如何通过分组电网防止停电

我们认为有更好的办法。我们没有大幅扩大电网基础设施，而是在佛蒙特大学重点研究了如何实时协调需求，以适应日益变化的供应。我们的技术采用了使互联网从根本上可扩展的两个想法——分组和随机化——并使用它们来创建一个可以协调分布式能量的系统。这两种数据通信概念允许数百万用户和数十亿设备连接到互联网，而无需任何集中调度或控制。同样的基本想法也可以应用于电网。利用低带宽连接和运行简单算法的小型控制器，数以百万计的电气设备可以用来平衡本地电网中的电力流量。这是如何。

电力需求来自于数十亿的电力负荷。这些可以分为两大类:商业和工业负荷，以及住宅负荷。在这两者中，住宅的负荷要分散得多。仅在美国，就有超过1.2亿户家庭，这些家庭的用电量占全年用电量的40%左右。但住宅用户在日常生活中通常不会考虑优化自己的电力负荷。为简单起见，我们将这些住宅负荷称为“设备”，包括电灯、电视、热水器和空调。

后一种设备，连同电动汽车充电器和泳池泵，不仅电力负荷大(即额定功率大于1千瓦)，而且它们也很灵活。不像照明或电视，你一按开关就想打开，一个灵活的设备可以延迟消耗，随时工作——只要你的淋浴有热水，你的游泳池是干净的，你的电动汽车有足够的电量，室内温度是舒适的。

总的来说，住宅电力负荷有很大的灵活性，可以用来帮助平衡可变供应。例如，如果加州和纽约的每个家庭都有一个可以灵活使用电力的设备，那么在任何时候，电网将拥有相当于大约150吉瓦的额外容量，这是这些州目前公用事业规模电池存储容量的10倍以上。

以下是在操作家用电热水器时的灵活性。在加热水时，一个典型的机组大约需要4.5千瓦的电力。在正常的一天中，该设备的使用时间约为十分之一，使用约10.8千瓦时。对于房主来说，每天运行热水器的成本不到2美元(假设费率约为每千瓦时15美分)。但对公用事业公司来说，电力成本变化很大，从名义上的每千瓦时4美分到每年高峰时期的每千瓦时100多美元。有时，成本甚至是负的:当风能或太阳能发电厂提供的电力过多时，电网运营商实际上是向公用事业公司支付费用，以消耗多余的电力。

为了减少高峰时期的需求，公用事业公司长期以来一直提供需求响应计划，允许他们在固定的时间表上关闭客户的热水器、空调和其他负荷，比如在夏季的下午4点到9点，这是历史上使用率最高的时候。如果我们所要做的只是在这种时候减少负载，那么这种方法相当有效。

然而，如果我们的目标是实时平衡电网，因为可再生能源发电随着风和太阳的不可预测地涨落，那么根据基于过去行为的固定时间表来运行设备是不够的。我们需要一种更具响应性的方法，这种方法不仅可以减少峰值需求，还可以提供提高电网可靠性的额外好处，例如价格响应性、可再生能源平滑和频率调节。

电网运营商如何协调许多分布式的、灵活的千瓦级设备，每个设备都有自己的特定需求和要求，以提供一个聚合的千兆瓦级电网资源，以响应高度可变的供应?在思考这个问题时，我们在另一个领域找到了灵感:数字通信系统。

数字系统将您的声音、电子邮件或视频剪辑表示为比特序列。当这个数据通过信道发送时，它被分解成包。然后，每个包都独立地通过网络路由到预定的目的地。一旦所有数据包都到达，数据就会被重建成原始形式。

这和我们的问题有什么相似之处?每天有数百万人和数十亿台设备在使用互联网。用户有他们自己的设备、需求和使用模式——我们可以把它们看作是需求——而网络本身有与其带宽相关的动态——换句话说，就是它的供应。然而，互联网上的需求和供应是实时匹配的，没有任何集中的调度程序。同样，数十亿个电气设备，每个都有自己的动态，正在连接到电网，而电网的供应，正如我们所注意到的，正变得越来越不稳定。

认识到这种相似性，我们开发了一种称为分组能量管理(PEM)的技术来协调灵活设备的能量使用。合著者海恩斯长期以来一直对电力系统可靠性感兴趣，并一直在研究输电线路故障如何导致级联停电和系统停电。与此同时,Frolik他的背景是通信系统，他一直在研究一种算法，以一种消耗很少能量的方式动态协调来自无线传感器的数据通信。亚博排列五投注网站通过一次偶然的讨论，我们意识到我们有交集的兴趣，并开始研究如何将这些算法应用于电动汽车充电问题。

此后不久,Almassalkhi加入我们的部门，并认识到我们的工作有更大的潜力。2015年，他写了一份获奖提案ARPA-E的NODES项目这是美国能源部高级研究计划局的能源网络优化分布式能源系统计划。这笔资金使我们能够进一步发展PEM方法。

让我们回到电热水器上。在常规操作下，热水器是由恒温器控制的。当水温达到下限时开机，持续运行(4.5 kW) 20 ~ 30分钟，直到水温达到上限时。“电力供需匹配”底部的一对黑白图表显示了10个加热器的开关模式——黑色代表关闭，白色代表打开。

在PEM下，每个负载根据简单的规则独立运行。热水器不是只在水温达到其下限时才加热，而是周期性地要求消耗“包”能量，其中包被定义为仅在短时间内(比如5分钟)消耗电力。协调器(在我们的例子中，是一个基于云的平台)根据反映电网条件的目标信号(如可再生能源的可用性、电力价格等)批准或拒绝此类数据包请求。“电力需求与供应匹配”中的顶部图表显示了PEM消耗如何密切遵循基于可再生能源供应的目标信号。

为了确保对能源需求更大的设备更有可能获得批准，每个设备都根据其需求调整其请求的速率。当水不太热时，热水器的要求就会更高。水越热，要求的次数就越少。因此，系统以完全分散的方式动态地对设备进行优先级排序，因为发出数据包请求的概率与设备对能量的需求成正比。PEM协调器可以专注于管理传入的数据包请求，以主动地形成来自许多分组设备的总负载，而不需要集中优化每个设备的行为。从客户的角度来看，热水器没有任何变化，因为这些请求完全是在后台发生的。

这些相同的概念可以应用于广泛的高耗能设备。例如，电动汽车充电器或住宅电池系统可以将电池当前的充电状态与其所需的能量值进行比较，将其转换为请求概率，然后将请求发送给PEM协调器，后者根据实时电网或市场条件接受或拒绝请求。根据这些条件，电池完全充电可能需要更长时间，但不应给客户带来不便。

通过这种方式，灵活的能源设备使用通用的、简单的能源包请求语言进行通信。因此，协调器不知道发出请求的设备类型。这种与设备无关的协调类似于数据通信中的网络中立性。一般来说，互联网并不关心您的数据包是否携带语音、视频或文本数据。类似地，PEM并不关心请求数据包的设备是热水器、泳池泵还是电动汽车充电器，因此它可以很容易地协调千瓦级设备的异构混合。

现在,自下而上的、设备驱动的技术，如PEM，还没有广泛部署。相反，今天的大多数需求响应技术都采用自顶向下的方法，其中协调器向所有设备广播控制信号，告诉它们该做什么。但是，如果每个设备都被告知在同一时间做同一件事，事情可能很快就会出错，因为设备的功耗变得同步。想象一下数百万个空调、热水器和电动汽车充电器同时打开(或关闭)的效果。这将代表千兆瓦的峰值，就像一个大型核电站随着开关的翻转而启动或关闭。这么大的峰值可能会导致电网变得不稳定，从而引发连锁停电。这就是为什么今天大多数公用事业公司将设备分成几组，将峰值限制在几十兆瓦。然而，积极地管理这些不同的群体，而不仅仅是一些年度高峰事件，对于自上而下的方法来说是一个挑战。

但是，如果每个设备都能满足自己独特的能源需求，那么数据包请求(以及由此产生的电力使用)本质上是随机的，因此，同步问题就不那么重要了。

自上而下的方法也很难考虑到客户对热水、充电汽车和热天凉爽房屋的偏好。如果我们要协调能源设备以使电网更好地工作，我们需要确保我们以一种基本上不引人注目的方式来做这件事，并且对消费者来说是自动的。

现在，考虑PEM如何在热水器的情况下解释单个客户的偏好。如果水温低于其下限，而加热器还没有消耗一包能量，它可以暂时“退出”PEM方案并打开，直到温度恢复。热水器将通知PEM协调器其运行模式的这一变化，协调器将简单地更新其总需求的计算。这一单一负荷对总负荷的影响很小，但对于客户来说，在需要时保证有热水可以建立信任，并确保持续参与。

PEM的设备驱动方法也使协调器的工作变得更容易，因为它不需要集中监控或建模每个设备来开发优化的计划。协调器只需要监控网格和市场条件，回复传入数据包请求的实时流，并保存“选择退出”设备的记录——换句话说，协调器只管理三组数字。

为了增加影响力在我们的工作中，我们决定将PEM商业化，并与我们的研究并行通过能源在2016年。该公司已经在美国和加拿大的几个公用事业公司赞助的试点项目中部署了其基于云的能源协调平台。这些项目都是从将现有的电热水器改造为我们设计、开发并获得ul认证的智能恒温器开始的。我们还演示了PEM与电动汽车充电器、家用电池和恒温器的结合。我们的第一个客户是我们家乡佛蒙特州的公用事业公司，伯灵顿电力局．2018年，BED启动了全国首个100%可再生能源热水器项目，现在该项目已扩展到电动汽车充电器。