智慧邊緣架構重塑電網新藍圖

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能轉向分布式可再生能源。隨著分布式能源（DER）的發展，電網的傳輸正在向雙向化的進程演進。

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的反向拓撲，這給電網運營商帶來新挑戰。電網運營體系迫切需要重構，以適應現代化全球能源模式。

當前，用于管理和分配電力的系統不足以應對電網所面臨的挑戰，因為傳統電力系統的設計是單向的。自20世紀首批集中式電網問世以來，幾乎所有電能都是由大型發電廠通過輸配電網輸送至用戶的。作為電網節點的變電站負責確保為消費者提供一致的電力服務。

變電站正處于雙向電力傳輸的交匯點，同時也處于電網拓撲架構歷史性變革的轉折關口。

當分布式電源需要被高效整合并網，并實現雙向電力傳輸時，傳統的配電節點已然成為瓶頸。在電力行業，越來越多的人認為，大多數變電站都需要進行現代化改造，以滿足全球對智能電網的迫切需求，來響應電力消費者和監管機構關于整合更清潔、更可持續能源的要求。

現代變電站需要標準化體系來構建數據驅動型電網，并在本地管理電網運營的各方面要素，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設施來講，對其進行現代化改造是一項艱巨任務，但相應的回報也是巨大的。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能夠將變電站中的總設備數量減少50%，并最終導致運營和維護總成本降低76%。

電力公司逐漸認識到，有必要使用智慧邊緣架構對變電站進行技改和現代化改造。隨著標準化通用基礎設施取代傳統軟硬件過程的推進，變電站現代化改造市場正以超過5%的年復增長率穩步成長。

重構電網新藍圖

電網現代化需要將電網邊緣的分布式電源與變電站中的智能系統無縫整合。這個過程首先從部署標準化硬件平臺與實施軟件定義的自動化和控制系統開始。

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

通過基于英特爾的技術來實現變電站現代化，可幫助電力公司打破傳統監控和數據采集（SCADA）系統的局限。

今天，多個智能電子設備（IED）可以通過標準化協議相互通信，或各自與監控中心進行通信。未來的變電站將通過把負責與多個儀表進行協作的控制器和負責設備控制的控制器，整合到統一的虛擬IED而受益。虛擬化應用和軟件可以根據需要進行升級，這就能讓電力公司在擴建變電站基礎設施時，仍能保留已有的IED。

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

為變電站開發開放平臺有助于提高電網可靠性、生產安全性和系統安全性。將工作負載整合并遷移到符合IEC 61850要求的加固型服務器，還可幫助電力公司通過中央系統對相關各子系統實施自動化部署，并實現系統升級操作，使得各子系統具備信息安全的特性。由此獲得的系統增強升級，可讓電力公司不再派遣維護人員前往現場，從而有助于降低成本。

虛擬化技術在數據中心市場經受了相當長時間的考驗和證明。現在，虛擬化技術有望幫助電力公司開發在可擴展性、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。例如，電力自動化和電力控制的虛擬化實現，也意味著不必為了部署新應用而安裝新的硬件系統。由此，軟件應用能獨立于硬件系統，將不斷降低資產投資支出和運營成本。

電網現代化還將幫助電網運營商充分利用強大的計算能力進行高級監測、診斷和安全增強。變電站自動化使得在變電站邊緣側進行數據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的即時影響，并使用機器學習技術釋放數據的價值，以獲取更深刻的洞察。

機器學習技術將成為數字電網的基石，促進在變電站邊緣的實時數據分析和自主化決策。由此產生的洞察和運營理解，將有助于優化解決因分布式能源功率波動所引起的電網實時供需失衡問題。

電網現代化的五個基本構建模塊包括虛擬保護繼電器（VPR）、微數據中心、配網變電站、風力發電透平和微電網。電網數字化基礎設施是一種基于物聯網（IoT）的新型基礎設施，支持各類電力裝置連接到智能電力網絡，可幫助用戶通過實時數據分析實現可執行的洞察和自動化的控制。

圖1 利用虛擬化技術實現現代化的電力保護和控制

利用虛擬化技術實現現代化的電力保護和控制

虛擬繼電保護將取代老化的且通常以模擬電路功能呈現的機電固態微處理器裝置，這些裝置的維護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。

通過將構建于標準化硬件設備之上的電力自動化系統與保護和控制系統進行虛擬化，能有助于增強系統性整合大量保護和控制應用的能力，并支持自我診斷來實現優化上線運行時間、集中式的維護和升級，同時提升系統的靈活性和安全性。

變電站邊緣側的數據整合和治理，可以通過增強型分析來提供給電網運營者更深入的系統性能洞察。這些更深入的洞察，可以幫助機器學習算法，以自主學習的控制系統自動管理電網，實現電網的持續改進。對于電力公司而言，虛擬繼電保護有助于提高運營安全性和可靠性，并降低資產投資成本和運營成本。電力設備制造商（OEM）也能從以下幾方面受益，包括產品上市時間的提前、開發成本的降低，以及軟件和服務收入的提高。

基于微數據中心平臺的電網工作負載整合

目前，北美約有7萬多座變電站仍然依靠傳統電力系統來管理、維護并運行數以千計的電力裝置，而這些電力裝置正是構成電力系統運維技術（OT）和信息技術（IT）基礎設施的一部分。變電站迫切需要摒棄過時的電力系統架構，從由固定功能的電力裝置組成的拓撲集合（如IED、RTU、PMU、HMI、防火墻、交換機和路由器），轉向采用標準化新電力融合邊緣基礎設施的系統架構進行新型電力系統基礎設施建設。這種重構的電網拓撲架構有助于優化和平衡供電，以應對由分布式電源的大規模并網所造成的電力供應波動所帶來的挑戰。

圖2 新型電力系統——下一代變電站自動化和控制架構

圖3 利用虛擬化技術實現配網變電站的數字化

一種基于微數據中心架構的新型電力系統架構正在得到大力發展，有望大幅提高電網的可靠性、安全性和可管理性。變電站的現代化進程包括將各種電力自動化的工作負載，整合到運行了虛擬機的符合IEC 61850標準的加固型服務器中。該微數據中心可在站內總線層面對變電自動化和IT信息化應用進行虛擬化，并引入虛擬網絡技術來隔離虛擬機之間的流量，從而加強軟件化電網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據中心技術，將以運營技術為核心的應用和以信息技術為核心的應用融合到集中的、可擴展的電網新基礎設施成為了可能。該融合意味著，從防火墻、路由器到網絡安全系統以及電力系統應用的一切組件，都可以在少到兩臺加固型服務器作為新電力基礎設施的微集群單元上運行。同時，運行在全新虛擬化微數據中心上的軟件定義的新型電力基礎設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據，從而幫助電力公司實時做出本地決策。

配網變電站的現代化改造

歐洲和亞太地區的電力公司在電網邊緣節點使用配網變電站為電力消費者輸送電力，中國的電網拓撲也是如此。配網變電站負責為家庭和企業供電，其配網拓撲所覆蓋最終用戶的數量從幾百到幾千不等。

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

智慧電力邊緣節點的功能融合能夠幫助電力公司實現配網變電站的硬件標準化。針對此需求，英特爾與行業合作伙伴形成合作聯盟，已經開發出了相關原型機及標準化設計規范。

原型機的外殼針對室外部署、極端溫度和濕度等情況進行了加固和封閉，內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，用來滿足各種應用的特定用途，同時可以通過RGMII以太網接口來提供網絡支持。

英特爾的配網變電站原型機已經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變電站標準的合規性。電氣裝置數量和現場安裝服務需求的減少，有助于降低電力公司的固定資產成本、運營成本和系統集成成本。

在運營層面，虛擬化的變電站使得新型應用的部署和規模化變得更加簡單。同時，由于內置的系統狀態監測功能和板級的安全功能，使整體系統的安全性也得到大幅增強。

標準化和緊湊的硬件形態能夠減少變電站的硬件成本，并降低運維成本。同時，虛擬化技術也可通過支持遠程操作進一步降低運維成本。

風力發電透平中的虛擬化技術

風力發電透平中的工作負載整合，與變電站中的保護和控制系統的虛擬化類似。風力發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，且這些固有裝置都鎖定特定的供應商品牌，即使維修單個發電透平，也需要派遣工作隊趕赴現場，并在295英尺高的作業場所實施高空作業。

如今，發電透平控制系統的虛擬化，有望簡化系統運維、提升效率，并提高系統的安全性。風力發電透平具有多個控制系統，可以通過分布式方式在服務器集群上運行。其中的關鍵在于，通過在標準化硬件基礎設施上運行虛擬化應用，來替換原來六個或更多的固定功能裝置，以提升整體系統的安全性和靈活性。從發電透平變槳距控制器到SCADA和分析系統，一切皆可在虛擬化環境中實現軟件定義的系統。

圖4 使用虛擬化技術實現風力發電透平控制的數字化

圖5 使用虛擬化技術實現微電網控制的數字化

舉例說明一個用于簡化發電透平控制系統的雙服務器系統架構。風力發電透平控制系統可以搭建在支持按需添加應用的開放架構之上。除了能夠降低運維成本外，虛擬化的風力發電透平控制器還可以支持更高效的系統數據整合、數據治理、洞察提取，并進行實時分析來最大化發電出力。

此外，標準化還將促進全局自動化的實現，使得風力發電廠運營商可以擺脫風力發電透平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力發電廠，以滿足特定的性能目標，并輕松實現并網。

使用虛擬化技術實現微電網的標準化

微電網包括各種發電電源，如太陽能電池板、風力發電透平、燃料電池、發電機組和儲能設備等。這些發電動力島可以靈活地與微電網中的主電網進行并網或獨立組網使用。微電網可以降低能源成本，為關鍵業務提供彈性供電，并提供清潔、可持續的能源。

充分挖掘微電網的全部潛能需要使用標準化的電力自控平臺，以便使用虛擬化技術解耦硬件和軟件，這和為變電站設計的新型保護和控制平臺非常類似。

微電網平臺支持在虛擬化環境中融合各種工作負載，如發電電源管理、電網拓撲動態連接、電力負載整形以及電力自控等。

在虛擬化平臺的基礎上實施標準化，可以幫助微電網運營商從更高效的系統管理和控制策略中獲益，并可以動態地根據實時本地數據和公共數據中獲得的洞察及時調整運營策略。此外，標準化還可以幫助簡化控制流程，在可以靈活地使微電網在并網與獨立組網模式之間無縫切換。

現代化微電網不再依賴多個應用分別運行在互不兼容的硬件平臺之上，而是將使用預置了虛擬化管理工具的標準化硬件來整合多種應用，并部署運行在由各種服務器所構成的多任務平臺之上。虛擬化技術支持使用獨立的隔離環境，同時每個應用都能有自己的操作系統（OS），這有助于提高系統的整體可靠性和彈性，以應對個別硬件發生故障的情況。

工作負載整合有助于電力公司開發新型微電網系統架構，從而減少電力裝置數量，支持軟件定義的網絡，并實現實時分析能力。此外，設備數量的減少還有助于減少微電網系統被攻擊的潛在突破口，從而提高整體系統的安全性。

標準化能夠減少部署成本，同時降低固定資產成本和運營成本，幫助電力公司搭建起一個更加靈活、可擴展且安全的新型電力基礎設施，并使用機器學習技術來提高分析能力。

在業務層面，工作負載整合能夠支持電力公司加快在電網邊緣節點的創新步伐，并充分利用實時數據來增強對微電網運營的洞察。除了促進全局自動化之外，微電網的現代化還有助于電力公司提高效率、降低維護成本，充分發揮微電網的發電潛能。

結論

在物聯網解決方案的推動下，電力公司正在加速電力基礎設施現代化，以實現IT和OT的融合、人工智能技術優勢的充分利用，以及數據在電網邊緣節點就得以被處理。

工作負載整合是傳統系統向全面虛擬化應用環境轉變的關鍵。內嵌英特爾?處理器的硬件系統，包括英特爾?至強?可擴展處理器、英特爾?Arria?10 FPGA和SoC、3D XPoint內存模塊、英特爾?Movidius?視覺處理單元（VPU）加速卡和英特爾網絡接口卡等硬件設備將為電網虛擬化奠定堅實基礎。

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

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

電網現代化需要對現有電力基礎設施進行全面升級，并需要電力公司、監管機構、政策制定者以及民營公司跨領域的通力合作。能源行業的可持續發展有賴于電網的演進，以減少碳排放，推進交通運輸電氣化進程，并促進分布式電源在電網邊緣節點的并網。

隨著能源市場全面擁抱數字化轉型，電力系統將從模擬架構向全新的數字化新型電力系統標準演進。將虛擬化技術應用于電力公司的自控系統，需要行業銳意創新，共建新型電力系統的生態系統，共織智能電網。■