從虛擬電廠在上海的實踐探索看企業微電網數字化的意義

acrellium

安科瑞 劉邁​

　　作為典型的人口聚集、負荷密集區域，上海市具有外來電比例高、本地資源稟賦不足的特點。從發電側角度來看，近年來上海風、光等新能源發電裝機比例逐年提升，傳統的火電逐漸成為調節性發電資源；從負荷側角度來看上海以第三產業為主，夏冬兩季負荷峰谷差逐年拉大，峰谷差達48.5%（1312萬kW）。與此同時上海商業建筑密集，電動汽車保有量總規模也是全國較高，可調節負荷資源超過8760MW，其中包括工業負荷1230MW、商業負荷2160MW、電動汽車負荷1000MW等，加之上海的企業微電網數字化程度比較高，所以虛擬電廠在上海有得天獨厚的發展條件，上海市也成為建設虛擬電廠的城市之一，并且目前已取得一定的成效。
　　(本文部分資料來源于微信公眾號：電氣思享《虛擬電廠在上海的實踐探索》)
　　1 上海黃浦區商業建筑虛擬電廠示范項目
　　2020年上海市公共建筑能耗分析報告中指出，在上海市建筑的分項用電數據中，空調設備與照明類電器設備在用電總量占據份額超過整體的70%。在以空調負荷、照明負荷為主的負荷體系下，商業建筑中的負荷具有靈活可調的性能，能夠在電力市場中發揮巨大的調峰作用和經濟價值。
　　黃浦區作為上海市商業建筑的密集聚集區，擁有超過200幢大型商業建筑，并且很重要的一點是在原有建筑中配備能耗監測裝置，有完備的數字化基礎條件實施需求響應項目。目前黃浦區內約50%的商業建筑接入了虛擬電廠平臺。根據用戶參與情況，對優良資源開展自動需求改造，采用自動需求響應技術實現對用戶側設備的調控。截止2021年，上海市黃浦區智慧虛擬電廠平臺已納入黃浦區商業樓宇130幢，注冊響應資源約60MW商業建筑需求響應資源，包含了冷水機組、風冷熱泵、電熱鍋爐、動力照明、充電樁等大量可控用電設備。黃浦區虛擬電廠實現了在不降低用戶用能體驗的前提下，針對用戶的一樓一策個性化定制。
　　2 上海嘉定區泛在電力物聯網智慧充放電示范試點項目
　　嘉定是上海汽車產業聚集地，嘉定供電公司與國網電動汽車服務有限公司合作開展泛在電力物聯網智慧充放電示范試點項目，應用V2G技術和有序充電技術，統籌協調電動汽車與電網電力電量平衡，合理地提高電動汽車與電網協調運行的有序性、可靠性、經濟性，實現電動汽車、儲能、分布式電源、微電網等新型用能設備的即插即用、數據感知、采集和控制，統一協調，有序運行。智慧有序充電建設通過對用戶充電行為、用能行為的靈活引導與主動調控，降低配變峰值負荷超過30%，將80%充電量優化調整到了配變負荷低谷時段，使配變接納充電樁能力提高4倍，顯著提升配電網資源利用率，實現削峰填谷。
　　3 企業微電網數字化是虛擬電廠的基礎建設
　　從黃浦區的商業建筑虛擬電廠示范試點項目和嘉定區泛在電力物聯網智慧充放電示范試點項目來看，虛擬電廠的建設對電網調峰填谷、合理利用新能源的提升作用是巨大的，帶來的經濟效益也非常明顯。
　　上海之所以成為建設虛擬電廠的城市之一，并且能快速取得成效的主要原因有以下幾點：一是上海是商業非常發達的大都市，同時也是電動汽車存量較高的城市，用戶負荷中空調、照明和充電樁所占比例比較大，季節因素容易導致峰谷差大，需要有一定的調峰填谷手段來促使充分消納新能源，維持電網穩定運行；二是以空調、照明和充電樁為主的商業負荷具有靈活可調的特點，大規模的可控負荷聚合是虛擬電廠的必要條件；三是上海的商業建筑基本都配備能耗監測裝置和能源管理系統，已經實現了建筑能源的數字化管理，有完備的數字化基礎建設實施虛擬電廠的需求響應，這樣便能以較快的速度和較少的成本實現虛擬電廠的搭建和運行，不存在很多地區企業微電網數字化水平低的瓶頸制約。
　　4 怎么建立企業微電網數字化
　　安科瑞在上海參與了眾多的企業微電網數字化建設項目，比如上海某區191棟商業辦公建筑的能耗數字化管理系統(見圖1)、嘉定區140多所學校的配電數字化運維系統(見圖2)、張江園區31棟建筑的用電管理系統等，數量眾多的微電網數字化系統匯聚成了上海虛擬電廠建設的基礎。

圖1 191棟商業辦公建筑能耗數字化管理系統

圖2 嘉定區140所學校配電數字化運維系統

　　企業微電網的數字化系統(EMS)包含安裝于現場的傳感器、智能網關和微電網數字化軟件。傳感器用于監測和控制建筑的負荷設備和分布式發電設備(系統)，現場傳感器的數據接入邊緣計算智能網關，每個智能網關可以看做是一個區域指揮部，采集所接傳感器數據進行協議轉換后上傳EMS或轉發第三方平臺，網關可以根據預設閾值或自動學習來執行邏輯計算，并執行EMS的指令。EMS可以看做是企業微電網的指揮部，根據智能網關上傳的數據生成各類圖表、控制策略和分析結論，并響應虛擬電廠的調度指令，系統架構圖如圖3所示。

圖3 企業微電網數字化系統(EMS)網絡架構

　　AcrelEMS企業微電網數字化系統融入企業負荷側的電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，用戶通過一個平臺即可全局、整體的對企業微電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，同時滿足企業用電可靠、安全、節約、有序用電要求。
　　5 微電網數字化系統功能
　　5.1 電力監控
　　對企業高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控制，監測企業微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發出告警信息，提高企業供電可靠性。

圖4 電力監控功能

　　5.2 能耗分析
　　采集企業電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業碳排放，為企業制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖5 能耗分析功能

　　5.3 照明控制
　　智能照明控制功能可以根據企業情況實現定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現人來燈亮、人走燈滅，并可以根據系統的控制策略實現集中控制，為企業節約照明用電。

圖6 照明控制功能

　　5.4 分布式光伏監控
　　監測企業分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發電效率分析、發電量及收益統計以及光伏發電功率控制。

圖7 分布式光伏發電監測

　　5.5 儲能管理
　　監測儲能系統、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，降低企業用電成本。

圖8 儲能管理

　　5.6 充電樁運營管理
　　監測企業充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，并根據企業負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節充電樁的充電功率，使企業微電網穩定安全運行。

圖9 充電樁管理

　　5.7 需求響應
　　根據企業負荷波動數據，再結合虛擬電廠的調度指令，決定以何種方式參與電網需求響應，平臺可通過給儲能系統下發控制策略，調整充發電時間。平臺在需求響應時間段調整可控負荷功率，停止給可中斷負荷供電，并且可以根據企業可控負荷數據制定需求響應控制策略，實現一鍵響應。

圖10 企業微電網數字化系統需求響應示意圖

　　5 微電網數字化系統硬件設備
　　安科瑞針對企業微電網數字化系統除了軟件外，還具備現場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"數字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控制、新能源充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為企業微電網數字化提供一站式服務能力，部分設備見表1。

表1 企業微電網數字化建設部分硬件設備

　　6 結束語
　　面向未來，AcrelEMS企業微電網數字化平臺將結合行業特點、服務“雙碳"目標，積極利用安科瑞“云-邊-端"的產品體系和企業微電網數字化技術積累幫助企業改造傳統電網，加速推動企業微電網向更加智慧、更加安全、更加友好的能源數字化升級，為促使區域虛擬電廠建設作出持續貢獻。同時安科瑞已經建設的數以千計的企業微電網數字化系統可能也將根據企業意愿成為匯聚成虛擬電廠的涓涓細流。