电力海绵城市系统研究与应用*

赵建立, 周雯娟, 奚培锋, 张少迪, 郑庆荣

(1.国网上海市电力公司, 上海 200122;2.上海市智能电网需求响应重点实验室, 上海 200063;3.上海电器科学研究院, 上海 200063)

0 引 言

海绵城市概念来源于水利系统,是新一代城市雨洪管理概念,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用,能够提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生[1]。

当前电网在运行的安全性、经济性、消纳区外可再生能源等方面存在瓶颈。电力供需关系缺乏弹性,电网安全压力大;短时尖峰负荷、电网峰谷差问题,造成电力供应的经济性差;受端城市电网负备用不足问题,限制低谷轻负荷时段对区外可再生能源的消纳。

同时,用户侧能源管理系统彼此互不联通,信息孤岛效应下,大量用户侧电力资源闲置浪费,无法形成规模化效应。电力用户与电网企业之间的关系主要表现在电力消费者与电力供应者的关系,内涵单一,电力更多表现为能源的载体,商品属性弱化。

因此,借鉴滴滴出行等互联网创新应用的理念[2],通过构建网约电平台,打通供需信息壁垒,实现资源的共享与优化尤为必要。

国内相关研究主要集中于空调系统建模、聚合模型、控制模式、调控策略,电动汽车充电协调问题[3-5],以及“互联网+智慧能源”理念下的应用创新[6],并取得一定研究成果,但是在规模化、统一化的用电侧电力统一管理方面的研究缺失。

本文在国内已有研究成果的基础上,基于“互联网+智慧能源”的理念[7],系统阐述电力海绵城市系统的设计思路。

1 建设理念

1.1 基本原理

电力海绵城市系统又称为城市用电侧电力统一管理平台(Power Load Uniform Management System,PUMS),旨在构建一种富有弹性的城市电网。系统把每个用户看作一个电力海绵颗粒,把城市用电侧部分看作为整体的电力海绵体,基于人工智能、大数据分析与云计算,应用电动汽车的广泛接入、大规模分散蓄能、主动负荷分时管理、快速精准负荷控制等手段,最大限度地实现电力供需关系的柔性化以及城域供需协同。系统运行原理如图1所示。

图1 系统运行原理

1.2 建设目标

(1) 让用户联通,在城市用电侧构建整体的电力海绵体,增强电力供应弹性,形成统一化、规模化的城市用电侧机动调控能力。

(2) 为城市赋能,打造城市范围内“网荷互动、用户互动”融合共生的电力供用生态体,丰富电力商品属性。

2 应用设计

电力海绵城市系统具有溯源、预测、消纳、(正、负)备用、调峰、调频、净化、交易等8大功能。

(1) 溯源。通过用电与配网环节信息贯通,实现电能从用电末端依次向上级环节溯源。

(2) 预测。基于用户的用电特征分析,实现从末端向上的城市电网负荷预测。

(3) 消纳。通过调峰、正负备用机制,提高外来可再生资源电力受入能力。

(4) 备用。按照响应速度、持续时间等因素统筹调控用电侧电力资源,能够按电网要求降低的负荷容量为正备用,能够按电网要求升高的负荷容量为负备用。

(5) 调峰。对用电侧负荷规模化调控,视作虚拟电厂,参与电网调峰。

(6) 调频。实现用电侧可调负荷ms级控制,参与电网调频[8-9]。

(7) 净化。通过用电侧资源群控,解决局域电网低电压、谐波等问题。

(8) 交易。还原电力的商品属性,用户可以把自身能源禀赋、能源消费习惯转化为资源,通过平台实现“供需对接”和“余缺调剂”,例如文献[6],自动需求响应、点对点调峰、MD额度调剂、闲散余能交易、检修计划交易等。

3 系统架构

3.1 组织架构

系统主要由主站、自治能源体、通信系统构成,采用“分布自治-集中协调”的组织架构[10]。“分布自治”是指将用户侧已有的能源管理系统作为PUMS的成员体,维持其既有运行逻辑不变。“集中协调”是指PUMS主站对各个PUMS成员体进行协调,实现系统级的协同,以实现全局互补、协同、优化,减小不确定性。最终通过自治实现自律,通过协调实现协同。

系统构建了三大子平台:统一数据采集平台,统一的负荷交易平台和统一的调度控制平台,实现数据的分层接入以及数据的分域管理。

(1) 统一数据接入平台(Uniform Data Access Platform,UAP)。统一集成来自各PUMS成员的实时数据和离线文件。

(2)统一负荷交易平台(Uniform Power Trading Platform,UTP)。基于市场化机制,搭建统一的多层次多入口的交易平台架构,实现资源的共享与优化,使大中小用户及居民用户负荷资源同平台参与交易。

(3)统一调度控制平台(Uniform Dispatching Platform,UDP)。通过主站对各个成员体进行协调,实现整体广域协同。

系统组织架构如图2所示。

图2 系统组织架构

3.2 技术架构

系统技术架构如图3所示。

图3 系统技术架构

系统通过自治体层的分布自治、接入层的分层接入和能源互联和汇聚层的统一管理,实现主站层的智能推理,全面支撑应用创新。

(1) 能源互联互通技术。能源的互联互通涉及到系统互联与设备互联2个方面。

① 系统互联。

模式一:统一数据格式。应用场景:需要信息系统开发商配合或数据库开放。技术特点:基于数据仓库、数据集市技术,通过数据搬家、数据重写或者数据格式统一,实现用户端数据的共享联通。

模式二:数据共享交换[11]。应用场景:只需要系统登录权限,不需要原来的信息系统开发商配合和数据库开放。技术特点:在不打破原有数据的基础上,构建连接各种系统的数据共享流通管道,让深藏在各自独立而封闭系统中的核心数据“安全流动”,保障数据“鲜活、按需、有效、安全”[11]。

② 设备互联。

模式一:侵入式采集模式。对于配合度较高的电力用户,在其各用电设备上都安装传感器记录其使用情况,并将数据上传至相关能源管理系统主站。该方法优点在于监测数据准确、可靠,缺点是实际可操作性差、实施成本高、用户接受程度较低。

模式二:非侵入式采集模式。其实质就是负荷分解,即将用户总负荷信息分解为各用电设备的信息,进而获取用电设备能耗情况与用户用电规律等用电信息。这些用电信息具有很高的应用价值,可为电网公司、用户等多方带来效益[12]。

与侵入式采集模式相比,非侵入式采集模式经济投入小,实用性强。

(2) 智能推理技术。应用人工智能技术,基于机器学习方法建立电力客户分类管理模型,分析不同类型电力客户用电情况、参与负荷交易的意愿及其驱动因素,提高“网荷互动”和“用户互动”的效率与效益。

技术原理:① 从统一数据接入平台获取的电力客户数据,作为数据集;② 经分析,选取客户性质、用户地理位置、负荷容量、电价、用电量等变量作为特征,采用支持向量机分类的机器学习算法对模型进行训练,构建电力客户分类管理模型;③ 利用电力客户分类管理模型,预测用户用电需求和参与负荷交易的概率,实现能源精准管理。

3.3 生态架构

为了广泛地集成用电侧资源,系统构建丰富的生态结构。

(1) 平台子系统。包括电力需求响应管理平台、非工空调需求响应系统、工业企业自动需求响应系统、电力需求侧管理展示平台(基于大数据架构)、用电侧负荷交易平台(开发中)、精准负荷控制工程营销主站(开发中)。

(2) 有系统接口的系统。包括营销业务应用系统CMS、设备(资产)运维精益管理系统PMS(GIS模块)、用电信息采集系统、用电负荷管理系统。

(3) 计划开发系统接口的系统,如国家电力需求侧管理平台。

(4) 与平台具有战略合作关系的系统,如国网商城、电e宝。

电力海绵城市系统生态架构如图4所示。

图4 电力海绵城市系统生态架构

4 商业模式与推广计划

4.1 目标群体

(1) 电网企业。系统的构建有利于增强电网运行经济性,平抑短时尖峰负荷,消减峰谷差,节省电力投资。电网企业还可以充分发掘平台数据,开展个性化的延伸营销、增值营销。同时有利于增强电网运行安全性,形成用电侧机动调控能力,增强电网运行方式灵活性。

(2) 电力用户。系统的构建使电力的商品属性更加丰富,用户可以凭借自身能源禀赋和消费习惯获取增值收益,促进社会资源的优化配置;每个用户既是使用者又是供应商,用户用电需求充分释放,能源管理更加精准,用能成本进一步降低。

(3) 受端电网本地发电企业。受端电网本地发电企业火力发电机组,日常运行安排下需要在低负荷时段通过压机组出力方式实现区外清洁电力受入,用电高峰时段需要提升机组出力满足调峰要求。在春秋季节或节假日轻负荷时段,由于网供负荷水平低,本地发电容量接近机组出力下限,机组安全风险突出。

电力海绵城市的建设提升网供负荷水平,确保机组安全。

(4) 送端可再生资源发电企业。轻负荷时段用电侧负向调峰(填谷)及事故调频能力的建设,提升跨区域可再生资源的消纳,降低送端可再生资源发电企业弃风、弃光、弃水现象,增加企业收益。

(5) 能源服务企业。通过系统用户数据的安全、有序共享,降低获客成本,增加企业收益。

4.2 商业模式

(1) 项目产出。

① 节省电网投资。形成3%用电侧机动调峰能力,以上海电网为例,按照20年投资周期,节省年化投资2亿元/年。

② 提升电网售电量。增供扩销,通过用户负荷资源智能聚合与优化配置,实现用电负荷曲线优化,同等电网供应能力下,充分释放用电潜力,实现更多电量的售出。

③ 实现用户增值收益。通过建立涵盖广泛交易品种的用电侧负荷交易平台,金融化用户用电消费行为,实现用户电力增值收益。

④ 减少城市碳排放量。以上海市为例,平台可以提升20万kW用电侧调频能力,相应提升直流输电能力20万kW,按照300 g/kWh煤耗标准,可减少本地碳排放量52.56万t/年。

(2) 持续机制。

① 平台佣金收益。通过消纳、(正、负)备用、调峰、调频、净化、交易等服务项目的实施,获取目标用户佣金。

② 信息服务收益。通过溯源、预测服务,获得目标用户信息服务收益。

③ 广告推广收益。作为能源互联网平台,电力海绵城市系统具有可观的平台广告推广收益空间。参照同样作为互联网公司的腾讯公司发布的年报数据,网络广告收入可占其总收入的17%[13]。

4.3 推广计划

(1) 资金投入。

① 示范工程建设。为了更好地吸引负荷集成商、综合能源服务公司等第三方能源服务结构,需要在已有客户资源及工程应用基础上,继续推进相当数量的示范应用建设。

② 营销推广活动。为了系统的推广,可采用电力积分等营销推广活动,需要与电网公司电e宝等应用对接,并安排专项推广费用。

(2) 模式培养。电力海绵城市生态的拓展依赖于平台、入驻服务商、电力用户多方共赢模式的建立,入驻服务商收益分成、平台补贴的发放方式等都会对系统业务的拓展造成明显影响。实施中已经基于平台多次开展需求响应填谷、削峰应用。前期,由于处于试点阶段,入驻服务商基本没有参与补贴分成,且补贴以电费抵扣的方式发放,入驻服务商和电力用户的参与积极性还有很大提升空间。

(3) 战略合作。为了更好地发挥平台的资源优化配置功能,需要建立与电力交易中心市场管委会、车联网、桩企联盟等战略合作伙伴的合作。

5 应用实践

2015年率先上线电力需求响应管理模块,2016年上线电力需求侧管理站展示平台,2017年上线非工空调需求响应模块和工业企业需求响应模块,2018年启动精准负荷控制工程营销主站建设,并开始设计用电侧负荷交易平台。

截至2018年8月[14-15],平台已入驻服务商6户,已接入负荷数据用户30 140户(10 kV及以上),参与平台互动响应用户677户,历史累计调控次数8次,累计调控负荷155万kW,最大调控负荷106万kW(填谷)、34万kW(削峰),累计发放补贴超过600万元。

6 结 语

电力海绵城市系统是实现“需求弹性,供需协同”和“区内平衡,广域协同”的网约电平台,属于能源互联网新模式和新业态的创新实践。本文基于“互联网+智慧能源”的理念,从组织架构、技术架构、生态架构等方面系统阐述了电力海绵城市系统的设计思路,可以为用户提供多样化的新型业务体验。随着电力市场的不断开放,平台将可以发布更多的新应用,为电力用户提供方便的体验,并获得增值收益。