隨著南美、歐洲和亞洲地區(qū)智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，設(shè)計領(lǐng)域的機會開始浮出水面。在尋找這些機會的過程中，開展技術(shù)專題討論會，深入研究相關(guān)報告并展開討論大有裨益，這樣可以更加深入地了解已經(jīng)出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

　　目標(biāo)和推動力

　　“智能電網(wǎng)”一詞是指致力于在全球范圍內(nèi)建立與21世紀(jì)的技術(shù)相匹配的國內(nèi)電網(wǎng)和跨國電網(wǎng)的各種工作。不過不同地區(qū)的目標(biāo)各有不同。

　　中國在這方面幾乎是一片空白，正在從頭開始。相比之下，美國的市區(qū)擁有可追溯到愛迪生和斯坦梅茨時期的各種五花八門的基礎(chǔ)設(shè)施，農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施可以追溯到富蘭克林?羅斯福執(zhí)政時期，郊區(qū)邊緣的基礎(chǔ)設(shè)施則是相對近代的事情。雖然有良好的愿望，并做了各種無微不至的工作，但許多基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)陳舊不堪，相當(dāng)不穩(wěn)定。

　　除了電力中斷的不足之外，對發(fā)電量的需求也在與日俱增。但是由于存在各種出于好意的特殊利益要求，為新發(fā)電廠提供場所或者運行輸電線路幾乎成了不可能的事情。

　　人口集中在北緯49度的加拿大受美國影響。但是加拿大擁有相對而言更加豐富的有待開發(fā)的自然資源，不管怎樣，這些資源都可以以原始形式或者作為電力與其南邊的合作伙伴進行交易。歐盟的情況與美國差不多，不過歐盟二戰(zhàn)后的機械設(shè)備更新。盡管歐盟比美國更“環(huán)保”，但是歐洲人更能接受核電，這主要是由于法國將剩余電力銷售給意大利和英國。

　　因此，美國有兩個主要目標(biāo)。首先，需要提高對于停電的防御能力。其次，美國打算通過“負載均衡”來解決設(shè)置新發(fā)電廠和輸電線路的難題，這意味著需要一天24小時內(nèi)更加頻繁地對發(fā)電和配電系統(tǒng)提出需求。

　　實際上，負載均衡意味著更多的分布式發(fā)電，這一概念向下可以延伸到非高峰時段電動汽車電池的細粒度能量存儲和高峰時段的細粒度能量回收。不過，具體來講，負載均衡意味著鼓勵采用電池儲能的新型工業(yè)太陽能電池、風(fēng)力電池和燃料電池的電量，以便在必要時增加火力發(fā)電廠的發(fā)電量。

　　這提升了“微網(wǎng)(microgrids)”的前景。理論上，這些可隔離的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)可以通過大型電網(wǎng)進行連接，而出現(xiàn)外部故障時又可以自行維護。

　　許多智能電網(wǎng)倡議已經(jīng)深入到每個公民中，這些倡議通過動態(tài)調(diào)整電價激勵公民管理他們的需求，電價則通過RF或電力線通信(PLC)下載到電表上，這是一種慢頻移鍵控(FSK)技術(shù)，采用通過變壓器的低頻載波實現(xiàn)。

　　在家里和公司中，電表(或者某種其他類型的中繼器)會將電價信息傳遞給“智能”電器或溫度調(diào)節(jié)裝置，在其控制回路中整合動態(tài)變化的電價。

　　在北美，每度電的價格(至少部分)由自由市場根據(jù)紐約和芝加哥商品交易所中安然式的交易來確定。能源交易商則根據(jù)發(fā)電廠和國家輸電和配電(“T和D”)組織實時報告的需電量和供電量波動進行決策。

　　有意思的是，現(xiàn)在本地電力公司發(fā)電越來越少了。這些公司一直都在出讓他們的實際發(fā)電設(shè)施。

　　這些變化并不會一夜之間形成，在這個過程中將出現(xiàn)各種各樣的調(diào)整。在美國，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和IEEE參與到確保互操作性的工作中。除了互操作性之外，責(zé)任是另一個關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動因素，因為電力公司律師的第一道防線就是嚴格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　輸電和配電公司的相量監(jiān)測

　　2010年初，IEEE電力和能源協(xié)會(PES)和通信協(xié)會在馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST召開了一次有關(guān)智能電網(wǎng)的會議。美國亞拉巴馬電力公司(Alabama Power Co.，APC)的首席工程師、配電自動化全美公認專家G. Larry Clark在這次會議全體會談的發(fā)言中指出，負載均衡的實際問題在于，實現(xiàn)電網(wǎng)時，接下來的一二十年需要展開大量的監(jiān)測和統(tǒng)計分析工作。

　　只要用戶需求存在晝夜周期，APC公司的累積數(shù)據(jù)就說明，如果變電所變壓器在高于其銘牌額定值的高峰負載時段工作的時間有限，并且變壓器有足夠的時間在低負載水平下冷卻，那么變電所變壓器就可以在高于其銘牌額定值的高峰負載時段安全工作。

Clark指出，沒有人能夠確定最終可以實現(xiàn)負載均衡的負載水平，也沒有人能夠準(zhǔn)確地確定何為均衡負載“水平”。現(xiàn)狀下保守的設(shè)備政策可能導(dǎo)致設(shè)備在將來過早損壞。在此期間要做的唯一一件事就是收集數(shù)據(jù)并推斷發(fā)展趨勢。
　
　　事實證明，對多相輸電線路進行準(zhǔn)確且精確的測量需要使用某些專用芯片。這是因為對單相線路進行瞬時測量相對比較簡單，但是對多相線路進行測量往往復(fù)雜得多。

　　這個難題直到1988年Arun Phadke和James Thorp在弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)發(fā)明相量測量單元(PMU)才真正得到解決。PMU可以通過GPS產(chǎn)生的時間信號實現(xiàn)電網(wǎng)各個部分之間實時相量測量的同步。

　　Macrodyne表示，雖然早在Charles Steinmetz時代他就第一次將相量應(yīng)用到交流電源，但是在實現(xiàn)基于時間的全球?qū)Ш较到y(tǒng)時，出現(xiàn)用于同時測量的商用產(chǎn)品卻經(jīng)歷了99年的時間。

　　測量三相輸電系統(tǒng)中單個點的相量是一個非常有意思的芯片級挑戰(zhàn)。Maxim公司的Martin Mason表示，用于實現(xiàn)這種任務(wù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)要求精度和準(zhǔn)確度。此外他還表示，所有的電壓和電流測量都必須同時進行。復(fù)用ADC絕對不可能。

　　此外，Mason還負責(zé)Maxim公司的電力線監(jiān)控芯片，包括采樣速率為250kbps的MAX11046八通道同步采樣16位ADC。

　　幫助電動汽車找到充電站

　　繼IEEE電力和能源協(xié)會在NIST召開的會議之后，NIST/通信協(xié)會大會進一步證明，并非電網(wǎng)面臨的所有挑戰(zhàn)最終都能以芯片的形式解決。信息理論難題的解決方案主要基于數(shù)學(xué)方面，此次大會上討論了諸多這方面的問題。

　　有一篇研究報告指出了數(shù)學(xué)問題可以如何通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來解決，以及嚴謹?shù)慕鉀Q方案途徑如何通過相當(dāng)?shù)皖A(yù)算的試驗來說明。

　　無論如何，智能電網(wǎng)的分布式發(fā)電都依賴于電動汽車的電池，電動汽車能否得到廣泛使用取決于耗盡的電池能否方便地進行充電或更換。這樣就引出了一系列問題：電動汽車與充電站的最佳比例、充電站如何確定客戶優(yōu)先級(或者如何引導(dǎo)客戶前往仍在可到達范圍內(nèi)的比較清閑的充電站)等。