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ABB Ability配電系統智慧園區解決方案

眾所周知,人類的發展史其實就是一部能源發展史。第一次工業革命時使用的主要能源是煤炭和木材,而到了第二次工業革命時期,電力開始發展,并且奠定了如今的物質文化的發展。到1950年,經濟開始飛速發展,能源的使用率越來越高,新能源的比重也變得越來越大。根據全球主要國家對化石能源的依賴程度和主要使用程度分析,我國目前仍然是以煤炭為主要能源,而美國主要以天然氣為主,其他能源為輔。 而根據麥肯錫的分析,到2030年,中國傳統能源的使用會達到峰值,之后會緩慢向下回落,風能和太陽能等新能源會變成能源發展的主力。可喜的是,隨著技術的發展,預計到2022年太陽能發電的成本將會低于煤炭的發電成本,清潔能源將迎來更大的發展。

ABB中國電氣事業部系統產品市場部戰略經理曹捷

目前,我國的新能源的使用可以分為兩大類:一類是集中使用,比如我國西北的大型風場、太陽能電廠;另一種是分布式能源,就是在園區或城市里使用的太陽能發電和風光儲這樣的配置。如果把城市看成一個個的園區,可以想象,未來的園區一定是新能源園區。如果未來是新能源的園區,就會從客觀上改變現在的發電結構和電網的整體結構。隨著發電成本的不斷降低,我們預測新能源將得到廣泛使用,但是也會給園區的管理帶來非常多的挑戰,我們主要看以下三個挑戰:①園區規模很大,管理困難;②如何構建有效且經濟的能源管理模式;③如何定位和隔離新能源供電網絡中的故障。

不斷探索行業新技術的ABB,如今帶來整體解決方案。針對智慧園區的3大需求,ABB智慧園區解決方案從資產健康管理、高效智慧用能和安全穩定供電三個方面進行解決,助力未來園區的發展。

資產健康管理

在配網使用的電力設備一般以10 kV、400 V為主,傳統上使用這些設備時只會關注電流、電壓等參數,要了解其使用狀態,必須由人員到現場進行查看,成本非常高,而且并不能知道實時狀況。ABB Ability?設備資產健康管理解決方案(見圖1)通過將采集到開關設備的狀態,上傳到系統層面進行分析,就會對效率帶來非常大的提升。可以帶來三個明顯的反饋:一是設備量化的打分,二是健康狀態的評估,三是運營策略建議。分數是一個絕對的值,健康狀態是根據當前設備的使用年限和使用狀況給出的客觀分析:如果分數值比較低,還會給出運營的策略和評估建議,讓我們知道當前設備的狀態應該如何處理。

如何做到這一點?答案是算法模型。算法模型決定了采集什么信號。通過算法模型的分析,原來由人來進行的維護、監測,變成由算法來監測,算法不但能告訴我們設備當前的情況,還能給出運行建議,如果說以前需要較多人工,現在的人員主要是對算法給出的設備疑似狀態進行管理,管理成本將大大降低。

不過,需要建立合理而科學的模型并非易事。當前市面上的設備健康資產管理三個階段,第一階段是僅僅做數據采集,例如電流、電壓,很多廠家還會采集設備運行溫度、局放狀態或觸指咬合力、彈跳的情況,在數據采集階段能不能對效率進行提升?答案是不可能。因為僅僅根據數據不能判斷是不是在疑似故障狀態,也無法根據數據給出運行建議,目前市面上90%的廠家都處于這個階段。第二階段是達到了評估分析診斷,即根據數據采集到的情況給出分析結果。ABB在2014年達到了這一階段,即ABB智能專家系統,但此階段也只能實現有限的效率提升,只有達到了第三個階段,即根據分析的評估值,給出運維建議,才能做到全面提升設備管理水平。

然而,擁有算法只是開始,不斷的優化才是目標。如何做到持續而全面的效率提升是關鍵。首先是設備的資產健康管理,整體的運行算法結合在線設備診斷和離線設備診斷。由整體算法的評估會得到判斷的結果值,這個值即給出的運行建議,人員可能照著運行建議去維護,維護的結果有兩種:一個是達到維護結果目標,重新運行后評估分數上升,證明此前給出的運維建議是對的,卷積算法將會向這個方向繼續調高可靠率。如果算法是錯的,比如判斷情況是咬合力的問題,但其實不是,維修人員依然會把結果輸入到算法里,卷積算法會根據分析的結果給出評判,比如某些判斷值的準確度調的過高了,需要調低一點,這樣隨著算法的不停滾動,不斷成長,算法模型的可靠性會越來越高。

高效智慧用能

未來的園區會有非常多的新能源接入,太陽能和風能是清潔能源,同時也是不穩定的能源,如何能夠達到穩定的發電狀態,同時實現經濟效益最大的配置呢?必須具備兩個功能,一是可以對能源負載進行預測,二是能夠對其使用進行有效地調配。例如,知道未來的負荷可能會上升,就可以根據當前的日照水平和時間,計算出儲能儲備的最優建議,經濟效益就會達到最高。

在風、光、儲中,其實儲能起到一個調節作用,幫助我們平衡能量的匹配優化。但是,儲能的成本太高,怎樣降低儲能的使用,同時還可以達到最優化的使用?現在提出的技術是虛擬電廠。例如,一幢辦公大樓中的中央空調使用功率是100MW,如果預估太陽能負載要上升,儲能也不是很充足,這時候讓空調反向釋放20MW的能量,就可以大大緩解儲能電池的使用,同時還可以繼續使用太陽能給儲能充電,達到最優的經濟效益。當然隨著空調能源的使用降低,制冷量就降低了,這時候可以繼續預測能源的情況,再決定是否把空調能源補回來。通過這種反向能源的使用,也可以使整個園區的能源使用變得更加經濟,但是核心是如何在園區里控制能源的使用配比。為此,我們需要一個和電力電網聯動的系統,這個系統既能控制太陽能和儲能的使用,也會控制空調的反向能源釋放。這個系統就是A B B zenon,通過ABB zenon可以達到最優化的配比,如圖2所示。

在圖3所示的新能源園區中,ABB zenon通過對電網穩定的消耗和對新能源的使用,達到能源最優化的配比,再加上資產健康管理,實現最優的管理效率。傳統的電力系統是以人為中心的,當遇到多個能源平臺的時候,協調不同能源平臺的也是人。但是ABB zenon可以在底層把這些數據打通,不再需要人來協調,而是通過系統來平衡系統,這就達到了效率的極大提升。例如在當前電網供電的情況下,如果資產健康管理報出了設備故障,而能源負載率又在上升,這時候人很難發現兩個報警有什么關聯,從而無法給出比較好的分析和建議。而在ABB zenon系統中很容易就能做到在設備還沒有報警時就及時發現并處理。所以關聯之后,原來以人為中心的協調處理平臺就會變成以數據自動處理為中心的平臺,人只作為決策層,這將極大的提升管理效率。

安全穩定供電

提到安全穩定供電就需要介紹一下IEC61850。IEC61850從2004年開始使用到現在已經有16年的歷史,給我們帶來了很大的變化,我們可以提供可靠高效、兼容、廣泛連接和方便管理的系統方案。ABB作為IEC61850的發起者和主要倡導者,在具備這些優點的情況下,還有三個額外的優勢,就是自我診斷、預警機制和軟件化。

如果可以將園區里的中、低壓設備通過IEC61850形成數字化的連接,原來判斷故障的方式就會發生根本性的變化。在圖4所示的數字化保護方案系統中,原本出現故障時,判斷故障的設備是其回路所在的保護裝置,簡而言之,在IEC61850使用之前,保護是單獨存在的,它們之間的關系是既定的,用定值和延時的方式來確定究竟由哪個裝置切除故障。隨著IEC61850的使用,判斷出故障之后,流過所有電流點的裝置都能向對各臺繼保發送數據,整個過程3 ms。也就是說,故障出現之后的3 ms內,所有跟故障相關的裝置都能得到其本身和周邊所有裝置對這個故障的反映數據,根據這些數據可以判斷出故障究竟在哪里,什么設備動作可以做到快速切除故障,這個網絡就是數字化神經網絡。

數字化神經網絡帶來的好處是:①最快的情況下可以在38 ms內判斷故障在哪里并且切除故障,與現在速度最快的差動保護相當。例如通過線路差動保護方案時,解除故障的時間是28 ms,如果使用數字化保護在保護的時效性基本一致的情況下成本將大大降低,也就是說如果使用IEC61850神經網絡,在不增加成本的情況下就可以做到和差動保護同一個級別;②全站無延時,不管網絡多么復雜,都不會增加延時;③可以支持任何復雜接線,只要能判斷出周邊有邏輯關系的設備,互相分享信息;④可以實現軟件化和自我監測。因為神經網絡的數據是互相分享的,通過軟件的管理就可以達到原來人無法觸及的層面,原來的二次回路非常復雜,現在通過軟件可實現很好的管理。

在此基礎上,基于神經網絡,首先可以做到對故障的快速定位;其次可以通過分布式智能方式實現快速切除故障,快速穩定故障,同時實現自愈的網絡;再者可以用數字化的弧光保護形成對于系統的穩定保護。

結束語

隨著國家對新能源和增量配網的持續投入,新能源園區的發展已經是全行業的熱點。為了解決園區新能源和傳統供電存在的問題,ABB中國配電系統業務單元提出了智能園區解決方案,其所帶來的價值就在于可以用更低的成本為園區用戶實現更高的價值,可以幫助園區實現用能效率的提升,管理模式的轉變,解決實際困難。

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