智慧邊緣架構(gòu)重塑電網(wǎng)新藍(lán)圖

英特爾有限公司Prithpal Khajuria；Dean Samara-Rubio

全球能源正從大型集中式核能和化學(xué)能轉(zhuǎn)向分布式可再生能源。隨著分布式能源（DER）的發(fā)展，電網(wǎng)的傳輸正在向雙向化的進(jìn)程演進(jìn)。

如今，電能流動逐漸形成從用戶私有場所的可再生電源向電網(wǎng)的反向拓?fù)?，這給電網(wǎng)運營商帶來新挑戰(zhàn)。電網(wǎng)運營體系迫切需要重構(gòu)，以適應(yīng)現(xiàn)代化全球能源模式。

當(dāng)前，用于管理和分配電力的系統(tǒng)不足以應(yīng)對電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的設(shè)計是單向的。自20世紀(jì)首批集中式電網(wǎng)問世以來，幾乎所有電能都是由大型發(fā)電廠通過輸配電網(wǎng)輸送至用戶的。作為電網(wǎng)節(jié)點的變電站負(fù)責(zé)確保為消費者提供一致的電力服務(wù)。

變電站正處于雙向電力傳輸?shù)慕粎R點，同時也處于電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)歷史性變革的轉(zhuǎn)折關(guān)口。

當(dāng)分布式電源需要被高效整合并網(wǎng)，并實現(xiàn)雙向電力傳輸時，傳統(tǒng)的配電節(jié)點已然成為瓶頸。在電力行業(yè)，越來越多的人認(rèn)為，大多數(shù)變電站都需要進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以滿足全球?qū)χ悄茈娋W(wǎng)的迫切需求，來響應(yīng)電力消費者和監(jiān)管機構(gòu)關(guān)于整合更清潔、更可持續(xù)能源的要求。

現(xiàn)代變電站需要標(biāo)準(zhǔn)化體系來構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動型電網(wǎng)，并在本地管理電網(wǎng)運營的各方面要素，同時增強安全性和可管理性。就用于變電站指揮和控制的基礎(chǔ)設(shè)施來講，對其進(jìn)行現(xiàn)代化改造是一項艱巨任務(wù)，但相應(yīng)的回報也是巨大的。Salt River項目高級首席工程師Anthony Sivesind表示，部署軟件定義的自動化和控制系統(tǒng)能夠?qū)⒆冸娬局械目傇O(shè)備數(shù)量減少50%，并最終導(dǎo)致運營和維護(hù)總成本降低76%。

電力公司逐漸認(rèn)識到，有必要使用智慧邊緣架構(gòu)對變電站進(jìn)行技改和現(xiàn)代化改造。隨著標(biāo)準(zhǔn)化通用基礎(chǔ)設(shè)施取代傳統(tǒng)軟硬件過程的推進(jìn)，變電站現(xiàn)代化改造市場正以超過5%的年復(fù)增長率穩(wěn)步成長。

重構(gòu)電網(wǎng)新藍(lán)圖

電網(wǎng)現(xiàn)代化需要將電網(wǎng)邊緣的分布式電源與變電站中的智能系統(tǒng)無縫整合。這個過程首先從部署標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺與實施軟件定義的自動化和控制系統(tǒng)開始。

要實現(xiàn)變電站的工作負(fù)載整合，需要使硬件與軟件相互獨立，并對整個系統(tǒng)實施標(biāo)準(zhǔn)化改造，以賦能更快速、更具創(chuàng)新性和更高效的解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)化方法可以取代自上而下從開發(fā)硬件裝置到在變電站部署專用軟件的傳統(tǒng)方法。工作負(fù)載整合可以精簡傳統(tǒng)開發(fā)和測試新系統(tǒng)的煩瑣流程。而傳統(tǒng)開發(fā)測試新系統(tǒng)的過程常常會耗費數(shù)年時間。

通過基于英特爾的技術(shù)來實現(xiàn)變電站現(xiàn)代化，可幫助電力公司打破傳統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)的局限。

今天，多個智能電子設(shè)備（IED）可以通過標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議相互通信，或各自與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。未來的變電站將通過把負(fù)責(zé)與多個儀表進(jìn)行協(xié)作的控制器和負(fù)責(zé)設(shè)備控制的控制器，整合到統(tǒng)一的虛擬IED而受益。虛擬化應(yīng)用和軟件可以根據(jù)需要進(jìn)行升級，這就能讓電力公司在擴(kuò)建變電站基礎(chǔ)設(shè)施時，仍能保留已有的IED。

將一次設(shè)備與電力自動化系統(tǒng)相連接，需要配備具有遠(yuǎn)端裝置（RTU）的分布式SCADA控制系統(tǒng)。這些由微處理器控制的電子設(shè)備將中繼遙測數(shù)據(jù)傳送到一個中央系統(tǒng)，并使用來自該系統(tǒng)的報文來控制所連接一次設(shè)備的物理狀態(tài)。

為變電站開發(fā)開放平臺有助于提高電網(wǎng)可靠性、生產(chǎn)安全性和系統(tǒng)安全性。將工作負(fù)載整合并遷移到符合IEC 61850要求的加固型服務(wù)器，還可幫助電力公司通過中央系統(tǒng)對相關(guān)各子系統(tǒng)實施自動化部署，并實現(xiàn)系統(tǒng)升級操作，使得各子系統(tǒng)具備信息安全的特性。由此獲得的系統(tǒng)增強升級，可讓電力公司不再派遣維護(hù)人員前往現(xiàn)場，從而有助于降低成本。

虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心市場經(jīng)受了相當(dāng)長時間的考驗和證明?，F(xiàn)在，虛擬化技術(shù)有望幫助電力公司開發(fā)在可擴(kuò)展性、安全性、可靠性和效率這四個方面都更為出色的自動化和控制系統(tǒng)。例如，電力自動化和電力控制的虛擬化實現(xiàn)，也意味著不必為了部署新應(yīng)用而安裝新的硬件系統(tǒng)。由此，軟件應(yīng)用能獨立于硬件系統(tǒng)，將不斷降低資產(chǎn)投資支出和運營成本。

電網(wǎng)現(xiàn)代化還將幫助電網(wǎng)運營商充分利用強大的計算能力進(jìn)行高級監(jiān)測、診斷和安全增強。變電站自動化使得在變電站邊緣側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合和治理成為可能，電力公司也可以實時了解可再生能源對電網(wǎng)的即時影響，并使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)釋放數(shù)據(jù)的價值，以獲取更深刻的洞察。

機器學(xué)習(xí)技術(shù)將成為數(shù)字電網(wǎng)的基石，促進(jìn)在變電站邊緣的實時數(shù)據(jù)分析和自主化決策。由此產(chǎn)生的洞察和運營理解，將有助于優(yōu)化解決因分布式能源功率波動所引起的電網(wǎng)實時供需失衡問題。

電網(wǎng)現(xiàn)代化的五個基本構(gòu)建模塊包括虛擬保護(hù)繼電器（VPR）、微數(shù)據(jù)中心、配網(wǎng)變電站、風(fēng)力發(fā)電透平和微電網(wǎng)。電網(wǎng)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施是一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的新型基礎(chǔ)設(shè)施，支持各類電力裝置連接到智能電力網(wǎng)絡(luò)，可幫助用戶通過實時數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)可執(zhí)行的洞察和自動化的控制。

圖1 利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)代化的電力保護(hù)和控制

利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)代化的電力保護(hù)和控制

虛擬繼電保護(hù)將取代老化的且通常以模擬電路功能呈現(xiàn)的機電固態(tài)微處理器裝置，這些裝置的維護(hù)和升級需要耗費大量時間和成本。換句話說，虛擬化可以減少裝置數(shù)量，從而降低工作人員往返變電站的頻率，減少運維成本。

通過將構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)備之上的電力自動化系統(tǒng)與保護(hù)和控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化，能有助于增強系統(tǒng)性整合大量保護(hù)和控制應(yīng)用的能力，并支持自我診斷來實現(xiàn)優(yōu)化上線運行時間、集中式的維護(hù)和升級，同時提升系統(tǒng)的靈活性和安全性。

變電站邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)整合和治理，可以通過增強型分析來提供給電網(wǎng)運營者更深入的系統(tǒng)性能洞察。這些更深入的洞察，可以幫助機器學(xué)習(xí)算法，以自主學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)自動管理電網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)的持續(xù)改進(jìn)。對于電力公司而言，虛擬繼電保護(hù)有助于提高運營安全性和可靠性，并降低資產(chǎn)投資成本和運營成本。電力設(shè)備制造商（OEM）也能從以下幾方面受益，包括產(chǎn)品上市時間的提前、開發(fā)成本的降低，以及軟件和服務(wù)收入的提高。

基于微數(shù)據(jù)中心平臺的電網(wǎng)工作負(fù)載整合

目前，北美約有7萬多座變電站仍然依靠傳統(tǒng)電力系統(tǒng)來管理、維護(hù)并運行數(shù)以千計的電力裝置，而這些電力裝置正是構(gòu)成電力系統(tǒng)運維技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。變電站迫切需要摒棄過時的電力系統(tǒng)架構(gòu)，從由固定功能的電力裝置組成的拓?fù)浼希ㄈ鏘ED、RTU、PMU、HMI、防火墻、交換機和路由器），轉(zhuǎn)向采用標(biāo)準(zhǔn)化新電力融合邊緣基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行新型電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這種重構(gòu)的電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)有助于優(yōu)化和平衡供電，以應(yīng)對由分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)所造成的電力供應(yīng)波動所帶來的挑戰(zhàn)。

圖2 新型電力系統(tǒng)——下一代變電站自動化和控制架構(gòu)

圖3 利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)配網(wǎng)變電站的數(shù)字化

一種基于微數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的新型電力系統(tǒng)架構(gòu)正在得到大力發(fā)展，有望大幅提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和可管理性。變電站的現(xiàn)代化進(jìn)程包括將各種電力自動化的工作負(fù)載，整合到運行了虛擬機的符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的加固型服務(wù)器中。該微數(shù)據(jù)中心可在站內(nèi)總線層面對變電自動化和IT信息化應(yīng)用進(jìn)行虛擬化，并引入虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來隔離虛擬機之間的流量，從而加強軟件化電網(wǎng)裝置間的隔離和安全性。

英特爾及其電力合作伙伴所推動的變電站微數(shù)據(jù)中心技術(shù)，將以運營技術(shù)為核心的應(yīng)用和以信息技術(shù)為核心的應(yīng)用融合到集中的、可擴(kuò)展的電網(wǎng)新基礎(chǔ)設(shè)施成為了可能。該融合意味著，從防火墻、路由器到網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)應(yīng)用的一切組件，都可以在少到兩臺加固型服務(wù)器作為新電力基礎(chǔ)設(shè)施的微集群單元上運行。同時，運行在全新虛擬化微數(shù)據(jù)中心上的軟件定義的新型電力基礎(chǔ)設(shè)施有助于改善電力公司的通信和決策。智能變電站作為電力和算力的樞紐，能夠處理和分析多個來源的數(shù)據(jù)，從而幫助電力公司實時做出本地決策。

配網(wǎng)變電站的現(xiàn)代化改造

歐洲和亞太地區(qū)的電力公司在電網(wǎng)邊緣節(jié)點使用配網(wǎng)變電站為電力消費者輸送電力，中國的電網(wǎng)拓?fù)湟彩侨绱?。配網(wǎng)變電站負(fù)責(zé)為家庭和企業(yè)供電，其配網(wǎng)拓?fù)渌采w最終用戶的數(shù)量從幾百到幾千不等。

全球有超過2800萬座在役配網(wǎng)變電站運行著大量的傳統(tǒng)硬件設(shè)備和應(yīng)用。在中國，配網(wǎng)變電站（高壓配變、中低壓配變）的數(shù)量也在500萬個左右。由于這些配網(wǎng)變電站物理尺寸的限制，導(dǎo)致為每個應(yīng)用添加新硬件的空間非常有限。而人工更換或升級每臺設(shè)備又成本高昂。

智慧電力邊緣節(jié)點的功能融合能夠幫助電力公司實現(xiàn)配網(wǎng)變電站的硬件標(biāo)準(zhǔn)化。針對此需求，英特爾與行業(yè)合作伙伴形成合作聯(lián)盟，已經(jīng)開發(fā)出了相關(guān)原型機及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范。

原型機的外殼針對室外部署、極端溫度和濕度等情況進(jìn)行了加固和封閉，內(nèi)含兩個用于安裝計算模塊的插槽，以及一個電力模塊和一個交換機模塊。該原型機最多可以添加六個額外的I/O模塊，用來滿足各種應(yīng)用的特定用途，同時可以通過RGMII以太網(wǎng)接口來提供網(wǎng)絡(luò)支持。

英特爾的配網(wǎng)變電站原型機已經(jīng)通過各種硬件的驗證要求，包括開機可靠性、高溫承受度以及IEC 61850-3變電站標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性。電氣裝置數(shù)量和現(xiàn)場安裝服務(wù)需求的減少，有助于降低電力公司的固定資產(chǎn)成本、運營成本和系統(tǒng)集成成本。

在運營層面，虛擬化的變電站使得新型應(yīng)用的部署和規(guī)?；兊酶雍唵巍Ｍ瑫r，由于內(nèi)置的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測功能和板級的安全功能，使整體系統(tǒng)的安全性也得到大幅增強。

標(biāo)準(zhǔn)化和緊湊的硬件形態(tài)能夠減少變電站的硬件成本，并降低運維成本。同時，虛擬化技術(shù)也可通過支持遠(yuǎn)程操作進(jìn)一步降低運維成本。

風(fēng)力發(fā)電透平中的虛擬化技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電透平中的工作負(fù)載整合，與變電站中的保護(hù)和控制系統(tǒng)的虛擬化類似。風(fēng)力發(fā)電透平控制器與變電站有許多相似之處，包括存在著大量專有的固定功能的系統(tǒng)，且這些固有裝置都鎖定特定的供應(yīng)商品牌，即使維修單個發(fā)電透平，也需要派遣工作隊趕赴現(xiàn)場，并在295英尺高的作業(yè)場所實施高空作業(yè)。

如今，發(fā)電透平控制系統(tǒng)的虛擬化，有望簡化系統(tǒng)運維、提升效率，并提高系統(tǒng)的安全性。風(fēng)力發(fā)電透平具有多個控制系統(tǒng)，可以通過分布式方式在服務(wù)器集群上運行。其中的關(guān)鍵在于，通過在標(biāo)準(zhǔn)化硬件基礎(chǔ)設(shè)施上運行虛擬化應(yīng)用，來替換原來六個或更多的固定功能裝置，以提升整體系統(tǒng)的安全性和靈活性。從發(fā)電透平變槳距控制器到SCADA和分析系統(tǒng)，一切皆可在虛擬化環(huán)境中實現(xiàn)軟件定義的系統(tǒng)。

圖4 使用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電透平控制的數(shù)字化

圖5 使用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)微電網(wǎng)控制的數(shù)字化

舉例說明一個用于簡化發(fā)電透平控制系統(tǒng)的雙服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電透平控制系統(tǒng)可以搭建在支持按需添加應(yīng)用的開放架構(gòu)之上。除了能夠降低運維成本外，虛擬化的風(fēng)力發(fā)電透平控制器還可以支持更高效的系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)治理、洞察提取，并進(jìn)行實時分析來最大化發(fā)電出力。

此外，標(biāo)準(zhǔn)化還將促進(jìn)全局自動化的實現(xiàn)，使得風(fēng)力發(fā)電廠運營商可以擺脫風(fēng)力發(fā)電透平OEM廠商的限制，按自己的意愿來部署軟件。這一出色的靈活性意味著運營商可以定制風(fēng)力發(fā)電廠，以滿足特定的性能目標(biāo)，并輕松實現(xiàn)并網(wǎng)。

使用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)微電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化

微電網(wǎng)包括各種發(fā)電電源，如太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電透平、燃料電池、發(fā)電機組和儲能設(shè)備等。這些發(fā)電動力島可以靈活地與微電網(wǎng)中的主電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)或獨立組網(wǎng)使用。微電網(wǎng)可以降低能源成本，為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供彈性供電，并提供清潔、可持續(xù)的能源。

充分挖掘微電網(wǎng)的全部潛能需要使用標(biāo)準(zhǔn)化的電力自控平臺，以便使用虛擬化技術(shù)解耦硬件和軟件，這和為變電站設(shè)計的新型保護(hù)和控制平臺非常類似。

微電網(wǎng)平臺支持在虛擬化環(huán)境中融合各種工作負(fù)載，如發(fā)電電源管理、電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)連接、電力負(fù)載整形以及電力自控等。

在虛擬化平臺的基礎(chǔ)上實施標(biāo)準(zhǔn)化，可以幫助微電網(wǎng)運營商從更高效的系統(tǒng)管理和控制策略中獲益，并可以動態(tài)地根據(jù)實時本地數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)中獲得的洞察及時調(diào)整運營策略。此外，標(biāo)準(zhǔn)化還可以幫助簡化控制流程，在可以靈活地使微電網(wǎng)在并網(wǎng)與獨立組網(wǎng)模式之間無縫切換。

現(xiàn)代化微電網(wǎng)不再依賴多個應(yīng)用分別運行在互不兼容的硬件平臺之上，而是將使用預(yù)置了虛擬化管理工具的標(biāo)準(zhǔn)化硬件來整合多種應(yīng)用，并部署運行在由各種服務(wù)器所構(gòu)成的多任務(wù)平臺之上。虛擬化技術(shù)支持使用獨立的隔離環(huán)境，同時每個應(yīng)用都能有自己的操作系統(tǒng)（OS），這有助于提高系統(tǒng)的整體可靠性和彈性，以應(yīng)對個別硬件發(fā)生故障的情況。

工作負(fù)載整合有助于電力公司開發(fā)新型微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，從而減少電力裝置數(shù)量，支持軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)實時分析能力。此外，設(shè)備數(shù)量的減少還有助于減少微電網(wǎng)系統(tǒng)被攻擊的潛在突破口，從而提高整體系統(tǒng)的安全性。

標(biāo)準(zhǔn)化能夠減少部署成本，同時降低固定資產(chǎn)成本和運營成本，幫助電力公司搭建起一個更加靈活、可擴(kuò)展且安全的新型電力基礎(chǔ)設(shè)施，并使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來提高分析能力。

在業(yè)務(wù)層面，工作負(fù)載整合能夠支持電力公司加快在電網(wǎng)邊緣節(jié)點的創(chuàng)新步伐，并充分利用實時數(shù)據(jù)來增強對微電網(wǎng)運營的洞察。除了促進(jìn)全局自動化之外，微電網(wǎng)的現(xiàn)代化還有助于電力公司提高效率、降低維護(hù)成本，充分發(fā)揮微電網(wǎng)的發(fā)電潛能。

結(jié)論

在物聯(lián)網(wǎng)解決方案的推動下，電力公司正在加速電力基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化，以實現(xiàn)IT和OT的融合、人工智能技術(shù)優(yōu)勢的充分利用，以及數(shù)據(jù)在電網(wǎng)邊緣節(jié)點就得以被處理。

工作負(fù)載整合是傳統(tǒng)系統(tǒng)向全面虛擬化應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。內(nèi)嵌英特爾?處理器的硬件系統(tǒng)，包括英特爾?至強?可擴(kuò)展處理器、英特爾?Arria?10 FPGA和SoC、3D XPoint內(nèi)存模塊、英特爾?Movidius?視覺處理單元（VPU）加速卡和英特爾網(wǎng)絡(luò)接口卡等硬件設(shè)備將為電網(wǎng)虛擬化奠定堅實基礎(chǔ)。

工作負(fù)載整合，能夠幫助電力公司提高可靠性，并降低全生命周期成本，而虛擬化技術(shù)可以幫助電力公司加快產(chǎn)品和服務(wù)的上市速度，同時降低運營成本和固定資產(chǎn)成本。

智能電網(wǎng)技術(shù)能夠使包括分布式自控系統(tǒng)、繼電保護(hù)、人機界面和可編程邏輯控制器在內(nèi)的一切裝置全部實現(xiàn)軟件定義的虛擬化。數(shù)據(jù)中心市場過去十年來在虛擬化技術(shù)方面取得的成功，也為電力公司轉(zhuǎn)型的巨大潛力提供了有力背書。

電網(wǎng)現(xiàn)代化需要對現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面升級，并需要電力公司、監(jiān)管機構(gòu)、政策制定者以及民營公司跨領(lǐng)域的通力合作。能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有賴于電網(wǎng)的演進(jìn)，以減少碳排放，推進(jìn)交通運輸電氣化進(jìn)程，并促進(jìn)分布式電源在電網(wǎng)邊緣節(jié)點的并網(wǎng)。

隨著能源市場全面擁抱數(shù)字化轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)將從模擬架構(gòu)向全新的數(shù)字化新型電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)。將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于電力公司的自控系統(tǒng)，需要行業(yè)銳意創(chuàng)新，共建新型電力系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)，共織智能電網(wǎng)?！?/p>