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電子論文

數據驅動技術在虛擬電廠中的應用綜述

時間:2020年04月03日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:虛擬電廠(Virtualpowerplant,VPP)作為電力市場下促進可再生能源消納、應對能源分布不均的重要運營模式,近年來得到迅速發展。同時,國家電網逐漸普及配網量測裝置,并推進通訊網絡建設,其與VPP的聚合及通訊內核緊密融合,為VPP帶來了新特點、新模式

  摘要:虛擬電廠(Virtualpowerplant,VPP)作為電力市場下促進可再生能源消納、應對能源分布不均的重要運營模式,近年來得到迅速發展。同時,國家電網逐漸普及配網量測裝置,并推進通訊網絡建設,其與VPP的聚合及通訊內核緊密融合,為VPP帶來了新特點、新模式、新方法。鑒于此,探討VPP的內涵、特性、功能及工程示范;深入分析大數據背景下VPP呈現出的新特點、新型參與主體及發展關鍵技術;基于海量廣域實時數據,進一步研究數據驅動方法在VPP參與主體及外部環境預測、優化調控策略及電力市場分析三個角度的應用現狀。

  關鍵詞:虛擬電廠;數據驅動;大數據;分布式電源

虛擬電廠

  0引言

  分布式能源(distributedenergyresources,DER)因其經濟、可靠、靈活、環保的特點,以及易于實現可再生能源充分利用及就地消納的優勢,近年來在配用電側蓬勃發展,逐步取代了原有大規模電力生產及遠距離傳輸結合的能源應用模式。然而盡管其優勢明顯,DER在并網時依然存在單一機組容量小、地理位置相對分散、出力間歇性強等問題,使得電網調度中心難以針對DER實現合理調控。目前,我國通常采用構建微電網的方式,實現多類DER的出力互補,協調同一區域DER與負荷間的供需平衡,降低DER并網的不確定性。然而微電網受地理區域范圍的限制,組成主體約束性強,難以實現電力市場驅動下的廣域DER調控[1]。隨著通信技術的進步,發電、需求響應及儲能設備遠程聚合管理、自動優化調度使得虛擬電廠逐漸發展,并有望成為未來電網的重要組成單元。

  隨著虛擬電廠構成主體的逐漸規模化與多元化,其運行方式更為靈活,增大了主體認知及調度管理的難度。一方面,虛擬電廠中的構成主體本身具有較強的不確定性,難以實現精準的物理模型構建,另一方面,用戶的不確定行為、多種終端間的耦合極大地增加了虛擬電廠進行能量管理、參與市場交易的難度,為制定合理的策略帶來挑戰。因此,采用數據驅動的方法,從而實現構成主體的精準感知與合理調度、交易策略的制定具有重要意義。隨著配網量測裝置的普及和通信網絡的發展,可獲取海量廣域量測數據,并實現信息精準快速傳輸,這與VPP聚合及通訊的核心緊密結合,使得VPP可獲取的數據逐漸廣域化、實時化。基于海量實時數據,數據驅動方法可充分應用于VPP中內部參與主體及外部環境的精準感知,并制定電力市場利益驅動下的自學習智能調度與控制,促使電網向數字化、智能化、服務化運營模式轉型。

  國網冀北電力有限公司打造的冀北全域VPP示范工程則是大數據背景下VPP實現應用落地的典范。示范工程依托于VPP智能管控平臺,結合智能配網多能流網絡,集能源流、業務流、信息流為一體,充分挖掘海量數據中蘊含的信息,實現內部、外部的多方面應用服務,對我國虛擬電廠的建設及數據驅動技術在VPP應用落地中的應用具有重要意義。據現有研究所知,以往綜述鮮有從數字驅動技術在VPP中應用現狀的角度切入研究,因而本文聚焦大數據背景下的虛擬電廠,基于電網獲取的海量數據,研究數據驅動技術在VPP中的應用情況。具體而言,首先探究VPP的內涵、特性、功能及工程示范;隨后,分析大數據背景下VPP呈現出的三個特點,可構成VPP的新型主體,以及VPP發展的關鍵技術;最后,從參與主體及外部環境預測、優化調控策略及電力市場分析方法三個角度,探究了數據驅動技術在VPP中的應用情況。

  1VPP概述

  1.1VPP的概念

  綜合來看,VPP是一個聚合了多種DER及柔性負荷的虛擬實體,依托于控制中心、電力交易中心等平臺,并基于信息數據通訊技術,采用適當的管理策略,在保證系統安全、穩定運行的前提下參與電力系統運行,實現一定區域內地理位置相對分散的參與主體的協調控制,以達到提高可再生能源經濟利益、降低發電成本、減少溫室氣體排放、優化資源利用等目標。VPP整體呈現出資產虛擬性、資源多樣性及運行靈活性。資產虛擬性強調與傳統發電廠的不同,VPP內的DER在地理位置上相對分散,在聚合時不改變DER的并網方式;DER資產不一定歸VPP運營商所有,二者之間的關系主要為能量流調度、信息流通訊及資金流分配。資源多樣性體現為VPP中聚合DER的類型、供應商、物理特性、調控方式以及收益目標存在明顯差異。

  運行靈活性表現為VPP基于DER間的互補特性,通過合理的協調優化調控,不僅可以呈現穩定可靠的發電廠外特性,還可以實現整體出力的靈活調節,對電網呈現出虛擬發電特性。VPP的實現依托于參與主體及信息技術的聚合,其中參與主體包括多種類型的發電機組、儲能裝置、可控負荷及電動汽車等,信息技術主要包括信息采集技術及通訊技術。

  1.2VPP實現的功能

  根據VPP功能的不同,可將VPP劃分為兩個類別:商業型虛擬電廠(CommercialVPP,CVPP)和技術型虛擬電廠(TechnicalVPP,TVPP)[2]。CVPP聚焦商業收益角度,主要目的在于實現內部DER資源的投資組合,使其參與到能量批發市場、輔助服務市場中,獲取最優投資組合收益。CVPP通過獲取分布式能源的運行參數、邊際成本、量測及預測結果,結合電價預測結果等市場信息,實現內部聚合分布式能源的投資組合,并參與市場競標,獲取授權后制定合同提供系統平衡、輔助服務等市場服務,并向TVPP提供DER的調度計劃及成本信息。

  CVPP提供的服務主要包括:現貨市場競價、可再生能源出力預測、負荷預測、日內優化調度等。TVPP側重系統管理角度,主要目的在于為DSO提供管理服務。TVPP結合從CVPP中獲取的信息,計算內部資源聚合整體的技術特性,并且關注DER聚合后對本地網絡的影響,為DSO提供可視化的信息,以獲取滿足配網安全穩定運行條件的調控指令,再通過制定內部合理的調控方案,實現所聚合的配電網資源的主動管理。TVPP提供的服務主要包括:狀態監測、DER信息可視化、故障定位等。CVPP和TVPP在參與電力系統運行時通常相互配合,共同發揮作用。

  CVPP在參與電力市場競價時常與傳統發電廠相互配合,共同制定最優發電計劃。此外,CVPP為TVPP提供資源信息、日內優化調度計劃等信息,TVPP則對數據進行分析,實現資源管理,為電力系統平衡市場提供服務。隨著虛擬電廠的發展,CVPP和TVPP相互支撐、逐步融合成為兩種功能共存的VPP。通過CVPP的經濟基礎和TVPP的技術支撐,有助于VPP的進一步推廣應用。

  1.3VPP的工程示范

  基于VPP的理論研究成果,國內外相繼開展了一系列VPP的工程應用示范項目。歐洲各國自2001年起開始開展VPP項目,主要關注DER的可靠并網,并打造電力市場中穩定的商業模式。北美VPP相關工程示范開展相對較晚,側重于推進用戶側可控負荷的需求響應[3]。我國目前的VPP工程示范項目建設正處于快速發展階段,重點關注大規模DER的接入及其利用率問題。隨著清潔能源的不斷發展以及國家對新興技術的大力推動,VPP作為全球能源互聯網中的重要聚合形式,將逐漸實現工程應用普及。

  2大數據背景下的VPP

  2.1大數據背景下VPP呈現的特點

  2.1.1信息廣域化與實時化

  為保障電力系統安全穩定運行,現有電網中輸電網的信息采集系統已較為成熟,通過數據采集和監視控制系統(supervisorycontrolanddataacquisition,SCADA)、同步相量測量裝置(phasormeasurementunit,PMU)及光纖連接通訊,可實現輸電網的狀態監測及信息互聯[8]。然而配網中僅實現了電氣物理連接,現有信息采集及互聯裝置和系統并不完善,存在基礎數據難以下沉的問題,使得VPP難以實現對參與主體全面實時感知。

  2.1.2計算本地化與智能化

  VPP根據運行控制結構的不同,可以分為集中式、層級式和分布式三個類別[9]。其中集中式控制方式下,需完全掌握轄域主體的全部運行信息,并在VPP集中控制中心進行統一計算。層級式控制方式,通過設置代理分散管控所屬區域內的DER,并將信息反饋給VPP控制決策中心,實現全局集中控制。這兩種模式可通過利用快速高效通訊的網絡,將量測裝置獲取的海量數據無損上傳到云端,通過云計算結合人工智能技術實現高效決策管理,并實現決策結果的準確、高速傳遞反饋。隨著成員個體對信息隱私要求的提高,VPP的分散控制模式逐漸發展。

  分布式控制方式的VPP通過劃分區域,設置區域智能數據中心,取代前兩種模式中的全局控制中心。并通過數據中心的信息交互,實現各區域的運行優化決策。則可構建邊緣數據中心,通過利用邊緣側獲取的海量量測數據進行本地化協調計算,在保護用戶隱私及信息安全的前提下,實現高效計算。

  2.1.3模式靈活化

  通過獲取大量數據,可充分實現參與主體的靈活性挖掘,進而進行合理調控及商業模式選擇。海量信息為實時電價提供可行性。實時電價(real-timepricing,RTP)要求能源供應商與電力用戶之間保持實時無中斷的通信,且該方法的有效性還與能源供應商及EMC間的數據傳輸質量相關[10]。目前常采用其替代方法,一種方法是采用近似實時電價,即提前一天宣布第二天的實時預測價格,并據此向電力用戶收取費用[11];而通過增設大量的傳感器及計量設備,可為工業用戶及商業用戶需求響應時的實時電價的制定提供硬件基礎,將有助于促使固定零售電價模式向動態電價模式轉變。

  2.2大數據背景下VPP的新主體

  隨著大數據技術、云計算技術的不斷發展,對各行業對計算能力的需求大幅增加,促使數據中心在世界范圍內的急劇增長。數據中心的供電系統中包含多種能源,如發電機、儲能以及太陽能、風能等可再生能源。一方面,可通過合理調控可再生能源為數據中心供電,可以降低運營成本,減少碳排放,另一方面,儲能和發電機的靈活調度可以確保為數據中心臨界負載情況提供可靠的電力供應。因此,數據中心可以作為VPP參與到電力市場中,以有效降低運行成本[12]。數據中心作為VPP的典型特征為:①供電資源的冗余性數據中心的供電系統中集成了大量供電資源,例如發電機、電池組等,且為降低運營成本及溫室氣體的排放量,數據中心逐步增大光伏、風機等可再生能源的供電比重。

  此外,數據中心為保證可以提供安全可靠的服務,要求保證本身高可靠的電源供應,因而數據中心的供電系統以滿足峰值負載為要求配置資源容量,且配備有大規模備用存儲系統,因而在平均負載情況下,存在大量冗余能源,能源使用率非常低。因而可將冗余資源進行合理調度,為數據中心VPP參與能源市場提供條件。②負載調節的靈活性數據中心的耗電量主要取決于其處理的數據量,且多個數據中心間可實現數據的快速傳輸,因而可將其耗電量等價為可靈活調節的負載。數據中心可根據需求響應策略,實現數據中心信息處理任務的快速轉移,在5分鐘內減少耗電量的10%[13]。因而可以通過使用有效的能源管理方案,合理調度內部供電系統發電資源,并對數據中心本身耗電的等價負載進行需求側管理,將數據中心中的供電資源及等價負載聚集為一個整體,作為VPP單元參與到電力市場交易中[14]。

  2.3大數據背景下VPP發展關鍵技術

  VPP的運營過程涉及到參與主體感知、信息傳輸、優化決策以及市場交易等階段,該過程中的能量流及信息流,并標注了四項關鍵技術的應用環節。通過采用以下幾項新興關鍵技術,可實現大數據背景下VPP運營能力的大幅提升。

  3數據驅動方法在VPP中的應用

  底層量測裝置的普及和通信網絡的完善可提供VPP中的海量數據,促使了數據驅動方法在VPP中的應用。數據驅動技術在VPP中的應用主要分為參與主體行為與外部環境感知、優化調控策略和為參與電力市場提供決策支持三個方面。

  4結論

  隨著電網終端采集裝備的普及,電網可獲取的數據信息呈爆炸式增長,結合邊緣計算、5G通信技術、區塊鏈技術和人工智能技術等前沿技術,將給電力系統帶來重大變革,加速電網數字化、信息化、智能化進程。本文剖析了VPP的概念、內涵、特性與工程示范,并根據功能的區別,闡述了CVPP和TVPP的目的、功能及相互間的聯系。此外,分析了大數據背景下VPP呈現出的三種新特性及一種新主體,并介紹了VPP發展的關鍵技術。最后,針對參與主體(資源)與外部環境識別、優化調度、電力市場分析三個方面總結了數據驅動方法在VPP中的應用情況。

  參考文獻

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  電子方向論文范文:電廠汽輪發電機機組的安裝施工技術分析

  摘要:電力是我國經濟社會發展中應用最為普遍的能源,電力的生產和供應直接關系到社會發展和人們的正常生活。目前我國的電力行業中,電力的生產主要以發電廠的運行為主,發電廠在發電的過程中,汽輪發電機機組是最為核心的設備,汽輪發電機機組的運行質量會直接關系到電力的生產質量以及供應需求,所以在當前我國電力事業發展的過程中,對于電廠汽輪發電機機組的重視程度也在不斷提高,尤其重視其安裝施工工作。所以本文就對電廠的汽輪發電機機組安裝施工工藝進行分析,提高汽輪發電機組的運行水平,促進我國電力事業的發展。

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