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智能電網(wǎng)抵御未來風暴

2012年10月底，颶風“桑迪”以時速150公里（超過90英里/小時）席卷美國東北部沿海地區(qū)，令數(shù)百萬人陷入一片黑暗之中。面對氣候變化，能源管理系統(tǒng)必須更加強健，以抵御桑迪這樣的自然災害。西門子智能電網(wǎng)技術(shù)多年來一直致力于幫助電網(wǎng)更好地應對颶風、熱浪和干旱等極端天氣。

三年前，颶風“桑迪”席卷了大西洋沿岸，途經(jīng)紐約市、新澤西州和賓夕法尼亞州，所到之處，無不一片狼藉。這為美國最大的電網(wǎng)運營商PJM Interconnection帶來了巨大的挑戰(zhàn)。該公司主要向賓夕法尼亞州、新澤西州、馬里蘭州、哥倫比亞特區(qū)及美國其它10個州超過6100萬客戶輸送電力。此外，它還負責將1300多座電廠生產(chǎn)的電力輸送給眾多區(qū)域電網(wǎng)運營商。一旦電力供應中斷，這些客戶都將陷入黑暗之中。

颶風“桑迪”確實造成了巨大的損失。這場災難一共致使800萬住戶停電，而其中500萬就在PJM Interconnection覆蓋區(qū)域內(nèi)。超過140套高架電纜和變電站被損毀，直到數(shù)個星期之后才得以*修復。

（如圖）颶風“桑迪”損毀了超過140套高架電纜和變電站。地處新澤西州奧特雷海灘的35號公路北就是重災區(qū)之一。

氣候變化：電網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)
持續(xù)的氣候變化令停電變得愈發(fā)常見。氣候變化不僅會增加像颶風“桑迪”這樣的風暴的次數(shù)，還會帶來更多洪災、森林大火、熱浪和干旱。美國能源部在其于2015年10月發(fā)布的一份報告中再次指明了這一點。面對這樣的變化，包含超過9200座電廠和長約50萬公里的高架電纜的美國電網(wǎng)已經(jīng)感受到了壓力。

在干旱的美國西南部地區(qū)，電廠經(jīng)常因沒有足夠的冷卻水而不得不降低發(fā)電量。從2011年開始，加州經(jīng)歷了氣象測量最嚴重的干旱。而根據(jù)新的對樹上年輪的研究，這也是1200年以來最嚴重的干旱。與此同時，中太平洋的厄爾尼諾現(xiàn)象有可能使加州在今年冬季遭遇極端降水天氣。雖然降水能幫助緩解干旱，但極端降水帶來的麻煩可能比其帶來的益處更大。譬如今年10月中旬，暴雨導致的泥石流令1萬多個家庭被迫停電。

墨西哥灣和太平洋沿岸的風暴與颶風也在增加。2015年10月，有史以來颶風之一“帕特里夏”以高達400公里的時速橫掃了墨西哥西南沿海地區(qū)。其所過之后產(chǎn)生的洪災摧毀了許多樓宇、變壓器和高架電纜。10月初，颶風“華金”以時速250公里（超過150英里）席卷大西洋沿岸地區(qū)。盡管颶風此次繞開了美國內(nèi)陸，但其分支及隨之產(chǎn)生的一片低壓區(qū)域仍然造成了南卡羅來納州最大暴雨。這些事件均佐證了美國能源部的觀點，即必須增強電網(wǎng)的防御能力，以抵御這些極端天氣帶來的影響。

2015年10月襲擊墨西哥西南沿海的颶風“帕特里夏”的風速高達每小時400公里，是有記錄以來最熱帶氣旋。

兩個控制中心
PJM Interconnection非常清楚氣候變化帶來的威脅將不斷增加。從2011年11月開始，它部署了來自西門子的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在斷電時對電網(wǎng)進行評估并完成更優(yōu)化的管理。系統(tǒng)采用兩個控制中心。在正常運行時，兩個中心會共同管理電網(wǎng)。如果其中一個在突發(fā)事件中發(fā)生故障，另一個中心則可以繼續(xù)獨自管理電網(wǎng)運行。當颶風“桑迪”襲來時，這套系統(tǒng)正是這樣工作的，這也令PJM能夠隨時掌握其輸電網(wǎng)絡的情況。

該電網(wǎng)管理系統(tǒng)采用了西門子和PJM Interconnection共同開發(fā)的一個集成式平臺。這個平臺能夠整合諸如電力、市場和配電網(wǎng)絡管理系統(tǒng)等多種應用。西門子在明尼阿波里斯的能源管理集團技術(shù)戰(zhàn)略副總裁Ravi Pradhan表示，“該系統(tǒng)的開放式架構(gòu)是其優(yōu)勢所在。它能以低成本集成新舊應用，這使得現(xiàn)存的解決方案也能被包括在內(nèi)。而兩個控制中心同時運行則加強了電網(wǎng)的安全性，幫助其應對如颶風一樣會影響整個電網(wǎng)的突發(fā)事件。”

智能電網(wǎng)分區(qū)
然而，不僅區(qū)域間的電網(wǎng)需要變得更強健，紐約市的電網(wǎng)同樣有此需求。颶風“桑迪”使超過100萬紐約市民受到數(shù)日停電的影響。為了應對類似的災難，電力公司Con Edison從2013年起開始實施一項耗資逾10億美元的計劃，旨在于2017年前增強紐約電網(wǎng)應對極端天氣的能力。譬如，修建更高的大壩、保護性圍墻和強化防護門來保護電廠、變電站和開關(guān)柜。同時，公司還會建立更堅固的電線桿，在電網(wǎng)中安裝監(jiān)控傳感器，并重新鋪設用于、消防部門、醫(yī)院、藥房和超市等關(guān)鍵場所的高架電纜。

美國輸電網(wǎng)絡包含超過9200座發(fā)電站和近50萬公里的高架電纜。自然災害來臨時，該網(wǎng)絡面臨輸電中斷的風險。

西門子提供的電力管理系統(tǒng)幫助PJM Interconnection在斷電時更好地掌握電網(wǎng)情況和控制電網(wǎng)。

PJM Interconnection部署了來自西門子的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩個控制中心，如果其中一個在突發(fā)事件中發(fā)生故障，另一個就可以繼續(xù)獨自管理電網(wǎng)運行。

借助于西門子的技術(shù)，在2015年夏季， Con Edison也為其在曼哈頓地區(qū)的兩個配電網(wǎng)絡部署了全新的自動化系統(tǒng)。如果遭遇洪災，該系統(tǒng)能立刻分割為4個子網(wǎng)絡。一旦電網(wǎng)受損（如變電站發(fā)生爆炸），事故地點的網(wǎng)絡就會被系統(tǒng)隔離開來。這樣做可以防止事故造成的影響擴散到整個電網(wǎng)。

這種隔離是通過許多集中控制的開關(guān)站實現(xiàn)的。Con Edison共在位于曼哈頓下城區(qū)的兩個配電網(wǎng)絡中安裝了44臺這種地下開關(guān)站。一旦控制中心觸發(fā)隔離指令，多達20個開關(guān)會在短短數(shù)毫秒內(nèi)同時啟動。為了同時控制如此之多且分布于整個電網(wǎng)的開關(guān)，系統(tǒng)依賴于采用冗余設計的光纖網(wǎng)絡。

自動切換系統(tǒng)投入使用前，整個解決方案在西門子進行了測試，以確保其具備符合要求的同時切換速度。測試最終取得了成功。“這是配電系統(tǒng)內(nèi)首次實現(xiàn)同步開關(guān)。”位于北卡羅來納州溫德爾的西門子能源管理集團*工程師Andre Smit說道。他指出，下次風暴來臨時，包括華爾街在內(nèi)的曼哈頓東南區(qū)將能在必要情況下快速從城市電網(wǎng)中斷開。