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薛禹勝:電力物聯網是能源轉型不可或缺的支撐

信息來源:     發布時間:2019-05-16



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  “社會元素在向能源系統提供市場信息與精準服務的同時,必然會引入信息的安全風險,從而影響智能電網的堅強性和安全性。因此,應該建立一個信息緩沖環節,來完成數據清洗并實現更接近服務側的高效計算。這個緩沖環節加上泛在的互聯網,就組成了國網公司提出的泛在電力物聯網。”

 

  電力系統要主動支撐能源轉型及社會參與

 

  中國能源報:能源轉型對電力系統提出了哪些新要求?

  薛禹勝:在化石類能源作為主要發電燃料時,發電環節有很好的可控性和靈活性。但是當可再生能源大規模替代化石類能源后,前者的強不確定性和不可控性,再加上終端能源側大規模的電能替代及用電模式的變化,電力系統無法再依靠一次能源的可控性及終端能源消費的平穩性來滿足電力的瞬時平衡。

  反過來,能源安全及環境安全都高度依賴于電力系統對可再生能源的高效轉化、電力的可靠輸送以及與用戶友好交互的主動支撐。作為整個能源鏈中的樞紐橋梁以及能源變革中的核心環節,電力系統面臨的挑戰日趨嚴峻。不但不能再依靠能源鏈的上下游來保證其可靠運行,反而要主動推動其上游的可再生能源發展,并積極為其下游的電能替代創造友好平臺。

  電力系統不僅是一次能源和終端能源之間的樞紐,也和社會環境、自然災害、投資以及市場等非能源因素緊密耦合。城市的給排水、交通、應急處置等基礎設施系統,都與能源系統緊密地相互影響。這就需要在更高的層次上來看城市安全問題,以往把電力系統孤立看待的思維方式顯然不再可行。

 

  中國能源報:您認為國網公司提出泛在電力物聯網的背景是什么?在能源轉型中,電力系統還要考慮哪些因素?

  薛禹勝:在物理元素中,除能源系統規劃、建設、運行、維護和檢修以外,還要考慮其排放和污染,及能源系統與自然災害的交互影響,能量管理系統的數據采集范圍也要擴展到上述環節。

  在強調以用戶需求為主導的能源變革中,能源系統必須充分滿足社會的知情權及參與權,而市場開放的大趨勢更使得社會因素越來越重要。與電力系統相關的不同角色的多參與者之間通過市場經濟博弈,使自身利益最大化,這必然會影響到電力系統的可靠性及經濟性,進而影響電力系統的規劃和基礎建設。

  以上多種因素都突破了現有的信息物理系統(CPS)框架的概念。因此,必須在信息與物理這兩個元素之外增加第三個元素,即社會元素。相應地,CPS框架應該被擴展為信息物理社會系統(CPSScyber-physical-social system),強調網絡、物體和人的融合。這就是泛在物聯網概念被提出的背景。

 

  信息緩沖環節保證智能電網在開放環境中的安全性

 

  中國能源報:當智能電網融合互聯網、物聯網時,可能有哪些困難?您有什么解決建議?

  薛禹勝:電力系統基本的技術責任是可靠經濟地供電。智能電網得以堅強的原因之一,是信息安全性得到了嚴格管理。這是以放棄開放性為代價的,所有的數據終端都必須經過授權和嚴格的監控保護。現在,電力系統必須承擔充分開放的社會責任,支持民眾通過泛在的互聯網了解并參與到發電、輸配電和終端消費的過程。但是其代價則是正常數據中可能混入虛假數據或惡性代碼。這些可能已被污染的數據一旦進入內網,就可能使電力系統變得脆弱,甚至被顛覆。因此,長期以來電力系統的技術責任和社會責任被一堵“墻”完全隔開了,社會需求不能自動傳入內網,用戶也不能及時獲取必要的數據,不能有效參與能源鏈。現在,打破這堵“墻”已經成為社會聲音和國家意志。

  在信息安全程度不能滿足內網安全要求的情況下,如何保證數據的連通?如何在不破壞電力系統內網信息安全的前提下,提供充分的開放度?我認為,在完全開放的互聯網與高度可靠的內網之間應建立一個信息緩沖網。

    由于用戶側參與的任務對實時性的要求比內網任務的要求有數量級以上的寬松,緩沖環節有足夠的時間應用已有的或將會出現的數據清洗技術來排除惡意代碼,并經過邊緣計算的提煉,在保證最后需要進入內網的數據安全的同時大大減少數據量,從而兼容智能電網的堅強可靠性和公用網的開放性。

 

  中國能源報:能否具體介紹這種安全性是如何實現的?

  薛禹勝:基于專用網的緩沖環節有兩個接口:它與互聯網之間的接口使它能夠獲得泛在的能力與開放性,它與內網的接口則使它能夠與可靠性要求極高的核心業務交互。允許緩沖環節清洗數據引入的時滯可以放寬到分鐘級或以上,這樣的響應速度是完全可以被接受的,從而有效貫通了智能電網和互聯網。

  我認為,互聯網與上述緩沖網的集合就是當前所講的電力物聯網的概念和功能。其泛在性來自于互聯網,而緩沖環節的數據安全清洗功能和邊緣計算知識提取功能則保證了對智能電網可靠性影響的最小化。這樣的深度融合貫通了互聯網與內網,形成了能源領域的信息物理社會系統。

  智能電網本身就是一個能源領域的信息物理系統,電力物聯網則是針對能源領域社會元素的信息物理系統。兩者都是信息物理系統,只是前者以犧牲開放性的代價換取了可靠性,而后者則以犧牲可靠性的代價換取了開放性。緩沖網則以引入時滯的代價貫通了互聯網與內網,而該時滯對整體性能的影響則微乎其微。這個框架可以在相當長時間內支撐能源領域發展的需要。

  智能電網和互聯網的深度融合體現在各個層次,包括數據采集、知識提取、決策支持和控制實施。社會環境中的互聯網連接了泛在的人和物,相關的數據經過緩沖網的安全清洗后,將提取的知識送到內網。電力物聯網的分析決策過程與智能電網也有融合。內網中的控制對象是固定的設備;電力物聯網的控制對象則是移動的人與物。

 

  兩網深度融合應用前景廣泛

 

  中國能源報:能源物理信息系統在能源轉型中扮演著怎樣的角色?

  薛禹勝:研究能源轉型,必須將物理問題與政策及不同參與者的行為緊密耦合,物聯網擴大了智慧能源網的信息感知及終端調控的范圍。在分布發電及儲能環節,可實現REG監控、電池監控、備用狀態和啟動能力;在配電/變電環節,可實現電能質量、作業管理、安全防護、故障診斷以及恢復控制;在用電環節,涉及的應用包括電動汽車充放電、智能抄表、智能家居、需求響應以及運營互動;形成需求和情境的感知、理解、響應、反饋以及全壽命管理閉環,提供定制化的高效服務;用于氣象觀測、設備環境監測等環境監測環節,身份識別、維護人員定位以及狀態相關的人員管理環節,在搶險救災過程中對搶修人員、裝備及急救物資的調度與風險告知。

  具體到日常生活中,能源物理信息系統能為用戶提供合理的用電用能建議。比如通過對用電量和電價、用戶特性進行分析,幫助用戶安排用電,或者幫助工商業用戶合理安排生產計劃、運行計劃等。在用電以外,還為用戶提供天然氣等多種能源使用建議,使多種終端能源協調合理使用,達到最大經濟性,為用戶提供較好的服務。

 

  中國能源報:能否舉例說明用戶參與下的具體應用場景?

  薛禹勝:在開放的市場環境中,如果技術問題不能充分考慮到參與者的利益,那就很難得到推廣應用。

  例如V2G(電動汽車與電網互動),利用較長時間內停在充電站的電動汽車智能的充放電,集電商可以在車主與電力市場之間成為中介,承擔調頻、調峰及備用等輔助服務。但目前的研究論文都沒有考慮到車主的利益和行為,大都得到過于樂觀的結論。如果考慮到充放電的電量損失、電池壽命縮短及車主出行計劃改變的不方便等因素影響,車主只有在得到令自己滿意的交易補償時,才會積極響應V2G。因此,在推演過程中必須充分計入車主在電動汽車的購買、出行、充電和參與輔助服務市場的行為,這部分就是電力物聯網要做的;而集電商除了與眾多車主之間的博弈以外,還要在電網輔助市場中與其他發電側、輸電側的參與者博弈,這部分就是智能電網要做的。要解決V2G參與備用的問題,就一定要把這兩個網一起考慮,尋找并優化各方都能接受的平衡點。

  再舉一個停電后恢復控制的例子。我國輸電系統是世界上最安全可靠的輸電系統之一,重要原因之一是我國科研工作者和工程技術人員建立起了一整套防御體系理論和算法,積累了豐富的實踐經驗。其中,智能電網考慮了預防控制、緊急控制和校正控制的自動化及其優化協調。而一旦發生停電,由于配網的基礎自動化不完善,且恢復控制中需要與大量分散的物體與人員交互,恢復控制仍然主要依靠人員經驗,電力物聯網的缺席也就成為恢復控制尚未充分自適應的主要原因之一。在恢復過程中,需要考慮到不同停電用戶的耐受度及風險,比較不同恢復方案的機會成本及期望收益,綜合決策,這就需要從電力物聯網中獲取大量人和物信息,并與從智能電網中獲得的調度與控制信息協調優化。(薛禹勝,中國工程院院士、國網電力科學研究院有限公司名譽院長

 

來源:中國能源報 2019-05-06


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