无论是在邻居屋顶上新安装的一套闪闪发光的太阳能电池板,还是在家里新安装的智能恒温器,这些新兴的可再生能源和智能技术都代表着我们正迈向可持续发展的未来。但是,除非以一种更灵活的方式管理电网,否则它们的大部分潜力依然未被开发。而系统具备使用相同语言和安全交换信息的能力(即互操作性——考虑一下将你的手机同步到云端或电脑)是解锁电网灵活性的关键。
美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员旨在通过第四版和最新版的智能电网框架进一步推动电网的互操作性,该框架的4.0版本描述了增强互操作性可能带来的经济效益和环境效益,并概述了支持互操作性设备和设备开发的新战略。作者还为电网网络安全提供了指导和资源,随着越来越多的设备连接到电网,电网网络安全变得越来越重要。
最近一项分析表明,即使所有新的发电机都是零碳的,继续运行我们几十年来一直使用的电网仍会导致我们无法实现《巴黎协定》的主要目标,即限制全球气温上升1.5℃(2.7℉)。这一发现强调了用可再生能源取代现有排放源的需求,但仍存在一些障碍使得可再生能源成为当前系统管理的挑战,比如它们分布和供应的波动性。
该框架的主要作者、NIST智能电网项目经理Avi Gopstein说:“需要提高灵活性来适应所有这些新的清洁能源技术。风并不总是吹着,太阳不总是照耀着,人们也会根据自己的活动改变用电量。互操作性就是要提供灵活性。”
互操作的传感器和智能控制可以给电网提供灵活性,它需要在快速变化的供应和需求期间保持服务。完成这项工作的部分方法是让电网上的通信变得更像一条双向通道(在用户和公共设施以及中间的一切之间),让各方都能随时获得关于当前电力使用和预期需求的信息。这样,客户将能够更智能地使用资源,并帮助公共设施在正确的时间将资源路由到正确的地方。
Gopstein说,公共设施公司提供的自愿奖励计划已经成为互操作性的一个例子。通过使用智能恒温器和热水器控制器,与他们的公共设施运营中心互操作,参与的消费者能够在高峰需求期间为减少能源消耗做出贡献,并获得经济回报。
瞄准互操作性目标
该框架的主要产品之一是互操作性概况的概念,对特定设备的详细要求可以为行业提供明确的互操作性目标。这些概况的最终目标将是指导测试和认证计划的发展——这是广泛使用技术的关键因素。
Gopstein说:“Wi-Fi之所以能在所有人的手机、电脑和其他设备上使用,是因为Wi-Fi联盟有一个有效的测试和认证程序。对于互操作性,我们还没有特定的性能要求和验证测试。”
虽然有许多物理性能的标准测试(例如,一种检查5V电源是否输出5V电压的方法),但互操作性是一个更难测试的特性。目前存在数百种通信标准,这意味着设备可以使用多种语言,它们可以以无数种方式将消息打包到其他系统。Gopstein和他的团队并没有开发新的标准,而是寻求将现有物理功能和通信标准的子集整合到适合特定类型设备的配置文件中。
如果测试是基于概要开发的并被广泛接受,制造商就会有关于如何使他们的设备与电网互操作的明确指导。这些测试可以检查信息的正确通信,比如时间,对于像变电站中的智能设备这类设备来说,需要将机器之间的对话同步到毫秒,以正确地迈出第一步。
随着时间的推移以及产品获得认证,电网将成为一个即插即用的生态系统,为客户提供更多的选择。
在互联互通的世界中保护电网
由于可互操作的电网的好处来自于更大的连通性和各方之间信息流动的增加,因此电网的元素可能变得更容易受到恶意参与者的攻击。
北美电力可靠性协会(NERC)为电网的高压元件(如传输线)提供了一套强制性的安全要求。但Gopstein说,就其他方面而言,网络安全方面的正式指导很少。
该框架提供了帮助填补这些空白的资源,包括作者利用NIST的网络安全框架制作的智能电网网络安全风险概要。这个概要文件包含许多针对于电网的安全考虑事项,为公共设施和其他设施提供了一种结构化的方法来评估它们当前的运行,并确定需要加强安全性的领域。作者还参考了之前NIST关于智能电网网络安全的报告,以求在单个设备接口层面获得更详细的指导。
该框架推荐的另一个重要资源是一个免费工具,它强调了NIST的网络安全框架和北美电力可靠性协会标准之间的重叠,以帮助组织改进其网络安全实践,同时确保它们仍然符合强制要求。
NIST的智能电网框架的第四版可以从NIST的网站上下载,作者通过公众评论过程得到的反馈对其进行了更新。