基于虛擬電廠智慧管控系統構建方案研究

中電建崇信發電有限責任公司 朱文峰

隨著電力改革的深入推進，傳統電力企業面臨嚴峻挑戰，尤其是火電企業，面臨高能耗、高成本、環保要求嚴格等局面，如何能在“碳達峰，碳中和”環境下順利打開局面，是火電企業所要考慮的重點問題。由于火電企業短期還占據重要位置，因此提高企業效能成為電力企業面臨的重要問題，將新技術運用到工業領域，建設新型電廠、智慧電廠成為各個電力集團關注的焦點問題。

1 智慧電廠概述

智慧電廠指的是通過先進技術，如計算機技術、軟件技術以及網絡技術等，與先進管理思想相互融合，讓火電企業轉變原有的發展形勢，創建出能夠與生產經營管理活動相互融合的信息網絡體系，進而實現對企業的管理，讓工作人員憑借網絡渠道，完成對不同渠道內信息數據的檢索、分析、控制、處理以及反饋，運用實時化的網絡系統，逐漸與集團信息、管理信息以及網絡相互對接，以保證企業管理層級可以短期內完成信息資源的共享服務，利用一體化管控的方式，增加集團，甚至整個發電企業的生產動力，促使經營管理工作能夠落實，從而保證電廠內的生產、經營以及管理工作向著智能化、自動化方向發展[1]。

同時，建設智慧電廠的目的是為了提高廠網效能，提高電廠在社會效益中的中流砥柱作用。通過大數據分析模型，機器學習，能源多樣化等系統分析方法，提高整個系統能源系統復雜化要求，實現全社會層面的能源生產構成的彈性化預期[2]。

2 智慧電廠建設的技術路線的重要性

以往智慧電廠技術路線主要集中在廠內設備改造，通過新型傳感器如人臉識別、物聯網傳感器、機器人、三維模型、定位等方式，聚焦在操作層面的電廠設備改造上，在系統層面通過大數據建立電廠全周期壽命管理，但是礙于技術難度，在故障分析上應用效果不理想。

因此，相關部門在建設智慧電廠時，還需要了解虛擬電網結構并構建虛擬大電廠模型，借助其中的火電機組、水電機組、供熱站、廢物處理、廢水處理等，模擬電廠運行狀態。同時，智慧電廠運行期間，還需要了解電負荷、熱負荷、污水處理、固體廢物再利用等內容，使相關人員可以通過各個供能系統的有機結合，協調控制生產側并滿足對電廠的深度調峰要求，以增強供電系統控制的魯棒性。

在具體層面上，可以通過小范圍供電類型企業自主合作，建立發電合作集團，簽訂“智慧電廠規約”，與電網簽訂大用戶簽訂用能合同，協調控制，綜合發力，與電網在用戶側的虛擬電網相對應。例如，某發電集團在電網負荷高峰時，以火力發電為主要供能方式，其他類型如水電站、儲能電站等降低出力，提高系統供電效能，實現電網側和用戶側效益，若在負荷低谷時，通過場站AGC 或者與合作大，小機組實現調峰，冬季時，可以與供熱機組相互聯動，實現最大經濟效益和社會效益。如若出現設備故障引起系統內出力下降時，可以及時提高發電集團內其他供電企業的供電出力，實現集團內負荷穩定，從而避免對電網產生擾動。圖1為智慧電廠運維體系。

圖1 智慧電廠運維體系框架圖

3 智慧電廠構建的核心及難點

3.1 智慧電廠資源特征提取及量化技術

對于智慧電廠而言，其主要采用聚合資源的方式，將微型燃氣輪機、風電機組以及光伏電池等進行統一分布，形成發電機組，其中涵蓋了儲能、柔性負荷等內容，也可采用“產銷一體化”構成雙向的內部互動單元。如此，則可保證電廠在獲取資源時不出現問題，使其特征更加明顯，可采用積極提取的方式，整合更多的數據，以保證該部分數據可以被高效地處理，但若存在不良數據，也會對系統帶來一定的影響，成為后續研究活動中的主要探討問題。

通過運用量化分析的手段調用現有資源，依靠系統掌握用戶的實際響應程度，防止出現不確定性的因素，以降低對虛擬電廠所帶來的影響，避免智慧電廠響應特性受到干擾。也可運用資源調節的方式，激發智能電廠的潛力并降低氣象條件等問題帶來的影響。例如，若在夏季時節空調的負荷會上升的，增加了光伏的出力情況，對資源調節特性帶來干擾，智慧電廠可以結合季節等因素，運用特征提取及量化技術的方式，增加智慧電廠在運行期間的支持。

3.2 智慧電廠優化配置和協調控制技術

智慧電廠通常會以互動的形式出現，使資源數量、類型、規模以及地理，甚至在電氣分布等區域內呈現出復雜且多變的狀態，如何進行資源配置成為后續探討的重點。首先，可采用分布式資源的分析，掌握其中蘊含的規模效益，了解到虛擬電廠在運維期間，需要給到一定的指導。其次，可了解其中參與者的分布情況，確認其位置相對分散，讓工作人員采用現貨市場決策的方式，將不同層級的利益進行協調，使電網可以安全并且穩定地運行，提高虛擬電廠的參與度。最后，如何處理分布式電源，可結合出力的波動特性、用戶用電行為等內容進行分析，根據其充放電特性、儲能不確定性以及可控負荷等響應特性，掌握其中存在的互動關系，以實現對虛擬電廠協調控制方法的探索。

4 虛擬電廠智慧管控系統創新思路

4.1 智慧電廠聯網改革新技術升級

工業互聯網作為發電企業進行智能化升級的關鍵性因素，例如5G 網絡通信技術、工業無線技術以及工業微服務技術等，其可以輔助發電企業完成重要數據的融合，讓各部分的數據信息進行匯聚，采用深度挖掘的方式，提高新技術的利用率。但對于傳統電力企業需要進行相關技術的升級：一是一站式AGC 改造，場站AGC 可以實現在深度調峰時兼顧機組安全。例如，1號機組有設備故障，可以通過提高2號機組負荷，低谷消缺，也不會對電網產生重大影響。

二是物聯網技術發展，無線傳感器的技術進步，可以實現在5G 場景下的總線控制。目前已經有廠家量產了基于5G 的智能壓力，溫度傳感器。國內電池廠已經通過5G 技術完成供熱站的覆蓋[3]。

三是智慧發電企業實踐的可能性。發電廠內不僅設備多，控制系統的穩定可靠成為發電企業穩定發展的基礎。傳統的分散控制系統（DCS）中有專門的控制盤柜、電纜等組件，各個系統廠家之間兼容性較差。而且國產DCS 系統市場占有率較低，若要實現控制系統的標準化，還需要了解接口交互情況，降低設備成本并通過私有云為基礎的云上控制系統，才能憑借設備控制層實現云上控制，利用技術增加相關支撐。

四是物聯網技術。通過物聯網技術來增加智能傳感器。例如，溫度、壓力、流量以及執行器等物聯網終端側的穩定可靠性。確保電廠能夠夯實云上電廠的重要技術基礎[4]。

4.2 借助大數據、AI

AI 算力幫助系統控制策略尋優。AI 在智能電廠大有可為，通過不斷地訓練，AI 可以實現電廠控制系統調節最優，提高電廠設備的安全性。也可以在控制層通過在火電、水電、儲能、供熱站參數間，通過機器學習，不斷實現訓練，提高整個系統的自適應性和強魯棒性。

4.3 應用云平臺管理

虛擬電廠智慧管控平臺包含了用戶畫像、云邊互動、智能聚合、市場交易、多能優化以及迭代評估等功能，其基本可以完成分散資源的整合，憑借手機端，或者PC 端，讓電力系統與之進行交互。在管側則是運用網絡、通信以及光纖，實現對信息通信技術的應用，利用兼容支持的方法，實現對不同內容的傳輸方式，或是采用承載控制，檢索狀態信息，輔助隱形的方式，將分散資源和智能管控平臺進行對接并控制平臺并發量等，讓數據能夠發揮出低時效果，整合海量數據，使各方面的信息能夠進行雙向并且安全地傳輸。

在邊側需要借助即插即用的邊緣網關，利用云邊協同的方式，執行邊緣計算操作。生成更多的場景業務、多網絡模式，提高自適應技術的利用率，以實現對分散資源的處理。利用物聯網將標準協議準確地接入到平臺當中。在端側也可利用標準化的智能終端，借助工業化的高速CPU，應用傳感器、微功率等，同步應用無線自組網技術，以保證分散資源可以二次被利用。采用狀態感知的方式，執行實時化的柔性控制。并且，其中的技術平臺也可在以下幾個方面進行突破。

一是關于支持性的多種類型終端以及應用接入。其可以支持彈性的擴展，利用億級連接，并發處理百萬級消息。二是關于虛擬電廠智慧管控平臺，其中的API 開放接口可以完成集成處理，實現快速上線并處理業務。三是關于虛擬電廠智慧管控平臺中的云化部署，可以將系統進行擴容，實現對組件化系統的安裝及應用。四是關于用戶資源，其依靠網關、應用、平臺以及設備，構建生態開放系統，將各類用戶的業務需求進行滿足。

4.4 提升智慧電廠運行管理

智慧運行管理工作的研究熱點為：一是智能監盤：依靠AI、機理建模監督燃機、余熱鍋爐、汽輪機以及發電機等狀態并進行多維度的分析，識別故障并進行異常報警，輔助電廠的智慧運行；二是工況尋優：運用大數據算法，計算參數值，調整關鍵參數，達到降低能耗，優化運行層面的目的。

4.5 優化智慧電廠設備管理

對于發電企業而言，其中設備的智能巡檢包括：移動互聯、點檢項目、點巡檢數據分析點檢路線以及區域設定等業務模塊，依靠智能人員定位等方式，確保巡檢現場的數據信息能夠合理應用，從而控制好巡檢質量，達到提高巡檢效率的目的。

5 結語

虛擬電廠中的智慧電廠建設方案是傳統智慧電廠建設的系統性延伸，借助于數字化轉型時期新技術的大量應用，有效地避免了傳統能源格局的低效率、低協作等弊端。要想在“雙碳”目標環境下提高主動性，電力企業應該主動抱團，與相關企業聯合，建立智慧電廠綜合體，系統內優勢互補，制定規約，提高競爭力，實現社會效益和經濟效益的雙達標。