宋振辉，马丛淦*，王钊
（1.国网北京市电力公司，北京 100031；
2.国网北京电科院，北京 100075）
2021 年10 月24 日，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》，明确提出“十四五”期间加快新型电力系统构建、调整优化产业结构和能源结构、提升重点行业能源利用效率等碳达峰主要目标［1］。2022年10 月，北京市政府发布《北京市碳达峰实施方案》，进一步明确提前布局新能源利用、智慧能源互联网、新能源汽车等重点领域的技术研发，建设具有国际影响力和区域辐射力的绿色技术创新中心［2］。
随着传统能源的日益枯竭、气候环境的要求和新能源的快速发展，世界能源系统正在发生巨大变革，以多种能源之间的转化和互联为主要形式的能源互联网正在成为能源发展的新方向，推动能源新业态的产生与发展，传统的能源体系已经无法满足新工业革命提出的新要求，能源体系的网络化、智能化势在必行。“能源互联网”概念的提出符合时代发展需求，符合国家碳达峰、碳中和的目标，对能源互联网的研究以及能源互联网与工业界的深度融合也是新工业革命成功的必经之路。虚拟电厂可以聚合其绑定的具备负荷调节能力的市场化电力用户（包括电动汽车、可调节负荷、可中断负荷等），作为一个整体（呈现为负荷状态）组建成虚拟电厂，对外提供负荷侧灵活响应调节服务，可作为能源互联网新工业革命的重要场景和重要应用［3］。基于虚拟电厂技术的特殊性，对其系统内部进行态势感知就显得尤为必要。“源网荷储一体化”虚拟电厂：指列入“源网荷储一体化”试点项目，建成后新能源、用户及配套储能项目通过虚拟电厂一体化聚合，作为独立市场主体参与电力市场，原则上不占用系统调峰能力，具备自主调峰、调节能力，并可以为公共电网提供调节服务。在技术要求方面，虚拟电厂可基于省级智慧能源综合服务平台建设技术支持系统，也可以独立建设技术支持系统，但应接入省级智慧能源综合服务平台［3］。
文中实例阐述了社区级虚拟电厂系统态势觉察技术，并在实例工程基础上建立了社区级虚拟电厂系统［4］。
1.1 态势觉察的重要意义
觉察检测和获取环境中的重要信息或元素，获取信息的主要渠道是根据不同的控制需求和电网的实际运行情况合理配置量测。该阶段主要是对电网运行中的一些有效信息进行捕获，这也是态势感知中首要的一步，不容忽视［4］。
1.2 态势觉察技术的主要方法
态势觉察是根据电力系统分析和控制的需求合理配置量测，以获取所需要的数据。态势觉察关键技术主要包括：（1）提高可观测性的量测优化配置技术；
（2）电源管理单元（PMU）优化配置及数据应用技术；
（3）高级量测体系构建技术。电力系统现有方法中，光伏智能边缘终端是实现光伏电站低碳经济运行的智能运营管理设备。然而，在一个光伏电站安装一个智能终端的成本相对较高。文献［5］在保证经济性、可靠性的前提下实现多个分布式光伏电站共享一个智能终端的目标，提出了一种光伏智能边缘终端优化配置的方法，考虑优化配置的经济性和可靠性，建立了2 层优化模型并提出了一种改进的自适应遗传算法和灰狼优化算法进行模型求解。基于以往对光伏智能边缘终端的研究，在其优化配置模型中考虑终端设备故障的不确定性，分析故障不确定性对终端规划的可靠性与经济性等方面的影响，文献［6］提出一种新的光伏智能边缘终端优化配置方法并提出一种改进的Harris Hawk优化（IHHO）来求解非线性数学模型。案例研究是在不同的问题规模、边界和设备参数下进行的。为发现潜藏在运维数据中的重大浪费问题，态势觉察提出一种基于相似日、蝙蝠算法与小波神经网络（BA-WNN）相结合的分布式光伏数据虚拟采集方法，实现在同一区域内仅一座分布式光伏电站安装完备的数据采集装置、其他分布式光伏电站安装价格较低的电流采集终端的场景下，完成区域范围内所有电站运维数据的虚拟采集，并验证了所提方法的可行性与有效性，为减少物质能源消耗提供了技术支撑。文献［7］提出一种基于改进自动编码器（IAE）的变压器故障数据增强方法，不仅改进了变压器故障数据生成策略，同时构建改进的卷积神经网络（ICNN）作为故障诊断的分类器，对于随机过采样算法、合成少数类过采样技术及自动编码器等传统的数据增强方法，IAE 能同时兼顾数据的分布和多样性特征，生成的变压器故障数据对分类器的性能提升效果最好。针对新型电力系统数据海量、高维度、多源异构等特点，文献［8］提出一种大数据存储的3层管理框架设计方案。首先对数据组成进行分类划分；
然后提出数据存储的资源层、元数据层和实际数据层的3 层管理框架，在资源管理层应用虚拟化技术、负载均衡和资源调度完成对物理资源的管理。提高用户用能管理水平、提升用户用能的服务质量，是智能用电的主要目标，因此探讨了智能用电条件下用户用能服务管理平台的建设，分析了当前智能用电体系下用户用能管理的不足和发展瓶颈。文献［9］从软件安全和信息安全方面阐述了平台的安全部署，介绍了国家有关节能补贴政策，基于此分析了用户用能管理服务推广所需的外部政策环境。文献［10］结合配电网规划投资决策的特点，提出采用大数据图谱的配网数据管理模式以适应态势感知驱动的投资决策体系，设计了面向大数据图及态势感知驱动的配电网规划投资决策体系架构。
1.3 基于社区级虚拟电厂的态势觉察技术
相关研究针对态势觉察技术的核心就是根据不同的实际需求，兼顾电力系统实际运行情况，综合考虑状态估计精度、可观性、可靠性、经济性、鲁棒性和信息安全等多影响因素，实现量测和控制终端的优化配置和规划，通过多类设备的混合配置，实现量测的灵活配置和方便部署，建设强健有效的量测和控制系统，但是对社区级虚拟电厂态势觉察技术涉及较少［11-20］。为了更好地支撑新型电力系统中万物互联和全面感知，实现电网状态、设备状态、交易状态、管理状态的全面透明，大幅提升电力系统发、输、变、配、用各环节的运行效率和安全水平，对于新型电力系统社区级虚拟电厂的态势觉察系统建设就显得尤为必要，在本文中主要结合实际系统介绍社区级态势感知系统实例建设。
1.4 态势感知技术与电力市场的对接
态势感知技术通过本地组网以及互联网可实现将楼宇负荷等重要资源聚合为虚拟电厂资源，对接电网供应能力和电力市场价格信号，建立需求侧响应和市场交易业务模型，参与电力需求侧响应和市场交易等新业务，优化能源负荷的调度，对电力市场的复杂性、时效性、不确定性等因素具有更好的适应能力，最终实现楼宇负荷与电网的友好互动，保障电网安全稳定运行。
2.1 总体架构
社区级态势感知系统总体架构按照统一规划、统一技术规范、统一共享数据和接口规范、统一业务展现的要求进行方案设计。按照系统统一设计的思想和软件工程规范、安装工程规范，采用当今最新的计算机技术、数据库技术、中间件技术、组件技术、分布式对象技术、Java 技术等，按照跨平台设计、功能分层分块实现、严密的数据安全管理机制、面向对象的软件开发、支持分布式系统以及良好的可伸缩性和扩展性等的要求，满足对电力需求侧用户多类型负荷数据采集、运行监测、需求响应、智能调控等需求。方案总体架构如图1所示。
图1 建设总体架构Fig.1 Overall structure
方案总体架构分为终端层（端）、边缘计算层（边）、传输及本地管理层（管）和云应用层（云）。
2.1.1 终端层
通过监测模块、传感模块、控制模块、组件接入、其他系统接入等实现电力需求侧用户主要设备负荷、用电量、温湿度、设备运行参数等数据的实时上传，实现对各用能系统的全面感知与控制动作。终端层不单指各用能设备，也指用户侧的各下位系统。
本项目终端层包括用电监测模块，用于配电室、空调设备和充电桩的用电监测；
电能质量监测模块，用于2台变压器出线侧电能质量监测；
母线测温模块，用于2台变压器出线侧母线温度监测；
高清摄像头，用于配电室视频监控；
各类传感模块，用于配电室环境、空调水系统和室内环境的监测；
水泵智能控制模块，用于空调水泵的控制执行；
能量监测模块，用于空调系统冷热量监测；
分体空调控制模块，用于分体空调控制执行；
路灯控制模块，用于路灯及景观照明的控制执行；
照明控制面板模块、智能插座模块、场景控制模块、智能主机模块等，用于智能办公会议的照明和插座控制执行；
光伏组件及逆变器组件等，用于光伏系统变流发电及数据监测。
2.1.2 边缘计算层
边缘计算层是网络边缘的分布式智能组件，通过能效优化模块实现终端层的采集、感知、解析与决策，并通过4G无线网络或有线专网等形式与上级平台实现的实时互动，就地或就近提供智能决策和服务，满足不同应用场景的调控需求。
本项目边缘计算层主要指能效优化模块，分别安装于监测组件，用于配电室、充电桩、光伏系统、空调系统和智能办公会议系统数据采集、协议解析、数据汇集及处理、控制策略下发和反馈等。
2.1.3 传输及本地管理层
传输及本地管理层是“端”和“云”之间的数据传输通道，数据通过软件定义网络架构实现多种通信方式融合的网络资源综合管理与灵活调度，满足能源互联网业务灵活、高效、可靠、多样的基于网际互联协议（IP）的通信接入需求。数据可以通过本地管理系统进行汇集再与上级云管理平台进行互动，也可以直接通过“边”进行汇集与上级云管理平台进行互动。
本项目传输层包括网线、光纤以及物联网卡，本地传输采用基于传输控制协议/网际协议（TCP/IP）的数据网络，对云端传输采用消息队列遥测传输（MQTT）协议；
本地管理层指信息物理系统（CPS）楼宇用能优化展示系统，功能主要为前置系统数据汇集及展示、能源数据实时监测、各系统优化控制以及本地需求响应执行等。
2.1.4 云应用层
云端主要指北京综合能源服务平台，提供负荷实时监测、负荷潜力预测、调控策略制定、需求响应执行等微服务。支持海量设备接入管理、高速数据处理和空调资源可视化管理。结合大数据挖掘技术，利用边端、云边组件协同控制，提升多能源系统的柔性调控能力。
本项目云应用层主要包括本地CPS用能优化展示系统与综合能源服务平台的接口开发。
2.2 示范项目
2.2.1 配电监测系统建设整体供电为双路供电进入配电室，配电室位于宿舍楼一层，配电室容量为2台1 250 kW变压器，变压器下带各用电回路，该配电室同时还为旁边松秀园度假村提供用电，目前无监测模块和配电监测系统。本次建设配电监测系统仅对北京怀柔某园区各用电回路进行采集监测。配电室智能化建设包含多种采集模块和传感模块，具体包括智能采集组件、环境监测组件、探测类组件、视频监控组件等。本项目主要是在现有配电室基础上进行用电监测模块的安装，并增加部分环境监测模块，实现配电室监控和环境监控功能，达到辅助无人值守目的。在配电室内部署配电监测组件1 套，监测组件通过网线接入本地CPS楼宇用能优化系统主控组件。
2.2.2 空调态势感知系统建设
2.2.2.1 冷源优化控制
中央空调冷源采用7 台模块式风冷冷水机组，出厂日期为2019 年4 月，单台制冷量为138 kW、制冷功率44.5 kW，机组目前采用控制面板进行控制，设定好回水温度后自动运行，回水设定13 ℃，控制面板不具备通信功能。机组在冬季可辅助供暖。将#1 机组控制主板进行通信对接，通过RS485 总线将机组运行数据接入中央空调优化控制组件，对机组厂商通信协议进行开发，实现机组参数的读取与控制，实施基于机组性能曲线的加载/卸载台数运行优化控制和温度控制。制冷机的最高效率点通常在全部负荷最大容量的80%～90%范围内，该措施将根据实际的冷负荷，改变制冷回水温度、加载/卸载机组运行台数，实现机组运行效率的最优化。
2.2.2.2 输配优化控制
中央空调输配采用3台冷冻水循环泵。对其中2 台冷冻水循环泵作变频控制改造，利用水泵智能控制模块替换现有水泵启动柜，水泵电源经水泵智能控制柜后接入水泵，将智能控制模块安装在1 台容量为22 kW 的水泵中，可采用温度控制的变频策略，通过温差变化调节冷冻系统流量，使冷冻水温差稳定在5 ℃左右。在制冷机房内配置1 套中央空调优化控制组件，优化控制组件通过网线接入本地CPS楼宇用能优化系统主控组件。
2.2.2.3 分体空调优化控制
示范项目除#1 和#3 楼外，制冷均采用分体空调，分体空调约170台。采用插座式空调控制模块，同时配套温度模块和无线模块等，实现自动监测环境温度并对分体空调进行控制，同时控制模块还可以学习现有空调红外遥控器的控制编码，模拟遥控器实现对空调的遥控，控制模块可计量对应空调的电量和功率。对分体空调的控制模式包括如下几种。
（1）温度控制。室内温度达到国家规定要求（夏季最低温度不低于26 ℃，冬季最高温度不高于18 ℃），通过自动化控制空调的开和关，使室内温度变化最小，提高人体舒适度，同时杜绝随意使用空调，在不该使用空调的季节里，不允许开启空调，温度参数的设定可根据需求自行设定。
（2）时段控制。满足办公规律设置多个时段，尽量避免中午或晚上无人情况下，由于人为因素导致的空调空运行。
（3）空调控制模块具有学习功能，将被控空调的遥控信号进行储存，当室内温度超过国家规定标准时，自动控制空调的温度，使用方便，又能节电。
2.2.3 路灯景观照明感知系统
有1套路灯及景观照明系统通过配电室内的控制系统对路灯及景观照明进行远程控制及定时开关控制。在其中3个控制箱内安装了本地时间控制器，每个时间控制器控制2个照明回路，通过设定时间段自动运行。将现有本地时间控制器更换为1套智能路灯控制组件，4G智能路灯控制模块集手动控制、自动控制、远程控制、定时控制、扩展功能、智能化网关等功能于一身，考虑到后期监控扩展的需求，配置4 路输入/3 路输出控制模块。控制模块安装于3 个景观照明控制箱内，通过4G 网络与本地CPS 楼宇用能优化展示系统通信，通过物联网技术手段提高本项目路灯景观照明管理的信息化、精细化、智能化水平，实现远程控制路灯照明开关、实时反馈开关状态、远程设置工作参数，支持每日循环、每周循环、节假日以及各种时控机制的逻辑组合，支持全夜灯、半夜灯、临时开灯模式等。
2.2.4 充电桩监控感知系统
在现有充电桩配电柜内部署1套充电桩优化控制组件，控制组件采用4G网络与本地CPS楼宇用能优化系统主控组件通信，对充电桩的用电情况进行实时监测，通过监测数据在本地CPS 楼宇用能优化管理系统实现基线绘制、实时负荷监测等。本地CPS 楼宇用能优化展示系统与充电桩的互动，获取充电桩充电状态及充电运行数据，使充电桩成为可调负荷资源，基于用户充电需求、上级调峰指令、充电设施运行状态等，计算得出具体的调控策略，实现对充电桩负荷的实时准确调控。充电桩监控系统部署内容包括10个用电采集控制终端和1个CPS采控一体箱。
2.2.5 智能办公会议感知系统
在示范项目会议楼内选取3层的会议室进行智能办公会议系统的建设，通过智能办公系统实现室内环境监测、智能照明和能效管理。可对室内环境的状态进行实时监测，可根据室内是否存在人员进行照明细节管理，还可通过系统对各类设施点进行能耗统计、节能量统计和能效测评。
（1）智能环境。全面感知办公环境，定时延时开关任务，区域性调控空调、灯光、窗帘、饮水机、加湿器、净化器等设备。
（2）智慧能源。实时监测、统计区域内设备状态及耗电情况，判断设备是否正常，能耗是否超标，合理调整设备运行工况，减少能源消耗。
（3）智能安全。拥有各种传感器，可以准确快速判断突发问题发生的区域，完成基本处理，同时迅速通知相关人员，避免损失扩大。
（4）智能管理。全面及时了解每一区域工作状况，可通过本地CPS 楼宇用能优化管理系统随时管理，让办公会议场所的使用更有序、智能、高效。会议楼3层有6个会议室，对其中5个会议室进行智能化改造，部署1套办公会议优化控制组件，控制组件通过光纤接入本地CPS 楼宇用能优化系统主控组件。
2.2.6 新能源发电感知系统
项目由于不能安装屋顶及地面光伏发电系统，为了展示新能源利用元素，在客房楼屋顶区域进行光伏建筑一体化集成示范，在楼屋顶选定区域采用柔性薄膜组件敷设于屋顶表面，进行建筑一体化光伏发电。光伏组件经组串、汇流后，经逆变器将直流电转换成与电网同电压、频率的交流电后，并入配电室内变压器低压侧，供用户使用。采用带背胶的柔性薄膜组件直接粘贴在屋面上，柔性薄膜组件铺装数量为60 块，装机容量约为7 kWp。柔性薄膜组件分为2 串，20 块串联为1 串和40 块串联为1 串，接入1 台10 kW 并网逆变器，逆变器出1 根380 V 交流电缆接入隔离变压器，变压器出线接入汇流箱，汇流箱就近接入地下一层配电室室内。通信部分接入光伏逆变器，逆变器通过RS485 总线接入CPS采控一体箱，组件通过光纤接入本地虚拟电厂态势感知系统主控组件。在示范项目建设10 个光伏发电座椅，除满足人员休息使用外，光伏发电座椅能够使用太阳能发电，并配备小型三元锂电池，提供Wifi 连接、蓝牙音乐、灯光感应、不间断电源（UPS）充电、无线充电等功能。
2.2.7 可视化展示系统
在示范项目综合楼大厅内部署1套可视化展示组件，用以展示CPS楼宇用能优化项目建设成果，方便进行宣传。可视化展示系统进行定制化开发，采用最先进的页面开发工具，主要以3D效果展示园区的各项参数和图形，在保证功能的前提下，尽量做到美观，满足宣传展示的需求。页面展示项目背景、技术原理、主要参数等，同时显示CPS 各系统的实时状态，以及可再生能源使用比例和调控效果等。可视化图像处理模块通过光纤接入本地CPS楼宇用能优化展示系统。
3.1 数据采集总览
建筑基本信息包括建筑名称、建筑地理位置、建筑层数、建筑总面积、能耗经济指标。能源系统信息包括各设备生产厂商、投运日期、设备型号、设备参数等。用能参数包括电量、功率、电压/电流、功率因数、谐波、冷/热量等，根据系统要求对建筑用电、空调能量、空调用电、各设备分别用电参数等进行采集。空调参数采集即对空调冷冻水系统供回水温度、压力、流量等参数的采集。环境参数采集即对典型房间室内温湿度、室外环境温湿度采集。充电桩系统采集即对充电桩充电电量/功率、充电次数等的采集。光伏系统采集即对光伏发电量/功率等的采集。
展示示范项目整体能源情况，包括建筑面积、终端数量、设备数量等基础信息，能源累计值和实时值、各系统能源出力及使用情况等基本信息，项目整体实时负荷曲线、各系统负荷曲线和室外温湿度曲线，以及需求响应和调控效果的结果信息。
3.2 系统监测告警
系统监测分能源系统包括空调优化控制子系统、路灯景观照明监控子系统、配电监控子系统、充电桩监控子系统、光伏发电子系统、智能办公会议子系统。
（1）空调优化控制子系统监测页面以示范项目中央空调系统流程图为主进行展示，展示图块与现场设备数量、样式等保持一致，同时展示上级变压器和本地设备的实时负荷情况，可以看到系统实时运行的用电、用冷、机组供回水温度、系统供回水温度压力、室外温湿度、能效比（COP）以及其他可采集的参数。分体空调页面以建筑2D平面图为主，在平面图中展示各分体空调的运行状态和室内温度。
（2）路灯景观照明监控子系统监测页面以园区平面图为主，在平面图中标注出各路灯、景观灯的位置，通过现有路灯照明控制系统获取数据，可以实时看到各照明回路开关状态。
（3）配电监控子系统监测页面以示范项目配电系统为主进行展示，可以看到配电室各变压器实时总负荷、三相参数以及谐波含量等，告警位置有相应的警示，点击可进入告警分析页面。
（4）充电桩监控子系统监测页面用来展示充电桩运行状态并对充电行为进行统计。
（5）光伏发电子系统监测页面用来展示光伏系统实时发电量及累计发电量。
监控告警具备实时捕获电压、电流、负荷、频率、功率因数、电量等用能指标的异常情况，以及主要设备故障信息的功能，并将异常信息进行展示和告警。用户可以通过此功能查看异常用能情况，了解异常用能产生的时间、地点等级等信息。
3.3 查询分析
实现对示范项目各系统各用能指标数据进行全方位、多维度、多角度的查询分析，并采用数据挖掘技术分析系统运行特点，找出运行中可能存在的问题。
3.3.1 综合查询
综合查询是对能耗进行统计和分析。按时、日、月、年不同时段，或不同设备对能耗数据进行统计。分析能耗总量、空调系统能耗占比、各设备能耗在空调能耗中占比、光伏系统出力等，标准煤转换，以及历史趋势，同期对比能源数据等之后，自动生成实时曲线、历史曲线、预测曲线，为技术节能提供数据分析，并预测能耗趋势。
3.3.2 负荷分析
负荷分析是基于负荷、无功功率、功率因数、电压、电流等用电历史数据，对用能设备进行多时间维度（日/月/年）的统计分析，并计算出设备的负荷平均值、最大值、最小值，反应整体的负荷情况、楼宇的负荷情况和用电设备的负荷情况以及它们之间的平衡关系。
3.3.3 能效分析
能效分析是对示范项目电量、负荷的监测，结合环境温度综合分析，直观展示环境温度曲线，体现空调系统效率、光伏系统效率等，帮助加强空调系统和光伏系统的运行管理，出具系统模型和优化建议，改善并促进系统优化运行。
3.4 需求响应
根据监测的负荷情况以及用户运行情况计算出可调负荷量，将可调负荷量上报至综合能源服务平台，在综合能源服务平台下达响应事件时进行响应并执行，将响应过程及结果进行反馈。策略执行时先在策略验证界面中进行测试验证，需求响应策略验证可调负荷量，验证完后进行策略发布，发布后在页面中展示响应过程，并能够分析每一次所执行的调控策略，且可直观地看到执行策略后的效果。需求响应调控可展示调控前后负荷差异、执行时间、对室内温湿度有无影响等。
本项目通过楼宇设备级、系统级等角度建立了一套完善的社区级虚拟电厂态势感知系统，可以有效地增强楼宇空调系统精准感知预判。通过建立楼宇CPS 能源管理体系、用能精细化控制及空调负荷精准控制模型，提升了楼宇管理能效、空调运行等节能管理能力。项目采用先进的通信技术、传感量测技术、智能决策技术实现大规模用户的实时在线管理，构建了相对独立的基于CPS 架构的商业楼宇精细化用能和空调负荷精准控制的态势感知系统，为电网调度手段提供了有益补充。项目围绕不同类型楼宇的设备组成和用能需求，依托泛在电力物联网手段，基于不同楼宇的量测体系建设，围绕能效提升、需求响应、配电运维、智能用电等需求，通过楼宇运行数据的各种对比对标分析，优化和指导用户的各用电系统运行。对楼宇能源管理全生命周期监控，指导楼宇用户用能设备的运检和维护，对楼宇空调运行效率和用能设备运行状态的分析，给出用户节能潜力分析建议，指导用户日常管理节能。项目深挖需求侧资源潜力，为电网供需平衡提供有力保障，促进资源优化配置，发挥了柔性精准负荷控制形成的“虚拟电厂”作用，有效挖掘了需求侧资源潜力，协调解决快速发展造成的电网供需不平衡矛盾和大电网安全风险，有利于可再生能源的接纳，提高区域电网清洁能源占比，为电力资源的合理调配和电力结构的优化调整提供了技术支撑。在下一步工作中将进一步综合考虑多场景能源融入场景，扩展系统应用范围。
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