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當(dāng)需求超過供給，麻煩事便接踵而來。疫情之初，我們就深刻汲取了這一教訓(xùn)，當(dāng)時(shí)衛(wèi)生紙、消毒濕巾、口罩和呼吸機(jī)供不應(yīng)求。如今，芯片短缺持續(xù)困擾著消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車以及其他行業(yè)。顯然，平衡的商品供需關(guān)系對社會(huì)的穩(wěn)定、正常、順暢運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。 供需平衡也適用于電網(wǎng)。2021年2月，美國得克薩斯州經(jīng)歷了前所未有的致命寒潮天氣，這場災(zāi)難給我們敲響了警鐘。激增的電熱需求與上凍的天然氣設(shè)備以及低于均值的風(fēng)力發(fā)電量造成的供應(yīng)問題產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖突。由此造成的失衡導(dǎo)致超過200萬個(gè)家庭斷電多日，造成至少210人死亡，更造成了高達(dá)1300億美元的經(jīng)濟(jì)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(nèi)瑞拉的大規(guī)模連鎖停電。

短期內(nèi)這種情況不太可能出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，原因有三。首先，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(dǎo)致電力需求飆升；其次，出于經(jīng)濟(jì)和政策原因，傳統(tǒng)的煤電廠和核電廠正在退役，電網(wǎng)中的穩(wěn)定供電來源減少；再次，雖然風(fēng)能和太陽能光伏系統(tǒng)非常利于保護(hù)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(wǎng)平衡帶來了新的挑戰(zhàn)。

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那么，在臟亂的老舊發(fā)電廠關(guān)閉、可變發(fā)電量上升且用電負(fù)載新增的情況下，電網(wǎng)運(yùn)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(shè)施進(jìn)行現(xiàn)代化改造：建設(shè)龐大的集中式基礎(chǔ)設(shè)施。這意味著要安裝大量的儲(chǔ)能裝置（如電網(wǎng)級的電池和抽水蓄能設(shè)施）以存儲(chǔ)多產(chǎn)生的可再生能源，并將儲(chǔ)能裝置與高壓輸電線路互連，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)供需平衡。中國是此方面的領(lǐng)導(dǎo)者，但該做法成本高昂，而且需要強(qiáng)有力的政治意愿。

我們認(rèn)為有更好的方法。在佛蒙特大學(xué)，我們專注于研究在無需大幅擴(kuò)大電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，如何實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)需求以匹配日益變化的供應(yīng)。我們的技術(shù)采用了可從根本上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)可擴(kuò)展性的兩大理念（即分組化和隨機(jī)化），以此來創(chuàng)建可協(xié)調(diào)分布式能源的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信的這兩大概念可以讓數(shù)百萬用戶和數(shù)十億設(shè)備得以接入互聯(lián)網(wǎng)，無需任何集中調(diào)度或控制。

同樣的基本思路也適用于電網(wǎng)。使用低帶寬連接、運(yùn)行簡單算法的小型控制器，可以使用數(shù)百萬電氣設(shè)備來平衡本地電網(wǎng)中的電力流動(dòng)。來看看我們是如何做的。、電網(wǎng)的電力需求來自數(shù)十億電力負(fù)載。這些負(fù)載可分為兩大類：商用和工業(yè)負(fù)載以及市電負(fù)載。這兩者中，市電負(fù)載非常分散。僅美國就有超過1.2億個(gè)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(huì)考慮優(yōu)化自家一天內(nèi)的電力負(fù)載。為簡單起見，我們將這些市電負(fù)載稱為“設(shè)備”，范圍包括電燈、電視、熱水器、空調(diào)等。

后兩種設(shè)備和電動(dòng)汽車充電樁及泳池水泵不僅是大型電力負(fù)載（即額定功率大于1千瓦），其用電情況還很靈活。我們希望照明燈或電視即開即用，靈活的用電設(shè)備則與之不同，這種設(shè)備可延遲電力消耗并隨時(shí)進(jìn)行操作，只要淋浴有熱水，泳池保持干凈，電動(dòng)汽車電量充足，室內(nèi)溫度舒適即可。

總的來說，市電負(fù)載具有很大的靈活性，可用于幫助平衡可變供應(yīng)。例如，即使加州和紐約州的每個(gè)家庭均僅有1臺(tái)可靈活用電的設(shè)備，無論何時(shí)電網(wǎng)也都有約15千兆瓦的額外容量，相當(dāng)于這些州當(dāng)前電網(wǎng)級蓄電池可提供容量的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(shí)的功耗約為4.5千瓦。正常情況下，該設(shè)備一天的工作時(shí)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(yùn)行成本不到2美元（假設(shè)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(shí)該成本甚至為負(fù)數(shù)，當(dāng)風(fēng)能或太陽能發(fā)電廠的可用電力過多時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)營商會(huì)向電力公司付費(fèi)以合理消耗多余電力。

為減少高峰期的需求，電力公司長期以來一直都有需求響應(yīng)計(jì)劃，以便按照固定的時(shí)間表（例如夏季下午4點(diǎn)至晚9點(diǎn)的歷史用電高峰時(shí)段）關(guān)閉用戶的熱水器、空調(diào)和其他負(fù)載。如果我們只是想在此類時(shí)間減少負(fù)載，那么這一方法相當(dāng)有效。

然而，如果我們的目標(biāo)是實(shí)時(shí)平衡電力供需，以往基于固定時(shí)間表的設(shè)備操作是不夠的，因?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電量會(huì)隨著風(fēng)力和日照條件產(chǎn)生不可預(yù)測的變化。我們需要響應(yīng)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(wǎng)可靠性的額外裨益，如價(jià)格響應(yīng)能力、可再生能源穩(wěn)定輸出和頻率調(diào)節(jié)。

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? 電網(wǎng)運(yùn)營商要如何協(xié)調(diào)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(shè)備，從而提供千兆瓦級的合并電網(wǎng)資源，對高度可變的供應(yīng)做出響應(yīng)？思考這一問題時(shí)，我們在數(shù)字通信系統(tǒng)領(lǐng)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(nèi)容。通過信道發(fā)送此類數(shù)據(jù)時(shí)，它們會(huì)被拆分成數(shù)據(jù)包。各數(shù)據(jù)包會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)路由，分別到達(dá)預(yù)期的目的地。所有數(shù)據(jù)包均到達(dá)目的地后，數(shù)據(jù)會(huì)被重建為原始形式。 那么，這與我們的問題有何相似之處？每天有數(shù)百萬人和數(shù)十億臺(tái)設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)。用戶有自己的設(shè)備、需要和使用模式，我們可將此視為需求，而網(wǎng)絡(luò)本身具有與其帶寬相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)。

互聯(lián)網(wǎng)上的需求和供應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)匹配，無需任何集中調(diào)度程序。同樣，數(shù)十億臺(tái)各自具有動(dòng)態(tài)參數(shù)的電氣設(shè)備正在接入電網(wǎng)，而電網(wǎng)的供應(yīng)水平日益多變。 發(fā)現(xiàn)這種相似性后，我們開發(fā)了名為分組能源管理（PEM）的技術(shù)來協(xié)調(diào)靈活設(shè)備的用電情況。本文的共同作者海因斯（Hines）一直對電力系統(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(shí)，具有通信系統(tǒng)背景的弗羅里克（Frolik）一直致力于算法研究，期望以極低能耗來動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)無線傳感器的數(shù)據(jù)通信。在一次偶然的討論中，我們發(fā)現(xiàn)了大家的交叉興趣點(diǎn)，開始研究如何將有關(guān)算法用于解決電動(dòng)汽車的充電問題。 此后不久，阿爾馬薩爾基（Alma-ssalkhi）加入了我們部門并意識(shí)到我們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(jì)劃局（ARPA-E）的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)（NODES）項(xiàng)目撰寫的提案獲獎(jiǎng)。借助這筆資金，我們得以進(jìn)一步開發(fā)PEM計(jì)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(huì)在水溫降至下限時(shí)開啟熱水器并以4.5千瓦連續(xù)運(yùn)行20到30分鐘，直至水溫達(dá)到上限?！捌ヅ潆娏π枨笈c供應(yīng)”圖底部的一對黑白圖表顯示了10臺(tái)熱水器的開啟和關(guān)閉情況，其中黑色表示關(guān)閉，白色表示開啟。 在PEM模式下，各負(fù)載會(huì)根據(jù)簡單的規(guī)則獨(dú)立運(yùn)行。熱水器不會(huì)只在水溫降至下限時(shí)才加熱，而是定期請求消耗一個(gè)能源包，一個(gè)能源包的定義是僅在很短的一段時(shí)間內(nèi)（如5分鐘）消耗能源。協(xié)調(diào)器（在我們的例子中是一個(gè)基于云端的平臺(tái)）會(huì)根據(jù)反映電網(wǎng)狀況的目標(biāo)信號(hào)（如可再生能源的可用性、電價(jià)等）來批準(zhǔn)或拒絕此類能源包請求?！捌ヅ潆娏π枨笈c供應(yīng)”圖上部的圖表顯示了PEM能耗是如何嚴(yán)格遵循基于可再生能源供應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)的。

為確保能源需求更大的設(shè)備更可能獲得批準(zhǔn)，每臺(tái)設(shè)備都會(huì)根據(jù)其需求調(diào)整請求的頻率。當(dāng)水溫不太熱時(shí)，熱水器的請求頻率更高。當(dāng)水溫較熱時(shí)，請求頻次則會(huì)降低。因此，系統(tǒng)會(huì)以完全分散的方式對設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)先排序，發(fā)出能源包請求的概率與設(shè)備對能源的需求成正比。然后，PEM協(xié)調(diào)器可專注于管理傳入的數(shù)據(jù)包請求，以便主動(dòng)調(diào)整來自眾多分組設(shè)備的總體負(fù)載，無需集中優(yōu)化各設(shè)備的行為。由于請求完全發(fā)生在后臺(tái)，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(yīng)用于各類耗能設(shè)備。例如，電動(dòng)汽車充電樁或住宅蓄電池系統(tǒng)可將電池的當(dāng)前充電狀態(tài)與其所需電量值（相當(dāng)于對能源的需求）進(jìn)行比較，將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為請求概率，然后向PEM協(xié)調(diào)器發(fā)送請求，協(xié)調(diào)器則根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀況或市場條件接受或拒絕請求。根據(jù)條件的不同，電池充滿電所需的時(shí)間可能更長，但不會(huì)給客戶帶來不便。

通過這種方式，靈活用電的設(shè)備可使用簡單的常見能源包請求語言進(jìn)行通信。這樣一來，協(xié)調(diào)器與發(fā)出請求的設(shè)備類型便不存在關(guān)聯(lián)。這種與設(shè)備不相關(guān)的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)通信中的網(wǎng)絡(luò)中立性相似。一般而言，互聯(lián)網(wǎng)并不關(guān)心數(shù)據(jù)包是否攜帶語音、視頻或文本數(shù)據(jù)。同樣，PEM也不關(guān)心請求能源包的設(shè)備是熱水器、泳池泵還是電動(dòng)汽車充電樁，因而可以輕松地對千瓦級設(shè)備的各種組合進(jìn)行協(xié)調(diào)。

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目前，PEM等自下而上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)型技術(shù)尚未得到廣泛部署。與之相反，現(xiàn)今的大多數(shù)需求響應(yīng)技術(shù)均采用自上而下的方法，在這種方法中，協(xié)調(diào)器會(huì)向所有設(shè)備廣播控制信號(hào)，告訴設(shè)備該做什么，但是，若每臺(tái)設(shè)備均被告知同時(shí)做同樣的動(dòng)作，那么可能很快就會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)樵O(shè)備的功耗會(huì)變得同步。想象一下同時(shí)打開（或關(guān)閉）數(shù)百萬臺(tái)空調(diào)、熱水器和電動(dòng)汽車充電樁的效果。這會(huì)帶來千兆瓦耗電峰值，堪比通過輕觸開關(guān)來開啟或關(guān)閉一個(gè)大型核電站。如此高的用電峰值可能導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)連鎖停電。因此當(dāng)今大多數(shù)電力公司都將設(shè)備進(jìn)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積極管理不同的用電群組會(huì)對自上而下的管理方法造成挑戰(zhàn)。

不過，如果每臺(tái)設(shè)備都能滿足自身獨(dú)特的能源需求，則能源包請求（以及由此產(chǎn)生的用電）本質(zhì)上是隨機(jī)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(nèi)涼爽度的偏好。若要協(xié)調(diào)能源設(shè)備以便電網(wǎng)更好地工作，我們需確保采用的方式對消費(fèi)者而言基本難以察覺且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

現(xiàn)在，設(shè)想PEM如何考慮用戶對熱水器的個(gè)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(shí)“退出”PEM方案，開啟加熱直至水溫恢復(fù)。熱水器會(huì)通知PEM協(xié)調(diào)器其操作模式的這一變化，協(xié)調(diào)器則會(huì)簡單地更新對總用電需求的核算。這樣的單一負(fù)載對總負(fù)載的影響很小，但對客戶而言，在需要熱水時(shí)保證有水可用有助建立信任，確保持續(xù)參與管理計(jì)劃。

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PEM的設(shè)備驅(qū)動(dòng)屬性也使協(xié)調(diào)器的工作更為輕松，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器無需集中監(jiān)控或?qū)γ颗_(tái)設(shè)備建模來制定優(yōu)化時(shí)間表，只需監(jiān)控電網(wǎng)和市場狀況，回復(fù)傳入能源包請求的實(shí)時(shí)流，同時(shí)記錄“退出”設(shè)備，換言之，協(xié)調(diào)器只需管理3組數(shù)字。

為了提升我們工作的影響力，我們決定在研究的同時(shí)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(diǎn)項(xiàng)目中部署了基于云端的能源協(xié)調(diào)平臺(tái)。這些項(xiàng)目以我們設(shè)計(jì)、開發(fā)并獲得UL認(rèn)證的智能恒溫器為基礎(chǔ)，以此改造了現(xiàn)有電熱水器。此外，我們還展示了配備PEM的電動(dòng)汽車充電樁、住宅蓄電池和恒溫器。我們的第一個(gè)客戶是來自我們家鄉(xiāng)的佛蒙特公用事業(yè)公司伯靈頓電力部（BED）。2018年，BED啟動(dòng)了美國首個(gè)100%可再生能源熱水器項(xiàng)目，該項(xiàng)目現(xiàn)已擴(kuò)展至電動(dòng)汽車充電樁。

我們的項(xiàng)目取得了一些可喜成果。“負(fù)載協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)演示”圖展示了PEM如何在典型的2小時(shí)周期內(nèi)協(xié)調(diào)佛蒙特州和南卡羅來納州208個(gè)住宅熱水器的負(fù)載。熱水器（橙色線）以快速變化的目標(biāo)（藍(lán)色線）為依據(jù)，變化范圍為標(biāo)稱負(fù)載的一半至約兩倍。

隨著系統(tǒng)擴(kuò)展至數(shù)千臺(tái)分組設(shè)備，異步分組請求將顯示為連續(xù)信號(hào)。仿真結(jié)果表明，在此規(guī)模下，目標(biāo)值與實(shí)際值之間不存在任何差距。總負(fù)載的響應(yīng)速度至少與現(xiàn)代天然氣發(fā)電廠的響應(yīng)速度一樣快，且無需建造、運(yùn)營和維護(hù)實(shí)體電廠的費(fèi)用。

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? 傳感器和微控制器成本的下降引發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)的快速增長。可以想像，結(jié)合智能家居技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)所有能源設(shè)備（負(fù)載、儲(chǔ)能裝置和發(fā)電機(jī)）的積極協(xié)調(diào)，保持電網(wǎng)穩(wěn)定，充分利用可再生能源。不過，挑戰(zhàn)同樣擺在眼前。 首先，目前沒有標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)對設(shè)備級協(xié)調(diào)感興趣的制造商，也缺乏真正的激勵(lì)措施促使制造商采用任何特定技術(shù)。這使得解決相同基本問題的專有技術(shù)急劇增多。對于這一問題，我們可再次從互聯(lián)網(wǎng)中汲取靈感：專有解決方案不太可能得到充分?jǐn)U展以解決目前的能源問題。

EcoPort（前身為CTA 2045）和Matter（前身為Connected Home over IP）等行業(yè)推動(dòng)的新計(jì)劃有望在不同制造商制造的設(shè)備間實(shí)現(xiàn)安全、低延時(shí)通信。IEEE技術(shù)委員會(huì)、工作組和任務(wù)組也在發(fā)揮支持作用，如IEEE電力與能源協(xié)會(huì)（PES）下設(shè)的智慧樓宇、負(fù)載和客戶系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)。我們希望未來這些行動(dòng)能無縫支持本文所述的設(shè)備驅(qū)動(dòng)型“分組”概念，而非僅服務(wù)于傳統(tǒng)的自上而下的通信和控制架構(gòu)。

此外，還需要激勵(lì)電力客戶改變能源使用方式。目前，無論何時(shí)打開熱水器，住宅熱水器的日均電費(fèi)都大致相同?？稍偕茉垂?yīng)量較高或批發(fā)電價(jià)較低時(shí)，房主開啟熱水器沒有任何經(jīng)濟(jì)利益。監(jiān)管機(jī)構(gòu)、公用事業(yè)公司和其他機(jī)構(gòu)需要重新考慮并設(shè)計(jì)激勵(lì)措施和靈活的需求計(jì)劃，以確保所有客戶的貢獻(xiàn)和獎(jiǎng)勵(lì)公平公正，還需要讓消費(fèi)者了解相關(guān)計(jì)劃的運(yùn)作方式。

有很多先例可幫助我們解決此類技術(shù)和政策挑戰(zhàn)。我們需要一個(gè)公平、響應(yīng)迅速、可訪問、可靠、有彈性和可擴(kuò)展的公共系統(tǒng)，這聽來與互聯(lián)網(wǎng)十分相似。分組能源管理的核心設(shè)計(jì)以互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信為模型，將提供與互聯(lián)網(wǎng)同樣重要的種種裨益。隨著社會(huì)向基于分布式和可再生能源發(fā)電的新型電網(wǎng)過渡，我們將需要新的技術(shù)和范例。幸運(yùn)的是，已經(jīng)有一個(gè)經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)的模型為我們指明了方向。

作者：Mads Almassalkhi、Jeff Frolik、Paul Hines

編輯：黃飛

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