趙建立, 周雯娟, 奚培鋒, 張少迪, 鄭慶榮

(1.國網(wǎng)上海市電力公司, 上海 200122;2.上海市智能電網(wǎng)需求響應重點實驗室, 上海 200063;3.上海電器科學研究院, 上海 200063)

0 引 言

海綿城市概念來源于水利系統(tǒng),是新一代城市雨洪管理概念,在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用,能夠提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災害的發(fā)生[1]。

當前電網(wǎng)在運行的安全性、經濟性、消納區(qū)外可再生能源等方面存在瓶頸。電力供需關系缺乏彈性,電網(wǎng)安全壓力大;短時尖峰負荷、電網(wǎng)峰谷差問題,造成電力供應的經濟性差;受端城市電網(wǎng)負備用不足問題,限制低谷輕負荷時段對區(qū)外可再生能源的消納。

同時,用戶側能源管理系統(tǒng)彼此互不聯(lián)通,信息孤島效應下,大量用戶側電力資源閑置浪費,無法形成規(guī)?；?。電力用戶與電網(wǎng)企業(yè)之間的關系主要表現(xiàn)在電力消費者與電力供應者的關系,內涵單一,電力更多表現(xiàn)為能源的載體,商品屬性弱化。

因此,借鑒滴滴出行等互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用的理念[2],通過構建網(wǎng)約電平臺,打通供需信息壁壘,實現(xiàn)資源的共享與優(yōu)化尤為必要。

國內相關研究主要集中于空調系統(tǒng)建模、聚合模型、控制模式、調控策略,電動汽車充電協(xié)調問題[3-5],以及“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”理念下的應用創(chuàng)新[6],并取得一定研究成果,但是在規(guī)模化、統(tǒng)一化的用電側電力統(tǒng)一管理方面的研究缺失。

本文在國內已有研究成果的基礎上,基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的理念[7],系統(tǒng)闡述電力海綿城市系統(tǒng)的設計思路。

1 建設理念

1.1 基本原理

電力海綿城市系統(tǒng)又稱為城市用電側電力統(tǒng)一管理平臺(Power Load Uniform Management System,PUMS),旨在構建一種富有彈性的城市電網(wǎng)。系統(tǒng)把每個用戶看作一個電力海綿顆粒,把城市用電側部分看作為整體的電力海綿體,基于人工智能、大數(shù)據(jù)分析與云計算,應用電動汽車的廣泛接入、大規(guī)模分散蓄能、主動負荷分時管理、快速精準負荷控制等手段,最大限度地實現(xiàn)電力供需關系的柔性化以及城域供需協(xié)同。系統(tǒng)運行原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運行原理

1.2 建設目標

(1) 讓用戶聯(lián)通,在城市用電側構建整體的電力海綿體,增強電力供應彈性,形成統(tǒng)一化、規(guī)?；某鞘杏秒妭葯C動調控能力。

(2) 為城市賦能,打造城市范圍內“網(wǎng)荷互動、用戶互動”融合共生的電力供用生態(tài)體,豐富電力商品屬性。

2 應用設計

電力海綿城市系統(tǒng)具有溯源、預測、消納、(正、負)備用、調峰、調頻、凈化、交易等8大功能。

(1) 溯源。通過用電與配網(wǎng)環(huán)節(jié)信息貫通,實現(xiàn)電能從用電末端依次向上級環(huán)節(jié)溯源。

(2) 預測?；谟脩舻挠秒娞卣鞣治?實現(xiàn)從末端向上的城市電網(wǎng)負荷預測。

(3) 消納。通過調峰、正負備用機制,提高外來可再生資源電力受入能力。

(4) 備用。按照響應速度、持續(xù)時間等因素統(tǒng)籌調控用電側電力資源,能夠按電網(wǎng)要求降低的負荷容量為正備用,能夠按電網(wǎng)要求升高的負荷容量為負備用。

(5) 調峰。對用電側負荷規(guī)模化調控,視作虛擬電廠,參與電網(wǎng)調峰。

(6) 調頻。實現(xiàn)用電側可調負荷ms級控制,參與電網(wǎng)調頻[8-9]。

(7) 凈化。通過用電側資源群控,解決局域電網(wǎng)低電壓、諧波等問題。

(8) 交易。還原電力的商品屬性,用戶可以把自身能源稟賦、能源消費習慣轉化為資源,通過平臺實現(xiàn)“供需對接”和“余缺調劑”,例如文獻[6],自動需求響應、點對點調峰、MD額度調劑、閑散余能交易、檢修計劃交易等。

3 系統(tǒng)架構

3.1 組織架構

系統(tǒng)主要由主站、自治能源體、通信系統(tǒng)構成,采用“分布自治-集中協(xié)調”的組織架構[10]?！胺植甲灾巍笔侵笇⒂脩魝纫延械哪茉垂芾硐到y(tǒng)作為PUMS的成員體,維持其既有運行邏輯不變。“集中協(xié)調”是指PUMS主站對各個PUMS成員體進行協(xié)調,實現(xiàn)系統(tǒng)級的協(xié)同,以實現(xiàn)全局互補、協(xié)同、優(yōu)化,減小不確定性。最終通過自治實現(xiàn)自律,通過協(xié)調實現(xiàn)協(xié)同。

系統(tǒng)構建了三大子平臺:統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺,統(tǒng)一的負荷交易平臺和統(tǒng)一的調度控制平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分層接入以及數(shù)據(jù)的分域管理。

(1) 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入平臺(Uniform Data Access Platform,UAP)。統(tǒng)一集成來自各PUMS成員的實時數(shù)據(jù)和離線文件。

(2)統(tǒng)一負荷交易平臺(Uniform Power Trading Platform,UTP)?；谑袌龌瘷C制,搭建統(tǒng)一的多層次多入口的交易平臺架構,實現(xiàn)資源的共享與優(yōu)化,使大中小用戶及居民用戶負荷資源同平臺參與交易。

(3)統(tǒng)一調度控制平臺(Uniform Dispatching Platform,UDP)。通過主站對各個成員體進行協(xié)調,實現(xiàn)整體廣域協(xié)同。

系統(tǒng)組織架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組織架構

3.2 技術架構

系統(tǒng)技術架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)通過自治體層的分布自治、接入層的分層接入和能源互聯(lián)和匯聚層的統(tǒng)一管理,實現(xiàn)主站層的智能推理,全面支撐應用創(chuàng)新。

(1) 能源互聯(lián)互通技術。能源的互聯(lián)互通涉及到系統(tǒng)互聯(lián)與設備互聯(lián)2個方面。

① 系統(tǒng)互聯(lián)。

模式一:統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。應用場景:需要信息系統(tǒng)開發(fā)商配合或數(shù)據(jù)庫開放。技術特點:基于數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)集市技術,通過數(shù)據(jù)搬家、數(shù)據(jù)重寫或者數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一,實現(xiàn)用戶端數(shù)據(jù)的共享聯(lián)通。

模式二:數(shù)據(jù)共享交換[11]。應用場景:只需要系統(tǒng)登錄權限,不需要原來的信息系統(tǒng)開發(fā)商配合和數(shù)據(jù)庫開放。技術特點:在不打破原有數(shù)據(jù)的基礎上,構建連接各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享流通管道,讓深藏在各自獨立而封閉系統(tǒng)中的核心數(shù)據(jù)“安全流動”,保障數(shù)據(jù)“鮮活、按需、有效、安全”[11]。

② 設備互聯(lián)。

模式一:侵入式采集模式。對于配合度較高的電力用戶,在其各用電設備上都安裝傳感器記錄其使用情況,并將數(shù)據(jù)上傳至相關能源管理系統(tǒng)主站。該方法優(yōu)點在于監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、可靠,缺點是實際可操作性差、實施成本高、用戶接受程度較低。

模式二:非侵入式采集模式。其實質就是負荷分解,即將用戶總負荷信息分解為各用電設備的信息,進而獲取用電設備能耗情況與用戶用電規(guī)律等用電信息。這些用電信息具有很高的應用價值,可為電網(wǎng)公司、用戶等多方帶來效益[12]。

與侵入式采集模式相比,非侵入式采集模式經濟投入小,實用性強。

(2) 智能推理技術。應用人工智能技術,基于機器學習方法建立電力客戶分類管理模型,分析不同類型電力客戶用電情況、參與負荷交易的意愿及其驅動因素,提高“網(wǎng)荷互動”和“用戶互動”的效率與效益。

技術原理:① 從統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入平臺獲取的電力客戶數(shù)據(jù),作為數(shù)據(jù)集;② 經分析,選取客戶性質、用戶地理位置、負荷容量、電價、用電量等變量作為特征,采用支持向量機分類的機器學習算法對模型進行訓練,構建電力客戶分類管理模型;③ 利用電力客戶分類管理模型,預測用戶用電需求和參與負荷交易的概率,實現(xiàn)能源精準管理。

3.3 生態(tài)架構

為了廣泛地集成用電側資源,系統(tǒng)構建豐富的生態(tài)結構。

(1) 平臺子系統(tǒng)。包括電力需求響應管理平臺、非工空調需求響應系統(tǒng)、工業(yè)企業(yè)自動需求響應系統(tǒng)、電力需求側管理展示平臺(基于大數(shù)據(jù)架構)、用電側負荷交易平臺(開發(fā)中)、精準負荷控制工程營銷主站(開發(fā)中)。

(2) 有系統(tǒng)接口的系統(tǒng)。包括營銷業(yè)務應用系統(tǒng)CMS、設備(資產)運維精益管理系統(tǒng)PMS(GIS模塊)、用電信息采集系統(tǒng)、用電負荷管理系統(tǒng)。

(3) 計劃開發(fā)系統(tǒng)接口的系統(tǒng),如國家電力需求側管理平臺。

(4) 與平臺具有戰(zhàn)略合作關系的系統(tǒng),如國網(wǎng)商城、電e寶。

電力海綿城市系統(tǒng)生態(tài)架構如圖4所示。

圖4 電力海綿城市系統(tǒng)生態(tài)架構

4 商業(yè)模式與推廣計劃

4.1 目標群體

(1) 電網(wǎng)企業(yè)。系統(tǒng)的構建有利于增強電網(wǎng)運行經濟性,平抑短時尖峰負荷,消減峰谷差,節(jié)省電力投資。電網(wǎng)企業(yè)還可以充分發(fā)掘平臺數(shù)據(jù),開展個性化的延伸營銷、增值營銷。同時有利于增強電網(wǎng)運行安全性,形成用電側機動調控能力,增強電網(wǎng)運行方式靈活性。

(2) 電力用戶。系統(tǒng)的構建使電力的商品屬性更加豐富,用戶可以憑借自身能源稟賦和消費習慣獲取增值收益,促進社會資源的優(yōu)化配置;每個用戶既是使用者又是供應商,用戶用電需求充分釋放,能源管理更加精準,用能成本進一步降低。

(3) 受端電網(wǎng)本地發(fā)電企業(yè)。受端電網(wǎng)本地發(fā)電企業(yè)火力發(fā)電機組,日常運行安排下需要在低負荷時段通過壓機組出力方式實現(xiàn)區(qū)外清潔電力受入,用電高峰時段需要提升機組出力滿足調峰要求。在春秋季節(jié)或節(jié)假日輕負荷時段,由于網(wǎng)供負荷水平低,本地發(fā)電容量接近機組出力下限,機組安全風險突出。

電力海綿城市的建設提升網(wǎng)供負荷水平,確保機組安全。

(4) 送端可再生資源發(fā)電企業(yè)。輕負荷時段用電側負向調峰(填谷)及事故調頻能力的建設,提升跨區(qū)域可再生資源的消納,降低送端可再生資源發(fā)電企業(yè)棄風、棄光、棄水現(xiàn)象,增加企業(yè)收益。

(5) 能源服務企業(yè)。通過系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)的安全、有序共享,降低獲客成本,增加企業(yè)收益。

4.2 商業(yè)模式

(1) 項目產出。

① 節(jié)省電網(wǎng)投資。形成3%用電側機動調峰能力,以上海電網(wǎng)為例,按照20年投資周期,節(jié)省年化投資2億元/年。

② 提升電網(wǎng)售電量。增供擴銷,通過用戶負荷資源智能聚合與優(yōu)化配置,實現(xiàn)用電負荷曲線優(yōu)化,同等電網(wǎng)供應能力下,充分釋放用電潛力,實現(xiàn)更多電量的售出。

③ 實現(xiàn)用戶增值收益。通過建立涵蓋廣泛交易品種的用電側負荷交易平臺,金融化用戶用電消費行為,實現(xiàn)用戶電力增值收益。

④ 減少城市碳排放量。以上海市為例,平臺可以提升20萬kW用電側調頻能力,相應提升直流輸電能力20萬kW,按照300 g/kWh煤耗標準,可減少本地碳排放量52.56萬t/年。

(2) 持續(xù)機制。

① 平臺傭金收益。通過消納、(正、負)備用、調峰、調頻、凈化、交易等服務項目的實施,獲取目標用戶傭金。

② 信息服務收益。通過溯源、預測服務,獲得目標用戶信息服務收益。

③ 廣告推廣收益。作為能源互聯(lián)網(wǎng)平臺,電力海綿城市系統(tǒng)具有可觀的平臺廣告推廣收益空間。參照同樣作為互聯(lián)網(wǎng)公司的騰訊公司發(fā)布的年報數(shù)據(jù),網(wǎng)絡廣告收入可占其總收入的17%[13]。

4.3 推廣計劃

(1) 資金投入。

① 示范工程建設。為了更好地吸引負荷集成商、綜合能源服務公司等第三方能源服務結構,需要在已有客戶資源及工程應用基礎上,繼續(xù)推進相當數(shù)量的示范應用建設。

② 營銷推廣活動。為了系統(tǒng)的推廣,可采用電力積分等營銷推廣活動,需要與電網(wǎng)公司電e寶等應用對接,并安排專項推廣費用。

(2) 模式培養(yǎng)。電力海綿城市生態(tài)的拓展依賴于平臺、入駐服務商、電力用戶多方共贏模式的建立,入駐服務商收益分成、平臺補貼的發(fā)放方式等都會對系統(tǒng)業(yè)務的拓展造成明顯影響。實施中已經基于平臺多次開展需求響應填谷、削峰應用。前期,由于處于試點階段,入駐服務商基本沒有參與補貼分成,且補貼以電費抵扣的方式發(fā)放,入駐服務商和電力用戶的參與積極性還有很大提升空間。

(3) 戰(zhàn)略合作。為了更好地發(fā)揮平臺的資源優(yōu)化配置功能,需要建立與電力交易中心市場管委會、車聯(lián)網(wǎng)、樁企聯(lián)盟等戰(zhàn)略合作伙伴的合作。

5 應用實踐

2015年率先上線電力需求響應管理模塊,2016年上線電力需求側管理站展示平臺,2017年上線非工空調需求響應模塊和工業(yè)企業(yè)需求響應模塊,2018年啟動精準負荷控制工程營銷主站建設,并開始設計用電側負荷交易平臺。

截至2018年8月[14-15],平臺已入駐服務商6戶,已接入負荷數(shù)據(jù)用戶30 140戶(10 kV及以上),參與平臺互動響應用戶677戶,歷史累計調控次數(shù)8次,累計調控負荷155萬kW,最大調控負荷106萬kW(填谷)、34萬kW(削峰),累計發(fā)放補貼超過600萬元。

6 結 語

電力海綿城市系統(tǒng)是實現(xiàn)“需求彈性,供需協(xié)同”和“區(qū)內平衡,廣域協(xié)同”的網(wǎng)約電平臺,屬于能源互聯(lián)網(wǎng)新模式和新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新實踐。本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的理念,從組織架構、技術架構、生態(tài)架構等方面系統(tǒng)闡述了電力海綿城市系統(tǒng)的設計思路,可以為用戶提供多樣化的新型業(yè)務體驗。隨著電力市場的不斷開放,平臺將可以發(fā)布更多的新應用,為電力用戶提供方便的體驗,并獲得增值收益。