配電自動(dòng)化時(shí)代的來(lái)臨
配電自動(dòng)化現在并不是一個(gè)新事物，自上世紀60年代以來(lái)，將計算技術(shù)應用于電網(wǎng)的愿景曾吸引了電力行業(yè)的大量眼球。然而，直到最近，這樣做的現實(shí)利益還受到質(zhì)疑。發(fā)達國家的電網(wǎng)非?？煽?，有人就問(wèn)為什么要冒著(zhù)系統可靠性的風(fēng)險添加附加控制系統？“智能”系統？現實(shí)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(wǎng)及其效率(或無(wú)效率)和環(huán)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(dòng)化。在美國，變壓器的平均使用時(shí)間已經(jīng)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?lián)Q代。2012年7月發(fā)生在印度的大面積停電影響到6.8億居民，而當時(shí)印度已經(jīng)不能滿(mǎn)足日常高峰期的用電需求，并希望在接下來(lái)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(fā)電的國際驅動(dòng)力?，F在，美國50個(gè)州中的30個(gè)州1要求可再生能源占據電力的一定百分比，例如風(fēng)力和太陽(yáng)能。加利福尼亞州要求到2020年要有33%的電力來(lái)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(lái)自于可再生能源，同時(shí)能源效率提高20%，據推測將降低總體能耗。中國2005年通過(guò)的可再生能源法也規定了類(lèi)似的條款，并在中長(cháng)期發(fā)展規劃中增加了相關(guān)條例。4
現在，配電自動(dòng)化被認為是“電網(wǎng)智能控制功能向配電方向的延伸和超越...可通過(guò)智能電網(wǎng)實(shí)現?！?sup>5配電自動(dòng)化的優(yōu)勢被廣泛接受，但并沒(méi)有使成功實(shí)現或可靠性變得簡(jiǎn)單，這些是大范圍廣泛應用的嚴重挑戰。
實(shí)現配電自動(dòng)化面臨的挑戰
過(guò)去的電力公司現在分成了發(fā)電和配電公司，雙方都紛紛在配電網(wǎng)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(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要注意，并且這些領(lǐng)域也是電網(wǎng)供應商的機遇：資產(chǎn)保護、電網(wǎng)安全和資產(chǎn)管理。我們對這些領(lǐng)域分別進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。
資產(chǎn)保護
資產(chǎn)保護意味著(zhù)供電公司必須投入高性能元件，可靠監測電網(wǎng)以及保護其高成本資產(chǎn)。通過(guò)保護所有資產(chǎn)，供電公司的總體投資將提供長(cháng)時(shí)間有效服務(wù)。
配電自動(dòng)化設備的投資數額巨大，一個(gè)變電站的自動(dòng)化升級成本為1000萬(wàn)至2000萬(wàn)美元。6所以，如果沒(méi)有長(cháng)遠的項目目標及深入論證，現代化的供電公司不會(huì )開(kāi)始大型升級項目，而項目的成本往往會(huì )引起費率調整，以覆蓋項目成本。這正是高質(zhì)量半導體傳感器以及優(yōu)化器件如此重要的原因。這些器件將確保電網(wǎng)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(wǎng)裝置的核心是模擬信號鏈。配電網(wǎng)中的每個(gè)裝置都需要進(jìn)行電測量。最簡(jiǎn)單的并網(wǎng)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(shí)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(wǎng)方案的核心——信號鏈中的關(guān)鍵器件。
作為信號鏈核心的ADC必須提供配電自動(dòng)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(shí)采樣多個(gè)通道，防止線(xiàn)路之間的任何同步誤差。多片MAX11040K可級聯(lián)在一起，實(shí)現最高32通道采樣。
大多數半導體公司采用簡(jiǎn)單的信號鏈方框圖展示其配電自動(dòng)化領(lǐng)域的知識，而這種演示是不夠的。智能電網(wǎng)所需設備的多樣性要求對每個(gè)元件及產(chǎn)品具有深入的了解。從相量測量單元到電容組控制器，每個(gè)系統的精度和定時(shí)要求區別很大，要求器件具有相當的性能指標。
安全
由于所有配電網(wǎng)的基礎設施都必須能夠預防網(wǎng)絡(luò )攻擊，所以電網(wǎng)及其數據的安全性至關(guān)重要。
安全性是當今先進(jìn)配電系統中討論最多的話(huà)題。討論往往集中在網(wǎng)絡(luò )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(shí)現無(wú)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(wǎng)遭受網(wǎng)絡(luò )威脅：硬件、數據傳輸及數據存儲。
在保護硬件時(shí)，安全策略考慮從制造到安裝直至銷(xiāo)毀的整個(gè)產(chǎn)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(fǎng)問(wèn)私匙或者防止開(kāi)發(fā)攻擊系統的途徑非常重要。2012年初期波多黎各曾發(fā)生完全違反保密協(xié)議的事件，完全破壞了當地新部署的電網(wǎng)。安裝期間，必須對安全資產(chǎn)實(shí)行嚴格認證，最好是雙向認證，以及質(zhì)詢(xún)和應答，以確保合法性。這樣的相互認證將確認無(wú)論是裝置還是軟件在制造期間未經(jīng)篡改，尤其是處在第三方承包商時(shí)。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(guò)攔截、更改，或者利用能夠打開(kāi)或關(guān)斷電力的通信消息進(jìn)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(jìn)去以確保生命周期安全。通過(guò)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(chēng)及非對稱(chēng)加密數據保護，內置密匙發(fā)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(guò)熱以及其它的途徑刪除安全密匙和系統數據。
產(chǎn)管理
資產(chǎn)管理包括跟蹤資產(chǎn)的簡(jiǎn)單和復雜方法，時(shí)刻了解現場(chǎng)設備的狀態(tài)。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(gè)簡(jiǎn)單場(chǎng)景為例，很容易理解戰略性的資產(chǎn)管理。在一場(chǎng)暴風(fēng)雨中，電網(wǎng)上的許多點(diǎn)發(fā)生了斷電。來(lái)自于不同供電公司的人員被召集在一起，幫助維修，“點(diǎn)亮燈光”的精神戰勝了天氣。線(xiàn)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(shí)，供電公司并不完全了解以及緊密跟蹤現場(chǎng)工作的資產(chǎn)?？紤]到設備成本以及保證分布式資源及供電安全的需求，先進(jìn)的電網(wǎng)不能容忍未知或不合適的資產(chǎn)在現場(chǎng)工作。
戰略資產(chǎn)管理要求完全從上至下部署、安全認證以及跟蹤電網(wǎng)高效運轉所必需的全部過(guò)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(guò)程，因此必須作為系統的一部分進(jìn)行了解，以便于跟蹤和管理。8對于小額投資，可使用簡(jiǎn)單的硅器件唯一識別配電網(wǎng)上的設備，包括線(xiàn)傳感器到變壓器再到重合器控制器。唯一質(zhì)詢(xún)/應答識別允許跟蹤每件設備，并通過(guò)供電公司的AMI網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。在這點(diǎn)上，安全性與報告資產(chǎn)識別、位置、工作狀態(tài)、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(guò)去曾經(jīng)是具有豐富電力電子經(jīng)驗的發(fā)電和配電公司?，F在，隨著(zhù)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(fā)生了天翻地覆的變化。當電力公司購買(mǎi)新設備以更新其基礎設施時(shí)，需要在整個(gè)電網(wǎng)內從下至上構建基礎設施的新裝置和安全算法。這些電網(wǎng)裝置需要的不僅僅是以太網(wǎng)和簡(jiǎn)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(wǎng)往往被描述為電網(wǎng)上鋪天蓋地的電能測量和通信。這種定義過(guò)于簡(jiǎn)單。智能電網(wǎng)應該集成安全硬件和智能電能管理軟件。電網(wǎng)需要先進(jìn)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(shí)，我們將大范圍實(shí)現高效率的配電自動(dòng)化。
參考
1. ”Most states have Renewable Portfolio Standards,” U.S. Energy Information Administration.February 3, 2012, at http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=4850.
2. “California Renewables Portfolio Standard (RPS),” California Public Utilities Commission, http://www.cpuc.ca.gov/PUC/energy/Renewables/index.htm.
3. “Europe 2020 Targets,” European Commission, at http://ec.europa.eu/europe2020/europe-2020-in-a-nutshell/targets/index_en.htm.
4. “Renewable Energy and Energy Efficiency in China:Current Status and Prospectus for 2020,” Worldwatch Report 182, Worldwatch Institute, October 2010, at www.worldwatch.org/system/files/182%20China%20Energy.pdf.
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Distribution_Automation.
6. http://www.smartgrid.gov/recovery_act/deployment_status/distribution.
7. Additional information specific to distribution automation is available at www.maximintegrated.com/solutions/distribution-automation/.
8. For an overview of how embedded security is essential for protecting systems and assets, go to www.maximintegrated.com/products/embedded-security/deepcover.cfm.
作者：Dave Andeen
能源戰略細分經(jīng)理，Maxim Integrated
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