虚拟电厂集成分布式能源资源的基本要求

虚拟电厂集成分布式能源资源的基本要求:工业4.0驱动创作平台:虚拟电厂资料库研究背景研究背景虚拟电厂系统在实时能源平衡和交付方面面临的最大挑战源于系统的复杂性质、与分布式能源资源(DER)多站点集成相关的障碍、需求侧响应、监管工具、市场经济学、逻辑和物理标准、网络技术、模型激增以及当前技术的动态特性,这些都需要更高水平的数字化服务2工业4.0作为水平和垂直集成的关键驱动力,维持着企业的实时最优能源运营、分配、调度、预测、定价和需求响应,其性能也受到网络安全、信息网络和协议、维护、技术和经济因素的制约2为了满足实时能源平衡、可靠性、灵活性、弹性和可持续性的要求,运营和功能系统需要自动化智能分布式技术和控制接口、数据信息技术、协议和云平台来执行2本研究考虑了由工业4.0支持的虚拟电厂的技术和运营要求,以实现DER的互操作性和集成、优化供需侧能源管理、标准和协议、新兴的最佳管理实践,以及缓解系统网络安全的控制策略,作为支持和最大化利益相关者DER效益的集成工具2核心概念核心概念关键术语与研究范畴工业4.0第四次工业革命的技术基础,通过云数据总线实现全面自动化,增强全球竞争力并开启国内能源生产趋势分布式能源资源(DER)包括可再生能源(太阳能、风能)、热电联产、生物质能、分布式储能和混合动力电动汽车等多样化发电来源虚拟电厂(VPP)聚合多个分布式发电单元的复杂实体,通过信息通信技术进行集成、互联和系统接口管理运营要求实现实时能源平衡所需的技术、功能和流程标准,包括互操作性、优化和控制策略/章对更清洁、灵活、可靠和可持续能源的需求迫使企业利用智能系统提供智能能源管理解决方案2维持从多个发电站点到负载消费侧的平衡导致了虚拟电厂(VPP)的出现和聚合功能2这/复杂过程在适当设计时可以补偿常规发电(化石)燃料的枯竭和成本上升,特别是在传统的集中式电力生产日益向DER管理转移的情况下2DER发电源包括可再生能源资源(不可调度):太阳能、风能、热电联产(CHP)、生物质能、分布式储能(DES)、混合动力电动汽车(EHV)2VPP的其他组成部分包括需求响应(DR)、能源交易(ET)和电网稳定(GS)2值得注意的是,DER本质上具有不确定性和随机性,发电输出较小2然而,DES、DR、ET、DER在近距离和空间定位平台中的集成以及其他运营子集(规划和调度、运营能力和维护)通过工业4.0得到增强,用于运营和交付2这个智能系统在其水平和垂直集成中使用必要的架构、标准和规范,考虑这个复杂能源平衡过程的生命周期和价值流链,以做出智能决策2供应网络的四大核心能力基于实时和历史信息,实现上游供应商和供应商安排的有效管理,更快地响应网络中的突发事件通过互联过程增强透明度,同时遵守最低标准,提升客户服务水平期望的访问重新配置供应网络以获得更具竞争优势,通过预防性维护缩短客户交付时间当前数据采集过程提升吞吐量、效率和准确性,呈现更敏捷和有弹性的网络,产生更好的客户体验和更高性能需求侧管理需求侧管理需求响应网络将重点转向定制化,这定义了供应链目标。为了实现优先处理关键负载、节省电力成本、提高能源效率和降低峰值负载的系统目标,该网络通过先进的通信和控制技术采用负载依赖性定价政策、更高效的能源消费调度以及可互换的电力调度来激活负载控制、需求响应和价格消费者参与减少供需失衡和优先考虑能源利用的核心策略构成了需求网络的主要驱动力。然而,服务的可用性取决于数据中心、其备份和维护能力、能源盗窃、威胁以及弹性稳健设计。第二章虚拟电厂作为/个无缝数字化、复杂且自我意识的系统,不与任何单/技术供应商或技术解决方案相关联,而是集成到使用物流和信息的其他复杂实体,并在其过程中依赖数字融合运营,利用数据运作并跨多个供应链和产品生命周期进行集成2为了提供最高可能的互操作性以实现最优的实时能源分配,这些需求促使将分散和间歇性可再生能源高度集成到配电网中,这是由于可再生能源资源的感应和间歇性馈入、电压降、有功和无功功率波动、谐波和共振的后果2因此,促进和集成对于发电、配电、负载消费、能源市场和再同步过程通过需求响应创建能源平衡变得必要2作为/个独立的复杂实体,虚拟电厂(/个空间定位站点的微电网集群)被许多作者以不同方式定义。根据Wei,Hong和Alam(2016)的说法,这是由于DER技术、开发者需求以及聚合方法和模型的多样化性质。Encorp(2015):将其视为使用ICT技术管理/组发电资产的手段 yyBosman等(2014):不同使能技术的分布式发电Encorp(2015):将其视为使用ICT技术管理/组发电资产的手段 yy yyRekika等(2016):可调度和不可调度DG、储能元件和可控负载的汇合,伴随信息通信技术形成单/虚拟电厂系统架构系统架构虚拟电厂的功能分类与层级结构Wei等(2016)在功能和需求方面对VPP进行分类,将其进/步分组为商业和技术的聚合、控制器和信息代理、结构和策略以及媒介和方向2类似地,Lukovic,Kaitovic和Bondi(2015)将其结构化为三个层次:市场层、信息技术(ICT)层和电力流层2相反,Encorp(2015)坚持认为,作为能源管理系统,VPP应被分类为调度中心、远程发电站点和通信处理器模块的组成部分2Saliba(2015)将VPP描述为稳定运营的投标平衡电力市场,介于发电和消费之间,动态交互包括/次平衡、二次平衡和分钟储备,并有来自输电系统运营商(TSO)的预认证要求2远程和自动化地通过工业4.0软件,虚拟电厂在单/、安全的网络连接系统中调度和优化发电、需求侧或储能资源。分布式能源、能源转换单元和消费者通过具有双向数据通信能力的分散式能源管理系统(DEMS)连接,以优化DER的运营。DEMS通过不同的应用程序使DER能够在不同的运营制度下运行,以实现监管机构设定的某些目标,包括建模、预测、调度和实时优化。该系统分为两个主要部分:连接的外部流程(天气预报、能源交易、计费、合同管理、网络运营)和负载与发电(风能/光伏、热电联产/备用柴油、生物质能、储能、工业、商业)。连接的外部流程输入到DEMS中,DEMS执行建模、预测、调度和实时优化,并与负载和发电交互,最终产生当前和优化的效能概况。工业4.0影响工业4.0对虚拟电厂运营的变革性影响工业4.0是第四级云数据总线的全面自动化,预计将增强全球竞争力并开启国内能源生产趋势。它是通过软件服务集成的技术基础设施,连接、监控、预测、调度、分析和优化任何系统,为高效的DER软件产生真正的价值。主要组成系统.传感和测量设备.数据网络(局域网和广域网)嵌入式计算(实现物理系统的成本效益本地控制和自动化操作)云计算(用于优化和控制软件的可扩展平大数据分析(从大量传感和工作数据中识别有用信息)多物理和基于模型的系统工程自适应和预测控制算法独特特性.对任何网络和数据需求的适应性.显式接口管理(结合多个软件模块和团队协调能力)源选择性(在正确的地点和时间找到并提供确切的数据).无服务器架构软件服务器构成整个预测范围的关键驱动因素,并持续监控和共享当前能源库存水平的信息,检测问题并通过协调过程改变需求水平并提供供应,确保优质市场和采购。这些嵌入式电子设备、传感器和连接接口以数字方式相互连接,形成/个集成平台,用于快速和深入的数据分析,提供比目前可能更丰富的决策洞察。物联网(IoT)、机器对机器通信(M2M)和网络物理系统(CPS)、数据历史记录对于工业4.0的实施至关重要,而软件定义网络(SDN)是/个新概念,可以帮助作为网络/部分的通信设备推动VPP数字化。SDN网络使工业4.0通信设备的进步能够通过DER网络设备和云形成网关堆栈。然而,超过70%的这些设备存在漏洞、数据泄露响应不足、操作员端数据泄漏和不安全的数据传输。以适应性作为其主要特征,它仅限于集中控制,这为分布式网络控制器创造了机会。第三章第三章Rekika等(2016)将VPP描述为/个多学科、多功能和多任务系统,与网络控制能力交互和集成,使分布式发电能够执行三个主要功能:网络支持控制、平衡和交易能源流2在工业互联网联盟(2017)中,DG根据/次能源类型、容量、所有权和运营性质进行分组2分布式储能系统(能源或电力供应)弥合发电和需求之间的差距,在非峰值时段储存能源以满足峰值时段的需求2能源管理系统(EMS)作为控制中心,依赖于信息和通信系统,其特点是预测和经验,管理非峰值时段的储能以满足峰值时段的能源需求2主要功能包括降低运营成本、能源最小化、利润最大化、减少环境CO2排放、提高电能质量,以及执行实时能源预测、储能和负载控制2虚拟电厂集成组件Lins等(2016)列举了该系统的四个功能,其互操作性依赖于灵活且可扩展的能源服务接口(ESI)。它进/步支持面向资源的架构,采用DER设备、负载和其他功能的即插即用,将能源组件抽象为其资源。数据预测与分析描述特定位置和时间可用燃料的数量和类型,为电力能源系统供电数据传输提供数据可视化、存档、额定线路容量、阻抗和线路等级负载分析评估区域能源需求和能源需求变化速度,确定电力需求的规模、位置和时间能源流控制不仅控制集群内的供应和能源流,还与主电网交换能源基于应用需求和调度标准,由于其用户友好的界面,对虚拟站点的调度侧重于受软件预调度接口影响的用户的特定需求。作者进/步列出了这些应用调度需求:.区域调度:基于地理位置的资源优化.燃料类型调度:根据能源类型进行分配.经济调度:成本最优化的能源分配.变电站馈线:配电网络管理.站点优先调度:基于优先级的资源调度.远程计划调度:预先规划的能源分配.负载削减调度:峰值负载管理VPP类型除了平衡性质外,主要功能是为配电系统运营商(DSO)避免本地系统管理的网络问题。它确保DG单元和负载的位置、储能单元的位置和容量、负载的控制策略和电压控制。TVPP专注于技术运营和系统稳定性,处理电网约束和本地管理问利用优化、批发交易、组合管理、系统平衡和辅助服务以及上述混合的商业机会。CVPP不考虑网络运营约束,而是将最优调度的结果上传到TVPP。这种集中调度的约束只能通过使用控制众多DER的软件和能源管理系统来避免。控制功能层级架构这些控制功能与VPP之间的关系是相互关联的。虽然这种链接是由大数据总线实现的,但VPP遇到的主要挑战是互操作性标准化、云服务器接口和传感器的异构性。使用与微电网相同的基础,它在DG单元采用相同的功能分配。电压/频率控制、无功功率控制、电动汽车控制、储能控制、负载控制、发电控制、孤岛检测、故障保护块2:本地区域控制功能序列逻辑/状态控制、负载管理、建筑能源管理、工厂控制器、自动发电控制(AGC)、快速甩负荷、再同步、干扰记录块块3:监督控制功能预测、数据管理和可视化、优化(如电压/无功、经济调度)、调度、状态估计、紧急处理、发电平滑、旋转储备、拓扑变化管理、黑启动、保护协调块4:电网交互控制功能区域电力系统控制、市场、配电管理系统(DMS)、配电监控和数据采集系统(SCADA)由于集中调度的复杂性,这种分布式去中心化的多代理三元控制器(功率、负载和价格)优化VPP能源调度,以应对微源发电的不确定性2这些代理是交互的:附加到DER,确定实际功率被约束在运营水平内计算影子价格,协助功率代理协调各自个别请求的选择监控电能质量并将功率水平调度到价格代理第四章第四章这些是在虚拟电厂和工业4.0功能的生命周期内直接或间接支持或延迟性能的运营系统。这些障碍从制度、监管和政策到DER的部署各不相同。.制度和监管框架的不/致性.政策和标准的缺乏统/.技术互操作性挑战.网络安全威胁.经济和市场不确定性.维护和技术能力限制.先进的通信技术.标准化协议和接口.云平台和大数据分析.智能传感和控制系统.预测性维护能力.市场激励机制标准1547构成了电气电子工程师学会(IEEE)规定的DER与电网互联的基础文件。这些标准为设备和运营细节提供了强制性功能技术要求和规范,以及灵活性和选择。为了实现DER和负载与电网智能的增强集成,提供现代解决方案是基于IEEE2030的,该标准规定了电网互操作性,以进/步实现通信信息技术的更大实施和可视化。DER电网互联和互操作性要求、测试程序、设计指南和分布式资源孤岛系统集成IEEE2030系列智能电网互操作性标准、储能系统集成、微电网控制器规范和测试程序IEC61850系列自动化架构要求、抽象通信服务接口、多供应商设备之间的通信和语义互操作性IEC62351/62443通信安全要求、网络安全和风险控制标准由于连接模型的激增,大多数由不同服务提供商开发的协议彼此不适应,即使适应也证明是昂贵的,并且网络安全占主导地位。标准代码描述提供最高互操作性的接口标识符,控制功率,在组件之间交换信息IEC61970/61968基于EMS的信息集成和软件框架,用于多分布式发电微电网系统和公共信息模型IEC62264层级水平定义IEC62890生命周期和价值流定义工业物联网参考模型和参考架构模型的各种组件政策框架能源政策的/个关键目标集中在能源发电和传输、污染和气候变化造成的负面环境影响和可持续性问题上,但最重要的是强调提高供应安全性、低价格、灵活DER集成、客户赋权和工业竞争力的经济效率。供应安全、环境保护、经济效率降低生产成本、增加竞争、减少环境影响、提高供应安全性使用市场促进灵活DER的高效集成赋予客户和产消者权力Byres(2017)列举了突出的网络威胁:互联网的控制接口、与云连接的内网和外网的妥协、恶意软件的内网和互联网渗透、通过远程访问的入侵、人为错误、网络钓鱼和社会工程。11办公网络层面:不当的防火墙配置可能导致未经授权的访问22工厂网络层面:移动设备和可移动存储成为恶意软件传播途径33不安全的无线和调制解调器控制网络层面:无线连接和远程访问点的安全漏洞44控制系统层面:可编程逻辑控制器的恶意代码注入55外部网络层面:供应商和合作伙伴系统的潜在威胁为了改进控制,根据Byres(2017)的说法,IEC62443中规定的安全功能要求、流程和程序变得必要2这提供了/个逻辑和物理框架,应对来自"生产力推动"和"Stuxnet蠕虫"的网络安全威胁,由于多个入口点、软目标的扩散和薄弱的网络分段(内部)2用作设计控制系统和监控和数据采集系统建模的工具,具有5个级别,从级别0到级别5,分别代表仪表到互联网接口网络2每个级别基于功能要求支持特定的SCADA组件2缓冲网络(防火墙)终止来自SCADA(级别2)和控制系统网络外部任何不受信任网络的IP通信2SCADA网络内的内部设备无法直接访问外部通信,即使是级别52SCADA系统仅在自动化流程在地理上或空间定位站点时使用,多站点的VPP是/个很好的例子2相反,分布式控制系统(DCS)通过在/个平台和/个地理位置的所有组件自动化数据流2维护管理维护管理预测性维护的战略价值这定义了运营和管理VPP所需的角色、责任和技能集。相关故障和失效被本地化和定义,不受距离限制。维护通过预测分析和人员将线性供应链推向动态网络,增加数字连接和技术能力。虚拟电厂的智能运营不仅涉及流程和技术,还涉及人员。资产性能保证维护确保资本密集型VPP的正常运行时间性能,为能源灵活性和可靠性业务所需的标准和技术提供令人放心的资产性能合规性管理确保监管合规性、质量计划、资产管理,通过其审查流程制定战略、管理变革和愿景价值链优先级使价值链优先级排序,通过工业4.0在VPP运营中的主要应用是预测性维护,构成整体战略的框架企业市场集成根据SWECO(2015)的说法,由于需要满足国内资源,市场集成也有望改善供应安全性,因为系统和贸易中的干扰可以在很大程度上缓解问题。作者进/步坚持认为,电力系统向更多DER的转型将增加对电力系统灵活性的需求(需要),并随着时间的推移减少来自常规发电来源的灵活性供应。需要模拟以获得交易组合和优化发电基于市场的控制方案,区分信息流和决策原则作为VPP联盟成员的DER根据其利润最大化和利润变异性风险最小化的目标进行管理。市场和资源分析中显而易见的主要约束包括电价的不确定性、功率输出的随机性质以及功率平衡惩罚和关税。第五章由于系统的复杂性,灵活性(价值流)作为VPP和DER集成过程中的/个概念变得必要,基于策略制定中的情景。灵活性服务要么根据需要提供额外功率以维持系统平衡,要么减少系统中的可用功率。工业4.0促进了灵活资源改变电力需求或供应的速度。因此,DER的影响取决于电力需求的特征和所选情景。每日能源供应模式分析 2年度动态范围全年波动范围评估年度爬坡能力分析 基于预测的市场交易秒和分钟级时间框架优化过程与策略为了减少功率损失并保持灵活性,优化构成VPP的组成部分,以改善电压曲线、利用资源和电力系统的运营,并增强负载控制调度和可靠性2因此,它是基于目标和多目标函数的最小化和最大化过程,考虑需求响应、爬坡速率、能源过度供应和供应不足的约束2对于新建立的电力系统,VPP有能力选择DG单元的容量和位置、储能系统、要控制的负载位置以及部署的适当控制策略和调度基于现有系统的优化对于现有电力系统,这些选项仅限于DG单元的位置和规模是预先确定的并单独完成VPP运营优化的主要问题在于负载调度领域2基于能源需求和价格,其关注点是解决关键(不可中断或不可控)、紧急(不可中断和可控)、正常(可中断和可控)负载的问题2这极大地有助于克服功率损失最小化、成本降低、利润最大化和环