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欧洲区域专题:大趋势gydF4y2Ba

能源信息学:未来能源系统的关键要素gydF4y2Ba

作者:哈特穆特·施梅克，安东内洛·蒙蒂，维特·哈根迈耶gydF4y2Ba
ACM通信，2022年4月，第65卷第4期，第58-63页gydF4y2Ba
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评论gydF4y2Ba

气候变化的影响日益明显，需要能源系统向可再生能源进行根本性转变。虽然福岛事件导致德国能源政策发生了特别强烈的变化，导致了所谓的gydF4y2BaEnergiewendegydF4y2Ba在全球范围内，向可再生能源发展的趋势是显而易见的。在这里，我们概述了能源转型的主要挑战如何导致了计算机科学界对维持供应的稳定和安全的重要贡献的强烈需求，特别是对电网。因此，新的能源信息学学科已经出现，它正在解决这一高度跨学科和动态的研究和开发领域。gydF4y2Ba

虽然能源转型有许多要求很高的方面，但有几个主要的问题领域表明为什么迫切需要能源信息学的贡献:gydF4y2Ba

波动。gydF4y2Ba在未来的能源系统中，电力将主要由屋顶和更大的现场装置上的光伏模块提供，以及由陆上和海上的风力发电厂提供。由于依赖于天气，这种能源供应本质上是不稳定的，只有部分可控。因此，经典的“供给随需求而动”的原理已经不够了，我们需要以需求随供给而动，这就要求需求侧要有足够的灵活性和适应性。在这种情况下，最佳地使用存储，例如电池，将变得非常重要。gydF4y2Ba

不确定性。gydF4y2Ba除了可再生能源供应日益断断续续的特点外，预测能源供应和需求也变得相当困难。除了受天气影响的供应不确定性外，消费者的行为也在发生变化——例如，通过使用新的应用程序，如热泵和电动汽车，以及通过使用需求侧管理来响应与时间相关的价格——因此不再一定符合标准的负荷分布。因此，过渡和分配系统运营者以及负责平衡的各方需要更多关于最终客户的实际行为及其实际能源计划的信息，他们必须对观察到的偏离预期能源计划的情况作出更动态和更频繁的反应，几乎是实时的。gydF4y2Ba

权力下放。gydF4y2Ba在传统的电网中，电力是由少数几家大型发电厂产生的，然后输入到电压最高的电网中，经过长距离传输，然后在本地分配到终端客户的低压连接点，而在未来的电网中，电力将在数百万个低电压地点产生，这些地方的电力要么直接消耗，要么输入到电网中，电网将不得不双向收集和(重新)分配能源。由于电缆容量不足导致电压升高，局部电源输入会导致拥塞。由于电动汽车的电池充电产生了大量的新负荷，可能会产生相反的效果。这两种影响对配电系统运营商(DSOs)来说几乎是看不到的，即使他们有关于变电站状态的远程信息。从集中发电到分散发电的趋势的另一个影响是，作为辅助能源系统服务的传统提供者的大型发电厂将逐渐消失，这再次导致对分散能源安排的灵活性的需求增加。gydF4y2Ba

修改了电力系统的动态特性。gydF4y2Ba传统上，电力系统被控制为机电系统。电力电子主导的电网是一个软件定义的系统，它的动态响应速度比基于大型电厂的传统电网快得多。因此，我们需要更快的控制响应和更智能的IT解决方案。gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba

显然，处理这些主要问题的基本前提是获得关于电网所有活动组件状态的信息，这表明了数字化的必要性。但是，在传统电网中，传输系统运营商(TSOs)负责处理频率和电压的稳定性问题，而在未来的电网中，DSOs甚至设施、建筑物和家庭的能源管理人员将不得不对此类质量问题进行本地响应，主要是关于电压，但在某种程度上甚至是对频率偏差的响应，只要他们是聚合服务提供商的一部分。因此，天生需要一个具有分布式系统智能的能源信息和控制网络，并需要许多地点，以便主要根据当地现有的数据作出适当的控制决定。gydF4y2Ba

的后果。gydF4y2Ba为了应对可再生能源供应的固有波动性、不确定性和分散性，有必要发现和利用与需求和供应有关的负荷安排的灵活性。这只能通过对现有数据的分析，以及与负责相关设备(包括(智能)住宅和建筑、工业流程以及与电动汽车能源需求相关的设备)操作的实体的交互来实现。为此，计算机科学界面临着提供必要的充分设计的方法和工具的挑战。通过这种方式，信息学的任务从信息和通信技术扩展到操作技术，甚至到实时控制，这强调了对计算机科学家、动力工程师和控制工程师的多学科联合努力的要求。除了技术问题外，他们还必须考虑这一高度监管的关键基础设施的基本经济和法律问题。所有这些都可以用“能源信息学”这个术语来概括。提供了电网分散活动的简化结构观点gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图1。对分散电网活动的简化结构观点。gydF4y2Ba

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能源信息学的基本贡献gydF4y2Ba

由于空间的限制，我们只能强调能源信息学必须解决的几个基本主题，不能包括进行相关研究的众多欧洲地点的充分概述。尽管如此，除了我们自己的研究的简要描述和例子之外，我们还包括相关出版物、项目和机构的链接和参考，这些链接提供了相关研究活动的进一步链接。gydF4y2Ba

提供能源系统当前和历史状况的充分信息。gydF4y2Ba提供信息的先决条件是能够测量能源相关设备当前状态的传感器(如智能电表)的可用性，以及能够将测量数据值传递给授权接收方的基础设施。一个常见的需求是支持双向信息交换的能力，以传输来自能源供应商的动态的、时变的关税信息，或将主动的外部市场参与者(如需求侧经理或DSOs)的控制信号发送到可控的本地系统。关于这种基础设施的设计和利用，有一系列的主题，比如安全性和隐私性方面的问题，或者数据的时间和空间粒度的适当选择(例如，参见Kroener等。gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

能源状态数据的数据分析。gydF4y2Ba由于与能源有关的数据将以高空间和时间分辨率提供，因此必须设计智能方法来利用这一宝贵的信息来源。在这方面，由德国研究基金会(DFG)资助，这是一个跨学科的研究培训小组gydF4y2Ba^{一个gydF4y2Ba}卡尔斯鲁厄理工学院的11个研究小组致力于能源状态数据生命周期中的各种挑战的信息学方法，包括gydF4y2Ba收集、分析、部署gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba剥削。gydF4y2Ba

数据平台的创新和可扩展架构。gydF4y2Ba去中心化程度的提高需要主要活跃在边缘的可伸缩数据平台。经典的集中式SCADA架构无法处理必须处理的大量数据。这些方向的解决方案正在出现，大部分来自开源社区，就像SOGNO项目一样gydF4y2Ba^bgydF4y2Ba在Linux基金会能源。gydF4y2Ba

建模、(联合)仿真和预测。gydF4y2Ba能源信息学的贡献主要依赖于能源相关设备、系统、网格和相关过程的充分建模和模拟，提供分析和预测各种条件下行为的能力。这对于预测电网中潜在的拥塞尤其必要，基于电网中预期的功率流和相关实体的负荷分布。新的电网动力学要求电力系统采用全新的建模方法，以及相应的软件，gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba这对于高效风能系统的设计也是必不可少的，这也是DTU风能中心的一个主要课题。gydF4y2Ba^cgydF4y2Ba除了单个设备或聚合实体的单独模拟之外，必须使用联合模拟来分析它们的相互作用。例如，智能建筑在减少配电网拥堵方面的潜在贡献可以通过多户模拟结合配电网模拟来研究。gydF4y2Ba^5gydF4y2BaSteinbrink等人对联合仿真框架进行了有趣的比较。gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba一个特别相关的建模任务是在实体的负载配置文件中发现潜在的灵活性(参见Barth等人)。gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)．机器学习对于通过分析记录的负载概要数据流来检测某些设备使用中的自由度是必不可少的(参见Šikšnys)gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba和ForderergydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

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能源信息学这一新学科的出现，是为了满足计算机科学界对维持电力供应(特别是电网)的稳定和安全作出重要贡献的强烈需求。gydF4y2Ba

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能源管理系统。gydF4y2Ba具有分布式系统智能的预期能源信息网络至关重要地依赖于电网各级能源的高效和有效管理。在终端客户级别，家庭、建筑或设施EMS必须提供能源状态的有效可视化和与人类的用户友好交互，以检测本地偏好，以便为本地供应和需求充分优化调度。EMS必须作为下一层(DSO或区域EMS)的数字连接点，将负载更改的外部请求转换为本地设备的适当调度更改。这样的EMS依赖于数据的可用性和数据分析、模拟、预测和优化的方法。有机智能家居就是一个例子，gydF4y2Ba^dgydF4y2Ba它已经在一系列智能电网项目中得到了开发。通过智能电表网关和本地EMS，外部市场参与者和本地充电站之间交互的示例体系结构如图所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图2。电动汽车充电由EMS根据活跃的外部市场参与者的指示，通过智能电表网关控制，也符合消费者的偏好(从Kroener等人那里获得)。gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

网络安全问题。gydF4y2Ba信息和通信技术对能源系统的侵入不断增加，不可避免地导致这一高度关键的基础设施出现新的漏洞。因此，安全、安全和数据保护成为智能电网设计和运行的重要课题。一个特殊的挑战是协调对功能、实时功能、隐私保护和针对攻击和中断的健壮性的看似矛盾的需求。分布式能源系统不仅要有安全的IT基础设施，而且要有弹性，因为攻击不能完全避免。有关安全问题的相关研究可从德国应用安全技术能力中心获得，gydF4y2Ba^egydF4y2Ba女王大学贝尔法斯特安全数字系统中心，gydF4y2Ba^fgydF4y2Ba以及挪威信息安全和通信技术部。gydF4y2Ba^ggydF4y2Ba

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能源信息区域共同体gydF4y2Ba

在欧洲，能源信息学的研究团体日益壮大，主要出现在过去十年。例如，德国信息学会成立了一个能源信息特别兴趣小组，该小组与新成立的ACM SIG Energy及其旗舰会议ACM e-Energy有很强的联系。基于德国、奥地利和瑞士的联合倡议，DACH+能源信息学系列会议gydF4y2Ba^hgydF4y2Ba演变成一年一度的会议，在德国(2012年开始)、奥地利和瑞士循环举行。它的目标是促进能源领域信息和通信技术的研究、开发和实施，并促进德-奥-瑞地区及其邻国学术界、工业界和服务提供者之间的交流。gydF4y2Ba

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能源信息研究的大型基础设施和项目“，gydF4y2Ba

2.0能源实验室。gydF4y2Ba能源实验室2.0gydF4y2Ba^我gydF4y2BaKIT是欧洲最大的可再生能源和能源转型研究基础设施之一。研究了环境友好型发电机组的智能联网和存储方法。此外，未来的能源系统是基于真实的消费者数据进行模拟和测试的。gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba电厂网络将电能、热能和化学能以及新的信息和通信技术联系起来。这项研究旨在改善电力的运输、分配、储存和使用，从而支持能源转型。gydF4y2Ba

SINTEG C /销售。gydF4y2Ba在大规模测试中为未来的能源供应和能源部门的数字化提供了资金支持gydF4y2Ba智能能源展示-能源转型数字议程gydF4y2Ba(SINTEG)gydF4y2Ba^jgydF4y2Ba2016年至2020年，300多家公司、研究机构和市政当局合作。他们组成了五个示范区域，在这些区域里，他们为未来的能源供应开发和测试解决方案。举个例子gydF4y2BaC /销售gydF4y2Ba^kgydF4y2Ba该项目专注于开发一个智能的蜂窝能源系统，由一个基础设施系统支持，使数据能够在不同的单元之间安全地交换，并通过一个协调序列，电网运营商可以通过该系统进行快速通信和行动，大部分情况下是自主的。它还涉及交易区域能源和灵活性的平台，从而产生新的服务和产品。gydF4y2Ba

欧洲项目。gydF4y2Ba欧盟第8个框架计划“2020年地平线”资助了大量能源信息学研究项目。其中最大的一个是目前活跃的gydF4y2Ba欧洲单一网络gydF4y2Ba(OneNet)项目。gydF4y2Ba^lgydF4y2Ba它的范围是创建一个完全可复制和可扩展的架构，使整个欧洲电力系统作为一个单一系统运行，在这个系统中，各种各样的市场允许各个层次的利益相关者普遍参与，从小的消费者到大的生产者，无论他们的物理位置(见gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba)．该项目由Fraunhofer应用信息技术研究所领导，汇集了一个超过70个合作伙伴的联盟，包括电网运营商、关键IT公司、领先的研究机构和两个欧洲电网运营商协会。OneNet旨在为能够充分利用需求响应、存储和分布式发电的新一代网格服务创造条件，同时为消费者创造公平、透明和开放的条件。gydF4y2Ba

图3。OneNet项目的愿景。gydF4y2Ba

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结论和未决问题gydF4y2Ba

能源向可再生能源的转变正在推动能源系统的基本原理发生划时代的转变。只有通过真正的多学科方法和不同能源部门之间的强有力合作，才能解决上述一系列挑战，而这些合作必须建立在全面数字化的基础上。能源信息学可以被视为协调所有其他元素的主要推手，并承诺提高效率、新的负载灵活性来源，以及在高度分散的系统中应对不可避免的局部干扰的必要弹性。未来的能源系统必须至少与当前的系统一样可靠:需要新的解决方案来超越当前的实践，此外，考虑到更复杂的系统结构，该领域缺乏实施能力进一步增加了转型的挑战。除了逐步改造现有的能源系统结构和管理之外，也有方法设计一种全新的电网，其灵感来自于数据互联网的原理，处理电网每个节点的能量包和存储(见De Din)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)，但在多大程度上这将导致一个可行的概念仍然完全开放。至少，对无处不在的可用存储、电动汽车内的移动和建筑物内的固定的智能利用，将在未来的能源系统中发挥重要作用。gydF4y2Ba

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