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John McDonald:Engineering the Energy Transition

2022-07-28 16:51:09 中国能源网

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

我叫作John McDonald,我是GE电网解决方案的业务负责人,我现在在美国,乔治亚州的亚特兰大,我非常高兴被邀请参加第四届的未来能源大会做一个发言。这部分的主题是关于气候变化以及全球国际合作和减排的共识,我的发言主题叫作能源转型工程,我在电力和能源领域已经工作了48年,同时也是IEE积极的成员之一,在国际大电网委员会我也非常活跃,主要是负责它在美国的分部。

这些是我今天想要讨论的重点,包括像智能电网,微电网的集成,像网格数据类型,数字化的分布,以及还有包括数字化的输配电网络,大数据分析,企业数据管理等,对于工程来说最主要进行能源转型,在能源转型的过程中需要把信息或者说IT部分和我们整个电力事业,电力运营结合在一起,这两者需要密切的无缝的进行衔接和合作,这样我们才能够有有效的业务数据管理,这种综合性的解决方案实际上有很多的好处。一方面提高了能效,减少了碳排放,比如说我们对于像公用事业消费者,经济和环境提供这样的有意义的可衡量的利益。

另外除了关注输配电之外,我们今天更多想要谈一下关于配电的概念,我喜欢把电网叫作更智能电网,我们这些年一直是让电网变得更加智能,比如说浅灰色代表我们原来做的工作,现在浅绿色的和阴影代表我们现在做的工作,我们知道电压和负载是成正比的,我们希望能够把电压控制和无功控制相结合,这样我们可以减少损失,同时来管理一个集成负载。

另外将来有更多的可再生能源来连接到电网当中,在中间我们可以看到我们为电网额外的增加了很多专门的感应器,这个显示的是来自于变压器的油,检测到主油箱中溶解的不同气体,这个在变压器中发生潜在的故障的模式,因此在接下来我会做介绍。

我要谈一个概念是整体性解决方案,这个是能源过渡的基础,整体性指的是整个企业不是说针对于一个集团,而是针对整个企业,这也说是说通过集成在一起的技术组件满足客户的要求,一共有6个这方面的分类,包括像资产优化,也就是我们在做变压器和高压,中压断路器的监测和诊断,需求优化主要集中包括像负载,智能电表,还有包括双向计量等方式。

另外包括像电网的优化分布,电网的传输,同时现在由于全球我们有老龄化的人口,因此我们对于基础设施能源也是老龄化的,意味着我们需要进行高水平的整体性的解决方案。这边是6个解决方案的技术路线图,可以分别的看到技术以及所处的位置,右边是配电设备,还有通信的基础设施。

通信是非常关键的,只有通信才能够使得让我们实现自动化,可以真正的实现自动化的目的。在尝试更智能的电网之前我们必须保证电网是强大的,也就是说在购买很多新的设备之前,整个电网的基础设施,包括IT的基础设施和通信的基础设施都是应该非常强劲的。比如说通过配电的优化解决方案,所有的浅蓝色的,包括软件,应用程序,系统,设备,这些基于应用程序基础之上进行逻辑性的操纵。

这些蓝色的框都可以来自于不同的供应商,因此最重要的两个词,一个是集成,第二个操作性,对于一个行业我们采用统一的行业标准实现这个行业内部的操作性,有一些例子在智能电表的组件,比如说AMI,包括地理信息系统,停电管理系统和配电管理系统。

大家会问为什么集成这么重要,因为我们在集成关键组件方面做的最好,做的更好,我们的电网还有公用事业更加具有韧性和弹性。

在配电系统设计好了之后,正如PPT的底部,我们可以保护控制设计我们的电力向一个方向流动,随着电网上进行整合分布式的发电,电是向两个方向进行双向流动的,这也为我们带来很多的额外挑战,比如说这一页当中是保护,保护的基点和我们的电流不匹配,当我们在确定保护的等级的时候,首先我们做一个短路的研究,很多的时候我们只考虑电源侧组件的故障,而忽略了负载侧的情况,负荷随着分布式发电,随着它的密度的增加,负荷侧有可能出现显著的障碍。

另外很多时候来自于分布式的消费侧的,比如说在农村这是一个来安装的一个微电网的例子,如果我们看一下联合国可持续发展目标,第七个目标,就是要为人们带来负担的起的清洁能源。第九个目标是要提供一个有韧性的基础设施,因此这也是为什么在全球很多国家,很多公用的事业公司,他们添加了很多微电网来加强电网的韧性,而并不是说一个统一的大的电网模式,因为如果他的即联有问题的话,整个电网的运行效率就会下降。

另外还有一点,就是可持续发展目标的第十一,就是关于可持续发展的城市和社区,这也是我们希望建立的,叫做智慧村庄、智慧城市。可持续发展目标十三,要采取紧急的行动应对气候变化,这也是我们这次会议的主题。

随着分布式发电的范围越来越广泛,覆盖率越来越高,我曾经写过一篇文章,这是九年之前在《电力电子》杂志当中谈到了屋顶太阳能,家庭当中会有太阳能板,现在全球增长的速度超过了35%,也就是说当太阳能照射到太阳能板的时候,电压会出现峰值,之后会在一定范围之内进行浮动和隔离。现在我们电网当中使用的很多控制器都是机械的,同时对于变电站来说,他的转换器使用的也非常频繁。由于这种太阳能的使用,以及每天日光的变化,所以转换器的寿命从35年到2年不等。

未来随着可再生能源使用的越来越频繁,它的市场份额增加,我们的控制器必须要有电子为基础的控制器,而不是机械的控制器。另外就是在能源转型的过程当中,电力企业最主要的目标就是希望能够建立一个数字化的电网。但是,没有任何一家公司可以一步完成数字化的过程,这个要花很多的钱,会远远超出预算,而且他也需要很多人力的资源来做。因此,我们帮助公用事业公司制定了发展的路线图,在工程设计的过程当中,公用实业公司如何能够实现能源转型,从现在的控制、监控发展到未来完全数字化的阶段。这边是一个例子,我们把现有的网络转化成为未来的数字化方式。首先第一步是增加了远程的控制器,还有故障呼叫的智能电表,可以使得客户供电的中断时间低了28%。另一步就是增加自动化和可视化,这样的话进一步减少了43%的客户断电可能性,也就是它提供的服务更加具有可靠性。最终他们实现了数字化,他们客户的服务或者业务中断降低了50%以上。

因此在制定路线图的时候,我们需要设定路线图当中的每一步,以及每一步所带来的好处。另外一个例子就是在能源转型的时候,为大型的公用事业公司的配电网进行自动化,比如在这个电路当中,它有856个电路的开关,在现实生活当中,实现所有电路自动化的成本是非常昂贵的,我们发现这些电路当中23%电路的中断占到了总中断分钟的71%,这样的话我们可以节省很多钱,也就是只对其中23%的电路实现自动化,就可以解决3/4的断电问题。

在这个过程当中,我们必须认识到,这些是基于微处理器的设备和系统,它往往有多种不同的数据模式,原来我们会使用运营的模式,也就是运营商在控制中心进行监控和控制,包括有信息点、模拟点,还包括状态点等等。

但是,以系统为基础的微处理器给我们提供了很多非操作性数据,它的主要用户并不是系统的操作员,这些都是信息点对点文件的传输,因此,可能会25个不同的组进行它的信息的获取和使用,因此我们需要从现在的设备系统当中来获取更多的价值,需要充分的来利用它的一个运营的数据。同时我们还可以看到它的这些数据包括像时间序列的数据,我们使用标准的通信协议来进行通信,用这种方式观察到一个历史变化的趋势。

现在我们希望能够利用下一次生产力革命的机会,把智能的机器和大数据,以及分析的数据结合在一起,另外把人的因素加入进去,在任何地方随时随地的让人可以进行智能化的操作,这是为什么我说的它的通信是基础性的,也是智能电网最核心的一点,这也是一个强大电网的基础。左边的这个图是很多企业所遇到的,每一个系统它都是独自运营的,上面有一些智能电子设备,或者是基于微处理器的设备来进行存储。

但是系统之间并没有分享,右边的这个是我们所希望实现的目标,也就是整体性的解决方案,在整个企业公司范围内各个组之间进行数据的共享,我们也查看了所有的数据源和企业,包括数据的需求等等。

它的好处就是说在左边我们的一个变电站,通过这种方式提取要有价值的数据,通过这些数据的通信把这些数据推送给需要它的组织,右边是浅绿色的,我们列出企业当中所有的数据源的列表,绿色的是所有用户,运营的用户,非运营的用户,他们现在拥有更多的数据,可以提供更多的价值。

这个就是我们所说的走向数字化转型的过程,我觉得对于能源工程转型是最重要的一页PPT,在过去这些年当中,我们从这种无功的研究开始,或者说在研究了系统之后看到系统失败了,我们研究为什么失败,来弥补补救这些问题,但是现在我们希望更加积极主动进行预测,比如说应该获得电网当中的资产什么样健康状况的信息,用什么样的数据预测是否可能会出现失败,真正的采取相应的行动。

但是我们现在只走了这条路当中的一半,将来我们希望可以通过更多的人工智能,机器学习,更多的数字化来实现自主。

在这个过程中很重要的就是关于集成和互操作性,我们必须要遵守同样的标准,或者一套标准,比如说左边的图列出7个领域以及它们之间如何相互作用,这是智能电网的一个概念的参考的模型,它的七大领域。

更重要的一点智能电网涉及数百个行业的标准,IEE超过100人做这个研究,IEC也有超过100人的团队,我们一共有25个行业的专家在我们小组里面,我们把进一步缩小16个,我们叫作智能电网最高的标准。

现在我们需要确定哪些标准和这个行业相关,比如说这些所有的标准当中只有16个标准是最为核心的,不管是输电,配电,客户,网络安全,不管是什么,所需要的标准或者一套标准都是在16个标准当中的。

下面我们来看一下我们有三个不同的控制的级别,从控制中心到现场控制,同时我们还在全球的范围之内,我们看的并不是某一个国家的标准,而是全球范围内,比如说有全球一个统一的标准的控制中心,或者称之为ICCT,或者叫作控制中心的通信协议,还有两个用于控制中心到现场的设备。

其中一个是IEC61850的标准,我住在北美,我们现在仍然使用很多的DNP的标准,这是我简单的介绍。

我也是非常感谢大家,也非常高兴有这样的一个机会和大家来进行交流,谢谢大家。




责任编辑: 张磊

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