全可再生能源智能电网的安韧性构建

面向安全且有韧性的全可再生能源智能城市电网

摘要

智慧城市的概念源于提升市民生活质量的需求。预计到2050年，全球70%的人口将居住在城市地区。电网是智慧城市建设的能源骨干。一个能够抵御网络和物理风险等不利事件、并支持可再生能源整合的电力系统，将推动未来智慧城市的变革性开发方法。本文阐述了如何为完全依赖可再生能源供电的未来电力系统构建“安全性和韧性”，并将其融入其生态系统之中。

索引术语

安全性，韧性，可再生能源，未来电网，智慧城市。

I. 引言

电力系统是关键基础设施的核心。国家安全和经济活力依赖于安全、可靠且具有韧性的电力系统。美国电网曾被认为是20世纪工程的奇迹，但在面对21世纪威胁时已变得过时。我们的能源系统存在诸多缺陷，已无法向企业和家庭提供（网络）安全且（抗灾）有韧性的电力供应，从而对社会和经济构成紧迫而巨大的威胁。在极端威胁下，具有僵化输电和配电控制层级的垂直电力系统屡次失效。联邦能源管理委员会（FERC）最近的研究发现，只要破坏55,000座变电站中的9座，就可能导致美国全国范围停电持续18个月或更久[1]。例如，迈克尔飓风导致美国墨西哥湾和大西洋海岸沿线170万用户停电[2]。2007年6月至9月，希腊发生热浪和森林火灾，对中压配电网造成严重破坏，导致该国许多地区停电[3]。从这类灾难中恢复还需耗费数百亿美元，包括时间、人力和经济损失，并加剧社会不平等。这些故障使公用事业公司、监管机构和利益相关者认识到，故障会在国家和大陆级电网中发生级联，将局部现象放大为社会经济灾难。传统电力系统容易发生长时间的级联停电，且恢复过程复杂耗时，即缺乏安全性和韧性。继续采用传统模式运营电力系统关键基础设施，已被公认为安全性与韧性的重大威胁，也是未来智慧城市建设的主要障碍。

将光伏（PV）太阳能系统、风电场以及其他可再生能源（RES）整合到电网中，有助于提高电力系统在正常运行期间的安全性和可靠性，并在极端事件期间及之后增强系统的韧性。在2018年第一季度，美国新增发电装机容量中有55%来自太阳能[4]，仅佛罗里达州就预计到2025年新增超过8.6吉瓦的太阳能发电 capacity。以太阳能光伏、电池储能和需求侧资源等形式接入的分布式资源，一旦相关研究工作能够解决尚未明确的系统设计问题，便可提升应对灾难性事件的韧性。例如，在发生大规模扰动后，如何通过构建临时独立微电网，在停电情况下战略性布局并运行这些资源，以保障重要负荷的电力连续性或快速恢复供电，从而维持智慧城市基础设施的运转。此外，随着越来越多的可再生能源（RES）被整合到电力系统中，预计海上石油和天然气平台将在生命周期结束阶段被重新利用，用于生产可再生能源（例如海上风电、波浪与潮汐能、海洋流能、海洋太阳能、深水冷却等）。

为应对现有问题，需要建立一种变革性开发方法，以发展和构建面向未来智慧城市的安全且有韧性的电网。此类发展将推动形成一种能够抵御极端现象的电力系统，同时支持可再生能源的整合，并减少对北海、墨西哥湾及其沿海地区石油钻探的依赖。

II. 安全且有韧性全可再生能源电网的支柱

实现安全且具有韧性的100%可再生能源电网的目标，需要发展多层控制和系统方法，从系统稳定性控制到硬件/软件/物理系统的安全协同设计，从而构建一个集成于智慧城市的整体化信息物理能源系统（CPES）[5]。将表征这些智慧城市的技术维度包括电力电网以及信息与通信网络，这些网络可推动智能交通系统的发展，并支持清洁能源（如电动汽车、节能建筑）的应用等。技术方法将围绕关键CPES和智慧城市基础设施的决策与网络韧性机制展开，致力于推进可再生能源建模与仿真的研究与发展。有必要建立一个核心创新生态系统，推动跨领域与融合性技术、变革性政策、经济与商业模式的发展，并培养能够满足未来城市电网需求的未来劳动力。这一愿景需基于两大支柱：（1）开发并建设一个安全且有韧性的电网，能够完全使用可再生能源供电、供热/制冷以及交通，并具备抵御自然灾害和网络攻击的能力；（2）确保运营商能够安全有效地使用新技术，并使消费者与市民接受并信任新系统。我们的日常生活和经济将因此得到保障，实现转型、电气化，并迈向下一代。这两个领域的融合与整合将协同催化出更安全、更可靠、更高效的社区与社会。以下将阐述这两个方向：

A. 面向极端事件下可再生能源资产灵活恢复的韧性驱动系统运行

智能电网和微电网与大电网系统协同运行是被认可的解决方案在理论上是[6]–[8]。已有多个智能电网项目针对这些与极端事件相关的挑战，在某一方面或多个方面进行了增强；然而，目前尚不存在能够推动全行业快速实现韧性的统一、全面、通用的平台。该领域的最新调查明确指出了有效韧性评估与增强方法的必要性[9],[10]。

这一方向需要融合以往在电网现代化技术方面的成果，包括现代测量设备、新兴的储能技术与可再生能源整合、预测技术、自动化以及智能算法，为公用事业公司制定现代化蓝图，助其将传统运行架构转变为安全且有韧性的智能能源系统；从而最大限度地减少极端事件造成的损害（无论是网络攻击[11],[12]，例如2015年和2016年乌克兰电网遭受的攻击，天气事件，例如美国大部分人口居住在灾害频发地区：75%的佛罗里达州居民居住在经常受到重大飓风威胁的沿海地带，或是人为操作失误，例如2010年BP漏油事故估计造成超过600亿美元的损失，并对墨西哥湾自然环境造成了前所未有的破坏[13]）。

这一转变将实现以韧性为导向的电力系统运行——包括从规划到事件后恢复——从而最大限度地减少停电，降低经济损失、公共安全疏漏和不便。智能电网框架和算法需要融入智慧城市，旨在利用微网技术成熟、资产管理以及客户拥有可行的、增强弹性的能源资源的发展。例如，智能且自动化的发电设施必须基于多维数据资源、概率性资产可用性预测以及以韧性指标驱动的恢复机制，通过智能优化算法确保在极端事件期间及之后对关键负荷的电力供应连续性。

该方法的图示如图2所示。从技术开发的角度来看，目标应是创建灵活且敏捷的平台，能够适应日益多样化和扩大的对电力系统和智慧城市运行的威胁，并提供及时和灾后智能支持，以最优且安全地协助公用事业公司和智慧城市单元的恢复与恢复管理流程，即最小化停机时间、运行风险、进一步的脆弱性暴露以及因事件产生的成本。此类平台需要涵盖大电网系统和配电馈线级控制、具备多个与周边配电网共用耦合点的自包含社区微电网构建，支持多个光伏系统组成的 fleet 整合（能够在电网停电期间为关键负荷供电），以及表后资源和客户拥有的可再生能源和储能资源。

开发支持可再生能源（RES）并网的基于规划和基于操作的平台，不仅需要纳入韧性增强策略，还需要涵盖能够缓解日益增长威胁的网络安全实践和标准。现有的攻击缓解方法主要集中在两个方面：（1）韧性控制和估计策略，即通过排除受攻击部分，并在攻击下采用优化的控制和估计策略；（2）攻击检测，即监控测量系统变量中的意外变化。攻击检测方法进一步分为两大类：模式识别，即学习与攻击相关的记录历史数据，然后识别实时数据的类别；以及异常检测，即将系统的实时行为与预期的正常行为进行比较。

包括美国国家标准与技术研究院（NIST）、国际标准化组织（ISO）及其他标准机构在内的多个机构和组织正与研究界合作，以了解新的网络安全威胁，制定一套基础控制措施来管理这些威胁，理解其带来的风险，并探索如何缓解这些风险[14]。NIST发布了NIST SP 800‐82[15]，以协助在工业控制系统中实施网络安全措施。此外，NIST还发布了两份关于物联网（IoT）设备的跨部门报告：《物联网设备网络安全能力核心基线》（NISTIR 8259A）和《管理物联网网络安全和隐私风险的考虑因素》（NISTIR8228）。此外，公用事业法规也包含网络安全要求和标准。北美电力可靠性公司（NERC）发布了NERC CIP v5 网络安全标准。

私营部门特别是天然气和石油公司[16]采用NIST的网络安全框架以及额外的国际网络安全标准，包括针对工业自动化和控制系统的ISA/IEC 62443系列标准，以及能源部（DOE）的网络安全能力成熟度模型（C2M2）。其他努力还包括NIST国家网络安全卓越中心（NCCoE），该中心与电气公用事业等各类关键基础设施领域及技术合作伙伴协作，探究分布式可再生能源网络互连[17]可能引发的网络安全问题，并开发参考架构以应对这些漏洞[18]。关注的示例领域包括恶意软件防护与检测、数据完整性、设备和数据真实性。

基于不同攻击/关注场景以及标准/最佳实践的安全性要求/结果，网络安全能力需要包括分析与可视化、认证与访问控制、行为监控、命令寄存器和数据历史记录器、数据完整性以及恶意软件检测[19]–[21]。图3展示了如何部署所需的网络安全能力，以保护不仅公用事业系统和分布式可再生能源，还包括微电网以及表后资源和负荷[18]。

B. 为无未来石油钻探且全可再生能源电网的创新生态系统的发展

气候变化、企业社会责任、可再生能源成本下降以及多元化的推动，重新激发了许多石油和天然气公司对可再生能源领域的兴趣。此外，不断增长的能源需求推动可再生能源使用持续增加。例如，美国能源信息署（EIA）指出，2019年，风能在全美公用事业规模设施中产生的可再生能源电力约占42%，占美国总发电量的7.3%，使其成为最受欢迎的可再生能源[4]。

尽管可再生能源的整合有助于满足日益增长的电力需求，但其波动性和间歇性会导致供需失衡。传统上，交流电（AC）电力系统依赖同步发电机来维持电网稳定性，因此实现全可再生能源电网需要保持系统稳定性。用光伏和风力系统替代同步电机将影响电网稳定性，因为同步发电机本身为电力系统提供惯性响应。

例如，短期风电波动发生在负荷平衡方法尚未发挥作用的时间尺度上。由于电力系统主要受同步惯性支配，为了确保系统稳定性，在可再生能源整合过程中必须考虑电网的某些方面（例如，最优位置、潮流、发电变化等）[22]。总体而言，移除同步发电机将导致系统惯性降低，从而影响暂态和小信号稳定性。然而，如果设计得当，未来以逆变器为主的电网中可再生能源（RES）的有功功率控制器能够提供合成惯性响应，以稳定频率偏差并维持电网同步。此外，通过电池储能系统（BESS）、燃料电池、飞轮等储能解决方案增强的太阳能光伏系统，或从其最大可用功率能力降额运行的系统，可在欠频情况下提供合成惯性响应。尽管美国研究人员和企业正在推动重大创新，美国在建立支持可再生能源在能源领域整合以及未来智慧城市发展所需的生态系统方面，目前落后于其他国家。

例如，德国是全球可再生能源领域的领导者，在2018年上半年产生的电力足以满足全国所有家庭一年的用电需求。同年（2018年），可再生能源占美国总能源消耗的约11%（与2019年相近——11.4%，见图4），占发电量的约17%。

可再生能源作为能源贡献者的重要性而推动无钻井生态系统的机遇尚未被全社会充分理解或认可。因此，可再生能源行业一直面临供应链和价值链脱节以及缺乏合作的问题。制定有效的短期和长期技术开发、整合以及政策发展计划至关重要。创新生态系统面临的四大主要障碍包括：（1）能源领域中可再生能源行业的碎片化；（2）可再生能源研发和制造能力的不足；（3）商业模式、公众理解、政策和投资兴趣的缺失；（4）劳动力可用性和人才培养方面的挑战。政府必须通过公私合作伙伴关系解决这些障碍，以实现安全且有韧性的电网，并通过将可再生能源的研发成果转化为制造业就业和投资机会来获取经济效益。

III. 前进的步骤

尽管太阳能和其他形式的可再生能源发展迅速，但它们主要提供购电能源，目前尚未充分整合到电网运行中，也未对电和城市系统韧性做出显著贡献。必须有效利用可再生能源，使其成为完全集成电网运行资产以及用于增强安全性、可靠性和韧性的资源，在一项广泛且多方面的努力中至关重要。有必要扩展当前的公用事业预测能力，不仅限于资产方面，还需开发在重大灾难期间及之后关于资产可用性、可访问性和可用性的概率模型。此项任务十分复杂，依赖于变量之间多重、相互作用且常为反直觉的相关性。因此，需要开发适用于极端事件挑战的安全性和韧性指标，以应对诸如网络攻击以及包括干旱、地震、洪水、飓风、龙卷风和火灾在内的自然灾害等恶意或非恶意不利事件所引发的问题。

该领域的未来研究需要开发跨学科的创新技术，以实现具有100%可再生能源愿景的安全且有韧性的电网；采用网络‐物理‐以人为本的系统性方法，将人纳入环路之中；制定并实施技术、公共和经济政策，以加速可再生能源的使用；并开发教育项目，培养下一代电力与能源系统工程师。随着全球城市化的持续增长，支持安全且有韧性电网的智慧城市将提供一个极具吸引力的解决方案，有助于促进经济增长、提高能源与交通系统的效率，并推动可持续发展。

在预期影响方面，该领域的进展将进一步带来：（1）更清晰地认识并加深理解电力系统基础设施中的根本性差距，以及协同工程方法如何能够对完全由可再生能源支持的关键城市基础设施的可靠性、效率和韧性实现革命性提升；（2）召集与共同开发应对当前和未来挑战所需的互补技能，并促进与所有相关利益相关者建立和发展有效关系；（3）使更广泛的社区能够及时采用衍生技术。社会影响可通过以下方式实现：（1）对行业利益相关方中感知到的挑战进行盘点，以确定优先挑战；（2）为行业提供支持，通过倡导与教育；以及（3）创建支持行业需求并促进能源领域多样性的人才输送渠道。

跨学科环境将有助于融合多个学科和观点，以增强预期的研究开发以及学习体验的影响。具体而言，有必要借助多个学术学科及合作的力量，包括电气（例如可再生能源发电对机电振荡稳定性的影响）、机械（例如评估海上风力涡轮机的结构韧性）、计算机工程（例如采用纵深防御策略建立抗攻击和自愈安全框架）、社会科学（例如飓风后的不均衡恢复仅加剧了基于种族和阶级的不平等），以及政府和工业界利益相关方（例如确保研究成果真正反映国家需求和紧迫性）。这一广泛联盟对于实现会聚型研究方法并产生重大社会影响至关重要。在教育方面，融合各个学科概念的跨学科课程将成为优先事项，以便学生在该领域获取更多知识和技能[25]。

从工业应用和智慧城市生态系统中能源系统的安全性和韧性目标来看，如图5所示，仍有两个领域需要取得重大进展。首先，提高关键系统对高影响低概率不利事件（例如网络攻击、天气引发的故障和失效、自然灾害等）的韧性，是CPES的重要优先事项，对于保障国家经济和安全具有重要意义。此类事件可能导致系统动态的不稳定持续加剧，并引发大面积故障。在考虑油气行业可再生未来的背景下，为智慧城市环境中的电网应用开发弹性与运行安全策略方法至关重要。这些方法将考虑油气行业内的海上设施，以及如何将这些结构重新用于可再生能源，从而实现“绿色退役”和“绿色经济”。在此能源转型框架下，有必要应对异常事件以及天气不确定性建模的存在。因此，未来方法论需要通过利用本地化和监管型可再生能源方案来应对破坏性事件，并防止其升级为系统故障。

其次，一个具有韧性的电网应消除或至少显著减少由极端天气和网络事件引发的影响。因此，有必要扩展当前公用事业的预测能力，不仅限于资产层面，还需开发在重大灾难期间及之后关于资产可用性、可访问性和可用性的概率模型。该任务十分复杂，依赖于多个变量之间相互作用且常常违反直觉的相关性。因此，有必要为每个智慧城市面临的天气挑战和技术进步制定适用于安全与弹性的新指标。未来，必须在综合框架和算法内开发更智能且具有成本效益的策略，以实现基于可再生能源系统的韧性——涵盖从规划到事件后恢复与重建的全过程，从而最大限度地减少停电[26]。可以设计基于安全与弹性指标的框架，利用微网技术成熟、资产管理、符合网络安全标准以及支持先进的攻击检测/预防方法，并促进客户拥有可行的、增强弹性的能源资源。例如，在极端事件期间及之后，可通过基于多维数据资源与指标的智能优化算法，保障智能自动化发电机组对关键负荷的持续供电[27]。增加层级的概率性资产可用性预测有助于更好地展示以指标驱动的监控和恢复。安全性和韧性指标将成为未来技术平台的基础组件，将复杂且相互关联的决策变量整合在一起。这使得智慧城市的 大电网系统和配电系统的安全性与韧性 成为现代化挑战的核心。