服務(wù)新戰(zhàn)略的智慧能源服務(wù)調(diào)控模式及應(yīng)用場(chǎng)景分析

陳 俊，童 瑩，孫書(shū)哲，趙政武，馮青藍(lán)

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

智慧能源服務(wù)是綜合利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等科技成果實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源共享，為客戶提供全生命周期全狀態(tài)感知的多元化優(yōu)質(zhì)服務(wù)。智慧能源服務(wù)包括冷熱、電力、燃?xì)庖约靶履茉吹染C合服務(wù)，從投資、運(yùn)營(yíng)到維護(hù)整個(gè)服務(wù)階段，涵蓋多種商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式和運(yùn)行場(chǎng)景，同時(shí)能夠體現(xiàn)智慧能源的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)廣泛應(yīng)用。目前針對(duì)多級(jí)智慧能源的控制模式和場(chǎng)景特征分析仍有待繼續(xù)深入，尤其是結(jié)合雙碳目標(biāo)對(duì)其具體運(yùn)行機(jī)制作進(jìn)一步闡述。

目前針對(duì)智慧能源調(diào)控，文獻(xiàn)[1]分析了需求側(cè)綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)綜合能源中可響應(yīng)負(fù)荷，文獻(xiàn)[2]提出了計(jì)及用戶響應(yīng)不確定性的可中斷負(fù)荷儲(chǔ)蓄機(jī)制；文獻(xiàn)[3]提出了智能小區(qū)可轉(zhuǎn)移柔性負(fù)荷實(shí)時(shí)需求響應(yīng)策略；文獻(xiàn)[4]分析了需求響應(yīng)的負(fù)荷控制對(duì)供電可靠性的影響；文獻(xiàn)[5]將用戶對(duì)于冷、熱、電多能流的需求納入需求響應(yīng)范圍內(nèi)，提出基于多能互補(bǔ)的電/熱綜合需求響應(yīng)機(jī)制。上述文獻(xiàn)對(duì)智慧能源的調(diào)控策略進(jìn)行了分析，從可響應(yīng)負(fù)荷以及可再生能源的角度對(duì)模型的建立進(jìn)行了論述，但針對(duì)碳排放的研究并未深入。

優(yōu)化協(xié)調(diào)方面，也有不少文獻(xiàn)考慮不同因素從不同角度進(jìn)行了探究。在區(qū)域電網(wǎng)層面上，文獻(xiàn)[6]建立了計(jì)及用戶可響應(yīng)負(fù)荷的區(qū)域多能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]引入碳排放，提出了一種電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的聯(lián)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。但目前仍需進(jìn)一步分析在低碳目標(biāo)下的應(yīng)用場(chǎng)景及控制模型，促進(jìn)新能源轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

本文分析了雙碳目標(biāo)以及新能源戰(zhàn)略體系變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)雙碳目標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)而提出了綜合智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景，以服務(wù)新戰(zhàn)略為目標(biāo)，提升各級(jí)能源的利用效率。

1 雙碳目標(biāo)與新戰(zhàn)略體系分析

1.1 雙碳目標(biāo)

2020年，中方提出碳達(dá)峰近景目標(biāo)和碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)，即雙碳目標(biāo)。在雙碳目標(biāo)下，電力系統(tǒng)主要特征將發(fā)生改變，逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)橐孕履茉礊橹黧w的電力系統(tǒng)，形成清潔主導(dǎo)，電能為中心的能源供應(yīng)和消費(fèi)體系，實(shí)現(xiàn)在能源生產(chǎn)和消費(fèi)側(cè)高效化、低碳化。

在雙碳目標(biāo)背景下，新型電力系統(tǒng)需要具備主動(dòng)支撐能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源、分布式電源可觀可測(cè)可控，形成結(jié)構(gòu)合理、網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)以及自愈能力強(qiáng)的電力網(wǎng)絡(luò)。由此可見(jiàn)，碳中和以及碳達(dá)峰主要支持各類新技術(shù)、新能源和新設(shè)備的大規(guī)模接入電網(wǎng)，以減輕傳統(tǒng)化石能源發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響，提高可再生能源對(duì)環(huán)境的承載力，同時(shí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性以及電網(wǎng)形態(tài)會(huì)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。主要體現(xiàn)在由傳統(tǒng)化石能源為主導(dǎo)的電源結(jié)構(gòu)，向可控可調(diào)節(jié)的新能源發(fā)電轉(zhuǎn)變；另外，傳統(tǒng)剛性負(fù)荷向產(chǎn)消者負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)變；電網(wǎng)形態(tài)由傳統(tǒng)電網(wǎng)向交直流混合電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)等轉(zhuǎn)變。由此可見(jiàn)，在新型電力系統(tǒng)模式下，雙碳目標(biāo)要求電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)的機(jī)械電磁系統(tǒng)，向由電力電子設(shè)備為主導(dǎo)的混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳高效運(yùn)行。

1.2 新戰(zhàn)略體系分析

能源系統(tǒng)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)起決定性作用，電力是未來(lái)能源系統(tǒng)碳減排的主要力量。當(dāng)前，我國(guó)能源發(fā)展呈現(xiàn)出更加智能、更加多樣性的特點(diǎn)，能源互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，分布式電源、電動(dòng)汽車以及儲(chǔ)能技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，經(jīng)過(guò)大規(guī)模實(shí)踐，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，在新戰(zhàn)略背景下，電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等智慧能源新模式成為重要發(fā)展方向。在能源消費(fèi)理念和消費(fèi)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的加速時(shí)期，結(jié)合現(xiàn)階段能源戰(zhàn)略模式和碳排放要求，建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)最終目的是推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，服務(wù)清潔能源的發(fā)展，促進(jìn)清潔能源，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和大范圍優(yōu)化配置。

因此，在新的戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主要任務(wù)即構(gòu)建智慧能源綜合服務(wù)體系。以客戶需求為導(dǎo)向，推動(dòng)各類綜合能源服務(wù)互聯(lián)互通，提升綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)以及與傳統(tǒng)能源銜接運(yùn)行的能力。在用能服務(wù)優(yōu)化方面，加強(qiáng)冷熱電器等多種能源的靈活轉(zhuǎn)換以及集成技術(shù)優(yōu)化推廣應(yīng)用，因地制宜開(kāi)展多能互補(bǔ)示范工程。另外，針對(duì)柔性負(fù)荷應(yīng)用，提升需求響應(yīng)側(cè)響應(yīng)水平和管理模式，促進(jìn)需求響應(yīng)，提升智能化用電服務(wù)水平。在充電設(shè)施選址、建設(shè)方面加強(qiáng)供電保障能力，建設(shè)大范圍車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)。由此可見(jiàn)，新戰(zhàn)略模式下，電力發(fā)展以低碳高效為主導(dǎo)，清潔能源作為主要發(fā)展方式進(jìn)行大力推廣，以碳達(dá)峰和碳中和為根本目標(biāo)，不斷推動(dòng)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧能源服務(wù)落地和發(fā)展，多級(jí)能源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)

2 智慧能源多級(jí)調(diào)控評(píng)價(jià)模型

智慧能源多級(jí)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)控是確保綠色可再生資源最大化利用的前提下，對(duì)綜合能源實(shí)行有效協(xié)調(diào)的控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本最低，運(yùn)行可靠度最高。在控制模型中，主要包括發(fā)電側(cè)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層面、用戶側(cè)以及其他可再生能源發(fā)電設(shè)備。通過(guò)多種傳感設(shè)備，對(duì)能源綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，最終根據(jù)預(yù)定的輸出進(jìn)行模型控制，如圖2所示。

圖2 智慧能源服務(wù)多級(jí)控制

通過(guò)布置于電力網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳感裝置以及兩側(cè)單元對(duì)節(jié)點(diǎn)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集和分析，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的云計(jì)算和數(shù)據(jù)處理算法得到相應(yīng)的控制策略。主要包括有功功率全局優(yōu)化控制和無(wú)功功率全局優(yōu)化控制。為體現(xiàn)智慧能源多級(jí)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳統(tǒng)化石能源、可再生資源和儲(chǔ)能裝置等進(jìn)行聯(lián)合策略。同時(shí)，還需結(jié)合電力、燃?xì)夂蜔崮艿榷喾N其他形式能源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。

智慧能源多級(jí)調(diào)控的效果是從安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能環(huán)保等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)的。安全可靠主要是指電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為電力系統(tǒng)在故障時(shí)間內(nèi)停電范圍以及停電時(shí)間、削峰填谷的響應(yīng)效果；優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)主要是指系統(tǒng)在運(yùn)行期間電能質(zhì)量以及系統(tǒng)的運(yùn)行成本，主要能夠以可再生能源技術(shù)電網(wǎng)的并網(wǎng)水平以及系統(tǒng)總成本進(jìn)行量化；節(jié)能環(huán)保是指整個(gè)系統(tǒng)的碳排放水平一級(jí)節(jié)能減排效果，主要可以利用可再生能源發(fā)電以及電動(dòng)汽車保有量水平進(jìn)行環(huán)境影響效果評(píng)價(jià)。

智慧多能源綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中既有多源信息融合監(jiān)視、配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)估計(jì)和冷熱電三聯(lián)供需求響應(yīng)機(jī)制等主觀定性指標(biāo)，又有分布式電源容量滲透率、分布式電源平均裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)和分布式電源自動(dòng)控制系統(tǒng)覆蓋率等客觀定量指標(biāo)，如表1所示。為充分體現(xiàn)評(píng)價(jià)需要考慮主觀與客觀、定性與定量等方面對(duì)多能源綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)水平的影響，本次評(píng)價(jià)選擇AHP-熵權(quán)法，在充分尊重專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最大限度地削弱權(quán)重確定的主觀性，使綜合權(quán)重能最大限度地反映多能源綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)水平。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 智慧能源服務(wù)場(chǎng)景分析

3.1 綜合能源服務(wù)平臺(tái)

智慧能源服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，主要以電力供應(yīng)為基礎(chǔ)，面向用戶電能、天然氣和冷熱聯(lián)合供電差異化的能源需求，依托區(qū)域配電網(wǎng)、供熱管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)以及能源數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)，為客戶提供一體化綜合能源服務(wù)和解決方案，綜合服務(wù)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 綜合服務(wù)平臺(tái)

在具體服務(wù)內(nèi)容中，涵蓋電力、燃?xì)夂屠錈峁╇娤到y(tǒng)的多能綜合系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行是主要特征，能夠?yàn)橛脩粲媚芴峁┮徽臼?、全方位和定制化的能源解決方案；另一方面，智慧能源能夠體現(xiàn)其智慧特性，在商業(yè)服務(wù)、用能設(shè)計(jì)、節(jié)能規(guī)劃和系統(tǒng)建設(shè)等方面依托用戶側(cè)用能托管和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)電能、天然氣及其他可再生能源的節(jié)能減排建設(shè)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的全過(guò)程閉環(huán)管控。智慧能源服務(wù)平臺(tái)能夠匯集傳統(tǒng)能源企業(yè)、園區(qū)內(nèi)用戶以及工商業(yè)用戶、社區(qū)以及智慧城市、新興業(yè)態(tài)企業(yè)等融合發(fā)展，從不同的企業(yè)維度匯集同一平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)代化管控，提升各類用戶的能源利用效果。

3.2 智慧能源云服務(wù)

云計(jì)算是智慧能源服務(wù)的又一顯著特征，通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化和負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源服務(wù)的新型融合，將能源資源以網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行軟件和硬件資源的重新整合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源信息實(shí)時(shí)發(fā)布、對(duì)各類能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。最終通過(guò)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)綜合能源數(shù)據(jù)分析，從而提供優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)。

隨著可再生能源等新形式電源，在電網(wǎng)的滲透率不斷增加，搭建綜合能源服務(wù)平臺(tái)，是有效提升能源服務(wù)智慧化水平的關(guān)鍵步驟。新能源云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括云計(jì)算技術(shù)的構(gòu)建、云平臺(tái)的搭建以及新能源和智慧能源發(fā)電技術(shù)的拓展。

3.3 智慧能源車聯(lián)網(wǎng)

智慧能源車聯(lián)網(wǎng)是電動(dòng)汽車等新能源以移動(dòng)的方式與電網(wǎng)進(jìn)行連接。在與電網(wǎng)連接過(guò)程中可以通過(guò)相關(guān)的信息通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的信息交互，一方面提升車主的用車滿意度，另一方面提升電網(wǎng)對(duì)移動(dòng)式儲(chǔ)能的管理和優(yōu)化效果。智慧能源車聯(lián)網(wǎng)能夠依托相關(guān)的車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車車主充放電有序管理，同時(shí)提升各類充電樁位置排布的有效性和合理性，滿足車主行車要求的前提下優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行方式。

3.4 智慧能源多站融合

多站融合是指基于變電站、儲(chǔ)能充換電站以及數(shù)據(jù)中心站的基礎(chǔ)上的整合規(guī)劃。同時(shí)在多站融合站址選擇以及站址功能配置方面，還可增加5G基站、光伏電站和綜合能源站等，從而實(shí)現(xiàn)各類能源集中于一體，實(shí)現(xiàn)個(gè)人能源的運(yùn)行方式就地集中安排，從而發(fā)揮站址功能的最大價(jià)值，一方面優(yōu)化各類功能的技術(shù)應(yīng)用和落地，另一方面還可以有效提升變電站的運(yùn)行商業(yè)模式，從而實(shí)現(xiàn)多維度、多感知的智能融合站，實(shí)現(xiàn)從不同維度對(duì)系統(tǒng)的全面管控。

4 算例分析

本文選取某工程仿真，該工程基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[9]進(jìn)行仿真分析，為反映其多級(jí)能源的動(dòng)態(tài)變化，選擇4年連續(xù)評(píng)價(jià)。本文考慮柴油機(jī)組(DG)、光伏太陽(yáng)能機(jī)組(PV)、風(fēng)機(jī)(W)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CHP)以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(ES)，其接入點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

得到專家打分結(jié)果如表2所示。

表2 專家打分表

最終求解結(jié)果如表3所示。

表3 最終結(jié)果

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)得分，計(jì)算可得評(píng)價(jià)對(duì)象歷年最終得分，從綜合得分來(lái)看，該工程前3年得分較低，但2020年得分顯著提高，達(dá)到82.048分，這主要是2017～2019年間，多能源協(xié)調(diào)控制設(shè)備正處于準(zhǔn)備建設(shè)階段，尚未投入使用，綜合多能源利用系統(tǒng)正處于搭建階段，許多預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制功能尚未實(shí)現(xiàn)，因而綜合評(píng)價(jià)得分偏低。隨著2020年底，一系列多能源協(xié)調(diào)控制設(shè)備建設(shè)完畢，綜合多能源利用系統(tǒng)投入使用，生態(tài)城多能源協(xié)調(diào)控制技術(shù)顯著提高，這一點(diǎn)從綜合評(píng)價(jià)得分也可看出，2020年多能源綜合協(xié)調(diào)控制得分顯著升高，這說(shuō)明該指標(biāo)體系能夠真實(shí)有效地反映評(píng)價(jià)對(duì)象的多能源協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

智慧多級(jí)能源一般依托本地區(qū)風(fēng)能、光能和地?zé)岬荣Y源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展園區(qū)內(nèi)光伏、風(fēng)電、分布式儲(chǔ)能、MW級(jí)微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、冷熱電三聯(lián)供和柔性負(fù)荷等多級(jí)能源的綜合協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)能源的集中合理配置與消納、能源效率的大幅提升與電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。由于多級(jí)能源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前期設(shè)備投資較大，因此，其經(jīng)濟(jì)效益相比傳統(tǒng)工程略微欠缺。但隨著智能電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，多能源綜合協(xié)調(diào)控制成本將隨之降低，該成果的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性必將有效提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了服務(wù)新戰(zhàn)略的智慧能源服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)綜合能源服務(wù)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制建立了模型。本文說(shuō)明了智慧能源服務(wù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)雙碳目標(biāo)具有重要意義，提出的多級(jí)能源綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型，能夠有效提升智慧能源在源、網(wǎng)、荷等方面的優(yōu)化控制能力，提升了能源的綜合控制水平。綜合能源的智慧服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景能夠?qū)崿F(xiàn)能源服務(wù)水平的顯著提升，以多樣化的能源運(yùn)行方式，提升電力網(wǎng)絡(luò)以及綜合能源網(wǎng)絡(luò)的智慧化水平，是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要關(guān)鍵步驟。