“社會(huì)元素在向能源系統(tǒng)提供市場(chǎng)信息與精準(zhǔn)服務(wù)的同時(shí)，必然會(huì)引入信息的安全風(fēng)險(xiǎn)，從而影響智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性和安全性。因此，應(yīng)該建立一個(gè)信息緩沖環(huán)節(jié)，來完成數(shù)據(jù)清洗并實(shí)現(xiàn)更接近服務(wù)側(cè)的高效計(jì)算。這個(gè)緩沖環(huán)節(jié)加上泛在的互聯(lián)網(wǎng)，就組成了國(guó)網(wǎng)公司提出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。”
電力系統(tǒng)要主動(dòng)支撐能源轉(zhuǎn)型及社會(huì)參與
中國(guó)能源報(bào)：能源轉(zhuǎn)型對(duì)電力系統(tǒng)提出了哪些新要求？
薛禹勝：在化石類能源作為主要發(fā)電燃料時(shí)，發(fā)電環(huán)節(jié)有很好的可控性和靈活性。但是當(dāng)可再生能源大規(guī)模替代化石類能源后，前者的強(qiáng)不確定性和不可控性，再加上終端能源側(cè)大規(guī)模的電能替代及用電模式的變化，電力系統(tǒng)無法再依靠一次能源的可控性及終端能源消費(fèi)的平穩(wěn)性來滿足電力的瞬時(shí)平衡。
反過來，能源安全及環(huán)境安全都高度依賴于電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源的高效轉(zhuǎn)化、電力的可靠輸送以及與用戶友好交互的主動(dòng)支撐。作為整個(gè)能源鏈中的樞紐橋梁以及能源變革中的核心環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻。不但不能再依靠能源鏈的上下游來保證其可靠運(yùn)行，反而要主動(dòng)推動(dòng)其上游的可再生能源發(fā)展，并積極為其下游的電能替代創(chuàng)造友好平臺(tái)。
電力系統(tǒng)不僅是一次能源和終端能源之間的樞紐，也和社會(huì)環(huán)境、自然災(zāi)害、投資以及市場(chǎng)等非能源因素緊密耦合。城市的給排水、交通、應(yīng)急處置等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，都與能源系統(tǒng)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(tǒng)孤立看待的思維方式顯然不再可行。
中國(guó)能源報(bào)：您認(rèn)為國(guó)網(wǎng)公司提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的背景是什么？在能源轉(zhuǎn)型中，電力系統(tǒng)還要考慮哪些因素？
薛禹勝：在物理元素中，除能源系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和檢修以外，還要考慮其排放和污染，及能源系統(tǒng)與自然災(zāi)害的交互影響，能量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集范圍也要擴(kuò)展到上述環(huán)節(jié)。
在強(qiáng)調(diào)以用戶需求為主導(dǎo)的能源變革中，能源系統(tǒng)必須充分滿足社會(huì)的知情權(quán)及參與權(quán)，而市場(chǎng)開放的大趨勢(shì)更使得社會(huì)因素越來越重要。與電力系統(tǒng)相關(guān)的不同角色的多參與者之間通過市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)博弈，使自身利益最大化，這必然會(huì)影響到電力系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的規(guī)劃和基礎(chǔ)建設(shè)。
以上多種因素都突破了現(xiàn)有的信息物理系統(tǒng)（CPS）框架的概念。因此，必須在信息與物理這兩個(gè)元素之外增加第三個(gè)元素，即社會(huì)元素。相應(yīng)地，CPS框架應(yīng)該被擴(kuò)展為信息物理社會(huì)系統(tǒng)（CPSS，cyber-physical-socialsystem），強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、物體和人的融合。這就是泛在物聯(lián)網(wǎng)概念被提出的背景。
信息緩沖環(huán)節(jié)保證智能電網(wǎng)在開放環(huán)境中的安全性
中國(guó)能源報(bào)：當(dāng)智能電網(wǎng)融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，可能有哪些困難？您有什么解決建議？
薛禹勝：電力系統(tǒng)基本的技術(shù)責(zé)任是可靠經(jīng)濟(jì)地供電。智能電網(wǎng)得以堅(jiān)強(qiáng)的原因之一，是信息安全性得到了嚴(yán)格管理。這是以放棄開放性為代價(jià)的，所有的數(shù)據(jù)終端都必須經(jīng)過授權(quán)和嚴(yán)格的監(jiān)控保護(hù)。現(xiàn)在，電力系統(tǒng)必須承擔(dān)充分開放的社會(huì)責(zé)任，支持民眾通過泛在的互聯(lián)網(wǎng)了解并參與到發(fā)電、輸配電和終端消費(fèi)的過程。但是其代價(jià)則是正常數(shù)據(jù)中可能混入虛假數(shù)據(jù)或惡性代碼。這些可能已被污染的數(shù)據(jù)一旦進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)，就可能使電力系統(tǒng)變得脆弱，甚至被顛覆。因此，長(zhǎng)期以來電力系統(tǒng)的技術(shù)責(zé)任和社會(huì)責(zé)任被一堵“墻”完全隔開了，社會(huì)需求不能自動(dòng)傳入內(nèi)網(wǎng)，用戶也不能及時(shí)獲取必要的數(shù)據(jù)，不能有效參與能源鏈。現(xiàn)在，打破這堵“墻”已經(jīng)成為社會(huì)聲音和國(guó)家意志。
在信息安全程度不能滿足內(nèi)網(wǎng)安全要求的情況下，如何保證數(shù)據(jù)的連通？如何在不破壞電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)信息安全的前提下，提供充分的開放度？我認(rèn)為，在完全開放的互聯(lián)網(wǎng)與高度可靠的內(nèi)網(wǎng)之間應(yīng)建立一個(gè)信息緩沖網(wǎng)。由于用戶側(cè)參與的任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比內(nèi)網(wǎng)任務(wù)的要求有數(shù)量級(jí)以上的寬松，緩沖環(huán)節(jié)有足夠的時(shí)間應(yīng)用已有的或?qū)?huì)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)清洗技術(shù)來排除惡意代碼，并經(jīng)過邊緣計(jì)算的提煉，在保證最后需要進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全的同時(shí)大大減少數(shù)據(jù)量，從而兼容智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)可靠性和公用網(wǎng)的開放性。
中國(guó)能源報(bào)：能否具體介紹這種安全性是如何實(shí)現(xiàn)的？
薛禹勝：基于專用網(wǎng)的緩沖環(huán)節(jié)有兩個(gè)接口：它與互聯(lián)網(wǎng)之間的接口使它能夠獲得泛在的能力與開放性，它與內(nèi)網(wǎng)的接口則使它能夠與可靠性要求極高的核心業(yè)務(wù)交互。允許緩沖環(huán)節(jié)清洗數(shù)據(jù)引入的時(shí)滯可以放寬到分鐘級(jí)或以上，這樣的響應(yīng)速度是完全可以被接受的，從而有效貫通了智能電網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。
我認(rèn)為，互聯(lián)網(wǎng)與上述緩沖網(wǎng)的集合就是當(dāng)前所講的電力物聯(lián)網(wǎng)的概念和功能。其泛在性來自于互聯(lián)網(wǎng)，而緩沖環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)安全清洗功能和邊緣計(jì)算知識(shí)提取功能則保證了對(duì)智能電網(wǎng)可靠性影響的最小化。這樣的深度融合貫通了互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)，形成了能源領(lǐng)域的信息物理社會(huì)系統(tǒng)。
智能電網(wǎng)本身就是一個(gè)能源領(lǐng)域的信息物理系統(tǒng)，電力物聯(lián)網(wǎng)則是針對(duì)能源領(lǐng)域社會(huì)元素的信息物理系統(tǒng)。兩者都是信息物理系統(tǒng)，只是前者以犧牲開放性的代價(jià)換取了可靠性，而后者則以犧牲可靠性的代價(jià)換取了開放性。緩沖網(wǎng)則以引入時(shí)滯的代價(jià)貫通了互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)，而該時(shí)滯對(duì)整體性能的影響則微乎其微。這個(gè)框架可以在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)支撐能源領(lǐng)域發(fā)展的需要。
智能電網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的深度融合體現(xiàn)在各個(gè)層次，包括數(shù)據(jù)采集、知識(shí)提取、決策支持和控制實(shí)施。社會(huì)環(huán)境中的互聯(lián)網(wǎng)連接了泛在的人和物，相關(guān)的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖網(wǎng)的安全清洗后，將提取的知識(shí)送到內(nèi)網(wǎng)。電力物聯(lián)網(wǎng)的分析決策過程與智能電網(wǎng)也有融合。內(nèi)網(wǎng)中的控制對(duì)象是固定的設(shè)備；電力物聯(lián)網(wǎng)的控制對(duì)象則是移動(dòng)的人與物。
兩網(wǎng)深度融合應(yīng)用前景廣泛
中國(guó)能源報(bào)：能源物理信息系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中扮演著怎樣的角色？
薛禹勝：研究能源轉(zhuǎn)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(lián)網(wǎng)擴(kuò)大了智慧能源網(wǎng)的信息感知及終端調(diào)控的范圍。在分布發(fā)電及儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)REG監(jiān)控、電池監(jiān)控、備用狀態(tài)和啟動(dòng)能力；在配電/變電環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量、作業(yè)管理、安全防護(hù)、故障診斷以及恢復(fù)控制；在用電環(huán)節(jié)，涉及的應(yīng)用包括電動(dòng)汽車充放電、智能抄表、智能家居、需求響應(yīng)以及運(yùn)營(yíng)互動(dòng)；形成需求和情境的感知、理解、響應(yīng)、反饋以及全壽命管理閉環(huán)，提供定制化的高效服務(wù)；用于氣象觀測(cè)、設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)等環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，身份識(shí)別、維護(hù)人員定位以及狀態(tài)相關(guān)的人員管理環(huán)節(jié)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中對(duì)搶修人員、裝備及急救物資的調(diào)度與風(fēng)險(xiǎn)告知。
具體到日常生活中，能源物理信息系統(tǒng)能為用戶提供合理的用電用能建議。比如通過對(duì)用電量和電價(jià)、用戶特性進(jìn)行分析，幫助用戶安排用電，或者幫助工商業(yè)用戶合理安排生產(chǎn)計(jì)劃、運(yùn)行計(jì)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(xié)調(diào)合理使用，達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)性，為用戶提供較好的服務(wù)。
中國(guó)能源報(bào)：能否舉例說明用戶參與下的具體應(yīng)用場(chǎng)景？
薛禹勝：在開放的市場(chǎng)環(huán)境中，如果技術(shù)問題不能充分考慮到參與者的利益，那就很難得到推廣應(yīng)用。
例如V2G（電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)），利用較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停在充電站的電動(dòng)汽車智能的充放電，集電商可以在車主與電力市場(chǎng)之間成為中介，承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)峰及備用等輔助服務(wù)。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(jié)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(jì)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(bǔ)償時(shí)，才會(huì)積極響應(yīng)V2G。因此，在推演過程中必須充分計(jì)入車主在電動(dòng)汽車的購(gòu)買、出行、充電和參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的行為，這部分就是電力物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)輔助市場(chǎng)中與其他發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)的參與者博弈，這部分就是智能電網(wǎng)要做的。要解決V2G參與備用的問題，就一定要把這兩個(gè)網(wǎng)一起考慮，尋找并優(yōu)化各方都能接受的平衡點(diǎn)。
再舉一個(gè)停電后恢復(fù)控制的例子。我國(guó)輸電系統(tǒng)是世界上最安全可靠的輸電系統(tǒng)之一，重要原因之一是我國(guó)科研工作者和工程技術(shù)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。其中，智能電網(wǎng)考慮了預(yù)防控制、緊急控制和校正控制的自動(dòng)化及其優(yōu)化協(xié)調(diào)。而一旦發(fā)生停電，由于配網(wǎng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化不完善，且恢復(fù)控制中需要與大量分散的物體與人員交互，恢復(fù)控制仍然主要依靠人員經(jīng)驗(yàn)，電力物聯(lián)網(wǎng)的缺席也就成為恢復(fù)控制尚未充分自適應(yīng)的主要原因之一。在恢復(fù)過程中，需要考慮到不同停電用戶的耐受度及風(fēng)險(xiǎn)，比較不同恢復(fù)方案的機(jī)會(huì)成本及期望收益，綜合決策，這就需要從電力物聯(lián)網(wǎng)中獲取大量人和物信息，并與從智能電網(wǎng)中獲得的調(diào)度與控制信息協(xié)調(diào)優(yōu)化。