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不起眼的断路器变成计算机时会发生什么



电力系统正在从模拟演变为数字,这对于从矿物燃料过渡来说是个好消息。最近,我一直在写很多有关能源世界大趋势的文章,即能源系统的分散化。以前,几乎所有的电力都是在大型发电厂中产生的,并通过远距离高压输电线路传输,然后再倾倒到本地配电网中。如今,在配电网本身内部生成,存储和管理其中的一小部分,但在不断增长。

这是通过从太阳能电池板到电池再到电动汽车等一系列分布式能源(DER)来实现的,这些资源越来越紧密地联系在一起并通过软件进行协调。并且,随着越来越多的汽车和建筑物电气化,将有更多的DER发挥作用。保持配电网平稳运行将成为越来越大的挑战。即使配电网难以实现数字化,但20世纪的电气基础设施仍然坚决地停留在手工和模拟方面。以低级断路器为例。该国的每个电气设备都通过一个连接到电网。它的作用仅仅是在出现故障或电涌时切断流向电路的电流,以防止线路,火花和火灾过载。
 
如果您是房主,则可能是您熟悉的经历:厨房的电源突然熄灭,您要短暂地想起自己的电板在哪里,找到它并用手电筒斜视在那细小的,难以理解的标签上,找到说“ KIT”的那个,然后手动拨动开关。然后您大喊:“这样做了吗?”当您考虑如何与日常生活中几乎所有其他系统进行交互时,这似乎很原始。自从托马斯·爱迪生(Thomas Edison)在19世纪末提出该想法以来,断路器的基本设计并未发生明显变化。它仍然是一个机电开关,可以手动断开电气连接,将两条线分开。

断路器不仅将建筑所有者拖到地下室斜视配电盘,而且速度很慢,以至于它们仍然允许许多短路和电弧闪光,这可能会损坏财产甚至杀死人。非营利性国际电气安全基金会(International Electric Safety Foundation International)说: “在美国,每年的电弧故障会引发28,000多起家庭火灾,造成数百人丧生和受伤,并造成超过7亿美元的财产损失。”

另外,机械断路器是静态的。一个额定为30安培的放大器将始终只能处理30安培的电流。他们不适合不断变化,不断发展的DER世界。多年来,研究人员和企业家追求更好的东西,在一月份,北卡罗来纳州的一家名为Atom Power的小型公司成为第一个通过必要测试将其推向市场的公司:固态数字断路器。固态意味着没有活动部件,维护更少,寿命更长。代替机械开关,电流被半导体中断,这意味着它以光速发生。具体来说,当触发时,半导体控制的开关会在3微秒内跳闸,比最快的机械开关快约3,000倍。

在此2018年的视频中,电气工程师兼创始人Ryan Kennedy 解释了Atom如何首先到达那里。它与用碳化硅(硅和碳的混合物,也称为金刚砂)而不是硅制造半导体有关。

首先,它使半导体体积缩小六到十倍,从而使产品能够模仿传统断路器和配电盘的尺寸和形状。其次,它的效率要比硅高得多,尤其是在高电压下,与机械开关不同,它的效率会随着电压下降而提高。第三,与硅相比,它在高温下具有更高的容错能力,使产品能够通过Underwriters Laboratories的严格测试。 (UL是消费者安全研究实验室,已获得联邦政府的批准,可为美国和加拿大的各种消费产品设定安全标准。)

这暗示了两件事。首先,Atom在一支规模很小的团队中取得了一些聪明的东西。美国创新的三声欢呼!其次,竞争对手不会落后。毕竟,碳化硅没有专利。其他大公司也已经在投资自己的数字断路器了。未来几年,这将是一个热门市场。因此,让我们看一下数字控制的电力-它可以做什么以及可能会启用什么。数控电更安全首先也是最重要的一点是,因为半导体的反应比机械开关快得多,所以它们更加安全,有效地消除了短路和电弧,如以下视频所示:

(每个产品的金属音轨看上去都更酷。)数字断路器甚至可以在故障发生之前预见并阻止故障。出现故障之前,正弦波会受到很小的干扰,并且“由于我们在微秒范围内感测到并在纳秒范围内打开,”肯尼迪解释道,“您可以在故障传播之前就将其中断。 ”(机械另一方面,在出现故障之前,开关不知道它们需要跳闸。)

Atom声称Atom开关是世界上最快,最安全的断路器,能够以光速方式中断高达15万安培的电流。但是,用数字方式控制电力并不能解决常见的安全问题。数字断路器包装在可替代其他几种设备的面板中近年来,材料科学和计算能力已经发展到足以使Atom在每台断路器中装入一台小型计算机的能力。每个组件都有其自己的固件,其在网络上的唯一标识以及其状态的一点电子墨水显示(即使没有电源也可以工作)。
 
断路器被堆叠到面板中,面板的形状和外观与普通电气面板大致相同。每个面板均包含Atom OS的副本,该操作系统允许通过用户界面控制断路器。每个面板都分配有自己的IP地址,因此控制它仅涉及通过路由器使用计算机,iPad或电话登录。重要的是,由于固件和操作系统都包含在面板本身内,因此不需要外部连接到Web(或任何外部服务器)即可工作。建筑物所有者拥有完全控制权。

截至目前,肯尼迪估计,原子开关的成本是传统机械开关的2至5倍。但是,由于断路器是数字控制的,因此它们可以完成以前需要多台设备的任务。在大型商业设施中,常规断路器被包围在Atom上的IEEE Spectrum文章中:“电表,负载控制器,电涌保护设备,电力传输开关和需求管理系统”,所有这些都需要专用设备。控制数字交换机的计算机可以完成所有这些功能,从而取代所有这些基础结构。

通过其固件,数字开关可以计量功率,根据负载动态控制安培数,并通过指定瞬时,短时间和长时间跳闸设置(以及其他各种我不会开始使用的参数)来防止电涌和故障。理解,但是Atom向我保证,管理这些系统的人员会非常感兴趣。该操作系统还具有内置的电动机控制(电动机“软启动”是商用电气系统的一个大问题,由于我们不需要了解的原因),过压或欠压事件的继电保护以及快速( 80微秒)在电源之间切换。所有这些功能都可以远程设置,安排时间表,并进行编程以根据情况动态做出反应。

所有这些听起来都像是电力系统的行话,但关键是数字控制电源可以从根本上减少电力基础设施并简化电力管理。最后,有一个用于此的应用程序。数字化控制的电力可以实现更智能的配电网和更分散的能源自从他们通过UL测试以来,Atom的产品已经吸引了四家最大的断路器制造商中的三家投资:ABB,西门子和伊顿。目前,该公司正在追逐具有大量高价值负载的商业和工业设施。例如,它完整介绍了管理多个EV充电器的建筑物(肯定会成为不断增长的类别,包括许多办公园区和停车场)如何使用数字电源管理来平衡负载和分配容量(并最终处理车辆) - to-grid技术)。

市场将在商业和工业客户中开始,但是如果数字断路器在该领域证明了自己的价值,则没有理由认为市场不会扩大规模。这样一来,成本将降低。通过损耗实现所有断路器的最终数字化很容易,尽管无法预测发生的速度。美国有数以百万计的断路器。如果每个人都能够成为能够自我感知,动态适应,可远程控制的计算机,并且能够与所有其他计算机链接并进行协调,则配电网将变得更加智能,并且分布式能源(DER)将会更易于集成和控制。 。

我问肯尼迪,是否可以扩大控制面板的相同基本技术以支持微电网甚至整个配电系统。他说,简短的答案是肯定的。他将数字断路器的模块性与特斯拉电池进行了比较,这在轿车和半卡车中是相同的基本要素。在卡车中有更多的堆叠在一起。与数字电力控制相同。肯尼迪说:“我们的技术不仅具有可扩展性,而且与当今的机械断路器相比,显着更容易,更快速地扩展。” “您可以针对几乎任何电源系统调整和扩展该技术。”

正如我所写的那样,清洁能源转型的一个关键方面,它可能比历史上以前的能源转型要快的一个原因是,它不仅仅是将一套机器换成另一套机器。在很大程度上,这将是用智能代替事物,即用计算能力代替劳动和物质。

总是越来越便宜的计算能力将有助于确定如何以更少的劳动力和材料来维持相同的能源服务,而劳动力和材料却几乎总是越来越昂贵。所有模拟系统最终都将数字化。数字断路器只是电力系统数字化过程中的关键一步。随着软件控制和分配更多电力,将使用AI,机器学习和无处不在的传感技术来提高流程效率,从而实现本地分布式能源的智能整合。结果将是一个更智能,更清洁,更民主的网格。
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