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當需求超過供給，麻煩事便接踵而來。疫情之初，我們就深刻汲取了這一教訓，當時衛生紙、消毒濕巾、口罩和呼吸機供不應求。如今，芯片短缺持續困擾著消費電子產品、汽車以及其他行業。顯然，平衡的商品供需關系對社會的穩定、正常、順暢運轉至關重要。 供需平衡也適用于電網。2021年2月，美國得克薩斯州經歷了前所未有的致命寒潮天氣，這場災難給我們敲響了警鐘。激增的電熱需求與上凍的天然氣設備以及低于均值的風力發電量造成的供應問題產生了強烈沖突。由此造成的失衡導致超過200萬個家庭斷電多日，造成至少210人死亡，更造成了高達1300億美元的經濟損失。 類似的供需失衡還引發了2003年8月美國東北部和加拿大、2012年7月印度和2019年3月委內瑞拉的大規模連鎖停電。

短期內這種情況不太可能出現好轉，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致電力需求飆升；其次，出于經濟和政策原因，傳統的煤電廠和核電廠正在退役，電網中的穩定供電來源減少；再次，雖然風能和太陽能光伏系統非常利于保護氣候，也是增長最快的發電來源，但其輸出的可變性為電網平衡帶來了新的挑戰。

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那么，在臟亂的老舊發電廠關閉、可變發電量上升且用電負載新增的情況下，電網運營商如何保持供需平衡呢？有幾種可能的做法。一是對已有設施進行現代化改造：建設龐大的集中式基礎設施。這意味著要安裝大量的儲能裝置（如電網級的電池和抽水蓄能設施）以存儲多產生的可再生能源，并將儲能裝置與高壓輸電線路互連，從而實現全網供需平衡。中國是此方面的領導者，但該做法成本高昂，而且需要強有力的政治意愿。

我們認為有更好的方法。在佛蒙特大學，我們專注于研究在無需大幅擴大電網基礎設施的前提下，如何實時協調需求以匹配日益變化的供應。我們的技術采用了可從根本上實現互聯網可擴展性的兩大理念（即分組化和隨機化），以此來創建可協調分布式能源的系統。數據通信的這兩大概念可以讓數百萬用戶和數十億設備得以接入互聯網，無需任何集中調度或控制。

同樣的基本思路也適用于電網。使用低帶寬連接、運行簡單算法的小型控制器，可以使用數百萬電氣設備來平衡本地電網中的電力流動。來看看我們是如何做的。、電網的電力需求來自數十億電力負載。這些負載可分為兩大類：商用和工業負載以及市電負載。這兩者中，市電負載非常分散。僅美國就有超過1.2億個家庭，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考慮優化自家一天內的電力負載。為簡單起見，我們將這些市電負載稱為“設備”，范圍包括電燈、電視、熱水器、空調等。

后兩種設備和電動汽車充電樁及泳池水泵不僅是大型電力負載（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，靈活的用電設備則與之不同，這種設備可延遲電力消耗并隨時進行操作，只要淋浴有熱水，泳池保持干凈，電動汽車電量充足，室內溫度舒適即可。

總的來說，市電負載具有很大的靈活性，可用于幫助平衡可變供應。例如，即使加州和紐約州的每個家庭均僅有1臺可靈活用電的設備，無論何時電網也都有約15千兆瓦的額外容量，相當于這些州當前電網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的功耗約為4.5千瓦。正常情況下，該設備一天的工作時間約為1/10，耗電量約為10.8度。對房主而言，熱水器的日常運行成本不到2美元（假設每度電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。有時該成本甚至為負數，當風能或太陽能發電廠的可用電力過多時，電網運營商會向電力公司付費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計劃，以便按照固定的時間表（例如夏季下午4點至晚9點的歷史用電高峰時段）關閉用戶的熱水器、空調和其他負載。如果我們只是想在此類時間減少負載，那么這一方法相當有效。

然而，如果我們的目標是實時平衡電力供需，以往基于固定時間表的設備操作是不夠的，因為可再生能源發電量會隨著風力和日照條件產生不可預測的變化。我們需要響應速度更快的方法，不僅要減少高峰期需求，還要帶來提高電網可靠性的額外裨益，如價格響應能力、可再生能源穩定輸出和頻率調節。

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? 電網運營商要如何協調數量眾多、分散分布、用電靈活、各自具有特定需求和要求的千瓦級設備，從而提供千兆瓦級的合并電網資源，對高度可變的供應做出響應？思考這一問題時，我們在數字通信系統領域找到了靈感。 數字系統用一系列比特位來表示語音、電子郵件或視頻剪輯內容。通過信道發送此類數據時，它們會被拆分成數據包。各數據包會通過網絡路由，分別到達預期的目的地。所有數據包均到達目的地后，數據會被重建為原始形式。 那么，這與我們的問題有何相似之處？每天有數百萬人和數十億臺設備使用互聯網。用戶有自己的設備、需要和使用模式，我們可將此視為需求，而網絡本身具有與其帶寬相關的動態參數，即網絡的供應。

互聯網上的需求和供應能夠實時匹配，無需任何集中調度程序。同樣，數十億臺各自具有動態參數的電氣設備正在接入電網，而電網的供應水平日益多變。 發現這種相似性后，我們開發了名為分組能源管理（PEM）的技術來協調靈活設備的用電情況。本文的共同作者海因斯（Hines）一直對電力系統的可靠性深感興趣，長期研究輸電線路故障對連鎖斷電和系統性停電的影響。與此同時，具有通信系統背景的弗羅里克（Frolik）一直致力于算法研究，期望以極低能耗來動態協調無線傳感器的數據通信。在一次偶然的討論中，我們發現了大家的交叉興趣點，開始研究如何將有關算法用于解決電動汽車的充電問題。 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劃局（ARPA-E）的聯網優化分布式能源系統（NODES）項目撰寫的提案獲獎。借助這筆資金，我們得以進一步開發PEM計劃。

回到電熱水器的問題。常規操作下，熱水器由恒溫器控制。恒溫器會在水溫降至下限時開啟熱水器并以4.5千瓦連續運行20到30分鐘，直至水溫達到上限。“匹配電力需求與供應”圖底部的一對黑白圖表顯示了10臺熱水器的開啟和關閉情況，其中黑色表示關閉，白色表示開啟。 在PEM模式下，各負載會根據簡單的規則獨立運行。熱水器不會只在水溫降至下限時才加熱，而是定期請求消耗一個能源包，一個能源包的定義是僅在很短的一段時間內（如5分鐘）消耗能源。協調器（在我們的例子中是一個基于云端的平臺）會根據反映電網狀況的目標信號（如可再生能源的可用性、電價等）來批準或拒絕此類能源包請求。“匹配電力需求與供應”圖上部的圖表顯示了PEM能耗是如何嚴格遵循基于可再生能源供應的目標信號的。

為確保能源需求更大的設備更可能獲得批準，每臺設備都會根據其需求調整請求的頻率。當水溫不太熱時，熱水器的請求頻率更高。當水溫較熱時，請求頻次則會降低。因此，系統會以完全分散的方式對設備進行動態優先排序，發出能源包請求的概率與設備對能源的需求成正比。然后，PEM協調器可專注于管理傳入的數據包請求，以便主動調整來自眾多分組設備的總體負載，無需集中優化各設備的行為。由于請求完全發生在后臺，因此從用戶的角度來看，熱水器未發生任何改變。

同樣的概念可應用于各類耗能設備。例如，電動汽車充電樁或住宅蓄電池系統可將電池的當前充電狀態與其所需電量值（相當于對能源的需求）進行比較，將比較結果轉換為請求概率，然后向PEM協調器發送請求，協調器則根據電網實時狀況或市場條件接受或拒絕請求。根據條件的不同，電池充滿電所需的時間可能更長，但不會給客戶帶來不便。

通過這種方式，靈活用電的設備可使用簡單的常見能源包請求語言進行通信。這樣一來，協調器與發出請求的設備類型便不存在關聯。這種與設備不相關的協調和數據通信中的網絡中立性相似。一般而言，互聯網并不關心數據包是否攜帶語音、視頻或文本數據。同樣，PEM也不關心請求能源包的設備是熱水器、泳池泵還是電動汽車充電樁，因而可以輕松地對千瓦級設備的各種組合進行協調。

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目前，PEM等自下而上的設備驅動型技術尚未得到廣泛部署。與之相反，現今的大多數需求響應技術均采用自上而下的方法，在這種方法中，協調器會向所有設備廣播控制信號，告訴設備該做什么，但是，若每臺設備均被告知同時做同樣的動作，那么可能很快就會出錯，因為設備的功耗會變得同步。想象一下同時打開（或關閉）數百萬臺空調、熱水器和電動汽車充電樁的效果。這會帶來千兆瓦耗電峰值，堪比通過輕觸開關來開啟或關閉一個大型核電站。如此高的用電峰值可能導致電網不穩定，進而引發連鎖停電。因此當今大多數電力公司都將設備進行了分組，并把用電峰值限制在數十兆瓦數量級。然而，在年度用電高峰期間積極管理不同的用電群組會對自上而下的管理方法造成挑戰。

不過，如果每臺設備都能滿足自身獨特的能源需求，則能源包請求（以及由此產生的用電）本質上是隨機的，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、充電汽車和室內涼爽度的偏好。若要協調能源設備以便電網更好地工作，我們需確保采用的方式對消費者而言基本難以察覺且實現自動化。

現在，設想PEM如何考慮用戶對熱水器的個人偏好。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“退出”PEM方案，開啟加熱直至水溫恢復。熱水器會通知PEM協調器其操作模式的這一變化，協調器則會簡單地更新對總用電需求的核算。這樣的單一負載對總負載的影響很小，但對客戶而言，在需要熱水時保證有水可用有助建立信任，確保持續參與管理計劃。

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PEM的設備驅動屬性也使協調器的工作更為輕松，因為協調器無需集中監控或對每臺設備建模來制定優化時間表，只需監控電網和市場狀況，回復傳入能源包請求的實時流，同時記錄“退出”設備，換言之，協調器只需管理3組數字。

為了提升我們工作的影響力，我們決定在研究的同時將PEM商用化，并于2016年創立了Packetized Energy公司。該公司已在美國和加拿大的幾家公用事業公司贊助的試點項目中部署了基于云端的能源協調平臺。這些項目以我們設計、開發并獲得UL認證的智能恒溫器為基礎，以此改造了現有電熱水器。此外，我們還展示了配備PEM的電動汽車充電樁、住宅蓄電池和恒溫器。我們的第一個客戶是來自我們家鄉的佛蒙特公用事業公司伯靈頓電力部（BED）。2018年，BED啟動了美國首個100%可再生能源熱水器項目，該項目現已擴展至電動汽車充電樁。

我們的項目取得了一些可喜成果。“負載協調的實時演示”圖展示了PEM如何在典型的2小時周期內協調佛蒙特州和南卡羅來納州208個住宅熱水器的負載。熱水器（橙色線）以快速變化的目標（藍色線）為依據，變化范圍為標稱負載的一半至約兩倍。

隨著系統擴展至數千臺分組設備，異步分組請求將顯示為連續信號。仿真結果表明，在此規模下，目標值與實際值之間不存在任何差距。總負載的響應速度至少與現代天然氣發電廠的響應速度一樣快，且無需建造、運營和維護實體電廠的費用。

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? 傳感器和微控制器成本的下降引發了物聯網的快速增長。可以想像，結合智能家居技術，物聯網可實現所有能源設備（負載、儲能裝置和發電機）的積極協調，保持電網穩定，充分利用可再生能源。不過，挑戰同樣擺在眼前。 首先，目前沒有標準來指導對設備級協調感興趣的制造商，也缺乏真正的激勵措施促使制造商采用任何特定技術。這使得解決相同基本問題的專有技術急劇增多。對于這一問題，我們可再次從互聯網中汲取靈感：專有解決方案不太可能得到充分擴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）等行業推動的新計劃有望在不同制造商制造的設備間實現安全、低延時通信。IEEE技術委員會、工作組和任務組也在發揮支持作用，如IEEE電力與能源協會（PES）下設的智慧樓宇、負載和客戶系統技術委員會。我們希望未來這些行動能無縫支持本文所述的設備驅動型“分組”概念，而非僅服務于傳統的自上而下的通信和控制架構。

此外，還需要激勵電力客戶改變能源使用方式。目前，無論何時打開熱水器，住宅熱水器的日均電費都大致相同。可再生能源供應量較高或批發電價較低時，房主開啟熱水器沒有任何經濟利益。監管機構、公用事業公司和其他機構需要重新考慮并設計激勵措施和靈活的需求計劃，以確保所有客戶的貢獻和獎勵公平公正，還需要讓消費者了解相關計劃的運作方式。

有很多先例可幫助我們解決此類技術和政策挑戰。我們需要一個公平、響應迅速、可訪問、可靠、有彈性和可擴展的公共系統，這聽來與互聯網十分相似。分組能源管理的核心設計以互聯網的數據通信為模型，將提供與互聯網同樣重要的種種裨益。隨著社會向基于分布式和可再生能源發電的新型電網過渡，我們將需要新的技術和范例。幸運的是，已經有一個經過時間考驗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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