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稳定企业内部电网
如果一家工厂的内部发电厂发生故障，为了恢复电网的平衡，可切断无关紧要的系统的电源。全新研制的西门子自动甩负系统，能够以闪电般的速度做出反应，防止在这种情况下，出现电网不稳定现象。
高音喇叭报警：故障即将发生。发电机轴承过热，让炼油厂的电网一秒之内损失了近万千瓦的电能。电网电压迅速下降，而且交流（AC）频率会降到确保可靠供电的50赫兹以下。如果加热器、冷却装置等机械设备继续运行，电网将彻底崩溃，从而导致停产、生产设备受损，相关成本可能在很短时间内飙升至数百万欧元。
虽然上文所述情景是虚构的，但其可能产生的影响是真实的。如果一家大型工厂内部发电厂及由其供电的电网发生故障，所导致的停工损失及相关经济损失可能非常巨大。某些工艺过程（比如液化气压缩或钢熔）不能中断，因此，必须采取相应手段，防止公共电网对上述工艺过程的电力供应中断。所以，许多能源密集型工业企业（比如炼油厂和钢铁厂）内部建有半自主电网，以消除电网供电中断可能造成的影响。此外，这些企业建立内部电网还有另外一个原因——公共电网的峰值负荷电力非常昂贵，也就是说，建设内部电网是值得的。
一套可精确设定（下图）的复杂系统，能够使企业内部电网稳定运行，有助于防止断电和停电故障的发生。
位于奥地利维也纳的西门子能源自动化解决方案公司的电网自动化*Michael Eckl认为，“工业企业必须考虑偶尔发生的断电事故，而且老旧系统发生断电事故的频率更高。”Eckl对那些运行自有电厂的公司提出了宝贵建议。然而，这些工厂的电网通常会盲目扩张，并且较终由新旧混合设备和安全技术设备构成。
运行上述发电厂的公司都知道这一点，因此，这些公司制定了一系列旨在削减电力负荷的策略，即以一种有针对性的方式临时关闭高能耗系统。这些系统包含并非必不可少的机器设备、冷却装置与空调装置、电动机、熔炉、压缩机、泵机、照明系统等，其思路在于通过减少用电需求，解决电力供应短缺的问题。为此，工厂必须制备一份**次序表，明确在特定环境条件下，哪些设备和机器将被关闭，以及在什么时间关闭。理想情况下，供电中断后，工厂应在不到一秒的时间立即停止运行，从而将系统不稳定导致电网彻底崩溃的可能性降至较低限度。
以往，当一台发电机发生故障时，调度中心的技术人员将决定甩掉哪些负荷，但是，这需要耗费太多时间，从而无法阻止灾难性事故的发生。后来开发的自动简易甩负系统，能够依照事先设定的方案，自动关闭特定用电区域。但问题是甩掉的用电负荷要么太多、要么太少。结果，工厂运行减慢，或者需要进行人工调整。
下一个重大进步涉及工业自动化系统，比如西门子的SIMATIC系统。目前，该系统的控制装置可统计电能输出量与需求量，并可依照预先制备的**次序表自动甩掉部分负荷。其缺点在于该系统作为独立的能源自动化装置，有其自身的硬件、配线和维修要求，也就是说，它会增加系统的生命周期成本。
未来生活。考虑到上述种种情况，Eckl的团队开发出一套新的甩负系统（名为“高效网络与能源自动化系统”）。它是一套针对石油、天然气与钢铁行业而开发的解决方案，旨在解决电力生产与自动化控制彼此分离的问题。该系统将二者融为一体，共用一个减负与自动化信息通信网络，从而节约时间和金钱。
系统可为每一个负荷预先分配一个**级。其控制装置不仅可对发电过程与电能需求进行不间断的监测，而且，举例来说，当一台发电机将在数秒钟内关闭时，还可计算每过一秒需要甩掉哪些负荷。显然，**级较低的负荷将被首先甩掉。因此，该系统的软件始终延时运行数秒钟时间，以确保系统能够在足够短的时间内做出响应，从而防止电网失稳。
此外，该系统只会在特定时刻准确甩掉为保持电网稳定性需要甩掉的负荷。Eckl指出：“该系统不会对每只灯泡进行调节。相反，它只会甩掉数百千瓦乃至更高的“大”负荷。一般情况下，这类负荷包括短时间停运不会影响工厂运行的辅助设备，譬如采暖和空调系统。”
西门子系统的*特之处在于，该系统将三种不同的方法融为一体。除上述基于功率的快速甩负方法外，该系统还使用基于频率的传统减负方法。后者在应当保持在50赫兹的交流频率开始过度波动时使用。在多种错误同时发生——比如两台或多台发电机发生故障——时，可能出现这种波动。在上述情况下，保护继电器将切断预先确定的备用负荷。问题在于采用这种方法甩掉的负荷要么太多、要么太少。因此，这种方法只能作为在万不得已的情况下采取的下下之策。
*三种甩负方法是启用发电机备用容量，即在工厂需要时，马上让发电机输出更多电能。这些电能由正在工作并为电网供电的发电机提供。在并网用电负荷增加时，这可防止发生供不应求问题。
基于发电量和频率的甩负方法如果要真正凑效，必须以闪电般的速度完成。为此，西门子公司研发人员非常信任GOOSE（面向通用对象的变电站事件），它是IEC 61850通讯标准的重要组成部分。这部自动化技术标准旨在保证能够通过玻璃纤维光缆同时向所有用电系统发出警报。要求甩负的事件一旦确定，所有用电系统都将收到相关通知，而且都能依照警报发出之前计算得出的甩负计划做出反应。相关信号较多在70毫秒之内收到，速度之快足以在较短时间内消除任何不稳定现象。
完全独立于公共电网，并且能够提供自身所需的全部电能的独立电网较为**。此外，几乎所有拥有自备电厂和独立电网的大型工厂，仍然接驳公共电网，目的是能从公共电网获得更多电能，或将剩余电力输送给公共电网。设计自动甩负系统的一目的是确保内部电网的稳定性。内部电网可弥补公共电网的供电不足，或在公共电网由于用电需求太大导致价格太贵的情况下提供内部所需的电能。
虚拟发电厂。是否应当从更广泛的角度看待甩负技术和公共电网的关系，并将其与其他能源自动化技术相结合，是值得深入考虑的问题。一种方案是使用DEMS（西门子开发的分布式能源管理系统），该系统旨在优化虚拟发电厂——即将分布在不同地点的电厂以虚拟方式合为一体——的运行。Eckl及其同事正在开发一系列旨在提高经济效率的解决方案，从而优化与引入、自发和输出电力相关的成本。得出的结果可被用于制定内部发电机运行计划。
目前有两家工厂——一家位于萨迪亚特岛（阿拉伯联合酋长国阿布杜比的一个旅游小岛）、另一家是位于土耳其的炼油厂，已安装采用快速GOOSE告警装置的自动甩负系统，它们已成功通过相关试验。由于GOOSE是一个**性通信标准，这种甩负系统未来的应用前景相当光明，它们同时适合于现有电网与新建电网。Eckl表示：“越来越多的工业用户需要更可靠的电力供应，因此，我们预计，未来会有更多客户需要我们的系统。”
作者：Bernd Müller
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RFID标签：重写物流规则
很快，智能RFID（射频识别）标签就将充当起微型计算机的角色，一路引导产品从工厂到商店或跨过国界。西门子研究院的研究人员正在研发这些标签在工业4.0领域的新应用。工业4.0是指以计算元件与物理实体之间的合作为特征的工业发展阶段。
许多不同物品都贴有RFID标签。譬如，牛仔裤、药剂，甚至汽车，都带有RFID标签，以便能在装运交货过程中准确无误地对它们进行识别。其原理很简单：当带有RFID标签（亦称发射应答器）的物体经过匹配的阅读器时，标签将被激活并呈现保存在其存储器中的信息。这样一来，制造商就能确切知道产品何时离开其工厂，而中间商能够沿途追踪产品。当产品抵达目的地时，负责接收的相关机构可以确认产品状态为“已收货”。
开启通往个性化量产的大门
顾名思义，“射频识别（RFID）”系统中的应答器与阅读器通过射频信号相互通信。取决于具体应用，RFID系统使用了多种不同的载波频率。譬如，较先进的特高频（UHF）系统可实现长达数米的通信距离，但迄今为止，其存储容量**于相对较小的64字节。因此，除简单的位置测定之外，这项技术没有太大的应用空间。所以，迄今为止，RFID芯片的其他应用潜能仅停留在理论上。
多种不同应用：RFID应答器（图中所示在不干胶
标签上）有许多不同使用途径。
然而，RFID技术似乎即将迎来新的发展良机。西门子过程工业与驱动集团的产品管理负责人Markus Weinländer表示：“通过成为IT系统的眼睛和耳朵，RFID系统能为工业4.0的实现做出重大贡献。”
Weinländer解释道：“西门子现已开发出一种拥有4千字节存储容量的UHF应答器。”他预测这种器件将使RFID技术能够支持全新的应用。他指出：“现在，应答器将**能够承载更多信息，如生产要求和装配方案，并且能在较长距离内读取所有这些信息。”其结果将是大幅提升批量定制化生产的经济效益。Weinländer说：“为了在当今的**市场环境中保持竞争力，现在，许多企业必须有能力进行较小批次生产，而不会增加成本。”不论是网球鞋、T恤衫，甚或早餐麦片，在许多领域，个性化量产商品已经取代了标准化产品。
有了这种新的RFID技术，制造商能更进一步，紧紧地追随这一趋势。譬如，在工厂车间内，以及较终工件自身，将能配备RFID芯片，当产品自身在工厂内流转时，这些芯片将提供与产品生产有关的全部数据。机器或传送带分支上的RFID扫描器将读取数据并向机械臂和物流系统发出相应的指令。
西门子研究院的研究人员已在研发新的应用。西门子研究院射频技术德国研究部的主管Andreas Ziroff预计，“在制造业和贸易业，RFID系统将能发挥许多新的作用。”利用传感器，具备较大存储容量的应答器能够收集关于温度、振动、能耗和距离等状态的数据。这样一来，譬如，可以检查是否按要求对温度敏感型商品进行了管理，或者易碎商品是否受暴露在振动环境下。在这种情况下，供应商可以告知其客户，以便后者提前调整其工作流程，并寻求替代方案，如从其他渠道订购产品。
各类产品的*标识为贯穿价值链进行持续追踪，
从而支持物流优化开启了大门。
来自电磁场的能量
Ziroff指出：“但应答器需要电源才能做到这一切。”按目前的技术水平，不外乎两种方式：要么使用电池板，要么将之置于阅读器的电磁场范围之内。不过，这两种方案都无法实现上面描述的各项功能。为此，Ziroff和他的同事循着哪怕当应答器**出阅读器通信范围时，也能通过射频场向应答器供电的思路，展开了研究。Ziroff说：“利用电磁场合成，可以实现这一点。”他解释称，这种方法源于阅读器中使用的RFID天线。Ziroff表示：“如果在一个区域内布置多根天线，可以将电磁辐射聚焦，以在一个点上生成足够多的电能，为应答器供电。”
在慕尼黑，Ziroff和他的同事利用一套实验装置证实了这个想法的可行性，这套实验装置可以在工厂复制。该装置将4根天线直接悬于天花板下方，研究人员使用专门的软件，来控制其辐射范围，使之相互重叠，以使某一个点产生足够多的电能，将挂在室内的LED灯点亮。这种方法的特殊之处在于，干扰场可以一路跟随应答器在工厂内转移，从而在其移动过程中随时随地为其提供电能。
缺失的一环：统一的射频标准
Ziroff预计，这类智能RFID系统将需要大约6年时间才能发展到商业成熟阶段。他说，一个巨大障碍是实现统一的射频标准。较终，配备了这类系统的工件将自主引导在生产环境中流转，并告知机器需要执行什么操作——这是朝着工业4.0迈出的又一大步。不仅如此，正如Ziroff预测的，“未来的应答器将薄如纸片，并且比当前的应答器小得多。”这也能开创新的业务模式。在登上火车或公交车时被激活的电子客票就是这样的例子。当乘客出行的时候这种客票将自动记录，然后计算出车费并将之转发给运营商。
这样一来，RFID应答器将不仅在制造业掀起革命，而且会改变我们的日常生活。
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监测电气化公路受电弓
西门子正在开发自动监测受电弓的系统。这个系统较初是为电气化公路上行驶的电动和混合动力卡车而设计的，采用摄像头和传感器来检查受电弓工况，防止接触导线损伤。电气化列车有时使用类似但更加复杂的系统。
图中所示为德国Groß Dölln电气化公路延长测试段上的行驶场景。
电气化公路系统是西门子专为繁忙的货运路线而开发的低排放解决方案。电动和混合动力卡车利用受电弓，从高架导线获得电能，这样一来，它们在行驶过程中几乎不排放任何废气。电气化公路上行驶着众多车主的车辆，尤为重要的是对受电弓进行监测，以防止因高架导线受损而致使道路封闭。电气化公路系统是一套廉价的紧凑型系统，可以沿道路广泛部署，还可以同时检测车辆是否得到授权。在不久前举办的2014年度 Innotrans贸易展上，西门子推出了这套解决方案，并演示了如何将之用于电气化列车。
不论是在卡车还是列车上，受电弓都会在运行过程中发生磨损。特别是碳接触片，会因与高架导线接触而磨损。如果未能及时检测出已磨损或新近受损的接触片，那么，凹槽、裂痕或不均匀磨损等会导致接触问题，从而损坏高架导线的接触导线。较端情况下，高架接触导线甚至可能断裂。
这个系统较初是为电气化公路上行驶的电动和混合动力卡车而设计的，采用摄像头和传感器来检查受电弓工况，防止对高架接触导线造成损害。电气化列车有时使用类似但又复杂得多的系统。
特殊摄像头监视接触片
该系统通过两种方式监测受电弓：摄像头监视接触片的碳表面；特殊算法评估磨损程度或初发损伤。一旦各种系统提供了足够的测量数据，该解决方案也将尝试预测碳接触片的更换时间。这样一来，便可以根据磨损状态进行维护，尽可能延长接触片的使用时间。此外，传感器将记录高架接触导线的垂直偏转。据此可以推断出接触导线承受的压力。如果受电弓对接触导线施加的压力太大，那么，碳层和高架接触导线都会产生过度磨损。如果压力太小，接触则会断开，并且可能发生电弧，这也会对连接两侧构成应力。
该系统设计*到，可以安装在高架导线的电线杆和桥上，以便沿着道路在尽可能多的地点进行测量。这样就可以得出更多关于高架导线状况的信息，譬如，高架接触导线的悬挂情况。就电气化列车而言，火车站或车辆段入口都是进行测量的合适位置。受电弓工况数据会被发送至控制中心、维护工程师或卡车上的车载装置。目前，西门子正在其电气化公路试验场运行这套监测系统，并优化自动分析功能，包括评估接触片的过程。此后，公司计划制造出一个功能齐备的原型。
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德国的能源未来
今年6月，西门子在柏林举办了一场为期9天的“能源转型对话”活动。活动期间，德国政界、商界和科学界人士以及西门子*聚集一堂，围绕德国能源体系的发展各抒己见、畅所欲言。对话表明，迫切需要采取新方法，但同时也要充分利用现有的许多解决方案，打造电气新时代。
能源转型是德国本世纪较重大的工程之一。德国计划在2050年之前彻底改变能源体系，从而在可持续发展、保护气候和摆脱对矿物燃料的依赖等方面取得*树一帜的成就。计划还要求德国淘汰核电。然而，依然存在许多问题。首先，电价正在逐步攀升，目前已比2000年的水平高出一倍多。现在，德国的电价比美国的高两到三倍。因此，德国工业界对德国的竞争力感到忧心忡忡。此外，虽然可再生能源发电现已占德国发电总量的20%以上，但由于廉价煤炭的用量不断增加，德国的二氧化碳排放量实际上还在增加（2012年增加了2%）。所幸的是，德国的停电时间一直很短，约为每人每年15分钟（经济合作与发展组织国家的平均值为53分钟）。尽管如此，德国电网日益不堪重负。
在柏林举办的“能源转型对话”活动上，西门子向政要和行业成员者展示了构建可持续发展能源体系的九大行动领域。
要在短期内让能源转型回到正轨，就需要相关各方——即**、公民、科学家和工业界等，展开富有建设性的对话。于2013年6月3日至11日在德国举办的西门子“能源转型对话”，让来自**、工业界、行业协会和科学界的决策者以及对能源转型感兴趣的人们，**会与西门子*一同探讨德国能源供应体系的未来。讨论的核心议题包括，现有解决方案、尚待开发的解决方案、必须对总体框架做出的调整，以及国际上的较佳实践范例等。其目标是全面厘清需要在哪些领域采取行动。
作为此次活动的重头戏，展篷内陈列了众多展品和参考项目介绍，参观者从中可以窥见彻底改造整个国家的能源体系意味着什么。展览还表明，西门子是**一一家已针对所有必须采取行动的领域提供或正在开发相关解决方案的企业。这包括：风电机组和燃气轮机创新技术、智能楼宇控制系统、智能电网、蓄能设备和跨境大功率输电系统等。对于提高德国经济的竞争力以及提升德国人民的生活质量而言，所有这些解决方案都非常重要。在西门子展篷内，来自**、工业界和科学界的高层代表还发表了精彩演讲并展开了热烈讨论。
在柏林举办此次对话活动的日期，是西门子深思熟虑之后的选择。譬如，德国城市大会也于6月3日至4日在柏林举行，来自全国各地的约800位市长参加了此次盛会。此外，对话活动期间，德国电气电子制造商协会年会（ZVEI，6月5日至6日）和德国联邦工业联合会年会（BDI，6月11日）就在毗邻西门子展篷的柏林Tempodrom举行。
在西门子临时搭建的展篷内，与会者围绕政策和解决方案展开了热烈讨论。“能源之舞”大受欢迎。
对话活动吸引了来自德国**企业的约2000位高管，以及包括德国环境部部长和社会民主党和绿党议会**人等在内的高官政要。所有与会者都得以深入了解了与能源转型有关的挑战、机遇和解决方案。
在西门子，Udo Niehage博士全面负责与能源转型相关的所有事务，他说：“我们认为，我们有义务向**官员解释，哪些是切实可行的解决方案，以及能源行业的发展趋势是什么。”正如西门子对各行各业的250位客户进行的调查所表明的那样，德国许多企业都对与能源转型有关的挑战持类似看法。譬如，90%的受访企业称，它们支持能源转型，但93%的受访企业都对能源转型计划的实施感到不满。90%以上的受访企业将价格实惠、供应安全和提高能效列为**事项。他们还表示，希望重组电力市场，加大节能增效的支持力度，围绕蓄能解决方案开展更多研究。
三点计划。西门子管理**成员参加了对话，讨论了能源体系改造过程中出现的偏差，并提出了可能的解决方案。当时尚未卸任的西门子前**执行官罗旭德向**官员、商界**、能源*和媒体建议，应当摒弃设定可再生能源发展硬性目标的做法，而应将重点放在降低二氧化碳排放上。为此，应当更多地使用高能效联合循环发电装置和风电机组。这是因为，技术尖端的联合循环发电装置的效率**过60%，相比于新建燃煤电厂，其二氧化碳排放量减少了一半多；另一方面，风电场的发电成本今后势必会降至与常规电厂相当的水平。
这种做法也有助于德国实现其气候保护目标。西门子能源开展的一项研究表明，如果德国采取这种做法，而不是盲目扩张可再生能源，那么，到2030年，实现气候保护目标所需的投资和运营成本可减少至少1500亿欧元。罗旭德说：“（这种做法能）以较低的可再生能源发展水平和低得多的成本，实现我们的2030年气候保护目标。不论是从经济上讲，还是对环境而言，争取到2030年将可再生能源发电的占比扩大至40%，而不是计划的50%，都不失为明智之举。”
因此，西门子制定了一个旨在以经济高效的方式实现能源转型的三点计划。计划的**点涉及重组电力市场，全面修订德国的《可再生能源法案（EEG）》。这意味着，可再生能源供应商将不得不面对竞争，并且在向电网输送电能时要承担更多的重任。它们必须像其他电力供应商那样，提供可靠的电能，也就是说，它们将不得不采用灵活发电装置或蓄能设备，自行调节供电量。这样的举措将形成一个完全根据实际需求来供应电能的电力市场。可再生能源补贴政策必须顺应市场规律，以提高能效为重点，并将**作为可选方案。譬如，新建一座风电场的合同，将承包给承诺以较低价格向电网输送电能的企业。*二，必须加强对能效的重视，因为白白浪费掉的能源也会产生排放。最后，**和私营部门的政策必须协调一致，同时，欧洲各国以及德国各个州之间必须展开更加密切的合作。
以经济高效的方式实现能源转型的三点计划：
重组电力市场、提高能效和全欧协调一致
新型技术解决方案。在“能源转型对话”期间，西门子**技术官Klaus Helmrich携手其他*组织了一场“创新日”专题活动。这场活动**强调了诸如智能电网和蓄能装置等技术解决方案对于成功实现能源转型的重要性。翌日，西门子能源**执行官苏思与高层政要和*共同探讨了新的电力市场结构。显然，尽管提议的解决方案大相径庭，但德国政党代表关于当前问题症结所在的看法是一致的。德国环境部部长Peter Altmaier指出了仍需克服的挑战。他说：“我们必须限定较高电价，同时，应当全面修订EEG。我们还必须保证，清洁、高效的矿物燃料电厂与可再生能源发电企业更紧密的结合，并让这些系统的发展都符合电网扩张的目标。”
此次对话活动也是一场面向公众的盛事，它信息丰富，娱乐受众。譬如，在波茨坦广场的索尼中心上演的精心编排的“能源之舞”，以及请参观者参加以电气新时代为主题的清道夫狩猎游戏的“能源转型之路”等。到西门子展篷参观的人络绎不绝，这里有精彩纷呈的展品，还有西门子*在现场详细讲解能源转型的方方面面。
“能源转型对话”表明，转型所需的大多数技术解决方案已然存在。在德国乃至**各地的成功案例中，针对所有必须采取行动以保证成功实现能源转型的领域，西门子都能提供或正在开发相关解决方案。西门子环保相关业务组合的90%以上，以及**过300亿欧元的销售收入，均涉及面向可持续能源体系的产品和技术。楼宇、工业和交通等领域的高能效产品的销售总额高达230亿欧元。西门子坚信，如果德国采取明智的能源转型措施，就能为德国及其工业界创造经济发展机会。要知道，其他许多国家也需要可再生能源、高度灵活的燃气发电和智能电网技术，以及较为重要的节能增效技术。
能源转型机会
“德国能从国际成功经验中学到什么？”在柏林举办的“能源转型对话”活动期间，麦肯锡咨询公司在西门子的支持下开展的一项研究为此找到了答案。围绕环境保护、成本效率和供应安全等方面，这项研究分析了世界各地20个较佳实践范例，此外还分析了为什么有些举措尚未在德国实施，或者实施力度不够。如今，**各地已针对能源产业链的各个环节开发出相应解决方案，涉及发电、输配电，以及楼宇控制、工业和交通能效等，不一而足。譬如，美国率先采取暂时降低用电需求的措施，有的放矢地控制用电量，而巴西、丹麦和荷兰则正在借助风电场承建合同**机制，对其能源体系进行现代化改造。
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