设计指南 5144

智能电表对改善环境的重大贡献

By: David Andeen

摘要 : 目前,消费者和电力公司都一致同意智能电网具备众多好处,例如:分时计价、精确计量,并可避免每月上门查询电表读数等麻烦。而智能电网是否在应用环境中切实发挥了实际效益?各方观点并不一致。本文讨论智能电网如何帮助电力公司监测电能的使用状况。利用这些监测数据,电力公司能够与用户一起达到降低能耗的目的,整合各种再生能源。当这一天到来时,环境就是最大的赢家。

类似文章发表于2011年11月15日的Electronic Products

启发

“我还意识不到智能电网能够给环境带来大些好处”,当我告诉堂兄Chris我所在的公司已经涉足智能电网领域时,他说到:“我认为那只不过是电力公司提高电费的小把戏。”

要在平时,我会打断他,并大谈智能管理能源和资源的好处,但我这个堂兄已经在美国的北加州电力公司工作了15年。他并不是一无所知,所以我继续听他说下去。“电就像水一样,”他继续说到:“从源头流到所有的消耗点。安装智能电表并不能节约能源,它只不过是在您消费时起到一个计量作用。”这些论点的确符合逻辑。

而我确信智能电表是一个好东西,对经济、环境都有益处,能够以更好的技术方案解决一个老问题。实际上,我还的确不知道电网如何降低能耗。我决定深入了解一下。

调查结果显示,智能电表能带给环境众多潜在利益。通过先进的控制及规划合理的智能电网,电力部门可直接与资源用户通信,从而实现两大关键功能:降低峰值负荷与分布式发电。这些功能有助于降低能耗,尤其是在紧要关头。他们还有助于整合各种不同的再生能源,例如太阳能电池板、风车等。此外,从早期的实践数据表明,智能电网的运转是成功的。这些好处也推动了智能电表领域投资的大幅上升,以期进一步降低能耗。然而,一个显而易见的问题是:如果缺少一个关键角色的参与,规划再好的智能电网也不会为改善环境作出贡献,这个重要角色就是:您,聪明的消费者。

什么是智能电网?

对有的人来说,智能电网只不过意味着房屋中的新电表、气表和水表;对有的人来说,智能电网就是在建筑外安装的有害高频辐射源。而对于有些人,智能电网是一种将所有耗电对象连接在一起的新网络。

很多人认为,如果托马斯•爱迪生现在重返人间,也能轻易认出古老的电网。经过75年的微利运营之后,电力公司几乎没有任何积极性来升级现有的基础架构。不仅如此,消费者也已经习惯于毫无概念地消费资源,然后在月底或更长的时间后支付电费账单。

实际上,智能电网是一种新网络。作为一种新网络,它完全覆盖现有的电力基础设施。分别在发电、配送和消耗环节测量能源,然后在网络上传输这些测量结果。电力公司和消费者之间的这种通信允许快速、智能地针对电网状况制定决策。与智能手机加速我们获取信息的渠道相同,智能电网允许我们及电力公司更快地访问能源信息。如果能够测量每台关键设备的能耗,并反馈到电力公司管理的、采用最新技术的计算机终端,随后在将信息供给消费者查询,这将是一种什么样的情形!毫无疑问,这种认知能够让我们及时判断浪费能源设备以及节省能源、保护环境的机会。

智能电表(确切的说是仪表)记录家庭或商业消耗的电能,并以15分钟的间隔将这些数据送至电力公司。这项任务,称为“能源计量”,发生在仪表内部。能源计量需要非常精确、可靠,以便电力公司准确了解耗电量,并且不会从消费者那里多收费。大多数现代计量都由半导体器件完成。Maxim的71M6541D就是一种这样的器件,能够精确计量典型家用电表的电量。

将数据传回电力公司的过程也由集成电路完成。这些器件要么将电力线作为通信线,要么采用无线通信方式。电力线通信(PLC)的优点是射频辐射小,适合射频难以穿透的环境,例如地下室。Maxim的MAX2991MAX2992组成的完整芯片组能够支持电表到电力公司的可靠通信。

智能电表不仅限于电表,还要进入家庭和商业建筑。当配备了测量装置(有时还包括通信装置)后,数据中心、工厂和电器全部实现“智能化”。测量能耗并将这些信息送回电力公司或家域网的过程称为能源计量。再生能源也依赖于能源计量。计量建筑物太阳能板产生的电能就是一个常见的实例。有效的能源计量必须精确而可靠。Maxim的78M6612为各种应用提供高精度能源计量。

降低峰值负荷及分布式发电

从电力公司的角度讲,智能电表(智能电网的一部分)提供了降低峰值负荷的机会。管理高峰期的能耗对电力公司来说是一项艰难挑战。

图1所示为美国中北部在炎热夏季的电能消耗。我们可以想象在一个炎热夏季的周末,早上7点起床之前耗电量非常低;起床之后,您会打开电视、咖啡壶及部分照明灯,从而使电网负荷增大;随后,您将打开计算机,随后就是工作间的空调。在工厂,由于白天工作设备会产生很大热量,所以全天都需要开启空调。工作日之后,人们回到家中并打开空调和电器,电能需求量进一步增大。耗电量通常在傍晚达到高峰,只要当温度降低及人类活动减少时才开始下降。

图1. 美国中北部在2011年7月14日实际测量的电能数据。数据由Electric Reliability Council of Texas (ERCOT®组织)提供:www.ercot.com/gridinfo/。冬季,由于采用天然气加热,电力需求量的峰值没有这么高。
图1. 美国中北部在2011年7月14日实际测量的电能数据。数据由Electric Reliability Council of Texas (ERCOT®组织)提供:www.ercot.com/gridinfo/。冬季,由于采用天然气加热,电力需求量的峰值没有这么高。

电力公司如何管理这种波动性的电能需求呢?关键是:可供电力公司选择储存的电能非常少。没有大型电池能够储存一座城市或大型电力公司服务区域所需要的电能。电力公司必须具备足够的发电设施来及时满足峰值需求,以及足够的裕量来避免断电。典型的电力公司将采用水力发电和火力发电厂相结合的方式,保证基本负荷的供电。两种发电途径都是电力的主要来源,但水力发电响应太慢,难以满足需求量的实时变化。石油和天然气涡轮机响应快速,因此可增大电能供应量,以满足全天的用电高峰和用电量的变化需求。太阳能装置在阳光明媚的白天也为日间供电起到一定的作用。

这就是电力公司数十年来管理和供应电力的方式,现在考虑智能电网的情形。

设想炎热夏季的某天,对于全面部署了具有可靠通信能力的高精度智能电表的场合。早上供电需求量增大时,智能电表每隔15分钟将实时用电量数据发送给上级电力公司,能够快速判断用电峰值点。

通过这些用电量数据,电力公司开始实行分时计价的措施。按照这一规则,用户在高峰期内用电将需要支付高昂费率。为了节能或降低电费,消费者或商业用户,甚至数据中心都会选择由电力公司或第三方控制其电气系统。在气温升高时,电力公司将远程调节空调机的温度监控器,仅仅使家庭或办公室的温度稍微升高一点儿,即可达到节能的目的。最终用户甚至感觉不到这种自动中断的服务。

到了中午,电力公司将即时反馈来自风能或太阳能系统的再生能源。这些电力来源称为分布式发电,能够为电网提供可观的电力,输送到最近的用电设施。利用分布式发电,电力公司启动的发电机更少,这些发电机采用燃油,没有可再生能源环保。精确的测量数据和良好的控制机制还有助于减轻电力公司的发电负荷,允许预留更低的裕量。将来,如果负荷增大,插入充电站的电动汽车可以自动切换到供电功能,向电网输送电能。

由此可见,智能电网能够降低高峰期的峰值载荷,在节约电能的同时还降低了所需要的发电总量。由于智能电网固有的灵活性,甚至能够在非高峰期间以更大的容量工作,以便为早些时候被作为电源的电动汽车充电,并使消费者在更长的时间内使用空调。理想情况下,晚间的电力将取自清洁能源,例如水力发电站或其他形式的可再生能源。

无论是消费者,还是电力公司,最终都会同意降低峰值负荷,采用可再生能源的分布式发电降低我们对环境资源的依赖。

现实结果

基于上述观点,有人会说,所有这些听起来很好,甚至非常好,但我们仍然要等等看,是否一切能够平滑过渡,在任何时间、任何地方都能正常运转。当然,如果消费者和电力公司协同努力,为节能做出贡献,智能电网的优势将是毫无疑问的,但在现实中是否可行?

2001年至2006年,意大利率先开始部署智能电表。意大利电力公司Enel推动了这一计划的进行,以期降低费用。现在,接近85%的意大利用户采用了智能电表,实际安装大约4千万台电表。Enel估算这些装置每年可节约7.5亿美元。分时计价和消费者的理念是节俭机制的关键因素,有些消费者发现他们的电费节约了高达50%。抄表和维护所带来的交通费用的降低进一步节省了电力部门的运行成本¹。

同侪压力也能促使消费者向正确的方向转变。2009年,美国明尼苏达州电力公司联合会Connexus Energy就被立法机构要求每年降低1.5%的能耗。降低用电量,例如,采用可再生能源、更有效地配送电力,只能满足部分要求。显然,Connexus Energy必须通过消费者的努力达到降低能耗的目的。Connexus Energy®联合会与顾问公司合作实施了创新的计费方案和培训计划。他们向40,000户住宅消费者邮寄了一份报告,首先将其耗电量与最近的100户小型住宅邻居进行比较,然后列出了排名前20%的“节能用户”。为了提供真实有效的比较,Connexus Energy还创建了一个由40,000用户组成的对照组。到了2009年,同侪压力凑效了。消费者的能源消耗降低2%,每年节约$20至$30。累计节约1百万美元以上。随后,98.7%的计划参与者选择继续参加该项计划²。

现在,作为美国经济复苏与再投资法案的一部分,美国政府在智能电表领域已经投入$45亿,旨在提高能源效率、降低峰值用电量,合理整合分布式再生能源³。

全球各国也都制定了智能电表投资计划。

远景展望

数据表明,智能电网通过降低用电量、对再生能源的整合及节能,为改善环境作出重大贡献。但是,如果电网规划不合理、离开了消费者的参与或者没有对消费者进行适当的培训,就不可能达到利益最大化。机器控制不可能增强消费者的意识,改变人们的用电习惯。智能电表、太阳能板和电动汽车仅仅是供人们使用的工具。智能电表的成功取决于你和我,我们这些聪明的消费者。



参考文献
¹Scott, Mark, "How Italy Beat the World to a Smarter Grid," Bloomberg Businessweek, ENERGY November 16, 2009 (www.businessweek.com/globalbiz/content/nov2009/gb20091116_319929.htm).
²Sayler, Bruce, "Tap into Peer Pressure to Reduce Energy Use," Transmission and Distribution World, January 1, 2011
³"A Policy Framework for the 21st Century Grid: Enabling Our Secure Energy Future" (https://www.energy.gov/oe/downloads/policy-framework-21st-century-grid-enabling-our-secure-energy-future)

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