基于虛擬電廠智慧管控系統(tǒng)構(gòu)建方案研究

中電建崇信發(fā)電有限責(zé)任公司 朱文峰

隨著電力改革的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)電力企業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是火電企業(yè)，面臨高能耗、高成本、環(huán)保要求嚴(yán)格等局面，如何能在“碳達(dá)峰，碳中和”環(huán)境下順利打開局面，是火電企業(yè)所要考慮的重點(diǎn)問題。由于火電企業(yè)短期還占據(jù)重要位置，因此提高企業(yè)效能成為電力企業(yè)面臨的重要問題，將新技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域，建設(shè)新型電廠、智慧電廠成為各個電力集團(tuán)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

1 智慧電廠概述

智慧電廠指的是通過先進(jìn)技術(shù)，如計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，與先進(jìn)管理思想相互融合，讓火電企業(yè)轉(zhuǎn)變原有的發(fā)展形勢，創(chuàng)建出能夠與生產(chǎn)經(jīng)營管理活動相互融合的信息網(wǎng)絡(luò)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對企業(yè)的管理，讓工作人員憑借網(wǎng)絡(luò)渠道，完成對不同渠道內(nèi)信息數(shù)據(jù)的檢索、分析、控制、處理以及反饋，運(yùn)用實(shí)時化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，逐漸與集團(tuán)信息、管理信息以及網(wǎng)絡(luò)相互對接，以保證企業(yè)管理層級可以短期內(nèi)完成信息資源的共享服務(wù)，利用一體化管控的方式，增加集團(tuán)，甚至整個發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)動力，促使經(jīng)營管理工作能夠落實(shí)，從而保證電廠內(nèi)的生產(chǎn)、經(jīng)營以及管理工作向著智能化、自動化方向發(fā)展[1]。

同時，建設(shè)智慧電廠的目的是為了提高廠網(wǎng)效能，提高電廠在社會效益中的中流砥柱作用。通過大數(shù)據(jù)分析模型，機(jī)器學(xué)習(xí)，能源多樣化等系統(tǒng)分析方法，提高整個系統(tǒng)能源系統(tǒng)復(fù)雜化要求，實(shí)現(xiàn)全社會層面的能源生產(chǎn)構(gòu)成的彈性化預(yù)期[2]。

2 智慧電廠建設(shè)的技術(shù)路線的重要性

以往智慧電廠技術(shù)路線主要集中在廠內(nèi)設(shè)備改造，通過新型傳感器如人臉識別、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、機(jī)器人、三維模型、定位等方式，聚焦在操作層面的電廠設(shè)備改造上，在系統(tǒng)層面通過大數(shù)據(jù)建立電廠全周期壽命管理，但是礙于技術(shù)難度，在故障分析上應(yīng)用效果不理想。

因此，相關(guān)部門在建設(shè)智慧電廠時，還需要了解虛擬電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并構(gòu)建虛擬大電廠模型，借助其中的火電機(jī)組、水電機(jī)組、供熱站、廢物處理、廢水處理等，模擬電廠運(yùn)行狀態(tài)。同時，智慧電廠運(yùn)行期間，還需要了解電負(fù)荷、熱負(fù)荷、污水處理、固體廢物再利用等內(nèi)容，使相關(guān)人員可以通過各個供能系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，協(xié)調(diào)控制生產(chǎn)側(cè)并滿足對電廠的深度調(diào)峰要求，以增強(qiáng)供電系統(tǒng)控制的魯棒性。

在具體層面上，可以通過小范圍供電類型企業(yè)自主合作，建立發(fā)電合作集團(tuán)，簽訂“智慧電廠規(guī)約”，與電網(wǎng)簽訂大用戶簽訂用能合同，協(xié)調(diào)控制，綜合發(fā)力，與電網(wǎng)在用戶側(cè)的虛擬電網(wǎng)相對應(yīng)。例如，某發(fā)電集團(tuán)在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時，以火力發(fā)電為主要供能方式，其他類型如水電站、儲能電站等降低出力，提高系統(tǒng)供電效能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)效益，若在負(fù)荷低谷時，通過場站AGC 或者與合作大，小機(jī)組實(shí)現(xiàn)調(diào)峰，冬季時，可以與供熱機(jī)組相互聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。如若出現(xiàn)設(shè)備故障引起系統(tǒng)內(nèi)出力下降時，可以及時提高發(fā)電集團(tuán)內(nèi)其他供電企業(yè)的供電出力，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)負(fù)荷穩(wěn)定，從而避免對電網(wǎng)產(chǎn)生擾動。圖1為智慧電廠運(yùn)維體系。

圖1 智慧電廠運(yùn)維體系框架圖

3 智慧電廠構(gòu)建的核心及難點(diǎn)

3.1 智慧電廠資源特征提取及量化技術(shù)

對于智慧電廠而言，其主要采用聚合資源的方式，將微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組以及光伏電池等進(jìn)行統(tǒng)一分布，形成發(fā)電機(jī)組，其中涵蓋了儲能、柔性負(fù)荷等內(nèi)容，也可采用“產(chǎn)銷一體化”構(gòu)成雙向的內(nèi)部互動單元。如此，則可保證電廠在獲取資源時不出現(xiàn)問題，使其特征更加明顯，可采用積極提取的方式，整合更多的數(shù)據(jù)，以保證該部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被高效地處理，但若存在不良數(shù)據(jù)，也會對系統(tǒng)帶來一定的影響，成為后續(xù)研究活動中的主要探討問題。

通過運(yùn)用量化分析的手段調(diào)用現(xiàn)有資源，依靠系統(tǒng)掌握用戶的實(shí)際響應(yīng)程度，防止出現(xiàn)不確定性的因素，以降低對虛擬電廠所帶來的影響，避免智慧電廠響應(yīng)特性受到干擾。也可運(yùn)用資源調(diào)節(jié)的方式，激發(fā)智能電廠的潛力并降低氣象條件等問題帶來的影響。例如，若在夏季時節(jié)空調(diào)的負(fù)荷會上升的，增加了光伏的出力情況，對資源調(diào)節(jié)特性帶來干擾，智慧電廠可以結(jié)合季節(jié)等因素，運(yùn)用特征提取及量化技術(shù)的方式，增加智慧電廠在運(yùn)行期間的支持。

3.2 智慧電廠優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制技術(shù)

智慧電廠通常會以互動的形式出現(xiàn)，使資源數(shù)量、類型、規(guī)模以及地理，甚至在電氣分布等區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出復(fù)雜且多變的狀態(tài)，如何進(jìn)行資源配置成為后續(xù)探討的重點(diǎn)。首先，可采用分布式資源的分析，掌握其中蘊(yùn)含的規(guī)模效益，了解到虛擬電廠在運(yùn)維期間，需要給到一定的指導(dǎo)。其次，可了解其中參與者的分布情況，確認(rèn)其位置相對分散，讓工作人員采用現(xiàn)貨市場決策的方式，將不同層級的利益進(jìn)行協(xié)調(diào)，使電網(wǎng)可以安全并且穩(wěn)定地運(yùn)行，提高虛擬電廠的參與度。最后，如何處理分布式電源，可結(jié)合出力的波動特性、用戶用電行為等內(nèi)容進(jìn)行分析，根據(jù)其充放電特性、儲能不確定性以及可控負(fù)荷等響應(yīng)特性，掌握其中存在的互動關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對虛擬電廠協(xié)調(diào)控制方法的探索。

4 虛擬電廠智慧管控系統(tǒng)創(chuàng)新思路

4.1 智慧電廠聯(lián)網(wǎng)改革新技術(shù)升級

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為發(fā)電企業(yè)進(jìn)行智能化升級的關(guān)鍵性因素，例如5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、工業(yè)無線技術(shù)以及工業(yè)微服務(wù)技術(shù)等，其可以輔助發(fā)電企業(yè)完成重要數(shù)據(jù)的融合，讓各部分的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯聚，采用深度挖掘的方式，提高新技術(shù)的利用率。但對于傳統(tǒng)電力企業(yè)需要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的升級：一是一站式AGC 改造，場站AGC 可以實(shí)現(xiàn)在深度調(diào)峰時兼顧機(jī)組安全。例如，1號機(jī)組有設(shè)備故障，可以通過提高2號機(jī)組負(fù)荷，低谷消缺，也不會對電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響。

二是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，無線傳感器的技術(shù)進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)在5G 場景下的總線控制。目前已經(jīng)有廠家量產(chǎn)了基于5G 的智能壓力，溫度傳感器。國內(nèi)電池廠已經(jīng)通過5G 技術(shù)完成供熱站的覆蓋[3]。

三是智慧發(fā)電企業(yè)實(shí)踐的可能性。發(fā)電廠內(nèi)不僅設(shè)備多，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠成為發(fā)電企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（DCS）中有專門的控制盤柜、電纜等組件，各個系統(tǒng)廠家之間兼容性較差。而且國產(chǎn)DCS 系統(tǒng)市場占有率較低，若要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，還需要了解接口交互情況，降低設(shè)備成本并通過私有云為基礎(chǔ)的云上控制系統(tǒng)，才能憑借設(shè)備控制層實(shí)現(xiàn)云上控制，利用技術(shù)增加相關(guān)支撐。

四是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來增加智能傳感器。例如，溫度、壓力、流量以及執(zhí)行器等物聯(lián)網(wǎng)終端側(cè)的穩(wěn)定可靠性。確保電廠能夠夯實(shí)云上電廠的重要技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

4.2 借助大數(shù)據(jù)、AI

AI 算力幫助系統(tǒng)控制策略尋優(yōu)。AI 在智能電廠大有可為，通過不斷地訓(xùn)練，AI 可以實(shí)現(xiàn)電廠控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)最優(yōu)，提高電廠設(shè)備的安全性。也可以在控制層通過在火電、水電、儲能、供熱站參數(shù)間，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，不斷實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練，提高整個系統(tǒng)的自適應(yīng)性和強(qiáng)魯棒性。

4.3 應(yīng)用云平臺管理

虛擬電廠智慧管控平臺包含了用戶畫像、云邊互動、智能聚合、市場交易、多能優(yōu)化以及迭代評估等功能，其基本可以完成分散資源的整合，憑借手機(jī)端，或者PC 端，讓電力系統(tǒng)與之進(jìn)行交互。在管側(cè)則是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、通信以及光纖，實(shí)現(xiàn)對信息通信技術(shù)的應(yīng)用，利用兼容支持的方法，實(shí)現(xiàn)對不同內(nèi)容的傳輸方式，或是采用承載控制，檢索狀態(tài)信息，輔助隱形的方式，將分散資源和智能管控平臺進(jìn)行對接并控制平臺并發(fā)量等，讓數(shù)據(jù)能夠發(fā)揮出低時效果，整合海量數(shù)據(jù)，使各方面的信息能夠進(jìn)行雙向并且安全地傳輸。

在邊側(cè)需要借助即插即用的邊緣網(wǎng)關(guān)，利用云邊協(xié)同的方式，執(zhí)行邊緣計算操作。生成更多的場景業(yè)務(wù)、多網(wǎng)絡(luò)模式，提高自適應(yīng)技術(shù)的利用率，以實(shí)現(xiàn)對分散資源的處理。利用物聯(lián)網(wǎng)將標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議準(zhǔn)確地接入到平臺當(dāng)中。在端側(cè)也可利用標(biāo)準(zhǔn)化的智能終端，借助工業(yè)化的高速CPU，應(yīng)用傳感器、微功率等，同步應(yīng)用無線自組網(wǎng)技術(shù)，以保證分散資源可以二次被利用。采用狀態(tài)感知的方式，執(zhí)行實(shí)時化的柔性控制。并且，其中的技術(shù)平臺也可在以下幾個方面進(jìn)行突破。

一是關(guān)于支持性的多種類型終端以及應(yīng)用接入。其可以支持彈性的擴(kuò)展，利用億級連接，并發(fā)處理百萬級消息。二是關(guān)于虛擬電廠智慧管控平臺，其中的API 開放接口可以完成集成處理，實(shí)現(xiàn)快速上線并處理業(yè)務(wù)。三是關(guān)于虛擬電廠智慧管控平臺中的云化部署，可以將系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)對組件化系統(tǒng)的安裝及應(yīng)用。四是關(guān)于用戶資源，其依靠網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用、平臺以及設(shè)備，構(gòu)建生態(tài)開放系統(tǒng)，將各類用戶的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行滿足。

4.4 提升智慧電廠運(yùn)行管理

智慧運(yùn)行管理工作的研究熱點(diǎn)為：一是智能監(jiān)盤：依靠AI、機(jī)理建模監(jiān)督燃機(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)等狀態(tài)并進(jìn)行多維度的分析，識別故障并進(jìn)行異常報警，輔助電廠的智慧運(yùn)行；二是工況尋優(yōu)：運(yùn)用大數(shù)據(jù)算法，計算參數(shù)值，調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，達(dá)到降低能耗，優(yōu)化運(yùn)行層面的目的。

4.5 優(yōu)化智慧電廠設(shè)備管理

對于發(fā)電企業(yè)而言，其中設(shè)備的智能巡檢包括：移動互聯(lián)、點(diǎn)檢項(xiàng)目、點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)分析點(diǎn)檢路線以及區(qū)域設(shè)定等業(yè)務(wù)模塊，依靠智能人員定位等方式，確保巡檢現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息能夠合理應(yīng)用，從而控制好巡檢質(zhì)量，達(dá)到提高巡檢效率的目的。

5 結(jié)語

虛擬電廠中的智慧電廠建設(shè)方案是傳統(tǒng)智慧電廠建設(shè)的系統(tǒng)性延伸，借助于數(shù)字化轉(zhuǎn)型時期新技術(shù)的大量應(yīng)用，有效地避免了傳統(tǒng)能源格局的低效率、低協(xié)作等弊端。要想在“雙碳”目標(biāo)環(huán)境下提高主動性，電力企業(yè)應(yīng)該主動抱團(tuán)，與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合，建立智慧電廠綜合體，系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢互補(bǔ)，制定規(guī)約，提高競爭力，實(shí)現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙達(dá)標(biāo)。