John McDonald：Engineering the Energy Transition

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

我叫作John McDonald，我是GE電網(wǎng)解決方案的業(yè)務(wù)負責人，我現在在美國，喬治亞州的亞特蘭大，我非常高興被邀請參加第四屆的未來(lái)能源大會(huì )做一個(gè)發(fā)言。這部分的主題是關(guān)于氣候變化以及全球國際合作和減排的共識，我的發(fā)言主題叫作能源轉型工程，我在電力和能源領(lǐng)域已經(jīng)工作了48年，同時(shí)也是IEE積極的成員之一，在國際大電網(wǎng)委員會(huì )我也非?；钴S，主要是負責它在美國的分部。

這些是我今天想要討論的重點(diǎn)，包括像智能電網(wǎng)，微電網(wǎng)的集成，像網(wǎng)格數據類(lèi)型，數字化的分布，以及還有包括數字化的輸配電網(wǎng)絡(luò )，大數據分析，企業(yè)數據管理等，對于工程來(lái)說(shuō)最主要進(jìn)行能源轉型，在能源轉型的過(guò)程中需要把信息或者說(shuō)IT部分和我們整個(gè)電力事業(yè)，電力運營(yíng)結合在一起，這兩者需要密切的無(wú)縫的進(jìn)行銜接和合作，這樣我們才能夠有有效的業(yè)務(wù)數據管理，這種綜合性的解決方案實(shí)際上有很多的好處。一方面提高了能效，減少了碳排放，比如說(shuō)我們對于像公用事業(yè)消費者，經(jīng)濟和環(huán)境提供這樣的有意義的可衡量的利益。

另外除了關(guān)注輸配電之外，我們今天更多想要談一下關(guān)于配電的概念，我喜歡把電網(wǎng)叫作更智能電網(wǎng)，我們這些年一直是讓電網(wǎng)變得更加智能，比如說(shuō)淺灰色代表我們原來(lái)做的工作，現在淺綠色的和陰影代表我們現在做的工作，我們知道電壓和負載是成正比的，我們希望能夠把電壓控制和無(wú)功控制相結合，這樣我們可以減少損失，同時(shí)來(lái)管理一個(gè)集成負載。

另外將來(lái)有更多的可再生能源來(lái)連接到電網(wǎng)當中，在中間我們可以看到我們?yōu)殡娋W(wǎng)額外的增加了很多專(zhuān)門(mén)的感應器，這個(gè)顯示的是來(lái)自于變壓器的油，檢測到主油箱中溶解的不同氣體，這個(gè)在變壓器中發(fā)生潛在的故障的模式，因此在接下來(lái)我會(huì )做介紹。

我要談一個(gè)概念是整體性解決方案，這個(gè)是能源過(guò)渡的基礎，整體性指的是整個(gè)企業(yè)不是說(shuō)針對于一個(gè)集團，而是針對整個(gè)企業(yè)，這也說(shuō)是說(shuō)通過(guò)集成在一起的技術(shù)組件滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，一共有6個(gè)這方面的分類(lèi)，包括像資產(chǎn)優(yōu)化，也就是我們在做變壓器和高壓，中壓斷路器的監測和診斷，需求優(yōu)化主要集中包括像負載，智能電表，還有包括雙向計量等方式。

另外包括像電網(wǎng)的優(yōu)化分布，電網(wǎng)的傳輸，同時(shí)現在由于全球我們有老齡化的人口，因此我們對于基礎設施能源也是老齡化的，意味著(zhù)我們需要進(jìn)行高水平的整體性的解決方案。這邊是6個(gè)解決方案的技術(shù)路線(xiàn)圖，可以分別的看到技術(shù)以及所處的位置，右邊是配電設備，還有通信的基礎設施。

通信是非常關(guān)鍵的，只有通信才能夠使得讓我們實(shí)現自動(dòng)化，可以真正的實(shí)現自動(dòng)化的目的。在嘗試更智能的電網(wǎng)之前我們必須保證電網(wǎng)是強大的，也就是說(shuō)在購買(mǎi)很多新的設備之前，整個(gè)電網(wǎng)的基礎設施，包括IT的基礎設施和通信的基礎設施都是應該非常強勁的。比如說(shuō)通過(guò)配電的優(yōu)化解決方案，所有的淺藍色的，包括軟件，應用程序，系統，設備，這些基于應用程序基礎之上進(jìn)行邏輯性的操縱。

這些藍色的框都可以來(lái)自于不同的供應商，因此最重要的兩個(gè)詞，一個(gè)是集成，第二個(gè)操作性，對于一個(gè)行業(yè)我們采用統一的行業(yè)標準實(shí)現這個(gè)行業(yè)內部的操作性，有一些例子在智能電表的組件，比如說(shuō)AMI，包括地理信息系統，停電管理系統和配電管理系統。

大家會(huì )問(wèn)為什么集成這么重要，因為我們在集成關(guān)鍵組件方面做的最好，做的更好，我們的電網(wǎng)還有公用事業(yè)更加具有韌性和彈性。

在配電系統設計好了之后，正如PPT的底部，我們可以保護控制設計我們的電力向一個(gè)方向流動(dòng)，隨著(zhù)電網(wǎng)上進(jìn)行整合分布式的發(fā)電，電是向兩個(gè)方向進(jìn)行雙向流動(dòng)的，這也為我們帶來(lái)很多的額外挑戰，比如說(shuō)這一頁(yè)當中是保護，保護的基點(diǎn)和我們的電流不匹配，當我們在確定保護的等級的時(shí)候，首先我們做一個(gè)短路的研究，很多的時(shí)候我們只考慮電源側組件的故障，而忽略了負載側的情況，負荷隨著(zhù)分布式發(fā)電，隨著(zhù)它的密度的增加，負荷側有可能出現顯著(zhù)的障礙。

另外很多時(shí)候來(lái)自于分布式的消費側的，比如說(shuō)在農村這是一個(gè)來(lái)安裝的一個(gè)微電網(wǎng)的例子，如果我們看一下聯(lián)合國可持續發(fā)展目標，第七個(gè)目標，就是要為人們帶來(lái)負擔的起的清潔能源。第九個(gè)目標是要提供一個(gè)有韌性的基礎設施，因此這也是為什么在全球很多國家，很多公用的事業(yè)公司，他們添加了很多微電網(wǎng)來(lái)加強電網(wǎng)的韌性，而并不是說(shuō)一個(gè)統一的大的電網(wǎng)模式，因為如果他的即聯(lián)有問(wèn)題的話(huà)，整個(gè)電網(wǎng)的運行效率就會(huì )下降。

另外還有一點(diǎn)，就是可持續發(fā)展目標的第十一，就是關(guān)于可持續發(fā)展的城市和社區，這也是我們希望建立的，叫做智慧村莊、智慧城市?？沙掷m發(fā)展目標十三，要采取緊急的行動(dòng)應對氣候變化，這也是我們這次會(huì )議的主題。

隨著(zhù)分布式發(fā)電的范圍越來(lái)越廣泛，覆蓋率越來(lái)越高，我曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一篇文章，這是九年之前在《電力電子》雜志當中談到了屋頂太陽(yáng)能，家庭當中會(huì )有太陽(yáng)能板，現在全球增長(cháng)的速度超過(guò)了35%，也就是說(shuō)當太陽(yáng)能照射到太陽(yáng)能板的時(shí)候，電壓會(huì )出現峰值，之后會(huì )在一定范圍之內進(jìn)行浮動(dòng)和隔離?，F在我們電網(wǎng)當中使用的很多控制器都是機械的，同時(shí)對于變電站來(lái)說(shuō)，他的轉換器使用的也非常頻繁。由于這種太陽(yáng)能的使用，以及每天日光的變化，所以轉換器的壽命從35年到2年不等。

未來(lái)隨著(zhù)可再生能源使用的越來(lái)越頻繁，它的市場(chǎng)份額增加，我們的控制器必須要有電子為基礎的控制器，而不是機械的控制器。另外就是在能源轉型的過(guò)程當中，電力企業(yè)最主要的目標就是希望能夠建立一個(gè)數字化的電網(wǎng)。但是，沒(méi)有任何一家公司可以一步完成數字化的過(guò)程，這個(gè)要花很多的錢(qián)，會(huì )遠遠超出預算，而且他也需要很多人力的資源來(lái)做。因此，我們幫助公用事業(yè)公司制定了發(fā)展的路線(xiàn)圖，在工程設計的過(guò)程當中，公用實(shí)業(yè)公司如何能夠實(shí)現能源轉型，從現在的控制、監控發(fā)展到未來(lái)完全數字化的階段。這邊是一個(gè)例子，我們把現有的網(wǎng)絡(luò )轉化成為未來(lái)的數字化方式。首先第一步是增加了遠程的控制器，還有故障呼叫的智能電表，可以使得客戶(hù)供電的中斷時(shí)間低了28%。另一步就是增加自動(dòng)化和可視化，這樣的話(huà)進(jìn)一步減少了43%的客戶(hù)斷電可能性，也就是它提供的服務(wù)更加具有可靠性。最終他們實(shí)現了數字化，他們客戶(hù)的服務(wù)或者業(yè)務(wù)中斷降低了50%以上。

因此在制定路線(xiàn)圖的時(shí)候，我們需要設定路線(xiàn)圖當中的每一步，以及每一步所帶來(lái)的好處。另外一個(gè)例子就是在能源轉型的時(shí)候，為大型的公用事業(yè)公司的配電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)化，比如在這個(gè)電路當中，它有856個(gè)電路的開(kāi)關(guān)，在現實(shí)生活當中，實(shí)現所有電路自動(dòng)化的成本是非常昂貴的，我們發(fā)現這些電路當中23%電路的中斷占到了總中斷分鐘的71%，這樣的話(huà)我們可以節省很多錢(qián)，也就是只對其中23%的電路實(shí)現自動(dòng)化，就可以解決3/4的斷電問(wèn)題。

在這個(gè)過(guò)程當中，我們必須認識到，這些是基于微處理器的設備和系統，它往往有多種不同的數據模式，原來(lái)我們會(huì )使用運營(yíng)的模式，也就是運營(yíng)商在控制中心進(jìn)行監控和控制，包括有信息點(diǎn)、模擬點(diǎn)，還包括狀態(tài)點(diǎn)等等。

但是，以系統為基礎的微處理器給我們提供了很多非操作性數據，它的主要用戶(hù)并不是系統的操作員，這些都是信息點(diǎn)對點(diǎn)文件的傳輸，因此，可能會(huì )25個(gè)不同的組進(jìn)行它的信息的獲取和使用，因此我們需要從現在的設備系統當中來(lái)獲取更多的價(jià)值，需要充分的來(lái)利用它的一個(gè)運營(yíng)的數據。同時(shí)我們還可以看到它的這些數據包括像時(shí)間序列的數據，我們使用標準的通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信，用這種方式觀(guān)察到一個(gè)歷史變化的趨勢。

現在我們希望能夠利用下一次生產(chǎn)力革命的機會(huì )，把智能的機器和大數據，以及分析的數據結合在一起，另外把人的因素加入進(jìn)去，在任何地方隨時(shí)隨地的讓人可以進(jìn)行智能化的操作，這是為什么我說(shuō)的它的通信是基礎性的，也是智能電網(wǎng)最核心的一點(diǎn)，這也是一個(gè)強大電網(wǎng)的基礎。左邊的這個(gè)圖是很多企業(yè)所遇到的，每一個(gè)系統它都是獨自運營(yíng)的，上面有一些智能電子設備，或者是基于微處理器的設備來(lái)進(jìn)行存儲。

但是系統之間并沒(méi)有分享，右邊的這個(gè)是我們所希望實(shí)現的目標，也就是整體性的解決方案，在整個(gè)企業(yè)公司范圍內各個(gè)組之間進(jìn)行數據的共享，我們也查看了所有的數據源和企業(yè)，包括數據的需求等等。

它的好處就是說(shuō)在左邊我們的一個(gè)變電站，通過(guò)這種方式提取要有價(jià)值的數據，通過(guò)這些數據的通信把這些數據推送給需要它的組織，右邊是淺綠色的，我們列出企業(yè)當中所有的數據源的列表，綠色的是所有用戶(hù)，運營(yíng)的用戶(hù)，非運營(yíng)的用戶(hù)，他們現在擁有更多的數據，可以提供更多的價(jià)值。

這個(gè)就是我們所說(shuō)的走向數字化轉型的過(guò)程，我覺(jué)得對于能源工程轉型是最重要的一頁(yè)PPT，在過(guò)去這些年當中，我們從這種無(wú)功的研究開(kāi)始，或者說(shuō)在研究了系統之后看到系統失敗了，我們研究為什么失敗，來(lái)彌補補救這些問(wèn)題，但是現在我們希望更加積極主動(dòng)進(jìn)行預測，比如說(shuō)應該獲得電網(wǎng)當中的資產(chǎn)什么樣健康狀況的信息，用什么樣的數據預測是否可能會(huì )出現失敗，真正的采取相應的行動(dòng)。

但是我們現在只走了這條路當中的一半，將來(lái)我們希望可以通過(guò)更多的人工智能，機器學(xué)習，更多的數字化來(lái)實(shí)現自主。

在這個(gè)過(guò)程中很重要的就是關(guān)于集成和互操作性，我們必須要遵守同樣的標準，或者一套標準，比如說(shuō)左邊的圖列出7個(gè)領(lǐng)域以及它們之間如何相互作用，這是智能電網(wǎng)的一個(gè)概念的參考的模型，它的七大領(lǐng)域。

更重要的一點(diǎn)智能電網(wǎng)涉及數百個(gè)行業(yè)的標準，IEE超過(guò)100人做這個(gè)研究，IEC也有超過(guò)100人的團隊，我們一共有25個(gè)行業(yè)的專(zhuān)家在我們小組里面，我們把進(jìn)一步縮小16個(gè)，我們叫作智能電網(wǎng)最高的標準。

現在我們需要確定哪些標準和這個(gè)行業(yè)相關(guān)，比如說(shuō)這些所有的標準當中只有16個(gè)標準是最為核心的，不管是輸電，配電，客戶(hù)，網(wǎng)絡(luò )安全，不管是什么，所需要的標準或者一套標準都是在16個(gè)標準當中的。

下面我們來(lái)看一下我們有三個(gè)不同的控制的級別，從控制中心到現場(chǎng)控制，同時(shí)我們還在全球的范圍之內，我們看的并不是某一個(gè)國家的標準，而是全球范圍內，比如說(shuō)有全球一個(gè)統一的標準的控制中心，或者稱(chēng)之為ICCT，或者叫作控制中心的通信協(xié)議，還有兩個(gè)用于控制中心到現場(chǎng)的設備。

其中一個(gè)是IEC61850的標準，我住在北美，我們現在仍然使用很多的DNP的標準，這是我簡(jiǎn)單的介紹。

我也是非常感謝大家，也非常高興有這樣的一個(gè)機會(huì )和大家來(lái)進(jìn)行交流，謝謝大家。