互聯(lián)網規(guī)則亦可平衡電力供需關系-分組式電網
互聯(lián)網規(guī)則亦可平衡電力供需關系
當需求超過供給，麻煩事便接踵而來。疫情之初， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 就深刻汲取了這一教訓，當時衛(wèi)生紙、消毒濕巾、口罩和呼吸機供不應求。如今，芯片短缺持續(xù)困擾著消費電子產品、汽車以及其他行業(yè)。顯然，平衡的商品供需關系對社會的穩(wěn)定、正常、順暢運轉至關重要。
供需平衡也適用于電網。2021年2月，美國得克薩斯州經歷了前所未有的致命寒潮天氣，這場災難給 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 敲響了警鐘。激增的電熱需求與上凍的天然氣設備以及低于均值的風力發(fā)電量造成的供應問題產生了強烈沖突。由此造成的失衡導致超過200萬個家庭斷電多日，造成至少210人死亡，更造成了高達1300億美元的經濟損失。
類似的供需失衡還引發(fā)了2003年8月美國東北部和加拿大、2012年7月印度和2019年3月委內瑞拉的大規(guī)模連鎖停電。
短期內這種情況不太可能出現(xiàn)好轉，原因有三。第一時間，隨著全球各國開始低碳化，交通、供暖和其他部門的電氣化將導致電力需求飆升；其次，出于經濟和政策原因，傳統(tǒng)的煤電廠和核電廠正在退役，電網中的穩(wěn)定供電來源減少；再次，雖然風能和太陽能光伏系統(tǒng)非常利于保護氣候，也是增長最快的發(fā)電來源，但其輸出的可變性為電網平衡帶來了新的挑戰(zhàn)。
分組能源管理 ( PEM ) 允許電網靈活地處理各類可再生能源供應。在模擬中分組控制開啟后 ( 垂直虛線)，1 000臺電熱水器的總負載(橙色實線) 幾乎可完全匹配可再生能源供應 ( 金色虛線)。藍線表示來自1 000臺電熱水器的未協(xié)調負載，以作為參照。黑白圖像顯示的是由傳統(tǒng)恒溫器和啟用PEM的恒溫器控制的一組10臺熱水器的開關模式。
那么，在臟亂的老舊發(fā)電廠關閉、可變發(fā)電量上升且用電負載新增的情況下，電網運營商如何保持供需平衡呢？有幾種可能的做法。一是對已有設施進行現(xiàn)代化改造：建設龐大的集中式基礎設施。這意味著要安裝大量的儲能裝置（如電網級的電池和抽水蓄能設施）以存儲多產生的可再生能源，并將儲能裝置與高壓輸電線路互連，從而實現(xiàn)全網供需平衡。中國是此方面的領導者，但該做法成本高昂，而且需要強有力的政治意愿。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 認為有更好的方法。在佛蒙特大學， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 專注于研究在無需大幅擴大電網基礎設施的前提下，如何實時協(xié)調需求以匹配日益變化的供應。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的技術采用了可從根本上實現(xiàn)互聯(lián)網可擴展性的兩大理念（即分組化和隨機化），以此來創(chuàng)建可協(xié)調分布式能源的系統(tǒng)。數(shù)據通信的這兩大概念可以讓數(shù)百萬用戶和數(shù)十億設備得以接入互聯(lián)網，無需任何集中調度或控制。同樣的基本思路也適用于電網。使用低帶寬連接、運行簡單算法的小型控制器，可以使用數(shù)百萬電氣設備來平衡本地電網中的電力流動。來看看 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 是如何做的。、電網的電力需求來自數(shù)十億電力負載。這些負載可分為兩大類：商用和工業(yè)負載以及市電負載。這兩者中，市電負載非常分散。僅美國就有超過1.2億個家庭，這些家庭的總用電量約占年用電量的40%，但市電用戶通常不會考慮優(yōu)化自家一天內的電力負載。為簡單起見， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將這些市電負載稱為“設備”，范圍包括電燈、電視、熱水器、空調等。
后兩種設備和電動汽車充電樁及泳池水泵不僅是大型電力負載（即額定功率大于1千瓦），其用電情況還很靈活。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望照明燈或電視即開即用，靈活的用電設備則與之不同，這種設備可延遲電力消耗并隨時進行操作，只要淋浴有熱水，泳池保持干凈，電動汽車電量充足，室內溫度舒適即可。
總的來說，市電負載具有很大的靈活性，可用于幫助平衡可變供應。例如，即使加州和紐約州的每個家庭均僅有1臺可靈活用電的設備，無論何時電網也都有約15千兆瓦的額外容量，相當于這些州當前電網級蓄電池可給予容量的10倍以上。
這里以家用電熱水器為例可說明靈活用電的含義。一般熱水器在燒水時的功耗約為4.5千瓦。正常情況下，該設備一天的工作時間約為1/10，耗電量約為10.8度。對房主而言，熱水器的日常運行成本不到2美元（假設每度電15美分左右）。不過對電力公司而言，電力成本的變化卻很大，從名義上的每度電4美分到每年高峰期的每度100美元以上都有。有時該成本甚至為負數(shù)，當風能或太陽能發(fā)電廠的可用電力過多時，電網運營商會向電力公司付費以合理消耗多余電力。
為減少高峰期的需求，電力公司長期以來不斷都有需求響應計劃，以便按照固定的時間表（例如夏季下午4點至晚9點的歷史用電高峰時段）關閉用戶的熱水器、空調和其他負載。如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 只是想在此類時間減少負載，那么這一方法相當有效。
然而，如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的目標是實時平衡電力供需，以往基于固定時間表的設備操作是不夠的，因為可再生能源發(fā)電量會隨著風力和日照條件產生不可預測的變化。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要響應速度更快的方法，不僅要減少高峰期需求，還要帶來提高電網可靠性的額外裨益，如價格響應能力、可再生能源穩(wěn)定輸出和頻率調節(jié)。
電網運營商要如何協(xié)調數(shù)量眾多、分散分布、用電靈活、各自具有特定需求和要求的千瓦級設備，從而給予千兆瓦級的合并電網資源，對高度可變的供應做出響應？思考這一問題時， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在數(shù)字通信系統(tǒng)領域找到了靈感。
數(shù)字系統(tǒng)用一系列比特位來表示語音、電子郵件或視頻剪輯內容。順利獲得信道發(fā)送此類數(shù)據時，它們會被拆分成數(shù)據包。各數(shù)據包會順利獲得網絡路由，分別到達預期的目的地。所有數(shù)據包均到達目的地后，數(shù)據會被重建為原始形式。
那么，這與 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的問題有何相似之處？每天有數(shù)百萬人和數(shù)十億臺設備使用互聯(lián)網。用戶有自己的設備、需要和使用模式， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可將此視為需求，而網絡本身具有與其帶寬相關的動態(tài)參數(shù)，即網絡的供應?；ヂ?lián)網上的需求和供應能夠實時匹配，無需任何集中調度程序。同樣，數(shù)十億臺各自具有動態(tài)參數(shù)的電氣設備正在接入電網，而電網的供應水平日益多變。
發(fā)現(xiàn)這種相似性后， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 開發(fā)了名為分組能源管理（PEM）的技術來協(xié)調靈活設備的用電情況。本文的共同作者海因斯（Hines）不斷對電力系統(tǒng)的可靠性深感興趣，長期研究輸電線路故障對連鎖斷電和系統(tǒng)性停電的影響。與此同時，具有通信系統(tǒng)背景的弗羅里克（Frolik）不斷致力于算法研究，期望以極低能耗來動態(tài)協(xié)調無線傳感器的數(shù)據通信。在一次偶然的討論中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 發(fā)現(xiàn)了大家的交叉興趣點，開始研究如何將有關算法用于解決電動汽車的充電問題。
此后不久，阿爾馬薩爾基（Alma-ssalkhi）加入了 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 部門并意識到 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在研究的課題具有更大的潛力。2015年，他為美國能源部高級研究計劃局（ARPA-E）的聯(lián)網優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)（NODES）項目撰寫的提案獲獎。借助這筆資金， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 得以進一步開發(fā)PEM計劃。
回到電熱水器的問題。常規(guī)操作下，熱水器由恒溫器控制。恒溫器會在水溫降至下限時開啟熱水器并以4.5千瓦陸續(xù)在運行20到30分鐘，直至水溫達到上限。“匹配電力需求與供應”圖底部的一對黑白圖表顯示了10臺熱水器的開啟和關閉情況，其中黑色表示關閉，白色表示開啟。
在PEM模式下，各負載會根據簡單的規(guī)則獨立運行。熱水器不會只在水溫降至下限時才加熱，而是定期請求消耗一個能源包，一個能源包的定義是僅在很短的一段時間內（如5分鐘）消耗能源。協(xié)調器（在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的例子中是一個基于云端的平臺）會根據反映電網狀況的目標信號（如可再生能源的可用性、電價等）來批準或拒絕此類能源包請求。“匹配電力需求與供應”圖上部的圖表顯示了PEM能耗是如何嚴格遵循基于可再生能源供應的目標信號的。
電力供需有時存在巨大差異
中間圖片顯示了靈活電力負載的分組化和
下圖顯示了隨機化是如何讓需求與可用供應量相互匹配的。
為確保能源需求更大的設備更可能取得批準，每臺設備都會根據其需求調整請求的頻率。當水溫不太熱時，熱水器的請求頻率更高。當水溫較熱時，請求頻次則會降低。因此，系統(tǒng)會以完全分散的方式對設備進行動態(tài)優(yōu)先排序，發(fā)出能源包請求的概率與設備對能源的需求成正比。然后，PEM協(xié)調器可專注于管理傳入的數(shù)據包請求，以便主動調整來自眾多分組設備的總體負載，無需集中優(yōu)化各設備的行為。由于請求完全發(fā)生在后臺，因此從用戶的角度來看，熱水器未發(fā)生任何改變。
同樣的概念可應用于各類耗能設備。例如，電動汽車充電樁或住宅蓄電池系統(tǒng)可將電池的當前充電狀態(tài)與其所需電量值（相當于對能源的需求）進行比較，將比較結果轉換為請求概率，然后向PEM協(xié)調器發(fā)送請求，協(xié)調器則根據電網實時狀況或市場條件接受或拒絕請求。根據條件的不同，電池充滿電所需的時間可能更長，但不會給客戶帶來不便。
順利獲得這種方式，靈活用電的設備可使用簡單的常見能源包請求語言進行通信。這樣一來，協(xié)調器與發(fā)出請求的設備類型便不存在關聯(lián)。這種與設備不相關的協(xié)調和數(shù)據通信中的網絡中立性相似。一般而言，互聯(lián)網并不關心數(shù)據包是否攜帶語音、視頻或文本數(shù)據。同樣，PEM也不關心請求能源包的設備是熱水器、泳池泵還是電動汽車充電樁，因而可以輕松地對千瓦級設備的各種組合進行協(xié)調。
現(xiàn)在，PEM等自下而上的設備驅動型技術尚未得到廣泛部署。與之相反，現(xiàn)今的大多數(shù)需求響應技術均采用自上而下的方法，在這種方法中，協(xié)調器會向所有設備廣播控制信號，告訴設備該做什么，但是，若每臺設備均被告知同時做同樣的動作，那么可能很快就會出錯，因為設備的功耗會變得同步。想象一下同時打開（或關閉）數(shù)百萬臺空調、熱水器和電動汽車充電樁的效果。這會帶來千兆瓦耗電峰值，堪比順利獲得輕觸開關來開啟或關閉一個大型核電站。如此高的用電峰值可能導致電網不穩(wěn)定，進而引發(fā)連鎖停電。因此當今大多數(shù)電力公司都將設備進行了分組，并把用電峰值限制在數(shù)十兆瓦數(shù)量級。然而，在年度用電高峰期間持續(xù)管理不同的用電群組會對自上而下的管理方法造成挑戰(zhàn)。
不過，如果每臺設備都能滿足自身獨特的能源需求，則能源包請求（以及由此產生的用電）本質上是隨機的，因此，是否同步就不那么重要了。
使用自上而下的管理方法，很難在炎熱的天氣里考慮用戶對熱水、充電汽車和室內涼爽度的偏好。若要協(xié)調能源設備以便電網更好地工作， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需確保采用的方式對消費者而言基本難以察覺且實現(xiàn)自動化。
現(xiàn)在，設想PEM如何考慮用戶對熱水器的個人偏好。若水溫低于下限值且熱水器并未消耗能源包，它可選擇暫時“退出”PEM方案，開啟加熱直至水溫恢復。熱水器會通知PEM協(xié)調器其操作模式的這一變化，協(xié)調器則會簡單地更新對總用電需求的核算。這樣的單一負載對總負載的影響很小，但對客戶而言，在需要熱水時保證有水可用有助建立信任，確保持續(xù)參與管理計劃。
該控制器與住宅電熱水器相連，并使用簡單的算法從基于云端的協(xié)調器請求“能源包”以保持合適的溫度。
PEM的設備驅動屬性也使協(xié)調器的工作更為輕松，因為協(xié)調器無需集中監(jiān)控或對每臺設備建模來制定優(yōu)化時間表，只需監(jiān)控電網和市場狀況，回復傳入能源包請求的實時流，同時記錄“退出”設備，換言之，協(xié)調器只需管理3組數(shù)字。
為了提升 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 工作的影響力， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 決定在研究的同時將PEM商用化，并于2016年創(chuàng)立了Packetized Energy公司。該公司已在美國和加拿大的幾家公用事業(yè)公司贊助的試點項目中部署了基于云端的能源協(xié)調平臺。這些項目以 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 設計、開發(fā)并取得UL認證的智能恒溫器為基礎，以此改造了現(xiàn)有電熱水器。此外， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還展示了配備PEM的電動汽車充電樁、住宅蓄電池和恒溫器。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的第一個客戶是來自 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 家鄉(xiāng)的佛蒙特公用事業(yè)公司伯靈頓電力部（BED）。2018年，BED啟動了美國首個100%可再生能源熱水器項目，該項目現(xiàn)已擴展至電動汽車充電樁。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的項目取得了一些可喜成果。“負載協(xié)調的實時演示”圖展示了PEM如何在典型的2小時周期內協(xié)調佛蒙特州和南卡羅來納州208個住宅熱水器的負載。熱水器（橙色線）以快速變化的目標（藍色線）為依據，變化范圍為標稱負載的一半至約兩倍。
2021年8月21日，在兩個多小時內208臺住宅熱水器的負載迅速從25千瓦升至80千瓦，負載從基線負載的大約一半升至其兩倍左右
隨著系統(tǒng)擴展至數(shù)千臺分組設備，異步分組請求將顯示為陸續(xù)在信號。仿真結果表明，在此規(guī)模下，目標值與實際值之間不存在任何差距?？傌撦d的響應速度至少與現(xiàn)代天然氣發(fā)電廠的響應速度一樣快，且無需建造、運營和維護實體電廠的費用。
傳感器和微控制器成本的下降引發(fā)了物聯(lián)網的快速增長。可以想像，結合智能家居技術，物聯(lián)網可實現(xiàn)所有能源設備（負載、儲能裝置和發(fā)電機）的持續(xù)協(xié)調，保持電網穩(wěn)定，充分利用可再生能源。不過，挑戰(zhàn)同樣擺在眼前。
第一時間，現(xiàn)在沒有標準來指導對設備級協(xié)調感興趣的制造商，也缺乏真正的激勵措施促使制造商采用任何特定技術。這使得解決相同基本問題的專有技術急劇增多。對于這一問題， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可再次從互聯(lián)網中汲取靈感：專有解決方案不太可能得到充分擴展以解決現(xiàn)在的能源問題。EcoPort（前身為CTA 2045）和Matter（前身為Connected Home over IP）等行業(yè)有助于的新計劃有望在不同制造商制造的設備間實現(xiàn)安全、低延時通信。IEEE技術委員會、工作組和任務組也在發(fā)揮支持作用，如IEEE電力與能源協(xié)會（PES）下設的智慧樓宇、負載和客戶系統(tǒng)技術委員會。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望未來這些行動能無縫支持本文所述的設備驅動型“分組”概念，而非僅服務于傳統(tǒng)的自上而下的通信和控制架構。
此外，還需要激勵電力客戶改變能源使用方式?，F(xiàn)在，無論何時打開熱水器，住宅熱水器的日均電費都大致相同?？稍偕茉垂枯^高或批發(fā)電價較低時，房主開啟熱水器沒有任何經濟利益。監(jiān)管組織、公用事業(yè)公司和其他組織需要重新考慮并設計激勵措施和靈活的需求計劃，以確保所有客戶的貢獻和獎勵公平公正，還需要讓消費者分析相關計劃的運作方式。
有很多先例可幫助 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 解決此類技術和政策挑戰(zhàn)。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要一個公平、響應迅速、可訪問、可靠、有彈性和可擴展的公共系統(tǒng)，這聽來與互聯(lián)網十分相似。分組能源管理的核心設計以互聯(lián)網的數(shù)據通信為模型，將給予與互聯(lián)網同樣重要的種種裨益。隨著社會向基于分布式和可再生能源發(fā)電的新型電網過渡， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將需要新的技術和范例。幸運的是，已經有一個經過時間考驗的模型為 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 指明了方向。
作者：Mads Almassalkhi、Jeff Frolik、Paul Hines
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