【導讀】據派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬個能源管理用戶。這反過來將為公用事業機構為客戶提供管理和控制能源分配的巨大機會;它還使業主有機會通過智能能源管理更好地管理其能源使用。
我們今天的大部分高耗能來自加熱/冷卻，烹飪，照明，洗滌和干燥。這些家用電器開始變得聰明，具有連接功能，可以讓他們自動化，以獲得智能計量和可變稅費所帶來的好處。電力公司正在開始更好地管理能源需求，更有效地執行負載平衡。
在實用/行業方面，數據聚合器/集中器在自動抄表（AMR）中形成重要組成部分。它通過將多個公用事業公司的儀表（電力，燃氣，水，熱）連接到中央公用事業服務器來創建必要的網絡基礎設施，獲取并報告重要數據。它還有助于將實際應用的時間和日期數據同步到中央應用程序服務器中，并實現用戶認證和加密信息的安全數據傳輸。與電力儀表的通信由射頻無線或有線（電力線調制解調器）連接組成，使得能夠通過GPRS，以太網和GSM，POTS或UHF / VHF網絡將數據傳輸到中央公用事業服務器。
據派克研究所估計，到2020年將有9.63億臺智能電表和6,300萬個能源管理用戶。這反過來將為公用事業機構為客戶提供管理和控制能源分配的巨大機會；它還使業主有機會通過智能能源管理更好地管理其能源使用。
圖1、物聯網（IoT）用于智能能源中
電網的演進與挑戰
第一個電網出現在19世紀90年代，由先驅者托馬斯·愛迪生（George Edison），喬治·西屋（George Westinghouse）以及通用電氣（General Electric）和西屋電氣（Westinghouse Electric Corporation）等個人和公司所驅動。當時這些電網是高度集中的，彼此隔離的系統。在接下來的幾十年里，本地的電網變得越來越相互聯系。到20世紀60年代，電網已經成熟為高度互聯的系統。這些電網主要由大型電廠（通常基于化石燃料，如煤，天然氣和石油）主導，大型電力線用于與電力消費中心相連接，低容量線路將電力運送到終端用戶。由于計量技術的局限性，往往固定電價的方式來對終端用戶收費。
從一開始，電力電網面臨的一個關鍵挑戰就是應對不斷變化的能源需求。這里的主要問題涉及到非常有限的儲能能力以及根據需要增加額外的發電機組的高成本。例如，添加峰值時間發電機，例如具有低啟動時間的燃氣輪電機是一個相對昂貴的解決方案。初步嘗試在需求側解決問題。例如，引入雙重稅收來鼓勵客戶在需求普遍較低的夜間增加電力使用量。還引入了需求感知設備（如空調，冰箱和加熱器），這些設備可以使用模擬技術例如通過監視電源頻率的變化來感測電網中的負載。
如今，分布式網絡可以滿足共享中小型風力發電廠，熱電聯產，太陽能發電廠等不斷增長的（分散）發電量。但是這給電網造成了壓力，使電網穩定性更加難以維持。數字化能夠使電網“智能化”以滿足這些新的要求。圖2更詳細地介紹了數字化對能量控制器的影響。
圖2、電力電網的演進
此外，過去十年間，國家批發市場和跨國的電力交易量大幅增長，導致對輸電電網的新的需求。大多數消費者連接到分布式網絡中，電表計量服務用于記錄消費和輸入的電量數據。
圖3、智能電網架構的概念形式
數字化的影響
近年來，數字化現象已經演變成跨行業相關的真正大趨勢。雖然能源行業最初落后于其他行業，但現在正在迎頭趕上，數字元素影響著這個市場的越來越多的方面。然而，“數字化”這個術語其實是很模糊的，所以我們需要定義我們的意思。 m3管理咨詢高級經理Bernhard Schaefer將數字化定義為：
利用新的信息和通信技術來實現能源公司的產品和服務，價值鏈（從發電廠到消費者）以及內部支持功能（控制，采購，人力資源等）的綜合轉型，以滿足相關客戶的期望。
結果是一個“智能”電力公司，作為“智能”能源世界的一部分，將被越來越多地嵌入到更廣泛的物聯網（IoT）中。
智能能源系統在許多方面將與傳統系統不同：
數據主導的智慧正在或多或少地進入能源價值鏈的所有步驟中，突出的重點是發電，配電，計量和消費。圖4中更詳細地說明了IoT應用程序擴展到能源價值鏈中（請注意，每個國家的能源價值鏈會稍有不同;例如，英國的智能電表是零售業）。
得到的教訓
博世軟件創新公司的Michael Schlauch是博世的項目經理，負責Smart City Rheintal項目。這是項目的兩個關鍵外包：
我們看到預測過程仍然有很大的改進空間。這適用于光伏設施的發電預測以及對消費者的消費預測。在這里，需要更長的時間框架，甚至超出了正在資助的項目的結束時間。例如，這是推斷特定住房單位的實際和個性化消費概況的唯一途徑。由于我們與沃拉爾伯格應用科技大學的合作，并且專門針對IT公司的，因此我們正在獲得這種類型的廣泛的區域性的和結構性的參數，為進一步預測做好了準備。
諸如洗衣機的消費者設備太小，無法使需求方管理有合理的進展。集成到VPP中的設備必須要更靈活。這對于熱泵以及電鍋爐也是如此。當然，當我們可以將各種不同程度靈活性的設施結合在一起時，這也是非常有幫助的。
圖4、擴展能源價值鏈和物聯網（IoT）的應用場景
發電
發電是數字化無疑會帶來巨大好處的領域。過去，傳統的電力系統主要由大型集中式電站供電，如今，越來越多的小型，分散式安裝的發電機將電力注入電網。大多數這些額外的電力是由可再生能源發電，如風能，太陽能和生物能等產生的。然而，風能和太陽能的生產卻是高度波動的，依賴天氣預報的生產預測容易出現不精確的局面。這對網絡運營商來說是一個挑戰，網絡運營商必須通過確保電力注入和電力消耗之間的平衡來保持網絡的穩定和安全。能源專家Bernard Kryszak說：
滿足這一挑戰的一個選擇是將各種小型發電機捆綁成一個協調的“虛擬電廠”（VPP：Virtual Power Plant）。 VPP的個體電廠（可能利用太陽能，風能，生物質能，小型水電廠或者熱電廠（CHP））的電力生產通過使用單一的IP網絡進行集中優化，以收集和分析分散式單元的生產數據，當地天氣預報，需求預測等。這種基于協同效應的方法使得可以最小化所需輸出的發電成本。此外，與單個電力來源相比，VPP能夠提供更穩定的總體電力輸出，例如在太陽不發光并且不能產生太陽能的時候，通過提高生物能源的功率來進行補充。特別是在波動發電程度高的市場中，如果監管框架提供足夠的市場信號來激勵提供儲備能量的話，那么VPPs在經濟上是有吸引力的，同時還有助于系統的穩定性。
數字基礎設施的另一個應用領域涉及遠程發電資產的監控和診斷。想象一下遠離海岸的一個大型海上風電場。簡單的基于時間的維護在這里是不合適的，因為到達這個位置所涉及的成本非常高。相反，來自連接到每個風力渦輪機中的部件（例如葉片，齒輪箱，油泵，控制器，馬達和發電機部件）的傳感器的操作數據被連續饋送到中央控制中心。這里，數據以結構化的方式存儲在數據歷史數據中，并可用于分析。這樣就可以監控每個部件的狀況，并根據維修計劃來調整渦輪機的實際狀況。
此外，數字化可以使發電的支持過程更管用和高效。 “數字供應鏈”的概念描述了與外部供應商的緊密的數據集成。這有助于確保基本備件的供應商能夠獲得有關發電機額外供電要求的透明在線信息。因此，備件可根據需求進行交付，庫存量可以實現最少化，從而提高發電廠的可靠性。
現在有轉向私人發電領域的智能應用，我們將重點轉移到能源管理解決方案上。這些可以幫助私人能源“消費者” - 也就是通過光伏（PV）或者微型熱電聯產（CHP：combined heat and power（熱電聯產））生產能源的私人消費者。想象一下在屋頂上安裝有PV的家庭。在天氣預報的幫助下，專業消費者可以預測其安裝的電力輸出，并考慮到其電力公司提供的可變電力價格 - 相應地優化其消費。這增加了自耗太陽能電池的份額，同時減少了外部配電網的使用。
通過完全集成的交易平臺和自動交易流程，能源交易也變得更加智慧。而市場參與者只是基于日前的數據來交易電力，而當天的交易可以通過系統到系統的信息進行，而無需人工干預。這使得實時交易和短期優化，從而在新興的動態能源市場中保持了足夠的敏捷性。
電力傳輸
今天，盡管間歇式可再生能源的增長壓力越來越大，但是傳輸系統運營商（TSO：transmission system operators）也面臨著保持電網運行穩定和安全運行的更大挑戰。由于電網穩定始終是至關重要的，TSO被允許通過迫使電力生產商暫時升高或降低其發電資產來確保其負荷平衡（頻率和電壓），以實現生產和消費之間必要的持續平衡（后者是更難影響）。在這種情況下，TSO的控制中心通過專用數據接口來直接和遠程地控制與TSO傳輸網格直接相連的發電廠的資產。
分布和計量
展望分布和計量領域，我們可以看到新智能能源領域最有名的元素：“智能電表”。智能電表是一種能夠以短時間例如每15分鐘記錄功耗的計量裝置，然后將該數據傳送到供應實用程序用于監控和計費。智能電表還可實現電力公司和計量電力負荷之間的雙向通信，從而允許電器受到控制，使得由于使用高可再生能源能源而價格低時，其能源消耗最高。
當智能儀表和其他傳感器和執行器安裝在大量相關負載點和網絡資產（如可控變電站）時，將集中的數據饋送到中央配電管理系統中，便于實時分析，控制網絡。所得到的“智能電網”可以由網絡運營商進行詳細監控和遠程控制。網絡操作實際上可以在很大程度上實現自動化，從而可以快速響應網絡事件，如本地電源中斷等。如在遠程發電的情況下，這也極大地促進了基于資產狀況的實時信息的基于條件的電網資產維護。可以通過預測分析進一步優化維護活動，即實現基于歷史數據和學習分析算法的資產狀況預測。
正如管理咨詢部高級經理Bernhard Schaefer指出：
電網“智能化”有很多好處：優化電力流量，提高系統安全性，更好地利用網絡容量，更好地保護網絡資源免受故障影響。此外，可再生能源更容易集成到網絡中。這減少了網絡所需的投資量，并降低了資產服務的運營費用，同時減少了網絡故障，并在供應中斷的情況下 - 使供應恢復得更快。
然而，從網絡運營商的角度來看，與常規儀表的使用相比，在許多情況下安裝和操作智能計量裝置不是成本有效的。事實上，在歐洲，只有瑞典和意大利才開始全面推出智能電表。在其他歐洲國家，智能電表的安裝仍在進行中，通常還需要立法規定。但從長遠來看，通信和硬件的成本會大幅下降，這將改善智能電表的業務情況。
存儲
電力儲存是在低需求時承載可再生能源產生的多余能源的一種選擇。除了大型的中央存儲設備，如抽水蓄能水電，還有大量關于將中小型存儲投放市場的開發活動，例如鋰離子電池或電力到燃氣轉換的技術。潛在的電力儲存的一個特別有趣的形式是“車對電網（vehicle-to-grid）”的概念。隨著越來越多的插電式電動汽車，數字基礎設施可用于控制車輛的電池充電過程，并在能量過剩或需求高峰的情況下將能量釋放回電網。
盡管大多數這些存儲技術在大多數市場環境中尚未獲利，但顯而易見的是，將分散的小型存儲設備集成到智能電網中可以帶來額外的好處。因此，調度基于實際的整體系統需求，并考慮到網絡和地理約束，以努力實現整體經濟優化。
營銷，銷售和服務
到目前為止，我們已經解決了純粹的技術解決方案。然而，智能能源不限于機器對機器（M2M）通信。數字客戶界面是不斷變化的智能能源世界的另一個重要因素。首先，可以通過捆綁能源和信息服務來設計新產品。其次，通過基于分析的客戶細分和定價優化，可以通過使用新提供的數據來更好地針對客戶需求，來改進與現有產品和服務相關的銷售和/或利潤。第三，通過利用智能電表的計量數據的分析來獲得的客戶洞察力，還可以通過引入用戶友好的移動服務和在線自助網站進行計費，提交儀表讀數，按需支持和節能措施。最后，供應商可以期望獲得有關客戶行為和主要營銷數據的更多信息，可以向第三方提供有針對性的銷售和廣告。
消費者
在最終客戶方面，在價值鏈結束時，許多舉措的重點是通過提高能源效率并通過智能負載調度來降低能耗和降低成本。這通常通過根據實時市場價格變化的靈活調度來完成。這使得電力公司可以在由于電力生產過剩而在網絡穩定受到威脅的情況下，向提供了增加電力負載的客戶進行獎勵來激勵他們。
能源管理解決方案主要適用于工業和商業客戶，一般來說他們的能源賬單是大多數成本結構的主要部分。需求響應管理用于通過生產過程中現有的靈活性來獲利，例如，在收費較高的時候，通過減少冷卻和加熱過程或其他電氣負載。還可以利用不同發電廠和/或不同能量形式之間的內部協同作用（例如電力對天然氣轉換）。
在私營部門，“智能家居”理念解決了能源效率，個人舒適，個人健康和安全問題。在智能家居中，集成的家庭自動化控制優化了照明，供暖，電器，如電冰箱和洗衣機以及電動百葉窗和安全系統的使用。學習算法有助于減少能源消耗 - 例如，當居民上班時，減少供暖。傳感器可以監視運動并發出警報，例如在老年人活動下降或不長時間移動的情況下發布警報。智能手機應用程序允許用戶遠程監控家庭的安全功能。此外，電子移動應用可以通過將充電和放電過程結合到整體家庭能量管理概念中而被集成到智能家居解決方案中。
什么時候發生這一切？
智能電表的采用將成為智能家居和其他下游設備廣泛采用的主要推動力。在全球的幾個市場中，這需要政府干預和監管決策，而在其他市場，網絡效率和“非技術損失”（即盜竊）可能是影響智能電表采用的重要因素。采用智能電力計量的智能電表對環境的潛在有益影響是近乎全球性的驅動力。
這樣做的最終結果是，智能計量和智能電網管理解決方案將成為即將到來的物聯網時代首要采用的技術之一。隨著這些技術的引入，其他一系列解決方案將隨之獲得推動。一類解決方案將包括電器和設備成為智能電網基礎設施的有效部分，一級支持低壓發電。我們還將看到一系列設備是更廣泛的智能電網生態系統的一部分，這些設備將用于通過修改功耗來提高效率的地方。第二個設備類別將包括許多智能家居設備。
圖5顯示了由兩個不同類別的設備表示的智能電網IoT連接的總數。它還顯示了由智能電網基礎設施設備貢獻的智能電網IoT連接總數的份額，并突出顯示了與新興智能電網有關的IoT設備總數的份額。
圖5、智能電網中的物聯網（IoT）連接數
這些數字有三個明確的信息。首先，物聯網智能電網中包括的設備總量預計將迅速增長，從今天的不到10億而2024年增加將達到120億。第二，也許不奇怪的是，在依賴于智能電網功能的設備之前，將采用與智能電網基礎設施相關的設備。第三，與智能電網相關的設備將占據連接設備的越來越多的份額。這些預測顯示，到2024年，預計所有物聯網設備云連接（不包括PC，平板電腦和手機）的40％以上屬于智能電網生態系統，將智能電網和VPP概念牢固地置于物聯網（IoT）的核心之中。
結論
本文描述的大多數趨勢仍處于試點或早期商業化階段。能源專家Bernard Kryszak強調：
我們相信，大量的用例將變得有利可圖。然而，許多智能能源應用的成功取決于采用這些智能技術的發電廠，網絡運營商，銷售實體和客戶那里獲利的利益之間平衡的綜合視角以及成本的公平分配，而共同的基礎設施是這個綜合視角的重要組成部分。
