極端環(huán)境下的電網(wǎng)監(jiān)控
2022-12-07 12:33:39 EETOP毫無疑問，在當(dāng)今世界，獲得電力與清潔飲用水或住所等都是人類需求的基本需求。然而，建設(shè)和維護一個可靠地向所有人輸送電力的電網(wǎng)仍然是一個挑戰(zhàn)，尤其是在極端天氣的地方。
在這些惡劣的環(huán)境中，電網(wǎng)運營商遭受無法解釋和頻繁的電網(wǎng)損壞，導(dǎo)致消費者損失電力，能源公司損失數(shù)百萬美元的成本和維修費用。地球上很少有地方比冰島更生動地感受到這一挑戰(zhàn)，那里的北方氣候?qū)﹄娏A(chǔ)設(shè)施造成了嚴重破壞。
óskar Valtysson（左）、ósvaldur Knudsen（中）和All About Circuits的撰稿人Jake Hertz（右）在看最初的LKX-MULTI原型
出于這種需求，冰島公司Laki Power應(yīng)運而生，該公司通過使用創(chuàng)新和專有的硬件和軟件解決方案找到了電網(wǎng)維護的解決方案。
不幸的是，在極端環(huán)境的地方，對輸電線路和其他電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞是司空見慣的。在理想的世界中，電網(wǎng)運營商將能夠主動采取預(yù)防措施來避免這些災(zāi)難，但在實踐中，這已被證明是一項極其困難的挑戰(zhàn)。
在極端氣候下，防止電網(wǎng)損壞如此困難的一個原因是，可能影響電網(wǎng)的變量太多。一些有限的例子包括大風(fēng)導(dǎo)致電線舞動，冰塊堆積的重量將線路拉下，空氣中的鹽度導(dǎo)致線路之間的閃失和故障。同時，這些天氣事件最有可能發(fā)生在難以或不可能直接監(jiān)測線路的偏遠地區(qū)。
結(jié)果是可能會停電，但電網(wǎng)運營商很少知道故障的確切原因。正如Knudsen所解釋的那樣，了解這些信息以處理它們很重要。
“電網(wǎng)運營商正試圖了解為什么他們在整個冬天都會停電七八次。就目前而言，他們真的不知道原因，他們只知道他們停電了。
如果不了解原因，就無法防止將來的故障。對于消費者來說，這些故障是災(zāi)難性的，因為它們阻止了關(guān)鍵任務(wù)位置的電力傳輸。對于電網(wǎng)運營商來說，這些故障也是災(zāi)難性的，因為它們需要花費數(shù)千萬美元來修復(fù)。
應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的解決方案是在電網(wǎng)上使用線路監(jiān)控硬件來跟蹤故障及其原因。然而，迄今為止，這些技術(shù)中的大多數(shù)都由于一個主要缺點而失敗：功率。
監(jiān)測偏遠地區(qū)的環(huán)境變量需要一個可以作為獨立單元運行的電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備。由于設(shè)備的遠程部署，外部電站到電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備并不理想，并且僅電池解決方案不現(xiàn)實，因為設(shè)備的正常運行時間和功能受到電池壽命的限制。
一些解決方案試圖使用感應(yīng)能量收集，其中設(shè)備通過傳輸線發(fā)出的磁場收集功率，但這些解決方案效率低下。
正如Knudsen告訴我們的那樣，“你會看到放置在高壓線上并通過感應(yīng)帶動的設(shè)備只能產(chǎn)生幾瓦的功率。當(dāng)你只有幾瓦可以使用時，你實際能做的事情就受到限制。
如果沒有持續(xù)而豐富的電能，生產(chǎn)線監(jiān)控設(shè)備的功能和有效性將仍然受到限制。
作為冰島國家電力公司的終身雇員，Valtysson看到了這一嚴峻的挑戰(zhàn)，并決定為此做點什么。像所有偉大的公司一樣，Laki Power也是從Valtysson的車庫開始的。
正是在那里，他發(fā)明了關(guān)鍵技術(shù)，這是Laki今天所有解決方案的核心。該技術(shù)是Laki的專利和專有感應(yīng)能量收集架構(gòu)。
如美國專利US 2020/0373850 A1中所述，Valtysson的發(fā)明是一種高效感應(yīng)系統(tǒng)，用于從交流輸電線路產(chǎn)生直流電輸出。該架構(gòu)由圍繞單根初級導(dǎo)線的多個次級繞組組成。
每個次級繞組連接到下游的異步MOSFET整流橋，進行高效的AC/DC轉(zhuǎn)換，其輸出可以相加以產(chǎn)生所需的輸出軌值。每個繞組也有相關(guān)的控制電路，以選擇性地消除繞組對輸出的貢獻，從而實現(xiàn)對輸出功率的精確和動態(tài)控制。
單個次級繞組的系統(tǒng)架構(gòu)。圖片來自美國專利US 2020/0373850 A1
Valtysson在描述該系統(tǒng)時說，使用MOSFET作為整流器是一個重要的選擇。
我們的整流器不使用固有0.7 V壓降的二極管，而是使用MOSFET，該MOSFET僅在通道電阻（通常低于3 mΩ）上具有損耗。正因為如此，我們的效率幾乎達到98%，這使我們能夠在幾乎沒有熱量產(chǎn)生的情況下實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換。
因此，Valtysson說，他們的技術(shù)通常可以從高壓線路產(chǎn)生100 W至300 W的功率。
憑借大功率、高效率的能量收集器的優(yōu)勢，Laki Power 現(xiàn)在能夠創(chuàng)建具有空前功能的電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備。其中，Laki生產(chǎn)了兩個主要產(chǎn)品：LKX-MULTI和LKX-SURV。
LKX-MULTI。圖片由Laki Power提供
MULTI 是該公司的旗艦產(chǎn)品，可用作高性能線路監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備夾在傳輸線導(dǎo)體周圍，集成了各種傳感器，可為電網(wǎng)操作員提供線路數(shù)據(jù)，例如線路電流、傾斜、滾動、飛馳、振動等。此外，該設(shè)備集成了環(huán)境傳感器，可跟蹤鹽度、表面污染、環(huán)境溫度、濕度、氣壓和風(fēng)等數(shù)據(jù)。
在MULTI中，這些設(shè)備集成了用于捕獲生產(chǎn)線照片和視頻的攝像頭。SURV通過結(jié)合熱像儀和光學(xué)紅外熱像儀來增強MULTI，此外還可以探測野火。
然后，利用蜂窩電話連接，設(shè)備通過Laki的設(shè)備儀表板間歇性地與電網(wǎng)運營商共享這些數(shù)據(jù)。為了提高電力效率和數(shù)據(jù)效率，高帶寬數(shù)據(jù)（如視頻）只有在發(fā)生某種觸發(fā)時才會被傳送到儀表板上，例如線路間距超過可接受的閾值。
有了這些數(shù)據(jù)，Laki power使電網(wǎng)運營商能夠了解線路故障的原因，并在故障迫在眉睫時采取預(yù)防措施。
“操作員可以將大量數(shù)據(jù)和圖像配對在一起，進行一些非常有趣的分析，”Knudsen說。
“我們提供實時數(shù)據(jù)，以便電網(wǎng)運營商可以采取實時行動，但也有很多人對情況進行事后分析。還可以使用捕獲的數(shù)據(jù)來了解出了什么問題，然后進行一些機械更改或其他調(diào)整，以防止將來發(fā)生故障。
來自Laki Power線路監(jiān)控系統(tǒng)之一的圖像顯示電力線結(jié)冰。圖片由Laki Power提供
憑借一套創(chuàng)新的硬件和軟件解決方案，Laki Power是一家有前途的公司，有潛力解決重大而重要的挑戰(zhàn)。今天，該公司仍處于起步階段，目前擁有一支由九人組成的團隊，剛剛在冰島、希臘、土耳其、阿根廷、挪威和加拿大等地開始試點。
然而，展望未來，該公司有雄心勃勃的計劃，包括獲得資金，發(fā)展團隊，以及探索新技術(shù)，例如用于自主無人機線路監(jiān)控的無人機充電站。其他未來的計劃可能包括將機器學(xué)習(xí)技術(shù)添加到設(shè)備中，用于實時圖像分類、威脅檢測和預(yù)測。
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