打造「在地電力市場」：屋頂太陽能板、電動車充電器與智慧溫控器如何強化電網韌性

一項最新研究指出，我們的家居與車輛中蘊藏著大量未被充分利用的潛力，這些資源若能妥善運用，將能強化在地電網，使其更能應對突發的停電事件。麻省理工學院（MIT）的工程師們表示，面對網路攻擊或自然災害，一個由分散式裝置組成的備用網路——例如住宅太陽能板、電池、電動車、熱泵與熱水器——可以恢復供電或減輕電網的壓力。

這些裝置被稱為「電網邊緣資源」，它們位於消費者端，而非靠近中央發電廠、變電站或輸電線路。電網邊緣裝置能夠獨立發電、儲能或調節用電量。研究團隊在報告中展示了這些裝置未來如何被呼叫，向電網注入電力，或透過降低或延遲用電來重新平衡電網。

在本週發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的論文中，工程師們提出了一份藍圖，說明電網邊緣裝置如何透過「在地電力市場」來強化電網。裝置擁有者可以加入區域市場，將他們的裝置「借出」，成為微電網或在地能源資源網路的一部分。若主電網受損，研究人員開發的演演算法將啟動，快速識別網路中哪些裝置值得信賴，並計算出最有效緩解停電的裝置組合，向裝置擁有者傳達調整指令。參與者則可透過市場獲得補償。

研究團隊透過多種電網攻擊情境展示了這套新框架，包括網路攻擊或自然災害導致的不同層級電網故障。應用他們的演演算法後，結果顯示，由屋頂太陽能板、電動車充電器、電池與智慧溫控器（用於暖通空調裝置或熱泵）組成的電網邊緣裝置網路，能夠有效化解各種攻擊，穩定電網。

「所有這些小型裝置都可以在調整用電量方面貢獻一份力量，」研究共同作者、MIT機械工程系研究科學家Anu Annaswamy表示。「如果我們能善用智慧洗碗機、屋頂太陽能板與電動車，並齊心協力，我們真的可以打造一個具有韌性的電網。」

這項研究是團隊在適應性控制理論與設計自動適應變化系統的延伸工作。Annaswamy領導的MIT主動適應控制實驗室，專注於提升太陽能等可再生能源的可靠性。「這些可再生能源具有強烈的時間特性，例如我們知道太陽每天都會下山，太陽能發電也會隨之消失，」Annaswamy說。「如何彌補這種短缺？」

研究人員發現，答案可能就在消費者日益普及的電網邊緣裝置中。「現在有許多分散式能源資源更靠近消費者，而非大型發電廠，這主要是因為個人減碳的努力，」主要作者Vineet Nair解釋。「因此，我們在電網邊緣擁有這些能力，當然應該好好利用它們。」

在研究如何應對可再生能源正常運作中的能源短缺時，團隊也開始探討其他導致電力下降的原因，例如網路攻擊。他們想知道，在這些惡意情況下，電網邊緣裝置是否以及如何介入，在遭遇突發的針對性攻擊後穩定電網。

在最新研究中，Annaswamy、Nair與同事們開發了一個框架，將電網邊緣裝置，特別是物聯網（IoT）裝置，整合到一個能夠在攻擊或中斷事件中支援主電網的系統中。IoT裝置是包含感測器與軟體並能連線到網路的實體物件。

這套名為EUREICA（高效、超韌性、IoT協調資產）的框架，基於一個假設：未來大多數電網邊緣裝置也將是IoT裝置，使屋頂太陽能板、電動車充電器與智慧溫控器能夠無線連線到一個由類似獨立分散裝置組成的更大網路。

團隊設想，在一個特定區域，例如一個由1,000戶家庭組成的社羣，存在一定數量的IoT裝置，這些裝置可以被納入該區域的在地網路或微電網中。這樣的網路將由一名操作員管理，並能與附近其他微電網的操作員溝通。若主電網受損或遭遇攻擊，操作員將執行研究人員的決策演演算法，識別網路中值得信賴的裝置，協助緩解攻擊。

團隊在多種情境下測試了這套演演算法，例如某製造商生產的所有智慧溫控器被駭客攻擊，同時提高設定溫度，導致區域能源負載劇烈變化並破壞電網穩定。研究人員也考慮了攻擊與天氣事件導致電網不同層級與節點能源傳輸中斷的情況。

「在我們的攻擊情境中，假設5%到40%的電力損失。我們假設某些節點受攻擊，而某些節點仍然可用並擁有一些IoT資源，例如可用的電池、可控的電動車或暖通空調裝置，」Nair解釋道。「因此，我們的演演算法決定哪些家庭可以介入，向電網注入額外電力或減少需求以彌補短缺。」

在每一種測試情境中，團隊發現演演算法都能成功重新穩定電網並緩解攻擊或停電。他們承認，要建立這樣的電網邊緣裝置網路，需要消費者、政策制定者與地方官員的支援，以及先進電力逆變器等創新技術，使電動車能夠將電力回饋到電網。

「這只是實現並擴充套件在地電力市場理念的眾多步驟中的第一步，」Annaswamy表示。「但我們相信這是一個好的開始。」