特斯拉虚拟发电厂：重新构想电网

考虑电网。 它覆盖了世界大部分地区。它的存在和可靠性对现代世界的定义远远超过我们大多数人的存在时间。我们欠电网一个世纪以来价值的大部分（如果不是全部）新技术。

由于数百万复杂的互连设备以复杂的模式协同工作，电网只能在今天运行。然而，它是为控制点最少的集中式发电而构建的，并且依赖于化石燃料——所有这些概念都植根于 20 世纪 .

如果今天从头开始重新设计电网会是什么样子？这是特斯拉工程师 Colin Breck 和 Percy Link 最近解决的一个问题。他们的答案涉及通过开源技术和数字双胞胎建立巨大的弹性。他们在最近在英国举行的一次会议上分享了他们的见解。

随着更多可再生能源在现有电网中上线，供需的复杂计算变得更加难以以所需的精度进行。 失去了一定程度的控制 ，并且发电量变得更加难以预测。

在风能和太阳能已经很普遍的地方，电池有助于缓解这些问题。它们可以非常快速地响应意外的使用高峰和低谷，并根据需要进行充电和放电。

“这种快速响应实际上甚至是一种创新，是比旧电网更好的机会，”林克说。 “这不仅仅是妥协。”

电池是这些工程师重新构想电网的关键。除了制造现有煤炭或天然气工厂大小的巨型电池外，他们还提出利用小型电池的能量 安装在家庭和企业中——通常用于私人太阳能发电或备用电源的电池。

“我们可以用这些较小的电池和太阳能将家庭和企业聚合成虚拟发电厂 ，”林克说。

虚拟发电厂 (VPP) 架构依赖于分布式能源——电池就是一个例子，但也经常使用风能和太阳能。这些资源的网络汇集在一起​​，以提高灵活性和可用性来发电。

在特斯拉的虚拟发电厂中，数字孪生模型代表了系统中的各种物联网 (IoT) 资产，以及它们的当前状态和关系。数字孪生建模软件依赖于两个关键的开源项目：Kubernetes 和 Akka。

“Akka 和 Kubernetes 的搭配真是太棒了，”Breck 说。 “Kubernetes 可以处理粗粒度故障和扩展，例如向上或向下扩展 pod、运行活性探针或以指数回退重新启动失败的 pod。然后我们使用 Akka 处理细粒度故障，如电路中断或重试单个请求并对单个实体的状态进行建模，例如电池正在充电或放电的事实。”

在 Akka 中对数字双胞胎进行建模​​时，每个建模站点都由一个参与者表示。正如 TechRepublic 解释的那样，“程序员担心在 actor 中对单个站点进行建模，然后 Akka 运行时处理将其扩展到数千或数百万个站点。特别是对于物联网来说，这是一个非常强大的抽象，基本上消除了对线程的担忧，或者锁，或者并发错误。”

通过数字孪生模型，工程师可以与系统内极其复杂的关系和状态的近实时表示进行交互，即使在无法获得完整图片的情况下也是如此。

"分布式物联网系统固有的不确定性 ，因此我们需要在数据模型、业务逻辑甚至客户体验中接受这一点，而不是试图逃避它，”布雷克说。“代表物联网设备之间的物理和虚拟关系，尤其是当它们发生变化时随着时间的推移，这是物联网中最困难的问题，相信我，但对于创造出色的产品至关重要。”

共同优化本地和全球目标是另一个挑战。个人拥有的较小的电池不应该耗尽自己，以防所有者意外使用它们，但必须始终满足电网的实时平衡需求。

“分布式优化之所以成为可能，是因为 Tesla 构建了自己的硬件并完全控制了固件和软件 ” Link 说。“这可以实现跨本地和中央智能以及它们之间的相互关系的快速迭代，这种协作是跨团队而不是跨公司的。”硬件、固件和软件的垂直集成奠定了框架使用分布式算法寻求更具弹性的解决方案，以帮助设备在不可避免的通信故障期间采取合理的行动。

特斯拉的虚拟发电厂是信息技术/运营技术 (IT/OT) 融合的典型例子，这是当今自动化行业最紧迫的话题之一。 分布式计算和工业物联网 (IIoT) 帮助特斯拉确保电网弹性并解决在向可再生能源过渡过程中遇到的一些工程问题。

要深入了解特斯拉能源平台的开发、使用世界上最大的电池参与能源市场的算法以及创建特斯拉第一个虚拟发电厂的现实挑战，您可以阅读 Breck 和 Link 演讲的完整记录.