隨著南美、歐洲和亞洲地區(qū)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)開始浮出水面。在尋找這些機(jī)會(huì)的過程中，開展技術(shù)專題討論會(huì)，深入研究相關(guān)報(bào)告并展開討論大有裨益，這樣可以更加深入地了解已經(jīng)出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

　　目標(biāo)和推動(dòng)力

　　“智能電網(wǎng)”一詞是指致力于在全球范圍內(nèi)建立與21世紀(jì)的技術(shù)相匹配的國內(nèi)電網(wǎng)和跨國電網(wǎng)的各種工作。不過不同地區(qū)的目標(biāo)各有不同。

　　中國在這方面幾乎是一片空白，正在從頭開始。相比之下，美國的市區(qū)擁有可追溯到愛迪生和斯坦梅茨時(shí)期的各種五花八門的基礎(chǔ)設(shè)施，農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施可以追溯到富蘭克林?羅斯福執(zhí)政時(shí)期，郊區(qū)邊緣的基礎(chǔ)設(shè)施則是相對近代的事情。雖然有良好的愿望，并做了各種無微不至的工作，但許多基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)陳舊不堪，相當(dāng)不穩(wěn)定。

　　除了電力中斷的不足之外，對發(fā)電量的需求也在與日俱增。但是由于存在各種出于好意的特殊利益要求，為新發(fā)電廠提供場所或者運(yùn)行輸電線路幾乎成了不可能的事情。

　　人口集中在北緯49度的加拿大受美國影響。但是加拿大擁有相對而言更加豐富的有待開發(fā)的自然資源，不管怎樣，這些資源都可以以原始形式或者作為電力與其南邊的合作伙伴進(jìn)行交易。歐盟的情況與美國差不多，不過歐盟二戰(zhàn)后的機(jī)械設(shè)備更新。盡管歐盟比美國更“環(huán)保”，但是歐洲人更能接受核電，這主要是由于法國將剩余電力銷售給意大利和英國。

　　因此，美國有兩個(gè)主要目標(biāo)。首先，需要提高對于停電的防御能力。其次，美國打算通過“負(fù)載均衡”來解決設(shè)置新發(fā)電廠和輸電線路的難題，這意味著需要一天24小時(shí)內(nèi)更加頻繁地對發(fā)電和配電系統(tǒng)提出需求。

　　實(shí)際上，負(fù)載均衡意味著更多的分布式發(fā)電，這一概念向下可以延伸到非高峰時(shí)段電動(dòng)汽車電池的細(xì)粒度能量存儲(chǔ)和高峰時(shí)段的細(xì)粒度能量回收。不過，具體來講，負(fù)載均衡意味著鼓勵(lì)采用電池儲(chǔ)能的新型工業(yè)太陽能電池、風(fēng)力電池和燃料電池的電量，以便在必要時(shí)增加火力發(fā)電廠的發(fā)電量。

　　這提升了“微網(wǎng)(microgrids)”的前景。理論上，這些可隔離的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)可以通過大型電網(wǎng)進(jìn)行連接，而出現(xiàn)外部故障時(shí)又可以自行維護(hù)。

　　許多智能電網(wǎng)倡議已經(jīng)深入到每個(gè)公民中，這些倡議通過動(dòng)態(tài)調(diào)整電價(jià)激勵(lì)公民管理他們的需求，電價(jià)則通過RF或電力線通信(PLC)下載到電表上，這是一種慢頻移鍵控(FSK)技術(shù)，采用通過變壓器的低頻載波實(shí)現(xiàn)。

　　在家里和公司中，電表(或者某種其他類型的中繼器)會(huì)將電價(jià)信息傳遞給“智能”電器或溫度調(diào)節(jié)裝置，在其控制回路中整合動(dòng)態(tài)變化的電價(jià)。

　　在北美，每度電的價(jià)格(至少部分)由自由市場根據(jù)紐約和芝加哥商品交易所中安然式的交易來確定。能源交易商則根據(jù)發(fā)電廠和國家輸電和配電(“T和D”)組織實(shí)時(shí)報(bào)告的需電量和供電量波動(dòng)進(jìn)行決策。

　　有意思的是，現(xiàn)在本地電力公司發(fā)電越來越少了。這些公司一直都在出讓他們的實(shí)際發(fā)電設(shè)施。

　　這些變化并不會(huì)一夜之間形成，在這個(gè)過程中將出現(xiàn)各種各樣的調(diào)整。在美國，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和IEEE參與到確保互操作性的工作中。除了互操作性之外，責(zé)任是另一個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)殡娏韭蓭煹牡谝坏婪谰€就是嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　輸電和配電公司的相量監(jiān)測

　　2010年初，IEEE電力和能源協(xié)會(huì)(PES)和通信協(xié)會(huì)在馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST召開了一次有關(guān)智能電網(wǎng)的會(huì)議。美國亞拉巴馬電力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程師、配電自動(dòng)化全美公認(rèn)專家G. Larry Clark在這次會(huì)議全體會(huì)談的發(fā)言中指出，負(fù)載均衡的實(shí)際問題在于，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)時(shí)，接下來的一二十年需要展開大量的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析工作。

　　只要用戶需求存在晝夜周期，APC公司的累積數(shù)據(jù)就說明，如果變電所變壓器在高于其銘牌額定值的高峰負(fù)載時(shí)段工作的時(shí)間有限，并且變壓器有足夠的時(shí)間在低負(fù)載水平下冷卻，那么變電所變壓器就可以在高于其銘牌額定值的高峰負(fù)載時(shí)段安全工作。

Clark指出，沒有人能夠確定最終可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的負(fù)載水平，也沒有人能夠準(zhǔn)確地確定何為均衡負(fù)載“水平”。現(xiàn)狀下保守的設(shè)備政策可能導(dǎo)致設(shè)備在將來過早損壞。在此期間要做的唯一一件事就是收集數(shù)據(jù)并推斷發(fā)展趨勢。
　
　　事實(shí)證明，對多相輸電線路進(jìn)行準(zhǔn)確且精確的測量需要使用某些專用芯片。這是因?yàn)閷蜗嗑€路進(jìn)行瞬時(shí)測量相對比較簡單，但是對多相線路進(jìn)行測量往往復(fù)雜得多。

　　這個(gè)難題直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)發(fā)明相量測量單元(PMU)才真正得到解決。PMU可以通過GPS產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各個(gè)部分之間實(shí)時(shí)相量測量的同步。

　　Macrodyne表示，雖然早在Charles Steinmetz時(shí)代他就第一次將相量應(yīng)用到交流電源，但是在實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間的全球?qū)Ш较到y(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)用于同時(shí)測量的商用產(chǎn)品卻經(jīng)歷了99年的時(shí)間。

　　測量三相輸電系統(tǒng)中單個(gè)點(diǎn)的相量是一個(gè)非常有意思的芯片級(jí)挑戰(zhàn)。Maxim公司的Martin Mason表示，用于實(shí)現(xiàn)這種任務(wù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)要求精度和準(zhǔn)確度。此外他還表示，所有的電壓和電流測量都必須同時(shí)進(jìn)行。復(fù)用ADC絕對不可能。

　　此外，Mason還負(fù)責(zé)Maxim公司的電力線監(jiān)控芯片，包括采樣速率為250kbps的MAX11046八通道同步采樣16位ADC。

　　幫助電動(dòng)汽車找到充電站

　　繼IEEE電力和能源協(xié)會(huì)在NIST召開的會(huì)議之后，NIST/通信協(xié)會(huì)大會(huì)進(jìn)一步證明，并非電網(wǎng)面臨的所有挑戰(zhàn)最終都能以芯片的形式解決。信息理論難題的解決方案主要基于數(shù)學(xué)方面，此次大會(huì)上討論了諸多這方面的問題。

　　有一篇研究報(bào)告指出了數(shù)學(xué)問題可以如何通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來解決，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q方案途徑如何通過相當(dāng)?shù)皖A(yù)算的試驗(yàn)來說明。

　　無論如何，智能電網(wǎng)的分布式發(fā)電都依賴于電動(dòng)汽車的電池，電動(dòng)汽車能否得到廣泛使用取決于耗盡的電池能否方便地進(jìn)行充電或更換。這樣就引出了一系列問題：電動(dòng)汽車與充電站的最佳比例、充電站如何確定客戶優(yōu)先級(jí)(或者如何引導(dǎo)客戶前往仍在可到達(dá)范圍內(nèi)的比較清閑的充電站)等。