“雙碳”背景下張家口能源大數據中心的建設

楊 威,袁冬冬

(1.張家口職業技術學院 就業與創新創業指導中心,河北 張家口 075051;2.國網冀北張家口風光儲輸新能源有限公司 運行監控中心,河北 張家口 075051)

引言

為貫徹習近平總書記提出的“四個革命、一個合作”能源安全新戰略,加速落實“雙碳”目標及張家口新型電力系統示范區建設,探索適應可再生能源大規模融入電力系統的新型電力運行機制和負荷調節管理新模式,張家口市政府與國網冀北電力有限公司(下稱冀北公司)簽署共同建設示范區能源大數據中心協議,圍繞新能源科學發展、能源互聯網構建、風光儲產業升級、全社會用能轉型、全鏈條匯集分析源網荷儲等技術創新、試驗實證、日常運維數據,提出可再生能源規劃、建設、并網、消納、運維等數字化解決方案,打造能源互聯網創新生態,引領新能源創新發展。

一、張家口能源大數據中心的建設背景

(一)增強內驅動力的迫切需要

國家發改委印發《河北省張家口可再生能源示范區發展規劃》,提出在實施好國家風光儲輸示范工程的基礎上,探索適應可再生能源大規模融入電力系統的新型電力運行機制和負荷調節管理新模式,開展智能化區域電力運行監控管理等技術應用示范。隨著數字經濟和信息技術的發展,國家不斷出臺相關政策,用以鼓勵支持數據中心建設,加快能源領域數字化轉型。數字型綜合能源服務一體化發展模式研究與應用是當前形勢下的必然發展路徑,是張家口可再生能源示范區持續發展的內在動力。

(二)落實社會責任的必然要求

為貫徹習近平總書記提出的“四個革命、一個合作”能源安全新戰略,加快推進“3060”雙碳目標實現,張家口市政府與國網冀北電力有限公司簽署共同建設示范區能源大數據中心協議。充分發揮示范區機制和資源優勢,依托國家風光儲輸示范工程技術優勢,共同建設可再生能源示范區大數據中心,加速先進數字技術與先進能源控制技術的深度融合,圍繞新能源科學發展、能源互聯網構建、風光儲產業升級、全社會用能轉型、全鏈條匯集分析源網荷儲等技術創新、試驗實證、日常運維數據,提出可再生能源規劃、建設、并網、消納、運維等數字化解決方案。

二、張家口能源大數據中心的構成

圍繞建設能源科研平臺、數字賦能平臺、價值創造平臺和管理支撐平臺,冀北公司多措并舉打造能源互聯網新生態,服務冀北地區雙高綠色智慧電網建設,服務張家口可再生能源示范區清潔低碳發展。

(一)開展數字孿生平臺建設(能源科研平臺)

近年來電網建設規模不斷增大,電力系統呈現出開放式、扁平化、分散式、邊界模糊化的發展趨勢。數字孿生電網是電力系統模型日漸復雜、應用數據快速海量增加以及數字孿生理論技術逐漸發展完善等各方面背景共同作用下的新興產物。

冀北風光儲輸公司作為新能源行業的示范者,創新性開展風光儲基地數字孿生建模與運行能效提升技術研究及示范。提出了風光儲基地多源海量異構數據的云邊協同治理方案,形成了面向不同業務應用需求的風光儲基地數據質量監測和治理手段,建立風光儲基地全域感知數據集,實現風電機群實時數據的交互共享應用機制。構建了反映典型缺陷特征的風光儲發電設備數字孿生模型,提出風光儲發電設備數字孿生虛擬系統與真實系統的信號交互方案,指導風光儲發電設備精細化運維,實現風光儲發電設備發電性能提升。建成了面向發電能效提升的風電場機群數字孿生虛擬系統,實現電站級數字孿生虛擬系統與真實場景的交互驗證,提出基于多機數據實時共享的風電場機群主動偏航協同控制方法,有效地支撐了風電場運行能效提升。建設風光儲基地典型“機—群”的數字孿生虛擬系統,實現復雜物理動態過程的 3D 展示、時序推演與在線優化,形成風光儲基地運行能效提升的技術解決方案,為新能源電站的數字化轉型提供了樣板示范[1]。

(二)開展張家口地區規?；刂行慕ㄔO(數字賦能平臺)

2020年碳中和與構建新型電力系統目標的提出,將新能源的發展帶入了新的發展周期。電力系統正經歷綠色低碳轉型和能源結構變革。冀北電網作為新能源裝機容量占比最高的省級電網,提升新能源場站調度、監控、運維的管理水平是電網安全穩定高效運行的重中之重。

張家口能源大數據中心建設可再生能源示范區新能源場站集控、集聚中心,引入示范區各大發電集團進行集控中心業務的建設,開創基礎設施共建、數據共享的新模式,形成規?；猍3]。

集控系統通過實時采集、整理各新能源場站生產數據,建立統一的數據庫平臺,實現生產過程信息遠程實時監控、實時報警、自動生成報表等。云平臺數據分析系統通過對大量數據的統計分析,找出發電指標差距,定量分析由于設備維護、設備故障或天氣等多種原因造成的電量損失情況,查找設備故障根源和共性問題,提高接入場站設備利用率,同時也為實現設備的精細化管理、優化控制及規?；瘷z修維護等方面提供了強有力的參考數據。

集控中心一體化服務通過集控系統及數據分析系統,實現了各新能源場站的數據匯集、遠程監控、實時報警、診斷維護及數據分析,支撐以冀北電網為主要調度單位的區域性集中監控與集中調度。

(三)開展虛擬電廠參與電網調節技術研究(數字賦能平臺)

冀北電網負荷特性是受端電網、負荷大、峰谷差大及尖峰時段降溫負荷占比高。冀北電網為了防止資源浪費,保證電網冗余發電能力,且保證高峰期供電安全,開展了虛擬電廠參與電網調節技術。虛擬電廠技術能夠實現分布式資源的有效聚合和協調控制,從而降低電力系統運行的碳排放量,提高可再生能源消納量,解決了資源浪費的問題,成為推動“雙碳”目標實現的有效途徑[2]。

1.虛擬電廠參與輔助服務市場

虛擬電廠通過參與輔助服務市場,參與輔助調峰市場來實現區域內電網供應與負荷不平衡的問題。

依托先進的控制、通信等技術手段,虛擬電廠智能管控平臺實現儲能、分布式電源、電動汽車、柔性負荷等資源的協調、優化、聚合,作為一個特殊電廠參與電網運行和電力市場。

虛擬電廠示范工程將采用“1+2+N”的模式,“1”即虛擬電廠管控平臺,可為用戶提供設備數據、計算、儲存的功能并整合優化各類信息反饋給用戶;“2”即多能流網絡與電力物聯網絡,提供信息傳輸和轉換的作用;“N”即多方應用,可以為電網、交易中心以及其他參與企業提供數字化產品等增值應用服務。

2.虛擬電廠承擔電力平衡責任

新能源電力系統下,將由“源隨荷動”向“源荷互動”轉變,風電、光伏等不可控發電優先匹配不可控負荷,優先發電保障優先用電,可控發電、用電共同平衡優先發電、優先用電之間的差額。

電網調度臺下發調度指令給虛擬電廠,虛擬電廠通過虛擬電廠管控平臺分解指令并下發控制策略給第三方主體,由聚合的第三方主體按照虛擬機組的負荷特性發配各自虛擬機組,從而完成整體電力調節。

(四)開展示范區創新聯盟建設(價值創造平臺)

為積極響應和落實國家“雙碳”目標,發揮張家口地區的可再生能源資源稟賦、區位優勢,風光儲輸公司順應國家科技創新政策需求,不斷收集示范區可再生能源相關領域的技術創新需求,發起成立了“張家口可再生能源產業促進會”以及“新能源產業技術創新戰略聯盟”。

1.張家口可再生能源產業促進會

張家口可再生能源產業促進會旨在依托張家口地區可再生能源產業聚合優勢,積極發揮地區政府、電力系統、行業專家和可再生能源企業之間的橋梁紐帶作用,促進業內技術經驗交流,推廣可再生能源前沿技術應用落地,共同推動地區可再生能源產業健康、有序、可持續發展。

聯合各單位的技術力量和智力優勢,緊密圍繞構建以新能源為主體的新型電力系統重要部署規劃,積極謀劃抱團發展、合作共贏工作機制,發揮橋梁作用,服務科學決策。積極服務“雙碳”目標,為張家口可再生能源示范區實現有質量、有創新、有品牌內涵式增長貢獻力量。

2.新能源產業技術創新戰略聯盟

聯盟面向新能源產業發展技術需求,通過聯合河北省區域內外相關領域產學研用單位,匯聚科研資源,依托張家口可再生能源示范區,以推動高校、企業、科研機構和其他組織機構等在戰略層面有效結合,加快構建以市場為導向、企業為主體、產學研用深度融合的技術創新體系,加快提升區域可再生能源科技創新能力和市場競爭力,促進示范區相關產業健康發展為目標,突破相關產業發展瓶頸,加速科技成果的轉移轉化推廣應用。

(五)開展智慧能源平臺建設(管理支撐平臺)

風光儲輸公司打通張家口地區各行業能源數據壁壘,開發智慧能源平臺,對共享數據資源、挖掘數據價值、輔助政府科學決策、促進管理提質增效、推動全社會用能效率提升、助力“雙碳”目標的實現具有重要支撐作用。

1.開展能源數據監測與分析

整合張家口市能源、化工、制造、建筑、交通、農業、居民生活等重點領域的煤、電、水、氣、油、碳排放量等能源數據,將能源消費信息與社會經濟、行業發展、企業經營等數據進行綜合集成分析,宏觀體現張家口市經濟社會發展,為政府掌握評估本地區經濟動態、招商引資、節能減排等工作提供決策參考,實現“雙碳”關鍵指標的預警、實時監測、評價與分析,加強重點用能單位監管,促進能源、環境與經濟的協調發展。

2.開展碳排放管理服務

為了實現碳排放及能耗足跡的可分析、可跟蹤及可視化,采取對區域內企業、政府和園區的能耗數據、碳指標及碳數據統一管理,并對區域內的碳耗、能耗全流程進行精準跟蹤、實時統計和及時預警,從而構建起園區、企業和政府 “三位一體”的數字化碳管理體系。新建碳排放監測和碳達峰路徑追蹤模塊,可視化區域內政府、園區和企業實時用能情況、碳排放情況、強度對標分析等,并輔助提供預警服務,提升政府開展當地碳排放管理的工作質效,節約碳排放管理的成本,為實現碳達峰目標提供決策支撐。

三、張家口能源大數據中心的價值創造

能源大數據中心的建設,以能源科研平臺、數字賦能平臺、價值創造平臺和管理支撐平臺為支撐,形成了“數字經濟+企業創新聯盟”的能源互聯網新生態,全面整合新能源行業上下游企業能力,服務了張家口可再生能源示范區及新型電力系統建設示范區建設。

(一)依托政企優勢,實現平臺共建

把握“大數據與新能源聯動、大數據與智能制造深入融合”區域定位,以綠色數據存儲為龍頭,構建“政府服務—行業機構服務—企業用戶服務—社會公眾服務”的能源大數據服務生態圈,建設“安全可靠、政府滿意、行業支撐、業態豐富、投入合理、運營高效”的區域能源大數據中心典范。以服務張家口區域能源發展、支撐能源工作高效開展為目標,通過實時采集分類分項數據,在統一的大數據平臺下,實現能源系統在線監測、能耗分析、異常分析、節能控制、APP服務于一體的智慧能源完整解決方案。

(二)依托數據資產,實現價值共享

基于大數據,通過在線安全穩定預警系統、新能源功率預測系統、安全穩定控制系統有機結合,有效降低新能源不確定性對安全穩定控制策略的影響,在保障新能源基地安全穩定運行的前提下可提升新能源電站控制的精細化水平。新能源運營必將通過精益化管理手段和數字化技術手段,深挖設備發電潛力,以高質量管理模式替代當前的粗放式管理模式,獲取發電收益最大化,達到全壽命周期平準化成本最優。

(三)依托數字轉型,實現生態共贏

以大數據、云計算、工業互聯網等平臺為依托,利用多項技術相互依存、相互促進,推動企業的數字化轉型,為產業生態帶來更經濟、更靈活的數字化平臺。充分借用大數據分析手段和工業互聯網平臺,激活企業數據中蘊藏的價值,全面整合數據信息,將場景與技術進行融合,將數字化場景應用落地,加速破解張家口“雙區”新型電力系統建設技術難題。