智能電網(wǎng)、電力大數(shù)據(jù)、硬件發(fā)展,再加上軟件的優(yōu)化乃至全球各類電力用戶的參與,使得智能電網(wǎng)成為主流。公共事業(yè)部門正面臨著智能化的必然選擇,全球尚未建立智能電網(wǎng)的統(tǒng)一運營模式,隨著消費者數(shù)量不斷增加,大多數(shù)消費者也將要求獲得越來越多的智能化用電選擇。
對于所有電力企業(yè)來說,不可避免地需要思考——需要什么樣的智能電網(wǎng)?應(yīng)當從何處著手,以何種方式從傳統(tǒng)技術(shù)向智能化技術(shù)轉(zhuǎn)型?智能化的轉(zhuǎn)型面臨怎樣的困難?對于用戶而言,體驗有何變化?智能電網(wǎng)實現(xiàn)了信息互聯(lián),它安全嗎?隱私是需要擔(dān)憂的問題嗎?
Ram Rajagopal博士是美國斯坦福大學(xué)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)實驗室Stanford Sustainable Systems Lab (S3L)負責(zé)人,專注于可再生能源、智能配電系統(tǒng)和需求側(cè)數(shù)據(jù)分析的整合。其研究重點是電力網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模監(jiān)控以及數(shù)據(jù)分析。采訪中,Rajagopal分享了斯坦福大學(xué)基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能電網(wǎng)研究,如何從實驗室走到我們身邊,并通過增強電網(wǎng)協(xié)調(diào)性,悄悄改變我們的生活。
以下為經(jīng)過編輯的采訪實錄。
從“Smart Grid”到“ Intelligent Grid”
eo:智能電網(wǎng)現(xiàn)在得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,您為何會對智能電網(wǎng)的研究產(chǎn)生興趣,又是如何進入這個領(lǐng)域的?
Rajagopal:我從事智能電網(wǎng)方面的研究始于9年前,對這個方向產(chǎn)生興趣基于兩點原因。首先源于個人背景,我來自巴西,但在那里電力系統(tǒng)以及電力服務(wù)一直是困擾巴西政府的一大難題,我兒時時常遭遇供電時好時壞的狀況。9年前,我對氣候變化也有了很多了解,我的學(xué)術(shù)背景是通過利用傳感器數(shù)據(jù)以及建立模型為管理電力網(wǎng)絡(luò)提供解決方案。那時我就在想,也許用這些方法來管理電能,我們就能夠提升系統(tǒng)的性能,并助力電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,以便其能接受更多可再生能源。
eo:我注意到您同時也有計算機技術(shù)的學(xué)術(shù)背景,這對您在智能電網(wǎng)的研究有怎樣的幫助?
Rajagopal:我在加州大學(xué)伯克利分校獲得了電力工程與計算機科學(xué)的博士學(xué)位,以及統(tǒng)計學(xué)碩士的學(xué)位,因此我會結(jié)合一些IT技術(shù)和建模方法并應(yīng)用在電力系統(tǒng)的研究中。
eo:您的智能電網(wǎng)實驗室現(xiàn)在主要研究哪些智能電網(wǎng)以及電力大數(shù)據(jù)的課題?
Rajagopal:我們的實驗室主要關(guān)注于分布式能源的利用,包括
eo:根據(jù)美國能源部對智能電網(wǎng)的定義,它是在從發(fā)電到用電的整個過程實現(xiàn)信息和電能的雙向流動,那么目前國際上智能電網(wǎng)從科研到實際應(yīng)用發(fā)展到了哪一步?
Rajagopal:事實上智能電網(wǎng)的有兩種定義。其中一種較為傳統(tǒng)的即能源部下的定義,也就是能夠?qū)崟r與電力資源交互連接,這種技術(shù)在今天的實際情境中幫助你從電力消費者那里實時獲取更多數(shù)據(jù),也幫助你互相交流資源并釋放信號,這在目前已經(jīng)實現(xiàn)了。
但是如果你想要的是“智能化的電網(wǎng)”(Intelligent Grid)而不是傳統(tǒng)意義上的智能電網(wǎng)(Smart Grid),前者包含了更多層的意義。它可以使消費者將他們擁有的任何一種電力資源并網(wǎng),并且實現(xiàn)電力的交換。同時利用它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立更好的模型分析用戶習(xí)慣,并且利用這些模型來提高系統(tǒng)性能,降低可再生能源并網(wǎng)的成本。
eo:也就是說是現(xiàn)有智能電網(wǎng)的升級版?
Rajagopal:是的,它側(cè)重的是頂層的信息交互。通過基于數(shù)據(jù)的模型,利用你收集來的信息可以了解消費者的行為習(xí)慣,電網(wǎng)自身的行為習(xí)慣,并且通過模型自動做出選擇。因此,電網(wǎng)能以很快的速度得出很多決定,診斷問題,最終決定應(yīng)該使用哪一種電力資源,但是目前很多情況并不是自動調(diào)度。因此我們現(xiàn)在處于由智能電網(wǎng)向智能自動化的電網(wǎng)過渡的階段。
eo:也就是從人工調(diào)度向智能機器調(diào)度的轉(zhuǎn)變?
Rajagopal:是的,智能化的電網(wǎng)首先能幫助人類一起工作,提供很多選擇。這是你需要很多的工程經(jīng)驗才能獲取的,但智能電網(wǎng)做出的很多選擇就可以通過機器自動完成。也許最終這些算法會變得很強大并能夠代替人為做出選擇。因此,你就能在單位時間做出更多的選擇,而如果你了有很多選擇,那么你在做選擇時就能更有效,最終可以降低操作系統(tǒng)的成本。
智能電網(wǎng)核心:協(xié)調(diào)各類電力資源
eo:有觀點認為需求響應(yīng)以及微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的核心,您是否贊同這一觀點?
Rajagopal:需求響應(yīng)和微電網(wǎng)是兩種技術(shù)不同的技術(shù),用以幫助提高電網(wǎng)的智能性。微網(wǎng)從本質(zhì)上說是指有一系列當?shù)氐碾娏Y源可以調(diào)配 這些當?shù)刭Y源在極端條件下依然可以使用。需求響應(yīng)是指你能夠控制自己的用電負荷并有可能放棄使用部分負荷。
我們換個思路考慮這個問題,另一種提高電網(wǎng)智能性的重要方法,其實是增加電力資源之間的可協(xié)調(diào)性。不管是微網(wǎng)還是需求響應(yīng),都是通過在某一范圍內(nèi)協(xié)調(diào)這些電力資源來為其他的電力系統(tǒng)提供能量。因此,我認為智能電網(wǎng)的核心應(yīng)該是通過更精確的模型從而更好地調(diào)配電力。不同的技術(shù)都可以成為電力協(xié)調(diào)的一部分,他們不是競爭的關(guān)系。
eo:每個國家對于智能電網(wǎng)的定義各有差異和側(cè)重,有些地區(qū)如澳大利亞側(cè)重于分布式能源,而有些地區(qū)則依托于大電網(wǎng),那這二者之間對于電網(wǎng)“智能化”的要求有何不同?
Rajagopal:區(qū)別在于,不同區(qū)域擁有的電力資源不同,更重要的是政策架構(gòu)的不同。比如說,在美國擴大電網(wǎng)建設(shè)的過程非常復(fù)雜,從得到許可到建立完成大概要花費10年時間,實際建設(shè)輸電線路只需要1年。但是在中國,建設(shè)輸電網(wǎng)絡(luò)要更有效率。智能電網(wǎng)的目標旨在提高交互能力,增加能源供給的種類,有更多機會實現(xiàn)高效調(diào)度。通過輸電線路把偏遠地區(qū)便宜的電力運送到負荷中心更合理地配置資源。但相比要花很長時間,那么在社群內(nèi)建屋頂太陽能是更好的選擇。因此兩者路徑都要考慮使用可持續(xù)性的清潔能源且價格更低的電力,增加協(xié)調(diào)的可能性。各個地區(qū)復(fù)雜的政策架構(gòu)的不同在大多數(shù)情況下決定了他們對“智能化”的不同選擇 。
eo:從技術(shù)上來看,發(fā)展智能電網(wǎng)遇到的最大的難點是什么?
Rajagopal:我認為有以下幾點,首先是缺少通信標準。目前只有部分電網(wǎng)設(shè)定了通信標準,但是智能設(shè)備有太多制造商,這就需要統(tǒng)一的通信標準來實現(xiàn)家庭儲能、家用電器等的信息互動并優(yōu)化互動。
第二個挑戰(zhàn)在于,現(xiàn)在正在運行的電網(wǎng)非??煽?。如果我們改造電網(wǎng),我們就需要保護或者提高電網(wǎng)可靠性。因此怎樣實現(xiàn)轉(zhuǎn)型,與現(xiàn)有電網(wǎng)并存也是一大難點。
第三,系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性也是一大挑戰(zhàn)。許多科技專注于細節(jié),或者某種技術(shù),比如發(fā)展微網(wǎng),儲能等等,但是不能忽略的是整個工程系統(tǒng)需要通盤考慮。這些問題都是可以解決的。
eo:就您對智能電網(wǎng)建設(shè)情況的了解,目前中國處于怎樣的水平?
Rajagopal:這是我第三次到中國訪問,從大學(xué)到電網(wǎng)公司包括國家領(lǐng)導(dǎo)都很看重如何并網(wǎng)更多的風(fēng)電、光伏,使電力更清潔,并提高電網(wǎng)的可靠性。中國電網(wǎng)的快速發(fā)展是非常令人震驚的。甚至可以預(yù)見,在不遠的將來,中國能夠承擔(dān)起未來電力系統(tǒng)的重要部分。
智能電網(wǎng)VS電力市場
eo:在美國,電力市場包括了實時市場、輔助服務(wù)市場、容量市場等,需求響應(yīng)這一類技術(shù)怎樣參與這一類市場?當我們在應(yīng)用這樣的技術(shù)來協(xié)調(diào)電力需求時,是否應(yīng)該設(shè)計一些新的市場規(guī)則來輔助這種服務(wù)?
Rajagopal:如果你有更精確的消費者行為習(xí)慣的模型,你可以利用它們在廣泛的區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)電力資源。這不是僅僅協(xié)調(diào)非常大的工業(yè)負荷,也可以整合商業(yè)負荷、居民負荷等中小負荷,并且利用這些模型實現(xiàn)當用戶收到需要需求響應(yīng)的信號時,令他們可以積極地參與響應(yīng),這是數(shù)據(jù)起作用的地方之一。一旦你有跟蹤信號的能力,你就可以參與電力市場的各個服務(wù)。
當你有了新的電力資源,市場還需要提供些什么呢?現(xiàn)有的電力市場在規(guī)劃設(shè)計時未考慮占重要比例的可再生能源電力的出現(xiàn),也沒有考慮負荷的靈活性。比如電動汽車需要在某一特定時間有相應(yīng)的電量?,F(xiàn)有的電力市場都未曾設(shè)計,因此你會發(fā)現(xiàn)對于智能化設(shè)計而言,增加電力市場支持非常有挑戰(zhàn)性。很多研究正在關(guān)注在批發(fā)市場(Wholesale Market)怎么做,斯坦福的研究有些許差別。我們考慮或許可以在交互能源系統(tǒng)(Transactive System)中有所作為,使所有靈活的負荷能在當?shù)乩?。而在全球的層面,我們希望能有更簡單的電網(wǎng)架構(gòu),這也是我們正在研究的方向。
eo:美國有很多種類的電力市場,如容量市場、輔助服務(wù)市場等,但是在中國并未建立起這一類服務(wù)性質(zhì)的電力市場,缺乏這一類市場的參與,對于中國居民參與智能電網(wǎng)的如需求響應(yīng)、微網(wǎng)等技術(shù)會不會打折扣?
Rajagopal:雖然我不是電力市場設(shè)計方面的專家,但是與電力用戶有非常緊密的合作。電力用戶參與市場最重要的事之一,是他們必須了解如果我參與提供服務(wù)我應(yīng)該得到什么樣的回報?如果缺少回報機制,用戶參與這些市場就有難度。有人認為應(yīng)該建立場,有人認為有其他的激勵方法,更多的研究表明,獎勵不一定是經(jīng)濟形式,也可以是補償或者其他類型。如果缺少市場設(shè)計,就需要仔細考慮怎樣才是最好的設(shè)計。
數(shù)據(jù)驅(qū)動的POWER NET項目
eo:大部分可再生能源的分布遠離負荷區(qū),基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電網(wǎng)怎樣提高可再生能源的并網(wǎng)能力?
Rajagopal:最基本的是提高對傳輸線路的管理能力,對電力資源進行合理分配。風(fēng)、光發(fā)電由于多變性需要預(yù)測并且分配電力來補償,而數(shù)據(jù)可以幫助提高預(yù)測精度,并優(yōu)化電力的供給和需求,甚至智能參與調(diào)控用電負荷。
eo:您提到您在斯坦福的研究是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動,和數(shù)據(jù)有很多相關(guān)的工作,您也提到您認為智能電網(wǎng)的核心是增強電網(wǎng)的協(xié)調(diào)能力。那么斯坦福是怎樣通過使用基于數(shù)據(jù)的研究來增強電網(wǎng)協(xié)調(diào)性?
Rajagopal:在斯坦福,我們雖然不參與電網(wǎng)運營,但通過與電網(wǎng)合作,為他們提供包括以下幾個層面的現(xiàn)代專業(yè)技術(shù)。一類是數(shù)據(jù)的發(fā)展維護,包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)到最終執(zhí)行;第二類是發(fā)展自動化等技術(shù)的算法;第三類是參與系統(tǒng)工程,建立對工程模型系統(tǒng)性的理解。
通過與電網(wǎng)的合作我們發(fā)現(xiàn),協(xié)調(diào)電網(wǎng)電力資源配置的領(lǐng)域有很多機會。我們已經(jīng)進行了相關(guān)研究,例如如何建立用戶行為的模型,利用數(shù)據(jù)資源來分析用戶的行為習(xí)慣;以及基于實時測量的數(shù)據(jù)建立網(wǎng)絡(luò)模型,將這些數(shù)據(jù)上傳到云系統(tǒng),在未來的工作中也可使用這些數(shù)據(jù)。斯坦福正進行一項“power net”的項目,考慮的是在擁有更好的網(wǎng)絡(luò)模型和用戶模型的條件下,我們?nèi)绾蝸韰f(xié)調(diào)這些資源?把硬件、軟件、用戶界面、算法等等這些智能技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)實世界。
eo:多年來公用事業(yè)公司和售電公司投資智能電表, 收集來龐大數(shù)據(jù),在您看來有多少數(shù)據(jù)是有效信息,又有什么用?怎么提取有用信息并如何應(yīng)用這些信息?
Rajagopal:從能源和電力領(lǐng)域的數(shù)據(jù)科學(xué)家的角度來看,所有的數(shù)據(jù)都是有用的,關(guān)鍵在于你需要利用這些數(shù)據(jù)來解決有趣的問題。智能電表的數(shù)據(jù)非常有用,比如說建立用戶行為習(xí)慣的模型,這些模型可以預(yù)測用戶對不同的信號是如何反應(yīng)的,用于生成用戶消費方式的分析。另一個做法是利用智能電表的測量的方式來建立電力網(wǎng)絡(luò)模型,這種模型是實體的。此外,還可以通過智能電表的數(shù)據(jù)來了解不同電力消費方式對排放的影響有何不同?用戶的電力消費行為將如何變化?他們是否有不同的生活方式?
用戶隱私VS用戶體驗
eo:智能電網(wǎng)實現(xiàn)了用戶用電信息的互通互聯(lián),通過智能電表傳輸這些數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。但是掌握了這些數(shù)據(jù),也就相當于掌握了用戶的行為習(xí)慣,比如說,你何時睡覺,何時在家等等,如果這些數(shù)據(jù)的信息庫被竊取,或者說被一些大公司掌握, 需不需要擔(dān)憂它的安全問題?以及您怎樣看待這涉及到的用戶隱私的問題?
Rajagopal:在安全方面,不僅是在電力系統(tǒng)也包括計算機系統(tǒng),有很多人在關(guān)注如何保護從智能電表收集來的數(shù)據(jù),這是保證安全的一方面。就網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,比如你提到的數(shù)據(jù)庫,以及基于電腦的系統(tǒng),現(xiàn)在較為推薦的做法是使用某些來自谷歌、微軟、亞馬遜的云系統(tǒng),因為這些公司提供了安全協(xié)議,加密編碼等來防止你遭到黑客侵襲。大多數(shù)情況下,如果使用這些云系統(tǒng),安全會得到保障。
關(guān)于用戶隱私,這是一個有趣的問題,有人正在嘗試如何給智能電表數(shù)據(jù)或者來自用戶的數(shù)據(jù)增加隱私的層次并依舊保持它的有效性。這是一種方法,也在和關(guān)注這方面的同事合作,并且有一些有趣的發(fā)現(xiàn)。在美國,智能電表的數(shù)據(jù)并不是非常有規(guī)律。我們從數(shù)據(jù)中看到的信息并不算多。事實上從智能電表數(shù)據(jù)中預(yù)測用戶習(xí)慣難度非常高。
曾經(jīng)有一項研究表明通過建模來預(yù)測一戶家庭是否有人吸煙。他們發(fā)現(xiàn)模型的預(yù)測結(jié)果與進入那個社區(qū)觀察得到正確結(jié)果的次數(shù)一樣,只是知道人數(shù)的大致比例,所以增加的信息并不多。
對隱私的擔(dān)心確實存在。可我們不妨這樣考慮,智能電表是在為你提供服務(wù),這樣你考慮的問題就不在于是否犧牲了你的隱私,而更多的是通過分享數(shù)據(jù),你會得到更好的用戶體驗,比如說像在Facebook這種平臺,因為我們希望服務(wù)優(yōu)化,所以我們分享信息時往往會向這方面考慮更多。實際上有人告訴我,對于現(xiàn)在的年輕一代來說,隱私并不是他們最為關(guān)心的問題。
eo:所以我們關(guān)心隱私的問題是太早了嗎?
Rajagopal: 這不是時間早晚的問題。我個人的理解是當你需要分享信息,但卻并沒有得到更好的體驗及服務(wù),這時你才會考慮到關(guān)于隱私的問題。相反,如果你體驗到了好的服務(wù), 就不會過于擔(dān)心分享您的信息會成為一個問題。
eo:您能否描繪一下未來10到20年智能電網(wǎng)的形態(tài)?
Rajagopal:我認為未來的智能電網(wǎng)是更加自動化的電網(wǎng),它可以接受大量的可再生能源,并能在全球得到運用而不僅僅在發(fā)達國家和經(jīng)濟增長迅速的經(jīng)濟體,我們或許感受不到電網(wǎng)的存在,在不知不覺中就完成電力的交互,并且會有越來越多的人加入這樣的電力網(wǎng)絡(luò)。這種電網(wǎng)機制可以用于協(xié)調(diào)、交易等等,可以像互聯(lián)網(wǎng)一樣,但電網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)更加復(fù)雜。電力的管理會為服務(wù)帶來邊際效應(yīng)。比如你有無人駕駛汽車,即使你不知道什么時候去充電,它也可以自動與電網(wǎng)協(xié)調(diào)充電時間。
eo:最近關(guān)于特朗普削減科研經(jīng)費的消息,您作為研究者是否感受到了影響或者變化?
Rajagopal: 現(xiàn)在還沒有,我們現(xiàn)在與能源部的合作項目并未受到影響。雖然政治和政策經(jīng)常改變,但能源問題總是需要解決,現(xiàn)在我們還是從能源部得到很大的支持。在美國,為能源、科技提供支持的系統(tǒng)比總統(tǒng)的指令要強大得多,這是我個人目前的經(jīng)歷,不過或許之后會發(fā)生變化。(eo記者 蔡譯萱)
來源:南方能源觀察