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电力物联网是能源转型不可或缺的支撑

作者:齐琛冏 来源:中国能源报 时间:2019-05-09 浏览:

“社会元素在向能源系统提供市场信息与精准服务的同时,必然会引入信息的安全风险,从而影响智能电网的坚强性和安全性。因此,应该建立一个信息缓冲环节,来完成数据清洗并实现更接近服务侧的高效计算。这个缓冲环节加上泛在的互联网,就组成了国网公司提出的泛在电力物联网。”

电力系统要主动支撑能源转型及社会参与

中国能源报:能源转型对电力系统提出了哪些新要求?

薛禹胜:在化石类能源作为主要发电燃料时,发电环节有很好的可控性和灵活性。但是当可再生能源大规模替代化石类能源后,前者的强不确定性和不可控性,再加上终端能源侧大规模的电能替代及用电模式的变化,电力系统无法再依靠一次能源的可控性及终端能源消费的平稳性来满足电力的瞬时平衡。

反过来,能源安全及环境安全都高度依赖于电力系统对可再生能源的高效转化、电力的可靠输送以及与用户友好交互的主动支撑。作为整个能源链中的枢纽桥梁以及能源变革中的核心环节,电力系统面临的挑战日趋严峻。不但不能再依靠能源链的上下游来保证其可靠运行,反而要主动推动其上游的可再生能源发展,并积极为其下游的电能替代创造友好平台。

电力系统不仅是一次能源和终端能源之间的枢纽,也和社会环境、自然灾害、投资以及市场等非能源因素紧密耦合。城市的给排水、交通、应急处置等基础设施系统,都与能源系统紧密地相互影响。这就需要在更高的层次上来看城市安全问题,以往把电力系统孤立看待的思维方式显然不再可行。

中国能源报:您认为国网公司提出泛在电力物联网的背景是什么?在能源转型中,电力系统还要考虑哪些因素?

薛禹胜:在物理元素中,除能源系统规划、建设、运行、维护和检修以外,还要考虑其排放和污染,及能源系统与自然灾害的交互影响,能量管理系统的数据采集范围也要扩展到上述环节。

在强调以用户需求为主导的能源变革中,能源系统必须充分满足社会的知情权及参与权,而市场开放的大趋势更使得社会因素越来越重要。与电力系统相关的不同角色的多参与者之间通过市场经济博弈,使自身利益最大化,这必然会影响到电力系统的可靠性及经济性,进而影响电力系统的规划和基础建设。

以上多种因素都突破了现有的信息物理系统(CPS)框架的概念。因此,必须在信息与物理这两个元素之外增加第三个元素,即社会元素。相应地,CPS框架应该被扩展为信息物理社会系统(CPSS,cyber-physical-social system),强调网络、物体和人的融合。这就是泛在物联网概念被提出的背景。

信息缓冲环节保证智能电网在开放环境中的安全性

中国能源报:当智能电网融合互联网、物联网时,可能有哪些困难?您有什么解决建议?

薛禹胜:电力系统基本的技术责任是可靠经济地供电。智能电网得以坚强的原因之一,是信息安全性得到了严格管理。这是以放弃开放性为代价的,所有的数据终端都必须经过授权和严格的监控保护。现在,电力系统必须承担充分开放的社会责任,支持民众通过泛在的互联网了解并参与到发电、输配电和终端消费的过程。但是其代价则是正常数据中可能混入虚假数据或恶性代码。这些可能已被污染的数据一旦进入内网,就可能使电力系统变得脆弱,甚至被颠覆。因此,长期以来电力系统的技术责任和社会责任被一堵“墙”完全隔开了,社会需求不能自动传入内网,用户也不能及时获取必要的数据,不能有效参与能源链。现在,打破这堵“墙”已经成为社会声音和国家意志。

在信息安全程度不能满足内网安全要求的情况下,如何保证数据的连通?如何在不破坏电力系统内网信息安全的前提下,提供充分的开放度?我认为,在完全开放的互联网与高度可靠的内网之间应建立一个信息缓冲网。由于用户侧参与的任务对实时性的要求比内网任务的要求有数量级以上的宽松,缓冲环节有足够的时间应用已有的或将会出现的数据清洗技术来排除恶意代码,并经过边缘计算的提炼,在保证最后需要进入内网的数据安全的同时大大减少数据量,从而兼容智能电网的坚强可靠性和公用网的开放性。

中国能源报:能否具体介绍这种安全性是如何实现的?

薛禹胜:基于专用网的缓冲环节有两个接口:它与互联网之间的接口使它能够获得泛在的能力与开放性,它与内网的接口则使它能够与可靠性要求极高的核心业务交互。允许缓冲环节清洗数据引入的时滞可以放宽到分钟级或以上,这样的响应速度是完全可以被接受的,从而有效贯通了智能电网和互联网。

我认为,互联网与上述缓冲网的集合就是当前所讲的电力物联网的概念和功能。其泛在性来自于互联网,而缓冲环节的数据安全清洗功能和边缘计算知识提取功能则保证了对智能电网可靠性影响的最小化。这样的深度融合贯通了互联网与内网,形成了能源领域的信息物理社会系统。

智能电网本身就是一个能源领域的信息物理系统,电力物联网则是针对能源领域社会元素的信息物理系统。两者都是信息物理系统,只是前者以牺牲开放性的代价换取了可靠性,而后者则以牺牲可靠性的代价换取了开放性。缓冲网则以引入时滞的代价贯通了互联网与内网,而该时滞对整体性能的影响则微乎其微。这个框架可以在相当长时间内支撑能源领域发展的需要。

智能电网和互联网的深度融合体现在各个层次,包括数据采集、知识提取、决策支持和控制实施。社会环境中的互联网连接了泛在的人和物,相关的数据经过缓冲网的安全清洗后,将提取的知识送到内网。电力物联网的分析决策过程与智能电网也有融合。内网中的控制对象是固定的设备;电力物联网的控制对象则是移动的人与物。

两网深度融合应用前景广泛

中国能源报:能源物理信息系统在能源转型中扮演着怎样的角色?

薛禹胜:研究能源转型,必须将物理问题与政策及不同参与者的行为紧密耦合,物联网扩大了智慧能源网的信息感知及终端调控的范围。在分布发电及储能环节,可实现REG监控、电池监控、备用状态和启动能力;在配电/变电环节,可实现电能质量、作业管理、安全防护、故障诊断以及恢复控制;在用电环节,涉及的应用包括电动汽车充放电、智能抄表、智能家居、需求响应以及运营互动;形成需求和情境的感知、理解、响应、反馈以及全寿命管理闭环,提供定制化的高效服务;用于气象观测、设备环境监测等环境监测环节,身份识别、维护人员定位以及状态相关的人员管理环节,在抢险救灾过程中对抢修人员、装备及急救物资的调度与风险告知。

具体到日常生活中,能源物理信息系统能为用户提供合理的用电用能建议。比如通过对用电量和电价、用户特性进行分析,帮助用户安排用电,或者帮助工商业用户合理安排生产计划、运行计划等。在用电以外,还为用户提供天然气等多种能源使用建议,使多种终端能源协调合理使用,达到最大经济性,为用户提供较好的服务。

中国能源报:能否举例说明用户参与下的具体应用场景?

薛禹胜:在开放的市场环境中,如果技术问题不能充分考虑到参与者的利益,那就很难得到推广应用。

例如V2G(电动汽车与电网互动),利用较长时间内停在充电站的电动汽车智能的充放电,集电商可以在车主与电力市场之间成为中介,承担调频、调峰及备用等辅助服务。但目前的研究论文都没有考虑到车主的利益和行为,大都得到过于乐观的结论。如果考虑到充放电的电量损失、电池寿命缩短及车主出行计划改变的不方便等因素影响,车主只有在得到令自己满意的交易补偿时,才会积极响应V2G。因此,在推演过程中必须充分计入车主在电动汽车的购买、出行、充电和参与辅助服务市场的行为,这部分就是电力物联网要做的;而集电商除了与众多车主之间的博弈以外,还要在电网辅助市场中与其他发电侧、输电侧的参与者博弈,这部分就是智能电网要做的。要解决V2G参与备用的问题,就一定要把这两个网一起考虑,寻找并优化各方都能接受的平衡点。

再举一个停电后恢复控制的例子。我国输电系统是世界上最安全可靠的输电系统之一,重要原因之一是我国科研工作者和工程技术人员建立起了一整套防御体系理论和算法,积累了丰富的实践经验。其中,智能电网考虑了预防控制、紧急控制和校正控制的自动化及其优化协调。而一旦发生停电,由于配网的基础自动化不完善,且恢复控制中需要与大量分散的物体与人员交互,恢复控制仍然主要依靠人员经验,电力物联网的缺席也就成为恢复控制尚未充分自适应的主要原因之一。在恢复过程中,需要考虑到不同停电用户的耐受度及风险,比较不同恢复方案的机会成本及期望收益,综合决策,这就需要从电力物联网中获取大量人和物信息,并与从智能电网中获得的调度与控制信息协调优化。  

关键字:储能, 微电网, 电力物联网

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