从变电站到能源综合服务站演化路径探讨.docx
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从变电站到能源综合服务站演化路径探讨
摘要
能源互联网建设的推进对多异质能源调度和多源信息处理提出了更高要求。
能够实现区域能源一体化监控、优化控制和统一服务的能源综合服务站成为新一代能源互联网管控枢纽。
针对传统变电站到能源综合服务站的演化路径,首先从建设规划和站址改造角度提出了实体站与虚拟站2种能源综合服务站的建设路径,并分析了其适用场景;然后,基于工业区、数据中心和商业园区3种典型用能场景,深入分析了能源综合服务站在能源互联网建设中的关键作用,并进一步讨论了能源综合服务站建设过程中所需解决的关键技术问题及可行方案;最后,对能源综合服务站的未来研究方向进行了展望。
0引言
自中国明确提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和以来,“双碳”目标一直是全社会热议的话题。
随着国家能源革命战略的不断推进,建设以电网为骨干网架的能源互联网成为能源系统融合发展的重要方向[1]。
如何推动电网向能源互联网转变是能源互联网建设中的一大难题。
变电站作为传统电网的电能枢纽,承担着区域电力配电、电压等级变换、电流汇集和电压调整等重要作用。
而能源综合服务站作为能源互联网的核心,既是数据的集成中心,也是能源的调控中心,除了变电功能外,还实现了信息集成共享、能源协同调配等功能。
在信息物理系统(cyber-physicalsystem,CPS)的框架下,变电站将向集能源转换设备、数据中心、无线基站等功能单位于一体的能源综合服务站转变,强化了信息系统与物理系统的融合,不仅使传统变电站由电网节点向区域能源互联网枢纽节点演变,为区域能源互联网建设提供核心支撑,更是通过以能源综合服务站为枢纽的电网CPS建设,充分发挥能源综合服务站的枢纽、平台、共享作用[2-3]。
多站融合的实现,能够增强各能量系统之间的协调潜力,是规划能源综合服务站、最终实现协调运行控制的基础。
文献[4]梳理了多站融合的研究现状,提出了全直流母线综合站建设架构。
文献[5]通过优化多站融合供电系统中的储能电站容量来实现供电区域自治。
当前已有大量对多站融合的工程探索,例如无锡祝塘能源综合服务站和国网合肥始信路“七站融合”示范站[6]。
然而这些建设模式并未产生统一的标准,并未对其融合的潜力和业务的构造改变进行深刻探讨,仍处于摸索阶段,未上升到理论高度。
能源综合服务站的整体架构同时依赖CPS与多能系统领域的发展。
信息物理的融合需要考虑融合架构设计[7],可靠性评估及风险分析[8],系统异构及交互特性[9],多种通信网络融合[10]等问题。
许多研究从宏观角度构想了CPS的整体框架和基本内涵,尽管侧重点不同,但均认为CPS的主要目标是通过对信息以及信息系统的充分开发应用,使物理系统运行效果和性能得到优化[11-12]。
以能源综合服务站为枢纽的CPS目的在于实现多种能源互联互通,高效协调运行。
然而现阶段,CPS仍主要以电网为研究对象,较少考虑气、热等其他物理系统的特性。
多能源系统由社会供能网络、能源交换环节和广泛分布的终端能源单元系统构成,包括电力、燃气、冷/热等多种能源环节与交通、信息等社会基础有机结合。
与传统单一供能方式相比,多能系统可以实现能源高效利用[13]、促进新能源消纳[14]、满足多种能源梯级利用[15]、社会供能安全可靠[16]等目的。
多能系统的研究主要着眼于能源流的运行,较少涉及数据流的共享和业务流的协同。
因而,在现有研究中,这2个系统在规划、运行及控制上未能做到协同统一。
基于以上问题,本文首先介绍了能源综合服务实体站和虚拟站规划建设的特点,并提出了一个虚拟站能量流-信息流-业务流多层次协调运行架构。
其次从工业园区、数据中心、商业园区这3个典型场景分析了能源综合服务站建设的优势。
接着从配置融合、信息通信和业务融合三方面论述了能源站建设的关键技术。
最后展望了能源综合服务站发展建设需要探索的方向。
1能源综合服务站架构
不同文献对能源综合服务站内涵描述如表1所示。
传统能源站以多能管网为核心,通常侧重实现多类型能源的基础供应。
而能源综合服务站立足于能源的综合服务,起源于“多站融合”概念,所以在包含多能管控的基础上,更加强调的是提供站址资源、通信资源、能源资源的综合服务[17]。
表1能源综合服务站内涵描述
Table1Connotationdescriptionofintegratedenergyservicestation
能源综合服务站实现了能量流、信息流、业务流的耦合,按重新规划场景或是基于现有站址改造分为实体站与虚拟站2种。
能源综合服务实体站是将各能源生产设备、转换装置、储能装置、信息控制中心都囊括在内的新建一体站,是“从无到有”的初始规划。
能源综合服务虚拟站是在传统变电站的基础上,将变电站改造成一个下层控制中心,通过CPS上层指令来调度变电站周边各种分散站址资源,类似于一个半同构的信息物理融合模型。
1.1能源综合服务实体站
能源综合服务站的规划配置决定了能源综合业务的效率与品质[19]。
当前有关实体站的文献大多都在探讨其选址定位[24-26]、设备选型[25,27-28]、容量配置[25-29]、站网协同规划[24,26]等问题,以建成一个实体新站为目标。
较多文献都采用上下两层规划,大致规划流程如图1所示。
文献[26]选择双层规划,上层采用改进遗传算法确定分布式能源的安装位置、容量及布置线路,下层采用自适应粒子群算法求出微型燃气轮机和储能的调度值。
文献[30]采用双层规划对实体站进行站网协同优化,并且考虑天热气管道的危险性而增设了街道约束条件。
文献[27]从用户能源需求出发,构成涵盖所有可行的转换和存储设备的实体站架构。
文献[28]构想了一种基于配电网、天然气网和交通网的实体站,可满足电、气、冷、热、交通多种负荷的需求。
文献[31]通过冷热负荷等效能距来优化实体站的选址,减少了管道铺设的成本。
但是这些文献在规划实体站时都没有将数据中心纳入考虑范围。
数据中心可以通过数据负荷转移实现电网各节点电负荷量的快速传递[32],利用其这个功能特性在下层规划时优化实体站各设备和网络的调度值。
因此在之后的能源综合服务站规划中,数据中心的位置与计算处理容量也将是重要的利用条件。
图1实体站双层优化设计方法
Fig.1Doublelayeroptimizationdesignmethodforentitystation
1.2能源综合服务虚拟站
能源系统正面临集中开发向分布式利用转型[33],在传统电力系统中,为了方便统一调度可再生能源,可通过建设虚拟电厂对相关控制资源进行虚拟化。
文献[34]将虚拟电厂定义为一种可集中控制分布式能源的信息通信系统。
虚拟电厂在集中控制结构下,其全部决策由控制协调中心制定[35]。
在能源互联网的建设背景下,各分布式模块不只停留在对电能的利用,多种能源的出现使得控制难度进一步加大。
在交易市场中,除了电力市场,还出现了热能、天然气等市场。
为了实现传统电网向能源互联网的升级,虚拟电厂也需要朝着能源综合服务虚拟站的方向转变[36]。
与虚拟电厂相比,虚拟站基于对综合能源信息物理资源的抽象与整合,即多能分布式能源站,可实现客观的统一资源调度。
多种能源形式的分布式单元通过信息系统集合起来,灵活参与各种能源市场的交易。
虚拟站中的每一部分均可通过信息控制中心相互联系,控制中心多采用能量管理系统(energymanagementsystem,EMS)。
文献[37]构建了由本地层、能源中心层、网络层和系统层共同组成的分层分布式多代理结构模型,能源虚拟站可以通过EMS远程调度多能设备,也可通过变电站内分布式数据中心实现本地调度。
文献[38]设想变电站同时作为数据的集成中心和能源的调控中心,实现传统电网向能源互联网的转变。
图2为虚拟站能量流-信息流-业务流多层次协调运行架构,利用变电站有限的空间场地与充沛电力资源在变电站内部建设分布式数据中心,可以在存储数据的同时实现数据本地化处理,选择性地将特征结果上传数据云,减少数据云存储和通信传输的压力[39]。
通过CPS来调度周边的冷热电联产(combinedcoolingheatingandpower,CCHP)燃气站与光储充电站,为供能范围内的不同用户按照各自用能需求提供电、气、热、冷多种供能服务。
同时设置综合能源服务商代理与用户用能监测代理,分别管理区域内的能源虚拟站与用户的用能情况,制定合理的运行方案,从而降低传统集中式控制的巨大代价[40]。
图2虚拟站能量流-信息流-业务流多层次协调运行架构
Fig.2Multi-levelcoordinatedoperationarchitectureofvirtualstation
1.3实体站与虚拟站适用场景比较
实体站与虚拟站的特征对比如表2所示。
表2实体站与虚拟站的特征比较
Table2Characteristiccomparisonbetweenentitystationandvirtualstation
实体站建设初期需要确定一个具体的架构方案,通过改变既定设备的容量来改造升级[27]。
供能方案若发生变化,实体站的改造升级较为困难。
虚拟站是通过CPS聚合的虚拟能源设备组合体,可针对不同用户群自由选择所需的能源模块[41],更适宜升级改造。
当一个地区有着多个同类型能源企业时,就会出现一定程度的电源规模过剩[42],可以利用变电站在电网中的核心位置,调度周围资源构建一个虚拟站,避免能源浪费和巨大的建设投资。
分布式能源往往靠近负荷侧,虚拟站调度周边模块就会更加便利。
实体站规划建设问题主要为选址与定容,需要考虑地价、管道线路的布置,同时牵涉多能系统的规划。
新建实体站的各设备管网可采用同种类型的通信协议,协同联络更为便捷,从而满足信息物理深度耦合的发展趋势。
虚拟站规划建设不需要重新布置线路,主要考虑通信网络的可靠性,搭建出一个云管控平台。
虚拟站利用已有变电站和分布式数据中心结合改造。
虚拟站不需要对全局进行信息监控,但各个分散的模块采用不同类型的通信网络,统一调度难度较大,可能出现通信干扰等问题。
实体站内部设备主要实现多能的转换与存储,它们之间空间距离较短,可采用能源集线器模型来表示能源输入输出情况[43]。
虚拟站更多的是各种能源网络之间的耦合,是多能流网络的建模。
文献[44]建立了区域热电系统的面向对象模型,提出了元件层面的信息物理融合形态,以分散决策的形式实现多能流的优化。
但电流、热流、气流在传输过程中物理机制差异明显,热、气网络的一些方程在电网模型中找不到相似表述[45],以变电站为核心的能源综合服务站精细化建模仍是不小的难题。
2能源综合服务站优势分析
目前,能源综合服务站没有形成完整的科学方法论和成套模型,难以在具体实践中进行有效的指导。
在理论研究层面,对于能源综合服务站规划建设的研究不够深入,较少有文章专门探讨建设的优势。
下面将从工业园区、数据中心、商业园区用户3个典型场景分析能源综合服务站建设的优势。
2.1工业园区
工业园区是以工业负荷为主的复杂能源系统,厂房将电力、天然气和热能供应服务于各类型负荷,能量转换过程大多涉及热的梯级利用[46]。
工业用户热电比高、热电波动小,用电电价高,对能源成本较为敏感[47]。
园区中有色化工、冶炼等高耗能行业的总成本大部分为用能成本[48],工厂用能优化升级、节能减排的需求强烈。
同时,由于变电站容量有限,工业生产所需的电能在某些时段受到较大限制,因而可通过其他能源供应方式减小对生产造成的影响[49]。
根据上述工业园区的用能特点、负荷特性和存在问题可知,建设能源综合服务站优势突出,可利用不同设备的多能转化和协同配合来提高系统能效,降低工业区中各用户的运行费用。
考虑工业园区的用能规律后,建设工业园区场景下能源综合服务站的主要设备可选定为燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、地源热泵机组、光伏机组、储能电池、吸收式制冷机、冰蓄冷装置等[46,50-52]
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