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■在能源技術(shù)領域，從集中控制型電網(wǎng)向分布式、智能化電網(wǎng)（稱為智能電網(wǎng)）的轉(zhuǎn)換已經(jīng)開始。早在兩年前，虛擬電廠就已開始安全地參與電能運轉(zhuǎn)儲備市場。與此同時，在過程控制領域，系統(tǒng)運營商對于采用模塊化系統(tǒng)的渴望引發(fā)了業(yè)界的熱烈討論，尤其是關于自動化系統(tǒng)如何采用模塊化架構(gòu)這一課題。既然能源技術(shù)行業(yè)已經(jīng)有了解決方案,為什么不直接采用相應的結(jié)構(gòu)呢？

作為向可再生能源轉(zhuǎn)變的工作之一,德國目前已著手對其整個能源系統(tǒng)進行改造。由于太陽能和風能等可再生能源在逐步取代傳統(tǒng)能源，因此有必要將各種小型發(fā)電設備并入現(xiàn)有

電網(wǎng)中。尤其是在以保證能源供應穩(wěn)定性和安全性為前提下，這對于電網(wǎng)運營商就形成一個

巨大挑戰(zhàn)。因為基于大型電廠的集中式供電已被取代，現(xiàn)在需要的是對集成眾多分布式系統(tǒng)

的電網(wǎng)進行控制。因此,電網(wǎng)必須具備足夠的智能化以聯(lián)接和控制發(fā)電系統(tǒng)，使電能的生產(chǎn)和消耗達到完美和諧。但是隨著發(fā)電機數(shù)量的增加，系統(tǒng)變得日趨復雜，中央控制器迅速達到了性能極限。過程控制系統(tǒng)的用戶已經(jīng)認識到這一缺陷，因為這確實已經(jīng)成為困擾他們的一個問題。

■已知的挑戰(zhàn)

過程控制領域的生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁多，涉及從原材料處理到成品包裝過程。目前這些環(huán)節(jié)中有許多均封裝在單獨的安裝模塊中。因此，像電網(wǎng)一樣，過程系統(tǒng)也包含許多分布式單元。這樣的模塊化架構(gòu)為系統(tǒng)運營商帶來了優(yōu)勢，使他們通過在專用單元中增加或更換模塊即可實現(xiàn)擴展或改造，從而構(gòu)建新的系統(tǒng)。這樣做還可以靈活地開啟和關閉各個單元，或者整體更換各個單元。有了這種模塊化架構(gòu),系統(tǒng)運營商可以根據(jù)市場變化迅速作出反應。但是，目前過程控制技術(shù)使用的模塊均通過集中式智能——上層過程控制系統(tǒng)——來進行自動控制。而對于后者,需要手動集成系統(tǒng)模塊，不僅耗時，而且徹底破壞了模塊化的基本優(yōu)勢，因為模塊本身不具備任何智能控制技術(shù)，無法自主發(fā)揮作用。對于可靈活集成眾多模塊的網(wǎng)絡而言,單靠中央控制器已不足以滿足需求，而是需要一種智能化的自動化架構(gòu)。這種架構(gòu)可以在中立的通信層面上集合單獨模塊，完全像在電網(wǎng)中那樣在過程控制行業(yè)中發(fā)揮作用。

■分布式自動化提升了靈活性和系統(tǒng)可用性

能源領域的自動化和過程領域的過程控制中同時采用的一種解決方案是將傳統(tǒng)的集中式自動化分成兩層。上層控制器的作用簡化為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)和上層功能，例如運行和監(jiān)測整個過程。下層的分布式子系統(tǒng)具有足夠的自動化智能，可以在很大程度上自主地發(fā)揮作用。

Vattenfall Europe W?rme AG就采用了這種分布式設計來開發(fā)他們的虛擬電廠。他們的虛擬電廠于2010年10月上線，可以智能聯(lián)接分布式發(fā)電系統(tǒng)，利用彈性的發(fā)電設備和用戶來補償電網(wǎng)風能和太陽能的供應波動。一旦風力發(fā)電出現(xiàn)過剩，虛擬電廠就會調(diào)動電力用戶。在發(fā)電不足時，可以靈活控制分布式熱電聯(lián)產(chǎn)廠(CHP)來提供保持電網(wǎng)穩(wěn)定所需的電能。為了能夠通過虛擬電廠的CHP來高效開發(fā)電能運轉(zhuǎn)儲備市場，Vattenfall必須克服重重挑戰(zhàn)。系統(tǒng)必須從位于德國漢堡的VattenfallW?rme總部的中央控制室對運行情況進行協(xié)調(diào)，并控制電能輸出。因此，必須從輸電網(wǎng)絡運營商那里獲得電能運轉(zhuǎn)儲備需求的實時信息。輸電網(wǎng)絡運營商的控制信號通過主控室分發(fā)到各個發(fā)電系統(tǒng)，并實時監(jiān)控實施情況。為了應對這些挑戰(zhàn),Vattenfall投資近四百萬歐元開發(fā)了適合的控制技術(shù)。而他們的投資獲得了豐厚回報：自2012年11月以來，Vattenfall及其虛擬電廠一直在參與利潤可觀的運營電能儲備市場業(yè)務。

■過程行業(yè)的飛躍

過程行業(yè)也有可能經(jīng)歷相似的飛躍，而且它們可以通過借鑒能源行業(yè)中經(jīng)驗證的、成功的解決方案實現(xiàn)這種飛躍?？雌饋恚胺植际侥K的自主智能技術(shù)”能夠為過程行業(yè)帶來同樣的轉(zhuǎn)變。WAGO將這種技術(shù)應用在了一個名為DIMA（分布式智能模塊化系統(tǒng)）的解決方案中。與采用傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的整裝系統(tǒng)架構(gòu)不同的是，DIMA注重于實現(xiàn)模塊自身的智能控制，就像虛擬電廠一樣，從這一點來看，過程技術(shù)系統(tǒng)的架構(gòu)與電網(wǎng)相似，也是分為兩個區(qū)域。管理層和各個與過程相關的模塊，其中管理層只負責全部過程監(jiān)控和流程控制，而各模塊則包含I/O層及其自身的自動化控制。跨系統(tǒng)功能（例如配方管理）由上層自動化系統(tǒng)執(zhí)行，而基本功能則由各模塊本身的自動化處理。

當采用DIMA時，模塊的描述由“模塊類型封裝”(MTP)實現(xiàn)。MTP中包含關于過程控制集成、運行和監(jiān)測功能以及批處理功能的信息。模塊供應商對模塊進行配置后，系統(tǒng)運營商在集成工程期間使用相應的MTP，然后配置整個系統(tǒng)。管理層與模塊之間采用面向服務的架構(gòu)(SOA)以面向服務的方式進行通信。配備自身智能控制的模塊可以像搭積木一樣輕松地集成在整個系統(tǒng)內(nèi)，而且將來還可以靈活地進行更換，就像在電網(wǎng)中可以根據(jù)需要隨時開啟或關閉CHP那樣。

■標準或開放式信息源使其成為可能

在使虛擬電廠實現(xiàn)自動化的過程中，Virtual Heat and Power Ready(VHP Ready)控制標準發(fā)揮了關鍵性的作用。監(jiān)測和控制分布式、異構(gòu)性能源系統(tǒng)需要有通信標準以及（取決于分布式系統(tǒng)的任務）專業(yè)定義，例如運行特性和反應時間的默認值。由于需要同步源于不同制造商的通信和能源組件，弗勞恩霍夫開放通信系統(tǒng)研究(Frauenhofer Institute FOKUS)所于2013年末發(fā)起了主要針對虛擬熱電廠的公共行業(yè)聯(lián)盟。此后，五家知名公司于2014年2月成立了行業(yè)論壇VHPready e.V.，從而為跨行業(yè)、跨制造商的虛擬電廠開發(fā)奠定了基礎。該論壇后來增加到了23家成員公司（截止2014年10月），他們通過VHPreadye.V.行業(yè)論壇在分布式電廠的通信網(wǎng)絡和能源控制規(guī)范方面開展協(xié)作，此外也包括認證和預認證支持相關查驗方面的合作。

為使過程行業(yè)也能取得能源行業(yè)的成就（即采用分布式智能控制的模塊化架構(gòu)），過程行業(yè)也需要建立相似的聯(lián)盟。盡管DIMA不需要新標準，但為了與現(xiàn)有(部分情況下是專有性)的解決方案銜接，將需要公布和編制現(xiàn)有控制和SCADA系統(tǒng)的接口。只有如此，DIMA方可解析現(xiàn)有控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)采用的模塊描述(MTP)。作為表率，WAGO已為行業(yè)提供了自己的技術(shù)，以供深入討論和聯(lián)合開發(fā)。

文: Hanno Balzer,Vattenfall Europe W?rme

和Ulrich Hempen,WAGO

圖: WAGO