基于虚拟电厂智慧管控系统构建方案研究

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

3.1 智慧电厂资源特征提取及量化技术

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。

3.2 智慧电厂优化配置和协调控制技术

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。

4.1 智慧电厂联网改革新技术升级

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]。

4.2 借助大数据、AI

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。

4.3 应用云平台管理

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。

4.4 提升智慧电厂运行管理

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。

4.5 优化智慧电厂设备管理

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。

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