黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠規(guī)范化建設(shè)方法研究

黃浦區(qū)發(fā)展改革委員會

國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院

1 引言

需求響應(yīng)是將需求側(cè)作為供應(yīng)側(cè)電能的可替代資源加以利用。參與需求響應(yīng)的柔性負荷種類繁多，主要特征是負荷在一定時間內(nèi)靈活可變。本文選取了具有調(diào)節(jié)空間的中央空調(diào)作為需求響應(yīng)的負荷資源。上海地區(qū)空調(diào)負荷在高峰時負荷占比接近50%，空調(diào)負荷的調(diào)節(jié)能力十分可觀。

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)資源調(diào)用簡單粗放，時效性差，自動化程度低，目前調(diào)度系統(tǒng)難以進行實時調(diào)度。電力系統(tǒng)運行調(diào)度的核心是功率平衡，需求響應(yīng)資源進行在線功率調(diào)節(jié)要求其在線接收指令并可靠響應(yīng)，目前的調(diào)度系統(tǒng)尚達不到如此高的技術(shù)要求。

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）可對多種分布式能源（Distributed Energy Resource，DER）進行實時監(jiān)測和控制，更有利于資源的合理優(yōu)化配置及利用。需求側(cè)資源必須經(jīng)過聚合才能被電力系統(tǒng)集中調(diào)度，此外采用集中化的控制平臺對需求側(cè)資源進行集中管理是虛擬電廠參與調(diào)度的必要前提，如圖1所示。分散控制系統(tǒng)的主要特點是分散控制、集中管理，適用于位置分散的虛擬機組的運行控制。本項目的主要任務(wù)是進行虛擬電廠分散控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2 火電廠集控運行調(diào)研

火電廠集控運行平臺各模塊配合完成機組的運行控制，如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊可獲得機組運行的實時參數(shù)，并進行實時顯示、存儲和定期導(dǎo)出。

安全監(jiān)視模塊可對關(guān)鍵測點數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對數(shù)據(jù)變化趨勢進行預(yù)報并判定參數(shù)是否越限；此外可對報警信息進行模糊故障診斷，判別可能發(fā)生的故障并將故障信息傳送至事故處理模塊。

圖1 虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)度示意圖

事故處理模塊在機組發(fā)生事故狀態(tài)時對機組整體進行協(xié)調(diào)控制，使機組盡快脫離緊急狀態(tài)，并對事故信息進行記錄。

管理計算模塊可通過優(yōu)化算法進行決策，使機組能更經(jīng)濟、更可靠、更穩(wěn)定地運行，可對全廠各部分負荷進行合理分配以降低電廠的生產(chǎn)成本，同時可以延長機組壽命。

調(diào)節(jié)控制模塊可綜合考慮機組各部分的調(diào)節(jié)性能，采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)措施，使機組在快速響應(yīng)電網(wǎng)負荷需求變化的同時能平衡機組輸入、輸出間的能量供需關(guān)系，維持主要運行參數(shù)的穩(wěn)定。

機組啟停模塊通過接口接收調(diào)節(jié)控制模塊發(fā)送的機組啟停信息，進行機組啟動與停運的自動控制。

運行日志及報表生成模塊可生成機組的運行日志及報表。

圖2 模塊間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖

3 風(fēng)電廠集控運行調(diào)研

風(fēng)電廠集控運行平臺各模塊配合完成機組的運行控制，如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理模塊可獲得風(fēng)電廠各設(shè)備的實時參數(shù)并進行存儲，將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行顯示。

調(diào)節(jié)控制模塊可控制風(fēng)機的啟停，控制風(fēng)機限有功功率運行并通過對補償電容投入與切除的控制來保證風(fēng)機的功率因數(shù)達到要求。

事故處理模塊可顯示實時故障信息，根據(jù)查詢條件顯示歷史故障信息，并根據(jù)故障情況發(fā)布解決方案。

運行日志及報表生成模塊可生成機組的運行日志及報表。

風(fēng)機的容量相對較小，風(fēng)電廠需要對廠內(nèi)所有風(fēng)機的出力進行聚合來形成電廠整體出力，此外各臺風(fēng)機的位置具有分散性。這兩個特點與虛擬電廠調(diào)用的分布式能源非常類似，因此以風(fēng)電廠的集控運行模式作為虛擬電廠集控運行平臺設(shè)計的主要參考依據(jù)。

圖3 模塊間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖

圖4 集中控制方式

圖5 集中-分散控制方式

圖6 完全分散控制方式

4 虛擬電廠概述

虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)度的流程：首先對負荷資源進行預(yù)測，從而形成次日發(fā)電曲線，制定次日發(fā)電計劃，并將計劃上報給調(diào)度機構(gòu)。調(diào)度機構(gòu)進行全系統(tǒng)負荷預(yù)測，編制負荷計劃曲線，根據(jù)預(yù)測的負荷曲線和虛擬電廠上報的發(fā)電曲線，制定次日發(fā)電計劃并下發(fā)給虛擬電廠。虛擬電廠在確保完成發(fā)電任務(wù)的前提下，可進行發(fā)電資源的優(yōu)化調(diào)度。

虛擬發(fā)電廠的控制方式可分為集中控制、集中-分散控制和完全分散控制3類。集中控制方式如圖4所示，控制中心擁有對所有發(fā)電或用電單元的完全控制權(quán)。集中-分散控制方式如圖5所示，虛擬電廠控制中心將電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電任務(wù)分配到本地各控制中心，由本地控制中心負責(zé)制定每一個單元的發(fā)電或用電具體方案。完全分散控制方式如圖6所示，各智能代理負責(zé)制定對應(yīng)子系統(tǒng)中所有單元的發(fā)電或用電方案，控制中心則簡化為數(shù)據(jù)交換與處理中心。

集中控制方式雖然控制力強，但是數(shù)據(jù)擁堵問題嚴重、擴展性差；而完全分散控制又對虛擬電廠子系統(tǒng)的功能要求非常高；集中-分散控制方式具有部分控制功能下移、能量優(yōu)化集中管理的特點，因此本文將其作為分散控制系統(tǒng)的核心控制思想在虛擬電廠的運行控制中加以運用。

5 柔性負荷調(diào)控特性

中央空調(diào)具有柔性負荷典型特征，負荷可控性強，并且在黃浦區(qū)商業(yè)建筑尖峰負荷中占比極大，因此本項目選取中央空調(diào)作為需求響應(yīng)的負荷資源。

5.1 中央空調(diào)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

制冷壓縮機組將制冷劑蒸汽壓縮、冷凝成液態(tài)后送到蒸發(fā)器中，充分吸收冷凍水的熱量后，再經(jīng)過單向閥被送到冷凝器中，經(jīng)冷卻到常壓狀態(tài)，并釋放熱量給冷卻水。低溫冷凍水被送到各風(fēng)機風(fēng)口對空氣降溫，已變熱的冷卻水被送到冷卻塔進行自然冷卻。

圖 7 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2 中央空調(diào)功率調(diào)節(jié)

中央空調(diào)主要的電功率消耗來源于其拖動系統(tǒng)的負載，可以通過調(diào)節(jié)運行頻率來調(diào)節(jié)拖動系統(tǒng)所消耗的電功率。但空調(diào)系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)往往不是直接調(diào)節(jié)頻率，而是通過控制循環(huán)水的流量來實現(xiàn)運行頻率的自動調(diào)節(jié)，從而進行電功率的調(diào)節(jié)。本項目所研究的中央空調(diào)采用定溫差、變流量控制方式，控制對象為冷凍水出水溫度，若保持出水和回水溫差不變，改變出水溫度，則回水溫度和循環(huán)水流量都會隨之改變，并且空調(diào)所消耗的電功率以及終端溫度也會隨之改變。

5.3 空調(diào)負荷的聚合

要形成一個可以參與電網(wǎng)調(diào)度的虛擬電廠，首先需要進行空調(diào)負荷的聚合，如圖8所示。虛擬電廠包含若干虛擬機組，每臺虛擬機組由多臺中央空調(diào)聚合而成，每臺空調(diào)又包含壓縮機、冷凍泵、冷卻泵等諸多組成部件。

圖8 空調(diào)聚合示意圖

5.4 虛擬機組參數(shù)提取

為了調(diào)用中央空調(diào)負荷的可調(diào)節(jié)容量，需要用類似于傳統(tǒng)機組的物理參數(shù)進行表征。

通常情況下空調(diào)的可調(diào)量為溫度和流量，電氣量為各部分消耗的電功率以及實時可調(diào)功率，可調(diào)量與電氣量之間通過冷量相聯(lián)系，如圖9所示。電氣量主要受可調(diào)量的影響，此外還受啟停控制以及外部環(huán)境的影響，突然啟動或停運會獲得最大可調(diào)功率，室外溫度、室內(nèi)溫度以及實時電價等因素也會對空調(diào)系統(tǒng)各部分的功率產(chǎn)生影響。

圖9 中央空調(diào)系統(tǒng)各變量關(guān)系圖

虛擬機組的發(fā)電特性與傳統(tǒng)機組有較大的差別。對于傳統(tǒng)機組，特別是火電機組，需要保證機組的最小出力；但是虛擬機組沒有最小出力的限制。火電機組的發(fā)電功率通常可以長時間在某個值附近小幅波動；但由于虛擬機組的出力實質(zhì)上是空調(diào)功率的調(diào)節(jié)量，而空調(diào)功率的調(diào)節(jié)量會受到調(diào)控方式、室外溫度、室內(nèi)溫度、實時電價等因素的影響，并且受到空調(diào)蓄熱量以及用戶舒適度的約束，功率調(diào)節(jié)量不同，其可控時間也不同。通常情況下，單臺空調(diào)可調(diào)容量與可控時間的擬合曲線趨勢如圖10所示。

圖10 單臺空調(diào)可調(diào)容量與可控時間關(guān)系圖

現(xiàn)定義中央空調(diào)功率的可調(diào)系數(shù)為中央空調(diào)系統(tǒng)總的可調(diào)節(jié)功率占系統(tǒng)功率基值的百分比，定義可控時間為可調(diào)系數(shù)的對應(yīng)值。因此，可將虛擬機組的運行參數(shù)設(shè)定為可調(diào)系數(shù)、可控時間、功率基值、實時溫度、實時電價以及調(diào)控方式。

6 虛擬電廠DCS平臺設(shè)計

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System,DCS）的主要特點是分散控制、集中管理。每臺虛擬機組由某個區(qū)域內(nèi)的多臺中央空調(diào)聚合而成，具有極大的分散性。虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)度的前提條件是能夠進行集中控制。因此DCS恰好可以滿足虛擬電廠的運行控制需求。

6.1 DCS功能模塊設(shè)計

常規(guī)分散系統(tǒng)的構(gòu)成如圖11所示，按各部分功能的不同可分為過程控制級、控制管理級和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

圖11 分散系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

過程控制級中包括數(shù)據(jù)處理模塊、調(diào)節(jié)控制模塊以及事故處理模塊。控制管理級中包括安全監(jiān)視模塊、管理計算模塊以及運行日志與報表生成模塊。過程控制級實現(xiàn)的是分散控制，控制管理級實現(xiàn)的是集中管理，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)則把過程控制級和控制管理級連接在一起。

6.2 各模塊主要功能及模塊間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

虛擬電廠DCS平臺各模塊配合完成虛擬機組的運行控制，如圖12所示。

圖12 虛擬電廠DCS模塊間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

數(shù)據(jù)處理模塊可通過自動測量裝置采集虛擬機組的實時參數(shù)及運行狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和導(dǎo)出。該模塊為其他各模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

調(diào)節(jié)控制模塊可對中央空調(diào)系統(tǒng)進行啟停控制及功率調(diào)節(jié)。啟停控制是對空調(diào)運行的優(yōu)化控制，從而快速獲得可調(diào)容量。功率調(diào)節(jié)則通過對空調(diào)各部分物理參數(shù)的控制來獲得可調(diào)容量。所有的調(diào)節(jié)控制都要以保證用戶舒適度為前提。該模塊通過與安全監(jiān)視模塊和管理計算模塊之間的接口獲得虛擬機組的實時監(jiān)測信息以及調(diào)節(jié)需求信息，據(jù)此來選擇合適的調(diào)控方式進行自動啟停控制以及功率調(diào)節(jié)。

故障處理模塊包括故障顯示、原因分析以及故障處理等部分。系統(tǒng)中發(fā)生故障時，在運行平臺界面上以故障報警的形式進行顯示，并進行故障原因的準確診斷，從而有效地進行故障處理。

安全監(jiān)視模塊包括實時監(jiān)測及顯示、趨勢預(yù)報、越限報警以及故障診斷等部分。實時監(jiān)測及顯示部分通過與數(shù)據(jù)采集部分的接口獲得虛擬機組的狀態(tài)及參數(shù)并進行顯示。趨勢預(yù)報部分可對參數(shù)進行在線滾動預(yù)測，便于運行人員在參數(shù)越限前及時采取調(diào)整措施。越限報警部分可在參數(shù)越限時及時提醒運行人員采取相應(yīng)措施。故障診斷部分在出現(xiàn)報警信息時進行模糊故障診斷。

管理計算模塊可對虛擬機組的實時參數(shù)與運行狀態(tài)進行在線優(yōu)化，以減少功率損耗，提高機組運行的經(jīng)濟性，實現(xiàn)機組可調(diào)容量的最大化，隨后利用優(yōu)化后的空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)信息、室外溫度以及電價的變化趨勢進行負荷預(yù)測，根據(jù)負荷預(yù)測結(jié)果對虛擬機組進行性能計算，最后根據(jù)性能計算結(jié)果制定每臺虛擬機組的出力計劃，聚合后得到虛擬電廠的發(fā)電計劃并提交至調(diào)度部門。

運行日志以及報表生成模塊根據(jù)其他幾個模塊的數(shù)據(jù)信息以及運行結(jié)果生成虛擬電廠的運行日志以及相關(guān)報表。

6.3 虛擬電廠DCS平臺架構(gòu)

虛擬電廠DCS平臺架構(gòu)如圖13所示。基礎(chǔ)功能程序是DCS平臺的基礎(chǔ)應(yīng)用部分，高級應(yīng)用程序是DCS平臺的高級應(yīng)用部分，管理配置程序提供DCS平臺的基本管理與系統(tǒng)配置功能。

7 虛擬電廠DCS平臺用戶界面設(shè)計

虛擬電廠DCS平臺的主界面上方是菜單欄，左側(cè)部分為數(shù)據(jù)和曲線顯示區(qū)，右側(cè)部分為故障告警欄和機組顯示區(qū)，如圖14所示。

菜單欄為DCS平臺的大多數(shù)功能提供功能入口，包括系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)樣式、數(shù)據(jù)查詢、管理計算、安全監(jiān)視、調(diào)節(jié)控制、故障處理、統(tǒng)計分析、日志報表以及幫助11項功能菜單。

數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示虛擬電廠實時的數(shù)據(jù)信息以及環(huán)境信息，方便用戶了解虛擬電廠當(dāng)前的運行狀態(tài)。曲線顯示區(qū)動態(tài)顯示過去一小時內(nèi)虛擬電廠的發(fā)電曲線，方便用戶直觀地看到電廠出力的變化趨勢。故障告警欄可方便用戶通過界面及時了解虛擬電廠的故障信息并及時采取解決措施。機組顯示區(qū)包含虛擬電廠中所有的機組，并使用三種顏色對機組實時狀態(tài)進行區(qū)分。黃色、藍色和紅色分別表示機組處于正常在線狀態(tài)、離線狀態(tài)和故障狀態(tài)。每個機組都擁有對應(yīng)的信息界面，可顯示機組運行的詳細信息。

圖13 虛擬電廠DCS平臺架構(gòu)

圖14 DCS平臺主界面

8 總結(jié)與展望

目前電網(wǎng)調(diào)度正在向著網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展。虛擬電廠具有發(fā)電資源多樣、運行模式靈活、控制方法多變等特點，這加劇了虛擬電廠內(nèi)部控制的復(fù)雜程度以及與調(diào)度機構(gòu)信息交互的困難程度。此外，不同管理系統(tǒng)之間缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準，不同數(shù)據(jù)也存在兼容性問題，因此研究設(shè)備信息模型的標(biāo)準化問題是使虛擬電廠順利參與調(diào)度的關(guān)鍵。

目前已有的研究實現(xiàn)了對于虛擬電廠功能模塊的設(shè)計，但對于其中的技術(shù)內(nèi)涵尚未充分設(shè)計，虛擬電廠如何參與調(diào)度的難題也沒有解決，所以虛擬電廠的建設(shè)還需開展以下研究：

（1）研究虛擬電廠在線容量的動態(tài)計算方法。這是對虛擬電廠的出力進行實時調(diào)整的依據(jù)，也是提高虛擬電廠發(fā)電質(zhì)量的前提。

（2）研究虛擬電廠的運行優(yōu)化方法。這是降低其運行成本的重要方法，也是吸引調(diào)度部門將虛擬電廠納入調(diào)度范圍的重要原因。

（3）研究虛擬電廠與調(diào)度控制主站之間的通信方式。電網(wǎng)對虛擬電廠進行實時調(diào)度的前提是要求虛擬機組能在線接收指令并可靠響應(yīng)，所以虛擬電廠與調(diào)度控制主站之間的通信尤為重要。

（4）研究提高虛擬電廠控制精度的方法。這是虛擬電廠的出力嚴格遵循調(diào)度部門下達發(fā)電計劃的重要保障，也是提高虛擬電廠的發(fā)電質(zhì)量的重要方法。