节能减排绿色电力,可视化打造智慧虚拟电厂

前言

由于电力供需紧张,广东整合省内发电资源,加强一次能源燃料监测预警。浙江通过数字化、智能化电网技术,在 1.2 万家用电企业内部形成了一个 1000 万千瓦“虚拟电厂”,可以随时智能调控负荷,发动企业主动参与削峰填谷。

效果展示

以上海市商业型虚拟电厂为例,通过图扑的 HT 可视化集成各 DG 的数据,从资源管理、实时状态监测、负荷预测、发电任务管理、发电任务追溯、运行效果决策六个方面阐述“虚拟电厂”的运作流程。

注解:

分布式发电装置(Distributed Generation,DG)

分布式供能(Distributed Energy Resource,DER)
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虚拟电厂通过协调控制、智能计量以及信息通信等技术聚合 DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的分布式能源,通过更高层的软件构架实现多个 DER 之间的协调优化运作,达到资源的优势配置和使用,并作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。

借助图扑的 HT for Web 产品,能有效进行数据融合,将分散的 DER 聚合到可视化系统中统一进行管理,通过 Web 提供丰富的展示形式和效果。“虚拟电厂”的可视化协调控制减小了以往 DER 并网对公网造成的冲击,降低了 DG 增长带来的调度难度,使配电管理趋于合理有序,提高了系统运行的稳定性。

系统分析

商业型虚拟电厂是从商业收益角度考虑的虚拟电厂,是 DER 投资组合的一种灵活表述。可基于用户需求、负荷预测和发电潜力预测,从而制定发电计划,参与市场竞标。在本地网络中,DER 运行参数、发电计划、市场竞价等信息由商业型虚拟电厂提供。

容量指标

将区域内的注册虚拟电厂数量、注册发电机组数量、注册发电单元、分布式能源额定装机容量分别统计,利于管理者进行负荷和发电潜力预测,控制 DER 执行发电计划。
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运行模式

注册虚拟电厂的调控能力监测,接入削峰、填谷实时数据,评判调控能力。网供负荷和上网负荷实时对比,判断虚拟电厂的供电能力。分布式发电系统多采用性能先进的中小型模块化设备,开停机快速,维修管理方便,调节灵活,且各电源相对独立,可快速满足供电需求。
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总发电、总用电量、发电和用电负荷曲线图是了解本座城市电力调控结果的有效指标,管理者可根据图表调控策略。响应偏差率、响应完成率、机组爬坡率数据可作为虚拟电厂和各个 DG 的考核指标,对于响应速度较慢的 DG 可逐步淘汰,建立响应速度更快的分布式能源。

发电单元类型分布

图扑软件提供了构建先进 2D 数据可视化的解决方案,基于自主研发的 HT for Web 图形引擎,可快速构建“虚拟电厂”中实时数据驱动的图表,提供丰富的可视化展示形式和效果。采用柱状图和散点图分别统计 DG、储能系统、可控负荷等的分布情况。在城区等负荷密集地区需以可控负荷构成虚拟电厂,作为系统备用,或削减高峰用电;在乡村或郊区,以大规模 DG、储能等构成虚拟电厂,实现对系统的稳定和持续供电。

资源管理

聚合多样化的 DER 实现对系统高要求的电能输出是虚拟电厂协调控制的重点和难点。实际上,一些可再生能源发电站(如风力发电站和光伏发电站)具有间歇性或随机性以及存在预测误差等特点,因此,将其大规模并网必须考虑不确定性的影响。这就要求储能系统、可分配发电机组、可控负荷与之合理配合,以保证电能质量并提高发电经济性。

综合分析

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各虚拟电厂排名

排名越高表示虚拟电厂有更强的调控能力和更快的响应速度,在竞标时相关部门可着重考虑。

注册调控能力占比

削峰数据、填谷数据百分比统计,了解每个虚拟电厂的实力。中国是典型的负荷中心与发电中心不协调国家,东南地区经济发达,为负荷中心,但是缺煤、少光、缺风;西北、西南地区经济相对落后,但是煤多、水多、风多、光多。这种不协调决定了中国的清洁能源的利用只能寄希望于打造数十个超大型清洁能源发电中心,然后通过特高压通道(直流或者交流)输送到东南负荷中心。
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能力占比

采用雷达图表示各行业发电机组注册调控和各发电单元类别注册调控的数据,区分不同 DER 在不同时间段执行发电计划的百分比。

数量占比

统计聚合 DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的分布式能源的数量占比,预测发电潜力,有序制定发电计划。

分区信息

变电站作为电力系统不可或缺的部分,对电压和电流进行变换,接受电能及分配电能。图扑可视化大屏标注的变电站以 110kV 及以下的四类变电站为主,包括亭卫变电站、远东变电站、黄渡变电站、练塘变电站等上海市不同区域的变电站,点击变电站名称可显示削峰、填谷数据。通过 HT 实现“虚拟电厂”跨平台(桌面 Mouse/移动 Touch/虚拟现实 VR)、跨区域管理的数据可视化需求。
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管理总览

电网负荷主要包含刚性负荷、柔性负荷两大类。其中刚性负荷是用户生活工作必须满足的负荷,不能够接受电网的调控,受控程度很低。广义柔性负荷,既包含弹性负荷(可削减负荷)、可调节负荷(负荷聚合商)、可转移负荷,也包括源性负荷(储能、电动汽车)。
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收集不可控分布式能源、储能、可控式能源、可控负荷的发电单元数量、发电容量占比数据,确定用户在不同时段对电网负荷的需求量,让用户通过分时电价提前安排工作的时间,减少峰期用电。

能力占比和数量占比的统计,便于确定小型发电装置在调峰、为边远用户、商业区和居民区供电时的能力。分布式电源可大大地提高供电可靠性,可在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏)情况下,维持重要用户的供电。

资源注册

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虚拟电厂具体信息

图扑软件聚焦工业互联网监控运维可视化应用领域,通过接入 DER 的多路视频,便于分布式能源的管理。分布式发电系统主要包含:热电联产(CHP)与微型热电联产、燃料电池、太阳能发电、风力发电、斯特林发动机、往复式发动机、柴油引擎、汽油引擎等。
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节能成效

我国用电量大的主要原因之一是工业设备和家用电器能效偏低,可实时监测中央空调、电动汽车等柔性可控负荷。统计节约电量、日均节电、未端精密空调节能率、机房整体节能率、机组负荷量的数据,减少高耗能设备的使用频次。

虚拟电厂审核管理

庞大的虚拟电厂数据,在图扑可视化系统中批量聚合,HT for Web 可承受万级甚至十万级别数据量。不同类型的虚拟电厂侧重点不同,有以实现 DG 可靠并网和电力市场运营为目标的电厂,DG 占据DER 的主要成分;有基于需求响应计划发展而来,兼顾考虑可再生能源利用的电厂,可控负荷占据主要成分。在审核时要根据能源分布情况,选择适合本地的虚拟电厂。
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发电单元管理

每个发电单元接入实时数据进行监控,避免发电不足引发重要设备停机,保障供电的持续性、稳定性。

实时状态监测

智能计量技术是虚拟电厂的一个重要组成部分,是实现虚拟电厂对 DG 和可控负荷等监测和控制的重要基础。智能计量系统最基本的作用是自动测量和读取用户住宅内的电、气、热、水的消耗量或生产量,即自动抄表(Automated Meter Reading,AMR),以此为虚拟电厂提供电源和需求侧的实时信息。作为 AMR 的发展,自动计量管理和高级计量体系能够远程测量实时用户信息,合理管理数据,并将其发送给相关各方。
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通过 HT 可视化的 2D 面板和图表的数据绑定,以及利用不同样式的图表统计方式展示不同区县的工业企业排名、工业企业潜力排名、工业企业实测负荷排名,能分辨本地的用电大户,他们是虚拟电厂的主要客户。

监测实时负荷、发电负荷因子、可调控负荷、主变容量、发电机组、发电单元,围绕用户和系统需求,自动调节并优化响应质量,减少电源和电网建设的投资,在创造良好舒适生活环境的同时,实现用户和系统,技术和商业模式的双赢。

负荷预测

将工业、农业、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民所消耗的功率相加,就得电力系统的综合用电负荷。负荷是随机变化,每当用电设备启动或停止都会有对应的负荷发生变化,从某种程度上可以发现具有一定规律性,可依据规律进行预测。

数据查询

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不可控 DG、可控 DG、储能、可控负荷的数量统计结合商业型虚拟电厂网络信息(拓扑结构、限制条件等),利于技术型虚拟电厂计算本地系统中每个 DER 可作出的贡献,形成技术型虚拟电厂成本和运行特性。

多维度负荷预测

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发电负荷和用电负荷处于天平的两端,需要保持平衡,才能保障双方利益。发电机组和虚拟电厂的历史数据查询,能让管理者了解不同时段的供需变化,进行有效调控。查询界面采用事件机制进行界面局部更新,避免 FPS 的游戏方式,过多进行无意义的界面刷新,避免桌面卡顿和手机发烫等问题。

发电任务管理

虚拟电厂采用双向通信技术,它不仅能够接收各个单元的当前状态信息,而且能够向控制目标发送控制信号。应用于虚拟电厂中的通信技术主要是基于互联网的技术,如基于互联网协议的服务、虚拟专用网络、电力线路载波技术和无线技术(如全球移动通信系统/通用分组无线服务技术(USM/UPRS)等)。

价格信号

实时电价和分时电价的设定应根据虚拟电厂中的可再生能源所占成分区别设定,同时规定可再生能源发电应尽量并网,进一步完善现行的分时电价办法,鼓励和促进用电高峰时用户节电和 DG 发电。
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采用雷达图分配虚拟电厂计划负荷,明确计划发电负荷。

激励信号

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时间轴设置

丰水期电价可采取一定优惠措施,可根据历史数据将活动通知期和进行期的时间确定,有序开展活动。

调控模式设置

负荷调整模式和控制模式统计,短期和中长期需求响应事件管理,可减小最大负荷和最小负荷的差值,使负荷曲线图形较为平坦。通过合理地、有计划地安排种类用户的用电时间,有利于充分利用发电、供电设备(主变压器等)容量,提高系统运行的经济性。

发电任务追溯

通过追溯可判断出夏季和冬季是负荷的高峰时期,此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统,不但可解决夏季的供冷与冬季的供热需要,同时也提供了一部分电力,由此可对电网起到削峰填谷作用。此外,也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题,发挥了天然气与电力的互补作用。

激励型信息

可根据年份追溯负荷控制、有序用电、紧急需求响应、需求侧竞价、容量/辅助服务等信息。折线图和面积图展示了一周内实测负荷和预测负荷的对比,帮助预测者修正数据的准确性。
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电源追溯可以快速搜索出某重要供电设备的实际供电路径,并结合可视化的展示方式,以清晰、直观的方式予以展示,使电网人员能够快速地对电网中的各重要负荷的供电通道进行梳理并形成保电通道和设备集,为重要负荷的供电保障任务提供有力的技术支持,而且还可以帮助电网调度人员更为全面、迅速地掌握电网结构,为电网安全、稳定地运行提供技术保障。

需求响应详情

需求响应是指电力市场价格明显升高(降低)或系统安全可靠性存在风险时,电力用户根据价格信号或激励措施,改变其用电行为,减少(增加)用电。雷达图展示响应速度、响应完成率、响应偏差率等的比率。同时,显示具体事件名称和类型,利于重大事件的统计。
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虚拟电厂和发电机组在需求响应中的能力占比,显示了他们的反应速度,是对运维人员考核的重要一环。

参与虚拟电厂列表

虚拟电厂的各类资源(相比传统需求响应,新增添了各类分布式能源)自动接收需求响应信号,通过自己的能量管理系统控制调整用电,并对需求响应结果自动进行报告。使需求响应能够实现迅速、高效和精准的电力实时动态调控,能有效解决电力供给侧可再生能源发电带来的巨大不确定性。列表可展示响应能力较强的虚拟电厂。

预览事件曲线动态展示通知期、斜坡期、活动期、恢复期、复原期、结束期的负荷变化,更直观。通过时间轴设置,了解各个时期的耗用时间,作为下次运行的依据。

有序用电详情

事件信息显示偶然事件的准备阶段、执行阶段、恢复阶段、结算阶段,对某一次的偶然事件可记录下目标调控负荷、目标调控电量、实际调控负荷、实际调控电量、事件收益、开始时间、结束时间。明确此类事件的处理流程和所需负荷,作为后续此类事件处理的方案。
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针对不同的偶然和必然事件,统计出在事件中发电机组数量占比、虚拟电厂调控能力占比、参与虚拟电厂列表、负荷数量占比,可分析整个电力系统是否稳定。

运行效果决策

技术参数考核

虚拟电厂中分布式能源的地域信息一目了然,便于管理。虚拟电厂运营系统能监测到客户参与需求响应的具体设备的负荷变化,负荷管理工作的颗粒度更为精细,响应更快速。
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虚拟电厂技术参数考核

虚拟电厂从需求侧响应起步,根据技术参数差异化设置收益激励,创新交易机制,打造出全新的电力负荷调度模式。依据爬坡耗时、参与机组数量、在线机组数量、爬坡速度、响应量、完成耗时、电量偏差、负荷偏差、目标调控负荷、实际调控负荷统一进行管理。

发布单元类型排名

将太阳能利用、风能利用、燃料电池、燃气冷、热、电三联供、气体燃料等多种形式的能源按照电力负荷排名,甄选优质能源。

偏差率考核

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图扑的 HT 可视化系统,可按照事件名称、电厂名称、日期、年份名称分别查询爬坡速度、响应量、完成耗时、电量偏差、负荷偏差、目标调控负荷、实际调控负荷的数据,让用电负荷有据可查。

总结

拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合 DER 参与电力市场和辅助服务市场运行,为配电网和输电网提供管理和辅助服务。“虚拟电厂”的解决思路在我国有着非常大的市场潜力,对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说,无疑是一种好的选择。

虚拟电厂虽然进行了 DER 的聚合,可当前储能基本配置在“源”侧和“网”侧。为最大化利用清洁电力,平滑清洁电力的“间歇性、波动性”,稳定电源供应,储能成为解决问题的关键。传统的“源网荷”电力系统将由此变为“源网荷储”电力系统。

更多行业应用实例可以参考图扑软件官网案例链接:https://www.hightopo.com/demo...

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