托马斯·J·奥维比：电网运营大数据的实际应用

2014年10月28日，由中国工程院、美国国家工程院、EMC公司、VMware公司、浪潮集团及联想集团共同举办的以云计算和大数据为主题的IT行业学术研讨会——IT 2020高端论坛在京举行，此次论坛聚焦未来数年内影响中国乃至全球行业和经济发展的大数据、云计算和新兴IT趋势，来自中国、美国及全球各地的学术界和产业界的领导者及专家学者参与了此次盛会。

IT 2020高端论坛上，伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程专业Fox家族教授托马斯˙J˙奥维比(Thomas J. Overbye)带来《电网运营大数据应用》的主题演讲，以下是演讲实录：

Thomas J˙Overbye：首先感谢中国工程院和其他工程院，感谢给我这次机会发言，前面发言人讲到大数据推动电网发展，大数据也需要电网，因为需要消费者，需要很多电力，因此反向也是需要的。上一位发言讲到数据分析元，这是电网很重要的一部分，我这里要讲的是电网到底怎么样运营，怎么样从中更好地使用大数据的机会。我认为电网是世界最复杂的机器，美国2000年，人们投票选举出上个世纪最重要的技术，人们认为电网或者电力技术是20世纪最重要的工程技术。紧随其后是汽车、飞机，还有水资源、电子、广播等等，将在电器化发展过程当中发挥作用，能源可持续使用框架。很简单装置，可以帮助我们通向非常复杂的机器。

电网和电力是即插即用的便利性，还是比较简单的，美国、加拿大他们使用的电压是不一样的，美国、加拿大是120伏，中国和其他很多地方240伏，赫兹北美是60赫兹，其他是150赫兹。电网三个部分组成，发电、负载、消费、电线，发电和消费联系起来，我们再进一步分析的时候，我们看到在传输的系统当中，电流以高达一千KB电压长距离、高效移动。现在我相信中国的电流也是以1000KB高压长距离运输，这是高压运输。在美国也是这样。

再看一下下面，下面电力被运输到不同的社区，高压电变成了低压电，低压电被运送到各个家庭，我的发言当中会讲“总线”，总线是什么，电脑也有总线，我讲的总线不是电脑总线，讲公路的时候，“汇流排”不是这个意思，电网当中讲多个电器连接结合点，电网三项，ABC项，在这，可以看到一个电线，每个杆子上有三根杆，我们在这一般来说在地图上会用一条线代表三条线路，再看一下美国整个输电网络的图。加拿大、美国，还有墨西哥的一部分，都被连接起来。最大传输电压765KB。当我们再建模的时候，通常建成一个相互连接的一个网络，通常有大约十万条总线，可以说是世界最大的网络之一，在每家有四大线，就是在东部，每家是一体的，在北部是不同的，还有南部德州，有自己的独特电脑。加拿大魁北克也是独立电网，除此以外，其他州都是相互联系。

在中国的电网图是这样，下面谈到了，你们的传输电压，现在是1000KB，非常高了。要画出这样一个图非常难，因为高压电网分布的图被认为是高度保密的，所以你要绘出这个图非常难，我们也很难非常具体地去展示，因为有很多信息是非常绝密的。在过去的几年当中，我们电力行业一直在讲智能电网这个词，我认为长期以来，我们的电网具有智能性，爱迪生创立了GE公司，而电力公司也可以接触到爱迪生的年代。电力的发展在爱迪生那个年代已经发明了很具有智能性的电表。像我们所有人都觉得自己很聪明，但是我们认为谁上了电网，可以更加聪明，更加具有智能性，可以运用大数据技术，前面发言人讲到了，很多数据分析元，以及智能电网技术，主要是在变压器的点来应用，但是实际上在输电网络当中，也可以很多地应用，现代的社会依赖于电器，并且这种依赖性会越来越强。

像我们现在的人，每几分钟就会去查一下自己的手机，或者是E-mail，很多人离开电器就没法生活。即使是短暂的停电，也会造成工业生产的终端，如果是比较长期的这种停电，而且是大面积的，那就是灾难性的后果了。我们希望不计成本地来防止这样的事件出生。但是我们不可能用所有的线路铺满整个国家，我们还有一些经济性的考虑。我们是否应该更多地使用可再生能源来做动力电，问题是它的可控性，可能比不上化石能源，所以如何使得电网更具有智慧性呢?到底它为什么是独一无二的技术呢?电网当我们在谈在中国、美国的这些互联电网的时候，它是一个巨大的电路，它的电流速度是光速，所以每分钟、每秒钟，都在进行变化，我们并没有一种方式来有效地存储电能，比如说我们打开电灯开关，这种必须是在你用电的几毫秒的时候去发电，也就是不可能打开电灯开关没有电，不是像拨电话的时候听到了忙音，不是这样的，但是我们就没法控制电流通过电网的方式。当然有一些例外，通常来说，客户可以控制自己的耗电量，而我必须管理电网，会给大家介绍一下这样的电网管理。

电网的另外一方面，暴露在自然气候下，如果电网所处的地区出现了风暴、冰雪暴，加拿大魁北克出现冰雹影响，比如99%以上电网可靠、正常运转状态，属于N-1的可靠性。如果一个组件出现了问题，待会举例来介绍，电网仍然是可以维持的。比如雷电或者是龙卷风破坏了电网，这可能出现紧急状况或者极端情况，就是飓风出现了，给电网造成了在灾难性这种破坏，所以我们有不同的状态，电网恢复状态、紧张状态、紧急状态。

下面为大家展示一下模拟的电网运行。这是电网的一个模型，这是一个小模型，待会还有大模型展示，大家看一下绿色箭头展示的是电流在电网中的运动轨迹。大家可以看到有一些红线代表的是高压输电，还有一些圆形是指发电站，大家看看这部分的箭头，它是电力被消耗的点，我们不会去模拟所有电网中的设备，我们看到百兆瓦在美国，可能是能够供5万居民的一个美国小县城所去供电的量。我们看到110兆瓦，我们必须来供这么多的电。在这里有三条线进来，我们如果数学算的好，可以把它都汇总加起来这几个数，如果有一条线，终止服务，可能是被雷电给劈了，所以就终止服务了。那么自动的，我们会有另外的一个供电去弥补，出现这样情况，可能会出现输电线的过载现象。如果超过了百分之百，也就是比如108%的话，这条线因为要去弥补供电，结果就过载了。你刚才到N-1的正常。也就是如果有一个点出现故障，不会出现过载，那么但是这个网络不是很简易状态，如果出现了一个过载的输电线，我们必须对这个电线进行这样的一个减压，否则的话肯定会出故障。所以我来改变我们所说的发电的位置。我可以间接地控制这条电线的输电。比如这就是我们谈到的发电和负载不断地平衡中。

这条线恢复正常了，这个部分的客户希望增加耗电量，点一下这个值，这样的话，就会给这个客户通过输电线输更多的电，会自动地从发电机输出来，如果发电机通常是AGC，就是代表自动发电控制，它是开启状态。下面切换到美国东部，芝加哥是伊利诺伊州最大城市，美国第二或者第三大城市，这张图为大家展示了芝加哥电网，绿色箭头展示的是在网络上传输的电，红色的线是345兆瓦的电压，黑色是138兆瓦。大概这个位置是780兆瓦左右，如果我对某一个电网、某一个地方放大，大家看一下，这是在北伊利诺伊州，叫做拜伦发电厂的位置，有两个发电机，大概是1200兆瓦发电量，通过两条线，300到400兆的传输线。像跟小系统所发生的，我们在这里头还有三条线，一个是负载更高，但是没有一个过载的。如果我们有一天很不幸，两条线都出问题了。

像上一个案例中，现在我们有一条传输线是过载了，我们必须做一些事情来处理。这就是电网运营商一直要处理的这样一些问题。如果不快速解决的话，我们的电网管理还可以，有的时候突然出现了一次性的两条输电线，出现问题，我们就会快速进入到紧急状态。所以就会建议这个发电厂应该降低发电量。

我们回到幻灯片，在上一个介绍当中，我们看到电网是根据不同的时间规模来去进行运营的，在这里，我为大家展示的这样一个时间单位叫做电力的框架结构图，那么从几秒到几分钟、几毫秒，主要是在这样一个时间范围之内，必须把发电和耗电进行一个平衡、匹配。这就是我们谈到的发电和传输的规划，这是我们这十多年来的这样一种做法。

比如说我们必须去研究，比如说如果被雷电所劈这样一个效果，可能会造成一些电泳现象，可能还要研究这样一些出现情况，所以待会会为大家展示一下电网输电的稳定性。大家看一下比较做短期电网情况，1/10、1/20秒，到30、40秒之间，如果出现系统波动的话，模拟一下，如果发电机组出现问题的话，这个时候在电网会出现这样一个正当现象。这张幻灯片所展示的是不同的线，20秒之内，60赫兹，就是在发电机出现问题之前，这个时候发电量不足，系统开始放缓，这个时候频率也会降低。这是一个动态的过程，有的时候公用事业、行业，他们必须实时的研究，那么这需要大量的数据来去和计算支持。

下面切换一下电脑，为大家展示实时的模拟仿真，如果当这个发电机组出现了问题故障，这是模拟的北美西部电网，这是西部模拟。电网的干扰不会以光的速度在电网出现效应，大概是每秒五千公里的速度，所以这就是一个影响在电网中递延的速度。这是1/3的实时速度的仿真模拟，可以看到，这是我们电网的南部，有一个发电机出现了问题，然后他造成的影响，慢慢地影响在整个电网中蔓延开来。我们看到不会有一些频率变得太低，如果这个电频变得太低的话，整个电网出现问题的组件就会更大。所以我们是每秒的实时仿真，必须有电网模型，而这些模型必须由数据去支撑，这些数据是由传感器去收集的，以提供电网的高可视性。

回到这张幻灯片，那么为了应对这样一个发电量的瞬间丢失，系统频率会下样，这个时候会有各种各样的自动控制系统，来去生效。而当这些系统生效之后，他们会防止系统频率的下降。其中一个挑战就是可再生的这样一些发电，比如说风力发电机，通常他们都是属于最高的一个输电，所以太阳能电是没有惯性的。电网控制非常的好，那么事实上在电网出现，也就是在19世纪的时候，我们就一直再去对它进行控制，比如说当雷击，出现电网故障，发生的故障的设备，必须尽快地去停止服役，高压故障应该在0.05秒时间周期内，避免热力和机械损坏。

还有地磁的平抑，会造成高电磁场的损坏，这是我们谈到了对电网的控制度，我们要快速让这块输电线停止控制，但是又要有一个规模的控制。但是这种控制是由自动管理中心和这样一套系统来去组合的话，我们通常把它称之为EMS能源管理系统，这种系统主要由SCADA数据驱动，指监管式的控制和数据收集，那么可以说SCADA是一个非常好用的方式，我们会通过SCADA收据的数据，进行创建功率流模式，就是刚才展示的芝加哥电网，然后我们会做一些紧急或者偶然性的分析，来看它是否是N-1的这样正常状态，所有这些规划是以实施的方式去发生，或者静实施，只有SCADA系统，电网本身速度快于一秒，而SCADA仿真，快于一秒不够用，如果做模型预测和实际情况有出入，这张图红色的线代表电网系统频率，这是在南加州2011年所出现的一个情况。也就是它的频率降的太低了，结果电网实际的性能和模型做出来的性能是不一致的，实际的电网告诉我们这个模型预测的结果是不准的，所以我们要验证这样一个预测。我们怎么做使用了相量测量单位PMU，不是几秒钟取一次样，每秒取30到60次，上面曲线图告诉你区别，电脑实际发生情况，每秒取几次可以看到区别，我们丢了很多的振荡产生的曲线。这个PMU就是现场测量，给我们带来了很多数据。

现在在中国部署了很多，因为现在采样、取样比较多，速度比较快，这样有更好、更准确的判断，另外我们现在实时从状态估计，至少需要数秒钟时间，变为直接状态测量，这样可以不断地进行观察，这样可以给你更多的这种可能性，让你更快、更广地区的控制，这样还可以进行这种更好的模型，了解更好的电网情况。我所从事的研究一个领域，就是怎么样来避免灾难性的事件，其中包括地磁干扰，比如说出现了大型日冕物质喷射，对地球磁场发生冲击，形成准直流电，高压转换器饱和，非常危险的。魁北克1994年遇到这种情况，出现高压情况非常危险，这样也是不断地在研究的一个领域。我们朝什么方向来发展，我们希望更大范围进行更加复杂的监控。当然有数据来支持的，牵扯很多数据，有很多控制系统，有很多传感系统、数据，都在电网上，我们在电力行业中需要能够帮助大数据行业，就是你们这些人，你们也需要我们获得稳健、可靠的电源供应，这样能够进行其他的科研工作，相互之间都是互相依存、互相支持的。才能对大家带来更好的扶持。这种可靠的电力对于现在社会至关重要，谢谢!

关于IT 2020：

IT 2020高端论坛是由中国工程院、美国国家工程院、EMC公司、VMware公司、浪潮集团及联想集团共同举办的一场仅面向受邀人员的世界级的高端论坛。论坛聚焦未来数年内影响中国乃至全球行业和经济发展的大数据、云计算和新兴IT趋势。来自中国、美国及全球各地的学术界和产业界的领导者及专家学者都将参与此次盛会。

本届论坛将进一步探索云计算和大数据的架构、应用和对主要行业的影响。届时中国工程院和美国国家工程院的顶尖科学家、学术界的知名专家以及产业界著名的思想领袖将汇聚一堂，与您共同探讨宏观IT趋势的话题。聚焦云计算和大数据的基础架构，两者对中国IT策略、经济发展和城市可持续化发展的影响，以及大数据在中国可持续化发展进程中至关重要的三个行业中的应用：医疗、能源变革和综合交通。