基于能源互联网的港口岸电管理系统研究*

刘春雨, 黄向南, 刘际芳

(上海联联睿科能源科技有限公司, 上海 200063)

0 引 言

随着水路运输贸易量、港口经济的不断增长,作为物资转运的重要环节,港口的能源消耗也随之增长,同时船舶在停泊期间通过燃油发电排放了大量的空气污染物,如CO2、CO、NOx、颗粒物(PM)等,导致港口能源危机和环境污染等问题日益突出。为了实现“双碳”目标,尽快改善港口能源结构、促进清洁能源替代、减少污染排放,建设智慧、绿色港口能源系统已迫在眉睫[1]。据统计,利用岸电替代传统船舶辅机发电,NOx、SOx可分别减排97%、96%[2],已逐渐成为改善港口城市环境的重要手段。

能源互联网是基于互联网理念和技术构建的融合能源与信息的新型开放系统[3],强调智能电网、智能通信、智能交通等概念的融合拓展,并对各项技术进行升级应用[4]。在能源互联网背景下,新能源将逐渐成为发电主体。对于港口而言,由于岸电的大范围推广,将成为新兴的重要用电负荷。岸电设施作为港口与船舶用户直接产生联系的设备,其配套的岸电管理系统作为港口能源系统和船舶用能系统的链接枢纽,承担着给船舶提供能源的任务,也是实现安全、稳定、高效供能的前提。

因此,本文结合港口资源的特殊属性,基于能源互联网技术,以兼顾港口各类能源的岸电管理系统为研究对象,对能源互联网特征进行研究,分析了岸电运营服务、分布式能源接入及控制、系统监控等需求,设计岸电管理系统的总体架构及软件结构,分析岸电管理系统的逻辑架构内容和软件功能,对信息互联互通技术、大数据分析技术、多类型分布式资源协调控制等关键技术开展研究。

1 能源互联网特征

能源互联网(IoE)是由美国学者Jeremy Rifkin在其著作《第三次工业革命》中提出的,被认为是解决当今能源危机、促进能源转型发展重要思路[5]。能源互联网的主要特征如下。

(1) 强调能源系统与信息通信技术的深度融合,注重多能系统间的联系,能源转换设备使得耦合互动成为可能。

(2) 要求容纳高比例可再生能源,利用储能、需求响应等技术手段实现系统的削峰填谷[6]。

(3) 系统中能量流和数据流并行,实现不同系统/设备间的双向互动,贯穿于能源生产、传输、存储和利用的各个环节。

能源互联网的五大重要元素包括可再生能源、分布式发电、分布式储能、能源互联以及零排放交通。对于港口岸电管理系统而言,以岸电和互联网为核心,在保障能源系统安全的前提下,最大限度地开发利用风力/光伏可再生能源,实现分布式发电和岸电负荷的广泛接入,提高能源利用的效率和用户的便捷性[7]。从系统角度解决港口能源单耗高、环境污染严重等问题,促进能源及其相关领域的科技创新,催生能源生产、消费、服务等新业态和商业模式[8]。

2 岸电管理系统需求

2.1 岸电运营服务需求

(1) 供电服务[9]。为靠港船舶提供电力供应是港口岸电系统最基本的功能,考虑船舶用电对电源型式、供电质量要求较高,岸电系统应保障供电能力,满足船舶相关检验规范要求。

(2) 信息服务。为港口及船舶用户提供岸电的基础信息服务,包括港口名称、泊位类型、吨级等港口信息,岸电容量、设备状态、供电电压、接口载流量、频率等设备参数信息,以及岸电使用电价、服务费等用电信息,为用户提供直观的信息服务。

(3) 交易服务。为船舶用户提供账户注册、登录、修改、删除、查询等操作,以及编辑船舶名称、船舶识别号、系统电压、频率等船舶用电系统信息。根据船舶的用电起始时间、用电电量、结束时间等生成连船交易记录。用户根据智能计量装置计算的船舶用电量以及收费标准完成费用结算,交易过程结束。

对于分散式安装低压小功率标准化岸电设施,提供移动端App或应用程序,为用户提供船舶用电的起停控制和交易订单结算等服务。

2.2 分布式能源接入及有序控制需求

支持分布式电源(风力发电、光伏发电)、储能等无缝接入港口电网,制定合理的运行策略,优化协调系统的运行方式,对储能、电动船舶的充放电过程有序可控,确保港口电网高效经济地运行。

2.3 系统综合监控需求

通过岸电管理系统的监控功能为港口供电系统、分布式电源、储能及岸电设施等提供安全保障,具有对风力/光伏系统的风机、光伏组件、逆变器、汇流箱等,储能系统的电池、储能变流器PCS、电池管理系统BMS等,以及岸电的进线电源、接口、控制器等全部系统的装置及其他附属控制设备进行参数配置、状态监测、实时控制和故障记录与诊断等功能。实现对系统的电力参数电压、电流、频率的闭环控制和保护控制,保证系统运行安全可靠。

2.4 参与电力辅助服务需求

根据港口能源需求、市场信息和运行约束等实时决策,优化控制能源生产、消费及交换,协助参与需求响应、电力交易,灵活调度各类设备,降低用户的用电费用,提高能源利用效率。

2.5 其他需求

为保障系统的网络安全和数据保密,建立身份认证、访问控制、数据加密、数字签名等安全保密机制,采用安全可靠并且普遍使用的加密算法,在安全的环境中存贮密钥和加密/解密交易信息,定期更换密钥,具备对报文做来源正确性鉴别的机制,满足数据安全保密的国家和行业标准。

3 基于能源互联网的岸电管理系统设计

系统采用“本地监控+云平台+分层架构”模式,集成港口岸电、分布式电源、储能及配电系统等系统设备,形成以岸电运营管理、综合能源管理为核心的管控一体化的管理系统。对数据进行采集、通信、分析、控制和管理等,实现对港口能源系统设备的实时监测、运行管理、优化控制、参与电力辅助服务等各类功能,满足不同港口的运行管理需求。

3.1 总体架构

岸电管理系统总体架构是对港口岸电管理系统的概要描述,采用分层分布式结构,共分为应用管理层、通信传输层及现场采集层。岸电管理系统总体架构如图1所示。

图1 岸电管理系统总体架构

应用管理层是人机交互的直接窗口,也是系统的最上层部分,通常为本地监控系统、云服务管理平台、移动端应用程序等,对系统各类数据进行计算、分析、处理与展示。

通信传输层作为系统数据信息交换的桥梁,通常由通信单元实现与上下层之间的信息交互。对下采用Modbus RTU、Can总线等现场总线控制网络协议,对上采用HTTP、MQTT、Websocket、Modbus TCP/IP等通信协议。其中,MQTT协议采用发布/订阅模型的设计,使通信的参与者在空间、时间和控制流上完全解耦,易于拓扑结构扩展,通信传输消耗少,具有协议简单、开放、易于实现等特点[10],适用于分散布置岸电设施的物联通信。

(3) 现场采集层对系统数据源进行传感测量、采集以及接入处理,数据来自分布式电源、储能、岸电、配电等系统设备测控装置和计量装置。作为系统的数据源层和现场设备层,采集系统设备的开关量、电力参数、计量等各种类型数据,并负责执行上级的控制指令。

3.2 软件结构

岸电管理系统软件宜采用3层结构,纵向业务应用与相关支撑服务相关联,横向不同的服务通过数据库松耦合[11],便于系统的移植和扩展,简化复杂的业务逻辑。软件架构分为业务应用层、支撑服务层、软件支撑层。岸电管理系统软件结构如图2所示。

图2 岸电管理系统软件结构

业务应用层通过服务功能模块搭建出不同的应用系统基础,提供了基础功能和扩展功能两类服务。其中,基础功能针对系统管控的基本需求,包括基础数据维护、实时监测、支付结算、维护管理等;扩展功能针对各子系统的优化控制、需求响应等辅助服务。

支撑服务层通过建立统一规范的底层交互平台、数据传输接口、数据库访问接口以及控制命令接口等,实现各层的分离。各层更专注各自功能实现,有利于增强系统的开放性和可扩展性。

软件支撑层应兼容多种主流操作系统(Windows/Unix/Linux),支持跨平台和混合平台操作,以便满足不同用户的需求。

4 关键技术

4.1 信息互联互通技术

为保障各资源、系统运行的同步性以及快速响应业务通信需求,聚合港口的分布式电源、储能系统、可控负荷、电动船舶等不同类型的分布式能源。

岸电管理系统通信基础设施和协议应满足双向通信需求,具备面向能源互联网高级应用的互操作性,实现端到端的可靠安全通信,能抵御潜在的网络攻击[12]。通过采用先进的物联网技术实现网络设施整合是提高信息采集和传输效率的可行方式[13],使得系统内部及系统之间的能源信息无阻流动,有效实现能源价格、实时状态参数、控制决策等信息互联互通,以及电源、负荷端的智能控制。

4.2 大数据分析技术

随着电力系统的数字化、信息化、智能化发展,对系统设备的管理功能、业务实现等需求越来越精细化和多样化,导致系统需要采集处理海量的数据,而且数据来源更多,数据结构更复杂,对数据的采集及处理速度要求更高,因此大数据技术的应用是电力行业信息化、智能化发展的必然要求,将保证能源互联网的服务质量。

岸电管理系统数据特点如表1所示。

表1 岸电管理系统数据特点

面对海量数据,采用FP-growth关联关系算法、分布式聚类算法、深度学习等多种数据挖掘算法实现数据抽取、清洗、选择等功能,可用于负荷建模/预测、需求侧管理和响应、多能调度规划等场景[14]。

4.3 多类型分布式资源的协调控制技术

港口的多类型分布式资源包括分布式电源、分布式储能、电动船舶、电动汽车及其他可控负荷等,可共同参与电网运行优化,不仅能提高电网的安全性和经济性,还能提升港口能源综合利用效率和经济收益。港口多类型分布式资源的协调控制架构分为输电网、配电网和港口资源3个层级。多类型分布式资源的协调控制架构如图3所示。

图3 多类型分布式资源的协调控制架构

在时序上包括日前计划、日内滚动计划和实时控制3个阶段[15]。二级控制中心为配电网调度部门或负荷集成商。港口层面控制中心由港口岸电管理系统实现,与上级控制中心进行可靠的接口对接和业务衔接,在基于港口需求前提下使得港口层面与上级电网形成有效的协调互动机制。

考虑风力、光伏分布式电源的间歇性和储能技术制约,利用大数据分析预测分布式电源与负荷的波动性,以实现港口与电网之间的实时供需平衡。供需互动包括电能、信息和交易的互动[16],按照流动方向分为发电权交易、用电权交易等单向互动和负荷调度、需求响应、电力辅助服务等双向互动。

5 结 语

本文以兼顾港口综合能源管理功能的岸电管理系统为研究对象,对能源互联网环境下的功能需求进行详细的梳理分析,并设计港口岸电管理系统的总体架构和软件结构,通过研究互联互通、大数据分析、协调控制等关键技术为港口岸电管理系统乃至港口综合能源管理系统的建设提供方案。随着电力市场改革的深入和新型电力系统的发展,系统将面临日益复杂的环境和需求,因此,在船岸接口/协议标准化、储能电池优化配置、综合能源优化控制、电力辅助服务参与、数据安全和隐私保护等多方面还需开展进一步的研究。