整县光伏能量管理智慧运维研究及应用

整县光伏能量管理智慧运维研究及应用

杨木杭

大唐唐山新能源有限公司   唐山市   063000

摘要：本文面向整县分布式光伏建设、运维、优化控制实际需求，着眼于分布式光伏运行维护中心的实际需求，重点研究分布式整县光伏能量管理系统架构、协调控制技术以及整县光伏智能运维技术，满足整县光伏接入需求，通过将区域内可调控的电源（火电、分布式光伏等）、可调负荷、储能设备等可灵活调节资源聚合，进行一体化协同，主要通过虚拟电厂技术、多源化数据融合技术、智能巡检等技术手段形成一整套智慧化县级光伏开发方案，将整县分布式光伏的电网调控运行、监控管理、设备运维等过程全部实现物联网化和智慧化，实现地区资源的“可观可测可调可控”，提升整县光伏的运行管理维护水平。

关键词：分布式光伏；数据传输；智能运维；

前言：在习近平总书记提出的“2030年碳达峰，2060年碳中和”愿景的大背景下，“十四五”期间，能源行业将迎来转型的剧变期，能源企业积极响应国家能源结构转型政策，积极发展光伏发电项目，扩大光伏发电容量的占比，随着光伏发电装机数量的增加和光伏发电技术的更新发展，光伏发电基层企业对掌握光伏发电运行、检修技能的高素质人员的需求极为迫切。“整县推进”模式下，分布式光伏将大大提速。而分布式光伏项目布局分散，部分地区鼓励“一个试点一个业主”或“一县一企”开发项目，更加考验建设企业的整体调度、运维能力。综上种种挑战可知，整县光伏若要实现又好又快发展，从设计到运维每一个环节都不可忽视，而在整县推进模式下，单一环节的解决方案显然已不能满足开发企业的新需求。

整县屋顶分布式光伏开发试点工作对于推动能源革命有着重要作用。通过屋顶分布式光伏的开发，既能促进环境改善，推动电气化水平提升和用能方式清洁化转型，又可以获得额外的收益，还能推动配电网的智能化改造。在整县推进屋顶分布式光伏开发中，存在源网不协调问题，同时过于分散的光伏组件也会进一步提高后续监控运行及设备运维工作的难度和强度。本文旨在探讨整县分布式光伏项目的数据传输、智能运维、监控管理的建设，为分布式光伏项目提升整县光伏的运行管理维护水平提供理论和实践指导。

1.分布式光伏虚拟电厂构建

研究针对县级光伏需建设多端智能系统构建虚拟电厂的技术方法。通过研究各类数据接入手段和数据分析预测算法，根据虚拟电厂参与的运行场景、参与时长、相应价格等条件，分别对虚拟电厂的收益进行测算，以实现对虚拟电厂运行效益进行客观、全面的评价，从而提高参与电力市场的收益，形成一套整县光伏虚拟电厂构建的技术方案。

由于县级光伏的发电一致性较强，“好天全发、坏天全休”的特点较明显，其中用户的用能方式与光伏具有很强的协作性。通过研究电力用户的用能特点及可调节性，摸索电力用户和屋顶光伏所有方共赢的虚拟电厂建设及运营模式，并研究利用云平台、光功率预测等技术实现以分布式光伏为基础的虚拟电厂构建方案。

2.分布式光伏多源数据融合

研究利用网络及无线通信技术接入整县分布式光伏电站的运行数据、研究基于云平台的智能运行监控系统的技术方案。研究分布式光伏电站中各类设备的数据的传输和存储、运算和分析方法，形成数据层技术方案，并在此基础上通过研究地理信息系统或数据看板技术的特性，选取合理的数据实时展示方法，形成具有高收益、可运营、可管理、可演进特点的多源数据融合、分析和可视化的集成性信息融合技术方案。

3.分布式光伏智慧巡检

研究由多类型融合巡检无人机体系、云端智慧通信网络、云上智慧管理及故障诊断系统平台等关键技术，形成自动化、智能化、物联网化的分布式光伏智慧巡检技术方案。对架设在不同区域和地貌特征的光伏组件运维需求进行分析，论证单架次巡检工作量、气候情况、作业人员数量、整体运维工作强度等信息，对应选取合适的运维无人机硬件系统，并将各类无人机性能统一分析，形成适应各类场站运维的多类型巡检无人机体系建设方案。

通过使用地理信息系统或通信环境评估系统等手段，形成通信环境评估方法。通过定制化配置WiFi、L频段、4G/5G等通信手段研究基于通信网络架设技术的私有化云通信网络搭建方案，形成适应性价比最优方案配置方法。

通过研究图像识别技术、无人机远程控制技术、无人机航路自适应算法、私有云平台系统构建方法、数据融合交互技术等技术，形成建设具备快速高效的自动AI智慧故障诊断能力、多节点数据互通的云上数据交互及管理能力的云上智慧管理及故障诊断系统建设方案。

4.整县光伏集群安全分析及预警控制

能源系统的安全性关乎国计民生,也是能源系统实现经济高效运行的前提和约束。整县光伏集群系统相互作用机理复杂,综合安全问题突出。整县光伏集群安全分析及预警控制功能是确保光伏发电系统安全运行的重要手段。

一方面,需要建立类似于电网的“N-1”安全准则概念,通过对涵盖多种可调资源的预想故障集进行仿真分析,寻找系统薄弱环节,并针对性地做出预案。另一方面,关注交易关口的安全控制,包括关口的容量配置和运行成本,在优化设备投资建设的基础上,确保关口设备处于安全运行范围内。在整县光伏集群系统中,不同系统相互耦合并影响,某一部分的故障和扰动会影响到整县光伏系统的其他部分,有可能造成连锁反应。

5.整县光伏集群优化调度控制

整县光伏集群优化调度控制是实现光伏发电系统高效运行的核心功能,通过协同各种可调控资源,实现不同能源类型耦合互补与最优可调资源,达成可再生能源最大化消纳、降低运行成本、提高综合能效等目标, 从而最大化经济效益,为光伏发电服务商提供能源系统运行的整体解决方案。

整县光伏集群优化调度控制是面向系统运行全过程的动态调度控制,包括日前调度、日内调度和实时控制三个层次。在未来建设完善的能源市场和辅助服务市场的趋势下,整县光伏集群优化调度控制还需要在各过程中考虑纳入负荷侧需求响应。

6.光伏、储能系统、可控负荷与配电网的协调交互机理

整县光伏中负荷和光伏的波动是一种正常现象，但是极端天气、大用户负荷剧烈变化等极端情况下的波动则会对电网安全性等方面造成很大影响，整县光伏中部分出力可调的分布式电源，可以在主动跟踪负荷的条件下，及时调节出力，尽量平抑负荷波动，起到优化整县光伏运行状态的作用。在相对正常的负荷波动情况下，也可以利用分布式电源的可调能力，在减少高峰供电压力、提高配电设备资产利用效率等方面提高整县光伏的运行优化水平。

储能系统具有快速吞吐有功及无功功率的能力,利用储能系统与电力系统之间的快速有功/无功功率交换,可以有效抑制电压暂降、闪变等电压问题，有助于改善电网的功率平衡状况以及提高电力系统的运行稳定性。储能系统既可以协调分布式电源平抑整县光伏中的负荷波动，也可以利用自身的能量快速吞吐能力来消纳多余的分布式电源出力，在分布式电源容量确定且负荷一定的情况下，可以通过优化储能容量以使整县光伏达到较好的可靠性和经济性。利用有源整县光伏中的源荷储交互与协调特性，可以优化整县光伏运行状态，保障整县光伏安全稳定运行。

可调负荷资源是指可以通过一定价格信号或激励机制来主动改变自身用电行为、优化用电方式的用电负荷，可调负荷资源的有效利用可以有效支撑电网电力平衡、电网稳定运行以及促进电网优化运行。在用电环节中具有可转移、中断或削减负荷能力的各类电力用户，包括客户侧分布式电源（含储能设备）、电动汽车等都可以看作可调负荷资源。可调负荷资源对分布式电源的高效利用具有支撑作用。由于部分类型分布式能源的间歇性和不稳定性，大量接入配电系统条件下会对电网安全和经济运行等方面造成一定影响。利用可调负荷的负荷转移或削减能力，可以根据分布式电源出力预测情况和整县光伏运行情况，在分布式电源出力不足时转移或削减负荷以满足供需平衡，在分布式电源出力满发时转移或激励负荷以消纳多余的分布式能源，以满足系统安全性、经济性需要。针对县域整县光伏，分布式电源、储能系统、可控负荷与整县光伏的协调交互机理。

7.基于模型预测控制的整县光伏有功无功协调调度技术

模型预测控制（MPC）是一类基于模型的有限时域闭环控制最优控制算法。在每一个采样周期，以当前时刻的系统状态作为控制的初始状态，基于过程预测模型的未来状态或者预测结果，通过在线滚动求解一个有限时长的最优控制问题从而得到下一步的控制策略，使得未来输出与参考轨迹之间的偏差最小。MPC过程由模型预测、滚动优化和反馈校正三部分组成。以实现整县光伏安全性和经济性为目的，将多时间尺度MPC应用到整县光伏有功无功调控中，其调控过程包括短期MPC协调调度以及超短期MPC协调控制，不同时间尺度的MPC分别对应整县光伏的有功无功协调调度和实时协调控制，并利用MPC滚动优化和反馈校正对调控偏差进行修正。

现阶段国家处于整县光伏电网建设的阶段，随着分布式光伏在配电网中渗透率急剧增大，配电网运行面临着挑战。分布式光伏出力的间歇性、随机性和波动性使配电网运行控制呈现一个能源安全和经济交织的问题；一方面，整县光伏对配电网造成不利影响，另一方面，分布式光伏装机容量的高速增长加大了能源消纳压力，更可能为电压过高而诱发连锁脱网等情况，严重威胁系统稳定运行。

整县光伏主动能量管理是实现配电网-整县光伏集群协调运行的基本手段，它利用实时控制和通信技术实现更好地接入分布式电源。该系统将大量的分布式可控资源（如分布式光伏、负荷、储能、冷/热/气）有机结合，通过配套的调控技术，通信技术实现对分布式可控资源进行整合调控的载体，作为一个整体参与电网运行和电力市场。

通过融合能量流和信息流的整县光伏一体化系统，实现每个市/县、每个乡、每个家庭的分布式电站以及逆变器可视、可管、可控。通过整县光伏能量管理系统，可以实时监控和智能感知，全方位保障电站运行、资产、人员安全。通过构建整县光伏能量调度系统架构，从本质上提升整县光伏数智化运营基层服务能力，提高乡村电气化就地消纳水平，经济效益、环保效益、社会效益巨大。通过多层级的调度，使整县光伏调控具备全局性、自适应性，做到“送得出、受得进、落得下、稳得住、供得出”。通过整县光伏运行/运维一体化系统，可解决分布式光伏、终端逆变器运维、管理的重大问题，针对整县光伏具有小而微、杂而乱的特点，采用电气量、视频等多模态数据进行光伏运维，实现光伏/逆变器运行预警，降低运维成本、缩短周期、提高效率。

结语：着眼于当下碳达峰、碳中和的国家宏观战略目标，作为光伏开发的重要形式之一，整县光伏已经被提上议程。从2021年国家顶层文件来看，4月，在国家能源局《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知(征求意见稿)》中，明确要求积极推进分布式光伏发电的建设，结合乡村振兴战略启动“千乡万村沐光”行动；6月，国家能源局启动报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案。

从各地区公布的文件来看，山西、辽宁、福建、甘肃、湖北、河北等地涉及“一企包一县”、“每个试点确定一个业主”等相关内容。江西、浙江、河南明确提出鼓励大型能源企业、国企参与分布式光伏试点工作。另一方面，国家电投、国家能源集团、华电、大唐、水发集团等在内的央国企均已展开行动，全力投入整县光伏开发。通过技术手段形成一整套智慧化县级光伏运维体系，实现整县分布式光伏的智慧化运行是十分必要。