智慧边缘架构重塑电网新蓝图

英特尔有限公司Prithpal Khajuria；Dean Samara-Rubio

全球能源正从大型集中式核能和化学能转向分布式可再生能源。随着分布式能源（DER）的发展，电网的传输正在向双向化的进程演进。

如今，电能流动逐渐形成从用户私有场所的可再生电源向电网的反向拓扑，这给电网运营商带来新挑战。电网运营体系迫切需要重构，以适应现代化全球能源模式。

当前，用于管理和分配电力的系统不足以应对电网所面临的挑战，因为传统电力系统的设计是单向的。自20世纪首批集中式电网问世以来，几乎所有电能都是由大型发电厂通过输配电网输送至用户的。作为电网节点的变电站负责确保为消费者提供一致的电力服务。

变电站正处于双向电力传输的交汇点，同时也处于电网拓扑架构历史性变革的转折关口。

当分布式电源需要被高效整合并网，并实现双向电力传输时，传统的配电节点已然成为瓶颈。在电力行业，越来越多的人认为，大多数变电站都需要进行现代化改造，以满足全球对智能电网的迫切需求，来响应电力消费者和监管机构关于整合更清洁、更可持续能源的要求。

现代变电站需要标准化体系来构建数据驱动型电网，并在本地管理电网运营的各方面要素，同时增强安全性和可管理性。就用于变电站指挥和控制的基础设施来讲，对其进行现代化改造是一项艰巨任务，但相应的回报也是巨大的。Salt River项目高级首席工程师Anthony Sivesind表示，部署软件定义的自动化和控制系统能够将变电站中的总设备数量减少50%，并最终导致运营和维护总成本降低76%。

电力公司逐渐认识到，有必要使用智慧边缘架构对变电站进行技改和现代化改造。随着标准化通用基础设施取代传统软硬件过程的推进，变电站现代化改造市场正以超过5%的年复增长率稳步成长。

重构电网新蓝图

电网现代化需要将电网边缘的分布式电源与变电站中的智能系统无缝整合。这个过程首先从部署标准化硬件平台与实施软件定义的自动化和控制系统开始。

要实现变电站的工作负载整合，需要使硬件与软件相互独立，并对整个系统实施标准化改造，以赋能更快速、更具创新性和更高效的解决方案。该标准化方法可以取代自上而下从开发硬件装置到在变电站部署专用软件的传统方法。工作负载整合可以精简传统开发和测试新系统的烦琐流程。而传统开发测试新系统的过程常常会耗费数年时间。

通过基于英特尔的技术来实现变电站现代化，可帮助电力公司打破传统监控和数据采集（SCADA）系统的局限。

今天，多个智能电子设备（IED）可以通过标准化协议相互通信，或各自与监控中心进行通信。未来的变电站将通过把负责与多个仪表进行协作的控制器和负责设备控制的控制器，整合到统一的虚拟IED而受益。虚拟化应用和软件可以根据需要进行升级，这就能让电力公司在扩建变电站基础设施时，仍能保留已有的IED。

将一次设备与电力自动化系统相连接，需要配备具有远端装置（RTU）的分布式SCADA控制系统。这些由微处理器控制的电子设备将中继遥测数据传送到一个中央系统，并使用来自该系统的报文来控制所连接一次设备的物理状态。

为变电站开发开放平台有助于提高电网可靠性、生产安全性和系统安全性。将工作负载整合并迁移到符合IEC 61850要求的加固型服务器，还可帮助电力公司通过中央系统对相关各子系统实施自动化部署，并实现系统升级操作，使得各子系统具备信息安全的特性。由此获得的系统增强升级，可让电力公司不再派遣维护人员前往现场，从而有助于降低成本。

虚拟化技术在数据中心市场经受了相当长时间的考验和证明。现在，虚拟化技术有望帮助电力公司开发在可扩展性、安全性、可靠性和效率这四个方面都更为出色的自动化和控制系统。例如，电力自动化和电力控制的虚拟化实现，也意味着不必为了部署新应用而安装新的硬件系统。由此，软件应用能独立于硬件系统，将不断降低资产投资支出和运营成本。

电网现代化还将帮助电网运营商充分利用强大的计算能力进行高级监测、诊断和安全增强。变电站自动化使得在变电站边缘侧进行数据聚合和治理成为可能，电力公司也可以实时了解可再生能源对电网的即时影响，并使用机器学习技术释放数据的价值，以获取更深刻的洞察。

机器学习技术将成为数字电网的基石，促进在变电站边缘的实时数据分析和自主化决策。由此产生的洞察和运营理解，将有助于优化解决因分布式能源功率波动所引起的电网实时供需失衡问题。

电网现代化的五个基本构建模块包括虚拟保护继电器（VPR）、微数据中心、配网变电站、风力发电透平和微电网。电网数字化基础设施是一种基于物联网（IoT）的新型基础设施，支持各类电力装置连接到智能电力网络，可帮助用户通过实时数据分析实现可执行的洞察和自动化的控制。

图1 利用虚拟化技术实现现代化的电力保护和控制

利用虚拟化技术实现现代化的电力保护和控制

虚拟继电保护将取代老化的且通常以模拟电路功能呈现的机电固态微处理器装置，这些装置的维护和升级需要耗费大量时间和成本。换句话说，虚拟化可以减少装置数量，从而降低工作人员往返变电站的频率，减少运维成本。

通过将构建于标准化硬件设备之上的电力自动化系统与保护和控制系统进行虚拟化，能有助于增强系统性整合大量保护和控制应用的能力，并支持自我诊断来实现优化上线运行时间、集中式的维护和升级，同时提升系统的灵活性和安全性。

变电站边缘侧的数据整合和治理，可以通过增强型分析来提供给电网运营者更深入的系统性能洞察。这些更深入的洞察，可以帮助机器学习算法，以自主学习的控制系统自动管理电网，实现电网的持续改进。对于电力公司而言，虚拟继电保护有助于提高运营安全性和可靠性，并降低资产投资成本和运营成本。电力设备制造商（OEM）也能从以下几方面受益，包括产品上市时间的提前、开发成本的降低，以及软件和服务收入的提高。

基于微数据中心平台的电网工作负载整合

目前，北美约有7万多座变电站仍然依靠传统电力系统来管理、维护并运行数以千计的电力装置，而这些电力装置正是构成电力系统运维技术（OT）和信息技术（IT）基础设施的一部分。变电站迫切需要摒弃过时的电力系统架构，从由固定功能的电力装置组成的拓扑集合（如IED、RTU、PMU、HMI、防火墙、交换机和路由器），转向采用标准化新电力融合边缘基础设施的系统架构进行新型电力系统基础设施建设。这种重构的电网拓扑架构有助于优化和平衡供电，以应对由分布式电源的大规模并网所造成的电力供应波动所带来的挑战。

图2 新型电力系统——下一代变电站自动化和控制架构

图3 利用虚拟化技术实现配网变电站的数字化

一种基于微数据中心架构的新型电力系统架构正在得到大力发展，有望大幅提高电网的可靠性、安全性和可管理性。变电站的现代化进程包括将各种电力自动化的工作负载，整合到运行了虚拟机的符合IEC 61850标准的加固型服务器中。该微数据中心可在站内总线层面对变电自动化和IT信息化应用进行虚拟化，并引入虚拟网络技术来隔离虚拟机之间的流量，从而加强软件化电网装置间的隔离和安全性。

英特尔及其电力合作伙伴所推动的变电站微数据中心技术，将以运营技术为核心的应用和以信息技术为核心的应用融合到集中的、可扩展的电网新基础设施成为了可能。该融合意味着，从防火墙、路由器到网络安全系统以及电力系统应用的一切组件，都可以在少到两台加固型服务器作为新电力基础设施的微集群单元上运行。同时，运行在全新虚拟化微数据中心上的软件定义的新型电力基础设施有助于改善电力公司的通信和决策。智能变电站作为电力和算力的枢纽，能够处理和分析多个来源的数据，从而帮助电力公司实时做出本地决策。

配网变电站的现代化改造

欧洲和亚太地区的电力公司在电网边缘节点使用配网变电站为电力消费者输送电力，中国的电网拓扑也是如此。配网变电站负责为家庭和企业供电，其配网拓扑所覆盖最终用户的数量从几百到几千不等。

全球有超过2800万座在役配网变电站运行着大量的传统硬件设备和应用。在中国，配网变电站（高压配变、中低压配变）的数量也在500万个左右。由于这些配网变电站物理尺寸的限制，导致为每个应用添加新硬件的空间非常有限。而人工更换或升级每台设备又成本高昂。

智慧电力边缘节点的功能融合能够帮助电力公司实现配网变电站的硬件标准化。针对此需求，英特尔与行业合作伙伴形成合作联盟，已经开发出了相关原型机及标准化设计规范。

原型机的外壳针对室外部署、极端温度和湿度等情况进行了加固和封闭，内含两个用于安装计算模块的插槽，以及一个电力模块和一个交换机模块。该原型机最多可以添加六个额外的I/O模块，用来满足各种应用的特定用途，同时可以通过RGMII以太网接口来提供网络支持。

英特尔的配网变电站原型机已经通过各种硬件的验证要求，包括开机可靠性、高温承受度以及IEC 61850-3变电站标准的合规性。电气装置数量和现场安装服务需求的减少，有助于降低电力公司的固定资产成本、运营成本和系统集成成本。

在运营层面，虚拟化的变电站使得新型应用的部署和规模化变得更加简单。同时，由于内置的系统状态监测功能和板级的安全功能，使整体系统的安全性也得到大幅增强。

标准化和紧凑的硬件形态能够减少变电站的硬件成本，并降低运维成本。同时，虚拟化技术也可通过支持远程操作进一步降低运维成本。

风力发电透平中的虚拟化技术

风力发电透平中的工作负载整合，与变电站中的保护和控制系统的虚拟化类似。风力发电透平控制器与变电站有许多相似之处，包括存在着大量专有的固定功能的系统，且这些固有装置都锁定特定的供应商品牌，即使维修单个发电透平，也需要派遣工作队赶赴现场，并在295英尺高的作业场所实施高空作业。

如今，发电透平控制系统的虚拟化，有望简化系统运维、提升效率，并提高系统的安全性。风力发电透平具有多个控制系统，可以通过分布式方式在服务器集群上运行。其中的关键在于，通过在标准化硬件基础设施上运行虚拟化应用，来替换原来六个或更多的固定功能装置，以提升整体系统的安全性和灵活性。从发电透平变桨距控制器到SCADA和分析系统，一切皆可在虚拟化环境中实现软件定义的系统。

图4 使用虚拟化技术实现风力发电透平控制的数字化

图5 使用虚拟化技术实现微电网控制的数字化

举例说明一个用于简化发电透平控制系统的双服务器系统架构。风力发电透平控制系统可以搭建在支持按需添加应用的开放架构之上。除了能够降低运维成本外，虚拟化的风力发电透平控制器还可以支持更高效的系统数据整合、数据治理、洞察提取，并进行实时分析来最大化发电出力。

此外，标准化还将促进全局自动化的实现，使得风力发电厂运营商可以摆脱风力发电透平OEM厂商的限制，按自己的意愿来部署软件。这一出色的灵活性意味着运营商可以定制风力发电厂，以满足特定的性能目标，并轻松实现并网。

使用虚拟化技术实现微电网的标准化

微电网包括各种发电电源，如太阳能电池板、风力发电透平、燃料电池、发电机组和储能设备等。这些发电动力岛可以灵活地与微电网中的主电网进行并网或独立组网使用。微电网可以降低能源成本，为关键业务提供弹性供电，并提供清洁、可持续的能源。

充分挖掘微电网的全部潜能需要使用标准化的电力自控平台，以便使用虚拟化技术解耦硬件和软件，这和为变电站设计的新型保护和控制平台非常类似。

微电网平台支持在虚拟化环境中融合各种工作负载，如发电电源管理、电网拓扑动态连接、电力负载整形以及电力自控等。

在虚拟化平台的基础上实施标准化，可以帮助微电网运营商从更高效的系统管理和控制策略中获益，并可以动态地根据实时本地数据和公共数据中获得的洞察及时调整运营策略。此外，标准化还可以帮助简化控制流程，在可以灵活地使微电网在并网与独立组网模式之间无缝切换。

现代化微电网不再依赖多个应用分别运行在互不兼容的硬件平台之上，而是将使用预置了虚拟化管理工具的标准化硬件来整合多种应用，并部署运行在由各种服务器所构成的多任务平台之上。虚拟化技术支持使用独立的隔离环境，同时每个应用都能有自己的操作系统（OS），这有助于提高系统的整体可靠性和弹性，以应对个别硬件发生故障的情况。

工作负载整合有助于电力公司开发新型微电网系统架构，从而减少电力装置数量，支持软件定义的网络，并实现实时分析能力。此外，设备数量的减少还有助于减少微电网系统被攻击的潜在突破口，从而提高整体系统的安全性。

标准化能够减少部署成本，同时降低固定资产成本和运营成本，帮助电力公司搭建起一个更加灵活、可扩展且安全的新型电力基础设施，并使用机器学习技术来提高分析能力。

在业务层面，工作负载整合能够支持电力公司加快在电网边缘节点的创新步伐，并充分利用实时数据来增强对微电网运营的洞察。除了促进全局自动化之外，微电网的现代化还有助于电力公司提高效率、降低维护成本，充分发挥微电网的发电潜能。

结论

在物联网解决方案的推动下，电力公司正在加速电力基础设施现代化，以实现IT和OT的融合、人工智能技术优势的充分利用，以及数据在电网边缘节点就得以被处理。

工作负载整合是传统系统向全面虚拟化应用环境转变的关键。内嵌英特尔®处理器的硬件系统，包括英特尔®至强®可扩展处理器、英特尔®Arria®10 FPGA和SoC、3D XPoint内存模块、英特尔®Movidius™视觉处理单元（VPU）加速卡和英特尔网络接口卡等硬件设备将为电网虚拟化奠定坚实基础。

工作负载整合，能够帮助电力公司提高可靠性，并降低全生命周期成本，而虚拟化技术可以帮助电力公司加快产品和服务的上市速度，同时降低运营成本和固定资产成本。

智能电网技术能够使包括分布式自控系统、继电保护、人机界面和可编程逻辑控制器在内的一切装置全部实现软件定义的虚拟化。数据中心市场过去十年来在虚拟化技术方面取得的成功，也为电力公司转型的巨大潜力提供了有力背书。

电网现代化需要对现有电力基础设施进行全面升级，并需要电力公司、监管机构、政策制定者以及民营公司跨领域的通力合作。能源行业的可持续发展有赖于电网的演进，以减少碳排放，推进交通运输电气化进程，并促进分布式电源在电网边缘节点的并网。

随着能源市场全面拥抱数字化转型，电力系统将从模拟架构向全新的数字化新型电力系统标准演进。将虚拟化技术应用于电力公司的自控系统，需要行业锐意创新，共建新型电力系统的生态系统，共织智能电网。■