Vladimir Terzija：Digitalization-A Revolution Leading to Future Low-Carbon Economies

編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續 共生 向新”為主題的“第五屆未來(lái)能源大會(huì )”在江蘇常州武進(jìn)召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，紐卡斯爾大學(xué)教授Vladimir Terzija發(fā)表了《Digitalization-A Revolution Leading to Future Low-Carbon Economies》的主旨演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

Vladimir Terzija：首先我想向所有的參加的第五屆未來(lái)能源大會(huì )的參會(huì )者表示祝賀，我個(gè)人非常抱歉沒(méi)有辦法親自來(lái)現場(chǎng)參會(huì )。我今天發(fā)言的主題是“數字化，朝向未來(lái)低碳經(jīng)濟的一場(chǎng)革命”。

我在紐卡斯爾向大家表示熱情的歡迎，首先先講一下紐卡斯爾大學(xué)，我們紐卡斯爾大學(xué)有三個(gè)學(xué)院，分別是科學(xué)、農學(xué)、工程學(xué)，然后醫學(xué)院和人文社科學(xué)院，我們總共有兩萬(wàn)多名本科生，還有六千多名研究生，另外還有六千多名工作人員，包括46%是在學(xué)術(shù)研究崗位上的。我們總共大概有超過(guò)1.1億英鎊的科研經(jīng)費。

首先我想指出的是我自己其實(shí)是在塞爾維亞的貝爾格萊德大學(xué)畢業(yè)，讀完博士之后又到俄羅斯還有德國的幾個(gè)地方進(jìn)行過(guò)工作，然后在俄羅斯的主要工作經(jīng)驗是在莫斯科。我這里想指出的是我的工作當中有一部分是在一份期刊擔任主編，也就是《國際電力與能源體系》期刊。我是在2015年開(kāi)始在期刊做主編進(jìn)行工作的，目前為止工作已經(jīng)超過(guò)了5年的時(shí)間，我們所關(guān)注的幾乎都是整個(gè)電力系統的技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題，所以今天我想講的主要也是一些跟數字化相關(guān)的一些技術(shù)層面的問(wèn)題。我的視角可能也是更加偏重于學(xué)術(shù)角度。

整個(gè)發(fā)言的內容大概包括以下幾個(gè)部分，首先是未來(lái)的能源體系，然后是智能技術(shù)，數據科學(xué)，還有數字孿生，之后就是一些智能的解決方案，然后會(huì )給大家舉一些英國的實(shí)際例子，最后是結論。

首先是關(guān)于未來(lái)的能源體系。我們都意識到了我們的近零排放的目標截止到2050年，意味著(zhù)產(chǎn)生的溫室氣體的量和我們能夠從大氣當中去除的溫室氣體的量必須達到平衡，當我們達到近零的時(shí)候，也就是說(shuō)我們在大氣當中新注入的二氧化碳，不能大于我們消除的二氧化碳。為了實(shí)現這一點(diǎn)，首先我們要向風(fēng)電場(chǎng)、太陽(yáng)能這些可再生能源，另外還有像核能也是清潔能源，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。另外還有現在一個(gè)巨大的趨勢就是改用電車(chē)，電車(chē)其實(shí)對于現存的電力體系來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰。我們可以利用電池來(lái)解決一些問(wèn)題，幫助電車(chē)和電網(wǎng)來(lái)進(jìn)行更加靈活和穩定的運行。

當然，除此之外現代電力體系也面臨著(zhù)其他一些體系，比如說(shuō)很多的可再生能源包括風(fēng)電場(chǎng)、太陽(yáng)能，它跟電網(wǎng)的 連接方式其實(shí)和傳統的上網(wǎng)方式是不一樣的，可能里面會(huì )涉及到一些逆變器等等。整個(gè)電網(wǎng)體系的容錯能力是在下降的，而且也不能有太強的慣性，還有就是整個(gè)電網(wǎng)的體系其實(shí)是被削弱了的，它不能夠面臨很多的突發(fā)情況，不能有很多的停電的情況，這樣才能夠讓整個(gè)電網(wǎng)維持在一個(gè)穩定的狀態(tài)，否則就會(huì )出現很多的危險。另外還有一些其他的，比如說(shuō)這個(gè)諧波干擾等等的問(wèn)題，所以從結論上來(lái)講，我們的電網(wǎng)整體是變弱了。

還有就是當出現一些極端天氣事件，然后像前面提到的2021年德州出現的大規模停電，這是2月20日的情況，這些其實(shí)都跟這種電網(wǎng)的性能是相關(guān)的。比如說(shuō)突然間有大量的發(fā)電單位出現了停運的情況，或者說(shuō)像輸電限度當中出現了一個(gè)斷點(diǎn)的話(huà)，它其實(shí)可能會(huì )對整個(gè)體系的其他地方也造成影響。因此，我們就需要在這個(gè)層級過(guò)程當中解決它的穩定性問(wèn)題。

2013年其實(shí)意大利也出現過(guò)一次停電，最開(kāi)始只是一些緩慢的中斷問(wèn)題，持續了幾個(gè)小時(shí)，但是其實(shí)如果在最開(kāi)始就開(kāi)始響應的話(huà)，那么就不會(huì )在后面短短幾分鐘出現大規模停電的情況。因此我們需要整個(gè)系統能夠在短時(shí)間內回到過(guò)去的安全層級。

但是我在這里還想提到的一個(gè)很重要的問(wèn)題，也就是不同的能量相量的融合，包括發(fā)電廠(chǎng)、氣電廠(chǎng)和熱電廠(chǎng)等等，他們其實(shí)都是通過(guò)耦合技術(shù)來(lái)連接的，包括熱泵，還有汽輪機、發(fā)電機等等。所以說(shuō)我們首先就要了解不同技術(shù)在這個(gè)體系當中的不同行為，然后才能夠進(jìn)行整合，這樣才能夠使得這個(gè)操作更加的靈活。

關(guān)于未來(lái)的近零電力體系，我有以下幾點(diǎn)想要講，首先就是電力系統是非常典型的重要基礎設施，它的安全程度和可靠性程度是必須要維持在很高的水準的，甚至要達到最高的水準。另外這個(gè)體系還會(huì )跟其他的能量相連，包括汽油、熱電廠(chǎng)還有交通、氫氣等等都是相連的。另外跟靈活性和韌性相關(guān)的一些問(wèn)題是我們發(fā)現的一些新問(wèn)題，而且對于最佳的經(jīng)濟吸引的獲取也是至關(guān)重要的。還有就是我們想要實(shí)現安全性和穩定性，我們其實(shí)是可以使用一些新的技術(shù)，或者說(shuō)智能電網(wǎng)、智能傳感器還有傳播基礎設施、通信基礎設施和超級計算機等等的一些資源。

但是我們現在所進(jìn)行的這個(gè)數字化，其實(shí)同時(shí)也在給我們打開(kāi)新的局面，帶來(lái)新的機會(huì )，所以我們現在談的數字化必須是具體的數字化，是流程的數字化、技術(shù)的數字化、設備的數字化等等。所以在實(shí)際的電網(wǎng)當中，其實(shí)目前有很多節點(diǎn)還沒(méi)有實(shí)現數字化，但是如果說(shuō)我們能夠對其進(jìn)行迅速的數字化，我們其實(shí)是可以很快的大幅的去提升它的能力的，而且也可以更快的接入到解決市場(chǎng)上的一些問(wèn)題。比如說(shuō)你其實(shí)是創(chuàng )造了巨大量的數據，那就需要數據處理，那也就是說(shuō)還會(huì )涉及到數據保護等等相關(guān)的工作，這些都是我們能夠創(chuàng )造出來(lái)的一些新的價(jià)值。當然這個(gè)方面也需要一些政策驅動(dòng)，我們了解到哪些數據可以分享，應該怎么分享，后面我會(huì )講到這一點(diǎn)。

然后我們簡(jiǎn)單來(lái)看一下智能技術(shù)，智能技術(shù)對于我們來(lái)說(shuō)，從很多角度來(lái)講都是非常重要的，我們在德國工作的時(shí)候設定了這樣的一個(gè)REM543的設備，這個(gè)設備它會(huì )接收到一些二進(jìn)制的模擬信號，這些是非?；镜囊恍┬盘?。我們現在的思路是作為一個(gè)工程師的思路，而且還會(huì )通過(guò)這些接受進(jìn)來(lái)的二進(jìn)制的數據，它接下來(lái)就會(huì )產(chǎn)生一些模擬信號。模擬信號可以在這里進(jìn)行進(jìn)一步的數字化。所謂的數據的數字化其實(shí)就是引領(lǐng)我們進(jìn)入數字化世界的一個(gè)過(guò)程，我們可以通過(guò)這個(gè)設備去進(jìn)行數字化的控制，而且去跟微電網(wǎng)進(jìn)行連接。

然后接下來(lái)我想講一下這個(gè)橫向數據傳輸，它其實(shí)也很關(guān)鍵，比如說(shuō)在不同的傳感器之間，你可能會(huì )有從左向右，從右向左的數據傳輸，這個(gè)其實(shí)可以去提升變電站的可靠性，我們可以采用甚至是不同的傳輸協(xié)議，不管是LON，還是MODBUS還是SPA都可以，因為很多變電站采用的是不同的技術(shù)和協(xié)議，但是通過(guò)這種橫向傳輸也可以使得數字進(jìn)行傳輸。

另外就是這種雙向的縱向數據傳輸，這是一個(gè)全新的變電站的概念。我們在這里會(huì )使用光纖，它利用光纖作為一種傳播媒介，然后可以直接把數據一致傳輸到中央控制室。所以這樣的基礎設施其實(shí)是非常昂貴但是卻是至關(guān)重要的，它是我們在整個(gè)社會(huì )需要鋪設的基礎設施，縱向的數據傳輸也是巨量的，可能是上升到TB層級的數據量，大家可以看到數據的傳輸不光是為了上行，供控制使用，其實(shí)也可以從上到下進(jìn)行指令的發(fā)送。

另外還有時(shí)間同步技術(shù)，我們現在有很多不同的衛星體系，我們現在有GPS，還有伽利略還有北斗等等，這些其實(shí)就要求我們在操作過(guò)程當中有更多的靈活性，來(lái)提升整個(gè)系統的頻率穩定?，F在的這個(gè)架構就更加復雜了，但是每一個(gè)環(huán)節都需要進(jìn)行數字化。比如說(shuō)不同的PMU，它使用的傳輸媒介都是不一樣的，協(xié)議也是不一樣的，可能有一些是微波，有一些是局域網(wǎng)。我們現在甚至還邁進(jìn)了5G的時(shí)代，有一些可能使用的是5G，然后這里使用的是光纖。甚至是有一些電子廠(chǎng)，它可能可以避免很多其他的傳輸方式的問(wèn)題。這些架構都是不一樣的，所以我們就會(huì )有不同的數據集成，這些最終就會(huì )進(jìn)入到一個(gè)超級的數據集成。在這個(gè)過(guò)程當中你又要去保證它的網(wǎng)絡(luò )安全，所以在不同的傳輸協(xié)議之間就需要更大的靈活性，我們也需要處理大量的數據，比如說(shuō)中國可能就有2000多個(gè)不同層級的單元接入這個(gè)數據，每幾十毫秒可能就能產(chǎn)生上Tb的數據。

我想這是我們要實(shí)現的目標，在這樣的背景下，我們要處理海量的數據，大家都知道，通常大家會(huì )使用預測理論，或者是其他的最優(yōu)數據過(guò)濾的方法論之外，我們也可以使用深度學(xué)習、機器學(xué)習、人工智能和數據科學(xué)。當然，使用哪一條技術(shù)路線(xiàn)可以繼續討論，但是總而言之，我們可以使用這樣的技術(shù)來(lái)處理發(fā)電、輸電和電力系統的數據分析。當然還有一些結構性的分析、各種各樣的算法，這些我就不提細節了，他們可以解決電力系統當中不同的流程。我們需要有高技能的算法工程師，他們能夠處理海量的數據。也需要高度的技術(shù)型的懂電力的數據家來(lái)加入我們的行列，給我們提供非常復雜的基于科學(xué)的解決方案，這也需要多學(xué)科的方法，要有跨學(xué)科的人才組建團隊解決問(wèn)題。

例如像數字孿生技術(shù)，學(xué)界對這一點(diǎn)是經(jīng)常提的，同本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，我們是分析一個(gè)物理的過(guò)程，實(shí)際上所有這些都有一個(gè)物理世界的孿生，我們使用數據的搜集，數據的處理，數據的儲存，通過(guò)人工智能、機器學(xué)習來(lái)提取知識，然后再把數據輸回控制系統，這是一個(gè)非常經(jīng)典的循環(huán)。有了機器學(xué)習，人工智能之后，或者說(shuō)僅用人工智能我們實(shí)現一個(gè)反饋的閉環(huán)，這樣之后我們的控制監測和保護的水平更高了，可以用于輸電網(wǎng)，可以用于風(fēng)電場(chǎng)，可以用于電加熱協(xié)同，或者說(shuō)熱電聯(lián)產(chǎn)的系統。

給大家舉一些實(shí)踐當中的智能解決方案，這是VISOR項目，我們非常驕傲，當時(shí)我是在曼徹斯特的首席工程師，當時(shí)我們獲得了網(wǎng)絡(luò )的事態(tài)感知能力。包括像我們蘇格蘭電力公司、國家電網(wǎng)公司，我們是與通用電氣公司合作，我們是更好的進(jìn)行了數據的采集，能夠更好的使用這種混合型的電表，能夠搜集不同的數據。有了這樣的一個(gè)項目之后，我們用了各種各樣的補償器還有其他的一些設備，因為在整個(gè)過(guò)程當中可能也有一些其他問(wèn)題，所以我們采取了先進(jìn)的技術(shù)，提升了監測的水平和質(zhì)量，而且我們有專(zhuān)門(mén)的諧振設計，他能夠非常好的識別出錯誤和故障，能夠自動(dòng)的調節，使得我們電網(wǎng)的運行更加的穩定。

第二個(gè)項目涉及到系統的惰性，這個(gè)里面涉及到系統當中的一些動(dòng)力，也就是物質(zhì)流的流動(dòng)，我們用了同樣的方法解決了下列的問(wèn)題，因為我們需要快速的把有用的功率輸入到系統當中，當系統紊亂的時(shí)候。因為我們的有功功率包括核電，核電有足夠的有功功率，但是這個(gè)非常慢，我們需要快速的接入電網(wǎng)，我們要識別車(chē)、風(fēng)電或者說(shuō)光伏，或者說(shuō)熱電聯(lián)產(chǎn)，熱電循環(huán)的這個(gè)機組，我們要知道他們能夠快速的接入電網(wǎng)。這樣就能保證特別是我們在可再生能源水平的過(guò)程當中，快速的使電網(wǎng)穩定。也就是說(shuō)在未來(lái)我們所需要的方法，需要能夠處理海量的數據。

另外我們要理解現代的電力和能源體系特別的現象，他是有效的監測保護控制的前提，我們不能把它視為一個(gè)黑箱，說(shuō)我們應用人工智能就能解決所有的問(wèn)題，這是不負責任的看法，另外還需要有智能電網(wǎng)技術(shù)和解決方案，要采用數據驅動(dòng)型的解決方案。不僅僅是數據本身，還要有非常好的模型，可以幫助我們解決一些問(wèn)題，因而實(shí)現近零排放的目標，我們要構建多學(xué)科的團隊，采取多學(xué)科的方案，我們要在所有的層面協(xié)作、協(xié)調、統籌，包括國家和國際，只有這樣才能夠實(shí)現綠色的目標，創(chuàng )造更加美好的社會(huì )。我想在這一塊兒，中英兩國可以以非常務(wù)實(shí)的態(tài)度構建合作的橋梁，解決能源這樣的一個(gè)全球面臨的普遍問(wèn)題。

感謝各位女士們、先生們聆聽(tīng)我的發(fā)言。