数字化技术在以新能源为主体的新型电力系统中的运用_潘挺.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术10|数字化技术在以新能源为主体的新型电力系统中的运用潘挺厦门海华电力科技有限公司，福建厦门361000摘要：在碳达峰、碳中和背景下，电力行业作为能源行业中CO2排放总量超过四成的重点行业，将直接影响目标实现的进程，因此，大规模接入再生能源，构建清洁、低碳、安全、高效的新型能源体系，严格控制化石能源总量，提升其有效利用率，是“十四五”期间电力体制改革及新型电力系统的主要发展方向。本文基于笔者多年的实践经验，对新型电力系统的主要特征进行阐述，同时就如何应用各种数字化技术构建数字电网进行思考，提出几点应用思路和应用策略，以期为加快构建新能源为主体的新型电力系统作出贡献。关键词：数字化技术；新能源；新型电力系统；数据采集；数字电网中图分类号:TM76 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.003 0引言电力行业的主要能源为化石能源，随着大规模应用，化石能源逐渐枯竭，全球环境污染及气候变化成为当前人们面临的主要难题之一，能源安全、能源转型逐渐被纳入国家战略规划中。在我国，能源供给和消费结构性矛盾突出，为增强我国能源保障能力，必须从生产侧、消费侧共同着手，提高新能源比重，加快再生能源替代，积极构建以新能源为主体、以多源能源形式为载体、以能源技术和数字化技术深度融合为特征的新型电力系统。1新型电力系统主要特征以新能源为主体的新型电力系统主要包含源、网、荷、载四个环节，借助电力流和信息流形成一个有机整体，是一个非常复杂的，借助数字化技术推动高比例新能源、电力电子，且拥有海量数据的电力系统1。其主要特征体现在以下四个环节（图1）。（1）电源测。新能源接入比例不断增加，电源装机规模倍增于负荷需求增长，据调查，到2030年我国风、光装机容量将超过12亿kW，火电机组将逐渐退出，将大幅提升电力系统新能源消纳压力。但长期来看，为实现碳中和、碳达峰对电力系统的要求，实现零碳电力系统，就必须借助由新能源提供主动支撑。同时，这也导致电力、电量平衡压力增加，大量电力电子设备入网，大幅降低系统惯量，对现有电力系统造成剧烈冲击，进而威胁电力系统安全稳定运行。（2）电网侧。电网规模持续扩大，分布式资源快速增加，配电、用电形态继而发生改变，主配网界限模糊，配电网存在增量配电网（电力体制改革）、智能微电网、直流交流混合融合电网、有源配电网等多种形式同时存在，电网稳定性问题日益复杂；数字化技术逐渐成为电网发展关键技术，借助“电力+算力”这一强大技术优势，显著增加电网感知能力、智能决策和快速响应能力。（3）负荷侧。随着大数据、人工智能等技术的发展，用户可以借助信息技术智能调整自身用能特性，参与供需互动，显著降低了用户参与的时间成本和专业需求，为实现更广泛、完善和有效的供需互动提供信息支持，打破了原有“源随荷动”的运动限制；虚拟电厂、微网、电动汽车 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|11科技前瞻等多元负荷形态的比例提升。（4）储能侧。储能规模将随着新能源规模的增长而增长，中短期以抽水储能、化学储能为主，随着储能技术的发展，进行持续高强度的科研投入，储能技术将呈现多样化发展趋势。2新型电力系统数字化技术应用思路电力系统作为一个拥有海量数据的复杂系统，其数据价值逐渐受到学术界和工业界高度重视，开始积极探索基于数据驱动的新模型和新方法，开展数字新基建，以提升电力系统数据量和数据价值，同时，在以新能源为主体的新型电力系统中，积极应用数字化技术，将进一步提升资源配置效率，提升风险管控水平，突破新型电力系统中高比例新能源和电力电子装置引发的“双高”技术难题。具体应用思路体现在以下几点。（1）利用数据流打通能源生态系统，构建对应数字电网。电力企业要积极应用数字化技术，改变原有作业模式，在利用数字驱动考量多维复杂因素，将其与实际模型相融合，为企业流程再造、科学规划提供依据；在应用层面，借助大数据分析技术，提高新能源电站观测、控制水平，有效提升新型电力系统中新能源消纳能力，解决电力与电量平衡问题2；利用数字驱动技术引导数据、能量、服务等流动，结合物理模型构建安全防护系统，进而提高对低惯量系统的适应能力，降低电力电子设备高渗透引发的安全风险。（2）借助数字技术助推能源消费革命，激发能源市场活力。我国新型电力系统革命，在国家电力体制改革的政策指引下，以增量配电网、电力市场化交易、需求侧响应等为试点率展开结算试运营，将数字经济与传统电力市场相互融合，构建以数据共享为核心的电力交易市场，以减少电力市场信息差，使电力市场出清结果回归电力商品3。同时，不断丰富电力市场交易品种，探索多元化市场交易方式，逐渐实现能源消费市场由单一、被动、大众化向多元、主动、个性化模式转变，进一步激发需求侧市场活力。（3）利用数字技术创新数字电网，加快新型电力系统转型。随着科技创新发展以及对新型电力系统运行机理和形态的深入研究，我国在新能源消纳、大规模并网、储能技术、虚拟电网等方面均取得了一定成果，实现了电力技术与数字化技术的深度融合，逐渐形成具有体系化的标准规范，打破非技术性壁垒，为电力行业更新换图 1新型电力系统主要特征dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术12|代和技术升级提供良性支持。3以新能源为主体的新型电力系统中数字化技术应用3.1注重电网规划，加快数字电网建设以新能源为主体的新型电力系统，需要积极应用大数据、云计算、人工智能、物联网等先进数字技术，改造电网关键分段开关、联络开关、分支开关等，不断加强物联网感知规模，打造集信息资源共享、网络集中监控、中心指挥决策于一体的控制中心，实现供电精益化管控。以国家电网推行的“网上电网”应用为例，借助能源生态数字化和运营管控智能化，实现了传统电力系统技术、功能、形态等方面的整体数字化转型，为加快新型电力系统建构提供了重要技术支持。同时，要加快数字电网建设，新型电力系统中源、网、荷、储四个环节相互耦合，在进行电力系统分析和数字电网构建时，就要摆脱过去独立分析模式，以数据为核心，实现再生能源与数据流之间的深度融合，打通源、网、荷、储四个环节，实现协同互动发展。为实现这一目标，就必须从数据采集、数据处理和数据应用三个层面着手，有效获取大量互数据，进行综合关联和分析，实现新型电力系统各个应用场景的准确感知，实现电力系统智能化观测与控制。从数据采集层面看，大规模设置微小传感、芯片智能化终端、智能网关等，确保采集到的数据信息及时、全面、准确，为数字电网建设提供数据基础4；从数据处理层面看，积极应用数据融合技术、大数据分析技术，筛选出关键数据特征，寻求数据之间的关联性，增强数据信息之间的相互补充和协作能力，进而提升新型电力系统全面感知和万物互联能力；从数据应用层面看，通过新型数字技术的应用，实现不同业务系统之间的数据信息共享，构建云数智一体数字技术平台，加快建设新能源接入、智慧能源建设等领域发展，进而实现新型电力系统中电网状态、市场交易、设备状态及管理状态的公开透明；还能实现对感知目标的精准测量，一般来说单一数据表征的信息有限，导致目标感知精确性不足，数据融合后，数据信息之间可以相互补充和增强，进而增强了目标感知的精确性。3.2夯实电网基础，加快新型电网建设构建以新能源为主体的新型电力系统，要特别注意新型电网基础能力建设，夯实数字电网承载能力。具体可以从以下几点展开。（1）加快数字化基础设施建设。以全域传感实时测量体系为基础，注重物联网、云平台等数字基础建设，为实现新型电网系统“可观、可测、可控”奠定夯实基础。（2）算力规模建设。新型电力系统建设中，算力建设至关重要，相关人员要基于电力系统实际应用场景，研究建设满足业务发展需求的算力规模，如通用算力、专用算力、超级算力，以适用海量数据处理需求。（3）专用算法建设。在建设新型电力系统的同时，要建立与之适配的算法，以满足不同应用场景应用需求，如电网规划、新能源预测及监控、电力电量平衡、双碳目标实现等。应用算法一般有两种：通用算法，语音语义、机器视觉、大数据处理等；专用算法，新型电力系统运行原理、认知及协同技术、控制技术等。例如，南方电网就与华为技术有限公司相互合作，建设了一款AI预训练模型，具备举一反三的能力，只需要学习基础课程，并在不同应用场景中实践应用和深造，就能完成智能巡检、记录分析和预警等工作，无需像以往人工智能算法那样，从零开始构建大量数据集。实践表明，该AI预训练模型应用效果优异，能够识别超过80%的应用场景任务，识别准确率达到95%，大大提升了电力设备隐患排查、故障查找等的准确性和智能性。（4）提升产品研发和服务水平。新型电力系统面向政府、企业、金融机构、个人等不同类型用户，对应具体应用场景也异常多样，相关人员应当将其与电力大数据发展优势相互结合，进 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|13科技前瞻行大批量个性服务定制、数据产品研发，实现电网系统下各方利益高效作业和协同运作，提升新型电力系统运行效能。3.3推进数据融通，挖掘电网资源价值新型电力系统对数字化技术应用提出了更高要求，大规模智能终端、传感器的应用，使得电力系统中数控监测、采集、传输等环节逐渐完善，但也增加了电力系统数据传输与应用的困难程度，电力系统迫切需要“有线+无线”复合型的通信技术组网，以实现“高效、稳定、实时、可靠”的信息通信要求，实现电力系统各项功能5。有线方面，HPLC（宽带载波）技术作为电力行业中广泛存在的信息通信方式，已在电能量采集上做了广泛应用，并已逐渐在以台区为单位的供配电区域发挥重要的数据通信作用；无线方面，相比4G、5G优势更加突出，传输容量大、通信延时低、传输速度快，在以新能源为主体的新型电力系统发展中，能够满足专家远程实时指导，厂家、作业现场、决策后台数据有效交换、电网实物资产运营有效监测分析，还有助于深入挖掘电网资产运营价值，发挥着关键技术作用。因此，电力企业需要广泛采用多种通信方式相融合的协议转换终端设施，突出充分发挥“有线+无线”通信技术的复合型组网应用成效。同时，要积极深化数字孪生技术应用，数字孪生技术的核心是建模与仿真，具备正确性、有效性和可重复性特点，是数字化业务的关键环节，以服务具体应用为导向，基于仿真实现功能外溢，促进业务自动闭环，实现虚实互动和共同发展。数字孪生技术应用场景广泛，如风电场等值建模、综合能源系统规划运行、设备运维。以综合能源系统规划与运行为例，通过建立数字孪生模型（设备建模边界条件输入网络拓扑识别系统潮流计算计算结果输出），实现多种能源互补利用、多种能源相互耦合的仿真规划，贯穿系统规划设计、建设调试、调度运行、检修维护等全业务流程，实现与实际系统数据和控制逻辑的双向互动，并利用人工智能技术，不断改进和创新系统调控和维护策略，对建设新型电力系统至关重要。该数字孪生技术还能加强电力数据与智慧城市规划数据融通，推动电力系统与市政、交通、通信部门的数据共通，构建智慧城市数字共享平台，助力智慧城市下电力布局与规划，城市高效运转与发展。3.4升级业务中台，加快设备管理数字化一方面，夯实业务连通共享基础。依托省市相关技术标准和规范，严格检测物联装备性能和标准，加强物联装置入网检测和到货验收；基于各类传感器技术标准，综合考量环境、状态、应用场景等各项因素，加强对节点装置、传感器等的解耦，积极打破厂家数据和专业数据之间的技术壁垒；加强智能设备研发，如智能开关柜，将其与传感器相互融合，提升设备采集、传输和监测的智能化、自动化，降低设备生产与运营成本。另一方面，升级业务中台管理，在管理平台中接入可视化监控、机器人、电力设备、物联网等相关数据，包括历史信息数据、实时感知数据等，分析新型电力系统能源实时流动，以便实现用电高峰时段无功电压平衡、跨电压等级负荷转供等资源调配。例如，构建以业务中台为核心，融合物资管理、PMS生产管理、营销业务、调度自动化、物联网感知等系统，建立“1+N”设备全景控制平台，形