基于能源互聯(lián)網(wǎng)的港口岸電管理系統(tǒng)研究*

劉春雨, 黃向南, 劉際芳

(上海聯(lián)聯(lián)?？颇茉纯萍加邢薰? 上海 200063)

0 引 言

隨著水路運(yùn)輸貿(mào)易量、港口經(jīng)濟(jì)的不斷增長,作為物資轉(zhuǎn)運(yùn)的重要環(huán)節(jié),港口的能源消耗也隨之增長,同時船舶在停泊期間通過燃油發(fā)電排放了大量的空氣污染物,如CO2、CO、NOx、顆粒物(PM)等,導(dǎo)致港口能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益突出。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),盡快改善港口能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)清潔能源替代、減少污染排放,建設(shè)智慧、綠色港口能源系統(tǒng)已迫在眉睫[1]。據(jù)統(tǒng)計,利用岸電替代傳統(tǒng)船舶輔機(jī)發(fā)電,NOx、SOx可分別減排97%、96%[2],已逐漸成為改善港口城市環(huán)境的重要手段。

能源互聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)理念和技術(shù)構(gòu)建的融合能源與信息的新型開放系統(tǒng)[3],強(qiáng)調(diào)智能電網(wǎng)、智能通信、智能交通等概念的融合拓展,并對各項技術(shù)進(jìn)行升級應(yīng)用[4]。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,新能源將逐漸成為發(fā)電主體。對于港口而言,由于岸電的大范圍推廣,將成為新興的重要用電負(fù)荷。岸電設(shè)施作為港口與船舶用戶直接產(chǎn)生聯(lián)系的設(shè)備,其配套的岸電管理系統(tǒng)作為港口能源系統(tǒng)和船舶用能系統(tǒng)的鏈接樞紐,承擔(dān)著給船舶提供能源的任務(wù),也是實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效供能的前提。

因此,本文結(jié)合港口資源的特殊屬性,基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以兼顧港口各類能源的岸電管理系統(tǒng)為研究對象,對能源互聯(lián)網(wǎng)特征進(jìn)行研究,分析了岸電運(yùn)營服務(wù)、分布式能源接入及控制、系統(tǒng)監(jiān)控等需求,設(shè)計岸電管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu),分析岸電管理系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)內(nèi)容和軟件功能,對信息互聯(lián)互通技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、多類型分布式資源協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)特征

能源互聯(lián)網(wǎng)(IoE)是由美國學(xué)者Jeremy Rifkin在其著作《第三次工業(yè)革命》中提出的,被認(rèn)為是解決當(dāng)今能源危機(jī)、促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展重要思路[5]。能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特征如下。

(1) 強(qiáng)調(diào)能源系統(tǒng)與信息通信技術(shù)的深度融合,注重多能系統(tǒng)間的聯(lián)系,能源轉(zhuǎn)換設(shè)備使得耦合互動成為可能。

(2) 要求容納高比例可再生能源,利用儲能、需求響應(yīng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的削峰填谷[6]。

(3) 系統(tǒng)中能量流和數(shù)據(jù)流并行,實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)/設(shè)備間的雙向互動,貫穿于能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和利用的各個環(huán)節(jié)。

能源互聯(lián)網(wǎng)的五大重要元素包括可再生能源、分布式發(fā)電、分布式儲能、能源互聯(lián)以及零排放交通。對于港口岸電管理系統(tǒng)而言,以岸電和互聯(lián)網(wǎng)為核心,在保障能源系統(tǒng)安全的前提下,最大限度地開發(fā)利用風(fēng)力/光伏可再生能源,實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電和岸電負(fù)荷的廣泛接入,提高能源利用的效率和用戶的便捷性[7]。從系統(tǒng)角度解決港口能源單耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題,促進(jìn)能源及其相關(guān)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新,催生能源生產(chǎn)、消費(fèi)、服務(wù)等新業(yè)態(tài)和商業(yè)模式[8]。

2 岸電管理系統(tǒng)需求

2.1 岸電運(yùn)營服務(wù)需求

(1) 供電服務(wù)[9]。為靠港船舶提供電力供應(yīng)是港口岸電系統(tǒng)最基本的功能,考慮船舶用電對電源型式、供電質(zhì)量要求較高,岸電系統(tǒng)應(yīng)保障供電能力,滿足船舶相關(guān)檢驗規(guī)范要求。

(2) 信息服務(wù)。為港口及船舶用戶提供岸電的基礎(chǔ)信息服務(wù),包括港口名稱、泊位類型、噸級等港口信息,岸電容量、設(shè)備狀態(tài)、供電電壓、接口載流量、頻率等設(shè)備參數(shù)信息,以及岸電使用電價、服務(wù)費(fèi)等用電信息,為用戶提供直觀的信息服務(wù)。

(3) 交易服務(wù)。為船舶用戶提供賬戶注冊、登錄、修改、刪除、查詢等操作,以及編輯船舶名稱、船舶識別號、系統(tǒng)電壓、頻率等船舶用電系統(tǒng)信息。根據(jù)船舶的用電起始時間、用電電量、結(jié)束時間等生成連船交易記錄。用戶根據(jù)智能計量裝置計算的船舶用電量以及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)完成費(fèi)用結(jié)算,交易過程結(jié)束。

對于分散式安裝低壓小功率標(biāo)準(zhǔn)化岸電設(shè)施,提供移動端App或應(yīng)用程序,為用戶提供船舶用電的起?？刂坪徒灰子唵谓Y(jié)算等服務(wù)。

2.2 分布式能源接入及有序控制需求

支持分布式電源(風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電)、儲能等無縫接入港口電網(wǎng),制定合理的運(yùn)行策略,優(yōu)化協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方式,對儲能、電動船舶的充放電過程有序可控,確保港口電網(wǎng)高效經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)綜合監(jiān)控需求

通過岸電管理系統(tǒng)的監(jiān)控功能為港口供電系統(tǒng)、分布式電源、儲能及岸電設(shè)施等提供安全保障,具有對風(fēng)力/光伏系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、光伏組件、逆變器、匯流箱等,儲能系統(tǒng)的電池、儲能變流器PCS、電池管理系統(tǒng)BMS等,以及岸電的進(jìn)線電源、接口、控制器等全部系統(tǒng)的裝置及其他附屬控制設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時控制和故障記錄與診斷等功能。實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的電力參數(shù)電壓、電流、頻率的閉環(huán)控制和保護(hù)控制,保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

2.4 參與電力輔助服務(wù)需求

根據(jù)港口能源需求、市場信息和運(yùn)行約束等實(shí)時決策,優(yōu)化控制能源生產(chǎn)、消費(fèi)及交換,協(xié)助參與需求響應(yīng)、電力交易,靈活調(diào)度各類設(shè)備,降低用戶的用電費(fèi)用,提高能源利用效率。

2.5 其他需求

為保障系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保密,建立身份認(rèn)證、訪問控制、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名等安全保密機(jī)制,采用安全可靠并且普遍使用的加密算法,在安全的環(huán)境中存貯密鑰和加密/解密交易信息,定期更換密鑰,具備對報文做來源正確性鑒別的機(jī)制,滿足數(shù)據(jù)安全保密的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于能源互聯(lián)網(wǎng)的岸電管理系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用“本地監(jiān)控+云平臺+分層架構(gòu)”模式,集成港口岸電、分布式電源、儲能及配電系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)備,形成以岸電運(yùn)營管理、綜合能源管理為核心的管控一體化的管理系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、通信、分析、控制和管理等,實(shí)現(xiàn)對港口能源系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測、運(yùn)行管理、優(yōu)化控制、參與電力輔助服務(wù)等各類功能,滿足不同港口的運(yùn)行管理需求。

3.1 總體架構(gòu)

岸電管理系統(tǒng)總體架構(gòu)是對港口岸電管理系統(tǒng)的概要描述,采用分層分布式結(jié)構(gòu),共分為應(yīng)用管理層、通信傳輸層及現(xiàn)場采集層。岸電管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 岸電管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

應(yīng)用管理層是人機(jī)交互的直接窗口,也是系統(tǒng)的最上層部分,通常為本地監(jiān)控系統(tǒng)、云服務(wù)管理平臺、移動端應(yīng)用程序等,對系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析、處理與展示。

通信傳輸層作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交換的橋梁,通常由通信單元實(shí)現(xiàn)與上下層之間的信息交互。對下采用Modbus RTU、Can總線等現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,對上采用HTTP、MQTT、Websocket、Modbus TCP/IP等通信協(xié)議。其中,MQTT協(xié)議采用發(fā)布/訂閱模型的設(shè)計,使通信的參與者在空間、時間和控制流上完全解耦,易于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展,通信傳輸消耗少,具有協(xié)議簡單、開放、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[10],適用于分散布置岸電設(shè)施的物聯(lián)通信。

(3) 現(xiàn)場采集層對系統(tǒng)數(shù)據(jù)源進(jìn)行傳感測量、采集以及接入處理,數(shù)據(jù)來自分布式電源、儲能、岸電、配電等系統(tǒng)設(shè)備測控裝置和計量裝置。作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源層和現(xiàn)場設(shè)備層,采集系統(tǒng)設(shè)備的開關(guān)量、電力參數(shù)、計量等各種類型數(shù)據(jù),并負(fù)責(zé)執(zhí)行上級的控制指令。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

岸電管理系統(tǒng)軟件宜采用3層結(jié)構(gòu),縱向業(yè)務(wù)應(yīng)用與相關(guān)支撐服務(wù)相關(guān)聯(lián),橫向不同的服務(wù)通過數(shù)據(jù)庫松耦合[11],便于系統(tǒng)的移植和擴(kuò)展,簡化復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。軟件架構(gòu)分為業(yè)務(wù)應(yīng)用層、支撐服務(wù)層、軟件支撐層。岸電管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 岸電管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過服務(wù)功能模塊搭建出不同的應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ),提供了基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展功能兩類服務(wù)。其中,基礎(chǔ)功能針對系統(tǒng)管控的基本需求,包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、實(shí)時監(jiān)測、支付結(jié)算、維護(hù)管理等;擴(kuò)展功能針對各子系統(tǒng)的優(yōu)化控制、需求響應(yīng)等輔助服務(wù)。

支撐服務(wù)層通過建立統(tǒng)一規(guī)范的底層交互平臺、數(shù)據(jù)傳輸接口、數(shù)據(jù)庫訪問接口以及控制命令接口等,實(shí)現(xiàn)各層的分離。各層更專注各自功能實(shí)現(xiàn),有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性。

軟件支撐層應(yīng)兼容多種主流操作系統(tǒng)(Windows/Unix/Linux),支持跨平臺和混合平臺操作,以便滿足不同用戶的需求。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 信息互聯(lián)互通技術(shù)

為保障各資源、系統(tǒng)運(yùn)行的同步性以及快速響應(yīng)業(yè)務(wù)通信需求,聚合港口的分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動船舶等不同類型的分布式能源。

岸電管理系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議應(yīng)滿足雙向通信需求,具備面向能源互聯(lián)網(wǎng)高級應(yīng)用的互操作性,實(shí)現(xiàn)端到端的可靠安全通信,能抵御潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊[12]。通過采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施整合是提高信息采集和傳輸效率的可行方式[13],使得系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)之間的能源信息無阻流動,有效實(shí)現(xiàn)能源價格、實(shí)時狀態(tài)參數(shù)、控制決策等信息互聯(lián)互通,以及電源、負(fù)荷端的智能控制。

4.2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

隨著電力系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展,對系統(tǒng)設(shè)備的管理功能、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)等需求越來越精細(xì)化和多樣化,導(dǎo)致系統(tǒng)需要采集處理海量的數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)來源更多,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,對數(shù)據(jù)的采集及處理速度要求更高,因此大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用是電力行業(yè)信息化、智能化發(fā)展的必然要求,將保證能源互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

岸電管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)如表1所示。

表1 岸電管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

面對海量數(shù)據(jù),采用FP-growth關(guān)聯(lián)關(guān)系算法、分布式聚類算法、深度學(xué)習(xí)等多種數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取、清洗、選擇等功能,可用于負(fù)荷建模/預(yù)測、需求側(cè)管理和響應(yīng)、多能調(diào)度規(guī)劃等場景[14]。

4.3 多類型分布式資源的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

港口的多類型分布式資源包括分布式電源、分布式儲能、電動船舶、電動汽車及其他可控負(fù)荷等,可共同參與電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化,不僅能提高電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,還能提升港口能源綜合利用效率和經(jīng)濟(jì)收益。港口多類型分布式資源的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)分為輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)和港口資源3個層級。多類型分布式資源的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3 多類型分布式資源的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

在時序上包括日前計劃、日內(nèi)滾動計劃和實(shí)時控制3個階段[15]。二級控制中心為配電網(wǎng)調(diào)度部門或負(fù)荷集成商。港口層面控制中心由港口岸電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),與上級控制中心進(jìn)行可靠的接口對接和業(yè)務(wù)銜接,在基于港口需求前提下使得港口層面與上級電網(wǎng)形成有效的協(xié)調(diào)互動機(jī)制。

考慮風(fēng)力、光伏分布式電源的間歇性和儲能技術(shù)制約,利用大數(shù)據(jù)分析預(yù)測分布式電源與負(fù)荷的波動性,以實(shí)現(xiàn)港口與電網(wǎng)之間的實(shí)時供需平衡。供需互動包括電能、信息和交易的互動[16],按照流動方向分為發(fā)電權(quán)交易、用電權(quán)交易等單向互動和負(fù)荷調(diào)度、需求響應(yīng)、電力輔助服務(wù)等雙向互動。

5 結(jié) 語

本文以兼顧港口綜合能源管理功能的岸電管理系統(tǒng)為研究對象,對能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的功能需求進(jìn)行詳細(xì)的梳理分析,并設(shè)計港口岸電管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu),通過研究互聯(lián)互通、大數(shù)據(jù)分析、協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)為港口岸電管理系統(tǒng)乃至港口綜合能源管理系統(tǒng)的建設(shè)提供方案。隨著電力市場改革的深入和新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,系統(tǒng)將面臨日益復(fù)雜的環(huán)境和需求,因此,在船岸接口/協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、儲能電池優(yōu)化配置、綜合能源優(yōu)化控制、電力輔助服務(wù)參與、數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等多方面還需開展進(jìn)一步的研究。