案例分享|国网智能电网研究院—“源-网-荷-储-数” 多资源聚合虚拟电厂调控仿真系统


一、背景介绍

 

“双碳”目标对清洁能源的大力开发与广泛使用进一步提出要求 

 

随着“双碳”目标的提出,电力作为清洁、高效的二次能源,将在支撑社会经济发展,服务民生用能需求,构建清洁低碳、安全高效能源体系中发挥更加重要的作用。推动电力的大规模应用构建清洁低碳安全高效能源体系。 

 

电力市场化程度不断加深,多地试点推进建设电力现货市场

 

在近五年间,多地开始试点建设电力现货市场。中国电力市场交易电总量快速增加,2021年市场交易电量占全社会用电量已经来到45.5%,电力市场化程度进一步加深。 

 

整合发电端和用电端,灵活调节负载端和运输端;参与电力市场运行全过程

 

虚拟电厂即虚拟化的电厂,是一种通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式电源、储能系统、可控负荷、微网、电动汽车等分布式能源资源的聚合和协调协同优化,以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统 。 

 

二、系统特点

 

“源-网-荷-储-数” 多资源聚合虚拟电厂调控仿真系统主要针对新能源/电气专业的老师/学生而开发的智能电网科研/教学设备。系统的核心在于中央控制与能量调配,本系统采用集中管理的方式对一次侧接入进行电能调度分配;

(1)可实现模拟光伏,模拟风电、蓄电池、超级电容、模拟负载、燃料电池、充电桩等多种一次侧设备的互联,各个设备都单独可控,通过IEC61850规约,实现四遥数据的控制。
(2)实现虚拟电厂系统数据监控、数据采集、设备管理、功率控制、电能质量监测、用电计划设定等。
(3)用户侧分布式资源聚合仿真功能,仿真分析多类型分布式资源聚合策略,包括考虑经济性的聚合策略、环保性聚合策略、发用电拟合聚合策略、调节速率最优聚合策略、可控性能最优聚合策略、以及考虑分布式资源通信基础的聚合策略。
(4)分布式资源发用电预测功能,虚拟电厂包含不同类型的分布式电源、负荷、储能等资源,其发用电预测分析是虚拟电厂实现控制的重要基础。其功能主要包括:分布式光伏(风电)发电预测、负荷用电预测与特性分析。
(5)参与电力市场竞价决策仿真功能,虚拟电厂参与电力市场竞价决策模拟虚拟电厂参与电力市场交易,能够根据电力市场规则和虚拟电厂自身特性,模拟虚拟电厂竞价决策,包括实时仿真、多层次市场模拟、竞价决策、指标分析功能。
(6)参与电网互动需求响应仿真功能,仿真系统动态展示虚拟电厂资源参与电网互动过程的运行状态和响应效果,实现需求响应全业务流程可视化,进一提升管理水平。
(7)参与碳交易仿真功能,虚拟电厂碳交易仿真功能包括碳市场竞价策略分析和碳市场运行状态分析两大模块。虚拟电厂碳市场竞价策略分析模块实现。
(8)配置分级保护和计量装置,在智能电网内部故障、外部故障情况下,均保证其准确、快速动作,使系统安全运行。
(9)针对高校学生,充分考虑了学生的具体知识结构与层次,使得学生可以充分理解智能电网的特点与结构;学生可以在本系统中进行系统的设计、安装、软件控制等多个专业的知识进行实训。
(10)针对做科研的老师,开放部分一次侧设备的软硬件资料,包括板级硬件图纸以及软件驱动源代码、算法源代码等,开放上位机软件的源代码程序。提供整体的系统的基础开发平台,方便用户二次开放,提供详细而丰富的培训课程,使用户可快速入门并掌握整体系统,大大提高科研实验的效率。

 

 

三、系统架构

 

系统由发电侧系列设备、储能侧系列设备、用电侧系列设备、二次侧控制设备、配电保护、测量设备及需求侧软件平台等几个部分组成,每个部分都可按照客户的需求进行灵活搭配。

 

基于源网荷分布式新能源发电及智能电网系统拓扑架构

 

1、直流母线、交流母线
2、光伏模拟/真实系统
3、风机模拟/真实系统
4、锂电/超级电容/水电储能系统
5、模拟分级负载系统
6、柴油机模拟系统/充电桩负载
7、故障模拟系统
8、虚拟电厂控制系统
9、虚拟电厂决策与调度系统
10、配电保护系统

 

四、智能电网主控控制系统

 

4.1 智能电网中央控制器

 

智能电网中央控制系统,通过对智能电网系统进行高速数据采集,收集全网电气参数, 对全网运行状态进行采集和监视, 并在此基础上进行逻辑运算,得出控制策略对智能电网进行实施调节控制,实现智能电网电源、储能、负荷的实时动态调节功能,保证智能电网安全、稳定运行。

 

(1)技术特点
1)数据采集
中央控制器的测控模块,可实现对智能电网系统进线、分布式电源、储能、负荷、母线等各回路电气量及开关位置等信号量的采集,并将采集数据通过高速网络快速传送到中央控制器的主控单元。
2)控制操作
通过中央控制器的测控模块,可实现对智能电网各回路开关及设备的控制操作,实现智能电网系统运行状态的调节。
3)分布式电源调节
中央控制器可以通过通信接口实现对智能电网系统的分布式电源进行调节,根据需要控制各电源有功、无功出力。
4)储能单元调节
中央控制器可以通过通信接口控制储能系统的充放电功率, 从而满足智能电网运行方式的需要。
5)智能电网运行模式实时控制
中央控制器的主控单元,可以根据调度指令、系统自动、手动进行智能电网运行模式的控制。
中央控制器内置智能电网并网运行、孤网运行、并网转孤网、孤网转并网、全网停电等多种控制模式。根据不同的运行工况和控制目标实现智能电网的实时控制,保证智能电网系统的安全、稳定运行。
6)通信功能
中央控制器可以与智能电网系统的各个智能控制单元进行通信, 通过通信实现对各控制单元的控制和调节。同时中央控制器还可以通过通信接口与智能电网监控系统进行通信,接受监控系统的统一调度。
7)高速采集
中央控制器配置高速全电量采集模块,并能够高速传输,满足系统实时性要求。
8)实时模式控制
通过高速采集,快速控制,实现对智能电网运行状态的实时调节与控制。
9)新型高速实时工业以太网
中央控制器采用新型高速实时工业以太网,实现采集数据的高速传输,从而满足对智能电网系统实时控制的要求。

 

 

4.2 虚拟电厂能源与管理系统

 

智能电网能源管理系统是微网系统的神经中枢和能量管理中心,系统利用物联网技术构建传感测控网络,对智能微网各种类设备运行、环境状态及人员管理进行综合的信息感知,监控BMS和PCS的运行信息,集成微网系统发电和储能监控、供电监控、计费管理等功能。同时接收电网调度中心下发的调度指令,并根据当前电池组和微网逆变器的运行信息合理的分配调度指令。

 

系统特点

  • 智能电网能源管理系统覆盖微网发电、储能、能量转换、供配电及整体调度的各个环节,实现对微网全方位的监测监控管理,保障微网各环节安全可靠运行。
  • 研旭智能电网监控系统是整个智能电网软件系统的基础平台,通过对各回路智能设备的数据采集,实现对智能电网系统运行状态的监视与控制。
  • 研旭智能电网监控系统全面遵循国际标准,采用面向对象、组件化分层、分布设计思想。系统软件结构从逻辑上分为三层:
  • 数据接口层:数据接口专门用于数据采集和协议转换。
  • 数据处理层:包括实时数据库环境、事件服务器环境、计算环境、历史数据环境、校时服务器环境等。
  • 数据应用层:包括数据展现功能,同时包含基于此数据开发的众多通用或扩展应用模块,比如负荷预测、功率分析等。

 

 


功能特点

 

(1)数据采集与处理
系统包括各种信息量(量测量、状态量等)的采集:
1)量测量包括测量对象的三相电压、 线电压、 电流、 零序电压, 零序电流,直流电压, 直流电流、 有功功率、 无功功率、 功率因数、 变压器温度等,以及有功电度、无功电度等电度量。
2)状态量可分为位置信号和保护信号:位置遥信包括各种开关、刀闸、接触器的合、分状态,远方就地位、设备运行状态等;保护遥信包括各类保护跳闸动作的启动、出口、失败,各路开入、开出错误、采样错误、定值错误、压板状态,计算机运行及通信状态,设备告警信息,温度检测设备的过限与否等信息。
系统接收由通信处理机传送上来的数据信息,经过各种计算及逻辑处理后,数据结果存储到系统的实时数据库和历史数据库中。 通过人机界面进行展现及交互,实现监控功能。同时系统并能检测出状态变位、模拟量越限、保护出口、装置异常等,生成事件及告警信息。
(2)监视与报警
系统能在计算机屏幕上对主要电气设备的运行参数和设备状态进行图形化监视,当所采集的模拟量发生越限、数字量变位及计算机系统自诊断故障时,系统会根据预先设定的处理策略立即处理这些报警信息。
(3)遥控
SCADA 系统可以对智能电网系统的任何一个可遥控对象进行遥控操作。可以实现智能电网系统内的断路器、电动隔离开关等的“分” 、 “合”闸控制操作。对于开关等的遥控操作,采用“选择-确认-执行”模式以确保操作被安全地执行。整个操作过程将被完整记录到操作日志中以供以后查询。
(4) 设定值遥调
通过对智能电网系统中的分布式电源有功无功出力、 储能系统的充放电功率等参数,实现对智能电网运行状态的调整。SCADA 系统可以远程对智能电网的各分布式电源的出力、储能系统的充放电功率等进行设置值调节。
(5)模式控制
支持并网启动、离网启动、并转孤、孤转并等多种智能电网系统运行模式远方切换。
(6)模拟置位
系统具有手动模拟置位操作功能,系统无法采集到某个设备(如开关、刀闸等)的状态或采集到的数据不可信时,或调试需要进行置数时,系统对具有权限的操作员,可以通过人工设置遥信点的状态和遥测点的数值。调试操作时可以通过人工置数的信息,在画面上用明显的符号设置相应的标志。
(7)权限管理
为保证系统操作的安全性, 系统对所有用户进行统一管理, 登录的身份不同,其操作的范围也不同。
系统可根据要求对系统的操作权限进行分级,定义不同的用户组,每个用户组被赋予特定的权限,属于同一用户组的用户拥有相同的权限。
(8)日志管理
系统提供功能完备的日志管理工具,负责收集保存系统所有运行状况(各前置通道状态、系统各进程状态、系统各节点状态)、系统运行时的各种报警事件(系统自身产生的各种事件和报警、开关动作记录) 、操作与维修记录等信息。用户可根据日志类型、分操作员、分等级按时间段进行查询与选择打印。
(9)实时数据库
实时数据库管理建立在高效内存管理及索引机制之上,是面向对象的、开放的、分布式大容量实时关系数据库管理系统。通过共享内存、先进算法等多种技术,保证了数据库对实时性、一致性、可预见性、及大吞吐量等方面的要求。
(10)历史数据的保存与转储
系统采集的数据信息,经过各种算术及逻辑处理后,数据结果存储到系统的实时数据库中, 历史服务的功能是按照不同的存储周期和预先的设定的存储策略将实时数据写入商用关系数据库中,历史服务同时还负责日、月、年各统计量的统计工作。

 

4.3 虚拟电厂决策和支持系统

 

用户侧分布式资源聚合仿真功能 

 

虚拟电厂是聚合用户侧各类型分布式资源,该功能将仿真分析多类型分布式资源聚合策略,包括考虑经济性的聚合策略、环保性聚合策略、发用电拟合聚合策略、调节速率最优聚合策略、可控性能最优聚合策略、以及考虑分布式资源通信基础的聚合策略。可设置连续多个聚合运行时间段以及分布式资源间在配电网中的分散位置,选择集中式、分散式、分布式等多类型聚合架构,实现分布式资源多时空尺度调频响应能力的量化评估;分布式资源通信状况设置功能,设置包括聚合调控网络是否发生通信时延、干扰以及中断等情况;分布式资源聚合响应能力评估功能,包括联络线功率上下限、爬坡率、响应时间等方面的指标评估;考虑不同类型分布式资源物理约束条件等不确定性因素,在仿真平台进行模拟计算,用于验证自定义的聚合策略和算法。针对各类数据进行分析和综合,将这些数据以图表、曲线等形式直观展示,实时反映虚拟电厂的有功功率曲线与可调节功率曲线,为多类型分布式资源有效参与市场调度提供数据支持。

 

分布式资源发用电预测功能

 

虚拟电厂包含不同类型的分布式电源、负荷、储能等资源,其发用电预测分析是虚拟电厂实现控制的重要基础。其功能主要包括:分布式光伏(风电)发电预测、负荷用电预测与特性分析。其预测方法包括联邦学习、云模型预测、时间序列法、关联规则法、综合性方法等等。其中联邦学习预测方法针对分布式电源的出力不确定性和电源分布范围广,等情况进行进一步优化,得到精度优秀的分布式预测模型;云模型预测方法利用云模型的不确定性筛选出相关度较高的历史数据,根据云模型对相关特征集进行筛选,构建分布式电源预测数据特征集;时间序列预测方法基于历史数据集,用于计算分布式电源的发电预测;关联规则预测方法应用类似于碳排放检测、绿点核算减排量和碳足迹跟踪以及根据碳足迹对电碳耦合进行分析;综合性方法将集合以上各类型方法,将预测结果做加权优化。

 

 

参与电力市场竞价决策仿真功能 

 

虚拟电厂参与电力市场竞价决策模拟虚拟电厂参与电力市场交易,能够根据电力市场规则和虚拟电厂自身特性,模拟虚拟电厂竞价决策,包括实时仿真、多层次市场模拟、竞价决策、指标分析功能。该功能根据不同电力市场规则,优化虚拟电厂的竞价策略,提升电力市场的竞争力,包括虚拟电厂竞价优化决策与竞价指标状态分析两大模块。竞价优化决策模块实现:虚拟电厂参与中长期电力市场竞价决策、参与现货市场竞价决策、参与辅助服务竞价决策;可实现不同电力市场规则模拟设置,虚拟电厂根据规则进行竞价策略优化计算;竞价指标状态分析模块实现:虚拟电厂参与多类型市场的数据指标分析;指标可视化分析和对比功能,基于以上各类型市场运算结果,将各类数据以图表、曲线等形式直观展示,使用户能快速了解不同市场情况,为虚拟电厂参与市场决策提供数据支持。

 

 

参与碳交易仿真功能

 

虚拟电厂碳交易仿真功能包括碳市场竞价策略分析和碳市场运行状态分析两大模块。虚拟电厂碳市场竞价策略分析模块实现:一、虚拟电厂参与碳交易的竞价决策,出售或购买碳配额及收益分析功能;二、出售CCER策略及收益分析功能,包括光伏发电机组和风电机组发电量分析、清洁能源使用比例分析等。碳市场收益分析模块帮助虚拟电厂的运营者直观的了解到参与碳市场的各项收益情况。碳市场运行状态分析模块中包含:一、市场运行指标分析功能,包括国内碳排放权交易量、交易额和交易价格的波动特征等指标;二、可视化决策功能,针对运行指标等各项数据的进行综合,将这些数据以图标等形式直观展示,反应碳市场的实际运行状态,为虚拟电厂的运营者提供碳市场运营数据支持。

 

 

五、智能电网系统实景展示图

 

 

 

 

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