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泛在电力物联网支撑储能技术应用

北极星储能网  来源:中国储能网    2019/6/27 9:16:20  我要投稿  

北极星储能网讯:6月19—20日,“第三届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”期间,华南理工大学电力学院教授、电力经济与电力市场研究所所长陈皓勇分享了主题报告《泛在电力物联网支撑储能技术应用》,以下是演讲全文:

陈皓勇: 第一个演讲报告是我自己来做,因为最近泛在电力物联网很热,我就泛在电力物联网和储能结合应用的问题为大家做一个介绍。

我先介绍一下泛在电力物联网技术。泛在电力物联网是今年3月8号国家电网公司提出来的,其实在这个概念提出来之前我已经做了两年的研究,我在两年以前就讲了“电力泛在物联网”。我一直有一些思考,正好国家电网提出这个概念,所以可以说是“借壳上市”。我是支持这个概念的,它主要是指海量的数据接入电网和能源网里面,还有电力市场改革也引入了大量的新数据。

国家电网公司定义泛在电力物联网是能源互联网的一部分,能源互联网有各种定义,国家电网公司最新的定义是“坚强智能电网+泛在电力物联网”,能源互联网的概念是美国未来学家里夫金在《第三次工业革命》里面说的,它有这么几个特点:(1)以可再生能源为主要一次能源;(2)支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入;(3)基于互联网技术实现广域能源共享;(4)支持交通系统的电气化。

因为2015年能源互联网的概念热起来的时候我在美国,我就思考什么是能源互联网,我买了里夫金的原著,并写了一篇观点类文章发在“电力系统自动化”公众号上,我定义能源互联网是能源电力领域的共享经济模式,是在现有可再生能源发电与智能电网技术的基础上,进一步建立物联互联、信息互联与商业互联,这些观点还是很多学者所接受的。

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物理互联就是多能互补(综合能源系统)的技术,信息互联就是先进的信息通信技术,物联网技术也属于信息互联的一部分。另外电力市场机制、共享经济模式我称为商业互联。在能源互联网里,市场机制占很重要的作用,2015年中发9号文出台启动了新一轮电力体制改革。

对于综合能源系统,电、热、气等多种形式能源的互联,这个方面其实也属于储能的一个应用领域,因为储能不光可以储电,还可以储热,这个方面我也做了很多的工作,提出了“能量网络理论”,也是有一定的影响力,它实际上是个物理学的理论,这个我就不仔细讲了。

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在信息互联的层面,泛在电力物联网的概念出来后我就查找“泛在网”概念的最初来源,后来我找到江泽民总书记2008年在《上海交通大学学报》上发表的一篇文章《新时期我国信息技术产业的发展》,里面就提了泛在网。它来自于英语单词Ubiquitous Network,是能够实现人与人、人与物乃至物与物之间随时随地沟通的全新网络环境,而且很惊讶的是他预言泛在网将会像电网、管网一样成为通用型基础设施。这个正在逐渐变成现实,其实以后5G就是一个最典型的泛在网,5G网络可以同时支持人与人的连接,也支持物与物的连接。江总书记的那个文章里面给了一个图,从传感器网络到接入网络,到中间件到应用,正好对应于国网提出来的泛在电力物联网的四个层次,即从感知层(传感器网络),到网络层(接入网络),到平台层(中间件),然后到应用层,这个层次是很清晰的。

网络层分两个层次:一个是接入网络,一个是现有网络。狭义的物联网是从终端到接入网这一段,一般采用低功耗、广覆盖的无线通信技术,这个物联网关键技术我们国家还没有完全掌握芯片。我认为泛在电力物联网有个特别之处,从它的传感器、终端到网关接入,这段我们可以用电力线载波通信的方式,实现物端到网端的通信,所以电力物联网是可以做一些很独特的工作的。

在商业互联层面,中发[2015]9号文件启动了以“管住中间,放开两头”为目标的新一轮电力体制改革,它主要是让电网变成高速公路,让发、用两侧直接见面,自主确定电价和电量。

国网所定义的能源互联网等于坚强智能电网加泛在电力物联网,一个是一次系统,一个是二次系统,一个是发输配用的系统,一个是信息通讯的系统。泛在电力物联网就是实现数据和信息的泛在,关键在于基础数据连接的下沉,需要采集用户的电器数据,电力系统数据及智慧能源的新业务数据。

所以在坚强智能电网一次系统上叠加泛在电力物联网,两者融合形成一个信息物理系统。围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、通信技术,实现电力系统万物互联、人机交互,支撑对内业务和对外业务。对内业务就是电网企业本身的运营,对外业务可以提供一些数据服务,目前的电网只是个能量网,它实际上可以变成一个数据网的,电力数据尤其是用户侧电力数据,包含着大量的宝贵的有价值的信息,这是个金矿,但我们还没有挖掘出来。根据哈佛大学的研究结论,家里的用电数据和人的生理节律以及健康状况是有关系的,这个数据采集下来和医学结合也许就是个很大的健康产业,但是采集的数据必须精准,现在的电表数据是做不到这一点的,所以泛在电力物联网有很大的意义。

国网定义的泛在电力物联网包括四个层次:感知层、网络层、平台层和应用层。感知层就是终端的信息采集,网络层就是刚才讲的接入网和现有网络(回传网),还有平台层,最后是应用层。平台层是物联网的操作系统和网络管理等,在上面可以建立应用层。

现在的物联网技术有两类,一个是NB-IoT及LoRa为代表的低功耗广域网络技术,简称为LPWAN。我现在做的实验主要是基于LPWAN进行的,因为它很容易部署。第二个是现在很热门的5G技术,5G的核心是针对物联网应用场景,除了人与人的互联还要实现物与物的互联。低功耗广域物联网(LPWAN)技术的目标是实现低成本、低功耗、低速率、低频次、广覆盖,其实它跟手机的原理是类似的。但是手机有个问题,首先它天天要充电,我们物联网的终端是接在设备上,它应该可以几年不需充电。但是它又需要能有手机信号的传输距离(15到20公里),既要低功耗又要广覆盖这是矛盾的,低功耗信号必然会弱,但是它又要传输距离很远,这个芯片我们暂时还做不出来。

无线通信所需要的无线电频谱是有限的,需要科学地管理和使用,我国是由国家无线电监测中心负责无线电频谱管理。有些频谱是需要管理的,有些频谱是不管理的,都可以用于物联网技术,因此低功耗广域物联网技术分两类:一类是非授权频谱物联网技术,如LoRa技术;一类是授权频谱物联网技术,如NB-IoT技术。授权频谱物联网技术和我们的手机原理是一样的,是蜂窝式物联网,依赖于运营商,而非授权频谱可以自己去架设网络。

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另外就是5G技术,它分成几个应用场景,一个是大带宽高速率应用场景(eMBB),就是普通移动通信场景的进一步升级。第二个是大连接的场景(mMTC),第三个是低时延高可靠性的(uRLLC)。5G技术试图实现“一网打尽”,可算物联网的终极解决方案,成为未来信息化、智能化社会的基础,现在美国跟我们在5G方面激烈竞争就是这个原因。5G网络有个很重要的特点就是它是可以切片的,物理上是同一个网络,但是逻辑上可以切成几个相互独立的网络(如智慧城市网络、智能电网网络、远程控制网络等),每个网络可以单独使用,相当于专享了一个5G专网。在电力系统中,我们可以就生产控制区、管理区、用户服务区建立不同的5G的切片,实现数据隔离,保证信息安全。

物联网平台技术很重要,由于海量的物联网终端设备接入,需要对这些物联网终端节点进行管理,实现即插即用,这些都需要通过平台技术解决。

我现在讲讲储能。储能技术发展的大背景大家都知道,储能是这两年开始热起来的,它又分成物理形式和化学形式。此外,氢能利用和储氢也是这两年比较热的。在我们电力系统里面,传统的抽水蓄能也是储能,它是在电能和水的势能和动能之间相互转换,还有电池的储能,超级电容器,这些电化学储能方式大家就很清楚。储能发展现在有些问题,我认为核心技术和研发体系都不健全,另外运行数据也缺乏支撑。

储能行业发展最重要的问题是商业模式,目前商业模式还不是很明确,在广东储能可以配合火电厂参与调频,过去火电厂调频是靠国家电监会(国家能源局)的“两个细则”来进行管理的,达不到调频要求是要考核的。以后调频要建辅助服务市场,所以如果火电机组响应速度慢的话它的调频性能就跟不上,那么就需要电池来配合。储能分发电侧、电网侧和用户侧。刚才讲的调频就是发电侧储能的例子,电网侧储能可用于电网紧急电源的支持、缓解电力缺口等。现在我个人比较关注的是用户侧,也有企业与我合作。储能系统的作用不仅仅是存储能量,从我的角度,它是实现电力电量平衡的控制系统的关键元件,从这个角度来开发可能更有价值。简单讲,在用户侧,我们有很多不同的电价政策,这与电力市场有关,过去还有基本电费、电量电费,所有的相关电价政策都要充分利用起来。通过储能设备、分布式电源和用电负荷的调控,能够使得用户的收益最大,这也就是用户侧的能量管理,我认为这个是可以做到的,现在应该是达到了可以产业化的程度。

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最近国网提出“三站合一”的概念,城市变电站不光是做变电站用,它还做充放电站和数据中心,三站合一。它是以城市变电站为中心,建设集能源管控、能源服务为核心内容的城市能源枢纽站,集电力变电传输、充电服务、数据中心、电力展陈与观摩培训为一体的城市电力综合体。实现对区域内分布式能源储能系统的集中管控,这样就可以利用泛在电力物联网的技术,广泛接入供电辐射范围内的分布式发电、储能系统、充电桩、柔性负荷等运行信息。通过区域能源管控平台可以提高可再生能源的利用效率,实现多种复合能源高效、经济运行。“三站合一”模式依托同步建设数据中心提供公众数据信息服务。依托城市枢纽变电站重要能源物理节点,构建与枢纽变电站一体化建设的数据中心站。可以利用数据中心站富余软硬件为公众及事业单位提供数据信息云服务。

“三站合一”可以共享储能电池系统,因为变电站、数据中心站对供电可靠性的高要求,配置大容量却利用率比较低的蓄电池后备电源系统,结合充换电(储能)站的储能系统在能量流上实现资源共享,打造基于充换电(储能)站为后备电源系统的变电站、数据中心站“三站合一”共享储能新模式。

有人提出“多站融合”概念,这还处在概念阶段,是对“三站合一”的基础上进一步延伸和扩充,除了传统的三站以外还包括5G通信基站、北斗地基增强站和分布式新能源发电站、环境监测站等在内的信息通信和能源环境相关基础设施及系统平台,“多站融合”以提高资源利用效率、促进业务跨界融合为目标,具备开放共享、深度协同的资源和数据服务能力,实现融合化、高速化和效益化。我认为这个概念还是一个挺好的概念。

实现多站融合的运作,可以把物联网、边缘计算、人工智能、大数据、区块链等技术融合起来,开展统一的规划、统一的设计,进行特色化的建设。初期可以5G通信基站、边缘数据中心站、变换电(储能)站等,后期可以建立更加完善的分布式新能源站、北斗地基增强站等等。

另外是虚拟电厂,聚合优化“源、网、荷”清洁低碳发展的新一代智能控制技术及互动商业模式。它是在传统电网物理架构的基础上利用先进的调控技术和计量技术、通信技术,把各种分布式发电、分布式储能、可控负荷等不同类型的资源进行整合,实现优化运行控制,开展市场交易。在虚拟电厂中,储能是一个关键设备,是能提供很好的控制功能的关键设备。另外对这个虚拟电厂可以建立泛在电力物联网的感知层、网络层、应用层,对它进行管控。

另外就是电动汽车方面,我们所谓的车联网,实际上就是电动汽车的物联网,可以在它的基础上建立从感知层、网络层到应用层的泛在电力物联网,实现有序充电的服务,同时它也是与储能相关的。

现在探讨储能的典型商业模式,包括:分布式光伏+储能、中间商租赁、资源聚合商、用户侧独立储能等。储能技术的核心是实现不同能量网络的耦合,我认为它提供的是一个很好的控制性能。另外储能不光是储电还有储热、储冷,在综合能源中它们也是可以联系起来的。

最后总结一下泛在电力物联网和储能行业的发展趋势。一个是智慧能源新业务,泛在电力物联网可以用在分布式电源、储能、虚拟电厂上;第二个就是三站融合或者多站融合,在“三型两网”建设中储能是必不可少的一个环节。从储能行业的技术、政策、商业模式和企业发展等方面来看,我认为还是很有前景的,而且现在也正是爆发的时候。

我就讲这么多,谢谢大家。

原标题:华南理工陈皓勇:泛在电力物联网支撑储能技术应用

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