如何使用 亚马逊云科技 IoT 控制分布式能源资源

可控分布式能源 (DER) 是成功过渡到零碳电网的关键。

行业背景

分布式能源资源 (DER) 是可控的能源资产，可以产生、存储或消耗能量。DER 的示例包括恒温器、热泵、电池、锅炉、电动汽车 (EV)、智能逆变器等。控制 DER 的能力在电网稳定和实现零碳目标方面起着重要作用，此外还为终端消费者带来好处，例如公用事业提供的折扣。

举一个具体的例子，让我们来举一个热泵。2021年，全球热泵销量增长了13％以上，2022年增长了11％，其中法国、意大利和德国等市场以40％的速度领先 ^[1] 。尽管供暖的电气化有助于减少温室气体（GHG）排放，但它也给电网带来了压力，因为它不得不应对激增的电力需求，这增加了公用事业公司使用碳排放峰值电厂来提供额外电力的需求。但是，如果与热泵相关的恒温器可以由公用事业公司控制呢？公用事业公司可以通过控制热泵来暂时分配或减少能耗，从而降低对峰值电厂的依赖。

这种对 DER 的控制通常被称为需求响应计划，在检测到峰值负荷事件时启动。为了实现这一目标，制造商需要构建可以由他们或第三方服务提供商使用安全、可靠和可扩展的 API 进行远程控制的恒温器。以下部分将演示来自 亚马逊云科技 IoT 的 Amazon Web Services ( 亚马逊云科技 ) 解决方案、用于连接和管理数十亿台设备的服务和解决方案，如何提供即用型功能，帮助公用事业公司大规模控制、管理和保护恒温器。

在这篇博客中，我们展示了 DER 制造商如何使用 亚马逊云科技 的物联网 (IoT) 解决方案来简化和加速安全、可靠和可扩展的可控设备的开发。尽管我们以恒温器为例，但这些概念适用于所有 DER，例如电动汽车、逆变器、电池等。

使用 亚马逊云科技 IoT 实现 DER 集成

编写连接恒温器并对其进行控制的软件可能很复杂、昂贵、耗时且容易出错，但是 亚马逊云科技 IoT 可以帮助加快开发速度并减少需要维护的代码量。方法如下：

边缘逻辑： 我们的恒温器必须能够使用基于 REST 的简单 API 接收控制请求，然后使用 Modbus 等设备协议在边缘启动逻辑。借 助 亚马逊云科技 Io T Greengrass（它可以帮助开发人员更快地构建智能 IoT 设备），客户可以直接从 AW S 云在边缘构建、部署和更新组件。有些组件是 公开 的 ，但也可以构建自定义组件。

亚马逊云科技 IoT Greengrass 还提供其他功能，例如边缘代理、可靠数据流和日志传播。所有这些功能都经过审查，随时可以使用，可以帮助我们更快地创建解决方案，同时减少运营开销。

设备管理： 要大规模控制恒温器，应注册和管理每项资产。 亚马逊云科技 IoT Device Managem ent （可帮助您大规模注册、组织、监控和远程管理 IoT 设备）提供了根据设备属性注册、分组和搜索设备的功能。数据模型非常灵活，设备可以注册任意数量的属性，例如供应商、规模和型号，也可以使用自定义属性（例如客户城市、邮政编码或州）进行注册。填充后，此清单可用于搜索单个设备或设备组。这在处理大量恒温器时特别有用，例如，控制特定城市、邮政编码或地理区域内的所有恒温器。

安全性： 每个恒温器都需要安全地连接到云端、发送数据和接收命令。

由于 亚马逊云科技 IoT Core （它允许您连接数百万个 IoT 设备并将其消息路由到 亚马逊云科技 服务），每个 IoT 设备或网关都配有 X.509 安全证书，用于验证和授权设备执行的每项操作，以便在识别设备后，强制执行与该证书相关的一组权限。使用 亚马逊云科技 身份和访问管理 (IAM) Access Management，您可以对谁或哪个系统可以访问您的设备设置精细的权限。使用 亚马逊云科技 IAM 和 亚马逊云科技 IoT Core 提供的 x.509 证书，您可以为您的设备建立零信任环境。

客户还可以依靠 亚马逊云科技 IoT Devic e Defender （它为您的物联网设备和舰队提供安全管理）来改善他们的安全状况。亚马逊云科技 IoT Device Defender 旨在监控和提醒所有 亚马逊云科技 IoT Core 设备周围的安全风险。要深入了解 IoT 安全，请阅读 亚马逊云科技 IoT 上的 安全性。

DER 控制： 最关键的功能 之一是可靠地控制系统中注册的所有恒温器。控制分布式且没有稳定网络连接的资产具有挑战性，需要实施复杂的解决方案。由于 亚马逊云科技 IoT Shadow，亚马逊云科技 客户可以依靠经过审查且随时可用的服务来涵盖此用例。

亚马逊云科技 IoT Device Shadow 服务 为每个 亚马逊云科技 IoT “事物”（在本例中为每个恒温器）添加阴影。影子是指设备对应用程序和其他服务的状态可用性，无论该设备是否连接到 亚马逊云科技 IoT。每个影子都可以由设备或应用程序修改，并且更改会自动传播到另一端；如果更改未得到确认，则将重试更新。我们将在稍后的博客中详细介绍这项技术如何帮助控制恒温器。

可观测性：能够 跟踪每个恒温器的状态并快速解决可用 性问题是参与需求响应计划的一项关键操作要求。借助 亚马逊云科技 IoT，客户可以将近乎实时的性能和设备状态信息直接提取到云中。亚马逊云科技 IoT 还为每台 IoT 设备提供连接跟踪事件，称为生命周期事件（设备连接、断开连接、命令启动等）。然后可以使用 亚马逊云科技 IoT 规则将设备状态和事件发送到业务控制室，运营商可以在那里快速对任何 DER 问题做出反应。

如果逻辑复杂以及与其他数据源的相关性，亚马逊云科技 客户还可以向 AW S IoT Events 发送数据，后者根据预定义 的 if-then-else 语句提供近乎实时的事 件分析。

最后，要进行分析并提取由机器学习 (ML) 驱动的见解，客户可以使用 亚马逊云科技 IoT Analytics， 它可以过滤、转换和丰富 IoT 数据。

亚马逊云科技 物联网在行动

让我们继续将迄今为止所学到的知识付诸实践。正如我们所说，我们的目标是控制热泵以影响电网平衡或将其在市场上的总容量货币化。这可以通过集中聚合和控制大量与热泵相关的恒温器来实现。

可以公平地假设建筑物所有者有权随时更改恒温器的温度，而且我们的解决方案应该能够识别这些手动变化，从而使恒温器脱离特定的需求响应事件。此功能要求应用程序能够处理所有恒温器的状态并从云端可靠地对其进行控制，同时考虑个人用户的手动调整。

让我们来看看 亚马逊云科技 IoT 技术如何帮助实现这个用例。首先，让我们回顾一下这个示例的高级架构。

图 1。高级解决方案

在此示例中，恒温器使用 亚马逊云科技 IoT Greengrass 通过传输层安全 (TLS) 连接到 亚马逊云科技 云并通过 Modbus 连接到恒温器的控制芯片。亚马逊云科技 IoT Greengrass 采用模块化方法，将每项功能封装在边缘组件中。然后，所有部署的边缘组件都能够通过本地消息代理在它们之间进行通信。

亚马逊云科技 已经提供了一组预建和公开可用的组件作为构件，用于实施 IoT 边缘用例。在此示例中，亚马逊云科技 提供的主要组件是：

• 影子管理器： 此组件负责将 亚马逊云科技 IoT Core 影子文档与 亚马逊云科技 IoT Greengrass 本地影子同步。影子管理器在边缘保持持续的影子，使用 MQTT 订阅 亚马逊云科技 IoT Shadow 主题，并同步边缘和云阴影之间的任何更改。
• Modbus TCP： 此组件是一个适配器，负责将本地 亚马逊云科技 IoT Greengrass 请求转换为 Modbus TCP 命令。它使用内部代理通过接收命令和传送响应与其他组件进行通信。

为了完成边缘逻辑，我们需要将所有阴影更改转换为本地命令，并处理用户最终手动更改的恒温器。在这种情况下，这两项职责都分配给名为 Modbus Controller 的私有（自定义）组件。

在此示例中，恒温器是 亚马逊弹性计算云 (Amazon EC2) 上的一个实例，它为几乎任何工作负载提供安全且可调整大小的计算容量，运行的是 亚马逊云科技 IoT Greengrass，对 Modbus 模拟器（Modbus 服务器）执行操作。您可以轻松地使用树莓派或类似设备来代替亚马逊 EC2 实例。

图 2。示例代码解决方案

恒温器控制

为了减少需要开发和维护的自定义代码量，我们将使用 亚马逊云科技 IoT Shadow 文档来跟踪恒温器的状态。该解决方案将与来自云端或边缘的影子进行交互，而 亚马逊云科技 IoT 负责同步。

亚马逊云科技 IoT Core 管理的影子文档主要有两个 “ 已报告 ” 和 “ 期望 ” 。第一个描述了设备的实际状态；第二个描述了我们想要实现的目标状态。可以通过通过 MQTT、REST API 修改 所需 状态或在 亚马逊云科技 控制台中手动修改状态来输入状态更改。

当应用程序或用户在云中更改所需状态时，亚马逊云科技 IoT 会自动将文档推送到网关，提供有关已更改内容的信息。如果设备未与云连接或不可用，则更改将按 需要 保持待处理状态， 直到设备恢复在线状态并可以处理请求。

一旦网关收到新的所需状态，它将通过向 Mobdus TCP 发送消息来执行更改，启动实际命令。最后，在恒温器接受新参数后，网关将向亚马逊云科技 IoT Cloud发布新的 报告 状态；这条最后一条消息起到确认控制操作成功完成交易的作用。

用户手动控制监控

用户对恒温器所做的手动更改可以在本地使用 亚马逊云科技 IoT Greengrass 定制组件进行处理，该组件使用即用型功能来加快应用程序开发。该组件将负责在 亚马逊云科技 IoT 中监控恒温器状态，使其免受其影子的影响。

假设恒温器可以在手动或自动模式下运行。在自动模式下，需求响应程序管理目标温度，而在手动模式下，用户拥有完全控制权。当恒温器处于自动模式时，组件将检查需求响应程序的目标温度是否与实际目标温度一致。如果检查失败并且客户手动更改了设定点，则该组件将使用 亚马逊云科技 IoT Shadows 将状态更改从自动传播到手动。

由于 亚马逊云科技 IoT Core，因此可以使用简单的 SQL 查询来捕获这种状态转换。每次查询匹配时，我们都可以启动操作，例如向电子邮件或应用程序发送通知。

在图 3 中，您可以找到一个序列图，该序列图概述了我们描述的组件之间的所有相互作用。第一部分显示阴影变化如何传播到所有参与者。它从所需的状态更改请求开始，直到实际的 Modbus 命令，然后一直返回到相关的影子更改确认。在第二部分中，您可以注意到网关如何定期读取恒温器的状态，检查客户是否手动更改了设定值。一旦检测到不对准，就会修改状态并启动通知。

图 3。示例代码演示序列

如果您想在您的 亚马逊云科技 账户中构建示例，请按照此 GitHub 存储库的自述部分中报告的说明进行操作。

结论

DER对于促进能源转型至关重要，因为它们提供了必要的灵活性，可以抵消电力市场因需求和能源结构变化而发生的变化。

公用事业公司正在寻找能够大规模可靠地聚合和控制这些资产的解决方案。面临的挑战是设计和建造此类系统，同时尽可能降低前期支出和运营成本。亚马逊云科技 提供的服务可以大大缩短上市时间和自定义解决方案的运营负担。在这篇博客中，我们通过一个实际示例探讨了 亚马逊云科技 IoT 套件如何提供大规模操作、监控和控制 DER 的功能。

如果您有任何想法或反馈，请联系我们或发表评论。要详细了解如何转变核心并打造能源业务的未来，请访问 亚马逊云科技 for Energy。