面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设-于建成

第 36 卷 第 11 期电 力 建 设Vol. 36，No. 112015 年 11 月Electric Pow er Construction，Nov 2015面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设于建成，王旭东，张东，杨宇全( 国网天津市电力公司，天津市 )摘 要: 能源革命和第三次工业革命的发展对智能电网在能源互联和信息互通方面提出了更高的要求。基于天津生态城智能电网创新示范区建设，面向未来电网发展形态，深入分析智能电网发展需求，设计可持续发展的智能电网创新架构，提出基于虚拟电厂和能效电厂的能源互联网规划方案，提出基于大数据和信息广泛互联的智慧能源信息服务体系架构，以提高社会的参与度和居民感知度为目标，提出智能电网建设模式、运营模式、服务模式和交易模式，充分发挥智能电网的平台效应，并从根本上改变智慧城市的生产和生活方式。关键词: 能源互联网; 生态城; 智能电网; 多元能源融合; 能源大数据Innovation Demonstration Area Construction of TianjinEco-City Smart Grid Facing Multi Energy InterconnectionYU Jiancheng，WANG Xudong ，ZHANG Dong，YANG Yuquan( State Grid Tianjin Electric Pow er Company，Tianjin ，China)ABSTRACT: The development of energy revolution and the third industrial revolutions put forw ard higher requirements forthe energy interconnection and information communication in smart grid Based on the innovation demonstration area construction of Tianjin eco-city smart grid，this paper focused on the development pattern of future pow er grid，deeplyanalyzed the development need of smart grid，designed the innovation structure of smart grid w ith sustainable development， and proposed the planning scheme of energy internet based on virtual pow er plant and efficiency pow er plant，as w ell as the smart energy information service structure based on big data and extensive information interconnection In order to improve the participation of society and the perception of residents，this paper proposed smart grids construction mode，operation mode，service mode and transaction mode，w hich could give full play to the platform effect of smart grid and fundamentallychange the production and lifestyle of smart cityKEYWORDS: energy internet; eco-city; smart grid;multi energy fusion; energy big data中图分类号: TM 71文献标志码: A文章编号: 1000 7229( 2015) 11 0058 06DOI: 10. 3969 / j issn. 1000 7229. 2015. 11. 0090引言统计表明，截至 2013 年底 ，中国能源消费占全球消费量的 22. 4% ，产量占全球总供应量的 18. 9% ，中1国是世界上最大的能源消费国和生产国 。我国能源发展面临着需求压力巨大，供给制约较多，生产和消费对生态环境损害严重，技术水平总体落后等挑战。为有效应对挑战，中央提出我国能源生产和消费革命的总体要求，从技术和机制两个方面推动能源结构调整。作为能源领域的重要基础设施，智能电网将与物基金项目: 国家电网公司科技项目( SGTJDK00DWJS)联网、互联网深度融合，不断展现能源互联和信息互通的平台效应。一方面，为实现能源配置方式变革，为促进生产生活方式改变发挥重要作用; 另一方面，充分利用高级量测体系，建立广泛的能源信息感知网络，形成公共信息服务平台，支撑“信息惠民”工程，提升电网综合能源服务能力。自 2008 年起，我国陆续开展多项智能电网综合工程建设，进行了新能源并网，输变电设备状态监测和控制，配电自动化，智能用电服务等智能电网技术的推广，2-5应用 实现了电网智能化水平的全面提升 。总体而言，我国智能电网建设分别在发电、输电、变电、配电、用6-9电、调度、通信信息等各个环节取得了突破性进展。58http: / / www cepc com cn第 36 卷第 11 期于建成，等: 面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设配电网规划专栏10-11然而，当前的智能电网示范工程具有以下不足:( 1) 围绕电能本身的优化提升，没有深入挖掘智能电网在多种能源协调优化控制方面的潜力;( 2) 大多数示范工程以电网企业为投资和建设主体，没有融合多方的优势和力量，未形成多方共建的发展模式，居民对智能电网成效的感知度不足;( 3) 当前的智能电网示范工程的新理念新模式不多，对清洁能源、电动汽车、智慧家居等新产品和新服务市场的发展缺乏充分的考虑。面向未来电网新形态，本文开展天津生态城智能电网创新示范区规划，搭建面向能源流、信息流广泛互联的能源优化配置和智慧公共服务两大网络。深度挖掘智能电网在引领创新示范、弘扬先进理念、提升社会感知、融合多方共建、创新服务模式、推进产业联动、协同创新发展的潜力，最终提升城市综合能源利用效率，创新电网运营服务模式，支撑智慧城市建设。1 智能电网创新示范区整体架构1. 1 需求分析传统电网规划以负荷需求为基础，智能电网规划则要从智能提升的需求入手。智能电网创新示范区建设以新技术和新模式的集成示范为重点，注重创新和实用相结合，体现技术进步对能源生产、消费的创新商业模式的推动作用。生态城具有规模化接入的光伏、风力发电、三联供机组等分布式电源，地源热泵、水蓄冷、冰蓄冷等冷热电分散供能和储能设备广泛应用，已形成能源互联网的基础架构; 城市综合信息接入机制完善，大数据基础初步建成，已形成广泛感知网络和公共服务的基础支撑平台。但是，总体而言，生态城在多能源协调优化、公共服务水平智能化等方面还需要进一步提升。在能源互联与管理方面，支持分布式电源多种形式广泛接入和区域多微电网协调优化的技术手段有限; 面向丰富的需求侧可调资源及多种混合能源，亟需提升电能占终端能源的比重，提高终端能源利用效率; 园区可调可控资源众多，缺乏通过主动协调控制提高清洁能源利用效率的手段。在信息互通与服务方面，生态城已经具备智慧家庭理念和建设基础，但缺乏平台、智能设备和移动应用的支撑。电动汽车充换电设备利用效率低，运营管理水平不高，便捷的充换电和公共服务支撑不足。智慧城市数据资源丰富，系统功能齐全，但数据的互融互通和深化应用方面有待提升。1. 2整体规划天津生态城智能电网创新示范区覆盖总面积约34 km2 ，规划人口 35 万人。本项目高度整合园区包括电力一次设备、分布式电源、分布式储能、蓄冷设备、蓄热机组等在内的多元供能和储能设备，以及居民、商业楼宇、公共机构、工业等典型用户侧资源在内的物理层; 利用广泛配置的配电终端、智能电表、车载终端、智能家居、环境监测设备建设区域感知层; 借助光纤专网、公网、电力无线专网以及移动无线网络铺设广泛覆盖的高速通信网络层，为智能电网建设提供坚强的通信支撑; 在此基础上，搭建能源流广泛互联的能源优化配置网络和信息流广泛互通的智慧公共信息服务网络，面向电网、企业、政府、公众，创新电网运营服务模式，最终提升城市综合能源利用效率，实现综合能源数据价值的深入挖掘和变现，全面增强智能电网能源优化配置和信息集成的平台作用。预期实现以下建设目标:( 1) 可支持消纳分布式电源渗透率大于 20% ，清洁能源不发生强制“弃风、弃光”现象;( 2) 支持分布式电源的“即插即用”，实现分布式电源 100% 并网;( 3) 提高用户供电可靠性，通过协调方式，使示范区域内供电可靠率高于 99. 999% ;( 4) 实现 1 000 户居民用户用电双向互动和四表抄收;( 5) 建立电动汽车充电设施网络，实现“10 min”充电圈; ( 6) 夏季峰谷差占最大负荷比例削减 7. 5% ，提高终端用户能源利用效率 3% 8% 。能源互联网优化配置网络包含 M W 级区域多微电网、自动需求侧响应和多能源综合协调控制 3 个子项。前两个子项将构建虚拟电厂和能效电厂，形成新的能源单元; 后一个子项将建立实现新型能源生产和消费单元互联与管理的能源网络。智慧公共信息服务网络规划智慧家庭、电动汽车充换电服务网络和智慧城市综合能源数据服务平台3 个子项。智慧公共服务网络基于三者之间的互动，整合用户侧智慧能源系统，在数据融合的基础上，扩展综合能源服务内涵和外延，提高数据利用效率。创新示范区工程总体架构如图 1 所示。2 多元能源融合的能源互联网络2. 1 能源互联体系生态城能源互联网优化调度涉及能源类型、时间尺度和空间尺度 3 个维度上的多级控制。从能源种类上说，包括冷、热和电 3 种能源类型的联合优化; 时间尺度上包含了短期、超短期和准实时三级; 在空间尺度上，根据配网的网络结构特点，划分为网级、馈线http: / / www cepc com cn59配电网规划专栏电 力 建 设2015 年 11 月级和台区级( 负荷级) 。综合运用削峰填谷、供需优信息集成和共享，如图 2 所示。通过虚拟电厂技术整化平衡等多种调控手段，实现配电网高效运行、高渗合分散的发电资源，提高分布式电源高渗透率下新能透率新能源的充分消纳和可靠经济供用电需求。源消纳率; 通过能效电厂技术整合用户侧可控负荷，多元能源融合的能源互联网络各子系统既分布降低示范区夏季峰谷差占最大负荷比例; 通过分级协自治又协调优化运行，子系统之间通过信息总线实现调优化控制模式，降低配电网损等目标。图 1智能电网创新示范区工程总体架构Fig. 1General structure of innovation demonstration area project of smart grid图 2能源互联网优化配置网络总体架构Fig. 2General structure of optimal allocation network of energy internet60http: / / www cepc com cn第 36 卷第 11 期 于建成，等: 面向多元能源互联的天津生态城智能电网创新示范区建设配电网规划专栏2. 2 区域多微电网子系统统为基础的能源互联网，通过收集虚拟电厂、能效电智能电网创新示范区在电源控制方面，建设 MW厂在考虑冷热电源 储 荷能量转化条件下的可调级区域多微电网为基础的虚拟电厂。综合应用分布度电容量，优化系统的可调度容量优化目标曲线，配式供能技术、地源热泵技术、冷热电混合储能技术、能置各级能源单元的控制指令，实现台区、馈线、配电网效管理技术，部署区域能源供需快速采集设备和区域三级能量自治和全局优化。冷热电能效实时管理系统，响应多级能源协调控制系台区 馈线 配网之间策略的协调通过在短期、统的调控指令，实现包含中低压嵌套式微电网、低压超短期和准实时的时间尺度上通过调度容量和优化的光储微电网、分布式电源在内的混合能源联合调节。目标曲线作为媒介实现。台区级的调度容量通过分析区域多微电网在运行时，各子微网实时将各自的由微网能量管理系统和需求侧管理系统上报的调度容运行状态信息上传至区域多微电网综合协调控制系量数据、分布式电源的电源特性进行综合分析给出; 馈统。传送信息包括分布式电源和储能的运行参数，以线级的调度容量在综合各台区上送的调度容量、馈线及用户的冷、热、电负荷需求。综合协调优化控制系的分布式电源特性、大用户的负荷特性、储能特性等的统以准确响应配电网能量调度要求、区域能源利用效基础上分析给出馈线级的调度容量; 配网的调度容量率最高、用能成本最低、污染物排放最少为控制目标，在综合各馈线上送的调度容量的基础上给出。优化多微网在不同时段的运行策略，并下发至各个微配网优化根据调度容量以整个配网的优化为目网的能量管理系统。中低压嵌套式微网分解上层能标给出各馈线关口的优化曲线，并下发到各馈线级优量管理系统控制指令，调节三联供工作模式、储能充化模块; 馈线级优化根据各台区的调度容量以整条馈放电功率、光伏发电出力、负荷功率实现综合协调控线的优化为目标，并以配网下发的关口优化曲线为约制; 低压光储微网则进行储能的充放电功率、光伏发束条件，给出各台区的优化目标曲线并下发; 而各台电出力以及负荷功率的精细化调控; 分布式光伏并网区根据微网、需求侧资源等的调度容量以台区的优化亦可参与到区域多微电网调节。通过上述多级控制，为目标，并以馈线下发的关口优化曲线为约束条件，可实现对区域内分布式电源及负荷的能量优化管理，给出微网、需求侧等资源的优化目标曲线并下发给微达到最优运行效果。网和需求侧资源等系统。2. 3 自动需求响应子系统3 综合数据融合的信息互通网络在负荷调控方面，实现生态城专变用户、智慧家庭用户和冷热电能源站在内多种柔性负荷的统一调信息互通网络的规划面向智慧城市建设的发展控。构建具有虚拟发电机组特性的能效电厂，同时为要求，适应智能电网创新服务模式、智慧城市信息互大型工商业用户、数据中心提供能效提升措施。联互通、政府提升公众服务能力、居民智慧用能服务、自动需求响应系统整体运行流程分为“自动需求电网公司提升社会形象、电力公司活化企业数据资产响应方案启动、执行和监测及统计”三大步骤，分别代的综合要求，面向居民提供居家便民和绿色出行服表自动需求响应执行前、中和后各个环节。系统通过务，面向政府、企业和电力公司提供基于多源信息融与多级能源协调控制系统交互后，获取负荷侧资源调合的深度综合能源服务。度曲线，逐次对用户、区域自动需求响应能力预测，并综合数据融合的信息互通网络中智慧家庭子项主与负荷侧资源调度曲线进行比较。若系统自动需求响要开展智慧家庭服务设备、客户端以及服务平台的建应能力容量小于负荷侧资源调度容量，那么将系统自设，实现对用电需求响应支持、提供多能源集中缴费等动需求响应能力容量发送给多级能源协调控制系统进日常便捷服务。电动汽车充换电服务网络子项建设生行修正，请求重新下发负荷侧资源调度曲线; 若满足，态城“10 min”充电圈，为各类用户提供多元化增值服则对负荷侧资源调度曲线进行分解并下发给各用户，务，并推广电动汽车分时租赁运营模式，促进电动汽车由各用户根据可调控的柔性负荷( 如空调、照明、自备规模化发展，支撑生态城绿色低碳城市发展。电源、电动汽车、电动机等) 进行调度曲线再分解，并形在此基础上，建设智慧城市综合能源数据服务平成用户自动需求响应计划表，最后向各可调控的柔性台，接入多个系统汇集的时序数据、结构化数据和非负荷下发自动需求响应指令并执行，同时需要考虑通结构化数据等，实现数据分布式存储，支持流计算、批过短信、微信等形式实现自动需求响应信息下发。量计算等功能，并且可以通过节点动态扩展的方式来2. 4 能源互联管理满足数据日益增长的需求，最终达到支持 PB 级以上在能源网络方面，建成多级能源综合协调控制系规模的数据存储与运算。一方面为多级能源协调控http: / / www cepc com cn61配电网规划专栏电 力 建 设2015 年 11 月制系统提供包括水和燃气在内的基础数据; 另一方面还依赖发展模式的不断突破。天津生态城智能电网为电力公司、政府部门、企业及公众提供公共服务、政创新示范将在如下几个方面开展模式创新。府管理、能源供需、节能减排、电力企业综合应用等相( 1) 多方投资、多方共建、多方受益的生态城智关应用及展示服务。智慧城市综合能源数据服务平能电网工程建设模式。生态城智能电网创新工程最台业务架构如图 3 所示。大的特色是整合多方资源，引入科研单位、社会企业、智慧城市综合能源数据服务平台的建设包括多源异高等院校、节能公司等，探索多方投资、多方共建、多构数据采集与集成、基于云技术的大数据平台、基于方受益的智能电网建设模式。大数据公共服务应用、基于大数据公共服务的多维度( 2) 面向未来能源互联网的区域多能源协同运展示等内容。营模式。针对多能源的协调运行，探索多能源供需其中，多源异构数据