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浅谈基于泛在电力物联网的综合能效提升策略

发布时间: 2021-03-19  点击次数: 168次
孟洋
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:能源,是人类赖以生存、社会经济不断向发展的源动力。随着化石能源的消耗殆尽,人类正面临着能源转型、提高能效和节能减排的历史关键期。目,以太阳能、风能及核能为代表的新能源接入规模越来越多且负荷越来越大,这些不同地区不同类型不同时点接入的负荷给能源利用带来了新的挑战。
关键词:泛在电力物联网;电网系统;能效提升;智能化
0引言
针对扑面而来的复杂性需求,在“大云物移智”技术支撑下,能源管理将采用横向多能互补、纵向源-网-荷-储互联互济协同运行的方式,达到综合能效的提升目的:充分利用本地光伏、光热等新能源可再生资源禀赋,充分考虑区域内不同负荷类型差异性、互补性,通过终端冷、热、电负荷需求和源侧多能化匹配,统一规划,减少初投资成本,在不同时间、空间尺度上实现能源的髙效、经济和清洁利用,减少运行、维护成本,提高资产利用率,达到分布式清洁能源就地消纳、能源梯次利用、供能可靠性提升和综合能效提果,。终提升用户体验效果。 
1多能互补和供需互动未来能源供给方式的重要特征 
能源生产和供应方式,将从集中式大规模生产为主的模式,逐步向能源集中式供应与分布式能源就地利用相结合发展。间歇性可再生能源的持续规模化发展,将推动传统能源与之协调配合,不断提高能源系统的灵活性和接纳能力。由于电能的方便性,未来能源载体将以电能为主,一次能源转换成电能的比例将逐步提高;传统能源行业分割和壁垒将在市场需求、市场推进和政府政策引导下逐渐消除,提供综合能源服务企业将成为能源企业的重要发展趋势。由此可以判断,多能互补是未来能源供给方式的重要特征。 
未来我巨大的能源需求总量和增量,将推动能源革命,创建适应供给侧承受能力和限制的新型消费模式,充分发挥需求侧在平衡供需、降低能源需求增速等方面的作用。随着间歇性可再生能源的比重不断提高,将给传统的能源供需平衡模式带来严峻的挑战,迫切要求需求侧能够适应并响应供给侧的变化和限制。能源用户日益多元化的服务需求也要求实现供给侧和需求侧的双向互动,鼓励用户主动参与需求响应,创新能源企业商业模式,有利于减少供给侧不必要的投资,提高能源系统效率和供给。未来能源消费中供需互动将成为新型的典型模式。 
基于上述判断,政府推进了不同的政策进行引导。2016年,家发展改革委、能源局和工信部印发的《关于推进“互联网+ ”智慧能源发展的指导意见》中提出,建设以智能电网为基础,与热力管网、天然气管网和交通网络等多种类型网络互联互通,多种能源形态协同转化、集中式与分布式能源协调运行的综合能源网络。同年,家发展改革委、家能源局发布的《关于推进多能互补集成化示范工程建设的实施意见》中提出了两种服务模式,一是面向终端用户电、热、冷及气等多种用能需求,因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源,化布局建设一体化集成功能基础设施,实现多能协同供应和能源综合梯级利用;二是利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭和天然气等资源组合势,推进风光水火储多能互补系统建设运行。 
2物联网是综合能效提升的重要基础
通过“泛在电力物联网+智慧能源”的建设,结合综合冷热能源化供给、综合能源化运行和能效服务等方面构成智慧能源体系,在此基础上可建设成实现节能环保、经济、可靠及灵活多样的智慧型物联网系统,这是整个能效提升的基础。 
物联网系统采用先进的信息通信技术,基于泛在物联网络,构建物理层、感知层、传输层、平台层和应用层的泛在物联网体系,实现智能化业务终端的统一接入和管控,整合和接入多种智能化控制子系统,对楼宇、工业园区等场景进行信息化建模实现数字化管理,并 
对接入的各类能源进行协调与化,实现综合性的智能化管理、运营和服务,达到业务纵向解耦、数据横向聚合、开放数据创新应用的目的。
组成物联网系统,通过监视、调控终端用能设备,涉及的相关设备很多,在应用中常见以下几类设备: 
1)冷热能源路由器。为用户合理提供热、冷能源,解决供能、用能能量匹配问题,保持能耗的动态跟踪,控制能量供需动态平衡,着眼于源端、供能管网系统和用能系统的能耗动态监视和与源端多类型供能自动协调控制,实现多种模式、多种场景供能模式,达到冷热能源的供消平衡和节约能源的目的。
2)电力能源路由器。电力能源路由器主要关注电力方面的供需平衡,具备感知电力信息融合态势、平衡系统功率、控制电能品质、利用需求侧能源和交互控制多能源协同等高级功能;还具备分布式发电接入以及电能交换、电能质量控制等高级功能,对电力能源的稳定运行起着至关重要的作用。 
3)能量控制器。它可以实现包括配变监测、冷热能量管理、电动汽车有序充电和电能质量综合管理等多类型用能设备和用能系统的协调控制。 
4) 就地协调控制器。通过用能系统就地化自动控制单元,实现分布式冷热电水等能源分层分级就地化控制功能。典型产品包括压差和流量控制器、电动调节阀、智能配电终端、动态流量控制阀和温度压力控制器等。 
5)其他物联网计量、物联网终端。包括电量传感、设备状态监测传感、物理传感、气体传感和用能行为监测的大量其他物联终端。它们通过监测网络,通过能源全景监控,实现能量数据采集、能源数据监控、实时物理感应、设备状态监控及用能行为数据采集等功能。 
3综合能效控制策略 
在能效管理中,仅有物联网设备也是不够的,还需要智能化的控制策略,这些策略可考虑各控制单元不同特性,通过建立表征各种能源单元响应特性与调节能力等的特性模型,形成多种能源的状态空间控制模型。一般控制流程如下,先是对各类设备信息进行实时数据采集,在能源系统内按能源系统特性进行建模,对其运行状态进行研判。正常状态下,可采用多源协调控制分解方法,包括不同时间尺度和不同运行目标下的策略生成,通过多能源状态空间建模,为达到多源协调控制的目的,产生控制指令,对设备进行控制,在发生特殊情况下,开启应急状态的流程,利用应急场景包括不间断供能、自治控制和有序恢复供能的辨识和恢复技术,产生控制指令。 
常见的控制策略如下: 
3.1源-网-荷-储协调一体化管控策略 
构建冷、热、电和气多能源互联集成及互补融合的源-网-荷-储协调运行控制体系,采用多能流调度控制技术,实现对多元能源的一体化协调管控,保障多能互补系统运行的性、可靠性以及性。 
3.2需求侧响应策略 
支持对负荷的精确控制,提高用户参与需求响应的灵活性。通过对需求侧负荷进行精细化建模,分析实施需求响应后用户用电行为的转变,监控需求响应达到的效果,实现供给和需求侧的互动,达到保持供能系统的稳定性和性的目的。 
3.3分布式发电波动快速平抑策略 
提及分布式发电,由于风光资源波动性大,所以出力波动会影响系统稳定运行。这时就需要功率型储能快速调节,以便实时采集当出力信息、实时预测功率波动趋势,以及实时评估储能充放电能力。要实现功率波动平抑,就要实时制定平抑控制策略,快速下发控制策略,并实现超短期功率平抑。 
3.4“光储充” 一体化应用策略 
电动汽车快速增长催生了快充站的建设步伐,但已有的配网线路、配变容量将会限制其大量建设。这时可建设含光伏、储能设备的一体化系统,在用电低谷时进行电力存储,用电高峰时储能放电以弥补过高的电动汽车充电要求。这样通过储能、分布式电源参与负荷的用电,应实现柔性负荷的有序用电。
4综合能源管控系统 
对于多类型供能系统来说,要通过多种能源及各类设备的组合运用,可以采用能源梯级利用方法,建设一套节能、经济、且的能源供应系统,有效的提高能源供应的可靠性并降低用户的能源费用支出。为了达到控制用能系统,达到提升综合能效的目的,在述 泛在电力物联网基础上,应用上述策略进行管理,主要通过综合能源管理系统实施。综合能源系统分云、网、边和端四个层面,具有负荷聚合、集群化、供需互动和互联互济等功能,具有其他类型多平台多业务接口。 
综合能源管控系统具有电能生产、电能消费、电能存储、供水、供气、供热、能效分析、能耗分析、同步环比分析、。值分析、定额分析、异常分析和分析等一系列功能,涵盖了云计算、大数据处理、数据融合、移动应用、协调化控制以及信息等多种技术。主要分为以下四个方面的功能: 
1) 综合监测。利用多异质能源互补机理与源网荷协调化技术,实现多能流协同化调控、区域内的能量平衡与化。综合监测采用横纵双向模式,横向包括“源网荷储”,即能源站监测、能源网监测、能源消费监测和储能设备监测等,纵向如能源生产可逐步发展至能源系统监测和能源设备监测。 
2) 化调度。在综合监测信息分析基础上,在稳定约束下,将调度策略精确分解至各控制单元,实现各能源协调控制,灵活实现不同用户不同场景的综合能源化调度。 
3) 能效分析。利用海量数据挖掘分析技术,实现面向不同用户的全景能源多重能效分析,具体有能耗计量、能耗分析、能耗查询、能耗警报和高级能效分析等功能。 
4) 智能运维。利用采集信息,通过状态估计和故障分析,对电能设备开展专业化智能运维,基于以上信息还可以对用户用能系统实现全方面代维管理,具有资产台账、运维信息、运维分析和智能运维等功能。 
5安科瑞为家电网2020泛在电力物联网建设提供解决方案
安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年,逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系,在“源(电源)-网(电网)-荷(负荷)-储(储能)”各个环节加大研发投入,已经形成“云(云平台)-管(有线/无线物联)-边(边缘计算)-端(终端设备)”的生态系统,积极参与泛在电力物联网建设,为家电网建设“三型两网”提供解决方案,使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互,产生共享数据,从而为电网、发电、供应商、用户服务。
5.1云平台
安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车/自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案,并已经广泛应用在多地网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
5.1.1变电所运维云平台
据统计全高供高计的工商业用户数量达到200多万户,规模巨大,但是大部分日常的运行维护工作比较传统,普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场,这是一个千亿级别的市场。
AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术,通过智能网关采集现场数据并存储在本地,再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据,包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息,有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到人员手机上,并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环,提高运维效率,即时发现运行缺陷并做消缺处理。
5.1.2能源管理云平台
Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业,如政府办公建筑、工厂、教
Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业,如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等,可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据,对用能数据进行分析,按照区域、部门、用电设备类型进行细分,提供同比、环比分析比较和用能数据追溯,同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表,帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。

5.1.3环保用电监管云平台
近年来我们的环境质量有了很大的改善,这都归功于家层面对环保的重视和环保部门的有力监察。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案,助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务,为环保部门提供在线监管和依据,为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量,进行关联分析,及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号,实现全过程防控。端设备采用不停电免接线方案采集用电数据,经LORA无线上传到环保数据网关,再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控,实现对排污企业生产运行无死角、全流程监控,达到变人防为信息化技防,从事后处罚到介入式,彻底扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态,为环保监管开辟加切实、有效的监管方式,形成长效机制
5.1.4智慧用电云平台
据应急管理部网站数据,2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的30%~34%左右,其中2018年全共接报火灾23.7万起,因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的34.6%,较大和重大火灾事故中,电气火灾的比例高。消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广使用用电、智慧用电,从源头上预防电气火灾的发生,现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素(线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压)进行不间断的数据跟踪与统计分析,通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据,实时发现电气线路和用电设备存在的隐患(如:线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等)并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警,有效防止电气火灾的发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度,并支持巡检记录和派单操作,提供隐患分析报告,实时评估企业用电状态。
5.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具,Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;用户通过小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网,配合加密技术和秘钥分发技术,基于TCP/IP的数据交互协议,与云端进行直连。
电动自行车数量越来越多,解决了老百姓短距离出行问题,但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜,有逐年增长的趋势,给社会带来了很大的损失,成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点,各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治重点都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台,针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案,解决充电难、管理难和收费难的问题,可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理

5.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
近两年来,安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设,提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品,各类用户端云平台在全各地运行案例700多套,并且根据用户需求不断完善产品功能,这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
“能源互联网的春天到了,因其所能,它必将成为充满活力的新型能源业态。”尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音,但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来,融入能源互联网基础建设的方方面面。
6智慧楼宇和智慧园区的应用 
以智慧楼宇的综合能源系统为例,针对传统商业楼宇用能信息采集不全、能效不高和与电网缺乏协同互动等问题,建设综合能源系统,应用边缘计算、人工智能、大数据分析和空调群控等关键技术,通过用能控制系统、云边能源路由器和轻量级能效采集终端等设备及系统平台,推动楼宇空调等主要能耗设备提升能效,并通过参与需求响应、电力市场交易,降低企业用能成本和电网用电负荷。 
以智慧园区为例,传统园区存在能耗高、节能压力大、用能信息不全、各能源子系统相互独立及缺乏与电网互动等问题,通过综合能源管控系统建设可基于边缘计算的能源控制器实现多能互补协调化控制,降低用能成本,提高用能质量,实现园区能源监测、能效分析和能效诊断等功能,充分发挥能源供给的配置作用,实现了多种能源输入(太阳能、天然气和浅层地热能等)、多种供能方式的输出(冷、热和电等)及多种能源转换(光伏、燃气轮机和内燃机,储能系统等),由原来能源独立使用转变为集多能采集、传输、存储分配和转化的新型多能源网络系统,既可充分利用可再生能源,同时又保证系统的电能质量、运行稳 定性、供电可靠性以及区域冷热的综合供应。
参考文献
[1] 钟鸣.基于泛在电力物联网的综合能效提升
[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
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