东南大学：面向新型电力系统的建筑元胞低碳友好互动技术研究

面向新型电力系统的建筑元胞低碳友好互动技术研究2023年04月19日2●十一五规划(2006-2010)第一次提出节能减排概念，确定能源强度目标●十二五规划(2011-2015)明确了二氧化碳强度目标●十三五规划(2016-2020)确定了能耗总量和能源强度双控目标●十四五规划(2021-2025)面向碳达峰、碳中和的新目标2009年提出2020年提出3事营的吏斯见事营的吏斯见POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU1低斯凌数距离约800-3000公里古录古2比灭伊型/哈密80%的煤炭资源伊型/哈密海号p图列三直篇度位度P度丽毒乙n十n十法1沟内比有国锡盟次0次辅黄尔陕山西药韩年省0配东4汽七片七片市的江西75%的能源需求用海4主网配网协调互动华北电网西北电同西电同主网配网协调互动华北电网西北电同西电同南方电网东北电同东北电同网互济居民工业交通西电东送、北电南供多能互补、跨国互联电网配置能源进一步提升东部"九横五纵"西部“三横两从”格局全面建成坚强可靠的东部、西部同步电网提高电网和各类电源的综合利用效率适应大规模高比例新能源需求调度推动实现电力系统源网荷储的高效融合互动负荷5电碳关系亟待厘清东南大学电力系统自动化研究所能源来源能源转换能源加工能源传输能源使用光伏风力水资源配电网馈线能源二次电气节点配电网孪生碳网山燃气网电动测冷装置煤气锅炉电动汽车工业：40%建筑：10%热气热节点电孪生碳网热网冷交通枢纽交通：10%储能电站逻辑关联6东南大学电力系统自动化研究所未来电力系统生产结构、技术基础和控制基础将发生持续而深刻的变化。在转型过程中，电力系统面临诸多系统性的问题，重点要把握“变”与“不变”的关系，以系统思维研究应对转型带来的变化与挑战。生产结构技术基础新型电力系统的“变”控制基础新型电力系统的“不变”7东南大学电力系统自动化研究所8两大核心难题：功率平衡+电网稳定8功率平衡问题核电核电功率平衡调节手段功率失衡来源：新能源9低惯性动态特性复杂不确定性低惯性转动惯量等效惯量转动惯量风电、光伏等交直流混联生物基因生物基因电力基因东南大学电力系统自动化研究所团队拥有国内首创两大核心技术：基于能源大数据的电网源流路径电气剖分技术、基于用户侧能碳因子的电力基因技术。(1)依托电气剖分技术，实现源网荷储全链条碳足迹监测、追踪与溯源过程，完成全尺度“能-电-碳”多流映射与折算。(2)依托电力基因技术，在毫秒级时间尺度与设备级空间尺度上，实现复杂网络拓扑下的多类型行业与用户碳排放精准管控。变电侧用户侧输电侧发电测化石燃料发电输电网配电网询问患者相集相关环境量备给出检测数据报告分析处理根据报告及其他因素给出忠者病情状况状况和潜在风险编辑基因序列、改变生活环境或习惯解决健康问题基于用户侧能碳因子的电力基因技术POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU协调控制电网居民楼宇配电网馈线机关楼宇规上工业企业规下工业企业商业店铺分布式光伏电碳量化终端工业煤电燃气发电碳网碳流分布式光伏储能碳汇集控系统分散控制乡村振兴控制区探索多电源的经济-碳排-安全调度策略。电动汽车及有序充电V2G分布式光伏储能能源碳排交通降碳控制生物基因生物基因电力基因电力基因技术，是基于用户的能源需求，对用户电力系统的时间、空间和能量等多维度特征数据进行采集和检测，获取目标系统的电力基因序列，应用人工智能技术开展能源需求与电力基因序列诊断，通过功率控制进行电力基因调控，进一步通过验证用户能源效率开展电力基因评估。询问患者相关信息采集采集采集电力数据采备给出检测检测他因素给出患诊断根据报告及其他编辑基因序列、改变生活环境或习调控技术研究内容仿真及试验验证快速呵应策略频率影响分析技术研究内容仿真及试验验证快速呵应策略频率影响分析楼宇聚合特性分层优化响应策略日内优化控制前优化控制东南大学电力系统自动化研究所①基于知识-数据融合算法的楼宇用能动态建模②基于数据-物理联合驱动的楼宇用能响应潜力分析③计及不同电网态势下的楼宇参与需求响应协调控制策略楼宇物理模型·楼宇结构模型·热过程模型用户动态行为·行为知识库·用户行为判断④基于数据-物理联合驱动的智慧楼宇平台构建楼宇能耗楼宇能耗动态分析模型·关键参数修正·楼宇集群聚合模型·潜力时变特性·需求响应潜力三要素采集层·硬件终端·边缘计算网关故障检测及处理通信层·多种通信链路·场景通信方案预防态势紧急态势预防态势平台层平台软件架构·数据价值存储应用层·需求响应应用·可视化呈现类型特征名称占地面积单位类型特征名称占地面积单位静态非触发周期属性建筑数据朝向建筑形状墙体材质静态静态静态非触发非触发非触发POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU楼宇高度开关状态空调电气量测量太阳辐射照明光伏窗状态门状态空间空间体积电脑图1现代楼宇数据源体系示意图图1现代楼宇数据源体系示意图建筑数据电气数据环境数据行为数据表1楼宇建筑特征数据属性列表表2楼宇电气特征数据属性列表周期属性周期属性分钟级分钟级分钟级 分钟级特征名称房间总功率空调功率空调能效比照明功率电脑功率时变属性动态动态静态动态动态触发属性周期触发周期触发非触发周期触发周期触发类型电气数据单位表3楼宇环境特征数据属性列表类型特征名称干球温度湿球温度经纬度单位时变属性动态动态静态触发属性周期触发周期触发非触发周期属性分钟级分钟级环境数据光照强度太阳照射角相对湿度气候带CO,浓度动态动态动态静态动态非触发主动触发分钟级小时级分钟级表4楼宇行为特征数据属性列表触发属性触发属性周期属性主动触发主动触发主动触发主动触发 特征名称门窗开关状态空调开关状态空调运行模式人流量时变属性动态动态动态动态类型行为数据单位dbben.02ven.01m)Avenm)Aven,Inm)Anectbam)Anectba2A三A三nect-amnecOnmnecOn0.围护结构结构外部环境结构AApam-Aparm-con0parmven.en,01.dcon,21通风口参数基于知识-数据融合算法的楼宇用能动态建模楼宇建模：②热过程模型楼宇建模：②热过程模型j<i,j>i,基于知识-数据融合算法的楼宇用能动态建模基于数据-物理联合驱动的楼宇用能响应潜力分析②基于数据-物理联合驱动的数据-物理联合驱动修正·联合驱动机理·关键参数修正·楼宇集群聚合模型·潜力时变特性·需求响应潜力三要素存在问题·物理模型的简化会带来研究内容解决思路样本数据建筑数据电气数据环境数据样本数据物理物理模型数据运行状态物理方法运行状态物理方法fX(T)g(Y(T),x(T)))I修正修正数据现代楼宇用能动态模型分析模型分析模型分析结果测的用电测的用电行为建筑数据能效比传热系数区域联通静态参数动态参数静态参数基于数据-物理联合驱动的楼宇用能响应潜力分析输出y₂(r)z₂(r+1)y(r)z;(r+1)fr²(x₂(r),K₂)fp(x₃(r),K₃)随机误差V随机误差反馈1反馈·关键参数：建筑结构信息中的换热系数，负荷模型中的转换效率。基于数据-物理联合驱动的楼宇用能响应潜力分析时间图1夏季典型日温度曲线图2夏季典型日功率曲线图3夏季典型日准确度箱线图·数据-物理联合驱动求解准确度高于传统的物理模型和数据驱动模型。·箱线图中可见数据-物理联合驱动算法的准确度超过90%。楼宇元胞参与电网友好互动开关状态空调电脑地理位置楼宇宽度太阳辐射照明颗照明窗状态0门状态飘楼宇具有储热蓄冷特性且具有大量可调负荷楼宇元胞参与电网友好互动楼宇用能响应潜力模型：响应潜力容量模型：Cmc(r)=I₂(r)-IBe(r)响应潜力速率模型：响应潜力概率模型：楼宇元胞参与电网友好互动(d)*responseduration=4h△responseduration=5h·图1中分别展示了响应时长从1小时到4小时变化的不同响应潜力。响应时长超过3小时后，响应潜力有明显的下降。·图2给出了两个评价指标：平均响应潜力和最优响应时段。楼宇元胞参与电网友好互动图1常规响应vs最优响应策略对比图图2常规响应vs最优响应策略用能对比图·图1中考虑了楼宇的蓄热特性，在13:00-14:00间用能有明显提升。·图2定量给出了最优响应策略的用能情况，响应量远高于不做任何策略的情况。东南大学电力系统自动化研究所东南大学电力系统自动化研究所异构信息电气信息融合数据标定标签1异构信息电气信息融合数据标定标签1新用电数据集神经网络模型※小微负荷辨识方法居民用电数据异构数据数据处理异构异构信息处理异构信息数据处理数据贴标签数据贴标签无标签数据正常用电异常用电无标签数据正常用电异常用电标签0标签1半监督学习+自监督学习标签0样本补充数据集数据→数据数据签数据→数据集数据输出异常用电判别结果海量小微负荷聚合潜力评估东南大学电力系统自动化研究所建筑元胞中小微负荷通常通过楼宇能量管理系统与电网进行交互，为评估需求响应潜力，通常将柔性负荷分为可中断负荷(如电动汽车与空调),与不可中断负荷(如洗衣机洗碗机等)。管理系统1洗碳机空调TV==-==-==-==-=-=--=--Z--Z管理系统2管理系统n居民用户与电网交互示意图Power/kw海量小微负荷聚合潜力评估Power/kw东南大学电力系统自动化研究所荷运行策略合潜力模型减少功率聚合潜力评估结果Loadflexibility电动汽车正潜力0空调负潜力空调负潜力 EVreduction不可中断负荷负潜力AC不可中断负荷负潜力ACreductionWAreductionEVEVincrementWAincrementTime/h场景场景结果展示东南大学电力系统自动化研究所基于园区碳监测和碳核算数据，构建电碳仿真孪生数据映射及孪生场景，实现支持场景灵活构建的多颗粒度电碳协同数字仿真。解决应用输入数据处理仿真计算应用展示电气量量测终端综合能源量测终端碳计量终端D5000等己建系统统计数据人工输入数据仿真平台源数据处理模块场景静态数据场景静态数据存储子模块Python/C在线数据仿真平台场景构建模块数设置场景节点模型搭建子模块场景节点模型修正子模块场景线路模型场景拓扑结构搭建子模块多时间窗电仿真多空间颗粒度电仿真典型设备+定制化平台碳仿真模块碳排因子分析子模块发电碳排计算子模块节点碳分布计算子模块线路碳分布计算子模块核心代码仿真平台高级应用碳排潜力及成本评估三相不平衡精准降损(支持扩展)平台参数等静态数据平台参数等静态数据电气量等动态业务数据静态数据人机交互接口核心代码场景网架拓扑示意图Web端计算结果等动态业务数据电碳态势推演系统考虑楼宇元胞的电碳态势推演系统考虑楼宇元胞的"过去-现在-未来"时态的度的电碳仿真新能源在不同时间尺度的节电量、节碳量和标煤折算量"等空间维度的仿真数字降碳碳价值体系碳服务体系物理降碳优化设忙布局光储直柔技术该价值服务质价值服数字降碳碳价值体系碳服务体系物理降碳优化设忙布局光储直柔技术该价值服务质价值服务能什流信息质价值服务能星流信息东南大学电力系统自动化研究所联效服弃崔效码矿全融绿色出行积分帮已交易绿证交号国网新能原云数字经济平台数字孪生示范场景德清雷甸光伏集群长兴朗诗近零碳研发基地天能工业虚拟电厂长兴画溪谷零碳民宿集群安吉泛余村绿色共富乡村02楼宇能耗分析建模03参与电网友好互动04平台构建及验证05低碳建筑示范应用平台构建与验证构建智慧楼宇用能管控平台——平台架构微型断路器智能断路器智能断路器智能插座服存储翻雾存储光照传感器读取照明系统读取电器量照明控制器窗户控制器二氧化碳传感器烟雾报警器中央空调温湿度传感器烟雾报警器中央空调温湿度传感器劣红外传感器安防检测门磁传感器透明用电经济用电湿度安全用电可靠用电NB-IOT应用层优质用电平台层网络层终端层应用层优质用电测象高能耗设备智能插座测象高能耗设备智能插座智能断路器用电物联终端平台构建与验证开关类传感类开关类智能插座智能插座烟雾报警器三相物联网开关物联网空调面板APF楼层级智能断路器楼层级智能断路器智能空开网机设备级智能插座单相微断智能面板智能电表多路采集装置通讯类设备级层对通讯转换网机低功机设计相关环境信息采集服务器集群用户主服务器数据库服务器集群用户主服务器数据库数据处理服务分布式服务设备终端平台构建与验证表1非授权频段通信技术对比参数蓝牙ZigBee传输速率(比特/秒)20k/40k/250k传输距离(米)网络延时(秒)11可靠性中高高安全性中低低EnOceanZ-WaveZigbeeWLANLoRsSigFox频率315/868/902/928868/9152.4G(868/915)2.4G433/490/868/915868/915无线标准ICE14543-3-10私有协议IEEE802.15.4UNB电源可不需要电池数月-数年电池数月-数年需要电源电池数年电池数年覆盖空内10米，空旷100米100米最大20KM最大速率25Kbps9.6/40Kbps250Kbps11-300Mbps抗干扰强较强一般较强强强睡眠电流兼容性是未知不同饭本不兼容是是是主要应用智能住宅市场价格45-7020-50¥30-10050-100策略建议扩展接入扩展接入扩展接入兼容设计解决方案合作运营NB-NB-loT手机APP/微信小程序攀2N+1台WifPC-loTWif用户主服务器数据库用户主服务器数据库数据处理服务分布式服务设备终端服务器集群平台构建与验证mns和数据库的实时交互楼宇能耗管控及潜力评估平台东南大学电力系统自动化研究所负荷占比设备数量宿舍一实时潜力评估远程模式控制现场照片40DesignvisionRedLineDelineationPlanningStrategyIProgramAnalysis东南大学电力系统自动化研究所我们的地块位于牛马塘的东南侧，地块，西北侧穿牛马塘与曹山相望，西南侧临近一片田野对望姚河坝水库，这片田野在春天有漂亮的油菜花，所以在这两侧都有优美的景色可以欣赏。牛马塘零碳会议中心垂直轴风机光伏向日葵光伏星空伞蓄冷蓄热装置东南大学电力系统自动化研究所光立方月门开翻黄村肉AUTOMATIONINSTITUTE,SEUAUTOMATIONINSTITUTE,SEU东南大学电力系统自动化研究所项目将以"零碳乡村"为主题，分别在专家院落、青创公寓、田园中心区域和未来规划区域内融入低碳能源、零碳建筑：零碳小屋(光伏停车、被动式门窗、屋面光伏、地源热泵、全电厨房等)、零碳办公(智能会议室、照明管理、远程抄表)交通：智慧充电桩、光伏车棚文旅：智慧路灯、智慧环卫农业：环境监测、水质监测建筑：公共节能(智慧照明、水源热泵、中央空调节能)交通：智慧充电桩、光伏车棚文旅：客流监测、智慧气象站、智慧路灯配电房建筑：零碳办公(智能会议室、智慧照明、地源热泵、空调节能、远程抄表、设备远程管控)文旅：客流监测、智慧气象站、智慧路灯斑竹、方里整村连片规划能源：能碳监测、安全用电监测、分布式光伏、智慧配电房斑竹、方里整村连片规划建筑：零碳商铺(远程抄表、智慧租赁、智慧安防、能耗分析、安全用能分析)交通：智慧充电桩、光伏车棚文旅：智慧路灯、光伏星空伞、光伏向日葵、垂直轴风机能源：能碳监测、安全用电监测、智慧配电房建筑：零碳公寓(远程抄表、线上缴费、恶性负载识别、异常用电分析)建筑：零碳小屋(光伏停车、被动式门窗、屋面光伏、地源热泵等)文旅：客流监测、智慧气象站、智慧环卫、智慧路灯光伏向日葵、垂直轴风机、光伏座椅、光伏地板交通：智慧充电桩、光伏车棚农业：智慧灌溉、智慧大棚、智慧养殖、四情监测、环境监测、水质监电动溧阳——公共节能东南大学电力系统自动化研究所包动县域示范服务营业户数50.71万户。全面推行交通工具、工程机械设备等领域电动化和储能应用，探索实行电动化碳积分制度并建立电动化减排量碳市推动新一代的固态动力电池、固态锂离子储能电池、钠离子电池、先进智能电网装备等产业化与应用示范。推动电建议积极推动工业厂房、屋顶建筑、农田和山林区域大力使用可再生能源，推动智能微网、高效率多元用户供需互溧阳市委市政府正在实施“电动溧阳”的行动方案，力争2025年将溧阳全面建成全国智慧电动示范城市。平陵集团在2021年度工作会议上，明确了全年工作目标和重点任务，把推动“电动溧阳”形成明显布局定为年度重点任务之一。拟设20亿元的绿色储能基金，加速“电动溧阳”建设。会议部署安排数据中台储能聚合平台充电桩平台空调聚合平台平湖虚拟电厂其他聚合商平台数据中台储能聚合平台充电桩平台空调聚合平台平湖虚拟电厂其他聚合商平台东南大学电力系统自动化研究所建设溧阳虚拟电厂管理平台接受溧阳政府管理，溧阳供电公司负责日常运营，主要负责虚拟电厂管理平台的建设和运行维护，组织开展虚拟电厂用户注册、资源接入、调试管理、接收和执行需求指令、响应监测、效果评估等工作。平台广泛聚合储能、空调管控、充电桩管控、针对地/县可预见性缺口及突发紧急状况，可实为政府和客户提供需求响应、电力现货、辅助需求OPEN3000新一代配电自动化系统业务需求OPEN3000数据推送调度系统需求响应应急支撑需求响应应急支撑需求响应应急支撑现货交易辅助服务中、长期交易溧阳虚拟电厂管理平台虚拟电厂业务管理模块虚拟电厂聚合控制模块数据采集数据采集其他单体资源单体分布式储其他单体资源能示范应用展示东南大学电力系统自动化研究所POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU双碳示范园区分布式光伏抽水面能电站示范应用展示东南大学电力系统自动化研究所高新区低碳园区能碳管控项目本项目通过分布式能源监测与运维、各楼宇企业等能碳排放监测与运维，对比能耗的基础数据，深度剖析耗能的根源性问题；并利用能碳行业数学模型等信息进行数据挖掘，提供光储充运维及企业运维等低能碳运行优化建议，为能源监管部门和园区企事业提供实时、全面、可视化的能碳监测决策分析平台，提高园区能碳管控水平，为园区碳服务提供支撑。金源锻造低碳工厂项目金源锻造能碳监控系统：通过在线监测各变压器、线路、产线、设备的能碳运行数据，实现对企业从上至下的能碳监测管理；通过对各类用电设备进行基础数据在线管理、运行检修管理和服务管理，实现工业生产能碳运行管理。以企业生产能碳数据支持构建工业生产全过程碳排放数据管理体系，帮助企业后续参与全国碳排放权交易。利用碳流数据，帮助企业开展工业节能诊断服务，帮助企业提高能源使用效率、改善用能方式，助力企业低碳发展。南京农业大学智慧农业低碳管控项目项目位于南京农业大学白马基地，低碳管控系统由智能配电房、智慧大棚、渔光互补小型微电网、应急移动电源车及一体化能效管理后台组成，实现白马研究基地的智慧低碳管控。系统配置智能主变超温报警系统、电能质量报警检测系统、智慧大棚环境监测与控制系统、渔光互补微电网管控系统及应急电源车，集成消防控制、视频安防、门禁控制、智能巡检机器人等智能系统，由低碳管控平台在监控中心进行大屏显示，并将数据通过专网传输到远端集中监控中心。苏星农场智慧低碳大棚项目本项目农业低碳物联网建设主要包括环境、植物信息检测，温室、农业大棚、养殖池塘信息检测和标准化生产监控，精准农业中的节水灌溉等低碳应用模式，为农业生态信息自动监测、对设施进行低碳自动控制和智能低碳化管理提供科学依据，打造科学智能低碳农业管理模式。示范应用展示溧阳市委党校智慧低碳楼宇项目本项目结合智慧低碳楼宇能源管控技术，基于能碳监测技术、智能传感技术等，利用大数据、人工智能与物联网技术，建立万物互联、数据互通、多能互通、协同互济的智慧校园管理系统，实现建筑、设备、能源系统、能源服务和能源管理的优化组合，践行绿色校园理念，赋予校园能源低碳、可视、安全、可靠、高效、节能的效能。永平中学智慧低碳校园项目本项目综合应用物联网技术、建筑能耗建模诊断技术、能源管控技术和低碳楼宇技术，将智慧低碳楼宇与地方红色教育相结合，在党校这一重要的教育阵地开展智慧低碳楼宇的能源管控研究与实践，具有重要双碳理念与新兴源技术宣传推广宣传的示范意义。幸福公寓低碳公寓项目本项目运用了楼宇能碳数据分析、安全用能AI算法等先进技术手段，搭建了宿舍安全费控云平台，通过智能化、信息的智慧低碳用电系统，确保宿舍违禁电器监测与报警，有效排查和消除宿舍内电气火灾安全隐患。同时实现远程集中抄表，并可对宿舍空调、照明、插座等实现分路低碳控制，实现公寓智能低碳安全管理。江北新区电能质量溯源定位项目本项目基于区域配电网开展多监测点电压暂降监测和快速定位技术服务，开展基于区域配电网的电压暂降溯源定位示范应用。本项目可提高电网的安全稳定性，为配网的电能暂降问题提供科学依据；快速定位暂