昔日的电网依靠规则、人工干预和例行程序运行。如今的电网依靠数据运行。得益于物联网 (IoT) 和数字化，智能技术正在重塑我们发电、配电和用电的方式。本文，自动化供应商 COPA-DATA CEE/ME 总裁 Alexander Punzenberger 将探讨如何从孤立、低效的电网向未来的智能电网转型。欢迎来到智能能源时代。
电网经历了彻底的变革。随着技术的发展，传统配电系统已发生显著转变，科技突显了过去电网的弱点。此前，电网采用集中控制，维护需要提前规划，并且基于固定不变的模型运行。
2003 年 8 月的东北大停电事件暴露了传统电网系统的脆弱性。美国俄亥俄州的一条电力线发生故障，但由于软件故障导致警报无法正常工作，这意味着操作员并未收到有关该问题的警告。数小时内，一场连锁故障导致美国和加拿大5000万人断电，61800兆瓦的电力负荷被切断，损失高达60亿美元，并造成至少11人死亡。
此次事故表明，人为失误和陈旧的基础设施可能会迅速恶化，造成灾难性的后果。这些问题，加上不断增长的能源需求、日益多样化的可再生能源组合以及雄心勃勃的气候目标，揭示了一个残酷的事实：传统的电力系统已不再适用。
大数据和物联网 (IoT) 的出现改变了电网的格局。智能传感器、实时监控和高级分析技术使更快的数据驱动决策成为可能，将电网管理从被动管理转变为主动管理。这有利于优化能源流动、更顺畅地整合可再生能源并降低排放。
全球趋势表明，对这些智能系统的投资将大幅加速。全球物联网能源电网管理市场规模预计在 2023 年达到 274 亿美元，到 2033 年将增长两倍以上，达到 879 亿美元。智能电网市场规模预计在 2024 年为 445.6 亿美元，到 2034 年将增长至 2150 亿美元以上。
更优、更快、更智能
与过去的电网截然不同，我们如今看到的智能电网更加直观，能够动态地响应检测到的变化。利用支持物联网的传感器、预测分析和实时资产监控，电网运营商能够持续收集大量参数的数据，包括电压、负载和环境条件。这些数据经过处理和分析，可以发现异常情况、确定需要改进的地方或预测故障。
这种转变使得维护方法更加主动。过去，变电站依靠例行检查或可见的损坏迹象（例如基础设施老化或电压波动）来触发维修，而这通常是在服务中断已经发生之后。
相比之下，智能电网系统收集的海量数据意味着分析系统可以识别模式并可视化潜在的压力点，从而使运营商能够主动干预。
智能化行动
大数据和物联网概念的运用不仅对电网的日常运行和维护意义重大，还能优化整个运营。自动化电网的软件解决方案将实时监控和控制以及高级分析功能集成到一个统一的平台中。这使得运营商能够使用自动切换序列、故障定位和流量计算等功能远程管理网络和资产。
实践中的一个例子是位于斯洛文尼亚的可再生能源生产商Gorenjske Elektrarne。该公司使用COPA-DATA的zenon系统创建了一个可从任何地方访问的集中控制系统。这实现了实时可见性、快速响应问题以及数据驱动的优化。Gorenjske Elektrarne的停机时间减少了15%，运营成本降低了30%。工程师现在可以通过移动设备访问36个地点的实时工厂性能数据，从而更快地做出决策。
除了运营控制之外，智能电网还能帮助应对当今最具活力的挑战之一：能源需求的波动。负荷管理是指在电网内均匀分配电能，对于防止过载、停电和浪费至关重要。
软件可以洞察用电模式，预测需求，并在需要时自动调整能源流。韩国公共电力供应商 KOMIPO 在其济州尚明风力发电厂部署了一套智能电网系统，该系统采用了 zenon 软件和先进的储能系统 (ESS)。这使得该发电厂能够自动储存多余的风能，并在用电高峰期将其重新分配给电网。
以人为本
虽然旧电网几乎无法让用户深入了解自身的用电习惯，但如今，消费者对环保和经济意识的提升意味着他们更需要了解自身用电习惯。不断上涨的能源价格和对气候问题的关注意味着，人们既需要效率，也需要价值。
数据驱动的节能措施——例如将用电时间调整至非高峰时段或在需要时减少负荷——可以实时监控和调整用电情况。智能电表等能够响应价格变化或用户习惯的技术有助于优化消费者端的能源使用，提高电网稳定性并降低电力成本。
以奥地利公用事业公司 Stadtwerke Feldkirch 为例。该公司使用 zenon 实现了电网运营的现代化，允许通过单一界面管理资产，并获取实时过程数据和自动化控制。警报管理和趋势分析可以在潜在问题恶化之前识别它们，安全的远程访问使工程师能够通过移动设备，甚至在现场使用智能手机，快速轻松地监控和调整性能。
此外，消费者现在受益于基于云的界面，该界面可以深入了解他们的能源使用情况，从而实现更智能的能源使用和更高的效率。在这种情况下，大数据和物联网直接有助于减少排放和负责任的能源管理。
现代电网应对现代挑战
然而，这些新型智能技术也存在风险。随着自动化和软件系统日益复杂，它们面临的威胁也日益加剧。近年来，针对能源公司的网络攻击数量激增，仅在2023年，就有90%的大型能源供应商遭遇安全漏洞。
后果可能是灾难性的，从停电到财务损失。为此，各国政府正在加强能源供应商的网络安全规则，确保在现代化过程中提供强有力的保护措施。IEC 62443等标准指导着安全的网络和系统实践。使用像zenon这样获得IEC 62443认证的平台，可以确保安全性融入到设计、开发和测试中。
能源公司面临的另一个障碍是将传统设备集成到现代化的互联网络中。更换资产可能成本高昂且耗时，但现有设备通常与现代电网不兼容。为了解决这个问题，与供应商无关的软件平台可以连接任何类型的硬件，从而允许提供商以模块化、分步的方式实现其系统的数字化。
智能电网的未来
大数据和物联网正在将电网带入数字化时代，但随着智能电网日益复杂，人工智能 (AI) 将在简化运营方面发挥关键作用。通过实时学习和自适应控制，AI 可以更准确地预测需求，识别风险和低效环节，并增强自动化程度。
数字孪生——物理电网的虚拟复制品——为运营商提供全面的电网运营视图，从而实现场景测试和数据驱动的决策。虚拟变电站基于软件定义架构构建，并由 COPA-DATA 的 zenon 等平台提供支持，通过集中控制、提高灵活性和减少对硬件的依赖，提供了一种进一步增强电网智能的方法。随着公用事业公司将保护、自动化和控制 (PAC) 功能虚拟化，它们为可扩展、弹性和可持续的智能电网基础设施奠定了基础。
为了进一步加强数据泄露防护，区块链技术可以提供一个安全、去中心化的能源交易平台，并防止数据滥用。
展望未来
昔日的电网是为一个截然不同的世界而建，而如今，由数据驱动的智能系统正在通过实现实时决策、赋能消费者以及加速向更环保、更具韧性的能源转型来重新定义电网。
展望未来，智能技术的演进不仅将实现电网的现代化，还将塑造能源本身的未来。
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