從虛擬電廠在上海的實(shí)踐探索看企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化的意義

安科瑞 陳聰

作為典型的人口聚集、負(fù)荷密集區(qū)域，上海市具有外來電比例高、本地資源稟賦不足的特點(diǎn)。從發(fā)電側(cè)角度來看，近年來上海風(fēng)、光等新能源發(fā)電裝機(jī)比例逐年提升，傳統(tǒng)的火電逐漸成為調(diào)節(jié)性發(fā)電資源；從負(fù)荷側(cè)角度來看上海以第三產(chǎn)業(yè)為主，夏冬兩季負(fù)荷峰谷差逐年拉大，峰谷差達(dá)48.5%（1312萬kW）。與此同時上海商業(yè)建筑密集，電動汽車保有量總規(guī)模也是全國較高，可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源超過8760MW，其中包括工業(yè)負(fù)荷1230MW、商業(yè)負(fù)荷2160MW、電動汽車負(fù)荷1000MW等，加之上海的企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化程度比較高，所以虛擬電廠在上海有得天獨(dú)厚的發(fā)展條件，上海市也成為建設(shè)較早虛擬電廠的城市之一，并且目前已取得一定的成效。

(本文部分資料來源于微信公眾號：電氣思享《虛擬電廠在上海的實(shí)踐探索》)

1 上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項(xiàng)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(xiàng)用電數(shù)據(jù)中，空調(diào)設(shè)備與照明類電器設(shè)備在用電總量占據(jù)份額超過整體的70%。在以空調(diào)負(fù)荷、照明負(fù)荷為主的負(fù)荷體系下，商業(yè)建筑中的負(fù)荷具有靈活可調(diào)的性能，能夠在電力市場中發(fā)揮巨大的調(diào)峰作用和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(chǔ)條件實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目。目前黃浦區(qū)內(nèi)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)良資源開展自動需求改造，采用自動需求響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用戶側(cè)設(shè)備的調(diào)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(yīng)資源約60MW商業(yè)建筑需求響應(yīng)資源，包含了冷水機(jī)組、風(fēng)冷熱泵、電熱鍋爐、動力照明、充電樁等大量可控用電設(shè)備。黃浦區(qū)虛擬電廠實(shí)現(xiàn)了在不降低用戶用能體驗(yàn)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(wǎng)智慧充放電示范試點(diǎn)項(xiàng)目

嘉定是上海汽車產(chǎn)業(yè)聚集地，嘉定供電公司與國網(wǎng)電動汽車服務(wù)有限公司合作開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧充放電示范試點(diǎn)項(xiàng)目，應(yīng)用V2G技術(shù)和有序充電技術(shù)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電動汽車與電網(wǎng)電力電量平衡，合理地提高電動汽車與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的有序性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)電動汽車、儲能、分布式電源、微電網(wǎng)等新型用能設(shè)備的即插即用、數(shù)據(jù)感知、采集和控制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，有序運(yùn)行。智慧有序充電建設(shè)通過對用戶充電行為、用能行為的靈活引導(dǎo)與主動調(diào)控，降低配變峰值負(fù)荷超過30%，將80%充電量優(yōu)化調(diào)整到了配變負(fù)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(wǎng)資源利用率，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

3 企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化是虛擬電廠的基礎(chǔ)建設(shè)

從黃浦區(qū)的商業(yè)建筑虛擬電廠示范試點(diǎn)項(xiàng)目和嘉定區(qū)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧充放電示范試點(diǎn)項(xiàng)目來看，虛擬電廠的建設(shè)對電網(wǎng)調(diào)峰填谷、合理利用新能源的提升作用是巨大的，帶來的經(jīng)濟(jì)效益也非常明顯。

上海之所以成為較早建設(shè)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(diǎn)：一是上海是商業(yè)非常發(fā)達(dá)的大都市，同時也是電動汽車存量較高的城市，用戶負(fù)荷中空調(diào)、照明和充電樁所占比例比較大，季節(jié)因素容易導(dǎo)致峰谷差大，需要有一定的調(diào)峰填谷手段來促使充分消納新能源，維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；二是以空調(diào)、照明和充電樁為主的商業(yè)負(fù)荷具有靈活可調(diào)的特點(diǎn)，大規(guī)模的可控負(fù)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了建筑能源的數(shù)字化管理，有完備的數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)施虛擬電廠的需求響應(yīng)，這樣便能以較快的速度和較少的成本實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的搭建和運(yùn)行，不存在很多地區(qū)企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化水平低的瓶頸制約。

4 怎么建立企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化

安科瑞在上海參與了眾多的企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)項(xiàng)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(xué)校的配電數(shù)字化運(yùn)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(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)匯聚成了上海虛擬電廠建設(shè)的基礎(chǔ)。

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(xué)校配電數(shù)字化運(yùn)維系統(tǒng)

企業(yè)微電網(wǎng)的數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)包含安裝于現(xiàn)場的傳感器、智能網(wǎng)關(guān)和微電網(wǎng)數(shù)字化軟件。傳感器用于監(jiān)測和控制建筑的負(fù)荷設(shè)備和分布式發(fā)電設(shè)備(系統(tǒng))，現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)接入邊緣計(jì)算智能網(wǎng)關(guān)，每個智能網(wǎng)關(guān)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(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳EMS或轉(zhuǎn)發(fā)第三方平臺，網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)預(yù)設(shè)閾值或自動學(xué)習(xí)來執(zhí)行邏輯計(jì)算，并執(zhí)行EMS的指令。EMS可以看做是企業(yè)微電網(wǎng)的指揮部，根據(jù)智能網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)生成各類圖表、控制策略和分析結(jié)論，并響應(yīng)虛擬電廠的調(diào)度指令，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)融入企業(yè)負(fù)荷側(cè)的電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計(jì)、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、主要用能設(shè)備監(jiān)控、充電樁運(yùn)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(wǎng)進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維，同時滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、有序用電要求。

5 微電網(wǎng)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(bǔ)償柜及電纜等配電相關(guān)設(shè)備的電氣參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、接點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，監(jiān)測企業(yè)微電網(wǎng)主要回路的電能質(zhì)量并進(jìn)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?xì)獾饶茉聪模M(jìn)行分類分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)，計(jì)算單位面積或單位產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)以及趨勢，對標(biāo)主要用能設(shè)備能效進(jìn)行能效診斷，計(jì)算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達(dá)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(shí)現(xiàn)定時控制、光照感應(yīng)控制、場景控制、調(diào)光控制等，并結(jié)合紅外傳感器、超聲波傳感器，實(shí)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(shí)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(yùn)行情況，包括逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計(jì)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(yùn)行，包括運(yùn)行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預(yù)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(diǎn)和電價波動以及上級平臺指令設(shè)置儲能系統(tǒng)的充放電策略，控制儲能系統(tǒng)充放電，實(shí)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(yùn)營管理 

監(jiān)測企業(yè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，提供充電樁收費(fèi)管理和狀態(tài)監(jiān)測功能，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷率變化和虛擬電廠的調(diào)度指令調(diào)節(jié)充電樁的充電功率，使企業(yè)微電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖9 充電樁管理

5.7 需求響應(yīng)

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

圖10 企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)需求響應(yīng)示意圖

5 微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)硬件設(shè)備

安科瑞針對企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)除了軟件外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)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(hù)和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)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(wǎng)數(shù)字化提供一站式服務(wù)能力，部分設(shè)備見表1。

表1 企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)部分硬件設(shè)備

6 結(jié)束語

面向未來，AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化平臺將結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、服務(wù)“雙碳”目標(biāo)，積極利用安科瑞“云-邊-端”的產(chǎn)品體系和企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)積累幫助企業(yè)改造傳統(tǒng)電網(wǎng)，加速推動企業(yè)微電網(wǎng)向更加智慧、更加安全、更加友好的能源數(shù)字化升級，為促使區(qū)域虛擬電廠建設(shè)作出持續(xù)貢獻(xiàn)。同時安科瑞已經(jīng)建設(shè)的數(shù)以千計(jì)的企業(yè)微電網(wǎng)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(xì)流。