綜合能源系統(tǒng)建設(shè)與運營方案的設(shè)計

李清然

(國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著能源市場改革深化和科技發(fā)展,能源系統(tǒng)源端與受端的多樣化以及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)備的革新使各能源系統(tǒng)之間的耦合不斷加深[1-2]。綜合能源體系打破了不同能源網(wǎng)絡之間的交互壁壘,實現(xiàn)冷、暖、電、氣等多能協(xié)同供應,是未來能源供應體系的發(fā)展趨勢,也是各能源供應商市場競爭的重點領(lǐng)域之一。與丹麥等國家電、氣管網(wǎng)統(tǒng)一運營的模式[3]不同,目前我國的實際情況是各能源體系分體運營,且天然氣多為屬地化的企業(yè)運營,各運營商在綜合能源體系中存在必然的利益博弈,競爭與合作機制尚不成熟。

隨著能源領(lǐng)域市場化不斷推進,市場慣性降低,流動性逐漸增強[4]。園區(qū)級能源系統(tǒng)具有用能密度大、負荷利用小時數(shù)高、可再生能源比例高、產(chǎn)用能形式多樣化等特點,是促進可再生能源就地消納、提高能源綜合利用效率、實現(xiàn)節(jié)能減排的有效實施途徑[56]。通過合理的物理架構(gòu)搭建和系統(tǒng)運行控制,可以實現(xiàn)多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行,一方面可以增強能源供給的可靠性,降低備用容量;另一方面通過系統(tǒng)運行優(yōu)化與科學規(guī)劃,可以有效提升能源利用的清潔性、經(jīng)濟性。當前的研究多集中于建立園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[78],在具體系統(tǒng)控制層面則偏重于某種設(shè)備控制或某項功能實現(xiàn)[9-12],而聚焦園區(qū)綜合能源系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制問題及多場景運營方案的研究較少。另外在供給側(cè)和需求側(cè)的互動交易環(huán)節(jié),目前的研究中多數(shù)仍然將用戶視為能源資源的純接收方[1314],很少將需求側(cè)資源與能源側(cè)資源同等對待。

1 物理架構(gòu)

選擇地理位置相鄰、用能性質(zhì)接近、用能時間互補的社區(qū)與企業(yè)、學校等構(gòu)建為綜合能源園區(qū),在園區(qū)內(nèi)部實現(xiàn)錯峰用能,可以有效利用變壓器等設(shè)備容量。在園區(qū)內(nèi)利用大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等技術(shù),構(gòu)建以電為中心,冷、暖、氣等多能優(yōu)勢互補、可再生能源靈活消納、需求側(cè)實時響應、系統(tǒng)運行與能耗監(jiān)控管理于一體的源-網(wǎng)-荷-儲綜合能源系統(tǒng)?；谥悄鼙淼挠秒娦袨楦兄夹g(shù),整合終端邊緣計算能力,實現(xiàn)設(shè)備與管廊的智能運維、公共服務設(shè)施智慧融合、電動汽車泛在互聯(lián)、多能融合需求響應,打造集網(wǎng)絡化、信息化、智能化于一體的綜合能源服務平臺。構(gòu)建城市級綜合能源服務平臺,實現(xiàn)同城范圍內(nèi)多園區(qū)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度。綜合能源體系的物理架構(gòu)如圖1所示,其中實線為能量流,虛線為信息流,箭頭表示能量/信息流動方向。

圖1 綜合能源系統(tǒng)物理架構(gòu)示意

2 運行控制

集設(shè)備層面的邊緣計算、園區(qū)級控制中心與城市級服務平臺集中調(diào)控于一體,降低調(diào)控中心的數(shù)據(jù)傳輸和處理壓力,實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)部系統(tǒng)運行的靈活性與城市內(nèi)部各園區(qū)運行協(xié)調(diào)性的統(tǒng)一。

2.1 邊緣計算

通過智能表采集各設(shè)備運行狀態(tài)及感知各用戶對于電、氣、冷、熱等能源的實時需求,挖掘采集終端的邊緣計算功能,將數(shù)據(jù)篩查、數(shù)據(jù)整合、故障研判、拓撲分析等部分計算在本地完成,并發(fā)送給園區(qū)本地控制中心,一方面減輕遠程信道的通信壓力和主站數(shù)據(jù)處理壓力,另一方面可以確保數(shù)據(jù)信息的實效性。

2.2 本地控制

園區(qū)本地控制中心接收終端發(fā)送的設(shè)備實時狀態(tài)和用戶需求信息,同時接收城市級服務平臺的實時調(diào)度命令,結(jié)合交易中心的各類能源實時交易價格等數(shù)據(jù)信息與本地設(shè)備運行狀態(tài)信息,通過綜合分析研判,得到經(jīng)濟運營模式、系統(tǒng)穩(wěn)定模式、需求響應模式、輔助服務模式等不同系統(tǒng)運行目標下各設(shè)備的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制方案,并生成控制命令發(fā)送給園區(qū)內(nèi)各設(shè)備。設(shè)備層接收并執(zhí)行控制命令,實現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)調(diào)運行控制。

2.3 服務平臺

城市級服務平臺監(jiān)測各園區(qū)運行狀態(tài),并響應各園區(qū)的緊急需求與電、氣管網(wǎng)的調(diào)度命令。當某園區(qū)出現(xiàn)設(shè)備故障等臨時需求時,園區(qū)本地控制轉(zhuǎn)入系統(tǒng)穩(wěn)定模式,同時城市服務平臺會調(diào)度周邊園區(qū)進入需求響應模式,必要時可提供相應支持。當電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時,城市級服務平臺會調(diào)度各園區(qū)轉(zhuǎn)入輔助服務模式。

3 運營模式

在能源市場化交易中,不僅客戶側(cè)的分布式能源與儲能可以作為資源參與其中,而且客戶的需求也可視為資源參與市場化互動和交易。將需求側(cè)資源與能源側(cè)資源同等對待,設(shè)計了綜合能源園區(qū)在參與能源市場交易中的4種典型運營模式。

3.1 經(jīng)濟運營模式

園區(qū)綜合能源服務系統(tǒng)的目標是為用戶提供成本最低的能源服務,如照明、采暖、制冷、動力等。各分散用戶與各能源供應商之間點對端的零售模式需要龐大的計量、結(jié)算成本,且零售模式下各類能源負荷的不可約束性也進一步限制了能源供給側(cè)成本控制。以綜合能源園區(qū)為載體,建立各類能源的躉售交易,可以在復雜的零售分散交易和過度競爭之間找到平衡。各能源供應商能源網(wǎng)絡所有權(quán)、經(jīng)營權(quán)的排他性并不影響客戶在使用端引入合作與競爭,形成一個全面競爭、自由選擇的綜合能源體系。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以在滿足系統(tǒng)安全約束條件下,根據(jù)躉售交易合約獲得低價能源供應,結(jié)合實際需求,制定和實施運行成本最小的能源負荷平衡計劃。由于能源網(wǎng)絡運行的制約,合約規(guī)定的能源交易量和實際交割的能源量之間必然存在差異,這種差異可以由電網(wǎng)公司提供靈活性高、響應速度快、安全性好的雙向流動電能量來平衡。經(jīng)濟運營模式本質(zhì)上是由電能為其他能源的合約量與交割量之間提供了保底服務。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定模式

在綜合能源系統(tǒng)運行中,如果采集終端監(jiān)測到某關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障,將故障設(shè)備位置、狀態(tài)、原因等信息發(fā)送園區(qū)控制中心,為故障迅速定位、消除提供基礎(chǔ)信息支撐。園區(qū)控制中心控制綜合能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運行模式,調(diào)動園區(qū)內(nèi)部具有相似性能的設(shè)備或者備用設(shè)備補償和消除故障設(shè)備功能缺失對系統(tǒng)造成的不利影響。如在無功補償設(shè)備(SVG)故障時,光伏逆變器可以臨時作為無功補償裝置;儲能設(shè)備故障退出運行時,閑置狀態(tài)的電動汽車可以作為儲能裝置提供短時充放電需求;三聯(lián)供設(shè)備故障或檢修時,由熱泵、空調(diào)、雙蓄等設(shè)備的剩余容量提供額外冷熱支持。系統(tǒng)穩(wěn)定模式本質(zhì)上是由園區(qū)內(nèi)相似性能或功能的設(shè)備互為備用與緊急支持。

3.3 需求響應模式

在綜合能源市場經(jīng)濟運行中,將需求側(cè)資源與能源側(cè)資源同等對待,在能源系統(tǒng)面臨安全威脅時,以園區(qū)形式整合分散需求側(cè)資源,以雙向通信智能網(wǎng)絡為技術(shù)基礎(chǔ),以經(jīng)濟性為驅(qū)動力,刺激用戶改變正常消費模式,為能源側(cè)提供容量或能量需求響應,為系統(tǒng)安全提供重要的可靠性保障。容量需求響應參與者可以是區(qū)域內(nèi)的居民負荷、工商業(yè)負荷、用戶分布式能源項目、儲能項目等,單個用戶的容量大多達不到參與容量需求響應的資質(zhì)要求,以園區(qū)形式聚合用戶資源,可以在大負荷時提供直接負荷控制、可中斷負荷等靈活備用容量;在能源側(cè)出現(xiàn)影響可靠性的緊急事件時主動削減對應種類的能量負荷,為能源側(cè)穩(wěn)定提供可靠支撐。而園區(qū)用戶可以由綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的其他能源種類保障必需的生產(chǎn)、生活能量供應。需求響應模式本質(zhì)上實現(xiàn)了不同能源種類的互相備用與緊急支撐形態(tài)。

3.4 輔助服務模式

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以提供的輔助服務有調(diào)頻、冷備用、熱備用、無功電壓、黑啟動等輔助服務。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以快速響應電網(wǎng)頻率偏差,提供調(diào)頻服務,并維持短時出力;可以在電網(wǎng)擾動后,提供熱備用服務,也可以根據(jù)交易中心的安排,提供短時內(nèi)可以啟動的冷備用服務。由于無功的區(qū)域性,根據(jù)本地電壓信號提供無功本地補償將會更加經(jīng)濟,同時降低線路損耗。系統(tǒng)振蕩時,園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以提供阻尼,當系統(tǒng)中存在多個園區(qū)時,其集合提供系統(tǒng)阻尼的能力更強。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的獨立運行特性使其具有黑啟動能力,可以作為系統(tǒng)黑啟動電源,提供黑啟動服務。輔助服務模式本質(zhì)上實現(xiàn)了園區(qū)內(nèi)用戶和其他能源系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的支持。

4 結(jié)束語

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是多能互補、能源梯級利用的綜合能源理念在地理分布和功能上的具體實施,也是能源供給和需求側(cè)市場主體深度參與能源市場的關(guān)鍵場景。以上首先建立了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的典型物理結(jié)構(gòu),整合設(shè)備層面采集終端的邊緣計算能力、園區(qū)控制中心的本地計算能力和城市綜合能源服務平臺的協(xié)調(diào)控制能力,設(shè)計了邊緣計算、本地控制、服務平臺3層運行控制方案。最后將能源側(cè)與需求側(cè)資源同等納入綜合能源體系的市場主體,提出了經(jīng)濟運營、系統(tǒng)穩(wěn)定、需求響應、輔助服務等不同場景下的綜合能源體系運營模式,為綜合能源市場建設(shè)運營提供了一些思路。