今天帶給大家澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)副校長(zhǎng)，杰出教授余星火博士和國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)薛禹勝院士最近在ProceedingsoftheIEEE發(fā)表的關(guān)于智能電網(wǎng)的特約文章。該文對(duì)目前國(guó)際上智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)做了全面總結(jié)，提出了智能電網(wǎng)對(duì)信息物理系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展的新挑戰(zhàn)，及信息物理系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的新思路。特別對(duì)目前國(guó)際上前沿領(lǐng)域，比如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及工程、云計(jì)算等，以及對(duì)未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展提出了一些建議。其中一些觀點(diǎn)得到了國(guó)際媒體的關(guān)注，在CiOL.com上有專(zhuān)門(mén)采訪。
1、研究背景
智能電網(wǎng)是支撐未來(lái)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。鑒于能源資源及環(huán)境資源的苛刻約束，更高效地使用現(xiàn)有能源，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，成為人類(lèi)面臨的重要挑戰(zhàn)。對(duì)此，各國(guó)都在努力尋求大規(guī)模利用可再生能源，減少依賴化石類(lèi)能源的有效策略。例如，中國(guó)的目標(biāo)是在2050年前使可再生能源的比例達(dá)到86%。智能電網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為對(duì)象的信息物理系統(tǒng)，有效支撐能源供應(yīng)鏈的上下游環(huán)節(jié)，并與之協(xié)調(diào)，使能源的生產(chǎn)、傳輸、使用更經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、環(huán)保。
本文總結(jié)了目前國(guó)際上智能電網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，智能電網(wǎng)對(duì)信息物理系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)，以及信息物理系統(tǒng)對(duì)智能電網(wǎng)研究提供的新思路；對(duì)諸如復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及工程、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等當(dāng)前的前沿領(lǐng)域，以及未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展提出了一些建議。
2、信息物理系統(tǒng)
信息物理系統(tǒng)是集成計(jì)算、通信與控制于一體的新一代智能系統(tǒng)，能夠使信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式有效互動(dòng)，達(dá)到預(yù)計(jì)效果。其核心理論及技術(shù)基礎(chǔ)為系統(tǒng)科學(xué)與工程和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與工程。其核心技術(shù)包括環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程技術(shù)，注重計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)。
圖1從信息物理系統(tǒng)的視角看智能電網(wǎng)
3、智能電網(wǎng)
智能電網(wǎng)的定義來(lái)自于將通信、計(jì)算、控制、建模及優(yōu)化技術(shù)和大規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)深度融合，使電能的生產(chǎn)、傳輸、配電、使用的整體過(guò)程更加經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、環(huán)保。其發(fā)展有賴于以下多方面的進(jìn)展：局部自主控制機(jī)制、能源需求的精確預(yù)測(cè)、可再生能源生產(chǎn)的精確預(yù)測(cè)、節(jié)能減排、能源供需平衡、電能存儲(chǔ)技術(shù)。
圖2智能電網(wǎng)的基本應(yīng)用
4、智能電網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)特征
智能電網(wǎng)具有一系列典型的信息物理系統(tǒng)特征，比如實(shí)際（電網(wǎng)）及虛擬（信息）系統(tǒng)緊密結(jié)合，他們之間動(dòng)態(tài)互動(dòng)，具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)等功能。應(yīng)用信息物理系統(tǒng)技術(shù)能夠加強(qiáng)設(shè)備高效率高可靠性使用，減少為加強(qiáng)可靠性而用的冗余設(shè)備，減少運(yùn)行成本。但是，智能電網(wǎng)也有其特殊性，需要在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)保持動(dòng)態(tài)平衡，從而對(duì)可靠的實(shí)時(shí)信息傳遞及分布協(xié)調(diào)控制提出極高的要求。目前信息物理系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)還不完全滿足智能電網(wǎng)的要求。智能電網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)需要在以下幾個(gè)方面緊密結(jié)合，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信技術(shù)、建模及模擬、信息安全、分布計(jì)算、分布控制、分布優(yōu)化及分布智能化。
圖3智能電網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)特征及關(guān)鍵問(wèn)題
5、未來(lái)挑戰(zhàn)及機(jī)遇
智能電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展必須和環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。這就需要從更宏觀的角度來(lái)看智能電網(wǎng)，包括從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)角度來(lái)看待一次能源的采集，能量的轉(zhuǎn)換、傳輸，到用戶用能方式，分析成本及短中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。
圖4智能電網(wǎng)未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)
大數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用，具有大量性、多樣性、高速性、高價(jià)值等特點(diǎn)。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)來(lái)自電網(wǎng)中許多源點(diǎn)，比如運(yùn)行數(shù)據(jù)及智能電表。這些數(shù)據(jù)，如果能夠快速處理，得到準(zhǔn)確信息，將使得電力的生產(chǎn)、傳輸及應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)可靠。
云計(jì)算是另一個(gè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。云計(jì)算將計(jì)算、存儲(chǔ)和通信網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體性共享資源提供高效率服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)從另一角度提供了動(dòng)態(tài)全局性網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使智能電網(wǎng)的不同參與者能有效合作運(yùn)行。他們共同面臨的挑戰(zhàn)包括保密安全及保護(hù)用戶隱私。
網(wǎng)絡(luò)科學(xué)為智能電網(wǎng)的高速高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，特別是在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，提供了新的思路。它跳過(guò)了傳統(tǒng)的狀態(tài)空間思維，通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)的特性，使高效計(jì)算為智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制提供了理論基礎(chǔ)。
