自然能源网：变电站的数字化革命

在过去，能源是分配的。几十年来，能源只是单向分配--从持续运行的煤电站和核电站到变电站，再从变电站（电压经过多次降压后）到终端用户。

用道路交通来比喻，这条安静的 "单行道 "如今已成为繁忙的市中心道路网络。如今，能源组合每小时都会随着风力和天气的变化而变化，因此基本上不再有可靠的基础负荷。此外，风力发电场和太阳能系统运营商在中压和低压水平上分散输入能源，因此电网现在是双向运行的。

热泵和电动汽车充电站意味着更高的用电量，而人们长期以来熟悉的在傍晚达到峰值的负荷曲线现已成为过去。然而，供电质量和 50 赫兹频率必须始终得到保证。

电网运营商正面临着一项艰巨的任务--他们需要使自己的电网满足这些复杂的要求。对于 naturenergie netze 而言，这涉及到新建工程以及对现有变电站的现代化改造。

电厂需要进行改造，以适应日益增长的电力需求，但这并不是唯一的挑战。更大的挑战在于，电厂需要进行调整，以应对在能源来源和流量以及电力精确控制方面更高水平的灵活性。

naturenergie netze（见文本框）迅速应对了这些挑战，目前正在开展一个试点项目，对其一个系统进行现代化改造。电网运营商正在使用数字化概念来规划和配置 Rheinfelden 变电站的改造。这种新方法甚至适用于前期工作。电网开发协调员 Rainer Beck 解释说："在开始规划之前，我们会创建一个变电站的数字孪生模型，即一个包含所有数据的虚拟模型，这些数据既包括现场组件（主要技术），也包括控制层（次要技术），当然还包括建筑物和所有外围设备。然后，我们在这个数字孪生的基础上规划转换。

这是一项具有挑战性的任务的另一个原因是，主要技术和辅助技术是使用不同的 CAD 软件工具进行规划的。在这个试点项目中，这个问题通过一次非常特殊的合作得到了解决。作为 VDE ETG "电能系统的数字孪生 "工作组的成员，两家领先的供应商--entegra 及其用于一次技术的 primtech 软件解决方案和 Eplan 用于二次技术的软件解决方案--已经为 naturenergie netze 在第一（初步）规划阶段所需的工作做好了准备，即在单一模型中结合一次技术和二次技术。

对于这个独特的项目，entegra 和 Eplan 一直在寻找一家拥有合适试点项目的创新型配电网运营商作为第三方参与合作。与 naturenergie netze 的接触恰逢其时，尤其是因为该项目非常复杂。

Rainer Beck 解释道："该项目的目标是更新现有的、高度复杂的变电站中的所有二次技术，而且是在持续运行的过程中进行更新"。这就不难理解为什么参与这个项目很有吸引力。"通常需要两到三年的时间来规划和实施现代化改造，但新的规划方法将真正加快速度"。参与该项目的每个人都同意这一点。

entegra 的业务开发经理 Matthias Schuy 解释说："我们在这里所做的工作--将变电站的一次和二次技术集成到一个数字孪生中--以前从未做过，但有望带来重大效益。我们请他为我们详细介绍一下。Rainer Beck："当然可以。归根结底，我们需要证明一次性投资会很快得到回报。在项目的第一阶段--初步规划之后，我们发现在变电站的实际转换过程中节省了大量时间。更重要的是，这适用于每个项目。

在项目的第一阶段，对变电站进行了扫描，拍摄了额定功率牌的照片，并将生成的初级技术数据与资产管理系统的数据进行了比较。其结果是一个有效、实用的变电站 primtech 3D 模型。在一个完全自动化的过程中，在 primtech 中创建的数据集随后通过一个接口导出到 Eplan，并在 Eplan 中作为规划二次技术的基础。

最后，二次技术的数据被整合到数字孪生中。这项工作已接近尾声。通过记录当前情况，为有效更换变电站的二次技术提供了基础。"这是非常重要的一步。所有数据都经过验证。我们基本上遵循'单一真实来源'原则。原始系统中的数据保持不变，并与数字孪生系统相连接。Eplan 能源部全球垂直市场经理 Jan Oliver Kammesheidt 解释说："这样可以避免冗余，以免将来出现问题。

在组合数据模型的架构方面，相关各方根据孪生方法创建了一个特殊的基础设施。"没有主导系统，只有同一模型的不同视角。数字孪生系统为各系统打开了一扇窗，例如，从 primtech 到 Eplan 或 SAP。因此，数字孪生系统实现了其主要功能之一，即集中访问变电站的所有相关信息，"Schuy 解释道。

entegra、Eplan 和配电网运营商三方的合作之所以能够实现，或者说至少更容易实现，是因为两年前的一项决定。当时，naturenergie netze 开始使用Eplan Electric P8 和Eplan Pro Panel 软件解决方案来规划其二次技术，即控制技术。Simon Rümmele 是电网开发项目的负责人，他负责这项工作至今。"他说："有了 Eplan，我们可以推动二次技术的标准化和更高效的工程设计--以及端到端的规划，我们还可以在运行阶段将其用于预防性维护和检修"。

该项目表明，电力行业的用户正在从机械工程的经验和解决方案中受益。在 Eplan 活跃了数十年的电力行业中，面板制造和开关设备制造的标准化和 "工业化 "已根深蒂固。

至于变电站的这一步骤，仍有许多工作要做，但这是必须要做的。"到目前为止，变电站都是根据具体情况进行规划和一次性建造的。然而，这使得我们很难判断能源转型所带来的现代化和新建需求。

与过去相比，该行业更需要标准化。我们正在提供支持，并很高兴在 naturenergie netze 找到了创新型合作伙伴。通过一次和二次技术的联合数字孪生，我们大大加快了这一过程，并使其更加可靠，"Kammesheidt 解释道。

正如 Rümmele 所说，这正是 naturenergie netze 所要实现的目标。"我们希望也需要更多的数字化，因为我们相信这将为我们带来更多的机会，让未来的工作变得更加轻松。因此，我们正在尝试最新技术，并计划在莱茵费尔登变电站开展更多试点项目。此外，Eplan 的姊妹公司威图也是我们在'硬件'（即所有外壳技术）转换方面的强大合作伙伴。

naturenergie netze 计划实现标准化已有一段时间，entegra 和 Eplan 联合创建的数字孪生系统也将为此奠定基础。Rainer Beck："我们可以设想在 110 千伏范围内使用两个标准概念和建筑物，并在此基础上创建变体。我们也正在与主要的一级供应商合作。

这也将减少所需的时间和规划。这一点至关重要，因为我们将被迫对大部分变电站进行改造，以符合新的要求。数字孪生以及 entegra 和 Eplan 正在开展的前期工作将帮助我们实现这一目标。通过合作与协作，我们将实现真正的创新，帮助我们发展电网，使其高效地适应未来的发展。

然而，从该项目中受益的不仅仅是 naturenergie netze。Kammesheidt说："与机械工程领域相比，电网运营商可以公开共享信息，因为他们之间不存在竞争关系。现在已经有很多人对此感兴趣。我相信，许多电网运营商将能够利用我们在这里以及在 VDE 特别工作组所做的工作，快速规划和实施他们自己的转换和新建项目。

©图片（威图和 Eplan）