電力智能管理——虛擬電廠與電力物聯(lián)網的結合

1上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項目

2020年上海市公共建筑能耗分析報告中指出，在上海市建筑的分項用電數(shù)據(jù)中，空調設備與照明類電器設備在用電總量占據(jù)份額超過整體的70%。在以空調負荷、照明負荷為主的負荷體系下，商業(yè)建筑中的負荷具有靈活可調的性能，能夠在電力市場中發(fā)揮巨大的調峰作用和經濟價值。

黃浦區(qū)作為上海市商業(yè)建筑的密集聚集區(qū)，擁有超過200幢大型商業(yè)建筑，并且很重要的一點是在原有建筑中配備能耗監(jiān)測裝置，有完備的數(shù)字化基礎條件實施需求響應項目。目前黃浦區(qū)內約50%的商業(yè)建筑接入了虛擬電廠平臺。根據(jù)用戶參與情況，對優(yōu)質資源開展自動需求改造，采用自動需求響應技術實現(xiàn)對用戶側設備的調控。截止2021年，上海市黃浦區(qū)智慧虛擬電廠平臺已納入黃浦區(qū)商業(yè)樓宇130幢，注冊響應資源約60MW商業(yè)建筑需求響應資源，包含了冷水機組、風冷熱泵、電熱鍋爐、動力照明、充電樁等大量可控用電設備。黃浦區(qū)虛擬電廠實現(xiàn)了在不降低用戶用能體驗的前提下，針對用戶的一樓一策個性化定制。

2上海嘉定區(qū)泛在電力物聯(lián)網智慧充放電示范試點項目

嘉定是上海汽車產業(yè)聚集地，嘉定供電公司與國網電動汽車服務有限公司合作開展泛在電力物聯(lián)網智慧充放電示范試點項目，應用V2G技術和有序充電技術，統(tǒng)籌協(xié)調電動汽車與電網電力電量平衡，有效地提高電動汽車與電網協(xié)調運行的有序性、可靠性、經濟性，實現(xiàn)電動汽車、儲能、分布式電源、微電網等新型用能設備的即插即用、數(shù)據(jù)感知、采集和控制，統(tǒng)一協(xié)調，有序運行。智慧有序充電建設通過對用戶充電行為、用能行為的靈活引導與主動調控，降低配變峰值負荷超過30%，將80%充電量優(yōu)化調整到了配變負荷低谷時段，使配變接納充電樁能力提高4倍，顯著提升配電網資源利用率，實現(xiàn)削峰填谷。

3企業(yè)微電網數(shù)字化是虛擬電廠的基礎建設

從黃浦區(qū)的商業(yè)建筑虛擬電廠示范試點項目和嘉定區(qū)泛在電力物聯(lián)網智慧充放電示范試點項目來看，虛擬電廠的建設對電網調峰填谷、高效利用新能源的提升作用是巨大的，帶來的經濟效益也非常明顯。

上海之所以成為建設虛擬電廠的城市之一，并且能快速取得成效的主要原因有以下幾點：一是上海是商業(yè)非常發(fā)達的大都市，同時也是電動汽車存量較高的城市，用戶負荷中空調、照明和充電樁所占比例比較大，季節(jié)因素容易導致峰谷差大，需要有一定的調峰填谷手段來促進充分消納新能源，維持電網穩(wěn)定運行；二是以空調、照明和充電樁為主的商業(yè)負荷具有靈活可調的特點，大規(guī)模的可控負荷聚合是虛擬電廠的必要條件；三是上海的商業(yè)建筑基本都配備能耗監(jiān)測裝置和能源管理系統(tǒng)，已經實現(xiàn)了建筑能源的數(shù)字化管理，有完備的數(shù)字化基礎建設實施虛擬電廠的需求響應，這樣便能以較快的速度和較少的成本實現(xiàn)虛擬電廠的搭建和運行，不存在很多地區(qū)企業(yè)微電網數(shù)字化水平低的瓶頸制約。

4怎么建立企業(yè)微電網數(shù)字化

安科瑞在上海參與了眾多的企業(yè)微電網數(shù)字化建設項目，比如上海某區(qū)191棟商業(yè)辦公建筑的能耗數(shù)字化管理系統(tǒng)(見圖1)、嘉定區(qū)140多所學校的配電數(shù)字化運維系統(tǒng)(見圖2)、張江園區(qū)31棟建筑的用電管理系統(tǒng)等，數(shù)量眾多的微電網數(shù)字化系統(tǒng)匯聚成了上海虛擬電廠建設的基礎。

圖1 191棟商業(yè)辦公建筑能耗數(shù)字化管理系統(tǒng)

圖2 嘉定區(qū)140所學校配電數(shù)字化運維系統(tǒng)

企業(yè)微電網的數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)包含安裝于現(xiàn)場的傳感器、智能網關和微電網數(shù)字化軟件。傳感器用于監(jiān)測和控制建筑的負荷設備和分布式發(fā)電設備(系統(tǒng))，現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)接入邊緣計算智能網關，每個智能網關可以看做是一個區(qū)域指揮部，采集所接傳感器數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換后上傳EMS或轉發(fā)第三方平臺，網關可以根據(jù)預設閾值或自動學習來執(zhí)行邏輯計算，并執(zhí)行EMS的指令。EMS可以看做是企業(yè)微電網的指揮部，根據(jù)智能網關上傳的數(shù)據(jù)生成各類圖表、控制策略和分析結論，并響應虛擬電廠的調度指令，系統(tǒng)架構圖如圖3所示。

圖3 企業(yè)微電網數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)網絡架構

AcrelEMS企業(yè)微電網數(shù)字化系統(tǒng)融合企業(yè)負荷側的電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監(jiān)控、充電樁運營管理、分布式光伏監(jiān)控、儲能管理等功能，用戶通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)微電網進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一運維，同時滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序用電要求。

5微電網數(shù)字化系統(tǒng)功能

5.1 電力監(jiān)控

對企業(yè)高低壓變配電系統(tǒng)的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數(shù)、運行狀態(tài)、接點溫度進行實時監(jiān)測和控制，監(jiān)測企業(yè)微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發(fā)出告警信息，提高企業(yè)供電可靠性。

圖4 電力監(jiān)控功能

5.2 能耗分析

采集企業(yè)電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統(tǒng)計，計算單位面積或單位產品的能耗數(shù)據(jù)以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達峰、碳中和路線提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 能耗分析功能

5.3 照明控制

智能照明控制功能可以根據(jù)企業(yè)情況實現(xiàn)定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅，并可以根據(jù)系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)集中控制，為企業(yè)節(jié)約照明用電。

圖6 照明控制功能

5.4 分布式光伏監(jiān)控

監(jiān)測企業(yè)分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計以及光伏發(fā)電功率控制。

圖7 分布式光伏發(fā)電監(jiān)測

5.5 儲能管理

監(jiān)測儲能系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據(jù)企業(yè)峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統(tǒng)的充放電策略，控制儲能系統(tǒng)充放電，實現(xiàn)削峰填谷，降低企業(yè)用電成本。

圖8 儲能管理

5.6 充電樁運營管理 

監(jiān)測企業(yè)充電樁的運行狀態(tài)，提供充電樁收費管理和狀態(tài)監(jiān)測功能，并根據(jù)企業(yè)負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節(jié)充電樁的充電功率，使企業(yè)微電網穩(wěn)定安全運行。

圖9 充電樁管理

5.7 需求響應

根據(jù)企業(yè)負荷波動數(shù)據(jù)，再結合虛擬電廠的調度指令，決定以何種方式參與電網需求響應，平臺可通過給儲能系統(tǒng)下發(fā)控制策略，調整充發(fā)電時間。平臺在需求響應時間段調整可控負荷功率，停止給可中斷負荷供電，并且可以根據(jù)企業(yè)可控負荷數(shù)據(jù)制定需求響應控制策略，實現(xiàn)一鍵響應。

圖10 企業(yè)微電網數(shù)字化系統(tǒng)需求響應示意圖

6 微電網數(shù)字化系統(tǒng)硬件設備

安科瑞針對企業(yè)微電網數(shù)字化系統(tǒng)除了軟件外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端”數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、電能質量治理、照明控制、新能源充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為企業(yè)微電網數(shù)字化提供一站式服務能力，部分設備見表1。

表1 企業(yè)微電網數(shù)字化建設部分硬件設備

7 結束語

面向未來，AcrelEMS企業(yè)微電網數(shù)字化平臺將結合行業(yè)特點、服務“雙碳”目標，積極利用安科瑞“云-邊-端”的產品體系和企業(yè)微電網數(shù)字化技術積累幫助企業(yè)改造傳統(tǒng)電網，加快推動企業(yè)微電網向更加智慧、更加安全、更加友好的能源數(shù)字化升級，為促進區(qū)域虛擬電廠建設作出持續(xù)貢獻。同時安科瑞已經建設的數(shù)以千計的企業(yè)微電網數(shù)字化系統(tǒng)可能也將根據(jù)企業(yè)意愿成為匯聚成虛擬電廠的涓涓細流。