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【新华社】开展综合能源系统仿真平台与示范工程建设 推动3060双碳目标实现

供稿单位:      发布时间:2022-06-22     浏览次数:

实现“3060”双碳目标旨在控制和缩减化石能源消费量、增加可再生能源发电比例、提升整体能效水平。围绕“两高三低”目标(用能效率提高、供能可靠性提高、用能成本降低、碳排放降低和其他污染物排放降低),遵循 “横向多能互补、纵向源网荷储协调”,建设综合能源系统,发展综合能源服务,是转变能源粗放式发展模式、破解能源“不可能三角”和打好实现碳达峰碳中和这场硬仗的关键。

1.综合能源系统助力双碳目标

从能源供给侧看,推动城市级、区域级、园区级等不同规模的综合能源系统建设,可以推动大网、微能网及分布式等各级能源网络协调互联互通,有效整合风、光、水、天然气、煤炭等多类型能源资源,为集中式和分布式可再生能源有序接入提供了重要支撑,有效提升了可再生能源在生产端的结构占比,显著降低了能源生产过程中的碳排放。

从系统运行看,综合能源系统的运行可以有效打破异质能系统间在技术、体制机制等方面的壁垒,通过多元储能设备、能源转换设备等的应用,可以发挥异质能之间的联动特性,充分提升系统在时间和空间维度开展大尺度、大范围优化配置的能力,有效提升了能源系统的弹性,为可再生能源出力追踪、波动性平抑等提供重要支撑,保障可再生能源的安全高效消纳,有效降低了系统的碳排放。

从能源消费看,建设综合能源系统、拓展综合能源服务,可推动业态与消费模式创新,催生虚拟电厂、共享储能等多元化市场主体,发掘需求侧资源参与调峰调频辅助服务市场交易、购买绿色电力与绿证、开展节能技改等多样化需求,充分发挥和调动需求侧消纳可再生能源的潜力与积极性,提升可再生能源在消费端的结构占比,有效降低能源消费过程中的碳排放。

2.综合能源系统仿真平台开发

综合能源系统仿真平台开发是推动综合能源系统领域研究成果转化的重要理论基础与指导。为发挥综合能源系统对“3060”双碳目标的支撑作用,综合能源系统仿真平台的搭建需要涵盖综合能源系统耦合建模、综合能源系统规划优化建模、综合能源系统运行优化建模、综合能源市场交易仿真建模和综合能源系统综合效益评价建模5方面的功能。

2.1.综合能源系统耦合建模

综合能源系统耦合建模需要深入到设备组件层级,明确综合能源系统主要产能、传输、用能设备的能耗、排放模型。以设备内含工质的能质属性和耦合特性为建模边界,构建各独立、耦合设备的物理特性模型、经济性模型及碳排放模型,建立综合能源系统规划、运行仿真及效益评价的基础模型库。

2.2.综合能源系统规划优化

综合能源系统规划优化需要考虑系统平衡约束、容量约束、机组爬坡约束等基础约束条件,建立基于“源-网-荷-储”协调的综合能源系统规划优化模型,实现对规划方案的综合优选、决策,进而为在多种能源互补、多能源耦合传输、多元负荷响应及转化和多种储能技术条件下综合能源系统规划优化问题求解提供支撑。

2.3.综合能源系统运行优化

综合能源系统运行优化需要充分考虑电、气、热不同能量调度的时间尺度和物理特性差异,构建基于源侧多能互补、“源-网-荷” 协调互动的综合能源系统单目标或多目标运行优化模型,为综合能源系统各类工况下系统运行优化问题提供解决方案。

2.4.综合能源系统市场交易

综合能源系统市场交易应考虑我国传统能源市场的交易机制和监管要求,分析各类型能源在统一能源市场下交易的可能性,提出面向区域综合能源系统的中长期、日前、现货等市场交易框架机制,构建统一市场下的综合能源系统交易机制及仿真模型,实现交易场景的仿真与评估。

2.5.综合能源系统效益评价

综合能源系统效益评价需要综合考虑综合能源系统的物理效益、经济效益、环境效益及安全效益,涵盖分布式能源、中低压配电网、天然气网络、供热系统、供冷系统、储能等系统,结合社会用能对环境的影响和用户用能体验,建立“3E+S”的综合能源系统综合效益评价模型。其中,“3E”指的是能源子系统(Energy)、经济子系统(Economy)、环境子系统(Environment),“S”指的是能源系统的安全性(Safety)。能源系统、经济系统、环境系统相互作用、相互关联,而安全性是能源系统的基石。

3.综合能源系统示范工程建设

以综合能源系统仿真平台结果为理论指导,开展综合能源系统示范工程建设是实现综合能源系统相关理论成果落地应用、打造可供推广案例和助力综合能源系统有序发展的重要途径。本文以国家电网有限公司客服中心南方园区(以下简称“国网南方园区”)为例对综合能源示范工程建设进行介绍。

国网南方园区位于江苏省江宁区,园区配有“八大系统+一个平台”,包括地源热泵系统、冰蓄冷系统等以及能源互联网调控平台。针对国网南方园区存在的调度方法与运行参数不完善、不准确等问题,在满足用户负荷的前提下,以符合实际运行为标准,从运行优化方案设计和平台装置开发两方面入手推动示范工程落地,有效提高了园区能源利用效率和降低污染物排放水平。

↑国家电网有限公司客服中心南方园区综合能源系统示意图


3.1.运行优化方案设计

国网南方园区综合能源系统优化方案设计主要包括优化模式、优化目标、优化流程和优化算法四部分。

(1)优化模式设计

国网南方园区优化模式设计主要包括日前优化、循环优化、监测优化三个部分。其中,日前优化基于日前负荷预测数据优化园区次日各设备供能策略,输出各设备24小时的运行状态;循环优化是建立在日前优化基础上,根据实际负荷情况,每小时滚动校正日前优化结果;监测优化是对园区供能系统状态开展实时监测,当负荷波动或设备运行异常时可有效保障供能系统稳定运行。

(2)优化目标设计

国网南方园区综合能源系统运行优化目标设计充分发挥了综合能源系统“横向多能互补,纵向源网荷储协调”的特性,有效兼顾系统环保性、可靠性、经济性三大目标,为能源不可能三角的破解提供了重要参考。

(3)优化流程设计

国网南方园区综合能源系统运行优化总体流程主要包括资源分析、运行优化以及优化结果分析三个部分。其中,资源分析主要是通过建模和数据挖掘,掌握南方园区中设备与负荷的特性;运行优化是以安全、环保、经济为多目标,构建国网南方园区综合能源系统运行优化数学模型;结果分析则将从经济效益、环境效益、综合能效等维度对系统优化结果开展分析与评价。

(4)优化算法设计

国网南方园区优化方案中主要采用了基于量子旋转门的改进遗传算法,该方法结合量子计算与进化算法优势,以量子态特性为基础,不断更新量子旋转门来更新和优化种群,达到对多目标的平衡与函数的寻优,进而保障了多目标优化问题求解的准确性与高效性。

3.2.平台与装置开发

国网南方园区综合能源系统优化控制平台与装置研发主要包括系统优化及服务平台研发和分散控制装置研发两部分。

(1)系统优化及服务平台研发

系统优化及服务平台研发过程中始终以“运行优化”为核心、以“前期准备→功能部署→效果评估”为三维保障,将调度优化技术与实际需求充分结合,设计研发了包含负荷预测模块、调度优化方案模块、调度方案分析模块和基础参数设置模块4大功能的国网南方园区综合能源系统异质能流联动优化平台,实现了园区能源系统的智能管理、综合调控和经济低碳运行的目标。

(2)分散控制装置研发

国网南方园区综合能源系统控制装置采用了基于CPS技术的终端、通信、软件和应用四层次体系架构。其中,终端层包括用能、供能设备(分布式设备)和装置通信设备等;通信层主要包括各类常见通信协议;软件层包括综合能源系统异质能流联动仿真平台和综合能源系统异质能流联动服务管理平台;应用层面向客服不同服务主体提供各项服务。

3.3.示范工程运行成效

综合能源系统运行优化控制平台于2020年10月21日起正式在南网园区上线运行与调控,至今平稳高效运行两年有余,在环保性、安全性和经济性提升方面取得了显著成效。选取历年10月21日至次年9月30日的运行效果进行同比分析,对结果进行分析后可看出,经过综合能源系统运行优化及调控,与历史同期相比,2021年全年实现降碳1131吨,节约经济成本22.6万元,综合能效提升10.58%。

(CQ9能源互联网研究中心  曾鸣、许彦斌)

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