面向虛擬電廠的公共建筑可調(diào)控資源對象建模技術(shù)研究*

張 少 迪

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063;2.上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點實驗室, 上海 200063]

0 引 言

隨著我國雙碳戰(zhàn)略的實施和推進(jìn),能源供給側(cè)的清潔化和能源需求側(cè)的規(guī)?；?實現(xiàn)電氣化是雙碳30·60計劃達(dá)標(biāo)的必要條件,而在這一發(fā)展過程中,電網(wǎng)將呈現(xiàn)“雙高”、“雙隨機(jī)”的顯著特征,即:“高比例可再生能源滲透率”、“高比例電力電子設(shè)備”、“清潔能源發(fā)電隨機(jī)性”、“需求側(cè)用電隨機(jī)性”等問題,因此電力系統(tǒng)將面臨安全性、可靠性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。虛擬電廠[1-2]通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動汽車等分布式能源的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化,作為一個特殊電廠參與到電力市場和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理中。虛擬電廠技術(shù)的應(yīng)用使得需求側(cè)復(fù)雜繁多的發(fā)、用電設(shè)備聚合后向電網(wǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出,是“北上廣深”等以公共建筑密集型超大城市平衡電力供需、維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的重要技術(shù)手段[3-4]。

隨著“零碳建筑”概念的推廣,公共建筑除了傳統(tǒng)的非工空調(diào)、鍋爐等需求響應(yīng)可中斷負(fù)荷,還將配置分布式電源、儲能系統(tǒng)、充電樁設(shè)施等可調(diào)控資源,通過虛擬電廠聚合,為電網(wǎng)提供輔助服務(wù),優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差和應(yīng)對電網(wǎng)緊急避峰事件等。為了實現(xiàn)虛擬電廠的資源調(diào)控,需要對公共建筑的可調(diào)控資源建模,并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)感知和控制,即通過互操作通信協(xié)議實現(xiàn)信息交互。目前尚無虛擬電廠互操作統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn),在IEC TC8/SC8B工作組中,列入制訂計劃的是虛擬電廠架構(gòu)、用例等標(biāo)準(zhǔn),互操作標(biāo)準(zhǔn)還沒有計劃;國網(wǎng)在充分借鑒歐美電力輔助服務(wù)市場經(jīng)驗,在OpenADR基礎(chǔ)上編制了DL/T 1867—2018《電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范》作為試點中市級主站與各聚合商之間的互操作協(xié)議[5],但是聚合商與用戶之間的互操作協(xié)議存在空白,主要是由于用戶現(xiàn)場用能設(shè)備品牌多、協(xié)議私有化,需要在DL/T 1867—2018基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。目前國內(nèi)外都缺乏對虛擬電廠互操作協(xié)議統(tǒng)一建模的研究。

本文從公共建筑虛擬電廠資源調(diào)控需求著手,研究并設(shè)計基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的信息模型和信息交互換服務(wù),對典型公共建筑進(jìn)行仿真,分析了建模的可行性。

1 公共建筑虛擬電廠信息模型設(shè)計

從電網(wǎng)調(diào)度對虛擬電廠管控角度考慮,需要將公共建筑可調(diào)控資源呈現(xiàn)在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上,以便在局部區(qū)域多維度的重載/過載場景發(fā)生時能夠快速定位并組織可調(diào)控資源按既定策略出力提供輔助服務(wù)。公共建筑由于占地面積大、功能區(qū)劃分復(fù)雜等特點,其內(nèi)部配電線路和外部供電線路通常配置多路,并且為了提升供電可靠性還會配置聯(lián)絡(luò)器,因此為了描述公共建筑內(nèi)部配電結(jié)構(gòu)與電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)之間的映射關(guān)系,以電氣連接點(Electrical Connect Point,ECP)為核心建模。

公共建筑配電結(jié)構(gòu)如圖1所示。ECP是連接公共建筑可調(diào)控資源和配電線路的關(guān)鍵樞紐,通過對ECP的層級描述(包括其所在供電線路、所在主變等)和可調(diào)控資源接入描述(包括計量測點、控制策略等),電網(wǎng)調(diào)度即可利用互聯(lián)網(wǎng)獲取這些信息。

按照面向?qū)ο蟮慕７椒?可以通過域包的形式進(jìn)行組織,并將交互的信息封裝成類,而具體的描述則可以通過類屬性編輯成字段。根據(jù)以上建模需求,將信息模型按功能劃分為5個域包,包括通用域(common)、架構(gòu)域(architecture)、計量域(meter)、計劃域(schedule)和事件域(event)。域包關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

通用域包定義其他域包需要使用的基本數(shù)據(jù)類型,如浮點型、整數(shù)型、字符串等符合ISO 8601規(guī)定的時間日期、單位尺度和符號枚舉類型等。架構(gòu)域描述公共建筑配電結(jié)構(gòu)及電網(wǎng)拓?fù)溆成?。計量域描述公共建筑的計量測點信息和實測數(shù)據(jù);計劃域和事件域與公共建筑的調(diào)控能力和提供輔助服務(wù)相關(guān)。下面將重點介紹4個域包所設(shè)計的信息模型。

1.1 架構(gòu)域信息模型

為了方便公共建筑各ECP集中管理以及與電網(wǎng)接口交互,架構(gòu)域信息模型使用用戶端能源管理系統(tǒng)(Customer Energy Management System,CEMS)作為公共建筑與電網(wǎng)之間的分界,也是最頂層信息模型。CEMS可包含多個ECP,每個ECP可包含多個可調(diào)控資源,按照電能流向?qū)⒐步ㄖ湫偷目烧{(diào)控資源分為3類,即分布式能源類(Distribute Energy Resource,DER)、儲能類(Energy Store System,ESS)和可調(diào)控負(fù)荷(Dispatchable Load)。架構(gòu)域信息模型和計量域信息模型如圖3所示。

圖3(a)所示為公共建筑內(nèi)部架構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系:CEMS頂層類模型描述公共建筑信息系統(tǒng)的基本屬性,包含不少于1個ECP信息類。對于ECP類,包含必要的額定屬性、關(guān)聯(lián)的資源類以及綁定的計量類。對于3種資源類的描述,包含必要的額定屬性、綁定的計量類以及輔助服務(wù)屬性。

1.2 計量域信息模型

公共建筑的電力監(jiān)控系統(tǒng)和分項計量系統(tǒng)一般是比較健全的,計量測點數(shù)量較多,需要根據(jù)虛擬電廠的計量需求提供定制。計量域包含對計量測點的元數(shù)據(jù)描述、計量報告樣式的定制以及計量實測數(shù)據(jù)的報告組織等。計量域的頂層模型是計量類(MeterType),代表著實際的計量設(shè)備,通過標(biāo)明該設(shè)備的編號、計量對象和測點元數(shù)據(jù),從而將計量設(shè)備與第1.1章節(jié)的架構(gòu)關(guān)聯(lián)起來。

計量測點元數(shù)據(jù)使用計量明細(xì)類(MeterItemType)來描述。所謂測點元數(shù)據(jù)就是指計量設(shè)備采集的電氣量屬性。報告樣式的定制可通過數(shù)據(jù)報告樣式類(ReportSpecifierType)來描述,其中觸發(fā)條件屬性(TriggerOption)字段屬性用于描述報告數(shù)據(jù)的觸發(fā)方式,包含數(shù)值改變觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集信號觸發(fā)等。如果是周期性數(shù)據(jù)采集,則利用采集頻率屬性(SamplingRate)和上報周期屬性(IntegrityPeriod)字段屬性來描述計量采集的頻率和報告上傳的周期。如果計量測點較多,可以通過數(shù)據(jù)組引用屬性(DSRef)和數(shù)據(jù)組成員引用屬性(DSMemberRef)兩個字段屬性的組合來定制測點集合。計量測點的實測數(shù)據(jù)則是通過MeterValueType信息類來封裝,將計量數(shù)值的value屬性、時戳timestamp屬性、數(shù)據(jù)質(zhì)量quality屬性等上傳。

1.3 計劃域信息模型

計劃域中的頂層類是計劃(ScheduleType),描述了公共建筑虛擬電廠運(yùn)營計劃,計劃類型由枚舉類計劃類型(ScheduleCategoryType)來描述,包括分布式能源發(fā)電計劃、儲能充放電計劃、可調(diào)控負(fù)荷用電計劃以及輔助服務(wù)備用計劃。計劃域信息模型如圖4所示。

公共建筑可以有多個頂層計劃類(ScheduleType)計劃實例,在每個計劃實例中,以連續(xù)單調(diào)的曲線形式描述了在由計劃開始時間屬性(SchdStartTime)和計劃持續(xù)時間屬性(SchdDuration)字段屬性指定的時間周期內(nèi)的計劃數(shù)據(jù)。對于計劃時間周期而言,可通過曲線數(shù)據(jù)的時戳劃分更加精細(xì)的時間間隔,每個時間間隔的數(shù)據(jù)含義則通過枚舉類數(shù)值含義類(ValueMeaningType)來描述,包括資源的爬坡(RampUp)和下坡周期(RampDown)、可調(diào)控負(fù)荷削峰(LoadShaving)和填谷(LoadFilling)周期、儲能系統(tǒng)充電(ESSCharging)和放電(ESSDischarging)周期、分布式能源開機(jī)(DERStart)和關(guān)機(jī)(DERStop)周期。

1.4 事件域信息模型

事件域的頂層是事件(EventType),包含關(guān)聯(lián)的實例事件計劃類(EventScheduleType)、事件時間軸描述事件有效周期類(EventActive PeriodType)、事件狀態(tài)發(fā)展跟蹤事件描述類(EventDescriptionType)。事件域信息模型如圖5所示。

通過枚舉類事件狀態(tài)類(EventStatusType)來描述事件發(fā)展?fàn)顟B(tài),事件狀態(tài)與時間軸關(guān)系如圖6所示。

本設(shè)計的域包信息類支持由公共建筑的CEMS系統(tǒng)將虛擬電廠可調(diào)控資源電氣連接結(jié)構(gòu)、計量能力和實測數(shù)據(jù)、資源調(diào)控計劃等上傳至電網(wǎng)調(diào)度主站,并接收主站下發(fā)的事件指令信息,本設(shè)計適用于互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔⒔粨Q服務(wù)在CEMS和主站之間進(jìn)行交互。

2 公共建筑虛擬電廠調(diào)控服務(wù)互操作模型

為了實現(xiàn)信息模型在公共建筑CEMS系統(tǒng)和電網(wǎng)主站之間交互,需要將信息模型以接口服務(wù)的形式進(jìn)行互操作,首先需要在交互雙方之間建立連接,在CEMS經(jīng)過主站授權(quán)之后即可以主動上傳或被動請求的方式傳輸公共建筑信息模型。目前常用的互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)讓訁f(xié)議很多,如HTTP協(xié)議,由子站發(fā)起連接,需要周期性輪詢主站以獲取調(diào)控指令,由于存在延時,導(dǎo)致效率不高;而TCP協(xié)議是長連接,雖然可以實時雙向交互,但是占用主站網(wǎng)絡(luò)資源較大,不適用于子站高并發(fā)訪問?；ゲ僮鞯讓訁f(xié)議將采用websocket協(xié)議,可以兼顧雙向交互實時性和網(wǎng)絡(luò)資源占用。

公共建筑虛擬電廠互操作流程如圖7所示。

圖7中,公共建筑CEMS系統(tǒng)在啟動或掉線重連時需要主動建立與主站之間的連接,在得到主站連接授權(quán)之后,即可將含有ECP配電架構(gòu)、DER、ESS和Load可調(diào)控資源以及計量能力的頂層類CEMSType實例上傳至主站,之后主站可根據(jù)需求向CEMS請求相關(guān)信息,CEMS在完成主動上報之后,需要監(jiān)聽連接以獲取主站指令。

把CEMS系統(tǒng)等待主站指令的過程設(shè)計成一個循環(huán)隊列,當(dāng)接收到主站指令時把指令封裝成消息載荷發(fā)送給其他系統(tǒng)子程序處理,然后繼續(xù)監(jiān)聽。在循環(huán)處理過程中,如果出現(xiàn)程序錯誤或者來自主站的錯誤響應(yīng),則終止程序等待錯誤處理。

本文設(shè)計的CEMS系統(tǒng)需要能夠識別的主站指令包含資源信息請求指令、報告樣式定制指令、計劃需求請求以及事件控制指令,其中前3種指令需要CEMS系統(tǒng)反饋相關(guān)的報文,而第4種指令需要按照指令執(zhí)行。CEMS監(jiān)聽主站指令接口如表1所示。

表1 CEMS監(jiān)聽主站指令接口

3 公共建筑建模實例

以一幢具有60 kW屋頂光伏、200 kWh儲能、BA可控的中央空調(diào)和區(qū)域照明的公共建筑為例,說明設(shè)計的虛擬電廠模型與公共建筑實際設(shè)備屬性之間的映射關(guān)系和方法。

公共建筑物理設(shè)備建模采用自上至下的方法,即從頂層CEMSType開始逐層向下至ECPType,再至具體的物理設(shè)備,公共建筑物理信息建模如圖8所示。

在建立公共建筑物理信息模型后,即可通過信息接口將這些信息模型與主站之間進(jìn)行交互。常用的操作就是對公共建筑頂層架構(gòu)、ECP及其關(guān)聯(lián)的分布式能源、儲能系統(tǒng)、可調(diào)控負(fù)荷之間關(guān)聯(lián)關(guān)系、計量測點等信息的增刪改查操作,而對于計劃和事件則需要根據(jù)日常的積累數(shù)據(jù)進(jìn)行分析取得結(jié)果后上傳至主站。

3.1 公共建筑輸出功率預(yù)測

為了保證虛擬電廠對電網(wǎng)功率輸出規(guī)律恒定,主站需要感知公共建筑的功率輸出預(yù)測信息,包括公共建筑可以預(yù)測分布式能源的發(fā)電、儲能系統(tǒng)充放電計劃以及用電負(fù)荷等,常用的預(yù)測方法有回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6-8]。根據(jù)接口計劃配置需求(DistributeScheduleDemand)的要求,將指定時間段的預(yù)測結(jié)果利用發(fā)送計劃值類(SendScheduleValues)接口將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果發(fā)送給主站。

3.2 公共建筑輔助服務(wù)調(diào)控

公共建筑的非工空調(diào)可以參與電網(wǎng)輔助服務(wù),主站為了能夠精準(zhǔn)感知公共建筑的備用能力,可以先通過接口計劃配置需求(Distribute-ScheduleDemand)請求公共建筑的備用能力,然后再通過事件指令(EventCommand-Activation)正式要求公共建筑執(zhí)行之前利用發(fā)送計劃值類(SendScheduleValues)上傳的計劃,公共建筑非工空調(diào)調(diào)控建模如圖9所示。

4 結(jié) 語

公共建筑是虛擬電廠的重要組成部分,通過設(shè)計面向虛擬電廠應(yīng)用的公共建筑可調(diào)控資源信息模型和信息交換服務(wù),為公共建筑的能源管理系統(tǒng)設(shè)計提供參考,也為智慧城市數(shù)字孿生研究提供支撐。此外,建模采用面向?qū)ο蠓椒?具有可擴(kuò)展性,為雙碳推進(jìn)過程中出現(xiàn)的電氣化綜合能源設(shè)備建模打下基礎(chǔ)。