长期被忽视的电网计量和安全

作者：Maxim Integrated公司 Dave Andeen

欢迎访问e展厅 展厅 6 配电输电设备展厅 电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ... 引言 随着智能电网在全球部署的日益普及，消费者、设计工程师、电力公司都在讨论智能电网将如何改变整个能源行业。智能电网使电力公司无需派人到现场抄表即可存取电表数据，节省了资金。电力公司、电厂和消费者现在正极力寻求更为环保的替代燃料。新商业模式通过激励措施(例如分时计价)降低高峰期间的能耗，从而鼓励减少峰值需求。分布式能源，例如电动汽车和各种形式的太阳能和风能，正在最大程度上通过可再生资源及可利用资源来支持峰值需求。所有这些技术进步也将造成智能电网中数据分析量更大。有了智能电网，电力公司从每月抄表一次或几次发展为每天读取6至96次电表读数。智能电表产生的全部数据提供了更好的理解使用模式、浪费及电力公司尚未了解的其它因素的机会。 但归根结底，仅仅靠智能电表和电网管理并不能确保智能电网的成功。如想完全发挥这一技术优势，智能电网设计必须专注于能源计量和安全。 能源计量切实节约能源 遗憾的是，如今大肆强调智能电网技术及其通信架构的未来管理问题(更多信息请参见下文中的附)，人们很容易忘记能源计量和安全对系统的成功与否至关重要。毕竟，与电力管理相关的网络不但必须计量其关键商品，而且也要保护运输商品的宝贵基础架构。进入能量计量。 智能电表利用称为“计量”的电力公司级能源测量功能测量工业和消费者能耗。包括意大利、美国加州及斯堪的纳维亚部分地区在内，这些智能电表已经是大量机器对机器电力网络的组成部分。但是，只有电力公司热衷于能耗计量吗？当然不是。广泛能源计量的好处可延伸至电网上的大量用户和提供者。 以我个人为例，去年十月、十一月和十二月的电费猛增。十二月后期，我的烘干机坏了。幸运的是，我和我妻子能够马上购买一台新的，这在深冬季节可太重要了。事后回想，烘干机由于过度耗电被烧坏，这就解释了每月较高耗电量和电费单上电费猛增的原因，最终造成经济损失，重新购买了新烘干机。 能源计量有助于解决像我这样的情形。对各种应用进行能源计量，例如消费设备和工业电机，具有极大的好处：降低耗电；识别需要维护或甚至需要更换的关键资产；有助于更有经验的用户或系统运营者做出关于能耗和系统性能的更为明智的决策。在我的烘干机的例子中，如果能准确计量电机的耗电，就可立即发现设备耗电量增加。就像汽车上的“发动机检查”指示灯，能耗计量记录使用模式，从而在发生故障之前指示设备状况和工作状况。使用模式将为我提供了足够的时间来维修烘干机或者干脆买台新的(打折时购买！)。 在工业设备中，与准确能源计量的潜在利益相比，消耗的能源(故障烘干机例子中为浪费的能源)较小。制造业中，电机占耗电量的54%1，对正常运行时间要求和生产目标较为重要。例如，假设一台100hp电机的电压不平衡度为2.5%，估计每年要多耗电$4762。除此之外，设备的附加磨损将造成更多的维护及早期更换费用。您很快会理解智能电网中能源计量为工业带来的利益。现在，进一步进行逻辑推理。全球范围内电机增加的电力和维护费用，意味着节能及节约的巨大机会。 一旦认识到良好管理能源计量的重要性，您将会寻求实现的方案。此时，智能电表和计量系统就成为决定性因素。Maxim Integrated为能源状态监测提供多种能源计量和电机诊断方案。78M6610、78M6613、78M6631和MAX78638提供高精度、四象限测量，带有用户固件。这些器件为工业应用领域监测和测量太阳能板转换效率、电机工作状况，为照明和计算应用中的能耗提供宝贵的测量数据。最后，相对于防止设备故障及确保系统正常运行方面节省的资金，能源计量方案上的投资要小得多。 电网安全——至关重要，但尚未得到应有的重视 智能电网也要求24/7完全安全。大多数用户，甚至工业和电力公司都低估了这点的重要性。端点，例如智能电表、工业电机、用户设备及分布很广的自动化设备均消耗并控制电力。同时，由于智能电网运营商充分利用“智能”网络来修正功率因数、优化电压、准确定位故障以及降低维修时间以确保正常运行时间，针对于并网装置的应用持续增加。 网络攻击、IP盗窃、对生产力的破坏——在智能电网和工业控制系统，所有这些威胁都在不断上升。只有针对智能电网进行优化的完备安全措施才能防止这些严重的威胁，确保正常运行时间最大化，无论是简单的家用衣物烘干机还是先进的分布式工业中心。遗憾的是，许多情况下并未完全意识到安全风险的严重性，仅有最低限度的安全措施。在一次与电力公司专家的交谈中，他告诉我在电力公司的变电站中“带刺铁丝网、挂锁和高电压是唯一的保护措施”。其他见识短浅的运营者相信硬件固有的安全措施，而没有认识到通过软件进行网络攻击带来的更严重的威胁。 最有效的安全方案可通过硬件和软件确保产品整个生命周期的安全。由于从设备购买到制造、从运行到退役的所有阶段都会发生潜在安全漏洞，所以电网安全具有深远的影响。 购买将在智能电网上工作的产品时，购买者必须保证购买硅及其它关键计算器件的渠道可靠。这对于避免仿造产品至关重要。制造过程中，功能强大的安全认证技术可防止第三方(例如制造承包商)盗窃密钥并随后利用这些密钥偷电或用病毒感染电网。现场使用时，安全地储存密钥并对通信通道的数据进行多层加密。安全引导装入程序可防止病毒和恶意软件装载至系统。硬件技术监测物理安全，能够响应篡改事件。未处于持续明确监测下的装置和传感器需要此类全面的安全保护。 设计最有效的安全措施并集成至系统或电网本身。Maxim提供完备的安全产品系列，例如MAXQ1050、MAX36025和MAX71637，满足智能电网的安全需求。这些器件集成了基本的多层安全认证方法，包括split keys、非对称加密、安全引导装入程序，以及各种物理篡改保护方法。 总结 听起来是老生常谈，但却是千真万确的事实：智能电网具有完全改变能源行业的潜力。这既令人兴奋也值得我们注意。但是，当处于这种管理欣快症中时，很容易忽视电网计量和安全通常隐藏的重要问题。正是这种环境，证明高品质电表设计最为可贵。如果我们持续关注能源计量和安全，并真正利用这一技术，那么我们必须重视智能电表实现智能电网的方式。 附：智能电网与电信的比较——双网记 我们谈到智能电网时，往往重视其成为降低能耗并改变我们能源基础架构的自复原电网的巨大潜力。这样的革命性技术是如何设计和产生的？其推动力是什么？ 结构完善、技术成熟的电信基础架构网络是当今智能电网的基础。讨论起这一话题时，往往会谈到互联网和大数据，这些数据提供了汇聚和分析海量信息并利用这些信息做出有用决策的能力。 诚然，电信网络和智能电网都具有相同的核心、高速度以及可互操作通信层。但是，两者具有非常重要而基本的差异：智能电网真正是一种机器对机器的网络。传统电信端点产生的是人与机器的互动，包括电话、计算机，以及现在的智能手机。机器对机器网络的端点由传感器、功能机器或上述两者组成。这些机器通常不由人直接控制，所以不能有效地表达或报告网络的状态或健康状况。举例说明，工业传感器往往位于不可触及的位置，远离中央系统，无法升级，并且也不在人工监管之下。由于系统和远端设备之间没有人为干涉，所以智能电网系统设计者必须深层次考虑这种分布式网络的检测功能和安全。 参考文献 1 U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, http://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_deployment/motors.html. 2 Energy Tips, Motor Systems, U.S. Department of Energy, Motor Systems Tip Sheet #7, September 2005, http://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_deployment/pdfs/eliminate_voltage_unbalanced_motor_systemts7.pdf.(end)

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