【導讀】您可能認為當今世界是智能手機/平板電腦的天下。但我們周圍的“智能”裝置比您想象的更多。比如說帶有智能電表的智能電網。配電自動化新時代來臨，如何管理這些智能裝置、分布式智能數據成為業內的最新挑戰之一......
供電公司每天都會在某個區域的住宅安裝嶄新的智能電表，并鼓勵我們掌控我們的能源未來。我們能夠通過網絡監測和報告耗電量，并且簽署有利于節省電費的合約，比如分時計價。但管理全部這些裝置、分布式“智能”數據卻是業內面臨的最新挑戰之一。智能手機和平板電腦背后需要大量的計算能力，即所謂的“云”。同樣智能電表和智能電網背后也需要有效的基礎設施來訪問收集的數據，以及優化能源供給。隨著計算機技術持續重大發展，為能源配送自動化起著作用。
配電自動化時代的來臨
配電自動化現在并不是一個新事物，自上世紀60年代以來，將計算技術應用于電網的愿景曾吸引了電力行業的大量眼球。然而，直到最近，這樣做的現實利益還受到質疑。發達國家的電網非常可靠，有人就問為什么要冒著系統可靠性的風險添加附加控制系統？“智能”系統？現實利益是什么？誠然，光是理論上的好處是很難判斷投入是值得的。
然而，在2013年，供電公司面臨的世界則完全不同。老化的電網及其效率(或無效率)和環境因素現在全部促使供電公司增強控制和性能，邁向配電自動化。在美國，變壓器的平均使用時間已經達到40年，與變壓器的建議工作年限相當；電力基礎設施需要更新換代。2012年7月發生在印度的大面積停電影響到6.8億居民，而當時印度已經不能滿足日常高峰期的用電需求，并希望在接下來5年內將供電容量提高45%。
全球范圍許多國家的可再生能源配額制(RPS)體現了高效率和分布式發電的國際驅動力。現在，美國50個州中的30個州1要求可再生能源占據電力的一定百分比，例如風力和太陽能。加利福尼亞州要求到2020年要有33%的電力來自于可再生能源2。歐盟2020年目標3則要求到2020年有20%的電力來自于可再生能源，同時能源效率提高20%，據推測將降低總體能耗。中國2005年通過的可再生能源法也規定了類似的條款，并在中長期發展規劃中增加了相關條例。
現在，配電自動化被認為是“電網智能控制功能向配電方向的延伸和超越...可通過智能電網實現。”5配電自動化的優勢被廣泛接受，但并沒有使成功實現或可靠性變得簡單，這些是大范圍廣泛應用的嚴重挑戰。
實現配電自動化面臨的挑戰
過去的電力公司現在分成了發電和配電公司，雙方都紛紛在配電網上安裝智能電表，以及更改基礎設施。管理分布如此廣泛的設施面臨的主要挑戰是什么?Maxim Integrated認為有三個關鍵領域需要注意，并且這些領域也是電網供應商的機遇：資產保護、電網安全和資產管理。我們對這些領域分別進行簡要討論。
資產保護
資產保護意味著供電公司必須投入高性能元件，可靠監測電網以及保護其高成本資產。通過保護所有資產，供電公司的總體投資將提供長時間有效服務。
配電自動化設備的投資數額巨大，一個變電站的自動化升級成本為1000萬至2000萬美元。6所以，如果沒有長遠的項目目標及深入論證，現代化的供電公司不會開始大型升級項目，而項目的成本往往會引起費率調整，以覆蓋項目成本。這正是高質量半導體傳感器以及優化器件如此重要的原因。這些器件將確保電網正常運行，從而為供電公司的投資提供最有效的保護。
所有并網裝置的核心是模擬信號鏈。配電網中的每個裝置都需要進行電測量。最簡單的并網裝置僅測量電流，而最復雜的繼電器則執行全部四象限測量，獲得多次諧波。該信號鏈(圖1)7通常包括電壓或電流變壓器、運算放大器、電壓基準，以及用于實際電測量的模數轉換器。隔離及直流/直流轉換器提供必要的保護及系統工作電源。
圖1：智能電網方案的核心——信號鏈中的關鍵器件。
作為信號鏈核心的ADC必須提供配電自動化所需的最佳性能。MAX11040K具有24位分辨率和高達64ksps的采樣率，具備所要求的高性能。這款4通道ADC同時采樣多個通道，防止線路之間的任何同步誤差。多片MAX11040K可級聯在一起，實現最高32通道采樣。
大多數半導體公司采用簡單的信號鏈方框圖展示其配電自動化領域的知識，而這種演示是不夠的。智能電網所需設備的多樣性要求對每個元件及產品具有深入的了解。從相量測量單元到電容組控制器，每個系統的精度和定時要求區別很大，要求器件具有相當的性能指標。
電網及其數據的安全性
由于所有配電網的基礎設施都必須能夠預防網絡攻擊，所以電網及其數據的安全性至關重要。
安全性是當今先進配電系統中討論最多的話題。討論往往集中在網絡安全和加密，盡管加密非常重要，但并不是現代化的靈丹妙藥。系統安全方案利用高級物理安全實現無可比擬的低成本IP保護、預防克隆以及外設安全認證。8雙向安全認證、多層加密和物理篡改檢測全部預防電網遭受網絡威脅：硬件、數據傳輸及數據存儲。
在保護硬件時，安全策略考慮從制造到安裝直至銷毀的整個產品生命周期。必須組合采用安全硬件和安全保護方案。防止制造合作伙伴訪問私匙或者防止開發攻擊系統的途徑非常重要。2012年初期波多黎各曾發生完全違反保密協議的事件，完全破壞了當地新部署的電網。安裝期間，必須對安全資產實行嚴格認證，最好是雙向認證，以及質詢和應答，以確保合法性。這樣的相互認證將確認無論是裝置還是軟件在制造期間未經篡改，尤其是處在第三方承包商時。工作期間，需要采用物理安全確保系統不容易被篡改。為防止通過攔截、更改，或者利用能夠打開或關斷電力的通信消息進行篡改，也必須采用多層加密。
MAXQ1050微控制器把所有這些安全特性集成進去以確保生命周期安全。通過了防止植入不良軟件以及防止惡意克隆和刪除已裝載的軟件等方面的安全認證。具有多層對稱及非對稱加密數據保護，內置密匙發生器保護密匙。防引腳篡改及其它物理層面的密匙機械保護，防止通過熱以及其它的途徑刪除安全密匙和系統數據。
資產管理
資產管理包括跟蹤資產的簡單和復雜方法，時刻了解現場設備的狀態。對于確保性能和監測維護，這樣的管理是非常寶貴的。
以一個簡單場景為例，很容易理解戰略性的資產管理。在一場暴風雨中，電網上的許多點發生了斷電。來自于不同供電公司的人員被召集在一起，幫助維修，“點亮燈光”的精神戰勝了天氣。線路得到了維修，設備得到了更換，又重新恢復了供電。這一切都很快。然而，危機結束時，供電公司并不完全了解以及緊密跟蹤現場工作的資產。考慮到設備成本以及保證分布式資源及供電安全的需求，先進的電網不能容忍未知或不合適的資產在現場工作。
戰略資產管理要求完全從上至下部署、安全認證以及跟蹤電網高效運轉所必需的全部過程、軟件以及系統。安全認證為重中之重。嵌入式安全認證是設備自我識別的基本過程，因此必須作為系統的一部分進行了解，以便于跟蹤和管理。8對于小額投資，可使用簡單的硅器件唯一識別配電網上的設備，包括線傳感器到變壓器再到重合器控制器。唯一質詢/應答識別允許跟蹤每件設備，并通過供電公司的AMI網絡進行通信。在這點上，安全性與報告資產識別、位置、工作狀態、最新維護數據或其他各種報告功能是相一致的。
對于我們的意義和指導性
現代化的供電公司過去曾經是具有豐富電力電子經驗的發電和配電公司。現在，隨著供電公司將復雜的IT工作與多層復雜的設備及資源和數據管理集成在一起，情況發生了天翻地覆的變化。當電力公司購買新設備以更新其基礎設施時，需要在整個電網內從下至上構建基礎設施的新裝置和安全算法。這些電網裝置需要的不僅僅是以太網和簡單加密，而是必須配備可靠的保護、管理和安全功能。
智能電網往往被描述為電網上鋪天蓋地的電能測量和通信。這種定義過于簡單。智能電網應該集成安全硬件和智能電能管理軟件。電網需要先進的檢測和通信能力，以形成可靠、有效、安全的供電系統，提高系統效率和支持分布式資源的能力。屆時，我們將大范圍實現高效率的配電自動化。
