电气时代网 电气时代网 电气时代网

ABB Ability配电系统智慧园区解决方案

众所周知,人类的发展史其实就是一部能源发展史。第一次工业革命时使用的主要能源是煤炭和木材,而到了第二次工业革命时期,电力开始发展,并且奠定了如今的物质文化的发展。到1950年,经济开始飞速发展,能源的使用率越来越高,新能源的比重也变得越来越大。根据全球主要国家对化石能源的依赖程度和主要使用程度分析,我国目前仍然是以煤炭为主要能源,而美国主要以天然气为主,其他能源为辅。 而根据麦肯锡的分析,到2030年,中国传统能源的使用会达到峰值,之后会缓慢向下回落,风能和太阳能等新能源会变成能源发展的主力。可喜的是,随着技术的发展,预计到2022年太阳能发电的成本将会低于煤炭的发电成本,清洁能源将迎来更大的发展。

ABB中国电气事业部系统产品市场部战略经理曹捷

目前,我国的新能源的使用可以分为两大类:一类是集中使用,比如我国西北的大型风场、太阳能电厂;另一种是分布式能源,就是在园区或城市里使用的太阳能发电和风光储这样的配置。如果把城市看成一个个的园区,可以想象,未来的园区一定是新能源园区。如果未来是新能源的园区,就会从客观上改变现在的发电结构和电网的整体结构。随着发电成本的不断降低,我们预测新能源将得到广泛使用,但是也会给园区的管理带来非常多的挑战,我们主要看以下三个挑战:①园区规模很大,管理困难;②如何构建有效且经济的能源管理模式;③如何定位和隔离新能源供电网络中的故障。

不断探索行业新技术的ABB,如今带来整体解决方案。针对智慧园区的3大需求,ABB智慧园区解决方案从资产健康管理、高效智慧用能和安全稳定供电三个方面进行解决,助力未来园区的发展。

资产健康管理

在配网使用的电力设备一般以10 kV、400 V为主,传统上使用这些设备时只会关注电流、电压等参数,要了解其使用状态,必须由人员到现场进行查看,成本非常高,而且并不能知道实时状况。ABB Ability™设备资产健康管理解决方案(见图1)通过将采集到开关设备的状态,上传到系统层面进行分析,就会对效率带来非常大的提升。可以带来三个明显的反馈:一是设备量化的打分,二是健康状态的评估,三是运营策略建议。分数是一个绝对的值,健康状态是根据当前设备的使用年限和使用状况给出的客观分析:如果分数值比较低,还会给出运营的策略和评估建议,让我们知道当前设备的状态应该如何处理。

如何做到这一点?答案是算法模型。算法模型决定了采集什么信号。通过算法模型的分析,原来由人来进行的维护、监测,变成由算法来监测,算法不但能告诉我们设备当前的情况,还能给出运行建议,如果说以前需要较多人工,现在的人员主要是对算法给出的设备疑似状态进行管理,管理成本将大大降低。

不过,需要建立合理而科学的模型并非易事。当前市面上的设备健康资产管理三个阶段,第一阶段是仅仅做数据采集,例如电流、电压,很多厂家还会采集设备运行温度、局放状态或触指咬合力、弹跳的情况,在数据采集阶段能不能对效率进行提升?答案是不可能。因为仅仅根据数据不能判断是不是在疑似故障状态,也无法根据数据给出运行建议,目前市面上90%的厂家都处于这个阶段。第二阶段是达到了评估分析诊断,即根据数据采集到的情况给出分析结果。ABB在2014年达到了这一阶段,即ABB智能专家系统,但此阶段也只能实现有限的效率提升,只有达到了第三个阶段,即根据分析的评估值,给出运维建议,才能做到全面提升设备管理水平。

然而,拥有算法只是开始,不断的优化才是目标。如何做到持续而全面的效率提升是关键。首先是设备的资产健康管理,整体的运行算法结合在线设备诊断和离线设备诊断。由整体算法的评估会得到判断的结果值,这个值即给出的运行建议,人员可能照着运行建议去维护,维护的结果有两种:一个是达到维护结果目标,重新运行后评估分数上升,证明此前给出的运维建议是对的,卷积算法将会向这个方向继续调高可靠率。如果算法是错的,比如判断情况是咬合力的问题,但其实不是,维修人员依然会把结果输入到算法里,卷积算法会根据分析的结果给出评判,比如某些判断值的准确度调的过高了,需要调低一点,这样随着算法的不停滚动,不断成长,算法模型的可靠性会越来越高。

高效智慧用能

未来的园区会有非常多的新能源接入,太阳能和风能是清洁能源,同时也是不稳定的能源,如何能够达到稳定的发电状态,同时实现经济效益最大的配置呢?必须具备两个功能,一是可以对能源负载进行预测,二是能够对其使用进行有效地调配。例如,知道未来的负荷可能会上升,就可以根据当前的日照水平和时间,计算出储能储备的最优建议,经济效益就会达到最高。

在风、光、储中,其实储能起到一个调节作用,帮助我们平衡能量的匹配优化。但是,储能的成本太高,怎样降低储能的使用,同时还可以达到最优化的使用?现在提出的技术是虚拟电厂。例如,一幢办公大楼中的中央空调使用功率是100MW,如果预估太阳能负载要上升,储能也不是很充足,这时候让空调反向释放20MW的能量,就可以大大缓解储能电池的使用,同时还可以继续使用太阳能给储能充电,达到最优的经济效益。当然随着空调能源的使用降低,制冷量就降低了,这时候可以继续预测能源的情况,再决定是否把空调能源补回来。通过这种反向能源的使用,也可以使整个园区的能源使用变得更加经济,但是核心是如何在园区里控制能源的使用配比。为此,我们需要一个和电力电网联动的系统,这个系统既能控制太阳能和储能的使用,也会控制空调的反向能源释放。这个系统就是A B B zenon,通过ABB zenon可以达到最优化的配比,如图2所示。

在图3所示的新能源园区中,ABB zenon通过对电网稳定的消耗和对新能源的使用,达到能源最优化的配比,再加上资产健康管理,实现最优的管理效率。传统的电力系统是以人为中心的,当遇到多个能源平台的时候,协调不同能源平台的也是人。但是ABB zenon可以在底层把这些数据打通,不再需要人来协调,而是通过系统来平衡系统,这就达到了效率的极大提升。例如在当前电网供电的情况下,如果资产健康管理报出了设备故障,而能源负载率又在上升,这时候人很难发现两个报警有什么关联,从而无法给出比较好的分析和建议。而在ABB zenon系统中很容易就能做到在设备还没有报警时就及时发现并处理。所以关联之后,原来以人为中心的协调处理平台就会变成以数据自动处理为中心的平台,人只作为决策层,这将极大的提升管理效率。

安全稳定供电

提到安全稳定供电就需要介绍一下IEC61850。IEC61850从2004年开始使用到现在已经有16年的历史,给我们带来了很大的变化,我们可以提供可靠高效、兼容、广泛连接和方便管理的系统方案。ABB作为IEC61850的发起者和主要倡导者,在具备这些优点的情况下,还有三个额外的优势,就是自我诊断、预警机制和软件化。

如果可以将园区里的中、低压设备通过IEC61850形成数字化的连接,原来判断故障的方式就会发生根本性的变化。在图4所示的数字化保护方案系统中,原本出现故障时,判断故障的设备是其回路所在的保护装置,简而言之,在IEC61850使用之前,保护是单独存在的,它们之间的关系是既定的,用定值和延时的方式来确定究竟由哪个装置切除故障。随着IEC61850的使用,判断出故障之后,流过所有电流点的装置都能向对各台继保发送数据,整个过程3 ms。也就是说,故障出现之后的3 ms内,所有跟故障相关的装置都能得到其本身和周边所有装置对这个故障的反映数据,根据这些数据可以判断出故障究竟在哪里,什么设备动作可以做到快速切除故障,这个网络就是数字化神经网络。

数字化神经网络带来的好处是:①最快的情况下可以在38 ms内判断故障在哪里并且切除故障,与现在速度最快的差动保护相当。例如通过线路差动保护方案时,解除故障的时间是28 ms,如果使用数字化保护在保护的时效性基本一致的情况下成本将大大降低,也就是说如果使用IEC61850神经网络,在不增加成本的情况下就可以做到和差动保护同一个级别;②全站无延时,不管网络多么复杂,都不会增加延时;③可以支持任何复杂接线,只要能判断出周边有逻辑关系的设备,互相分享信息;④可以实现软件化和自我监测。因为神经网络的数据是互相分享的,通过软件的管理就可以达到原来人无法触及的层面,原来的二次回路非常复杂,现在通过软件可实现很好的管理。

在此基础上,基于神经网络,首先可以做到对故障的快速定位;其次可以通过分布式智能方式实现快速切除故障,快速稳定故障,同时实现自愈的网络;再者可以用数字化的弧光保护形成对于系统的稳定保护。

结束语

随着国家对新能源和增量配网的持续投入,新能源园区的发展已经是全行业的热点。为了解决园区新能源和传统供电存在的问题,ABB中国配电系统业务单元提出了智能园区解决方案,其所带来的价值就在于可以用更低的成本为园区用户实现更高的价值,可以帮助园区实现用能效率的提升,管理模式的转变,解决实际困难。