【導(dǎo)讀】據(jù)派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬個能源管理用戶。這反過來將為公用事業(yè)機構(gòu)為客戶提供管理和控制能源分配的巨大機會;它還使業(yè)主有機會通過智能能源管理更好地管理其能源使用。
我們今天的大部分高耗能來自加熱/冷卻，烹飪，照明，洗滌和干燥。這些家用電器開始變得聰明，具有連接功能，可以讓他們自動化，以獲得智能計量和可變稅費所帶來的好處。電力公司正在開始更好地管理能源需求，更有效地執(zhí)行負載平衡。
在實用/行業(yè)方面，數(shù)據(jù)聚合器/集中器在自動抄表（AMR）中形成重要組成部分。它通過將多個公用事業(yè)公司的儀表（電力，燃氣，水，熱）連接到中央公用事業(yè)服務(wù)器來創(chuàng)建必要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，獲取并報告重要數(shù)據(jù)。它還有助于將實際應(yīng)用的時間和日期數(shù)據(jù)同步到中央應(yīng)用程序服務(wù)器中，并實現(xiàn)用戶認證和加密信息的安全數(shù)據(jù)傳輸。與電力儀表的通信由射頻無線或有線（電力線調(diào)制解調(diào)器）連接組成，使得能夠通過GPRS，以太網(wǎng)和GSM，POTS或UHF / VHF網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍檬聵I(yè)服務(wù)器。
據(jù)派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬個能源管理用戶。這反過來將為公用事業(yè)機構(gòu)為客戶提供管理和控制能源分配的巨大機會；它還使業(yè)主有機會通過智能能源管理更好地管理其能源使用。
圖1、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用于智能能源中
電網(wǎng)的演進與挑戰(zhàn)
第一個電網(wǎng)出現(xiàn)在19世紀90年代，由先驅(qū)者托馬斯·愛迪生（George Edison），喬治·西屋（George Westinghouse）以及通用電氣（General Electric）和西屋電氣（Westinghouse Electric Corporation）等個人和公司所驅(qū)動。當(dāng)時這些電網(wǎng)是高度集中的，彼此隔離的系統(tǒng)。在接下來的幾十年里，本地的電網(wǎng)變得越來越相互聯(lián)系。到20世紀60年代，電網(wǎng)已經(jīng)成熟為高度互聯(lián)的系統(tǒng)。這些電網(wǎng)主要由大型電廠（通常基于化石燃料，如煤，天然氣和石油）主導(dǎo)，大型電力線用于與電力消費中心相連接，低容量線路將電力運送到終端用戶。由于計量技術(shù)的局限性，往往固定電價的方式來對終端用戶收費。
從一開始，電力電網(wǎng)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是應(yīng)對不斷變化的能源需求。這里的主要問題涉及到非常有限的儲能能力以及根據(jù)需要增加額外的發(fā)電機組的高成本。例如，添加峰值時間發(fā)電機，例如具有低啟動時間的燃氣輪電機是一個相對昂貴的解決方案。初步嘗試在需求側(cè)解決問題。例如，引入雙重稅收來鼓勵客戶在需求普遍較低的夜間增加電力使用量。還引入了需求感知設(shè)備（如空調(diào)，冰箱和加熱器），這些設(shè)備可以使用模擬技術(shù)例如通過監(jiān)視電源頻率的變化來感測電網(wǎng)中的負載。
如今，分布式網(wǎng)絡(luò)可以滿足共享中小型風(fēng)力發(fā)電廠，熱電聯(lián)產(chǎn)，太陽能發(fā)電廠等不斷增長的（分散）發(fā)電量。但是這給電網(wǎng)造成了壓力，使電網(wǎng)穩(wěn)定性更加難以維持。數(shù)字化能夠使電網(wǎng)“智能化”以滿足這些新的要求。圖2更詳細地介紹了數(shù)字化對能量控制器的影響。
圖2、電力電網(wǎng)的演進
此外，過去十年間，國家批發(fā)市場和跨國的電力交易量大幅增長，導(dǎo)致對輸電電網(wǎng)的新的需求。大多數(shù)消費者連接到分布式網(wǎng)絡(luò)中，電表計量服務(wù)用于記錄消費和輸入的電量數(shù)據(jù)。
圖3、智能電網(wǎng)架構(gòu)的概念形式
數(shù)字化的影響
近年來，數(shù)字化現(xiàn)象已經(jīng)演變成跨行業(yè)相關(guān)的真正大趨勢。雖然能源行業(yè)最初落后于其他行業(yè)，但現(xiàn)在正在迎頭趕上，數(shù)字元素影響著這個市場的越來越多的方面。然而，“數(shù)字化”這個術(shù)語其實是很模糊的，所以我們需要定義我們的意思。 m3管理咨詢高級經(jīng)理Bernhard Schaefer將數(shù)字化定義為：
利用新的信息和通信技術(shù)來實現(xiàn)能源公司的產(chǎn)品和服務(wù)，價值鏈（從發(fā)電廠到消費者）以及內(nèi)部支持功能（控制，采購，人力資源等）的綜合轉(zhuǎn)型，以滿足相關(guān)客戶的期望。
結(jié)果是一個“智能”電力公司，作為“智能”能源世界的一部分，將被越來越多地嵌入到更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中。
智能能源系統(tǒng)在許多方面將與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同：
數(shù)據(jù)主導(dǎo)的智慧正在或多或少地進入能源價值鏈的所有步驟中，突出的重點是發(fā)電，配電，計量和消費。圖4中更詳細地說明了IoT應(yīng)用程序擴展到能源價值鏈中（請注意，每個國家的能源價值鏈會稍有不同;例如，英國的智能電表是零售業(yè)）。
得到的教訓(xùn)
博世軟件創(chuàng)新公司的Michael Schlauch是博世的項目經(jīng)理，負責(zé)Smart City Rheintal項目。這是項目的兩個關(guān)鍵外包：
我們看到預(yù)測過程仍然有很大的改進空間。這適用于光伏設(shè)施的發(fā)電預(yù)測以及對消費者的消費預(yù)測。在這里，需要更長的時間框架，甚至超出了正在資助的項目的結(jié)束時間。例如，這是推斷特定住房單位的實際和個性化消費概況的唯一途徑。由于我們與沃拉爾伯格應(yīng)用科技大學(xué)的合作，并且專門針對IT公司的，因此我們正在獲得這種類型的廣泛的區(qū)域性的和結(jié)構(gòu)性的參數(shù)，為進一步預(yù)測做好了準備。
諸如洗衣機的消費者設(shè)備太小，無法使需求方管理有合理的進展。集成到VPP中的設(shè)備必須要更靈活。這對于熱泵以及電鍋爐也是如此。當(dāng)然，當(dāng)我們可以將各種不同程度靈活性的設(shè)施結(jié)合在一起時，這也是非常有幫助的。
圖4、擴展能源價值鏈和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用場景
發(fā)電
發(fā)電是數(shù)字化無疑會帶來巨大好處的領(lǐng)域。過去，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)主要由大型集中式電站供電，如今，越來越多的小型，分散式安裝的發(fā)電機將電力注入電網(wǎng)。大多數(shù)這些額外的電力是由可再生能源發(fā)電，如風(fēng)能，太陽能和生物能等產(chǎn)生的。然而，風(fēng)能和太陽能的生產(chǎn)卻是高度波動的，依賴天氣預(yù)報的生產(chǎn)預(yù)測容易出現(xiàn)不精確的局面。這對網(wǎng)絡(luò)運營商來說是一個挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)運營商必須通過確保電力注入和電力消耗之間的平衡來保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和安全。能源專家Bernard Kryszak說：
滿足這一挑戰(zhàn)的一個選擇是將各種小型發(fā)電機捆綁成一個協(xié)調(diào)的“虛擬電廠”（VPP：Virtual Power Plant）。 VPP的個體電廠（可能利用太陽能，風(fēng)能，生物質(zhì)能，小型水電廠或者熱電廠（CHP））的電力生產(chǎn)通過使用單一的IP網(wǎng)絡(luò)進行集中優(yōu)化，以收集和分析分散式單元的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，需求預(yù)測等。這種基于協(xié)同效應(yīng)的方法使得可以最小化所需輸出的發(fā)電成本。此外，與單個電力來源相比，VPP能夠提供更穩(wěn)定的總體電力輸出，例如在太陽不發(fā)光并且不能產(chǎn)生太陽能的時候，通過提高生物能源的功率來進行補充。特別是在波動發(fā)電程度高的市場中，如果監(jiān)管框架提供足夠的市場信號來激勵提供儲備能量的話，那么VPPs在經(jīng)濟上是有吸引力的，同時還有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的另一個應(yīng)用領(lǐng)域涉及遠程發(fā)電資產(chǎn)的監(jiān)控和診斷。想象一下遠離海岸的一個大型海上風(fēng)電場。簡單的基于時間的維護在這里是不合適的，因為到達這個位置所涉及的成本非常高。相反，來自連接到每個風(fēng)力渦輪機中的部件（例如葉片，齒輪箱，油泵，控制器，馬達和發(fā)電機部件）的傳感器的操作數(shù)據(jù)被連續(xù)饋送到中央控制中心。這里，數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化的方式存儲在數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)中，并可用于分析。這樣就可以監(jiān)控每個部件的狀況，并根據(jù)維修計劃來調(diào)整渦輪機的實際狀況。
此外，數(shù)字化可以使發(fā)電的支持過程更管用和高效。 “數(shù)字供應(yīng)鏈”的概念描述了與外部供應(yīng)商的緊密的數(shù)據(jù)集成。這有助于確保基本備件的供應(yīng)商能夠獲得有關(guān)發(fā)電機額外供電要求的透明在線信息。因此，備件可根據(jù)需求進行交付，庫存量可以實現(xiàn)最少化，從而提高發(fā)電廠的可靠性。
現(xiàn)在有轉(zhuǎn)向私人發(fā)電領(lǐng)域的智能應(yīng)用，我們將重點轉(zhuǎn)移到能源管理解決方案上。這些可以幫助私人能源“消費者” - 也就是通過光伏（PV）或者微型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP：combined heat and power（熱電聯(lián)產(chǎn)））生產(chǎn)能源的私人消費者。想象一下在屋頂上安裝有PV的家庭。在天氣預(yù)報的幫助下，專業(yè)消費者可以預(yù)測其安裝的電力輸出，并考慮到其電力公司提供的可變電力價格 - 相應(yīng)地優(yōu)化其消費。這增加了自耗太陽能電池的份額，同時減少了外部配電網(wǎng)的使用。
通過完全集成的交易平臺和自動交易流程，能源交易也變得更加智慧。而市場參與者只是基于日前的數(shù)據(jù)來交易電力，而當(dāng)天的交易可以通過系統(tǒng)到系統(tǒng)的信息進行，而無需人工干預(yù)。這使得實時交易和短期優(yōu)化，從而在新興的動態(tài)能源市場中保持了足夠的敏捷性。
電力傳輸
今天，盡管間歇式可再生能源的增長壓力越來越大，但是傳輸系統(tǒng)運營商（TSO：transmission system operators）也面臨著保持電網(wǎng)運行穩(wěn)定和安全運行的更大挑戰(zhàn)。由于電網(wǎng)穩(wěn)定始終是至關(guān)重要的，TSO被允許通過迫使電力生產(chǎn)商暫時升高或降低其發(fā)電資產(chǎn)來確保其負荷平衡（頻率和電壓），以實現(xiàn)生產(chǎn)和消費之間必要的持續(xù)平衡（后者是更難影響）。在這種情況下，TSO的控制中心通過專用數(shù)據(jù)接口來直接和遠程地控制與TSO傳輸網(wǎng)格直接相連的發(fā)電廠的資產(chǎn)。
分布和計量
展望分布和計量領(lǐng)域，我們可以看到新智能能源領(lǐng)域最有名的元素：“智能電表”。智能電表是一種能夠以短時間例如每15分鐘記錄功耗的計量裝置，然后將該數(shù)據(jù)傳送到供應(yīng)實用程序用于監(jiān)控和計費。智能電表還可實現(xiàn)電力公司和計量電力負荷之間的雙向通信，從而允許電器受到控制，使得由于使用高可再生能源能源而價格低時，其能源消耗最高。
當(dāng)智能儀表和其他傳感器和執(zhí)行器安裝在大量相關(guān)負載點和網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)（如可控變電站）時，將集中的數(shù)據(jù)饋送到中央配電管理系統(tǒng)中，便于實時分析，控制網(wǎng)絡(luò)。所得到的“智能電網(wǎng)”可以由網(wǎng)絡(luò)運營商進行詳細監(jiān)控和遠程控制。網(wǎng)絡(luò)操作實際上可以在很大程度上實現(xiàn)自動化，從而可以快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)事件，如本地電源中斷等。如在遠程發(fā)電的情況下，這也極大地促進了基于資產(chǎn)狀況的實時信息的基于條件的電網(wǎng)資產(chǎn)維護?？梢酝ㄟ^預(yù)測分析進一步優(yōu)化維護活動，即實現(xiàn)基于歷史數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析算法的資產(chǎn)狀況預(yù)測。
正如管理咨詢部高級經(jīng)理Bernhard Schaefer指出：
電網(wǎng)“智能化”有很多好處：優(yōu)化電力流量，提高系統(tǒng)安全性，更好地利用網(wǎng)絡(luò)容量，更好地保護網(wǎng)絡(luò)資源免受故障影響。此外，可再生能源更容易集成到網(wǎng)絡(luò)中。這減少了網(wǎng)絡(luò)所需的投資量，并降低了資產(chǎn)服務(wù)的運營費用，同時減少了網(wǎng)絡(luò)故障，并在供應(yīng)中斷的情況下 - 使供應(yīng)恢復(fù)得更快。
然而，從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度來看，與常規(guī)儀表的使用相比，在許多情況下安裝和操作智能計量裝置不是成本有效的。事實上，在歐洲，只有瑞典和意大利才開始全面推出智能電表。在其他歐洲國家，智能電表的安裝仍在進行中，通常還需要立法規(guī)定。但從長遠來看，通信和硬件的成本會大幅下降，這將改善智能電表的業(yè)務(wù)情況。
存儲
電力儲存是在低需求時承載可再生能源產(chǎn)生的多余能源的一種選擇。除了大型的中央存儲設(shè)備，如抽水蓄能水電，還有大量關(guān)于將中小型存儲投放市場的開發(fā)活動，例如鋰離子電池或電力到燃氣轉(zhuǎn)換的技術(shù)。潛在的電力儲存的一個特別有趣的形式是“車對電網(wǎng)（vehicle-to-grid）”的概念。隨著越來越多的插電式電動汽車，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施可用于控制車輛的電池充電過程，并在能量過?；蛐枨蟾叻宓那闆r下將能量釋放回電網(wǎng)。
盡管大多數(shù)這些存儲技術(shù)在大多數(shù)市場環(huán)境中尚未獲利，但顯而易見的是，將分散的小型存儲設(shè)備集成到智能電網(wǎng)中可以帶來額外的好處。因此，調(diào)度基于實際的整體系統(tǒng)需求，并考慮到網(wǎng)絡(luò)和地理約束，以努力實現(xiàn)整體經(jīng)濟優(yōu)化。
營銷，銷售和服務(wù)
到目前為止，我們已經(jīng)解決了純粹的技術(shù)解決方案。然而，智能能源不限于機器對機器（M2M）通信。數(shù)字客戶界面是不斷變化的智能能源世界的另一個重要因素。首先，可以通過捆綁能源和信息服務(wù)來設(shè)計新產(chǎn)品。其次，通過基于分析的客戶細分和定價優(yōu)化，可以通過使用新提供的數(shù)據(jù)來更好地針對客戶需求，來改進與現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)相關(guān)的銷售和/或利潤。第三，通過利用智能電表的計量數(shù)據(jù)的分析來獲得的客戶洞察力，還可以通過引入用戶友好的移動服務(wù)和在線自助網(wǎng)站進行計費，提交儀表讀數(shù)，按需支持和節(jié)能措施。最后，供應(yīng)商可以期望獲得有關(guān)客戶行為和主要營銷數(shù)據(jù)的更多信息，可以向第三方提供有針對性的銷售和廣告。
消費者
在最終客戶方面，在價值鏈結(jié)束時，許多舉措的重點是通過提高能源效率并通過智能負載調(diào)度來降低能耗和降低成本。這通常通過根據(jù)實時市場價格變化的靈活調(diào)度來完成。這使得電力公司可以在由于電力生產(chǎn)過剩而在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定受到威脅的情況下，向提供了增加電力負載的客戶進行獎勵來激勵他們。
能源管理解決方案主要適用于工業(yè)和商業(yè)客戶，一般來說他們的能源賬單是大多數(shù)成本結(jié)構(gòu)的主要部分。需求響應(yīng)管理用于通過生產(chǎn)過程中現(xiàn)有的靈活性來獲利，例如，在收費較高的時候，通過減少冷卻和加熱過程或其他電氣負載。還可以利用不同發(fā)電廠和/或不同能量形式之間的內(nèi)部協(xié)同作用（例如電力對天然氣轉(zhuǎn)換）。
在私營部門，“智能家居”理念解決了能源效率，個人舒適，個人健康和安全問題。在智能家居中，集成的家庭自動化控制優(yōu)化了照明，供暖，電器，如電冰箱和洗衣機以及電動百葉窗和安全系統(tǒng)的使用。學(xué)習(xí)算法有助于減少能源消耗 - 例如，當(dāng)居民上班時，減少供暖。傳感器可以監(jiān)視運動并發(fā)出警報，例如在老年人活動下降或不長時間移動的情況下發(fā)布警報。智能手機應(yīng)用程序允許用戶遠程監(jiān)控家庭的安全功能。此外，電子移動應(yīng)用可以通過將充電和放電過程結(jié)合到整體家庭能量管理概念中而被集成到智能家居解決方案中。
什么時候發(fā)生這一切？
智能電表的采用將成為智能家居和其他下游設(shè)備廣泛采用的主要推動力。在全球的幾個市場中，這需要政府干預(yù)和監(jiān)管決策，而在其他市場，網(wǎng)絡(luò)效率和“非技術(shù)損失”（即盜竊）可能是影響智能電表采用的重要因素。采用智能電力計量的智能電表對環(huán)境的潛在有益影響是近乎全球性的驅(qū)動力。
這樣做的最終結(jié)果是，智能計量和智能電網(wǎng)管理解決方案將成為即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代首要采用的技術(shù)之一。隨著這些技術(shù)的引入，其他一系列解決方案將隨之獲得推動。一類解決方案將包括電器和設(shè)備成為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的有效部分，一級支持低壓發(fā)電。我們還將看到一系列設(shè)備是更廣泛的智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這些設(shè)備將用于通過修改功耗來提高效率的地方。第二個設(shè)備類別將包括許多智能家居設(shè)備。
圖5顯示了由兩個不同類別的設(shè)備表示的智能電網(wǎng)IoT連接的總數(shù)。它還顯示了由智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備貢獻的智能電網(wǎng)IoT連接總數(shù)的份額，并突出顯示了與新興智能電網(wǎng)有關(guān)的IoT設(shè)備總數(shù)的份額。
圖5、智能電網(wǎng)中的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接數(shù)
這些數(shù)字有三個明確的信息。首先，物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)中包括的設(shè)備總量預(yù)計將迅速增長，從今天的不到10億而2024年增加將達到120億。第二，也許不奇怪的是，在依賴于智能電網(wǎng)功能的設(shè)備之前，將采用與智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的設(shè)備。第三，與智能電網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備將占據(jù)連接設(shè)備的越來越多的份額。這些預(yù)測顯示，到2024年，預(yù)計所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云連接（不包括PC，平板電腦和手機）的40％以上屬于智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，將智能電網(wǎng)和VPP概念牢固地置于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的核心之中。
結(jié)論
本文描述的大多數(shù)趨勢仍處于試點或早期商業(yè)化階段。能源專家Bernard Kryszak強調(diào)：
我們相信，大量的用例將變得有利可圖。然而，許多智能能源應(yīng)用的成功取決于采用這些智能技術(shù)的發(fā)電廠，網(wǎng)絡(luò)運營商，銷售實體和客戶那里獲利的利益之間平衡的綜合視角以及成本的公平分配，而共同的基礎(chǔ)設(shè)施是這個綜合視角的重要組成部分。
