互联网规则亦可平衡电力供需关系-分组式电网

互联网规则亦可平衡电力供需关系
当需求超过供给，麻烦事便接踵而来。疫情之初，我们就深刻汲取了这一教训，当时卫生纸、消毒湿巾、口罩和呼吸机供不应求。如今，芯片短缺持续困扰着消费电子产品、汽车以及其他行业。显然，平衡的商品供需关系对社会的稳定、正常、顺畅运转至关重要。

供需平衡也适用于电网。2021年2月，美国得克萨斯州经历了前所未有的致命寒潮天气，这场灾难给我们敲响了警钟。激增的电热需求与上冻的天然气设备以及低于均值的风力发电量造成的供应问题产生了强烈冲突。由此造成的失衡导致超过200万个家庭断电多日，造成至少210人死亡，更造成了高达1300亿美元的经济损失。

类似的供需失衡还引发了2003年8月美国东北部和加拿大、2012年7月印度和2019年3月委内瑞拉的大规模连锁停电。

短期内这种情况不太可能出现好转，原因有三。首先，随着全球各国开始低碳化，交通、供暖和其他部门的电气化将导致电力需求飙升；其次，出于经济和政策原因，传统的煤电厂和核电厂正在退役，电网中的稳定供电来源减少；再次，虽然风能和太阳能光伏系统非常利于保护气候，也是增长最快的发电来源，但其输出的可变性为电网平衡带来了新的挑战。

分组能源管理 ( PEM ) 允许电网灵活地处理各类可再生能源供应。在模拟中分组控制开启后 ( 垂直虚线)，1 000台电热水器的总负载(橙色实线) 几乎可完全匹配可再生能源供应 ( 金色虚线)。蓝线表示来自1 000台电热水器的未协调负载，以作为参照。黑白图像显示的是由传统恒温器和启用PEM的恒温器控制的一组10台热水器的开关模式。

那么，在脏乱的老旧发电厂关闭、可变发电量上升且用电负载新增的情况下，电网运营商如何保持供需平衡呢？有几种可能的做法。一是对已有设施进行现代化改造：建设庞大的集中式基础设施。这意味着要安装大量的储能装置（如电网级的电池和抽水蓄能设施）以存储多产生的可再生能源，并将储能装置与高压输电线路互连，从而实现全网供需平衡。中国是此方面的领导者，但该做法成本高昂，而且需要强有力的政治意愿。

我们认为有更好的方法。在佛蒙特大学，我们专注于研究在无需大幅扩大电网基础设施的前提下，如何实时协调需求以匹配日益变化的供应。我们的技术采用了可从根本上实现互联网可扩展性的两大理念（即分组化和随机化），以此来创建可协调分布式能源的系统。数据通信的这两大概念可以让数百万用户和数十亿设备得以接入互联网，无需任何集中调度或控制。同样的基本思路也适用于电网。使用低带宽连接、运行简单算法的小型控制器，可以使用数百万电气设备来平衡本地电网中的电力流动。来看看我们是如何做的。、电网的电力需求来自数十亿电力负载。这些负载可分为两大类：商用和工业负载以及市电负载。这两者中，市电负载非常分散。仅美国就有超过1.2亿个家庭，这些家庭的总用电量约占年用电量的40%，但市电用户通常不会考虑优化自家一天内的电力负载。为简单起见，我们将这些市电负载称为“设备”，范围包括电灯、电视、热水器、空调等。

后两种设备和电动汽车充电桩及泳池水泵不仅是大型电力负载（即额定功率大于1千瓦），其用电情况还很灵活。我们希望照明灯或电视即开即用，灵活的用电设备则与之不同，这种设备可延迟电力消耗并随时进行操作，只要淋浴有热水，泳池保持干净，电动汽车电量充足，室内温度舒适即可。

总的来说，市电负载具有很大的灵活性，可用于帮助平衡可变供应。例如，即使加州和纽约州的每个家庭均仅有1台可灵活用电的设备，无论何时电网也都有约15千兆瓦的额外容量，相当于这些州当前电网级蓄电池可提供容量的10倍以上。

这里以家用电热水器为例可说明灵活用电的含义。一般热水器在烧水时的功耗约为4.5千瓦。正常情况下，该设备一天的工作时间约为1/10，耗电量约为10.8度。对房主而言，热水器的日常运行成本不到2美元（假设每度电15美分左右）。不过对电力公司而言，电力成本的变化却很大，从名义上的每度电4美分到每年高峰期的每度100美元以上都有。有时该成本甚至为负数，当风能或太阳能发电厂的可用电力过多时，电网运营商会向电力公司付费以合理消耗多余电力。

为减少高峰期的需求，电力公司长期以来一直都有需求响应计划，以便按照固定的时间表（例如夏季下午4点至晚9点的历史用电高峰时段）关闭用户的热水器、空调和其他负载。如果我们只是想在此类时间减少负载，那么这一方法相当有效。

然而，如果我们的目标是实时平衡电力供需，以往基于固定时间表的设备操作是不够的，因为可再生能源发电量会随着风力和日照条件产生不可预测的变化。我们需要响应速度更快的方法，不仅要减少高峰期需求，还要带来提高电网可靠性的额外裨益，如价格响应能力、可再生能源稳定输出和频率调节。

电网运营商要如何协调数量众多、分散分布、用电灵活、各自具有特定需求和要求的千瓦级设备，从而提供千兆瓦级的合并电网资源，对高度可变的供应做出响应？思考这一问题时，我们在数字通信系统领域找到了灵感。

数字系统用一系列比特位来表示语音、电子邮件或视频剪辑内容。通过信道发送此类数据时，它们会被拆分成数据包。各数据包会通过网络路由，分别到达预期的目的地。所有数据包均到达目的地后，数据会被重建为原始形式。

那么，这与我们的问题有何相似之处？每天有数百万人和数十亿台设备使用互联网。用户有自己的设备、需要和使用模式，我们可将此视为需求，而网络本身具有与其带宽相关的动态参数，即网络的供应。互联网上的需求和供应能够实时匹配，无需任何集中调度程序。同样，数十亿台各自具有动态参数的电气设备正在接入电网，而电网的供应水平日益多变。

发现这种相似性后，我们开发了名为分组能源管理（PEM）的技术来协调灵活设备的用电情况。本文的共同作者海因斯（Hines）一直对电力系统的可靠性深感兴趣，长期研究输电线路故障对连锁断电和系统性停电的影响。与此同时，具有通信系统背景的弗罗里克（Frolik）一直致力于算法研究，期望以极低能耗来动态协调无线传感器的数据通信。在一次偶然的讨论中，我们发现了大家的交叉兴趣点，开始研究如何将有关算法用于解决电动汽车的充电问题。

此后不久，阿尔马萨尔基（Alma-ssalkhi）加入了我们部门并意识到我们正在研究的课题具有更大的潜力。2015年，他为美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）的联网优化分布式能源系统（NODES）项目撰写的提案获奖。借助这笔资金，我们得以进一步开发PEM计划。

回到电热水器的问题。常规操作下，热水器由恒温器控制。恒温器会在水温降至下限时开启热水器并以4.5千瓦连续运行20到30分钟，直至水温达到上限。“匹配电力需求与供应”图底部的一对黑白图表显示了10台热水器的开启和关闭情况，其中黑色表示关闭，白色表示开启。

在PEM模式下，各负载会根据简单的规则独立运行。热水器不会只在水温降至下限时才加热，而是定期请求消耗一个能源包，一个能源包的定义是仅在很短的一段时间内（如5分钟）消耗能源。协调器（在我们的例子中是一个基于云端的平台）会根据反映电网状况的目标信号（如可再生能源的可用性、电价等）来批准或拒绝此类能源包请求。“匹配电力需求与供应”图上部的图表显示了PEM能耗是如何严格遵循基于可再生能源供应的目标信号的。

电力供需有时存在巨大差异

中间图片显示了灵活电力负载的分组化和

下图显示了随机化是如何让需求与可用供应量相互匹配的。

为确保能源需求更大的设备更可能获得批准，每台设备都会根据其需求调整请求的频率。当水温不太热时，热水器的请求频率更高。当水温较热时，请求频次则会降低。因此，系统会以完全分散的方式对设备进行动态优先排序，发出能源包请求的概率与设备对能源的需求成正比。然后，PEM协调器可专注于管理传入的数据包请求，以便主动调整来自众多分组设备的总体负载，无需集中优化各设备的行为。由于请求完全发生在后台，因此从用户的角度来看，热水器未发生任何改变。

同样的概念可应用于各类耗能设备。例如，电动汽车充电桩或住宅蓄电池系统可将电池的当前充电状态与其所需电量值（相当于对能源的需求）进行比较，将比较结果转换为请求概率，然后向PEM协调器发送请求，协调器则根据电网实时状况或市场条件接受或拒绝请求。根据条件的不同，电池充满电所需的时间可能更长，但不会给客户带来不便。

通过这种方式，灵活用电的设备可使用简单的常见能源包请求语言进行通信。这样一来，协调器与发出请求的设备类型便不存在关联。这种与设备不相关的协调和数据通信中的网络中立性相似。一般而言，互联网并不关心数据包是否携带语音、视频或文本数据。同样，PEM也不关心请求能源包的设备是热水器、泳池泵还是电动汽车充电桩，因而可以轻松地对千瓦级设备的各种组合进行协调。

目前，PEM等自下而上的设备驱动型技术尚未得到广泛部署。与之相反，现今的大多数需求响应技术均采用自上而下的方法，在这种方法中，协调器会向所有设备广播控制信号，告诉设备该做什么，但是，若每台设备均被告知同时做同样的动作，那么可能很快就会出错，因为设备的功耗会变得同步。想象一下同时打开（或关闭）数百万台空调、热水器和电动汽车充电桩的效果。这会带来千兆瓦耗电峰值，堪比通过轻触开关来开启或关闭一个大型核电站。如此高的用电峰值可能导致电网不稳定，进而引发连锁停电。因此当今大多数电力公司都将设备进行了分组，并把用电峰值限制在数十兆瓦数量级。然而，在年度用电高峰期间积极管理不同的用电群组会对自上而下的管理方法造成挑战。

不过，如果每台设备都能满足自身独特的能源需求，则能源包请求（以及由此产生的用电）本质上是随机的，因此，是否同步就不那么重要了。

使用自上而下的管理方法，很难在炎热的天气里考虑用户对热水、充电汽车和室内凉爽度的偏好。若要协调能源设备以便电网更好地工作，我们需确保采用的方式对消费者而言基本难以察觉且实现自动化。

现在，设想PEM如何考虑用户对热水器的个人偏好。若水温低于下限值且热水器并未消耗能源包，它可选择暂时“退出”PEM方案，开启加热直至水温恢复。热水器会通知PEM协调器其操作模式的这一变化，协调器则会简单地更新对总用电需求的核算。这样的单一负载对总负载的影响很小，但对客户而言，在需要热水时保证有水可用有助建立信任，确保持续参与管理计划。

该控制器与住宅电热水器相连，并使用简单的算法从基于云端的协调器请求“能源包”以保持合适的温度。

PEM的设备驱动属性也使协调器的工作更为轻松，因为协调器无需集中监控或对每台设备建模来制定优化时间表，只需监控电网和市场状况，回复传入能源包请求的实时流，同时记录“退出”设备，换言之，协调器只需管理3组数字。

为了提升我们工作的影响力，我们决定在研究的同时将PEM商用化，并于2016年创立了Packetized Energy公司。该公司已在美国和加拿大的几家公用事业公司赞助的试点项目中部署了基于云端的能源协调平台。这些项目以我们设计、开发并获得UL认证的智能恒温器为基础，以此改造了现有电热水器。此外，我们还展示了配备PEM的电动汽车充电桩、住宅蓄电池和恒温器。我们的第一个客户是来自我们家乡的佛蒙特公用事业公司伯灵顿电力部（BED）。2018年，BED启动了美国首个100%可再生能源热水器项目，该项目现已扩展至电动汽车充电桩。

我们的项目取得了一些可喜成果。“负载协调的实时演示”图展示了PEM如何在典型的2小时周期内协调佛蒙特州和南卡罗来纳州208个住宅热水器的负载。热水器（橙色线）以快速变化的目标（蓝色线）为依据，变化范围为标称负载的一半至约两倍。

2021年8月21日，在两个多小时内208台住宅热水器的负载迅速从25千瓦升至80千瓦，负载从基线负载的大约一半升至其两倍左右

随着系统扩展至数千台分组设备，异步分组请求将显示为连续信号。仿真结果表明，在此规模下，目标值与实际值之间不存在任何差距。总负载的响应速度至少与现代天然气发电厂的响应速度一样快，且无需建造、运营和维护实体电厂的费用。

传感器和微控制器成本的下降引发了物联网的快速增长。可以想像，结合智能家居技术，物联网可实现所有能源设备（负载、储能装置和发电机）的积极协调，保持电网稳定，充分利用可再生能源。不过，挑战同样摆在眼前。

首先，目前没有标准来指导对设备级协调感兴趣的制造商，也缺乏真正的激励措施促使制造商采用任何特定技术。这使得解决相同基本问题的专有技术急剧增多。对于这一问题，我们可再次从互联网中汲取灵感：专有解决方案不太可能得到充分扩展以解决目前的能源问题。EcoPort（前身为CTA 2045）和Matter（前身为Connected Home over IP）等行业推动的新计划有望在不同制造商制造的设备间实现安全、低延时通信。IEEE技术委员会、工作组和任务组也在发挥支持作用，如IEEE电力与能源协会（PES）下设的智慧楼宇、负载和客户系统技术委员会。我们希望未来这些行动能无缝支持本文所述的设备驱动型“分组”概念，而非仅服务于传统的自上而下的通信和控制架构。

此外，还需要激励电力客户改变能源使用方式。目前，无论何时打开热水器，住宅热水器的日均电费都大致相同。可再生能源供应量较高或批发电价较低时，房主开启热水器没有任何经济利益。监管机构、公用事业公司和其他机构需要重新考虑并设计激励措施和灵活的需求计划，以确保所有客户的贡献和奖励公平公正，还需要让消费者了解相关计划的运作方式。

有很多先例可帮助我们解决此类技术和政策挑战。我们需要一个公平、响应迅速、可访问、可靠、有弹性和可扩展的公共系统，这听来与互联网十分相似。分组能源管理的核心设计以互联网的数据通信为模型，将提供与互联网同样重要的种种裨益。随着社会向基于分布式和可再生能源发电的新型电网过渡，我们将需要新的技术和范例。幸运的是，已经有一个经过时间考验的模型为我们指明了方向。

作者：Mads Almassalkhi、Jeff Frolik、Paul Hines