9月6日,2021年

网格变换论坛|NIST智能电网互操作性框架介绍

美国国家标准与技术研究所的阿维·格普斯坦(Avi Gopstein)

科技正在改变我们的生活的一切。无处不在的通信和改进信息管理技术已经改变了方式和我们工作的地方,我们的互动和与他人玩耍,我们如何从杂货运输店对商品和服务的选择。不过,虽然现代通讯已经转型为我们的个人生活,其影响已在电网远不可见。

即使在公用事业公司已经使自己的通信和信息管理系统现代化,以通过使用新技术来提高系统效率和可靠性,栅格的外观仍然很大程度上静止。在大多数情况下,仍然在集中设施中产生电力,然后通过将电子向遥远的客户传输和尺寸的复杂导线网络传输以瞬时使用。

但是,尽管电网可能看起来仍与100年前一样,但在地表之下的情况要动态得多。随着电力系统适应不断变化的技术和社会期望,电网的形式、功能和商业模式正在发生变化。随着智能电表、太阳能光伏和电动汽车等技术越来越多地出现在我们的日常生活中,这种渗透到现代生活各个方面的关键基础设施的隐性进化将变得更加明显。

然而,电力系统的持续发展比采用一些独立技术更复杂。使用更有机能力和更小的设备的现代化基础设施,需要增加通信和信息交换在网格系统之间。改进的数据可用性允许公用事业和系统运营商更好地表征网格功能需求,并重视客户和第三方提供的贡献。

向信息驱动的生态系统过渡还有加速现代化的额外好处。电力系统创新的步伐曾经被大型建设项目和渐进的“边做边学”过程控制了几个世纪,围绕信息交换建立的电网可以创新,采用新技术,以更接近信息技术和软件平台的速度改进运营。尽管重大创新是必要的,但电网中正在发生的变化可能会给整个电网中的组织和设备的角色和贡献带来不确定性——更不用说新进入者带来的价值了。

在今年早些时候介绍网格中发生的变化,全国标准和技术研究所(NIST)发布了智能电网互操作性标准的框架和路线图的更新[1].智能电网框架的第四次发布解决了加速技术变革、现代能源技术价格迅速下降、低成本传感器和网络设备日益普及的背景下的信息交换和物理互操作性问题,以及可用数据的数量和粒度的相关激增。该文件描述了互操作性和现代可持续电网功能之间的关系,并提供了一个战略框架来理解和解决差距——从缺乏互操作性保证的标准到有限的运营和经济效益评估这限制了电网现代化的步伐。

能源是一个复杂的领域,它渗透到现代社会的方方面面,而电网与从温室气体排放到网络安全等方方面面的问题交织在一起。这种复杂性会阻碍现代化进程,因为涉众有时会采用网格冲突的位置或目标。然而,即使在这个复杂的领域内,也存在一些技术问题,在这些问题上的进展将普遍有益。

例如,提高跨网格管理和交换信息的能力将在整个系统的灵活性、可观察性和操作弹性方面产生好处。随着我们的电力、交通和通信基础设施日益一体化,这些好处也将随着时间的推移而急剧增加。乐动平台因此,提高网格互操作性的努力是无悔的策略,它有潜力改善当前网格功能的许多方面,并将在未来释放巨大的价值。

NIST智能电网框架旨在帮助所有利益相关者理解互操作性对电网运营、经济、网络安全和标准的影响。它提供了概念模型来帮助我们理解系统中的不同角色以及能量传递和信息交换之间的关系图1)。该框架提供了增强的互操作性和提高系统的网络安全策略。这是一个很多采取,所以回答几个基本问​​题有关的框架使我们能够集中我们的谈话,强调了几个关键问题。


图1- 更新NIST智能电网概念模型。
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什么是互操作性,为什么它很重要?

互操作性是两个或多个系统或应用程序的能力,以安全地和有效地交换和容易使用信息。当然,存在对该陈述的规定,例如信息交流必须及时,并且对用户的几乎没有或没有不便,但基本点很简单:互操作性能够在设备和系统和运营商之间交换可操作信息.

互操作性实际上是管理大量不同设备的先决条件 - 特别是在老化基础设施中,新设备必须与持续提供有用的数十年的旧系统无缝地集成,尽管潜在限制,功能。随着在系统中部署的新技术的数量,随着它们的遗传设备和系统的增加,每天互操作性的重要性每天都会随着遗留设备和系统而增加。虽然每个新设备肯定可以完全模仿它取代的旧设备的功能,但新技术的机会创建 - 从自动重电站到智能电表,以异步产生和需求响应 - 要求利用和协调通过每轮技术创新出现的传感和控制能力。

它是通过协调和聚合的小功能,我们可以在整个网格中获得新功能并最大限度地提高效率。例如,考虑恒温器。恒温器的目的是通过响应于测量的温度变化来致动加热或空调系统来控制房间中的温度。就是这样。它是特定于它的措施以及它的工作原理。

现在,考虑启用通讯的智能恒温即与其他系统的互操作。这温控器可以用来帮助管理配电系统充血,从而防止线路过载和提高系统的恢复能力。管理这种需求高峰也可能允许公用事业,以避免升级电线和电网系统花费宝贵的资本,以满足不断增长的需求。或许是温控器可以通过定时“接通”周期时为无碳电力可被用来平衡可变代可再生能源和清洁我们的环境。或许,是温控器可以通过预处理降低客户的加热和冷却成本的家里或办公室,以避免峰值速率。

除了恒温器和其他需求响应设备的相对简单的功能外,不断增加的既能发电又能存储电力的DERs将改变电网边缘服务。随着落后于仪表的太阳能光伏、电动汽车和其他高性能系统的广泛采用,客户提供这些服务并获得补偿的机会将急剧扩大。

所有这些能力 - 以及他们带来不同利益相关者的价值 - 通过互操作性启用。概念上,最重要的是,最重要的是互操作性是用于在电力系统上解锁新值的工具。该价值可以来自改善的运营和效率,避免由于降低的中断,或将新资源和经济机会整合到能源和电网服务市场。

为什么现在是发布第四版智能电网框架的重要时刻?

我们是在电网的技术弧线一个令人难以置信的有趣的时刻。电力公司和他们的客户都大量小规模和可控的设备连接到电源系统。这些电网连接设备的快速增长,多样性和功能添加到管理系统的复杂性,要​​求更加注重互操作性。技术多样性的这次爆炸发生的一起针对网格服务的软件定义的平台的出现,因此放大了我们不同的电力系统的安全,高效,弹性运作的互操作性的重要性。

在配送系统中连接大量较小尺寸设备的移动只是散装电力系统展出的数十年的下一步。来自美国能源信息管理局的数据(EIA)[2]显示,在过去20年里,并网发电机的典型尺寸急剧下降,大大打破了之前100年发电机尺寸增加的趋势。

将发电机添加到20世纪的最终40年来散装电力系统,本世纪的前20年(见图2)说明了一些重要的趋势:首先,新一代容量在最近的情况下,新一代容量大致快到两倍,因为它在最近的过去;其次,每个新发生器的大小发生显着变小。虽然从1960 - 1999年建成的大多数新一代都依赖于大于500兆瓦的发电机,但本世纪建造的超过三分之二的几代人基于Sub-200 MW发电机技术。


图2- 附加于美国散装发电量,1960年至1999年与2000年至二零一九年。
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在此数据中看到的趋势是那些推动电力行业的投资对规模较小的设备,同时加快新的发电能力建设长达数十年的动态结果。由已经改变基础设施融资的基本演算法规和技术变化的刺激[3]在美国,单个较小的发电机与较大的总容量增加相结合,使现代电力系统必须容纳的设备数量大幅增长。例如,在1970年,整个美国电网大约有4500台发电机连接在一起,同年又新增了200多台发电机。与此形成对比的是,目前连接到我们的大容量电力系统的发电机超过8万台,每年新建的发电机超过4500台。所有这些资产的管理和协调进入我们的电力系统的运行、经济和安全需要高水平的互操作性。

然而,推动投资向规模更小、数量更多的散装发电机方向发展的基本面因素,在一个可能正在经历更剧烈变化的配电系统中更为明显。过去,发电机必须尽可能大,以最大限度地提高传统热循环的物理效率,而从联合循环到电力电子驱动的异步发电的新技术可以在更小的规模上实现更高的效率。当商家的操作规则和系统可变性增加了新兆瓦级发电机的财务风险时,随着技术成本的下降和新法规(如FERC订单2222[4]扩大市场访问权限。早期公用事业商业模式依赖于客户负载的大规模聚合,以管理系统的不确定性[5]新兴的商业模式是建立各地了解和解决客户个性化的能源需求[6]

所有这些都会创建一个创建的环境,以强烈扩展到系统连接的DER数量以及这些资源将在新网格中播放的角色。实际上,这种转变已经很好。自2015年以来,全国各地的公用事业都观察了与其系统相关的客户诉讼的划分的数量和能力急剧增长[7]而行业预测是分布式发电,需求响应和电动车的结合在未来五年改造电网边缘服务[8]

所有这些趋势指向需要的互操作性。从发电机舰队将很快超过100个000名个人涡轮机和逆变器集成的数以百万计的分布式能源和其他设备的成网边缘业务的协调,需要交换和我们的电力系统中使用的信息从未如此巨大。

NIST研究了早期智能电网框架与这些变化的条件和对电网不断发展的期望之间的关系,很明显,需要进行重大更新。该修订版的结构是为了检查新兴网格体系结构的迅速发展的创新和信息需求,并为读者提供可以用来理解相关互操作性策略、需求和标准的模型。对四个代表性架构的系统操作、经济和网络安全的考虑为所提供的互操作性增强策略提供了背景。


图3.- 互操作性跨尺度。
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谁从可互操作的网格中获益?

简而言之,每个人都能从改进的互操作性中受益,因为互操作性的好处不是零和游戏。互操作性是确保多样化、分布式和分散的利益相关者实现智能电网利益的基础。从降低将新设备集成到公用事业系统的成本[9]汇总用于访问批发市场的分布式资源[10]或提供新颖的网格服务[11],互操作性应被视为一种机制,通过这种机制,可以在整个电网设备和交互的频谱中获得最大的功能和价值。

再次考虑通信的恒温器的示例和它可以在网格上具有的冲击范围。虽然这些影响的每个影响是基于转动HVAC的相同基本行动,但该行动的价值来自于如何 - 以及与其他设备的规模和目的源于 - 以及其他设备 - 该恒温器的活动是协调的。例如,如果目标是管理局部分配馈线上的拥塞或其他操作约束,则恒温器致动的上下文必须至少部分地从关于当前能量需求与本地基础设施的物理限制之间的信息产生的信息。[12].相反,可以优化恒温器控制,以减少温室气体排放而不是馈线拥塞,但这样做涉及利用不同的信息模型并与不同的演员建立互操作性[13]

像恒温器这样的简单设备为此许多网格函数提供的简单设备的能力说明了通过互操作性实现的价值主张的广度。通过协调行动创建价值的机会将增长,因为新的设备功能是由新网格服务的软件定义平台的出现补充。如图所示图3.,可能的网格服务的范围取决于跨多个设备、网格域和地理足迹的精细协调。

互操作性使客户、公用事业公司和企业家能够为我们能源系统中一些最具挑战性的问题提供具有成本效益的解决方案。NIST智能电网框架旨在通过引入互操作性概要(Interoperability Profiles)的概念来刺激电网服务的创新,该概念将系统目标和设备功能与信息交换的要求正式联系起来。以这种方式明确互操作性需求和能力,可以通过协调能源技术管理,为所有利益攸关方带来价值,最大限度地提高我们应对电网弹性、能源成本和气候变化等挑战的能力。

如何改进互操作性地址气候变化?

互操作性的功能主要是关于更广泛系统元素之间的信息交换和物理兼容性。因为在世界范围内,发电和供热生产排放的温室气乐动平台体比其他任何经济部门都多[14]使用互操作性来协调跨网格作用引入了新的灵活性来源从根本上改变系统的特性。

电力系统必须变得更加灵活,以最大限度地提高可再生能源和清洁能源投资的环境效益[15],而可互操作的智能电网通过实现必要的通信和信息交换来动态调整发电、输电、配电和客户领域的运营。这种灵活性不仅有助于电力系统更好地利用新的清洁能源,而且还能最大限度地在电网运行中取代高污染资源[16]

互操作性也是高度分布式网格架构的一个关键因素。大多数传统的发电使用的能源实际上从未达到,因为在发电,输电和配电物理损失由客户乐动平台(17 - 19).但分布式资源可以避免许多这种损失,因此可以比远程发电更有效地向消费者输送电力乐动平台(20、21).在客户现场使用低碳的DERs会放大这些好处。

但即使我们脱碳整个电力部门,可持续性目标仍然需要通过电气化脱碳,工业和建筑物部门[15].这样做将需要理解和管理以前不同的系统,并且能够整合不同的资源和技术将提供这些相互作用的有利平台的可互操作的智能电网之间的相互依存性和信息交流。

所有这些新设备和互动是否给电网带来了网络安全问题?

网络安全是一个复杂的问题。大量的组织参与电网的运行,以及连接到系统的设备数量的增加,意味着没有一个单一的组织能够保证安全运行。但这种复杂性并不意味着电网网络安全是不可能的。我们可以从现有的网络安全实践和指导方针中学到很多,通过工程策略和网络安全风险管理和缓解技术的结合,可以实现安全操作。


图4.-了解新接口的网络安全策略。

智能电网互操作性框架提出了实现电网网络安全的两个互补路径:第一条路径侧重于通过内心核心功能框架的核心功能和结果建立的风险管理方法来保护组织[22].第二条路径侧重于通过应用前面描述的更传统的接口来保护新信息交换[23]

在智能电网框架两种网络安全策略依赖于NIST与动力系统和网络安全专家合作建立了广泛的前指南和参考。从现有的知识构建的这种方式需要承担为确保电网的一个重要教训 - 即使组织和通信的现代化电网发展,以保护系统中的网络安全需求可以至少部分源自那些已经在使用。

目的是,通过已经使用的保护可以通过用于类似条件的保护来了解新接口的网络安全保护图4..这个概念很简单 - 就像新的作品一样可以装入现有拼图,通过采用具有相似特征的接口的现有保护策略,可以将新设备安全地集成到网格中。简而言之,网络安全轮不需要为每个新设备重新插入。

一些最终的想法

电网从来都不是静止的。它是一个不断变化的系统,在一个由技术、政策、经济和创新交叉控制的动态环境中运行。今天,创新的能力来自于改进的互操作性所创造的机会,就像来自于我们经常想到的单个技术一样。NIST的智能电网互操作性框架有助于我们思考复杂的技术交互已经改变我们的运作方式,赚钱和安全我们的电网,同时提供一个路线图如何发展和利用互操作性最大化这种转变将给我们所有人带来好处。

阿维Gopstein领导美国国家标准与技术研究所(NIST)的智能电网研究项目,重点是促进能源生产、管理和消费方式的现代化。Gopstein领导了NIST智能电网互操作性框架4.0的开发,该框架解决了从设备互操作性和网络安全到电力系统和分布式能源的经济模型等主题。在加入NIST之前,Gopstein曾担任美国国务院能源资源局的外交官,专注于全球能源系统的可持续扩张和转型——特别是通过私营部门投资。在此期间,他领导了国务院对美国政府的电力非洲倡议的贡献,并担任了美国在国际能源机构能源研究和技术委员会的代表。在加入政府之前,Gopstein曾在航空航天和生物技术等领域担任工程师,并在马里兰大学和凯斯西储大学(Case Western Reserve university)获得工程学位。


参考

Gopstein A, Nguyen C, O’fallon C, Hastings N, Wollman D (2021) NIST框架和智能电网互操作性标准路线图,4.0版。(美国国家标准与技术研究所,盖瑟斯堡,马里兰州),SP 1108r4。https://doi.org/10.6028/nist.sp.1108R4

[2]美国能源信息管理局(2020)Form EIA-860 detailed data, Final 2019 data (Washington, DC)。可以在https://www.eia.gov/乐动平台electricity/data/eia860/

[3] Gopstein AM(2012)储能与电网——从特性到影响[观点]。IEEE 100(2):311-316。https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2174890

[4] FERC分布式能源聚集在市场由区域输电组织和独立系统运营商操作的(2020)参与。(联邦能源管理委员会,华盛顿特区),案号为RM18-9-000;订购号2222。

[5] Schewe PF(2007年)的网格:通过我们的电气化世界的心脏之旅。(约瑟夫·亨利出版社,华盛顿特区),030910260X。https://doi.org/10.17226/11735

[6] Kim Y, Aravkin A, Fei H, Zondervan A, Wolf M(2016)用于理解能源和公用事业行业客户行为的分析。IBM Research and Development 60(1):11:11-11:13。https://doi.org/10.1147/JRD.2015.2503988

[7]维茨K,彼得森Z,科丁顿男,丁楼Sigrin B,萨利姆d,鲍德温SE,Lydic B,斯坦菲尔德SC,易霸N,克雷S,Sundararajan A,施罗德C(2019)分布式能源的概述(DER)的互连:当前Practrices和新兴的解决方案。(美国国家可再生能源实验室,金,CO),NREL / TP-6A20-72102。

[8] Kellison B(2020)未来5年将看到大规模分布式能源增长(Wood Mackenzie)。可以在https://www.woodmac.com/news/editorial/der-growth-united-states/

[9]电力研究所(2017年)点对点标准集成成本框架。(电力研究院,Palo Alto,CA),3002009981,2017年9月29日。

[10] FERC(2020)事实表 - FERC订单号2222:分布式能源资源的新天。(联邦能源监管委员会,华盛顿特区),店内编号为RM18-9-000。

[11] Bloom A, Helman U, Holttinen H, Summers K, Bakke J, Brinkman G, Lopez A (2017) It's indoubt: Five Facts About Planning and Operating Modern Power Systems。电力与能源学报15(6):22-30。乐动体育集团https://doi.org/10.1109/MPE.2017.2729079

[12] Holmberg DG, Burns MJ, Bushby ST, Gopstein AM (2019) NIST交易能源建模和仿真挑战第二阶段最终报告。(美国国家标准与技术研究所,盖瑟斯堡,马里兰州),NIST SP 1900-603。https://doi.org/10.6028/nist.sp.1900-603

[13] Fatehi J,Aslin R,Chiu A(2019)评估自动排放量减少调度信号DRET评估。(太平洋天然气和电气公司,San Ramon,CA),ATS报告#:006.13-19.8,2019年8月。

[14] IPCC(2014)气候变化2014:综合报告。工作组I,II和III的贡献气候变化专门委员会第五次评估报告。(政府间气候变化专门委员会,瑞士日内瓦)。

[15] IEA(2020)能源技术观点2020.(国际能源机构,巴黎,法国)。

[16] Cochran J,Denholm P,Sper B,Miller M(2015)网格集成和美国网格的承载能力,以包含可变可再生能源。(国家可再生能源实验室,Golden,Co),NRER / TP-6A20-62607。

[17]麦当劳WJ,希科克HN(1985)能量损失电力系统中。IEEE TRANSACTIONS ON工业应用IA-21(3):803-819。https://doi.org/10.1109/TIA.1985.349501

Jackson R, Onar OC, Kirkham H, Fisher E, Burkes K, Starke M, Mohammed O, Weeks G(2015)美国输配电系统能效改善的机会。乐动平台(橡树岭国家实验室,橡树岭,TN), ORNL/TM-2015/5。

[19] LLNL(2020),美国能源流程图(Lawrence Livermore国家实验室,新墨西哥州)。可以在https://flowcharts.llnl.gov/content/assets/images/energy/us/Energy_US_2019.png

[20] NRC(2010)美国能源效率的实际前景。(国家院校新闻,华盛顿特区)。https://doi.org/10.17226/12621

[21] USEPA(2018)集中发电及其对环境的影响(美国环境保护署,华盛顿特区)。乐动平台可以在https://www.epa.gov/energy/centralized-generation-乐动平台electricity-and-its-impacts-environment

[22]巴雷特MP(2018)框架改进的关键基础设施网络安全:版本1.1。(国家标准技术研究所,马里兰州盖瑟斯堡)。https://doi.org/10.6028/NIST.CSWP.04162018

[23] Pillitteri VY, Brewer TL(2014)智能电网网络安全指南。(美国国家标准与技术研究所,盖瑟斯堡,马里兰州),NISTIR 7628r1。https://doi.org/10.6028/nist.ir.7628R1