社區(qū)級虛擬電廠態(tài)勢感知系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

宋振輝，馬叢淦*，王釗

（1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031； 2.國網(wǎng)北京電科院，北京 100075）

0 引言

2021 年10 月24 日，國務(wù)院印發(fā)《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》，明確提出“十四五”期間加快新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)、提升重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率等碳達(dá)峰主要目標(biāo)［1］。2022年10 月，北京市政府發(fā)布《北京市碳達(dá)峰實(shí)施方案》，進(jìn)一步明確提前布局新能源利用、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等重點(diǎn)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，建設(shè)具有國際影響力和區(qū)域輻射力的綠色技術(shù)創(chuàng)新中心［2］。

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭、氣候環(huán)境的要求和新能源的快速發(fā)展，世界能源系統(tǒng)正在發(fā)生巨大變革，以多種能源之間的轉(zhuǎn)化和互聯(lián)為主要形式的能源互聯(lián)網(wǎng)正在成為能源發(fā)展的新方向，推動能源新業(yè)態(tài)的產(chǎn)生與發(fā)展，傳統(tǒng)的能源體系已經(jīng)無法滿足新工業(yè)革命提出的新要求，能源體系的網(wǎng)絡(luò)化、智能化勢在必行。“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的提出符合時代發(fā)展需求，符合國家碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究以及能源互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)界的深度融合也是新工業(yè)革命成功的必經(jīng)之路。虛擬電廠可以聚合其綁定的具備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的市場化電力用戶（包括電動汽車、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、可中斷負(fù)荷等），作為一個整體（呈現(xiàn)為負(fù)荷狀態(tài)）組建成虛擬電廠，對外提供負(fù)荷側(cè)靈活響應(yīng)調(diào)節(jié)服務(wù)，可作為能源互聯(lián)網(wǎng)新工業(yè)革命的重要場景和重要應(yīng)用［3］。基于虛擬電廠技術(shù)的特殊性，對其系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行態(tài)勢感知就顯得尤為必要?！霸淳W(wǎng)荷儲一體化”虛擬電廠：指列入“源網(wǎng)荷儲一體化”試點(diǎn)項(xiàng)目，建成后新能源、用戶及配套儲能項(xiàng)目通過虛擬電廠一體化聚合，作為獨(dú)立市場主體參與電力市場，原則上不占用系統(tǒng)調(diào)峰能力，具備自主調(diào)峰、調(diào)節(jié)能力，并可以為公共電網(wǎng)提供調(diào)節(jié)服務(wù)。在技術(shù)要求方面，虛擬電廠可基于省級智慧能源綜合服務(wù)平臺建設(shè)技術(shù)支持系統(tǒng)，也可以獨(dú)立建設(shè)技術(shù)支持系統(tǒng)，但應(yīng)接入省級智慧能源綜合服務(wù)平臺［3］。

文中實(shí)例闡述了社區(qū)級虛擬電廠系統(tǒng)態(tài)勢覺察技術(shù)，并在實(shí)例工程基礎(chǔ)上建立了社區(qū)級虛擬電廠系統(tǒng)［4］。

1 態(tài)勢覺察

1.1 態(tài)勢覺察的重要意義

覺察檢測和獲取環(huán)境中的重要信息或元素，獲取信息的主要渠道是根據(jù)不同的控制需求和電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況合理配置量測。該階段主要是對電網(wǎng)運(yùn)行中的一些有效信息進(jìn)行捕獲，這也是態(tài)勢感知中首要的一步，不容忽視［4］。

1.2 態(tài)勢覺察技術(shù)的主要方法

態(tài)勢覺察是根據(jù)電力系統(tǒng)分析和控制的需求合理配置量測，以獲取所需要的數(shù)據(jù)。態(tài)勢覺察關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）提高可觀測性的量測優(yōu)化配置技術(shù)；（2）電源管理單元（PMU）優(yōu)化配置及數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)；（3）高級量測體系構(gòu)建技術(shù)。電力系統(tǒng)現(xiàn)有方法中，光伏智能邊緣終端是實(shí)現(xiàn)光伏電站低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的智能運(yùn)營管理設(shè)備。然而，在一個光伏電站安裝一個智能終端的成本相對較高。文獻(xiàn)［5］在保證經(jīng)濟(jì)性、可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)多個分布式光伏電站共享一個智能終端的目標(biāo)，提出了一種光伏智能邊緣終端優(yōu)化配置的方法，考慮優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，建立了2 層優(yōu)化模型并提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法和灰狼優(yōu)化算法進(jìn)行模型求解。基于以往對光伏智能邊緣終端的研究，在其優(yōu)化配置模型中考慮終端設(shè)備故障的不確定性，分析故障不確定性對終端規(guī)劃的可靠性與經(jīng)濟(jì)性等方面的影響，文獻(xiàn)［6］提出一種新的光伏智能邊緣終端優(yōu)化配置方法并提出一種改進(jìn)的Harris Hawk優(yōu)化（IHHO）來求解非線性數(shù)學(xué)模型。案例研究是在不同的問題規(guī)模、邊界和設(shè)備參數(shù)下進(jìn)行的。為發(fā)現(xiàn)潛藏在運(yùn)維數(shù)據(jù)中的重大浪費(fèi)問題，態(tài)勢覺察提出一種基于相似日、蝙蝠算法與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BA-WNN）相結(jié)合的分布式光伏數(shù)據(jù)虛擬采集方法，實(shí)現(xiàn)在同一區(qū)域內(nèi)僅一座分布式光伏電站安裝完備的數(shù)據(jù)采集裝置、其他分布式光伏電站安裝價格較低的電流采集終端的場景下，完成區(qū)域范圍內(nèi)所有電站運(yùn)維數(shù)據(jù)的虛擬采集，并驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性，為減少物質(zhì)能源消耗提供了技術(shù)支撐。文獻(xiàn)［7］提出一種基于改進(jìn)自動編碼器（IAE）的變壓器故障數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，不僅改進(jìn)了變壓器故障數(shù)據(jù)生成策略，同時構(gòu)建改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ICNN）作為故障診斷的分類器，對于隨機(jī)過采樣算法、合成少數(shù)類過采樣技術(shù)及自動編碼器等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，IAE 能同時兼顧數(shù)據(jù)的分布和多樣性特征，生成的變壓器故障數(shù)據(jù)對分類器的性能提升效果最好。針對新型電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)海量、高維度、多源異構(gòu)等特點(diǎn)，文獻(xiàn)［8］提出一種大數(shù)據(jù)存儲的3層管理框架設(shè)計(jì)方案。首先對數(shù)據(jù)組成進(jìn)行分類劃分；然后提出數(shù)據(jù)存儲的資源層、元數(shù)據(jù)層和實(shí)際數(shù)據(jù)層的3 層管理框架，在資源管理層應(yīng)用虛擬化技術(shù)、負(fù)載均衡和資源調(diào)度完成對物理資源的管理。提高用戶用能管理水平、提升用戶用能的服務(wù)質(zhì)量，是智能用電的主要目標(biāo)，因此探討了智能用電條件下用戶用能服務(wù)管理平臺的建設(shè)，分析了當(dāng)前智能用電體系下用戶用能管理的不足和發(fā)展瓶頸。文獻(xiàn)［9］從軟件安全和信息安全方面闡述了平臺的安全部署，介紹了國家有關(guān)節(jié)能補(bǔ)貼政策，基于此分析了用戶用能管理服務(wù)推廣所需的外部政策環(huán)境。文獻(xiàn)［10］結(jié)合配電網(wǎng)規(guī)劃投資決策的特點(diǎn)，提出采用大數(shù)據(jù)圖譜的配網(wǎng)數(shù)據(jù)管理模式以適應(yīng)態(tài)勢感知驅(qū)動的投資決策體系，設(shè)計(jì)了面向大數(shù)據(jù)圖及態(tài)勢感知驅(qū)動的配電網(wǎng)規(guī)劃投資決策體系架構(gòu)。

1.3 基于社區(qū)級虛擬電廠的態(tài)勢覺察技術(shù)

相關(guān)研究針對態(tài)勢覺察技術(shù)的核心就是根據(jù)不同的實(shí)際需求，兼顧電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，綜合考慮狀態(tài)估計(jì)精度、可觀性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、魯棒性和信息安全等多影響因素，實(shí)現(xiàn)量測和控制終端的優(yōu)化配置和規(guī)劃，通過多類設(shè)備的混合配置，實(shí)現(xiàn)量測的靈活配置和方便部署，建設(shè)強(qiáng)健有效的量測和控制系統(tǒng)，但是對社區(qū)級虛擬電廠態(tài)勢覺察技術(shù)涉及較少［11-20］。為了更好地支撐新型電力系統(tǒng)中萬物互聯(lián)和全面感知，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、交易狀態(tài)、管理狀態(tài)的全面透明，大幅提升電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率和安全水平，對于新型電力系統(tǒng)社區(qū)級虛擬電廠的態(tài)勢覺察系統(tǒng)建設(shè)就顯得尤為必要，在本文中主要結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)介紹社區(qū)級態(tài)勢感知系統(tǒng)實(shí)例建設(shè)。

1.4 態(tài)勢感知技術(shù)與電力市場的對接

態(tài)勢感知技術(shù)通過本地組網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)將樓宇負(fù)荷等重要資源聚合為虛擬電廠資源，對接電網(wǎng)供應(yīng)能力和電力市場價格信號，建立需求側(cè)響應(yīng)和市場交易業(yè)務(wù)模型，參與電力需求側(cè)響應(yīng)和市場交易等新業(yè)務(wù)，優(yōu)化能源負(fù)荷的調(diào)度，對電力市場的復(fù)雜性、時效性、不確定性等因素具有更好的適應(yīng)能力，最終實(shí)現(xiàn)樓宇負(fù)荷與電網(wǎng)的友好互動，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 社區(qū)級虛擬電廠態(tài)勢感知系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

社區(qū)級態(tài)勢感知系統(tǒng)總體架構(gòu)按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范、統(tǒng)一共享數(shù)據(jù)和接口規(guī)范、統(tǒng)一業(yè)務(wù)展現(xiàn)的要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。按照系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的思想和軟件工程規(guī)范、安裝工程規(guī)范，采用當(dāng)今最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)、組件技術(shù)、分布式對象技術(shù)、Java 技術(shù)等，按照跨平臺設(shè)計(jì)、功能分層分塊實(shí)現(xiàn)、嚴(yán)密的數(shù)據(jù)安全管理機(jī)制、面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)、支持分布式系統(tǒng)以及良好的可伸縮性和擴(kuò)展性等的要求，滿足對電力需求側(cè)用戶多類型負(fù)荷數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)測、需求響應(yīng)、智能調(diào)控等需求。方案總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 建設(shè)總體架構(gòu)Fig.1 Overall structure

方案總體架構(gòu)分為終端層（端）、邊緣計(jì)算層（邊）、傳輸及本地管理層（管）和云應(yīng)用層（云）。

2.1.1 終端層

通過監(jiān)測模塊、傳感模塊、控制模塊、組件接入、其他系統(tǒng)接入等實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)用戶主要設(shè)備負(fù)荷、用電量、溫濕度、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，實(shí)現(xiàn)對各用能系統(tǒng)的全面感知與控制動作。終端層不單指各用能設(shè)備，也指用戶側(cè)的各下位系統(tǒng)。

本項(xiàng)目終端層包括用電監(jiān)測模塊，用于配電室、空調(diào)設(shè)備和充電樁的用電監(jiān)測；電能質(zhì)量監(jiān)測模塊，用于2臺變壓器出線側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測；母線測溫模塊，用于2臺變壓器出線側(cè)母線溫度監(jiān)測；高清攝像頭，用于配電室視頻監(jiān)控；各類傳感模塊，用于配電室環(huán)境、空調(diào)水系統(tǒng)和室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測；水泵智能控制模塊，用于空調(diào)水泵的控制執(zhí)行；能量監(jiān)測模塊，用于空調(diào)系統(tǒng)冷熱量監(jiān)測；分體空調(diào)控制模塊，用于分體空調(diào)控制執(zhí)行；路燈控制模塊，用于路燈及景觀照明的控制執(zhí)行；照明控制面板模塊、智能插座模塊、場景控制模塊、智能主機(jī)模塊等，用于智能辦公會議的照明和插座控制執(zhí)行；光伏組件及逆變器組件等，用于光伏系統(tǒng)變流發(fā)電及數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2.1.2 邊緣計(jì)算層

邊緣計(jì)算層是網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式智能組件，通過能效優(yōu)化模塊實(shí)現(xiàn)終端層的采集、感知、解析與決策，并通過4G無線網(wǎng)絡(luò)或有線專網(wǎng)等形式與上級平臺實(shí)現(xiàn)的實(shí)時互動，就地或就近提供智能決策和服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場景的調(diào)控需求。

本項(xiàng)目邊緣計(jì)算層主要指能效優(yōu)化模塊，分別安裝于監(jiān)測組件，用于配電室、充電樁、光伏系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和智能辦公會議系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)匯集及處理、控制策略下發(fā)和反饋等。

2.1.3 傳輸及本地管理層

傳輸及本地管理層是“端”和“云”之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種通信方式融合的網(wǎng)絡(luò)資源綜合管理與靈活調(diào)度，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)靈活、高效、可靠、多樣的基于網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（IP）的通信接入需求。數(shù)據(jù)可以通過本地管理系統(tǒng)進(jìn)行匯集再與上級云管理平臺進(jìn)行互動，也可以直接通過“邊”進(jìn)行匯集與上級云管理平臺進(jìn)行互動。

本項(xiàng)目傳輸層包括網(wǎng)線、光纖以及物聯(lián)網(wǎng)卡，本地傳輸采用基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，對云端傳輸采用消息隊(duì)列遙測傳輸（MQTT）協(xié)議；本地管理層指信息物理系統(tǒng)（CPS）樓宇用能優(yōu)化展示系統(tǒng)，功能主要為前置系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集及展示、能源數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測、各系統(tǒng)優(yōu)化控制以及本地需求響應(yīng)執(zhí)行等。

2.1.4 云應(yīng)用層

云端主要指北京綜合能源服務(wù)平臺，提供負(fù)荷實(shí)時監(jiān)測、負(fù)荷潛力預(yù)測、調(diào)控策略制定、需求響應(yīng)執(zhí)行等微服務(wù)。支持海量設(shè)備接入管理、高速數(shù)據(jù)處理和空調(diào)資源可視化管理。結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，利用邊端、云邊組件協(xié)同控制，提升多能源系統(tǒng)的柔性調(diào)控能力。

本項(xiàng)目云應(yīng)用層主要包括本地CPS用能優(yōu)化展示系統(tǒng)與綜合能源服務(wù)平臺的接口開發(fā)。

2.2 示范項(xiàng)目

2.2.1 配電監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)整體供電為雙路供電進(jìn)入配電室，配電室位于宿舍樓一層，配電室容量為2臺1 250 kW變壓器，變壓器下帶各用電回路，該配電室同時還為旁邊松秀園度假村提供用電，目前無監(jiān)測模塊和配電監(jiān)測系統(tǒng)。本次建設(shè)配電監(jiān)測系統(tǒng)僅對北京懷柔某園區(qū)各用電回路進(jìn)行采集監(jiān)測。配電室智能化建設(shè)包含多種采集模塊和傳感模塊，具體包括智能采集組件、環(huán)境監(jiān)測組件、探測類組件、視頻監(jiān)控組件等。本項(xiàng)目主要是在現(xiàn)有配電室基礎(chǔ)上進(jìn)行用電監(jiān)測模塊的安裝，并增加部分環(huán)境監(jiān)測模塊，實(shí)現(xiàn)配電室監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控功能，達(dá)到輔助無人值守目的。在配電室內(nèi)部署配電監(jiān)測組件1 套，監(jiān)測組件通過網(wǎng)線接入本地CPS樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)主控組件。

2.2.2 空調(diào)態(tài)勢感知系統(tǒng)建設(shè)

2.2.2.1 冷源優(yōu)化控制

中央空調(diào)冷源采用7 臺模塊式風(fēng)冷冷水機(jī)組，出廠日期為2019 年4 月，單臺制冷量為138 kW、制冷功率44.5 kW，機(jī)組目前采用控制面板進(jìn)行控制，設(shè)定好回水溫度后自動運(yùn)行，回水設(shè)定13 ℃，控制面板不具備通信功能。機(jī)組在冬季可輔助供暖。將#1 機(jī)組控制主板進(jìn)行通信對接，通過RS485 總線將機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)接入中央空調(diào)優(yōu)化控制組件，對機(jī)組廠商通信協(xié)議進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組參數(shù)的讀取與控制，實(shí)施基于機(jī)組性能曲線的加載/卸載臺數(shù)運(yùn)行優(yōu)化控制和溫度控制。制冷機(jī)的最高效率點(diǎn)通常在全部負(fù)荷最大容量的80%～90%范圍內(nèi)，該措施將根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷，改變制冷回水溫度、加載/卸載機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行效率的最優(yōu)化。

2.2.2.2 輸配優(yōu)化控制

中央空調(diào)輸配采用3臺冷凍水循環(huán)泵。對其中2 臺冷凍水循環(huán)泵作變頻控制改造，利用水泵智能控制模塊替換現(xiàn)有水泵啟動柜，水泵電源經(jīng)水泵智能控制柜后接入水泵，將智能控制模塊安裝在1 臺容量為22 kW 的水泵中，可采用溫度控制的變頻策略，通過溫差變化調(diào)節(jié)冷凍系統(tǒng)流量，使冷凍水溫差穩(wěn)定在5 ℃左右。在制冷機(jī)房內(nèi)配置1 套中央空調(diào)優(yōu)化控制組件，優(yōu)化控制組件通過網(wǎng)線接入本地CPS樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)主控組件。

2.2.2.3 分體空調(diào)優(yōu)化控制

示范項(xiàng)目除#1 和#3 樓外，制冷均采用分體空調(diào)，分體空調(diào)約170臺。采用插座式空調(diào)控制模塊，同時配套溫度模塊和無線模塊等，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測環(huán)境溫度并對分體空調(diào)進(jìn)行控制，同時控制模塊還可以學(xué)習(xí)現(xiàn)有空調(diào)紅外遙控器的控制編碼，模擬遙控器實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的遙控，控制模塊可計(jì)量對應(yīng)空調(diào)的電量和功率。對分體空調(diào)的控制模式包括如下幾種。

（1）溫度控制。室內(nèi)溫度達(dá)到國家規(guī)定要求（夏季最低溫度不低于26 ℃，冬季最高溫度不高于18 ℃），通過自動化控制空調(diào)的開和關(guān)，使室內(nèi)溫度變化最小，提高人體舒適度，同時杜絕隨意使用空調(diào)，在不該使用空調(diào)的季節(jié)里，不允許開啟空調(diào)，溫度參數(shù)的設(shè)定可根據(jù)需求自行設(shè)定。

（2）時段控制。滿足辦公規(guī)律設(shè)置多個時段，盡量避免中午或晚上無人情況下，由于人為因素導(dǎo)致的空調(diào)空運(yùn)行。

（3）空調(diào)控制模塊具有學(xué)習(xí)功能，將被控空調(diào)的遙控信號進(jìn)行儲存，當(dāng)室內(nèi)溫度超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，自動控制空調(diào)的溫度，使用方便，又能節(jié)電。

2.2.3 路燈景觀照明感知系統(tǒng)

有1套路燈及景觀照明系統(tǒng)通過配電室內(nèi)的控制系統(tǒng)對路燈及景觀照明進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及定時開關(guān)控制。在其中3個控制箱內(nèi)安裝了本地時間控制器，每個時間控制器控制2個照明回路，通過設(shè)定時間段自動運(yùn)行。將現(xiàn)有本地時間控制器更換為1套智能路燈控制組件，4G智能路燈控制模塊集手動控制、自動控制、遠(yuǎn)程控制、定時控制、擴(kuò)展功能、智能化網(wǎng)關(guān)等功能于一身，考慮到后期監(jiān)控擴(kuò)展的需求，配置4 路輸入/3 路輸出控制模塊。控制模塊安裝于3 個景觀照明控制箱內(nèi)，通過4G 網(wǎng)絡(luò)與本地CPS 樓宇用能優(yōu)化展示系統(tǒng)通信，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段提高本項(xiàng)目路燈景觀照明管理的信息化、精細(xì)化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制路燈照明開關(guān)、實(shí)時反饋開關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)程設(shè)置工作參數(shù)，支持每日循環(huán)、每周循環(huán)、節(jié)假日以及各種時控機(jī)制的邏輯組合，支持全夜燈、半夜燈、臨時開燈模式等。

2.2.4 充電樁監(jiān)控感知系統(tǒng)

在現(xiàn)有充電樁配電柜內(nèi)部署1套充電樁優(yōu)化控制組件，控制組件采用4G網(wǎng)絡(luò)與本地CPS樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)主控組件通信，對充電樁的用電情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)在本地CPS 樓宇用能優(yōu)化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基線繪制、實(shí)時負(fù)荷監(jiān)測等。本地CPS 樓宇用能優(yōu)化展示系統(tǒng)與充電樁的互動，獲取充電樁充電狀態(tài)及充電運(yùn)行數(shù)據(jù)，使充電樁成為可調(diào)負(fù)荷資源，基于用戶充電需求、上級調(diào)峰指令、充電設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)等，計(jì)算得出具體的調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)對充電樁負(fù)荷的實(shí)時準(zhǔn)確調(diào)控。充電樁監(jiān)控系統(tǒng)部署內(nèi)容包括10個用電采集控制終端和1個CPS采控一體箱。

2.2.5 智能辦公會議感知系統(tǒng)

在示范項(xiàng)目會議樓內(nèi)選取3層的會議室進(jìn)行智能辦公會議系統(tǒng)的建設(shè)，通過智能辦公系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、智能照明和能效管理?？蓪κ覂?nèi)環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可根據(jù)室內(nèi)是否存在人員進(jìn)行照明細(xì)節(jié)管理，還可通過系統(tǒng)對各類設(shè)施點(diǎn)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)、節(jié)能量統(tǒng)計(jì)和能效測評。

（1）智能環(huán)境。全面感知辦公環(huán)境，定時延時開關(guān)任務(wù)，區(qū)域性調(diào)控空調(diào)、燈光、窗簾、飲水機(jī)、加濕器、凈化器等設(shè)備。

（2）智慧能源。實(shí)時監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)設(shè)備狀態(tài)及耗電情況，判斷設(shè)備是否正常，能耗是否超標(biāo)，合理調(diào)整設(shè)備運(yùn)行工況，減少能源消耗。

（3）智能安全。擁有各種傳感器，可以準(zhǔn)確快速判斷突發(fā)問題發(fā)生的區(qū)域，完成基本處理，同時迅速通知相關(guān)人員，避免損失擴(kuò)大。

（4）智能管理。全面及時了解每一區(qū)域工作狀況，可通過本地CPS 樓宇用能優(yōu)化管理系統(tǒng)隨時管理，讓辦公會議場所的使用更有序、智能、高效。會議樓3層有6個會議室，對其中5個會議室進(jìn)行智能化改造，部署1套辦公會議優(yōu)化控制組件，控制組件通過光纖接入本地CPS 樓宇用能優(yōu)化系統(tǒng)主控組件。

2.2.6 新能源發(fā)電感知系統(tǒng)

項(xiàng)目由于不能安裝屋頂及地面光伏發(fā)電系統(tǒng)，為了展示新能源利用元素，在客房樓屋頂區(qū)域進(jìn)行光伏建筑一體化集成示范，在樓屋頂選定區(qū)域采用柔性薄膜組件敷設(shè)于屋頂表面，進(jìn)行建筑一體化光伏發(fā)電。光伏組件經(jīng)組串、匯流后，經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同電壓、頻率的交流電后，并入配電室內(nèi)變壓器低壓側(cè)，供用戶使用。采用帶背膠的柔性薄膜組件直接粘貼在屋面上，柔性薄膜組件鋪裝數(shù)量為60 塊，裝機(jī)容量約為7 kWp。柔性薄膜組件分為2 串，20 塊串聯(lián)為1 串和40 塊串聯(lián)為1 串，接入1 臺10 kW 并網(wǎng)逆變器，逆變器出1 根380 V 交流電纜接入隔離變壓器，變壓器出線接入?yún)R流箱，匯流箱就近接入地下一層配電室室內(nèi)。通信部分接入光伏逆變器，逆變器通過RS485 總線接入CPS采控一體箱，組件通過光纖接入本地虛擬電廠態(tài)勢感知系統(tǒng)主控組件。在示范項(xiàng)目建設(shè)10 個光伏發(fā)電座椅，除滿足人員休息使用外，光伏發(fā)電座椅能夠使用太陽能發(fā)電，并配備小型三元鋰電池，提供Wifi 連接、藍(lán)牙音樂、燈光感應(yīng)、不間斷電源（UPS）充電、無線充電等功能。

2.2.7 可視化展示系統(tǒng)

在示范項(xiàng)目綜合樓大廳內(nèi)部署1套可視化展示組件，用以展示CPS樓宇用能優(yōu)化項(xiàng)目建設(shè)成果，方便進(jìn)行宣傳?？梢暬故鞠到y(tǒng)進(jìn)行定制化開發(fā)，采用最先進(jìn)的頁面開發(fā)工具，主要以3D效果展示園區(qū)的各項(xiàng)參數(shù)和圖形，在保證功能的前提下，盡量做到美觀，滿足宣傳展示的需求。頁面展示項(xiàng)目背景、技術(shù)原理、主要參數(shù)等，同時顯示CPS 各系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)，以及可再生能源使用比例和調(diào)控效果等?？梢暬瘓D像處理模塊通過光纖接入本地CPS樓宇用能優(yōu)化展示系統(tǒng)。

3 項(xiàng)目實(shí)證效果

3.1 數(shù)據(jù)采集總覽

建筑基本信息包括建筑名稱、建筑地理位置、建筑層數(shù)、建筑總面積、能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。能源系統(tǒng)信息包括各設(shè)備生產(chǎn)廠商、投運(yùn)日期、設(shè)備型號、設(shè)備參數(shù)等。用能參數(shù)包括電量、功率、電壓/電流、功率因數(shù)、諧波、冷/熱量等，根據(jù)系統(tǒng)要求對建筑用電、空調(diào)能量、空調(diào)用電、各設(shè)備分別用電參數(shù)等進(jìn)行采集?？照{(diào)參數(shù)采集即對空調(diào)冷凍水系統(tǒng)供回水溫度、壓力、流量等參數(shù)的采集。環(huán)境參數(shù)采集即對典型房間室內(nèi)溫濕度、室外環(huán)境溫濕度采集。充電樁系統(tǒng)采集即對充電樁充電電量/功率、充電次數(shù)等的采集。光伏系統(tǒng)采集即對光伏發(fā)電量/功率等的采集。

展示示范項(xiàng)目整體能源情況，包括建筑面積、終端數(shù)量、設(shè)備數(shù)量等基礎(chǔ)信息，能源累計(jì)值和實(shí)時值、各系統(tǒng)能源出力及使用情況等基本信息，項(xiàng)目整體實(shí)時負(fù)荷曲線、各系統(tǒng)負(fù)荷曲線和室外溫濕度曲線，以及需求響應(yīng)和調(diào)控效果的結(jié)果信息。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測告警

系統(tǒng)監(jiān)測分能源系統(tǒng)包括空調(diào)優(yōu)化控制子系統(tǒng)、路燈景觀照明監(jiān)控子系統(tǒng)、配電監(jiān)控子系統(tǒng)、充電樁監(jiān)控子系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)、智能辦公會議子系統(tǒng)。

（1）空調(diào)優(yōu)化控制子系統(tǒng)監(jiān)測頁面以示范項(xiàng)目中央空調(diào)系統(tǒng)流程圖為主進(jìn)行展示，展示圖塊與現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量、樣式等保持一致，同時展示上級變壓器和本地設(shè)備的實(shí)時負(fù)荷情況，可以看到系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行的用電、用冷、機(jī)組供回水溫度、系統(tǒng)供回水溫度壓力、室外溫濕度、能效比（COP）以及其他可采集的參數(shù)。分體空調(diào)頁面以建筑2D平面圖為主，在平面圖中展示各分體空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)和室內(nèi)溫度。

（2）路燈景觀照明監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)測頁面以園區(qū)平面圖為主，在平面圖中標(biāo)注出各路燈、景觀燈的位置，通過現(xiàn)有路燈照明控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，可以實(shí)時看到各照明回路開關(guān)狀態(tài)。

（3）配電監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)測頁面以示范項(xiàng)目配電系統(tǒng)為主進(jìn)行展示，可以看到配電室各變壓器實(shí)時總負(fù)荷、三相參數(shù)以及諧波含量等，告警位置有相應(yīng)的警示，點(diǎn)擊可進(jìn)入告警分析頁面。

（4）充電樁監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)測頁面用來展示充電樁運(yùn)行狀態(tài)并對充電行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（5）光伏發(fā)電子系統(tǒng)監(jiān)測頁面用來展示光伏系統(tǒng)實(shí)時發(fā)電量及累計(jì)發(fā)電量。

監(jiān)控告警具備實(shí)時捕獲電壓、電流、負(fù)荷、頻率、功率因數(shù)、電量等用能指標(biāo)的異常情況，以及主要設(shè)備故障信息的功能，并將異常信息進(jìn)行展示和告警。用戶可以通過此功能查看異常用能情況，了解異常用能產(chǎn)生的時間、地點(diǎn)等級等信息。

3.3 查詢分析

實(shí)現(xiàn)對示范項(xiàng)目各系統(tǒng)各用能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位、多維度、多角度的查詢分析，并采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，找出運(yùn)行中可能存在的問題。

3.3.1 綜合查詢

綜合查詢是對能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。按時、日、月、年不同時段，或不同設(shè)備對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分析能耗總量、空調(diào)系統(tǒng)能耗占比、各設(shè)備能耗在空調(diào)能耗中占比、光伏系統(tǒng)出力等，標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換，以及歷史趨勢，同期對比能源數(shù)據(jù)等之后，自動生成實(shí)時曲線、歷史曲線、預(yù)測曲線，為技術(shù)節(jié)能提供數(shù)據(jù)分析，并預(yù)測能耗趨勢。

3.3.2 負(fù)荷分析

負(fù)荷分析是基于負(fù)荷、無功功率、功率因數(shù)、電壓、電流等用電歷史數(shù)據(jù)，對用能設(shè)備進(jìn)行多時間維度（日/月/年）的統(tǒng)計(jì)分析，并計(jì)算出設(shè)備的負(fù)荷平均值、最大值、最小值，反應(yīng)整體的負(fù)荷情況、樓宇的負(fù)荷情況和用電設(shè)備的負(fù)荷情況以及它們之間的平衡關(guān)系。

3.3.3 能效分析

能效分析是對示范項(xiàng)目電量、負(fù)荷的監(jiān)測，結(jié)合環(huán)境溫度綜合分析，直觀展示環(huán)境溫度曲線，體現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)效率、光伏系統(tǒng)效率等，幫助加強(qiáng)空調(diào)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的運(yùn)行管理，出具系統(tǒng)模型和優(yōu)化建議，改善并促進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。

3.4 需求響應(yīng)

根據(jù)監(jiān)測的負(fù)荷情況以及用戶運(yùn)行情況計(jì)算出可調(diào)負(fù)荷量，將可調(diào)負(fù)荷量上報至綜合能源服務(wù)平臺，在綜合能源服務(wù)平臺下達(dá)響應(yīng)事件時進(jìn)行響應(yīng)并執(zhí)行，將響應(yīng)過程及結(jié)果進(jìn)行反饋。策略執(zhí)行時先在策略驗(yàn)證界面中進(jìn)行測試驗(yàn)證，需求響應(yīng)策略驗(yàn)證可調(diào)負(fù)荷量，驗(yàn)證完后進(jìn)行策略發(fā)布，發(fā)布后在頁面中展示響應(yīng)過程，并能夠分析每一次所執(zhí)行的調(diào)控策略，且可直觀地看到執(zhí)行策略后的效果。需求響應(yīng)調(diào)控可展示調(diào)控前后負(fù)荷差異、執(zhí)行時間、對室內(nèi)溫濕度有無影響等。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目通過樓宇設(shè)備級、系統(tǒng)級等角度建立了一套完善的社區(qū)級虛擬電廠態(tài)勢感知系統(tǒng)，可以有效地增強(qiáng)樓宇空調(diào)系統(tǒng)精準(zhǔn)感知預(yù)判。通過建立樓宇CPS 能源管理體系、用能精細(xì)化控制及空調(diào)負(fù)荷精準(zhǔn)控制模型，提升了樓宇管理能效、空調(diào)運(yùn)行等節(jié)能管理能力。項(xiàng)目采用先進(jìn)的通信技術(shù)、傳感量測技術(shù)、智能決策技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模用戶的實(shí)時在線管理，構(gòu)建了相對獨(dú)立的基于CPS 架構(gòu)的商業(yè)樓宇精細(xì)化用能和空調(diào)負(fù)荷精準(zhǔn)控制的態(tài)勢感知系統(tǒng)，為電網(wǎng)調(diào)度手段提供了有益補(bǔ)充。項(xiàng)目圍繞不同類型樓宇的設(shè)備組成和用能需求，依托泛在電力物聯(lián)網(wǎng)手段，基于不同樓宇的量測體系建設(shè)，圍繞能效提升、需求響應(yīng)、配電運(yùn)維、智能用電等需求，通過樓宇運(yùn)行數(shù)據(jù)的各種對比對標(biāo)分析，優(yōu)化和指導(dǎo)用戶的各用電系統(tǒng)運(yùn)行。對樓宇能源管理全生命周期監(jiān)控，指導(dǎo)樓宇用戶用能設(shè)備的運(yùn)檢和維護(hù)，對樓宇空調(diào)運(yùn)行效率和用能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析，給出用戶節(jié)能潛力分析建議，指導(dǎo)用戶日常管理節(jié)能。項(xiàng)目深挖需求側(cè)資源潛力，為電網(wǎng)供需平衡提供有力保障，促進(jìn)資源優(yōu)化配置，發(fā)揮了柔性精準(zhǔn)負(fù)荷控制形成的“虛擬電廠”作用，有效挖掘了需求側(cè)資源潛力，協(xié)調(diào)解決快速發(fā)展造成的電網(wǎng)供需不平衡矛盾和大電網(wǎng)安全風(fēng)險，有利于可再生能源的接納，提高區(qū)域電網(wǎng)清潔能源占比，為電力資源的合理調(diào)配和電力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供了技術(shù)支撐。在下一步工作中將進(jìn)一步綜合考慮多場景能源融入場景，擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍。