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我们今天的大部分高耗能来自加热/冷却，烹饪，照明，洗涤和干燥。这些家用电器开始变得聪明，具有连接功能，可以让他们自动化，以获得智能计量和可变税费所带来的好处。电力公司正在开始更好地管理能源需求，更有效地执行负载平衡。

 

在实用/行业方面，数据聚合器/集中器在自动抄表（AMR）中形成重要组成部分。它通过将多个公用事业公司的仪表（电力，燃气，水，热）连接到中央公用事业服务器来创建必要的网络基础设施，获取并报告重要数据。它还有助于将实际应用的时间和日期数据同步到中央应用程序服务器中，并实现用户认证和加密信息的安全数据传输。与电力仪表的通信由射频无线或有线（电力线调制解调器）连接组成，使得能够通过GPRS，以太网和GSM，POTS或UHF / VHF网络将数据传输到中央公用事业服务器。

 

据派克研究所估计，到2020年将有9.63亿台智能电表和6,300万个能源管理用户。这反过来将为公用事业机构为客户提供管理和控制能源分配的巨大机会；它还使业主有机会通过智能能源管理更好地管理其能源使用。

 

图1、物联网（IoT）用于智能能源中

 

 

第一个电网出现在19世纪90年代，由先驱者托马斯·爱迪生（George Edison），乔治·西屋（George Westinghouse）以及通用电气（General Electric）和西屋电气（Westinghouse Electric Corporation）等个人和公司所驱动。当时这些电网是高度集中的，彼此隔离的系统。在接下来的几十年里，本地的电网变得越来越相互联系。到20世纪60年代，电网已经成熟为高度互联的系统。这些电网主要由大型电厂（通?；诨剂?，如煤，天然气和石油）主导，大型电力线用于与电力消费中心相连接，低容量线路将电力运送到终端用户。由于计量技术的局限性，往往固定电价的方式来对终端用户收费。

 

从一开始，电力电网面临的一个关键挑战就是应对不断变化的能源需求。这里的主要问题涉及到非常有限的储能能力以及根据需要增加额外的发电机组的高成本。例如，添加峰值时间发电机，例如具有低启动时间的燃气轮电机是一个相对昂贵的解决方案。初步尝试在需求侧解决问题。例如，引入双重税收来鼓励客户在需求普遍较低的夜间增加电力使用量?；挂肓诵枨蟾兄璞福ㄈ缈盏?，冰箱和加热器），这些设备可以使用模拟技术例如通过监视电源频率的变化来感测电网中的负载。

 

如今，分布式网络可以满足共享中小型风力发电厂，热电联产，太阳能发电厂等不断增长的（分散）发电量。但是这给电网造成了压力，使电网稳定性更加难以维持。数字化能够使电网“智能化”以满足这些新的要求。图2更详细地介绍了数字化对能量控制器的影响。

 

图2、电力电网的演进

 

此外，过去十年间，国家批发市场和跨国的电力交易量大幅增长，导致对输电电网的新的需求。大多数消费者连接到分布式网络中，电表计量服务用于记录消费和输入的电量数据。

 

图3、智能电网架构的概念形式

 

 

近年来，数字化现象已经演变成跨行业相关的真正大趋势。虽然能源行业最初落后于其他行业，但现在正在迎头赶上，数字元素影响着这个市场的越来越多的方面。然而，“数字化”这个术语其实是很模糊的，所以我们需要定义我们的意思。 m3管理咨询高级经理Bernhard Schaefer将数字化定义为：

 

利用新的信息和通信技术来实现能源公司的产品和服务，价值链（从发电厂到消费者）以及内部支持功能（控制，采购，人力资源等）的综合转型，以满足相关客户的期望。

 

结果是一个“智能”电力公司，作为“智能”能源世界的一部分，将被越来越多地嵌入到更广泛的物联网（IoT）中。

 

智能能源系统在许多方面将与传统系统不同：

 

数据主导的智慧正在或多或少地进入能源价值链的所有步骤中，突出的重点是发电，配电，计量和消费。图4中更详细地说明了IoT应用程序扩展到能源价值链中（请注意，每个国家的能源价值链会稍有不同;例如，英国的智能电表是零售业）。

 

 

博世软件创新公司的Michael Schlauch是博世的项目经理，负责Smart City Rheintal项目。这是项目的两个关键外包：

 

我们看到预测过程仍然有很大的改进空间。这适用于光伏设施的发电预测以及对消费者的消费预测。在这里，需要更长的时间框架，甚至超出了正在资助的项目的结束时间。例如，这是推断特定住房单位的实际和个性化消费概况的唯一途径。由于我们与沃拉尔伯格应用科技大学的合作，并且专门针对IT公司的，因此我们正在获得这种类型的广泛的区域性的和结构性的参数，为进一步预测做好了准备。

 

诸如洗衣机的消费者设备太小，无法使需求方管理有合理的进展。集成到VPP中的设备必须要更灵活。这对于热泵以及电锅炉也是如此。当然，当我们可以将各种不同程度灵活性的设施结合在一起时，这也是非常有帮助的。

 

图4、扩展能源价值链和物联网（IoT）的应用场景

 

 

发电是数字化无疑会带来巨大好处的领域。过去，传统的电力系统主要由大型集中式电站供电，如今，越来越多的小型，分散式安装的发电机将电力注入电网。大多数这些额外的电力是由可再生能源发电，如风能，太阳能和生物能等产生的。然而，风能和太阳能的生产却是高度波动的，依赖天气预报的生产预测容易出现不精确的局面。这对网络运营商来说是一个挑战，网络运营商必须通过确保电力注入和电力消耗之间的平衡来保持网络的稳定和安全。能源专家Bernard Kryszak说：

 

满足这一挑战的一个选择是将各种小型发电机捆绑成一个协调的“虚拟电厂”（VPP：Virtual Power Plant）。 VPP的个体电厂（可能利用太阳能，风能，生物质能，小型水电厂或者热电厂（CHP））的电力生产通过使用单一的IP网络进行集中优化，以收集和分析分散式单元的生产数据，当地天气预报，需求预测等。这种基于协同效应的方法使得可以最小化所需输出的发电成本。此外，与单个电力来源相比，VPP能够提供更稳定的总体电力输出，例如在太阳不发光并且不能产生太阳能的时候，通过提高生物能源的功率来进行补充。特别是在波动发电程度高的市场中，如果监管框架提供足够的市场信号来激励提供储备能量的话，那么VPPs在经济上是有吸引力的，同时还有助于系统的稳定性。

 

数字基础设施的另一个应用领域涉及远程发电资产的监控和诊断。想象一下远离海岸的一个大型海上风电场。简单的基于时间的维护在这里是不合适的，因为到达这个位置所涉及的成本非常高。相反，来自连接到每个风力涡轮机中的部件（例如叶片，齿轮箱，油泵，控制器，马达和发电机部件）的传感器的操作数据被连续馈送到中央控制中心。这里，数据以结构化的方式存储在数据历史数据中，并可用于分析。这样就可以监控每个部件的状况，并根据维修计划来调整涡轮机的实际状况。

 

此外，数字化可以使发电的支持过程更管用和高效。 “数字供应链”的概念描述了与外部供应商的紧密的数据集成。这有助于确?；颈讣墓┯ι棠芄换竦糜泄胤⒌缁钔夤┑缫蟮耐该髟谙咝畔?。因此，备件可根据需求进行交付，库存量可以实现最少化，从而提高发电厂的可靠性。

 

现在有转向私人发电领域的智能应用，我们将重点转移到能源管理解决方案上。这些可以帮助私人能源“消费者” - 也就是通过光伏（PV）或者微型热电联产（CHP：combined heat and power（热电联产））生产能源的私人消费者。想象一下在屋顶上安装有PV的家庭。在天气预报的帮助下，专业消费者可以预测其安装的电力输出，并考虑到其电力公司提供的可变电力价格 - 相应地优化其消费。这增加了自耗太阳能电池的份额，同时减少了外部配电网的使用。

 

通过完全集成的交易平台和自动交易流程，能源交易也变得更加智慧。而市场参与者只是基于日前的数据来交易电力，而当天的交易可以通过系统到系统的信息进行，而无需人工干预。这使得实时交易和短期优化，从而在新兴的动态能源市场中保持了足够的敏捷性。

 

 

今天，尽管间歇式可再生能源的增长压力越来越大，但是传输系统运营商（TSO：transmission system operators）也面临着保持电网运行稳定和安全运行的更大挑战。由于电网稳定始终是至关重要的，TSO被允许通过迫使电力生产商暂时升高或降低其发电资产来确保其负荷平衡（频率和电压），以实现生产和消费之间必要的持续平衡（后者是更难影响）。在这种情况下，TSO的控制中心通过专用数据接口来直接和远程地控制与TSO传输网格直接相连的发电厂的资产。

 

 

展望分布和计量领域，我们可以看到新智能能源领域最有名的元素：“智能电表”。智能电表是一种能够以短时间例如每15分钟记录功耗的计量装置，然后将该数据传送到供应实用程序用于监控和计费。智能电表还可实现电力公司和计量电力负荷之间的双向通信，从而允许电器受到控制，使得由于使用高可再生能源能源而价格低时，其能源消耗最高。

 

当智能仪表和其他传感器和执行器安装在大量相关负载点和网络资产（如可控变电站）时，将集中的数据馈送到中央配电管理系统中，便于实时分析，控制网络。所得到的“智能电网”可以由网络运营商进行详细监控和远程控制。网络操作实际上可以在很大程度上实现自动化，从而可以快速响应网络事件，如本地电源中断等。如在远程发电的情况下，这也极大地促进了基于资产状况的实时信息的基于条件的电网资产维护?？梢酝üげ夥治鼋徊接呕せ疃?，即实现基于历史数据和学习分析算法的资产状况预测。

 

正如管理咨询部高级经理Bernhard Schaefer指出：

 

电网“智能化”有很多好处：优化电力流量，提高系统安全性，更好地利用网络容量，更好地保护网络资源免受故障影响。此外，可再生能源更容易集成到网络中。这减少了网络所需的投资量，并降低了资产服务的运营费用，同时减少了网络故障，并在供应中断的情况下 - 使供应恢复得更快。

然而，从网络运营商的角度来看，与常规仪表的使用相比，在许多情况下安装和操作智能计量装置不是成本有效的。事实上，在欧洲，只有瑞典和意大利才开始全面推出智能电表。在其他欧洲国家，智能电表的安装仍在进行中，通?；剐枰⒎ü娑ā５映ぴ独纯?，通信和硬件的成本会大幅下降，这将改善智能电表的业务情况。

 

 

电力储存是在低需求时承载可再生能源产生的多余能源的一种选择。除了大型的中央存储设备，如抽水蓄能水电，还有大量关于将中小型存储投放市场的开发活动，例如锂离子电池或电力到燃气转换的技术。潜在的电力储存的一个特别有趣的形式是“车对电网（vehicle-to-grid）”的概念。随着越来越多的插电式电动汽车，数字基础设施可用于控制车辆的电池充电过程，并在能量过剩或需求高峰的情况下将能量释放回电网。

 

尽管大多数这些存储技术在大多数市场环境中尚未获利，但显而易见的是，将分散的小型存储设备集成到智能电网中可以带来额外的好处。因此，调度基于实际的整体系统需求，并考虑到网络和地理约束，以努力实现整体经济优化。

 

 

到目前为止，我们已经解决了纯粹的技术解决方案。然而，智能能源不限于机器对机器（M2M）通信。数字客户界面是不断变化的智能能源世界的另一个重要因素。首先，可以通过捆绑能源和信息服务来设计新产品。其次，通过基于分析的客户细分和定价优化，可以通过使用新提供的数据来更好地针对客户需求，来改进与现有产品和服务相关的销售和/或利润。第三，通过利用智能电表的计量数据的分析来获得的客户洞察力，还可以通过引入用户友好的移动服务和在线自助网站进行计费，提交仪表读数，按需支持和节能措施。最后，供应商可以期望获得有关客户行为和主要营销数据的更多信息，可以向第三方提供有针对性的销售和广告。

 

 

在最终客户方面，在价值链结束时，许多举措的重点是通过提高能源效率并通过智能负载调度来降低能耗和降低成本。这通常通过根据实时市场价格变化的灵活调度来完成。这使得电力公司可以在由于电力生产过剩而在网络稳定受到威胁的情况下，向提供了增加电力负载的客户进行奖励来激励他们。

 

能源管理解决方案主要适用于工业和商业客户，一般来说他们的能源账单是大多数成本结构的主要部分。需求响应管理用于通过生产过程中现有的灵活性来获利，例如，在收费较高的时候，通过减少冷却和加热过程或其他电气负载?；箍梢岳貌煌⒌绯Ш?或不同能量形式之间的内部协同作用（例如电力对天然气转换）。

 

在私营部门，“智能家居”理念解决了能源效率，个人舒适，个人健康和安全问题。在智能家居中，集成的家庭自动化控制优化了照明，供暖，电器，如电冰箱和洗衣机以及电动百叶窗和安全系统的使用。学习算法有助于减少能源消耗 - 例如，当居民上班时，减少供暖。传感器可以监视运动并发出警报，例如在老年人活动下降或不长时间移动的情况下发布警报。智能手机应用程序允许用户远程监控家庭的安全功能。此外，电子移动应用可以通过将充电和放电过程结合到整体家庭能量管理概念中而被集成到智能家居解决方案中。

 

 

智能电表的采用将成为智能家居和其他下游设备广泛采用的主要推动力。在全球的几个市场中，这需要政府干预和监管决策，而在其他市场，网络效率和“非技术损失”（即盗窃）可能是影响智能电表采用的重要因素。采用智能电力计量的智能电表对环境的潜在有益影响是近乎全球性的驱动力。

 

这样做的最终结果是，智能计量和智能电网管理解决方案将成为即将到来的物联网时代首要采用的技术之一。随着这些技术的引入，其他一系列解决方案将随之获得推动。一类解决方案将包括电器和设备成为智能电网基础设施的有效部分，一级支持低压发电。我们还将看到一系列设备是更广泛的智能电网生态系统的一部分，这些设备将用于通过修改功耗来提高效率的地方。第二个设备类别将包括许多智能家居设备。

 

图5显示了由两个不同类别的设备表示的智能电网IoT连接的总数。它还显示了由智能电网基础设施设备贡献的智能电网IoT连接总数的份额，并突出显示了与新兴智能电网有关的IoT设备总数的份额。

 

图5、智能电网中的物联网（IoT）连接数

 

这些数字有三个明确的信息。首先，物联网智能电网中包括的设备总量预计将迅速增长，从今天的不到10亿而2024年增加将达到120亿。第二，也许不奇怪的是，在依赖于智能电网功能的设备之前，将采用与智能电网基础设施相关的设备。第三，与智能电网相关的设备将占据连接设备的越来越多的份额。这些预测显示，到2024年，预计所有物联网设备云连接（不包括PC，平板电脑和手机）的40％以上属于智能电网生态系统，将智能电网和VPP概念牢固地置于物联网（IoT）的核心之中。

 

 

本文描述的大多数趋势仍处于试点或早期商业化阶段。能源专家Bernard Kryszak强调：

 

我们相信，大量的用例将变得有利可图。然而，许多智能能源应用的成功取决于采用这些智能技术的发电厂，网络运营商，销售实体和客户那里获利的利益之间平衡的综合视角以及成本的公平分配，而共同的基础设施是这个综合视角的重要组成部分。