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    电子论文

    数据驱动技术在虚拟电厂中的应用综述

    时间:2020年04月03日 所属分类:电子论文 点击次数:

    摘要:虚拟电厂(Virtualpowerplant,VPP)作为电力市场下促进可再生能源消纳、应对能源分布不均的重要运营模式,近年来得到迅速发展。同时,国家电网逐渐普及配网量测装置,并推进通讯网络建设,其与VPP的聚合及通讯内核紧密融合,为VPP带来了新特点、新模式

      摘要:虚拟电厂(Virtualpowerplant,VPP)作为电力市场下促进可再生能源消纳、应对能源分布不均的重要运营模式,近年来得到迅速发展。同时,国家电网逐渐普及配网量测装置,并推进通讯网络建设,其与VPP的聚合及通讯内核紧密融合,为VPP带来了新特点、新模式、新方法。鉴于此,探讨VPP的内涵、特性、功能及工程示范;深入分析大数据背景下VPP呈现出的新特点、新型参与主体及发展关键技术;基于海量广域实时数据,进一步研究数据驱动方法在VPP参与主体及外部环境预测、优化调控策略及电力市场分析三个角度的应用现状。

      关键词:虚拟电厂;数据驱动;大数据;分布式电源

    虚拟电厂

      0引言

      分布式能源(distributedenergyresources,DER)因其经济、可靠、灵活、环保的特点,以及易于实现可再生能源充分利用及就地消纳的优势,近年来在配用电侧蓬勃发展,逐步取代了原有大规模电力生产及远距离传输结合的能源应用模式。然而尽管其优势明显,DER在并网时依然存在单一机组容量小、地理位置相对分散、出力间歇性强等问题,使得电网调度中心难以针对DER实现合理调控。目前,我国通常采用构建微电网的方式,实现多类DER的出力互补,协调同一区域DER与负荷间的供需平衡,降低DER并网的不确定性。然而微电网受地理区域范围的限制,组成主体约束性强,难以实现电力市场驱动下的广域DER调控[1]。随着通信技术的进步,发电、需求响应及储能设备远程聚合管理、自动优化调度使得虚拟电厂逐渐发展,并有望成为未来电网的重要组成单元。

      随着虚拟电厂构成主体的逐渐规模化与多元化,其运行方式更为灵活,增大了主体认知及调度管理的难度。一方面,虚拟电厂中的构成主体本身具有较强的不确定性,难以实现精准的物理模型构建,另一方面,用户的不确定行为、多种终端间的耦合极大地增加了虚拟电厂进行能量管理、参与市场交易的难度,为制定合理的策略带来挑战。因此,采用数据驱动的方法,从而实现构成主体的精准感知与合理调度、交易策略的制定具有重要意义。随着配网量测装置的普及和通信网络的发展,可获取海量广域量测数据,并实现信息精准快速传输,这与VPP聚合及通讯的核心紧密结合,使得VPP可获取的数据逐渐广域化、实时化。基于海量实时数据,数据驱动方法可充分应用于VPP中内部参与主体及外部环境的精准感知,并制定电力市场利益驱动下的自学习智能调度与控制,促使电网向数字化、智能化、服务化运营模式转型。

      国网冀北电力有限公司打造的冀北全域VPP示范工程则是大数据背景下VPP实现应用落地的典范。示范工程依托于VPP智能管控平台,结合智能配网多能流网络,集能源流、业务流、信息流为一体,充分挖掘海量数据中蕴含的信息,实现内部、外部的多方面应用服务,对我国虚拟电厂的建设及数据驱动技术在VPP应用落地中的应用具有重要意义。据现有研究所知,以往综述鲜有从数字驱动技术在VPP中应用现状的角度切入研究,因而本文聚焦大数据背景下的虚拟电厂,基于电网获取的海量数据,研究数据驱动技术在VPP中的应用情况。具体而言,首先探究VPP的内涵、特性、功能及工程示范;随后,分析大数据背景下VPP呈现出的三个特点,可构成VPP的新型主体,以及VPP发展的关键技术;最后,从参与主体及外部环境预测、优化调控策略及电力市场分析方法三个角度,探究了数据驱动技术在VPP中的应用情况。

      1VPP概述

      1.1VPP的概念

      综合来看,VPP是一个聚合了多种DER及柔性负荷的虚拟实体,依托于控制中心、电力交易中心等平台,并基于信息数据通讯技术,采用适当的管理策略,在保证系统安全、稳定运行的前提下参与电力系统运行,实现一定区域内地理位置相对分散的参与主体的协调控制,以达到提高可再生能源经济利益、降低发电成本、减少温室气体排放、优化资源利用等目标。VPP整体呈现出资产虚拟性、资源多样性及运行灵活性。资产虚拟性强调与传统发电厂的不同,VPP内的DER在地理位置上相对分散,在聚合时不改变DER的并网方式;DER资产不一定归VPP运营商所有,二者之间的关系主要为能量流调度、信息流通讯及资金流分配。资源多样性体现为VPP中聚合DER的类型、供应商、物理特性、调控方式以及收益目标存在明显差异。

      运行灵活性表现为VPP基于DER间的互补特性,通过合理的协调优化调控,不仅可以呈现稳定可靠的发电厂外特性,还可以实现整体出力的灵活调节,对电网呈现出虚拟发电特性。VPP的实现依托于参与主体及信息技术的聚合,其中参与主体包括多种类型的发电机组、储能装置、可控负荷及电动汽车等,信息技术主要包括信息采集技术及通讯技术。

      1.2VPP实现的功能

      根据VPP功能的不同,可将VPP划分为两个类别:商业型虚拟电厂(CommercialVPP,CVPP)和技术型虚拟电厂(TechnicalVPP,TVPP)[2]。CVPP聚焦商业收益角度,主要目的在于实现内部DER资源的投资组合,使其参与到能量批发市场、辅助服务市场中,获取最优投资组合收益。CVPP通过获取分布式能源的运行参数、边际成本、量测及预测结果,结合电价预测结果等市场信息,实现内部聚合分布式能源的投资组合,并参与市场竞标,获取授权后制定合同提供系统平衡、辅助服务等市场服务,并向TVPP提供DER的调度计划及成本信息。

      CVPP提供的服务主要包括:现货市场竞价、可再生能源出力预测、负荷预测、日内优化调度等。TVPP侧重系统管理角度,主要目的在于为DSO提供管理服务。TVPP结合从CVPP中获取的信息,计算内部资源聚合整体的技术特性,并且关注DER聚合后对本地网络的影响,为DSO提供可视化的信息,以获取满足配网安全稳定运行条件的调控指令,再通过制定内部合理的调控方案,实现所聚合的配电网资源的主动管理。TVPP提供的服务主要包括:状态监测、DER信息可视化、故障定位等。CVPP和TVPP在参与电力系统运行时通常相互配合,共同发挥作用。

      CVPP在参与电力市场竞价时常与传统发电厂相互配合,共同制定最优发电计划。此外,CVPP为TVPP提供资源信息、日内优化调度计划等信息,TVPP则对数据进行分析,实现资源管理,为电力系统平衡市场提供服务。随着虚拟电厂的发展,CVPP和TVPP相互支撑、逐步融合成为两种功能共存的VPP。通过CVPP的经济基础和TVPP的技术支撑,有助于VPP的进一步推广应用。

      1.3VPP的工程示范

      基于VPP的理论研究成果,国内外相继开展了一系列VPP的工程应用示范项目。欧洲各国自2001年起开始开展VPP项目,主要关注DER的可靠并网,并打造电力市场中稳定的商业模式。北美VPP相关工程示范开展相对较晚,侧重于推进用户侧可控负荷的需求响应[3]。我国目前的VPP工程示范项目建设正处于快速发展阶段,重点关注大规模DER的接入及其利用率问题。随着清洁能源的不断发展以及国家对新兴技术的大力推动,VPP作为全球能源互联网中的重要聚合形式,将逐渐实现工程应用普及。

      2大数据背景下的VPP

      2.1大数据背景下VPP呈现的特点

      2.1.1信息广域化与实时化

      为保障电力系统安全稳定运行,现有电网中输电网的信息采集系统已较为成熟,通过数据采集和监视控制系统(supervisorycontrolanddataacquisition,SCADA)、同步相量测量装置(phasormeasurementunit,PMU)及光纤连接通讯,可实现输电网的状态监测及信息互联[8]。然而配网中仅实现了电气物理连接,现有信息采集及互联装置和系统并不完善,存在基础数据难以下沉的问题,使得VPP难以实现对参与主体全面实时感知。

      2.1.2计算本地化与智能化

      VPP根据运行控制结构的不同,可以分为集中式、层级式和分布式三个类别[9]。其中集中式控制方式下,需完全掌握辖域主体的全部运行信息,并在VPP集中控制中心进行统一计算。层级式控制方式,通过设置代理分散管控所属区域内的DER,并将信息反馈给VPP控制决策中心,实现全局集中控制。这两种模式可通过利用快速高效通讯的网络,将量测装置获取的海量数据无损上传到云端,通过云计算结合人工智能技术实现高效决策管理,并实现决策结果的准确、高速传递反馈。随着成员个体对信息隐私要求的提高,VPP的分散控制模式逐渐发展。

      分布式控制方式的VPP通过划分区域,设置区域智能数据中心,取代前两种模式中的全局控制中心。并通过数据中心的信息交互,实现各区域的运行优化决策。则可构建边缘数据中心,通过利用边缘侧获取的海量量测数据进行本地化协调计算,在保护用户隐私及信息安全的前提下,实现高效计算。

      2.1.3模式灵活化

      通过获取大量数据,可充分实现参与主体的灵活性挖掘,进而进行合理调控及商业模式选择。海量信息为实时电价提供可行性。实时电价(real-timepricing,RTP)要求能源供应商与电力用户之间保持实时无中断的通信,且该方法的有效性还与能源供应商及EMC间的数据传输质量相关[10]。目前常采用其替代方法,一种方法是采用近似实时电价,即提前一天宣布第二天的实时预测价格,并据此向电力用户收取费用[11];而通过增设大量的传感器及计量设备,可为工业用户及商业用户需求响应时的实时电价的制定提供硬件基础,将有助于促使固定零售电价模式向动态电价模式转变。

      2.2大数据背景下VPP的新主体

      随着大数据技术、云计算技术的不断发展,对各行业对计算能力的需求大幅增加,促使数据中心在世界范围内的急剧增长。数据中心的供电系统中包含多种能源,如发电机、储能以及太阳能、风能等可再生能源。一方面,可通过合理调控可再生能源为数据中心供电,可以降低运营成本,减少碳排放,另一方面,储能和发电机的灵活调度可以确保为数据中心临界负载情况提供可靠的电力供应。因此,数据中心可以作为VPP参与到电力市场中,以有效降低运行成本[12]。数据中心作为VPP的典型特征为:①供电资源的冗余性数据中心的供电系统中集成了大量供电资源,例如发电机、电池组等,且为降低运营成本及温室气体的排放量,数据中心逐步增大光伏、风机等可再生能源的供电比重。

      此外,数据中心为保证可以提供安全可靠的服务,要求保证本身高可靠的电源供应,因而数据中心的供电系统以满足峰值负载为要求配置资源容量,且配备有大规模备用存储系统,因而在平均负载情况下,存在大量冗余能源,能源使用率非常低。因而可将冗余资源进行合理调度,为数据中心VPP参与能源市场提供条件。②负载调节的灵活性数据中心的耗电量主要取决于其处理的数据量,且多个数据中心间可实现数据的快速传输,因而可将其耗电量等价为可灵活调节的负载。数据中心可根据需求响应策略,实现数据中心信息处理任务的快速转移,在5分钟内减少耗电量的10%[13]。因而可以通过使用有效的能源管理方案,合理调度内部供电系统发电资源,并对数据中心本身耗电的等价负载进行需求侧管理,将数据中心中的供电资源及等价负载聚集为一个整体,作为VPP单元参与到电力市场交易中[14]。

      2.3大数据背景下VPP发展关键技术

      VPP的运营过程涉及到参与主体感知、信息传输、优化决策以及市场交易等阶段,该过程中的能量流及信息流,并标注了四项关键技术的应用环节。通过采用以下几项新兴关键技术,可实现大数据背景下VPP运营能力的大幅提升。

      3数据驱动方法在VPP中的应用

      底层量测装置的普及和通信网络的完善可提供VPP中的海量数据,促使了数据驱动方法在VPP中的应用。数据驱动技术在VPP中的应用主要分为参与主体行为与外部环境感知、优化调控策略和为参与电力市场提供决策支持三个方面。

      4结论

      随着电网终端采集装备的普及,电网可获取的数据信息呈爆炸式增长,结合边缘计算、5G通信技术、区块链技术和人工智能技术等前沿技术,将给电力系统带来重大变革,加速电网数字化、信息化、智能化进程。本文剖析了VPP的概念、内涵、特性与工程示范,并根据功能的区别,阐述了CVPP和TVPP的目的、功能及相互间的联系。此外,分析了大数据背景下VPP呈现出的三种新特性及一种新主体,并介绍了VPP发展的关键技术。最后,针对参与主体(资源)与外部环境识别、优化调度、电力市场分析三个方面总结了数据驱动方法在VPP中的应用情况。

      参考文献

      [1]Asmus,Peter.Microgrids,virtualpowerplantsandourdistributedenergyfuture[J].ElectricityJournal,2010,23(10):72-82.

      [2]PudjiantoD,RamsayC,StrbacG.Virtualpowerplantandsystemintegrationofdistributedenergyresources[J].IETRENEWABLEPOWERGENERATION,2007,1(1):10-0.

      [3]CappersP,GoldmanC,KathanD.DemandresponseinUSelectricitymarkets:empiricalevidence[J].Energy,2010(35):1526-1535.

      [4]KIENYC,BERSENEFFB,HADJSAIDN,eta1.Ontheconceptandtheinterestofvirtualpowerplant:someresultsfromtheEuropeanprojectFENIX[C]//IEEEPower&EnergySocietyGeneralMeeting,July26-30,2009,Calgary,AB,Canada:1-6.

      [5]BINDINGC,GANTENBEIND,JANSENB,eta1.ElectricvehiclefleetintegrationintheDanishEDISONproject-avirtualpowerplantontheislandofBornholm[C]//PowerandEnergySocietyGeneralMeeting,July25-29,2010,Minneapolis,MN

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