“双碳”背景下张家口能源大数据中心的建设

杨 威,袁冬冬

(1.张家口职业技术学院 就业与创新创业指导中心,河北 张家口 075051;2.国网冀北张家口风光储输新能源有限公司 运行监控中心,河北 张家口 075051)

引言

为贯彻习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全新战略,加速落实“双碳”目标及张家口新型电力系统示范区建设,探索适应可再生能源大规模融入电力系统的新型电力运行机制和负荷调节管理新模式,张家口市政府与国网冀北电力有限公司(下称冀北公司)签署共同建设示范区能源大数据中心协议,围绕新能源科学发展、能源互联网构建、风光储产业升级、全社会用能转型、全链条汇集分析源网荷储等技术创新、试验实证、日常运维数据,提出可再生能源规划、建设、并网、消纳、运维等数字化解决方案,打造能源互联网创新生态,引领新能源创新发展。

一、张家口能源大数据中心的建设背景

(一)增强内驱动力的迫切需要

国家发改委印发《河北省张家口可再生能源示范区发展规划》,提出在实施好国家风光储输示范工程的基础上,探索适应可再生能源大规模融入电力系统的新型电力运行机制和负荷调节管理新模式,开展智能化区域电力运行监控管理等技术应用示范。随着数字经济和信息技术的发展,国家不断出台相关政策,用以鼓励支持数据中心建设,加快能源领域数字化转型。数字型综合能源服务一体化发展模式研究与应用是当前形势下的必然发展路径,是张家口可再生能源示范区持续发展的内在动力。

(二)落实社会责任的必然要求

为贯彻习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全新战略,加快推进“3060”双碳目标实现,张家口市政府与国网冀北电力有限公司签署共同建设示范区能源大数据中心协议。充分发挥示范区机制和资源优势,依托国家风光储输示范工程技术优势,共同建设可再生能源示范区大数据中心,加速先进数字技术与先进能源控制技术的深度融合,围绕新能源科学发展、能源互联网构建、风光储产业升级、全社会用能转型、全链条汇集分析源网荷储等技术创新、试验实证、日常运维数据,提出可再生能源规划、建设、并网、消纳、运维等数字化解决方案。

二、张家口能源大数据中心的构成

围绕建设能源科研平台、数字赋能平台、价值创造平台和管理支撑平台,冀北公司多措并举打造能源互联网新生态,服务冀北地区双高绿色智慧电网建设,服务张家口可再生能源示范区清洁低碳发展。

(一)开展数字孪生平台建设(能源科研平台)

近年来电网建设规模不断增大,电力系统呈现出开放式、扁平化、分散式、边界模糊化的发展趋势。数字孪生电网是电力系统模型日渐复杂、应用数据快速海量增加以及数字孪生理论技术逐渐发展完善等各方面背景共同作用下的新兴产物。

冀北风光储输公司作为新能源行业的示范者,创新性开展风光储基地数字孪生建模与运行能效提升技术研究及示范。提出了风光储基地多源海量异构数据的云边协同治理方案,形成了面向不同业务应用需求的风光储基地数据质量监测和治理手段,建立风光储基地全域感知数据集,实现风电机群实时数据的交互共享应用机制。构建了反映典型缺陷特征的风光储发电设备数字孪生模型,提出风光储发电设备数字孪生虚拟系统与真实系统的信号交互方案,指导风光储发电设备精细化运维,实现风光储发电设备发电性能提升。建成了面向发电能效提升的风电场机群数字孪生虚拟系统,实现电站级数字孪生虚拟系统与真实场景的交互验证,提出基于多机数据实时共享的风电场机群主动偏航协同控制方法,有效地支撑了风电场运行能效提升。建设风光储基地典型“机—群”的数字孪生虚拟系统,实现复杂物理动态过程的 3D 展示、时序推演与在线优化,形成风光储基地运行能效提升的技术解决方案,为新能源电站的数字化转型提供了样板示范[1]。

(二)开展张家口地区规模化集控中心建设(数字赋能平台)

2020年碳中和与构建新型电力系统目标的提出,将新能源的发展带入了新的发展周期。电力系统正经历绿色低碳转型和能源结构变革。冀北电网作为新能源装机容量占比最高的省级电网,提升新能源场站调度、监控、运维的管理水平是电网安全稳定高效运行的重中之重。

张家口能源大数据中心建设可再生能源示范区新能源场站集控、集聚中心,引入示范区各大发电集团进行集控中心业务的建设,开创基础设施共建、数据共享的新模式,形成规模化效应[3]。

集控系统通过实时采集、整理各新能源场站生产数据,建立统一的数据库平台,实现生产过程信息远程实时监控、实时报警、自动生成报表等。云平台数据分析系统通过对大量数据的统计分析,找出发电指标差距,定量分析由于设备维护、设备故障或天气等多种原因造成的电量损失情况,查找设备故障根源和共性问题,提高接入场站设备利用率,同时也为实现设备的精细化管理、优化控制及规模化检修维护等方面提供了强有力的参考数据。

集控中心一体化服务通过集控系统及数据分析系统,实现了各新能源场站的数据汇集、远程监控、实时报警、诊断维护及数据分析,支撑以冀北电网为主要调度单位的区域性集中监控与集中调度。

(三)开展虚拟电厂参与电网调节技术研究(数字赋能平台)

冀北电网负荷特性是受端电网、负荷大、峰谷差大及尖峰时段降温负荷占比高。冀北电网为了防止资源浪费,保证电网冗余发电能力,且保证高峰期供电安全,开展了虚拟电厂参与电网调节技术。虚拟电厂技术能够实现分布式资源的有效聚合和协调控制,从而降低电力系统运行的碳排放量,提高可再生能源消纳量,解决了资源浪费的问题,成为推动“双碳”目标实现的有效途径[2]。

1.虚拟电厂参与辅助服务市场

虚拟电厂通过参与辅助服务市场,参与辅助调峰市场来实现区域内电网供应与负荷不平衡的问题。

依托先进的控制、通信等技术手段,虚拟电厂智能管控平台实现储能、分布式电源、电动汽车、柔性负荷等资源的协调、优化、聚合,作为一个特殊电厂参与电网运行和电力市场。

虚拟电厂示范工程将采用“1+2+N”的模式,“1”即虚拟电厂管控平台,可为用户提供设备数据、计算、储存的功能并整合优化各类信息反馈给用户;“2”即多能流网络与电力物联网络,提供信息传输和转换的作用;“N”即多方应用,可以为电网、交易中心以及其他参与企业提供数字化产品等增值应用服务。

2.虚拟电厂承担电力平衡责任

新能源电力系统下,将由“源随荷动”向“源荷互动”转变,风电、光伏等不可控发电优先匹配不可控负荷,优先发电保障优先用电,可控发电、用电共同平衡优先发电、优先用电之间的差额。

电网调度台下发调度指令给虚拟电厂,虚拟电厂通过虚拟电厂管控平台分解指令并下发控制策略给第三方主体,由聚合的第三方主体按照虚拟机组的负荷特性发配各自虚拟机组,从而完成整体电力调节。

(四)开展示范区创新联盟建设(价值创造平台)

为积极响应和落实国家“双碳”目标,发挥张家口地区的可再生能源资源禀赋、区位优势,风光储输公司顺应国家科技创新政策需求,不断收集示范区可再生能源相关领域的技术创新需求,发起成立了“张家口可再生能源产业促进会”以及“新能源产业技术创新战略联盟”。

1.张家口可再生能源产业促进会

张家口可再生能源产业促进会旨在依托张家口地区可再生能源产业聚合优势,积极发挥地区政府、电力系统、行业专家和可再生能源企业之间的桥梁纽带作用,促进业内技术经验交流,推广可再生能源前沿技术应用落地,共同推动地区可再生能源产业健康、有序、可持续发展。

联合各单位的技术力量和智力优势,紧密围绕构建以新能源为主体的新型电力系统重要部署规划,积极谋划抱团发展、合作共赢工作机制,发挥桥梁作用,服务科学决策。积极服务“双碳”目标,为张家口可再生能源示范区实现有质量、有创新、有品牌内涵式增长贡献力量。

2.新能源产业技术创新战略联盟

联盟面向新能源产业发展技术需求,通过联合河北省区域内外相关领域产学研用单位,汇聚科研资源,依托张家口可再生能源示范区,以推动高校、企业、科研机构和其他组织机构等在战略层面有效结合,加快构建以市场为导向、企业为主体、产学研用深度融合的技术创新体系,加快提升区域可再生能源科技创新能力和市场竞争力,促进示范区相关产业健康发展为目标,突破相关产业发展瓶颈,加速科技成果的转移转化推广应用。

(五)开展智慧能源平台建设(管理支撑平台)

风光储输公司打通张家口地区各行业能源数据壁垒,开发智慧能源平台,对共享数据资源、挖掘数据价值、辅助政府科学决策、促进管理提质增效、推动全社会用能效率提升、助力“双碳”目标的实现具有重要支撑作用。

1.开展能源数据监测与分析

整合张家口市能源、化工、制造、建筑、交通、农业、居民生活等重点领域的煤、电、水、气、油、碳排放量等能源数据,将能源消费信息与社会经济、行业发展、企业经营等数据进行综合集成分析,宏观体现张家口市经济社会发展,为政府掌握评估本地区经济动态、招商引资、节能减排等工作提供决策参考,实现“双碳”关键指标的预警、实时监测、评价与分析,加强重点用能单位监管,促进能源、环境与经济的协调发展。

2.开展碳排放管理服务

为了实现碳排放及能耗足迹的可分析、可跟踪及可视化,采取对区域内企业、政府和园区的能耗数据、碳指标及碳数据统一管理,并对区域内的碳耗、能耗全流程进行精准跟踪、实时统计和及时预警,从而构建起园区、企业和政府 “三位一体”的数字化碳管理体系。新建碳排放监测和碳达峰路径追踪模块,可视化区域内政府、园区和企业实时用能情况、碳排放情况、强度对标分析等,并辅助提供预警服务,提升政府开展当地碳排放管理的工作质效,节约碳排放管理的成本,为实现碳达峰目标提供决策支撑。

三、张家口能源大数据中心的价值创造

能源大数据中心的建设,以能源科研平台、数字赋能平台、价值创造平台和管理支撑平台为支撑,形成了“数字经济+企业创新联盟”的能源互联网新生态,全面整合新能源行业上下游企业能力,服务了张家口可再生能源示范区及新型电力系统建设示范区建设。

(一)依托政企优势,实现平台共建

把握“大数据与新能源联动、大数据与智能制造深入融合”区域定位,以绿色数据存储为龙头,构建“政府服务—行业机构服务—企业用户服务—社会公众服务”的能源大数据服务生态圈,建设“安全可靠、政府满意、行业支撑、业态丰富、投入合理、运营高效”的区域能源大数据中心典范。以服务张家口区域能源发展、支撑能源工作高效开展为目标,通过实时采集分类分项数据,在统一的大数据平台下,实现能源系统在线监测、能耗分析、异常分析、节能控制、APP服务于一体的智慧能源完整解决方案。

(二)依托数据资产,实现价值共享

基于大数据,通过在线安全稳定预警系统、新能源功率预测系统、安全稳定控制系统有机结合,有效降低新能源不确定性对安全稳定控制策略的影响,在保障新能源基地安全稳定运行的前提下可提升新能源电站控制的精细化水平。新能源运营必将通过精益化管理手段和数字化技术手段,深挖设备发电潜力,以高质量管理模式替代当前的粗放式管理模式,获取发电收益最大化,达到全寿命周期平准化成本最优。

(三)依托数字转型,实现生态共赢

以大数据、云计算、工业互联网等平台为依托,利用多项技术相互依存、相互促进,推动企业的数字化转型,为产业生态带来更经济、更灵活的数字化平台。充分借用大数据分析手段和工业互联网平台,激活企业数据中蕴藏的价值,全面整合数据信息,将场景与技术进行融合,将数字化场景应用落地,加速破解张家口“双区”新型电力系统建设技术难题。