我們今天的大部分高耗能來自加熱/冷卻，烹飪，照明，洗滌和干燥。這些家用電器開始變得聰明，具有連接功能，可以讓他們自動化，以獲得智能計量和可變稅費(fèi)所帶來的好處。電力公司正在開始更好地管理能源需求，更有效地執(zhí)行負(fù)載平衡。

 

在實(shí)用/行業(yè)方面，數(shù)據(jù)聚合器/集中器在自動抄表（AMR）中形成重要組成部分。它通過將多個公用事業(yè)公司的儀表（電力，燃?xì)猓?，熱）連接到中央公用事業(yè)服務(wù)器來創(chuàng)建必要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，獲取并報告重要數(shù)據(jù)。它還有助于將實(shí)際應(yīng)用的時間和日期數(shù)據(jù)同步到中央應(yīng)用程序服務(wù)器中，并實(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證和加密信息的安全數(shù)據(jù)傳輸。與電力儀表的通信由射頻無線或有線（電力線調(diào)制解調(diào)器）連接組成，使得能夠通過GPRS，以太網(wǎng)和GSM，POTS或UHF / VHF網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍檬聵I(yè)服務(wù)器。

 

據(jù)派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬個能源管理用戶。這反過來將為公用事業(yè)機(jī)構(gòu)為客戶提供管理和控制能源分配的巨大機(jī)會；它還使業(yè)主有機(jī)會通過智能能源管理更好地管理其能源使用。

 

圖1、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用于智能能源中

 

 

第一個電網(wǎng)出現(xiàn)在19世紀(jì)90年代，由先驅(qū)者托馬斯·愛迪生（George Edison），喬治·西屋（George Westinghouse）以及通用電氣（General Electric）和西屋電氣（Westinghouse Electric Corporation）等個人和公司所驅(qū)動。當(dāng)時這些電網(wǎng)是高度集中的，彼此隔離的系統(tǒng)。在接下來的幾十年里，本地的電網(wǎng)變得越來越相互聯(lián)系。到20世紀(jì)60年代，電網(wǎng)已經(jīng)成熟為高度互聯(lián)的系統(tǒng)。這些電網(wǎng)主要由大型電廠（通?；诨剂希缑?，天然氣和石油）主導(dǎo)，大型電力線用于與電力消費(fèi)中心相連接，低容量線路將電力運(yùn)送到終端用戶。由于計量技術(shù)的局限性，往往固定電價的方式來對終端用戶收費(fèi)。

 

從一開始，電力電網(wǎng)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是應(yīng)對不斷變化的能源需求。這里的主要問題涉及到非常有限的儲能能力以及根據(jù)需要增加額外的發(fā)電機(jī)組的高成本。例如，添加峰值時間發(fā)電機(jī)，例如具有低啟動時間的燃?xì)廨嗠姍C(jī)是一個相對昂貴的解決方案。初步嘗試在需求側(cè)解決問題。例如，引入雙重稅收來鼓勵客戶在需求普遍較低的夜間增加電力使用量。還引入了需求感知設(shè)備（如空調(diào)，冰箱和加熱器），這些設(shè)備可以使用模擬技術(shù)例如通過監(jiān)視電源頻率的變化來感測電網(wǎng)中的負(fù)載。

 

如今，分布式網(wǎng)絡(luò)可以滿足共享中小型風(fēng)力發(fā)電廠，熱電聯(lián)產(chǎn)，太陽能發(fā)電廠等不斷增長的（分散）發(fā)電量。但是這給電網(wǎng)造成了壓力，使電網(wǎng)穩(wěn)定性更加難以維持。數(shù)字化能夠使電網(wǎng)“智能化”以滿足這些新的要求。圖2更詳細(xì)地介紹了數(shù)字化對能量控制器的影響。

 

圖2、電力電網(wǎng)的演進(jìn)

 

此外，過去十年間，國家批發(fā)市場和跨國的電力交易量大幅增長，導(dǎo)致對輸電電網(wǎng)的新的需求。大多數(shù)消費(fèi)者連接到分布式網(wǎng)絡(luò)中，電表計量服務(wù)用于記錄消費(fèi)和輸入的電量數(shù)據(jù)。

 

圖3、智能電網(wǎng)架構(gòu)的概念形式

 

 

近年來，數(shù)字化現(xiàn)象已經(jīng)演變成跨行業(yè)相關(guān)的真正大趨勢。雖然能源行業(yè)最初落后于其他行業(yè)，但現(xiàn)在正在迎頭趕上，數(shù)字元素影響著這個市場的越來越多的方面。然而，“數(shù)字化”這個術(shù)語其實(shí)是很模糊的，所以我們需要定義我們的意思。 m3管理咨詢高級經(jīng)理Bernhard Schaefer將數(shù)字化定義為：

 

利用新的信息和通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)能源公司的產(chǎn)品和服務(wù)，價值鏈（從發(fā)電廠到消費(fèi)者）以及內(nèi)部支持功能（控制，采購，人力資源等）的綜合轉(zhuǎn)型，以滿足相關(guān)客戶的期望。

 

結(jié)果是一個“智能”電力公司，作為“智能”能源世界的一部分，將被越來越多地嵌入到更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中。

 

智能能源系統(tǒng)在許多方面將與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同：

 

數(shù)據(jù)主導(dǎo)的智慧正在或多或少地進(jìn)入能源價值鏈的所有步驟中，突出的重點(diǎn)是發(fā)電，配電，計量和消費(fèi)。圖4中更詳細(xì)地說明了IoT應(yīng)用程序擴(kuò)展到能源價值鏈中（請注意，每個國家的能源價值鏈會稍有不同;例如，英國的智能電表是零售業(yè)）。

 

 

博世軟件創(chuàng)新公司的Michael Schlauch是博世的項目經(jīng)理，負(fù)責(zé)Smart City Rheintal項目。這是項目的兩個關(guān)鍵外包：

 

我們看到預(yù)測過程仍然有很大的改進(jìn)空間。這適用于光伏設(shè)施的發(fā)電預(yù)測以及對消費(fèi)者的消費(fèi)預(yù)測。在這里，需要更長的時間框架，甚至超出了正在資助的項目的結(jié)束時間。例如，這是推斷特定住房單位的實(shí)際和個性化消費(fèi)概況的唯一途徑。由于我們與沃拉爾伯格應(yīng)用科技大學(xué)的合作，并且專門針對IT公司的，因此我們正在獲得這種類型的廣泛的區(qū)域性的和結(jié)構(gòu)性的參數(shù)，為進(jìn)一步預(yù)測做好了準(zhǔn)備。

 

諸如洗衣機(jī)的消費(fèi)者設(shè)備太小，無法使需求方管理有合理的進(jìn)展。集成到VPP中的設(shè)備必須要更靈活。這對于熱泵以及電鍋爐也是如此。當(dāng)然，當(dāng)我們可以將各種不同程度靈活性的設(shè)施結(jié)合在一起時，這也是非常有幫助的。

 

圖4、擴(kuò)展能源價值鏈和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用場景

 

 

發(fā)電是數(shù)字化無疑會帶來巨大好處的領(lǐng)域。過去，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)主要由大型集中式電站供電，如今，越來越多的小型，分散式安裝的發(fā)電機(jī)將電力注入電網(wǎng)。大多數(shù)這些額外的電力是由可再生能源發(fā)電，如風(fēng)能，太陽能和生物能等產(chǎn)生的。然而，風(fēng)能和太陽能的生產(chǎn)卻是高度波動的，依賴天氣預(yù)報的生產(chǎn)預(yù)測容易出現(xiàn)不精確的局面。這對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說是一個挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須通過確保電力注入和電力消耗之間的平衡來保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和安全。能源專家Bernard Kryszak說：

 

滿足這一挑戰(zhàn)的一個選擇是將各種小型發(fā)電機(jī)捆綁成一個協(xié)調(diào)的“虛擬電廠”（VPP：Virtual Power Plant）。 VPP的個體電廠（可能利用太陽能，風(fēng)能，生物質(zhì)能，小型水電廠或者熱電廠（CHP））的電力生產(chǎn)通過使用單一的IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中優(yōu)化，以收集和分析分散式單元的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，需求預(yù)測等。這種基于協(xié)同效應(yīng)的方法使得可以最小化所需輸出的發(fā)電成本。此外，與單個電力來源相比，VPP能夠提供更穩(wěn)定的總體電力輸出，例如在太陽不發(fā)光并且不能產(chǎn)生太陽能的時候，通過提高生物能源的功率來進(jìn)行補(bǔ)充。特別是在波動發(fā)電程度高的市場中，如果監(jiān)管框架提供足夠的市場信號來激勵提供儲備能量的話，那么VPPs在經(jīng)濟(jì)上是有吸引力的，同時還有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

 

數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的另一個應(yīng)用領(lǐng)域涉及遠(yuǎn)程發(fā)電資產(chǎn)的監(jiān)控和診斷。想象一下遠(yuǎn)離海岸的一個大型海上風(fēng)電場。簡單的基于時間的維護(hù)在這里是不合適的，因為到達(dá)這個位置所涉及的成本非常高。相反，來自連接到每個風(fēng)力渦輪機(jī)中的部件（例如葉片，齒輪箱，油泵，控制器，馬達(dá)和發(fā)電機(jī)部件）的傳感器的操作數(shù)據(jù)被連續(xù)饋送到中央控制中心。這里，數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化的方式存儲在數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)中，并可用于分析。這樣就可以監(jiān)控每個部件的狀況，并根據(jù)維修計劃來調(diào)整渦輪機(jī)的實(shí)際狀況。

 

此外，數(shù)字化可以使發(fā)電的支持過程更管用和高效。 “數(shù)字供應(yīng)鏈”的概念描述了與外部供應(yīng)商的緊密的數(shù)據(jù)集成。這有助于確?；緜浼墓?yīng)商能夠獲得有關(guān)發(fā)電機(jī)額外供電要求的透明在線信息。因此，備件可根據(jù)需求進(jìn)行交付，庫存量可以實(shí)現(xiàn)最少化，從而提高發(fā)電廠的可靠性。

 

現(xiàn)在有轉(zhuǎn)向私人發(fā)電領(lǐng)域的智能應(yīng)用，我們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到能源管理解決方案上。這些可以幫助私人能源“消費(fèi)者” - 也就是通過光伏（PV）或者微型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP：combined heat and power（熱電聯(lián)產(chǎn)））生產(chǎn)能源的私人消費(fèi)者。想象一下在屋頂上安裝有PV的家庭。在天氣預(yù)報的幫助下，專業(yè)消費(fèi)者可以預(yù)測其安裝的電力輸出，并考慮到其電力公司提供的可變電力價格 - 相應(yīng)地優(yōu)化其消費(fèi)。這增加了自耗太陽能電池的份額，同時減少了外部配電網(wǎng)的使用。

 

通過完全集成的交易平臺和自動交易流程，能源交易也變得更加智慧。而市場參與者只是基于日前的數(shù)據(jù)來交易電力，而當(dāng)天的交易可以通過系統(tǒng)到系統(tǒng)的信息進(jìn)行，而無需人工干預(yù)。這使得實(shí)時交易和短期優(yōu)化，從而在新興的動態(tài)能源市場中保持了足夠的敏捷性。

 

 

今天，盡管間歇式可再生能源的增長壓力越來越大，但是傳輸系統(tǒng)運(yùn)營商（TSO：transmission system operators）也面臨著保持電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定和安全運(yùn)行的更大挑戰(zhàn)。由于電網(wǎng)穩(wěn)定始終是至關(guān)重要的，TSO被允許通過迫使電力生產(chǎn)商暫時升高或降低其發(fā)電資產(chǎn)來確保其負(fù)荷平衡（頻率和電壓），以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和消費(fèi)之間必要的持續(xù)平衡（后者是更難影響）。在這種情況下，TSO的控制中心通過專用數(shù)據(jù)接口來直接和遠(yuǎn)程地控制與TSO傳輸網(wǎng)格直接相連的發(fā)電廠的資產(chǎn)。

 

 

展望分布和計量領(lǐng)域，我們可以看到新智能能源領(lǐng)域最有名的元素：“智能電表”。智能電表是一種能夠以短時間例如每15分鐘記錄功耗的計量裝置，然后將該數(shù)據(jù)傳送到供應(yīng)實(shí)用程序用于監(jiān)控和計費(fèi)。智能電表還可實(shí)現(xiàn)電力公司和計量電力負(fù)荷之間的雙向通信，從而允許電器受到控制，使得由于使用高可再生能源能源而價格低時，其能源消耗最高。

 

當(dāng)智能儀表和其他傳感器和執(zhí)行器安裝在大量相關(guān)負(fù)載點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)（如可控變電站）時，將集中的數(shù)據(jù)饋送到中央配電管理系統(tǒng)中，便于實(shí)時分析，控制網(wǎng)絡(luò)。所得到的“智能電網(wǎng)”可以由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)際上可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)自動化，從而可以快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)事件，如本地電源中斷等。如在遠(yuǎn)程發(fā)電的情況下，這也極大地促進(jìn)了基于資產(chǎn)狀況的實(shí)時信息的基于條件的電網(wǎng)資產(chǎn)維護(hù)。可以通過預(yù)測分析進(jìn)一步優(yōu)化維護(hù)活動，即實(shí)現(xiàn)基于歷史數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析算法的資產(chǎn)狀況預(yù)測。

 

正如管理咨詢部高級經(jīng)理Bernhard Schaefer指出：

 

電網(wǎng)“智能化”有很多好處：優(yōu)化電力流量，提高系統(tǒng)安全性，更好地利用網(wǎng)絡(luò)容量，更好地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源免受故障影響。此外，可再生能源更容易集成到網(wǎng)絡(luò)中。這減少了網(wǎng)絡(luò)所需的投資量，并降低了資產(chǎn)服務(wù)的運(yùn)營費(fèi)用，同時減少了網(wǎng)絡(luò)故障，并在供應(yīng)中斷的情況下 - 使供應(yīng)恢復(fù)得更快。

然而，從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的角度來看，與常規(guī)儀表的使用相比，在許多情況下安裝和操作智能計量裝置不是成本有效的。事實(shí)上，在歐洲，只有瑞典和意大利才開始全面推出智能電表。在其他歐洲國家，智能電表的安裝仍在進(jìn)行中，通常還需要立法規(guī)定。但從長遠(yuǎn)來看，通信和硬件的成本會大幅下降，這將改善智能電表的業(yè)務(wù)情況。

 

 

電力儲存是在低需求時承載可再生能源產(chǎn)生的多余能源的一種選擇。除了大型的中央存儲設(shè)備，如抽水蓄能水電，還有大量關(guān)于將中小型存儲投放市場的開發(fā)活動，例如鋰離子電池或電力到燃?xì)廪D(zhuǎn)換的技術(shù)。潛在的電力儲存的一個特別有趣的形式是“車對電網(wǎng)（vehicle-to-grid）”的概念。隨著越來越多的插電式電動汽車，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施可用于控制車輛的電池充電過程，并在能量過?；蛐枨蟾叻宓那闆r下將能量釋放回電網(wǎng)。

 

盡管大多數(shù)這些存儲技術(shù)在大多數(shù)市場環(huán)境中尚未獲利，但顯而易見的是，將分散的小型存儲設(shè)備集成到智能電網(wǎng)中可以帶來額外的好處。因此，調(diào)度基于實(shí)際的整體系統(tǒng)需求，并考慮到網(wǎng)絡(luò)和地理約束，以努力實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。

 

 

到目前為止，我們已經(jīng)解決了純粹的技術(shù)解決方案。然而，智能能源不限于機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信。數(shù)字客戶界面是不斷變化的智能能源世界的另一個重要因素。首先，可以通過捆綁能源和信息服務(wù)來設(shè)計新產(chǎn)品。其次，通過基于分析的客戶細(xì)分和定價優(yōu)化，可以通過使用新提供的數(shù)據(jù)來更好地針對客戶需求，來改進(jìn)與現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)相關(guān)的銷售和/或利潤。第三，通過利用智能電表的計量數(shù)據(jù)的分析來獲得的客戶洞察力，還可以通過引入用戶友好的移動服務(wù)和在線自助網(wǎng)站進(jìn)行計費(fèi)，提交儀表讀數(shù)，按需支持和節(jié)能措施。最后，供應(yīng)商可以期望獲得有關(guān)客戶行為和主要營銷數(shù)據(jù)的更多信息，可以向第三方提供有針對性的銷售和廣告。

 

 

在最終客戶方面，在價值鏈結(jié)束時，許多舉措的重點(diǎn)是通過提高能源效率并通過智能負(fù)載調(diào)度來降低能耗和降低成本。這通常通過根據(jù)實(shí)時市場價格變化的靈活調(diào)度來完成。這使得電力公司可以在由于電力生產(chǎn)過剩而在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定受到威脅的情況下，向提供了增加電力負(fù)載的客戶進(jìn)行獎勵來激勵他們。

 

能源管理解決方案主要適用于工業(yè)和商業(yè)客戶，一般來說他們的能源賬單是大多數(shù)成本結(jié)構(gòu)的主要部分。需求響應(yīng)管理用于通過生產(chǎn)過程中現(xiàn)有的靈活性來獲利，例如，在收費(fèi)較高的時候，通過減少冷卻和加熱過程或其他電氣負(fù)載。還可以利用不同發(fā)電廠和/或不同能量形式之間的內(nèi)部協(xié)同作用（例如電力對天然氣轉(zhuǎn)換）。

 

在私營部門，“智能家居”理念解決了能源效率，個人舒適，個人健康和安全問題。在智能家居中，集成的家庭自動化控制優(yōu)化了照明，供暖，電器，如電冰箱和洗衣機(jī)以及電動百葉窗和安全系統(tǒng)的使用。學(xué)習(xí)算法有助于減少能源消耗 - 例如，當(dāng)居民上班時，減少供暖。傳感器可以監(jiān)視運(yùn)動并發(fā)出警報，例如在老年人活動下降或不長時間移動的情況下發(fā)布警報。智能手機(jī)應(yīng)用程序允許用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭的安全功能。此外，電子移動應(yīng)用可以通過將充電和放電過程結(jié)合到整體家庭能量管理概念中而被集成到智能家居解決方案中。

 

 

智能電表的采用將成為智能家居和其他下游設(shè)備廣泛采用的主要推動力。在全球的幾個市場中，這需要政府干預(yù)和監(jiān)管決策，而在其他市場，網(wǎng)絡(luò)效率和“非技術(shù)損失”（即盜竊）可能是影響智能電表采用的重要因素。采用智能電力計量的智能電表對環(huán)境的潛在有益影響是近乎全球性的驅(qū)動力。

 

這樣做的最終結(jié)果是，智能計量和智能電網(wǎng)管理解決方案將成為即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代首要采用的技術(shù)之一。隨著這些技術(shù)的引入，其他一系列解決方案將隨之獲得推動。一類解決方案將包括電器和設(shè)備成為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的有效部分，一級支持低壓發(fā)電。我們還將看到一系列設(shè)備是更廣泛的智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這些設(shè)備將用于通過修改功耗來提高效率的地方。第二個設(shè)備類別將包括許多智能家居設(shè)備。

 

圖5顯示了由兩個不同類別的設(shè)備表示的智能電網(wǎng)IoT連接的總數(shù)。它還顯示了由智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備貢獻(xiàn)的智能電網(wǎng)IoT連接總數(shù)的份額，并突出顯示了與新興智能電網(wǎng)有關(guān)的IoT設(shè)備總數(shù)的份額。

 

圖5、智能電網(wǎng)中的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接數(shù)

 

這些數(shù)字有三個明確的信息。首先，物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)中包括的設(shè)備總量預(yù)計將迅速增長，從今天的不到10億而2024年增加將達(dá)到120億。第二，也許不奇怪的是，在依賴于智能電網(wǎng)功能的設(shè)備之前，將采用與智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的設(shè)備。第三，與智能電網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備將占據(jù)連接設(shè)備的越來越多的份額。這些預(yù)測顯示，到2024年，預(yù)計所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云連接（不包括PC，平板電腦和手機(jī)）的40％以上屬于智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，將智能電網(wǎng)和VPP概念牢固地置于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的核心之中。

 

 

本文描述的大多數(shù)趨勢仍處于試點(diǎn)或早期商業(yè)化階段。能源專家Bernard Kryszak強(qiáng)調(diào)：

 

我們相信，大量的用例將變得有利可圖。然而，許多智能能源應(yīng)用的成功取決于采用這些智能技術(shù)的發(fā)電廠，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，銷售實(shí)體和客戶那里獲利的利益之間平衡的綜合視角以及成本的公平分配，而共同的基礎(chǔ)設(shè)施是這個綜合視角的重要組成部分。