中电建崇信发电有限责任公司 朱文峰
随着电力改革的深入推进,传统电力企业面临严峻挑战,尤其是火电企业,面临高能耗、高成本、环保要求严格等局面,如何能在“碳达峰,碳中和”环境下顺利打开局面,是火电企业所要考虑的重点问题。由于火电企业短期还占据重要位置,因此提高企业效能成为电力企业面临的重要问题,将新技术运用到工业领域,建设新型电厂、智慧电厂成为各个电力集团关注的焦点问题。
智慧电厂指的是通过先进技术,如计算机技术、软件技术以及网络技术等,与先进管理思想相互融合,让火电企业转变原有的发展形势,创建出能够与生产经营管理活动相互融合的信息网络体系,进而实现对企业的管理,让工作人员凭借网络渠道,完成对不同渠道内信息数据的检索、分析、控制、处理以及反馈,运用实时化的网络系统,逐渐与集团信息、管理信息以及网络相互对接,以保证企业管理层级可以短期内完成信息资源的共享服务,利用一体化管控的方式,增加集团,甚至整个发电企业的生产动力,促使经营管理工作能够落实,从而保证电厂内的生产、经营以及管理工作向着智能化、自动化方向发展[1]。
同时,建设智慧电厂的目的是为了提高厂网效能,提高电厂在社会效益中的中流砥柱作用。通过大数据分析模型,机器学习,能源多样化等系统分析方法,提高整个系统能源系统复杂化要求,实现全社会层面的能源生产构成的弹性化预期[2]。
以往智慧电厂技术路线主要集中在厂内设备改造,通过新型传感器如人脸识别、物联网传感器、机器人、三维模型、定位等方式,聚焦在操作层面的电厂设备改造上,在系统层面通过大数据建立电厂全周期寿命管理,但是碍于技术难度,在故障分析上应用效果不理想。
因此,相关部门在建设智慧电厂时,还需要了解虚拟电网结构并构建虚拟大电厂模型,借助其中的火电机组、水电机组、供热站、废物处理、废水处理等,模拟电厂运行状态。同时,智慧电厂运行期间,还需要了解电负荷、热负荷、污水处理、固体废物再利用等内容,使相关人员可以通过各个供能系统的有机结合,协调控制生产侧并满足对电厂的深度调峰要求,以增强供电系统控制的鲁棒性。
在具体层面上,可以通过小范围供电类型企业自主合作,建立发电合作集团,签订“智慧电厂规约”,与电网签订大用户签订用能合同,协调控制,综合发力,与电网在用户侧的虚拟电网相对应。例如,某发电集团在电网负荷高峰时,以火力发电为主要供能方式,其他类型如水电站、储能电站等降低出力,提高系统供电效能,实现电网侧和用户侧效益,若在负荷低谷时,通过场站AGC 或者与合作大,小机组实现调峰,冬季时,可以与供热机组相互联动,实现最大经济效益和社会效益。如若出现设备故障引起系统内出力下降时,可以及时提高发电集团内其他供电企业的供电出力,实现集团内负荷稳定,从而避免对电网产生扰动。图1为智慧电厂运维体系。
图1 智慧电厂运维体系框架图
对于智慧电厂而言,其主要采用聚合资源的方式,将微型燃气轮机、风电机组以及光伏电池等进行统一分布,形成发电机组,其中涵盖了储能、柔性负荷等内容,也可采用“产销一体化”构成双向的内部互动单元。如此,则可保证电厂在获取资源时不出现问题,使其特征更加明显,可采用积极提取的方式,整合更多的数据,以保证该部分数据可以被高效地处理,但若存在不良数据,也会对系统带来一定的影响,成为后续研究活动中的主要探讨问题。
通过运用量化分析的手段调用现有资源,依靠系统掌握用户的实际响应程度,防止出现不确定性的因素,以降低对虚拟电厂所带来的影响,避免智慧电厂响应特性受到干扰。也可运用资源调节的方式,激发智能电厂的潜力并降低气象条件等问题带来的影响。例如,若在夏季时节空调的负荷会上升的,增加了光伏的出力情况,对资源调节特性带来干扰,智慧电厂可以结合季节等因素,运用特征提取及量化技术的方式,增加智慧电厂在运行期间的支持。
智慧电厂通常会以互动的形式出现,使资源数量、类型、规模以及地理,甚至在电气分布等区域内呈现出复杂且多变的状态,如何进行资源配置成为后续探讨的重点。首先,可采用分布式资源的分析,掌握其中蕴含的规模效益,了解到虚拟电厂在运维期间,需要给到一定的指导。其次,可了解其中参与者的分布情况,确认其位置相对分散,让工作人员采用现货市场决策的方式,将不同层级的利益进行协调,使电网可以安全并且稳定地运行,提高虚拟电厂的参与度。最后,如何处理分布式电源,可结合出力的波动特性、用户用电行为等内容进行分析,根据其充放电特性、储能不确定性以及可控负荷等响应特性,掌握其中存在的互动关系,以实现对虚拟电厂协调控制方法的探索。
工业互联网作为发电企业进行智能化升级的关键性因素,例如5G 网络通信技术、工业无线技术以及工业微服务技术等,其可以辅助发电企业完成重要数据的融合,让各部分的数据信息进行汇聚,采用深度挖掘的方式,提高新技术的利用率。但对于传统电力企业需要进行相关技术的升级:一是一站式AGC 改造,场站AGC 可以实现在深度调峰时兼顾机组安全。例如,1号机组有设备故障,可以通过提高2号机组负荷,低谷消缺,也不会对电网产生重大影响。
二是物联网技术发展,无线传感器的技术进步,可以实现在5G 场景下的总线控制。目前已经有厂家量产了基于5G 的智能压力,温度传感器。国内电池厂已经通过5G 技术完成供热站的覆盖[3]。
三是智慧发电企业实践的可能性。发电厂内不仅设备多,控制系统的稳定可靠成为发电企业稳定发展的基础。传统的分散控制系统(DCS)中有专门的控制盘柜、电缆等组件,各个系统厂家之间兼容性较差。而且国产DCS 系统市场占有率较低,若要实现控制系统的标准化,还需要了解接口交互情况,降低设备成本并通过私有云为基础的云上控制系统,才能凭借设备控制层实现云上控制,利用技术增加相关支撑。
四是物联网技术。通过物联网技术来增加智能传感器。例如,温度、压力、流量以及执行器等物联网终端侧的稳定可靠性。确保电厂能够夯实云上电厂的重要技术基础[4]。
AI 算力帮助系统控制策略寻优。AI 在智能电厂大有可为,通过不断地训练,AI 可以实现电厂控制系统调节最优,提高电厂设备的安全性。也可以在控制层通过在火电、水电、储能、供热站参数间,通过机器学习,不断实现训练,提高整个系统的自适应性和强鲁棒性。
虚拟电厂智慧管控平台包含了用户画像、云边互动、智能聚合、市场交易、多能优化以及迭代评估等功能,其基本可以完成分散资源的整合,凭借手机端,或者PC 端,让电力系统与之进行交互。在管侧则是运用网络、通信以及光纤,实现对信息通信技术的应用,利用兼容支持的方法,实现对不同内容的传输方式,或是采用承载控制,检索状态信息,辅助隐形的方式,将分散资源和智能管控平台进行对接并控制平台并发量等,让数据能够发挥出低时效果,整合海量数据,使各方面的信息能够进行双向并且安全地传输。
在边侧需要借助即插即用的边缘网关,利用云边协同的方式,执行边缘计算操作。生成更多的场景业务、多网络模式,提高自适应技术的利用率,以实现对分散资源的处理。利用物联网将标准协议准确地接入到平台当中。在端侧也可利用标准化的智能终端,借助工业化的高速CPU,应用传感器、微功率等,同步应用无线自组网技术,以保证分散资源可以二次被利用。采用状态感知的方式,执行实时化的柔性控制。并且,其中的技术平台也可在以下几个方面进行突破。
一是关于支持性的多种类型终端以及应用接入。其可以支持弹性的扩展,利用亿级连接,并发处理百万级消息。二是关于虚拟电厂智慧管控平台,其中的API 开放接口可以完成集成处理,实现快速上线并处理业务。三是关于虚拟电厂智慧管控平台中的云化部署,可以将系统进行扩容,实现对组件化系统的安装及应用。四是关于用户资源,其依靠网关、应用、平台以及设备,构建生态开放系统,将各类用户的业务需求进行满足。
智慧运行管理工作的研究热点为:一是智能监盘:依靠AI、机理建模监督燃机、余热锅炉、汽轮机以及发电机等状态并进行多维度的分析,识别故障并进行异常报警,辅助电厂的智慧运行;二是工况寻优:运用大数据算法,计算参数值,调整关键参数,达到降低能耗,优化运行层面的目的。
对于发电企业而言,其中设备的智能巡检包括:移动互联、点检项目、点巡检数据分析点检路线以及区域设定等业务模块,依靠智能人员定位等方式,确保巡检现场的数据信息能够合理应用,从而控制好巡检质量,达到提高巡检效率的目的。
虚拟电厂中的智慧电厂建设方案是传统智慧电厂建设的系统性延伸,借助于数字化转型时期新技术的大量应用,有效地避免了传统能源格局的低效率、低协作等弊端。要想在“双碳”目标环境下提高主动性,电力企业应该主动抱团,与相关企业联合,建立智慧电厂综合体,系统内优势互补,制定规约,提高竞争力,实现社会效益和经济效益的双达标。