能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的智能電站建設(shè)研究

劉魯京,蘇 暉

(神華國華電力研究中心，北京，100025)

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的智能電站建設(shè)研究

劉魯京1,蘇 暉1

(神華國華電力研究中心，北京，100025)

智能電站是構(gòu)建“能源互聯(lián)網(wǎng)”體系的關(guān)鍵因素，其全面感知、價(jià)值挖掘、融合應(yīng)用、普適計(jì)算的特征可有效支撐能源互聯(lián)網(wǎng)橫向多源互補(bǔ)，縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)的發(fā)展思路，代表了“能源互聯(lián)網(wǎng)”時代背景下電源技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此，智能電站如何規(guī)劃、建設(shè)、發(fā)展，使之在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮應(yīng)有作用將是重要研究課題。本文從智能電站概念、關(guān)鍵技術(shù)等方面概述了能源互聯(lián)網(wǎng)時代下智能電站的特征，重點(diǎn)研究智能電站的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)對能源互聯(lián)網(wǎng)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出智能電站的發(fā)展趨勢。

智能電站;能源互聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù)分析

0 引言

當(dāng)前，世界能源消費(fèi)以化石能源為主，化石能源的日趨枯竭以及環(huán)境污染已經(jīng)成為威脅人類長久生存發(fā)展的兩大核心問題。為此，世界各國都在努力探索新的能源供給與消費(fèi)路徑，力圖推動一場以可再生能源和新能源發(fā)展為核心的能源產(chǎn)業(yè)革命，并逐漸形成發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的共識。在此大背景下，傳統(tǒng)的火力發(fā)電不僅承擔(dān)著前所未有的社會輿論壓力，更處于能源產(chǎn)業(yè)革命的風(fēng)口浪尖上，將逐步面臨如何持續(xù)生存的問題。

但新能源的革命與發(fā)展進(jìn)程將是一個漫長的過程，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源受能源品質(zhì)、能源技術(shù)、能源價(jià)格等因素的影響，無法立刻形成大規(guī)模發(fā)電。且我國經(jīng)過長期發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等一次能源的支柱地位短期內(nèi)無法改變，我國電力發(fā)展仍然需要以火力發(fā)電作為基礎(chǔ)電源，以提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的電能。

與此同時，隨著信息革命時代的到來，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的信息技術(shù)取得了長足的發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的提出也將促使傳統(tǒng)的火力發(fā)電以靈活、高效、可靠的方式開辟新的能源利用途徑。

本文將重點(diǎn)從互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的角度研究智能電站的主要技術(shù)特征，進(jìn)而著重探討智能電站的生產(chǎn)運(yùn)營對能源互聯(lián)網(wǎng)的影響以及與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，它在能源互聯(lián)網(wǎng)體系中的定位與主要職責(zé)。最后結(jié)合我國相關(guān)能源政策和技術(shù)的發(fā)展方向，探索一條智能電站的發(fā)展方向和發(fā)展路徑。

1 智能電站基本概念及特征

1.1 智能電站概念

我國發(fā)電行業(yè)經(jīng)歷數(shù)字化、信息化的發(fā)展階段，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)過程監(jiān)控與企業(yè)現(xiàn)代化管理。但在電站生產(chǎn)過程中，不同類型的數(shù)據(jù)之間有著明顯的界限，數(shù)據(jù)的綜合利用率低下，無法將不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用數(shù)據(jù)分析、整合挖掘潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而提供更準(zhǔn)確、靈活、可靠生產(chǎn)運(yùn)行方式。

隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，電站由數(shù)字化、信息化向智能化轉(zhuǎn)變的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生，在“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念提出后，建設(shè)智能電站的理念也逐漸清晰。

智能電站是建立在高速通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之上，以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、現(xiàn)場總線、云平臺、系統(tǒng)化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與物理電站高度融合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理、預(yù)防性檢修、智能化監(jiān)控，與能源互聯(lián)網(wǎng)高度互聯(lián)融合的新型電站。

智能電站在以下兩個方面有著顯著的創(chuàng)新：

1）理念上創(chuàng)新

提高效率、優(yōu)化資源配置、全要素?cái)?shù)據(jù)融合是智能電站的顯著特點(diǎn)，其本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息對稱、數(shù)據(jù)驅(qū)動。以信息網(wǎng)絡(luò)為紐帶，實(shí)現(xiàn)電站與能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)對接、能源資源快速調(diào)配將催化更廣泛的技術(shù)與商業(yè)模式創(chuàng)新。

2）以數(shù)據(jù)為中心

智能電站支持全數(shù)據(jù)類型，并實(shí)現(xiàn)全方位、全時段的數(shù)據(jù)覆蓋?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)+發(fā)電”將呈現(xiàn)平臺化、高集成、深關(guān)聯(lián)、綜合性的運(yùn)營業(yè)態(tài)。

1.2 智能電站主要特征

根據(jù)智能電站的概念，可提煉為以下四個主要特征：

1）靈活性、可靠性極高的自動化控制

智能電站將人工智能控制理論方法廣泛用于智能設(shè)備中，依靠智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)高靈活性、高可靠性的自動化控制，主動超前適應(yīng)電網(wǎng)對負(fù)荷的要求，主動調(diào)節(jié)機(jī)組至邊界條件附近運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2）新型信息—電力交互網(wǎng)

智能電站將不僅僅承擔(dān)發(fā)電和調(diào)峰的角色，而將以信息—電力一體化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)電站與電網(wǎng)的信息共享和數(shù)據(jù)流雙向交互。通過實(shí)現(xiàn)電站、電網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，奠定智能電站的基礎(chǔ)，達(dá)到全面感知，自動預(yù)判的效果。

3）平臺化、云服務(wù)的信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

利用電站一體化平臺，數(shù)據(jù)就源輸入，多次使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、展示一體化管理，推動電站各業(yè)務(wù)間數(shù)據(jù)有序流動。通過云服務(wù)的模式。

4）全面智能化的管控方式

利用大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能學(xué)習(xí)方法作為智能電站的技術(shù)支撐，對智能電站進(jìn)行全壽命周期管理，整個過程將實(shí)現(xiàn)“自我學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化”的生命化特征。

2 智能電站總體框架

人們已經(jīng)普遍認(rèn)為，未來的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是能量與信息雙層互聯(lián)、雙向流動的。信息網(wǎng)絡(luò)與能源物理過程的深度融合，使得信息與物理過程相互緊密作用甚至改變相互之間的進(jìn)程?；谝陨险J(rèn)識，數(shù)據(jù)作為連接信息網(wǎng)絡(luò)與物理過程的橋梁，將在智能電站中占據(jù)核心地位。以整合電站數(shù)據(jù)資源，對數(shù)據(jù)以云模式進(jìn)行存儲、建模和計(jì)算分析，是構(gòu)建智能電站整體框架的基本思路，可將智能電站總體框架分為三層：

1）智能化設(shè)備與自動化控制層

在現(xiàn)有的電站設(shè)備層中，基本實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)對單元內(nèi)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)置報(bào)警限值，以保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行為首要目標(biāo)，但利用數(shù)據(jù)感知設(shè)備狀態(tài)的能力卻非常有限，區(qū)域內(nèi)設(shè)備之間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系也難以追蹤，這種形式通常以加強(qiáng)應(yīng)急措施為主要解決方案，缺乏主動預(yù)測、分析的能力。

智能化設(shè)備與自動化控制層通過建立統(tǒng)一的編碼體系，采用現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）、實(shí)時在線測量技術(shù)，采集、集成相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，并利用人工智能算法，構(gòu)建全面感知智能化自動控制體系。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組優(yōu)化控制，提高機(jī)組效率和安全性。

2）數(shù)據(jù)整合與業(yè)務(wù)智能層

數(shù)據(jù)整合與業(yè)務(wù)智能層基于廠級監(jiān)控系統(tǒng)之上，結(jié)合管理層信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)一的云平臺串聯(lián)起從基建工程到生產(chǎn)運(yùn)營的數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)獲取潛在的、新穎的、有效的數(shù)據(jù)模型，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)、共性和差異性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營、營銷、庫存、財(cái)務(wù)、供應(yīng)商的各種指標(biāo)的結(jié)構(gòu)、趨勢、相關(guān)性分析。該層是下層控制層與上層決策層的橋梁，對控制層生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)挖掘與智能分析統(tǒng)計(jì)，將有效數(shù)據(jù)提供給決策分析層，同時將決策層所下達(dá)的控制信息，反饋到控制層。

3）數(shù)據(jù)建模與決策分析層

該層在智能電站中具有兩個重要意義：首先是利用數(shù)據(jù)建模，剖析內(nèi)部任意層面數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，滿足集團(tuán)與電網(wǎng)的管理要求、調(diào)度要求，確保電站的運(yùn)營安全穩(wěn)定、利益最大化，提升電站的核心競爭力。其次是與能源互聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)、能源網(wǎng)絡(luò)高度融合，通過數(shù)據(jù)交互，發(fā)現(xiàn)在電力市場競爭中的發(fā)展規(guī)律與趨勢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時成本核算、主動超前感知能源互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度要求。

圖1 智能電站總體框架

3 智能電站與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

傳統(tǒng)的電力交互出發(fā)點(diǎn)是滿足社會各類生產(chǎn)生活的需求，電網(wǎng)中負(fù)荷具有高度的靈活自由的波動變化，而為了保持電能的供需動態(tài)平衡，追隨負(fù)荷的波動變化，往往在發(fā)電端實(shí)行嚴(yán)格管理，不能隨意實(shí)現(xiàn)靈活快速的電源資源配置。這一方面是由于電能供需平衡的固有屬性造成的，另一方面也源于信息交互不夠發(fā)達(dá)，從而無法做到迅速調(diào)配發(fā)電端資源。

因此，在能源互聯(lián)網(wǎng)中需要解決發(fā)電端資源配置的問題就具有了很大意義，大力發(fā)展智能電站，通過建立智能電站與電網(wǎng)信息交互、數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)平臺，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提高對負(fù)荷波動變化的應(yīng)對能力，細(xì)化負(fù)荷波動變化的預(yù)測計(jì)劃，由電網(wǎng)統(tǒng)籌決策，智能電站協(xié)同調(diào)配，從而實(shí)現(xiàn)智能電站“即插即發(fā)”的高效供電方式。

智能電站作為能源互聯(lián)網(wǎng)體系中電源側(cè)的發(fā)展趨勢，與能源互聯(lián)網(wǎng)有著以下三方面關(guān)系：

1）大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算為代表的新型技術(shù)為解決信息采集、分析諸多不足提供了技術(shù)支撐。智能電站在以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的理念下，可將信息采集和感知的范圍從僅關(guān)注電站內(nèi)設(shè)備層、監(jiān)控層、管理層擴(kuò)展到能源互聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)普遍的交互，從而可以建立電能供給決策模型，為對內(nèi)對外協(xié)調(diào)聯(lián)動提供完整的分析決策平臺。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)，對大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與深度挖掘，為發(fā)電、交易、服務(wù)提供不斷創(chuàng)新的優(yōu)化平臺，解決了應(yīng)用計(jì)算能力與速度不足的問題。

2）智能電站以信息的感知為前提，以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，在構(gòu)建智能電站時應(yīng)圍繞信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，強(qiáng)調(diào)與能源互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通，突出應(yīng)對負(fù)荷波動響應(yīng)能力，從而可有效解決傳統(tǒng)被動接收電網(wǎng)信息的單向信息傳遞模式。

3）在能源互聯(lián)網(wǎng)體系的構(gòu)建中，普遍存在著把不同的能源所產(chǎn)生的電能離散化，如將各種能源根據(jù)其特點(diǎn)供應(yīng)給不同特性的負(fù)荷，通過信息技術(shù)將電能源與負(fù)荷進(jìn)行整合。然而新能源其固有的不確定性和波動性，對電網(wǎng)安全產(chǎn)生了很大的挑戰(zhàn)，能源互聯(lián)網(wǎng)電源部署雖然是多元化的，但仍需以火力發(fā)電作為基礎(chǔ)性和調(diào)節(jié)性電源。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電站的信息交互能力的提升和交易機(jī)制的完善，可將傳統(tǒng)以發(fā)電計(jì)劃+備用容量方式向發(fā)電計(jì)劃與用電計(jì)劃疊加、負(fù)荷預(yù)測與發(fā)電預(yù)測疊加的方式轉(zhuǎn)變，其靈活、快速的生產(chǎn)、消費(fèi)一體化方式，仍需要智能電站的有力支撐。

4 智能電站發(fā)展展望

近年來，我國能源領(lǐng)域?qū)τ诎l(fā)展智能電站的重視程度和支持力度不斷提升。在“十三五規(guī)劃”中提出“能源發(fā)展八大重點(diǎn)工程”就包括建設(shè)高效智能電力系統(tǒng)和煤炭清潔高效利用這兩項(xiàng)與智能電站建設(shè)相關(guān)的內(nèi)容，鼓勵在管控方法上按照互聯(lián)網(wǎng)理念、運(yùn)用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)的智能化，這些政策大大加快了智能電站的發(fā)展。

具體而言，智能電站將在能源互聯(lián)網(wǎng)體系、技術(shù)屬性和電力市場中呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

1）在能源互聯(lián)網(wǎng)體系中，電源側(cè)將逐漸呈現(xiàn)由智能電站（火力發(fā)電）為主體，多種能源共同存在的，集中式與分布式協(xié)調(diào)發(fā)展、相輔相成的結(jié)構(gòu)。智能電站作為基礎(chǔ)電源和調(diào)節(jié)性電源，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供可靠的、安全的、高品質(zhì)的電能。

2）技術(shù)屬性方面，先進(jìn)的信息技術(shù)與智能化管控手段將在智能電站中不斷的深化發(fā)展，這體現(xiàn)在兩個方面：一方面是以智能設(shè)備為前提的智能化控制，有效整合生產(chǎn)運(yùn)營的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、靈活的發(fā)電；另一方面是全面感知能源互聯(lián)網(wǎng)需求，主動預(yù)測負(fù)荷波動，實(shí)現(xiàn)電能的信息化管理，網(wǎng)絡(luò)化輸送。

3）新一輪的電改政策出臺，將對電力市場、能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電站都產(chǎn)生很大的影響。在新的電力市場環(huán)境下，智能電站的發(fā)展還需具有充分了解、把握市場的能力：a）利用智能設(shè)備、先進(jìn)信息技術(shù)，主動調(diào)節(jié)適應(yīng)電網(wǎng)電量的發(fā)電邊界條件，實(shí)現(xiàn)降耗增效，調(diào)高發(fā)電品質(zhì)與競爭力。b）主動感知電力市場的需求，通過與能源互聯(lián)、售電公司網(wǎng)互聯(lián)互通，通過大數(shù)據(jù)分析，建立售電模型分析，實(shí)現(xiàn)對于不同用戶的最有資源配置方案。

5 結(jié)語

本文針對智能電站的概念，將智能電站歸結(jié)為以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)的，結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)和工控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能電站精細(xì)化管理、預(yù)防性檢修、智能化監(jiān)控，與能源互聯(lián)網(wǎng)高度互聯(lián)融合的新型電站。提出了智能電站的主要特征及總體架構(gòu)，得出了智能電站是未來能源互聯(lián)網(wǎng)電源技術(shù)側(cè)的代表的結(jié)論。在今后的工作中，將進(jìn)一步從信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)集成、交互與建模等方面進(jìn)行深入研究。尤其基于是信息與能源交互、電站與能源互聯(lián)網(wǎng)交互，開展能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的新一代電能響應(yīng)技術(shù)研究。

[1] 馬釗,周孝信,尚宇煒,等.能源互聯(lián)網(wǎng)概念、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展模式探索[J].電網(wǎng)技術(shù), 2015(11):3014-3022.

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Research on the construction of intelligent power station in the context of energy Internet

Liu Lujing1,Su Hui1
(Guohua Electric Power Research Center,Beijing,100025)

Smart power plant is the key factor of building energy Internet system,it comprehensive perception,value mining,intergration of application,the characteristics of pervasive computing can effectively support the energy internet ,the development of vertical and horizontal coordination,represents the inevitable trend of power technology development in the background of energy Internet.Therefore,how to plan,build,develop and make it become an important research topic in the energy Internet.This paper summarizes the characteristics of smart power plant in the era of energy Internet from the concept of smart power plant,the key technology and so on,focus on the construction of smart power plant and the impact of key technologies on the energy Internet,and on the basis of this,the development trend of smart power plant is proposed.

Smart power plant, Energy Internet, Big Data Analysis

劉魯京 (1988-)，男，碩士，2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，工程師，神華國華（北京）電力研究院有限公司，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電企業(yè)信息化。

蘇暉 (1984-)，男 2005年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，高級工程師，2012年獲華北電力大學(xué)動力工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)工作于神華國華電力研究中心，從事熱工及信息專業(yè)工作。