的目的是帮助那些有兴趣开始网格现代化之旅的实用程序了解所需的功能以及对其实现进行排序的最合适的方法。电网现代化进程的目标是实现电网运行的数字化，以提高态势感知、效率、可靠性、弹性、公共安全，并加速恢复。
数字化电网运营提高了情境意识，效率，可靠性，弹性和公共安全。
网格现代化旅程
随着公用事业的踏上网格现代化旅程，他们需要加强他们的流程，以增加自动化和预测电网管理能力，以便跟上电网上需求的变化性质。图1列出了可以理解这些能力的框架。网格现代化框架有四层：1）物理2）数据基金会3）工程和规划4）监控和控制。所有四层都需要大量升级，以达到安全可靠地管理更不可预测和复杂的网格的最终目标。在本文中，我们将讨论每个图层和效用网格现代化所带来的增强功能。
物理层
SCADA和AMI设备
监控和数据采集传感器提供实时数据，该数据为公用事业提供对网格状态的最新理解。SCADA可以帮助确定网格上的问题并使继电器能够关闭可能使电网变得破坏的电源线。SCADA可以帮助防止广泛的中断。来自字段的实时SCADA信息允许实用程序找到一个问题的电路的微小部分。远程切换操作可以隔离问题并恢复电源。
虽然几乎所有的公用事业都有某种类型的SCADA，但先进的仪表基础设施或智能仪表并不常见。截至2017年12月，美国1.5亿电力用户中只有47%拥有智能电表。2AMI是数字化电网所需的第一步之一。当电源熄灭时，AMI米立即提醒该实用程序。
图1.网格现代化能力金字塔：在现代网格之旅中有四层显着的升级和四个成熟度水平。
来源:印孚瑟斯咨询
遥控设备和DER
通过使用远程监控和控制功能使其进行数字化物理资产是基础实用程序需要开始网格现代化旅程。
物理网络数字化转型有两个关键要素:雷竞技足球
- 资产数字代表- 为每个物理设备创建准确的数字表示是至关重要的，并且包括密钥设备属性以及地理空间位置。电网的数字模型需要包括AMI，DER，电路，结构和分配SCADA器件，例如电压调节器，开关，电容等。
- 实时“事物”数据- 物联网可以通过传感器收集各种资产的传感器，包括负载生成信息，VAR（电压-AMPERE反应）和网络中不同点的发电信息，从仪表到AA银行变电站。
通信网络
先进的现场设备，如自动电容，远程故障指示灯，自动化电压稳压器，智能继电器，馈线和变压器监视器，以及自动馈线开关必须在现代电网上实施配电自动化。为了制作分发自动化工作，现场设备通常配备有无线，蜂窝或无线电通信，以将数据发送到收集点。数据集成到SCADA系统，分销管理系统和中断管理系统中进行处理和分析。
根据美国能源部(U.S. Department of Energy)的数据，从2011年到2015年，地方政府减少了19.7万辆公用事业卡车的派出，并减少了340万辆汽车行驶里程的需求。3.向电网基础设施添加如此多的连接设备，增加了支持通信网络的负载。健壮的通信网络对于监控网络设备、提供实时状态信息、处理控制信号以改变设备状态和配置至关重要。现有的广域网络和现场区域网络可能需要升级，包括额外的现场区域无线电设备、路由优化、减少延迟、可靠性和增强冗余以支持增加的网络流量。
大多数公用事业公司都希望充分实现网格现代化能力，但远远无法实现这一目标。升级物理层不仅耗时但昂贵。这就是为什么开发长期路线图和设置用于构建系统规划和操作中的先进功能的时间线非常重要。
数据基础
可扩展性
凭借数百万SCADA和AMI设备每隔几秒钟发送回数据，公用事业需求需要大量可扩展数据湖泊的数据处理，存储，转换，分析和预测功能。除了用于数据的互联网之外，公用事业公司还需要各种额外的数据源（气象站信息，项目管道，第三方DER生成信息，通过地理等的计量计量信息）来制定长期决策，例如预测负载建模或实时决策，如故障隔离和恢复。
数据建模
随着公用事业的尝试将数据模型合理化以管理各个领域的数字信息，他们可能会因几十年前的决定而困扰。今天可用的加工能力使得可以在短时间内几乎无法设想使用案例。依赖于遗留数据结构创建和维护的信息的新系统和进程利用揭示隐藏在现有生产系统中的数据质量问题的风险。直到有人以新的和新颖的方式使用数据，直到这些数据质量问题从来都不是至关重要的，所以他们只是没有得到修复。为了最大限度地减少这些风险，必须迫切强调数据建模和数据质量。
数据治理
强大的数据治理和数据质量管理程序对于任何网格现代化计划的最终成功至关重要。核心工程和规划能力需要建立在质量数据基础上。
地理信息系统
GIS允许公用事业公司在地图上可视化变压器和电容器等电力资产。当一根电线杆发生故障时，GIS能够准确地知道它在电网中的位置，以及哪些用户受到了影响。
连通性模型
将变电站到客户计量的连接模型是另一个基础数据类别。米和电路配置在现场不断变化，并且当事情变化时，难以维持网络模型的实时图像。吸收所有这些变化是挑战，使网络模型保持最新，并为电力流程研究和操作提供实时变化。随着电网连接模型通过其生命周期发展，它将经历几个实质性变化，因此公用事业公司需要认识到“按计划”模型将与“设计”和“如下”和“所操作”的模型不同。“网格连接模型。认识到这些变化并能够准确地跟踪电网的当前状态不仅是有效的电网运行，而且对长期的工程和规划至关重要。
在实现用于系统规划和操作的智能算法和工具的好处之前，可能需要进行大量的投资来构建数据基础。
工程和规划
系统建模
系统建模是智能现代网格的一部分，将帮助公用事业公司计划将来需要多大的功率。如果该实用程序具有基础模型，网络模型和设备额定值，它将确切地知道电流从一个点到另一个点流动。系统建模可以创建实时网络模型。当实用程序使用历史数据来创建该模型时，它可以预测当前网格的额外房屋，工厂等，而无需任何升级即可。这种分析将允许公用事业公司提前看到能力排出的秒数，为此做准备并避免重大中断。
预测
历史上，公用事业公司使用年度高峰负荷预测来确定需要对电网进行的升级。随着DERs的普及和电力的双向流动，对更复杂的预测算法的需求将变得更加迫切。需要提供网格上每个节点的负载剖面图的时间序列预测，以有效地规划更复杂的网格上的未来负载。创建一个长期的时间序列预测，准确地预测一天中每个节点每小时的预期总和净负载是一个巨大的挑战。历史负荷数据需要与气象站信息、项目管道、第三方DER-generation信息和经济计量信息相结合，创建网络上每个节点的历史负荷概况。需要对剖面进行清理和平滑，以消除异常。然后需要将预测模型应用于清理后的历史使用数据，并与历史负荷分布进行比较，以便对预测模型进行微调。
越来越多的DERs创造了对更复杂的预测算法的迫切需求
互连自动化
与加州，华盛顿，夏威夷，新墨西哥州，纽约，内华达州，缅因州，华盛顿州，华盛顿州和波多黎各传递100％可再生要求的国家和地区，预计电网互连请求的量将爆炸。事实上，加利福尼亚州授权国家所有新房都需要包括太阳能电池板。为了应对需求增加，公用事业公司需要考虑互连自动化作为提高效率的互联效率，这是一个非常麻烦和耗时的过程。
工程分析
公用事业部门的主要目标之一是为其分销和传输网格进行分销和传输网格的系统规划，并与监管机构分享结果。在未来的网格中，规划需要粒度足以对网格上不同点的变化和一年中的不同时间的变化。在网格中的任何点影响负载和生成配置文件的各种因素是客户负载要求，生成简介，天气因素，计量计量因素，负荷增长预测，需求响应和能效计划以及网络的其他临时变更。
为了做出彻底的工作来预测能力，实用程序需要非常准确的时间序列LOAD / DER配置文件以及上面列出的各种因素。无论容量需求交叉预定义的阈值，公用事业都需要提供资本或非卡族解决方案，以解决容量缺陷。资本解决方案将包括在网格中的各个点升级，以满足能源要求。Noncapital解决方案将由可用容量的负载转移到相邻电路以及可以使用电网内的电流容量来完成的其他电路配置变化。除容量分析外，工程师还进行保护分析，导管库的热分析，应急分析，VAR VAR分析以及许多其他电力研究，以确保电网能够处理不断增长的能源和一代需求。
监控和控制网格操作
现代化的电网使恢复功率更快，更容易享有实用程序及其客户。在过去，客户可能会致电报告停电，电力公司会将线路修理器发送出来，以查看错误。在现代化的网格上，AMI米将立即提醒实用公司的停电，实时SCADA信息将定位电路的小部分可能存在问题。SCADA点每15秒发送一次实时数据。远程交换机操作可用于帮助隔离问题并在甚至发送一个人查看问题之前恢复电源。
现代电网管理将允许公用事业公司实时查看，从每个DER中进入的确切一代以及是否存在电压或负载不平衡。然后，该实用程序将能够远程平衡负载和任何差异，而无需身体外出并修复它们。通过从每一行进入的实时数据馈送，公用设施将具有比今天的更多信息。
定位故障、隔离故障、恢复业务
FLISR系统使用scada开关和传感器来创建一个强大的“自修复”网格功能。FLISR可以在几秒钟内将电源恢复到故障线路的功能部分。能源部的一项研究发现，FLISR操作使客户被打断的次数减少了55%，使客户被打断的时间减少了53%SCADA、AMI和FLISR可以很好地协同工作，优化电网运行。
中断管理
除了寻找中断和帮助治愈网格外，SCADA还提供了对其余网格的可见性。例如，中断管理系统和分配管理系统通常用于集成不同的故障信息源，例如AMI，LINE传感器，客户呼叫和重新选择。该数据显示在SCADA屏幕和GIS中，用于现场工作人员和控制室运营商。
先进的分销管理
在分销网络中的快速采用将造成额外的风险来实时管理网格。实用程序需要根据在DER安装期间开发的合同协议来监控和控制网格中不同点的生成容量。先进的分发电网管理将需要在分发网格中的不同点处的设备进行高级监控，通过通过DER解决方案解决能源需求，通过集成切换操作实现运营效率，对其进行更高的控制（或系统平均中断持续时间索引来实现操作效率/系统平均中断频率指数）通过集成中断管理和设备的远程操作，以及可能启用自动故障检测，隔离和恢复中断。
网络安全
未来的网格将更加分布和互联，它将与我们今天所拥有的方式非常不同。安全性将是它设计的基本原则之一。可再生能源和网格边缘设备的大规模部署，例如电动车辆，智能家居设备，家庭管理系统，新电池和分配系统，使得更响应于更有效和更清洁的网格。但它也意味着连接设备的增加，这一切都为网络对手带来损坏的机会。为了保护自己，必须使用网络安全平台和服务来设计现代电网，这些平台和服务支持多种应用和技术，以确保互操作性。雄心壮志应该是创造一种保护网络安全架构，可防止高级持久威胁并超过监管合规性。
在现代网格上，网络安全必须支持多种应用和技术
从哪里开始
一项全面的电网现代化计划可能需要提高电价，但如果没有政府的大量补贴，这对用户来说是不可持续的。因此，公用事业公司必须优先考虑其电网现代化投资，并制定一个长期计划，以不断提高其电网的成熟度，以应对不断变化的负载状况。
虽然需要首先要解决基本物理基础，但网格现代化金字塔的所有层都没有必要同时处于同一时间的成熟程度。许多监控和控制能力直接从物理层传送，但在有效地提供高级工程和规划能力之前需要成熟的物理层和数据基础。组织应该首先：
定义现代网格所需的功能。
了解与每个功能相关联的依赖关系和风险。
根据业务影响，预算限制和依赖项，优先排序网格现代化功能。
随着电网脱碳的动力继续构建，通过拥抱网格现代化能力和技术，公用事业公司将被迫应对越来越挥发的负载曲线。
