趙建立, 周雯娟, 奚培鋒, 張少迪, 鄭慶榮

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司, 上海 200122;2.上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200063;3.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063)

0 引 言

海綿城市概念來(lái)源于水利系統(tǒng),是新一代城市雨洪管理概念,在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”,下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用,能夠提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生[1]。

當(dāng)前電網(wǎng)在運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、消納區(qū)外可再生能源等方面存在瓶頸。電力供需關(guān)系缺乏彈性,電網(wǎng)安全壓力大;短時(shí)尖峰負(fù)荷、電網(wǎng)峰谷差問題,造成電力供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性差;受端城市電網(wǎng)負(fù)備用不足問題,限制低谷輕負(fù)荷時(shí)段對(duì)區(qū)外可再生能源的消納。

同時(shí),用戶側(cè)能源管理系統(tǒng)彼此互不聯(lián)通,信息孤島效應(yīng)下,大量用戶側(cè)電力資源閑置浪費(fèi),無(wú)法形成規(guī)?；?yīng)。電力用戶與電網(wǎng)企業(yè)之間的關(guān)系主要表現(xiàn)在電力消費(fèi)者與電力供應(yīng)者的關(guān)系,內(nèi)涵單一,電力更多表現(xiàn)為能源的載體,商品屬性弱化。

因此,借鑒滴滴出行等互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用的理念[2],通過(guò)構(gòu)建網(wǎng)約電平臺(tái),打通供需信息壁壘,實(shí)現(xiàn)資源的共享與優(yōu)化尤為必要。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中于空調(diào)系統(tǒng)建模、聚合模型、控制模式、調(diào)控策略,電動(dòng)汽車充電協(xié)調(diào)問題[3-5],以及“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”理念下的應(yīng)用創(chuàng)新[6],并取得一定研究成果,但是在規(guī)?；⒔y(tǒng)一化的用電側(cè)電力統(tǒng)一管理方面的研究缺失。

本文在國(guó)內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上,基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的理念[7],系統(tǒng)闡述電力海綿城市系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 建設(shè)理念

1.1 基本原理

電力海綿城市系統(tǒng)又稱為城市用電側(cè)電力統(tǒng)一管理平臺(tái)(Power Load Uniform Management System,PUMS),旨在構(gòu)建一種富有彈性的城市電網(wǎng)。系統(tǒng)把每個(gè)用戶看作一個(gè)電力海綿顆粒,把城市用電側(cè)部分看作為整體的電力海綿體,基于人工智能、大數(shù)據(jù)分析與云計(jì)算,應(yīng)用電動(dòng)汽車的廣泛接入、大規(guī)模分散蓄能、主動(dòng)負(fù)荷分時(shí)管理、快速精準(zhǔn)負(fù)荷控制等手段,最大限度地實(shí)現(xiàn)電力供需關(guān)系的柔性化以及城域供需協(xié)同。系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行原理

1.2 建設(shè)目標(biāo)

(1) 讓用戶聯(lián)通,在城市用電側(cè)構(gòu)建整體的電力海綿體,增強(qiáng)電力供應(yīng)彈性,形成統(tǒng)一化、規(guī)模化的城市用電側(cè)機(jī)動(dòng)調(diào)控能力。

(2) 為城市賦能,打造城市范圍內(nèi)“網(wǎng)荷互動(dòng)、用戶互動(dòng)”融合共生的電力供用生態(tài)體,豐富電力商品屬性。

2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

電力海綿城市系統(tǒng)具有溯源、預(yù)測(cè)、消納、(正、負(fù))備用、調(diào)峰、調(diào)頻、凈化、交易等8大功能。

(1) 溯源。通過(guò)用電與配網(wǎng)環(huán)節(jié)信息貫通,實(shí)現(xiàn)電能從用電末端依次向上級(jí)環(huán)節(jié)溯源。

(2) 預(yù)測(cè)?；谟脩舻挠秒娞卣鞣治?實(shí)現(xiàn)從末端向上的城市電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)。

(3) 消納。通過(guò)調(diào)峰、正負(fù)備用機(jī)制,提高外來(lái)可再生資源電力受入能力。

(4) 備用。按照響應(yīng)速度、持續(xù)時(shí)間等因素統(tǒng)籌調(diào)控用電側(cè)電力資源,能夠按電網(wǎng)要求降低的負(fù)荷容量為正備用,能夠按電網(wǎng)要求升高的負(fù)荷容量為負(fù)備用。

(5) 調(diào)峰。對(duì)用電側(cè)負(fù)荷規(guī)模化調(diào)控,視作虛擬電廠,參與電網(wǎng)調(diào)峰。

(6) 調(diào)頻。實(shí)現(xiàn)用電側(cè)可調(diào)負(fù)荷ms級(jí)控制,參與電網(wǎng)調(diào)頻[8-9]。

(7) 凈化。通過(guò)用電側(cè)資源群控,解決局域電網(wǎng)低電壓、諧波等問題。

(8) 交易。還原電力的商品屬性,用戶可以把自身能源稟賦、能源消費(fèi)習(xí)慣轉(zhuǎn)化為資源,通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“供需對(duì)接”和“余缺調(diào)劑”,例如文獻(xiàn)[6],自動(dòng)需求響應(yīng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)調(diào)峰、MD額度調(diào)劑、閑散余能交易、檢修計(jì)劃交易等。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 組織架構(gòu)

系統(tǒng)主要由主站、自治能源體、通信系統(tǒng)構(gòu)成,采用“分布自治-集中協(xié)調(diào)”的組織架構(gòu)[10]?！胺植甲灾巍笔侵笇⒂脩魝?cè)已有的能源管理系統(tǒng)作為PUMS的成員體,維持其既有運(yùn)行邏輯不變?！凹袇f(xié)調(diào)”是指PUMS主站對(duì)各個(gè)PUMS成員體進(jìn)行協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的協(xié)同,以實(shí)現(xiàn)全局互補(bǔ)、協(xié)同、優(yōu)化,減小不確定性。最終通過(guò)自治實(shí)現(xiàn)自律,通過(guò)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

系統(tǒng)構(gòu)建了三大子平臺(tái):統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺(tái),統(tǒng)一的負(fù)荷交易平臺(tái)和統(tǒng)一的調(diào)度控制平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分層接入以及數(shù)據(jù)的分域管理。

(1) 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入平臺(tái)(Uniform Data Access Platform,UAP)。統(tǒng)一集成來(lái)自各PUMS成員的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和離線文件。

(2)統(tǒng)一負(fù)荷交易平臺(tái)(Uniform Power Trading Platform,UTP)。基于市場(chǎng)化機(jī)制,搭建統(tǒng)一的多層次多入口的交易平臺(tái)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)資源的共享與優(yōu)化,使大中小用戶及居民用戶負(fù)荷資源同平臺(tái)參與交易。

(3)統(tǒng)一調(diào)度控制平臺(tái)(Uniform Dispatching Platform,UDP)。通過(guò)主站對(duì)各個(gè)成員體進(jìn)行協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)整體廣域協(xié)同。

系統(tǒng)組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組織架構(gòu)

3.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)自治體層的分布自治、接入層的分層接入和能源互聯(lián)和匯聚層的統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)主站層的智能推理,全面支撐應(yīng)用創(chuàng)新。

(1) 能源互聯(lián)互通技術(shù)。能源的互聯(lián)互通涉及到系統(tǒng)互聯(lián)與設(shè)備互聯(lián)2個(gè)方面。

① 系統(tǒng)互聯(lián)。

模式一:統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。應(yīng)用場(chǎng)景:需要信息系統(tǒng)開發(fā)商配合或數(shù)據(jù)庫(kù)開放。技術(shù)特點(diǎn):基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)集市技術(shù),通過(guò)數(shù)據(jù)搬家、數(shù)據(jù)重寫或者數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)用戶端數(shù)據(jù)的共享聯(lián)通。

模式二:數(shù)據(jù)共享交換[11]。應(yīng)用場(chǎng)景:只需要系統(tǒng)登錄權(quán)限,不需要原來(lái)的信息系統(tǒng)開發(fā)商配合和數(shù)據(jù)庫(kù)開放。技術(shù)特點(diǎn):在不打破原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建連接各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享流通管道,讓深藏在各自獨(dú)立而封閉系統(tǒng)中的核心數(shù)據(jù)“安全流動(dòng)”,保障數(shù)據(jù)“鮮活、按需、有效、安全”[11]。

② 設(shè)備互聯(lián)。

模式一:侵入式采集模式。對(duì)于配合度較高的電力用戶,在其各用電設(shè)備上都安裝傳感器記錄其使用情況,并將數(shù)據(jù)上傳至相關(guān)能源管理系統(tǒng)主站。該方法優(yōu)點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠,缺點(diǎn)是實(shí)際可操作性差、實(shí)施成本高、用戶接受程度較低。

模式二:非侵入式采集模式。其實(shí)質(zhì)就是負(fù)荷分解,即將用戶總負(fù)荷信息分解為各用電設(shè)備的信息,進(jìn)而獲取用電設(shè)備能耗情況與用戶用電規(guī)律等用電信息。這些用電信息具有很高的應(yīng)用價(jià)值,可為電網(wǎng)公司、用戶等多方帶來(lái)效益[12]。

與侵入式采集模式相比,非侵入式采集模式經(jīng)濟(jì)投入小,實(shí)用性強(qiáng)。

(2) 智能推理技術(shù)。應(yīng)用人工智能技術(shù),基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立電力客戶分類管理模型,分析不同類型電力客戶用電情況、參與負(fù)荷交易的意愿及其驅(qū)動(dòng)因素,提高“網(wǎng)荷互動(dòng)”和“用戶互動(dòng)”的效率與效益。

技術(shù)原理:① 從統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入平臺(tái)獲取的電力客戶數(shù)據(jù),作為數(shù)據(jù)集;② 經(jīng)分析,選取客戶性質(zhì)、用戶地理位置、負(fù)荷容量、電價(jià)、用電量等變量作為特征,采用支持向量機(jī)分類的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,構(gòu)建電力客戶分類管理模型;③ 利用電力客戶分類管理模型,預(yù)測(cè)用戶用電需求和參與負(fù)荷交易的概率,實(shí)現(xiàn)能源精準(zhǔn)管理。

3.3 生態(tài)架構(gòu)

為了廣泛地集成用電側(cè)資源,系統(tǒng)構(gòu)建豐富的生態(tài)結(jié)構(gòu)。

(1) 平臺(tái)子系統(tǒng)。包括電力需求響應(yīng)管理平臺(tái)、非工空調(diào)需求響應(yīng)系統(tǒng)、工業(yè)企業(yè)自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)、電力需求側(cè)管理展示平臺(tái)(基于大數(shù)據(jù)架構(gòu))、用電側(cè)負(fù)荷交易平臺(tái)(開發(fā)中)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制工程營(yíng)銷主站(開發(fā)中)。

(2) 有系統(tǒng)接口的系統(tǒng)。包括營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)CMS、設(shè)備(資產(chǎn))運(yùn)維精益管理系統(tǒng)PMS(GIS模塊)、用電信息采集系統(tǒng)、用電負(fù)荷管理系統(tǒng)。

(3) 計(jì)劃開發(fā)系統(tǒng)接口的系統(tǒng),如國(guó)家電力需求側(cè)管理平臺(tái)。

(4) 與平臺(tái)具有戰(zhàn)略合作關(guān)系的系統(tǒng),如國(guó)網(wǎng)商城、電e寶。

電力海綿城市系統(tǒng)生態(tài)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 電力海綿城市系統(tǒng)生態(tài)架構(gòu)

4 商業(yè)模式與推廣計(jì)劃

4.1 目標(biāo)群體

(1) 電網(wǎng)企業(yè)。系統(tǒng)的構(gòu)建有利于增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,平抑短時(shí)尖峰負(fù)荷,消減峰谷差,節(jié)省電力投資。電網(wǎng)企業(yè)還可以充分發(fā)掘平臺(tái)數(shù)據(jù),開展個(gè)性化的延伸營(yíng)銷、增值營(yíng)銷。同時(shí)有利于增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行安全性,形成用電側(cè)機(jī)動(dòng)調(diào)控能力,增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活性。

(2) 電力用戶。系統(tǒng)的構(gòu)建使電力的商品屬性更加豐富,用戶可以憑借自身能源稟賦和消費(fèi)習(xí)慣獲取增值收益,促進(jìn)社會(huì)資源的優(yōu)化配置;每個(gè)用戶既是使用者又是供應(yīng)商,用戶用電需求充分釋放,能源管理更加精準(zhǔn),用能成本進(jìn)一步降低。

(3) 受端電網(wǎng)本地發(fā)電企業(yè)。受端電網(wǎng)本地發(fā)電企業(yè)火力發(fā)電機(jī)組,日常運(yùn)行安排下需要在低負(fù)荷時(shí)段通過(guò)壓機(jī)組出力方式實(shí)現(xiàn)區(qū)外清潔電力受入,用電高峰時(shí)段需要提升機(jī)組出力滿足調(diào)峰要求。在春秋季節(jié)或節(jié)假日輕負(fù)荷時(shí)段,由于網(wǎng)供負(fù)荷水平低,本地發(fā)電容量接近機(jī)組出力下限,機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)突出。

電力海綿城市的建設(shè)提升網(wǎng)供負(fù)荷水平,確保機(jī)組安全。

(4) 送端可再生資源發(fā)電企業(yè)。輕負(fù)荷時(shí)段用電側(cè)負(fù)向調(diào)峰(填谷)及事故調(diào)頻能力的建設(shè),提升跨區(qū)域可再生資源的消納,降低送端可再生資源發(fā)電企業(yè)棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象,增加企業(yè)收益。

(5) 能源服務(wù)企業(yè)。通過(guò)系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)的安全、有序共享,降低獲客成本,增加企業(yè)收益。

4.2 商業(yè)模式

(1) 項(xiàng)目產(chǎn)出。

① 節(jié)省電網(wǎng)投資。形成3%用電側(cè)機(jī)動(dòng)調(diào)峰能力,以上海電網(wǎng)為例,按照20年投資周期,節(jié)省年化投資2億元/年。

② 提升電網(wǎng)售電量。增供擴(kuò)銷,通過(guò)用戶負(fù)荷資源智能聚合與優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷曲線優(yōu)化,同等電網(wǎng)供應(yīng)能力下,充分釋放用電潛力,實(shí)現(xiàn)更多電量的售出。

③ 實(shí)現(xiàn)用戶增值收益。通過(guò)建立涵蓋廣泛交易品種的用電側(cè)負(fù)荷交易平臺(tái),金融化用戶用電消費(fèi)行為,實(shí)現(xiàn)用戶電力增值收益。

④ 減少城市碳排放量。以上海市為例,平臺(tái)可以提升20萬(wàn)kW用電側(cè)調(diào)頻能力,相應(yīng)提升直流輸電能力20萬(wàn)kW,按照300 g/kWh煤耗標(biāo)準(zhǔn),可減少本地碳排放量52.56萬(wàn)t/年。

(2) 持續(xù)機(jī)制。

① 平臺(tái)傭金收益。通過(guò)消納、(正、負(fù))備用、調(diào)峰、調(diào)頻、凈化、交易等服務(wù)項(xiàng)目的實(shí)施,獲取目標(biāo)用戶傭金。

② 信息服務(wù)收益。通過(guò)溯源、預(yù)測(cè)服務(wù),獲得目標(biāo)用戶信息服務(wù)收益。

③ 廣告推廣收益。作為能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),電力海綿城市系統(tǒng)具有可觀的平臺(tái)廣告推廣收益空間。參照同樣作為互聯(lián)網(wǎng)公司的騰訊公司發(fā)布的年報(bào)數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)廣告收入可占其總收入的17%[13]。

4.3 推廣計(jì)劃

(1) 資金投入。

① 示范工程建設(shè)。為了更好地吸引負(fù)荷集成商、綜合能源服務(wù)公司等第三方能源服務(wù)結(jié)構(gòu),需要在已有客戶資源及工程應(yīng)用基礎(chǔ)上,繼續(xù)推進(jìn)相當(dāng)數(shù)量的示范應(yīng)用建設(shè)。

② 營(yíng)銷推廣活動(dòng)。為了系統(tǒng)的推廣,可采用電力積分等營(yíng)銷推廣活動(dòng),需要與電網(wǎng)公司電e寶等應(yīng)用對(duì)接,并安排專項(xiàng)推廣費(fèi)用。

(2) 模式培養(yǎng)。電力海綿城市生態(tài)的拓展依賴于平臺(tái)、入駐服務(wù)商、電力用戶多方共贏模式的建立,入駐服務(wù)商收益分成、平臺(tái)補(bǔ)貼的發(fā)放方式等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的拓展造成明顯影響。實(shí)施中已經(jīng)基于平臺(tái)多次開展需求響應(yīng)填谷、削峰應(yīng)用。前期,由于處于試點(diǎn)階段,入駐服務(wù)商基本沒有參與補(bǔ)貼分成,且補(bǔ)貼以電費(fèi)抵扣的方式發(fā)放,入駐服務(wù)商和電力用戶的參與積極性還有很大提升空間。

(3) 戰(zhàn)略合作。為了更好地發(fā)揮平臺(tái)的資源優(yōu)化配置功能,需要建立與電力交易中心市場(chǎng)管委會(huì)、車聯(lián)網(wǎng)、樁企聯(lián)盟等戰(zhàn)略合作伙伴的合作。

5 應(yīng)用實(shí)踐

2015年率先上線電力需求響應(yīng)管理模塊,2016年上線電力需求側(cè)管理站展示平臺(tái),2017年上線非工空調(diào)需求響應(yīng)模塊和工業(yè)企業(yè)需求響應(yīng)模塊,2018年啟動(dòng)精準(zhǔn)負(fù)荷控制工程營(yíng)銷主站建設(shè),并開始設(shè)計(jì)用電側(cè)負(fù)荷交易平臺(tái)。

截至2018年8月[14-15],平臺(tái)已入駐服務(wù)商6戶,已接入負(fù)荷數(shù)據(jù)用戶30 140戶(10 kV及以上),參與平臺(tái)互動(dòng)響應(yīng)用戶677戶,歷史累計(jì)調(diào)控次數(shù)8次,累計(jì)調(diào)控負(fù)荷155萬(wàn)kW,最大調(diào)控負(fù)荷106萬(wàn)kW(填谷)、34萬(wàn)kW(削峰),累計(jì)發(fā)放補(bǔ)貼超過(guò)600萬(wàn)元。

6 結(jié) 語(yǔ)

電力海綿城市系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“需求彈性,供需協(xié)同”和“區(qū)內(nèi)平衡,廣域協(xié)同”的網(wǎng)約電平臺(tái),屬于能源互聯(lián)網(wǎng)新模式和新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新實(shí)踐。本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的理念,從組織架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、生態(tài)架構(gòu)等方面系統(tǒng)闡述了電力海綿城市系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,可以為用戶提供多樣化的新型業(yè)務(wù)體驗(yàn)。隨著電力市場(chǎng)的不斷開放,平臺(tái)將可以發(fā)布更多的新應(yīng)用,為電力用戶提供方便的體驗(yàn),并獲得增值收益。