直击：全球智能电网设计机会

       随着南美、欧洲和亚洲地区智能电网的实现，设计领域的机会开始浮出水面。在寻找这些机会的过程中，开展技术专题讨论会，深入研究相关报告并展开讨论大有裨益，这样可以更加深入地了解已经出现的各种挑战。

　　目标和推动力

　　“智能电网”一词是指致力于在全球范围内建立与21世纪的技术相匹配的国内电网和跨国电网的各种工作。不过不同地区的目标各有不同。

　　中国在这方面几乎是一片空白，正在从头开始。相比之下，美国的市区拥有可追溯到爱迪生和斯坦梅茨时期的各种五花八门的基础设施，农村的基础设施可以追溯到富兰克林?罗斯福执政时期，郊区边缘的基础设施则是相对近代的事情。虽然有良好的愿望，并做了各种无微不至的工作，但许多基础设施都已经陈旧不堪，相当不稳定。

　　除了电力中断的不足之外，对发电量的需求也在与日俱增。但是由于存在各种出于好意的特殊利益要求，为新发电厂提供场所或者运行输电线路几乎成了不可能的事情。

　　人口集中在北纬49度的加拿大受美国影响。但是加拿大拥有相对而言更加丰富的有待开发的自然资源，不管怎样，这些资源都可以以原始形式或者作为电力与其南边的合作伙伴进行交易。欧盟的情况与美国差不多，不过欧盟二战后的机械设备更新。尽管欧盟比美国更“环保”，但是欧洲人更能接受核电，这主要是由于法国将剩余电力销售给意大利和英国。

　　因此，美国有两个主要目标。首先，需要提高对于停电的防御能力。其次，美国打算通过“负载均衡”来解决设置新发电厂和输电线路的难题，这意味着需要一天24小时内更加频繁地对发电和配电系统提出需求。

　　实际上，负载均衡意味着更多的分布式发电，这一概念向下可以延伸到非高峰时段电动汽车电池的细粒度能量存储和高峰时段的细粒度能量回收。不过，具体来讲，负载均衡意味着鼓励采用电池储能的新型工业太阳能电池、风力电池和燃料电池的电量，以便在必要时增加火力发电厂的发电量。

　　这提升了“微网(microgrids)”的前景。理论上，这些可隔离的小规模发电系统可以通过大型电网进行连接，而出现外部故障时又可以自行维护。

　　许多智能电网倡议已经深入到每个公民中，这些倡议通过动态调整电价激励公民管理他们的需求，电价则通过RF或电力线通信(PLC)下载到电表上，这是一种慢频移键控(FSK)技术，采用通过变压器的低频载波实现。

　　在家里和公司中，电表(或者某种其他类型的中继器)会将电价信息传递给“智能”电器或温度调节装置，在其控制回路中整合动态变化的电价。

　　在北美，每度电的价格(至少部分)由自由市场根据纽约和芝加哥商品交易所中安然式的交易来确定。能源交易商则根据发电厂和国家输电和配电(“T和D”)组织实时报告的需电量和供电量波动进行决策。

　　有意思的是，现在本地电力公司发电越来越少了。这些公司一直都在出让他们的实际发电设施。

　　这些变化并不会一夜之间形成，在这个过程中将出现各种各样的调整。在美国，美国国家标准与技术研究所(NIST)和IEEE参与到确保互操作性的工作中。除了互操作性之外，责任是另一个关键的标准驱动因素，因为电力公司律师的第一道防线就是严格遵守行业标准。

　　输电和配电公司的相量监测

　　2010年初，IEEE电力和能源协会(PES)和通信协会在马里兰州盖瑟斯堡的NIST召开了一次有关智能电网的会议。美国亚拉巴马电力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程师、配电自动化全美公认专家G. Larry Clark在这次会议全体会谈的发言中指出，负载均衡的实际问题在于，实现电网时，接下来的一二十年需要展开大量的监测和统计分析工作。

　　只要用户需求存在昼夜周期，APC公司的累积数据就说明，如果变电所变压器在高于其铭牌额定值的高峰负载时段工作的时间有限，并且变压器有足够的时间在低负载水平下冷却，那么变电所变压器就可以在高于其铭牌额定值的高峰负载时段安全工作。

Clark指出，没有人能够确定最终可以实现负载均衡的负载水平，也没有人能够准确地确定何为均衡负载“水平”。现状下保守的设备政策可能导致设备在将来过早损坏。在此期间要做的唯一一件事就是收集数据并推断发展趋势。
　
　　事实证明，对多相输电线路进行准确且精确的测量需要使用某些专用芯片。这是因为对单相线路进行瞬时测量相对比较简单，但是对多相线路进行测量往往复杂得多。

　　这个难题直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)发明相量测量单元(PMU)才真正得到解决。PMU可以通过GPS产生的时间信号实现电网各个部分之间实时相量测量的同步。

　　Macrodyne表示，虽然早在Charles Steinmetz时代他就第一次将相量应用到交流电源，但是在实现基于时间的全球导航系统时，出现用于同时测量的商用产品却经历了99年的时间。

　　测量三相输电系统中单个点的相量是一个非常有意思的芯片级挑战。Maxim公司的Martin Mason表示，用于实现这种任务的模数转换器(ADC)要求精度和准确度。此外他还表示，所有的电压和电流测量都必须同时进行。复用ADC绝对不可能。

　　此外，Mason还负责Maxim公司的电力线监控芯片，包括采样速率为250kbps的MAX11046八通道同步采样16位ADC。

　　帮助电动汽车找到充电站

　　继IEEE电力和能源协会在NIST召开的会议之后，NIST/通信协会大会进一步证明，并非电网面临的所有挑战最终都能以芯片的形式解决。信息理论难题的解决方案主要基于数学方面，此次大会上讨论了诸多这方面的问题。

　　有一篇研究报告指出了数学问题可以如何通过适当的调整来解决，以及严谨的解决方案途径如何通过相当低预算的试验来说明。

　　无论如何，智能电网的分布式发电都依赖于电动汽车的电池，电动汽车能否得到广泛使用取决于耗尽的电池能否方便地进行充电或更换。这样就引出了一系列问题：电动汽车与充电站的最佳比例、充电站如何确定客户优先级(或者如何引导客户前往仍在可到达范围内的比较清闲的充电站)等。