能源大腦微網(wǎng)構(gòu)建海上“能源長城”

中國電力設(shè)備管理協(xié)會能源大腦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心

李杰浩 何清素 辛明 劉杰 張彬 陸成學(xué) 亢淑娟 王東剛

我國擁有海洋國土面積299.7萬平方公里，島嶼面積72800多平方公里，島嶼岸線長14217.8公里，500平方米以上的島嶼6536個，有人居住的島嶼450個。我國島嶼小島多、大島少，無人島多、有人島少，缺水島多、有水島少。

為加快海洋開發(fā)，促進(jìn)海島可持續(xù)發(fā)展，提高海島居民的生活水平，通過分布式能源開發(fā)，因地制宜建設(shè)“風(fēng)、光、柴、儲”海島能源大腦微網(wǎng)，為海島發(fā)展供給清潔能源。

能源大腦微網(wǎng)是將可再生能源發(fā)電技術(shù)(風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能、潮汐能等)、人工智能微網(wǎng)系統(tǒng)和輸配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成的新型能源系統(tǒng)，它具有提高能源效率、提升供電安全性和可靠性、減少電網(wǎng)電能損耗、減輕對環(huán)境影響的多重作用（見圖1）。

圖1 能源大腦微網(wǎng)構(gòu)成架構(gòu)圖

強化科研技術(shù)，深入開發(fā)建設(shè)能源大腦微網(wǎng)有利于擴大分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，為海島提供可靠的能源供給，實現(xiàn)有效的主動式配電網(wǎng)方式，促進(jìn)智能微網(wǎng)變革。

一、能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺助推海上微網(wǎng)建設(shè)

依托微網(wǎng)建立的能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺——能源大腦是海上微網(wǎng)的基礎(chǔ)，結(jié)合國家相關(guān)機構(gòu)發(fā)布《中國制造2015——能源裝備實施方案》、《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃（2015-2020年）》、《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)政策，我們通常把建在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)稱為2.0時代；隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于能源大腦多能互補微網(wǎng)3.0時代大幕已經(jīng)開啟。

AI時代已經(jīng)到來，能源大腦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將探討引入人臉識別、圖像識別、自然語言理解、大數(shù)據(jù)等AI能力，在電力系統(tǒng)的信息化建設(shè)、能源服務(wù)、生產(chǎn)運行、電力調(diào)度、科技研究、客戶服務(wù)等領(lǐng)域開展深入合作。未來將聚焦于整個電力行業(yè)，以人工智能核心技術(shù)能力為基礎(chǔ)，全面覆蓋發(fā)電、輸電、配電、售電、用電等環(huán)節(jié)。

人工智能是未來智能電網(wǎng)的核心。目前，國家發(fā)改委及國家能源局、工信部都將人工智能納入發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，強調(diào)人工智能與各行業(yè)的融合與應(yīng)用，其中在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能電網(wǎng)建設(shè)。AI在電力等能源行業(yè)的未來想象和發(fā)展空間十分廣闊，國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)計，AI撬動的智慧能源市場，到2020年市值將達(dá)到5160億美元、約3.3萬億元人民幣。

圖2 能源大腦微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)溆美?/p>

能源大腦微網(wǎng)基于全方位的人工智能技術(shù)體系構(gòu)建∶通過模擬、延伸、擴展人類智能，基于機器視覺、語音、自然語言處理等技術(shù)，輔助人類在電網(wǎng)輸電、配電等各環(huán)節(jié)做出分析、判斷、優(yōu)化、決策等，相比人類能夠做到實時且不斷自我進(jìn)化，持續(xù)幫助企業(yè)推進(jìn)智能電網(wǎng)、智慧能源健康發(fā)展。

能源大腦微電網(wǎng)系統(tǒng)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等；負(fù)荷系統(tǒng)由必須保障的重要負(fù)荷和其他可切除的非重要負(fù)荷，系統(tǒng)中的各微源都要接受微網(wǎng)中央控制系統(tǒng)的調(diào)度，并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以并網(wǎng)運行，也可以脫離大電網(wǎng)孤島模式運行。

微電網(wǎng)系統(tǒng)采用三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：微電網(wǎng)管理層。能源大腦云平臺及能量管理系統(tǒng)、物控云SCADA監(jiān)控系統(tǒng)；微電網(wǎng)協(xié)調(diào)層。能源大腦控制系統(tǒng)；微電網(wǎng)執(zhí)行層。分布式發(fā)電單元、智能網(wǎng)關(guān)斷路器、負(fù)荷等（見圖2）。

基于人工智能的能量管理系統(tǒng)在能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺中處于核心地位，是能源大腦微網(wǎng)執(zhí)行測量、監(jiān)視、控制、保護(hù)以及高級策略實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，在實現(xiàn)能源大腦微網(wǎng)的實時能量調(diào)度與管理、跟蹤、監(jiān)測等方面起到舉足輕重的作用。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺的核心管理系統(tǒng)，主要對微網(wǎng)分布發(fā)電單元設(shè)備的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測，對微網(wǎng)中能量按最優(yōu)的原則進(jìn)行分配，協(xié)同海上“風(fēng)、光、儲、柴”之間的多能互補。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預(yù)測微電源出力、優(yōu)化儲能充放電、管理可控負(fù)荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行等功能。

能源微網(wǎng)行業(yè)未來的發(fā)展主要在于優(yōu)化和預(yù)測，人工智能可以針對能源生產(chǎn)、能源電網(wǎng)平衡和消費習(xí)慣等方面提供獨特的解決方案?？梢灶A(yù)見，人工智能將成為能源行業(yè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)方、傳送方和消費方。

人工智能是一個自我學(xué)習(xí)和推演的應(yīng)用過程，而非模仿人類工作的編程方式，即其能夠集合人類擅長的，例如視覺感知、理解、溝通、隨機應(yīng)變等能力，同時克服人類極限，將這些優(yōu)勢與當(dāng)前的計算機大規(guī)模而且迅速的數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合起來，主要功能：微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源、儲能系統(tǒng)和負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果生成實時運行曲線。根據(jù)預(yù)測調(diào)度曲線，制定合理的功率分配曲線下發(fā)給微網(wǎng)中央控制器。

人工智能預(yù)測系統(tǒng)可分為發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測兩部分。經(jīng)濟(jì)調(diào)度模塊在微網(wǎng)并網(wǎng)的情況下，其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為能源大腦微網(wǎng)節(jié)省運行費用，在微網(wǎng)離網(wǎng)的情況下，其優(yōu)化目標(biāo)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和縮減運行費用。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是由預(yù)測模塊和調(diào)度模塊組成的能量系統(tǒng)，其主要目的是根據(jù)負(fù)荷需求、天氣因素、海島實時數(shù)據(jù)、電力實時數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)運行狀態(tài)等，在滿足運行條件以及儲能等物理設(shè)備的電氣特性等約束條件下，協(xié)調(diào)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部分布式電源和負(fù)荷等模塊的運行狀態(tài)，優(yōu)化微電源功率出力，以最經(jīng)濟(jì)的運行成本向用戶提供滿足質(zhì)量的電能。能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預(yù)測微電源出力、優(yōu)化儲能充放電、管理可控負(fù)荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行等功能（見下頁圖3）。

圖3 能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)信息流示意圖

二、多能互補微網(wǎng)構(gòu)建“能源長城”

從實際情況來看，通常的海島用電量不大，并且海島比較分散，故對大部分的海島而言不太適宜于在海島上或海島臨近海域建設(shè)固定風(fēng)電與光伏漂廊。固定式風(fēng)電需要打樁，而在欠開發(fā)的海島上開展打樁工作，無論是樁基的運輸、打樁設(shè)備的進(jìn)退場、風(fēng)機的吊裝以及當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟮刭|(zhì)勘探工作，都有現(xiàn)實的困難。從經(jīng)濟(jì)性方面來講也非常不合算。

漂浮式微網(wǎng)是海洋油氣工程和風(fēng)電技術(shù)的結(jié)合，目前在技術(shù)上已經(jīng)成熟。無論是抗臺風(fēng)漂浮基礎(chǔ)的設(shè)計與建造、基礎(chǔ)的海上安裝與錨固、結(jié)構(gòu)的抗腐蝕等均有完善、成熟的技術(shù)手段可以實現(xiàn)，保障漂浮風(fēng)電安全和可靠運營。具體優(yōu)勢如下：

可靠性高，高效運營：二次風(fēng)源發(fā)電機組在運行時基本不會出現(xiàn)同時損壞、檢修維護(hù)現(xiàn)象。

抗臺風(fēng)強，安全穩(wěn)定：結(jié)構(gòu)是一個直徑4米高10米的圓筒柱，重心在3米，最大抗臺風(fēng)能力在56米/秒至60米/秒，在10級臺風(fēng)狀況下可以正常工作。

效益極高，回報可觀：30年壽命度電成本0.1元以下。在綜合電價1元/度的設(shè)定條件下最長2年回收投資，后續(xù)可低成本使用28年。

創(chuàng)新技術(shù)，發(fā)電量大：二次風(fēng)源發(fā)電機(人造龍卷風(fēng)發(fā)電)為主體，極端惡劣氣候停機12天/年，年均工作為353天。每臺風(fēng)機年可發(fā)電135.55萬度。

抗腐蝕強，壽命加長：金屬結(jié)構(gòu)外表采用5層防腐涂層，逆變器柜、電氣柜風(fēng)扇散熱冷卻采用負(fù)壓處理，適應(yīng)海上工況運行。

維護(hù)方便，故障率低：主要部件發(fā)電機、電動機、變速箱均安裝在底部，方便安裝運維，物聯(lián)網(wǎng)平臺可以遠(yuǎn)程運維。

智能環(huán)保，效果優(yōu)良：無巨大的風(fēng)葉，所有旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉均內(nèi)置在一個圓筒柱內(nèi)，對鳥類無傷害，運行中無廢氣、廢液、灰塵排放。

漂浮式微網(wǎng)發(fā)電技術(shù)利用海上風(fēng)力資源，更重要的是為日益增加的海上活動提供能源，風(fēng)電多元化應(yīng)用必將使眾多海島從中受益匪淺：遠(yuǎn)洋輪船、深海遠(yuǎn)程潛艇、遠(yuǎn)程科學(xué)考察船等可以在大海上直接獲取電能；開發(fā)海底石油和礦產(chǎn)的工程隊可以從海上獲得充分的電能；電能的保障為開發(fā)海上旅游項目提供了可能；非并網(wǎng)“風(fēng)、光、儲、柴”直接應(yīng)用于海水淡化、氯堿、有色金屬冶煉及非金屬加工等大范圍高耗能產(chǎn)業(yè)。同時，可通過海纜向臨近海島供電。

在光伏發(fā)電方面，銅銦鎵硒電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到達(dá)21%，砷化鎵雙結(jié)薄膜電池的實驗室轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到31.6%。漢能薄膜電池使用透明高阻封裝膜材料ETFE具有阻水、阻氧、耐腐蝕、抗鹽霧、抗UV等功能，厚度只有1微米，不及晶硅電池1/100。方便把薄膜貼在防海水腐蝕的材料上，免受海水侵襲。

海島沿線的風(fēng)機之間通過薄膜“漂浮組件管廊”連接成一個微網(wǎng)發(fā)電、儲能、海水淡化、通訊照明一體化的“能源長城”。因浮廊成本(相當(dāng)于船甲板等面積的一個平臺)非常高，所以光伏板裝機容量減少至240千瓦，最小安裝面積1440平方米，二次風(fēng)源發(fā)電機增至11臺，最小安裝面積165平方米?？偪厥液斉潆?、柴油發(fā)電、逆變器、通信調(diào)度。儲能電池最小面積200平方米，淡水制作設(shè)備150平方米總共需要1955平方。浮廊平臺采用2個長60米寬12米高4米的平臺，2個平臺中間隔12米之間采用柔性雙絞接聯(lián)接，組成一個等效長60米，寬36米的平臺，等效面積為2160平方米，可在極限浪高20米的海況下生存。并可采用多個浮廊平臺柔性絞接串聯(lián),串聯(lián)長度最大可達(dá)20公里。

太陽能和風(fēng)能發(fā)電成本大幅下降，意味著太陽能和風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)具備了與傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電技術(shù)相當(dāng)?shù)某杀靖偁幜?。這使得能源大腦微網(wǎng)能夠在完成穩(wěn)定電力供應(yīng)這一主要任務(wù)的同時，以經(jīng)濟(jì)可行的方式實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)。

能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺的應(yīng)用，為能源需求提供了安全性、經(jīng)濟(jì)性保障。采用能源大腦微網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，可以系統(tǒng)性解決我國海洋面積廣闊，眾多島嶼的清潔能源需求。

在海上搭建風(fēng)、光、儲、柴多能互補的“能源長廊”微網(wǎng)，通過能源大腦微網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺對海上能源微網(wǎng)進(jìn)行全方位智能化控制，為海上安全構(gòu)建壁壘，在遼闊的海疆樹立海上“能源長城”。