面向新型电力系统的建筑元胞低碳友好互动技术研究

东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU 面向新型电力系统的 建筑元胞低碳友好互动技术研究 汤奕教授，博士生导师 东南大学电气工程学院 2023年04月19日 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEL 01研究背景 目录 Contents 02楼宇能耗分析建模 03参与电网友好互动 04平台构建及验证 05低碳建筑示范应用 2 双碳目标的规划要求 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEL ·十一五规划（2006-2010）第一次提出节能减排概念，确定能源强度目标 ·十二五规划（2011-2015）明确了二氧化碳强度目标 ●十三五规划（2016-2020）确定了能耗总量和能源强度双控自标 ●十四五规划（2021-2025）面向碳达峰、碳中和的新标 2030 目标 2020 目标2015年提出 2030目标 2060愿景 2020年提出 中国将提高国家自主贡献力 2009年提出度，采取更加有力的政策和 尽早达峰 2030年左右达到峰值并争取措施，二氧化碳排放力争于 单位GDP二氧化碳排放较 单位GDP二氧化碳排放比 2030年前达到峰值，努力争 2005年下降60%-65%取2060年前实现碳中和 2005年下降40%~45%非化石能源占一次能源消费 非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右 比重达到15%左右 3 中国电能传输示意图 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU 中国地图 主要能源基地与负荷中心 距离约800-3000公里 80%的煤炭资源伊型/哈客锡盟 分布在西部、北部 75%的能源需求。 集中在中部、东部 80%的煤炭资源 南部 天洋 :320000 审图号：GS(2016)1582号国家副绘地理信息局监制 4 坚强主网和弹性配网的结合 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU 东北电网 远距离大容量 电力外送 新电网华北电网居民工业 西电网 电网 川流电国车乐电 华中电国 大电网之间柔 性互联 配 主网南方电网 区域内省间电交通网 网互济 西电东送、北电南供东部“九横五纵” 多能互补、跨国互联西部“三横两纵”格局 电网配置能原进一步提升 加强碳监测、追踪、评价、调控 全面建成坚强可靠的东部、西部储能站调度中心 同步电网 提高电网和各类电源的推动实现电力系统源网荷 技术开发电源 综合利用效率 适应大规模高比例新能 电网储的高效融合互动负荷 加快主配一体化的协同低碳转型源需求 加大源网荷储灵活降碳潜力挖掘 低碳调度技术 调度电碳市场协同 协调互动 绿色保供虚拟电厂 5 电碳关系驱待厘清 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU 碳排来源碳排监测碳排损耗碳流传输碳排终端 IPCC碳核算基于传感器复合利用效率 基于复杂网络路径剖分的追踪算法 IPCC碳核算方 碳排源头 方法的碳排监测分析算法法 能源来源能源转换能源加工能源传输能源使用 碳排终端 能源：40% 光伏鑫 配电网馈线 电气节点 工业:40% 李生碳网智慧楼宇 电动才冷装置 燃气节点配电网电话炉商业区域 品 个 能源二次 加工利用热电联产 燃气网馈线 李生碳网热电话产电动汽车建筑：10% 燃气网 [燃气锁护 燃气镁炉 工业区域 石油 热网馈线 李生碳网交通枢纽 热节点！储能电站 股收式制冷装益 交通：10% 图例热电冷逻辑关联 6 变化与挑战 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEL 未来电力系统生产结构、技术基础和控制基础将发生持续而深刻的变化 在转型过程中，电力系统面临诸多系统性的问题，重点要把握“变”与“不变”的关系， 以系统思维研究应对转型带来的变化与挑战 生产结构技术基础控制基础 较长时间内维持 交流惯量系统形态 新型电力系统的“变”新型电力系统的“不变” 7 变化与挑战 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEL 在电力系统持续而深刻的变化过程中，一些问题在运行中已经显现，并将随着转型的深化而更加凸显。 电力供应保障难度增大电网安全控制难度增大 供电平衡仍然依赖支撑性电源远距离大容量输电故障冲击大 燃料供应对电力保障产生重大影响电力系统安全基础持续削弱 极端天气下保障供应难度更大电网调频调压能力持续下降 负荷侧控制手段使用受限故障引发连锁反应的风险增加 供电不足与消纳问题并存大面积停电风险增大 8 两大核心难题：功率平衡+电网稳定 功率平衡问题 1000000风电累计装机容量 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU 10亿千瓦+风电功率+负荷等效负荷 15008000 800000 飞速发展 13007000 AW 11000009 (MW) 200000 O05000负荷 4000 时间(h) 火电水电风电 居民负荷 核电抽水蓄能光伏发电 工业负荷 功率平衡调节手段功率失衡来源：新能源功率失衡来源：各类灵活负荷接入 9 电网稳定问题 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU 高波动性复杂 双碳新能源为主体的 高比例新能源高间歇性低惯性 非线性 多元 目标新型电力系统高维非线性 高比例电力电子动态特性复杂 暂态演化迅速 当前电网新型电力系统火电、水电、核电等 风电、光伏等 不确定性 不确定性 低惯性 交直流混联S 常规机组 常规机组转动惯量 转动惯量 影响全局性高维非线性 电力电子化图 新能源主体 信息物理融合 血 等效惯量等效惯量源网荷互动 多源不确定电力交易市场化 经典稳定性主导稳定特性变化稳定问题特点系统特点 10 核心技术 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU 团队拥有国内首创两大核心技术：基于能源大数据的电网源流路径电气部分技术、基于用户侧能碳因子的电力基因技术。 （1）依托电气剖分技术，实现源网荷储全链条碳足迹监测、追踪与溯源过程，完成全尺度“能-电-碳”多流映射与折算 （2）依托电力基因技术，在毫秒级时间尺度与设备级空间尺度上，实现复杂网络拓扑下的多类型行业与用户碳排放精准管控。 询问患者相利用专业设 根据报告及其 编辑基因序列、 关信息采集备给出检测他因素给出惠改变生活环境或习 发电测 输电侧 变电侧 用户侧 因 生物基 DNA样木数据报告 者病情状况 惯解决健康问题 控 输电网配电网电 力基 因 采集电力数据采 集相关环境量 利用数学物理方法根据报告及其他调控电力中的相关对电力相关数据环境量，判断其当前量，调节相关环境分析处理状况和潜在风险量，解决电力问题 基于能源大数据的电网源流路径电气部分技术基于用户侧能碳因子的电力基因技术 12 主配一体化的低碳转型情景 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEU 光伏电网 配电网馈线 协调 控制 居民楼宇机关楼宇规上工业企业规下工业企业 商业店铺 O监控O监控 终端田终端工业 1个雕 电碳量化 分布式光伏降碳工业负荷储热智能化机柜电动车储能降碳 信息 水电电-碳关联分解计算 煤电 C集控系统 分布式光伏储能碳汇 乡村振兴 监控 ★能源特征云端 ★业务特征 信息 控制区 碳网碳流 燃气发电终蜡农业★价值特征 智慧衣业智慧农业智慧衣业降碳 分散控制 技术特点：创新点：能源采集 跨部门、跨层级、跨领域归集数据；考虑有功-无功耦合下的电网间接碳排 源网荷协同的电碳追踪、溯源与评价； ·多源异构的电-能-碳融合数据模型； 挖掘电力与其他能源间的能碳映射特征：分析多电压等级间的潮流碳流转换拓扑： 电动汽车及有序充电 分布式光伏储能交通 碳排分析 控制 基于人工智能的低碳调度决策方法。探索多电源的经济-碳排-安全调度策略， 充电桩降碳 电气剖分技术(物理模型）电力基因技术(数据驱动)13 电力基因技术 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTE,SEL 电力基因技术，是基于用户的能源需求，对用户电力系统的时间、空间和能量等多维度特征数据进行 采集和检测，获取自标系统的电力基因序列，应用人工智能技术开展能源需求与电力基因序列诊断，通过 功率控制进行电力基因调控，进一步通过验证用户能源效率开展电力基因评估。 询问患者相 利用专业设根据报告及其 编辑基因序列、 关信息采集备给出检测 生DNA样本数据报告 他因素给出患 者病情状况 改变生活环境或习 惯解决健康问题应用电力基因采集技术，通过 信号采集终端获取电网瞬时性故障信号：应用电力基因检测技术，计 物基因 检诊调 算获取各终端采集监测点对应的电 电力基因 集测断控气参数指标：应用电力基因诊断技 术，分析故障的电气位置、事件成 因和历史发生规律：应用电力基因调控技术，治理电网既有薄弱环节 采集电力数据采 集相关环境量 利用数学物理方法根据报告及其他调控电力中的相关防止永久性故障的发生。 对电力相关数据环境量，判断其当前量，调节相关环境 分析处理状况和潜在风险量，解决电力问题 14 电力基因技术在楼宇建模、分析与控制中的应用 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU ①基于知识-数据融合算法的②基于数据-物理联合驱动的③计及不同电网态势下的楼宇 楼宇用能动态建模楼宇用能响应潜力分析参与需求响应协调控制策略 楼宇物理模型★数据-物理联合驱动修正预防态势紧急态势 基础 楼宇 楼宇结构模型 热过程模型 联合驱动机理协调 关键参数修正快 电-热转换模型能耗支撑日分 技术研究内容 用户动态行为行为知识库 动态分析 求解模型 需求响应潜力分析优内 楼宇集群聚合模型制化制控 应 知识-数据融合潜力时变特性 用户行为判断需求响应潜力三要素 前优化控 去优化响 策略 率影响分折 ④基于数据 支撑支撑支撑 采集层通信层平台层应用层 物理联合驱动硬件终端平台软件架构用户画像 的智慧楼宇 平台构建 边缘计算网关故障检测及处理 多种通信链路 场景通信方案 数据价值存储需求响应应用 SaaS架构可视化呈现 仿真及试验验证 15 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEL 01研究背景 目录 Contents 02楼宇能耗分析建模 03参与电网友好互动 04平台构建及验证 05低碳建筑示范应用 16 楼宇建模：多元信息架构 东南大学电力系统自动化研究所 POWERSYSTEMAUTOMATIONINSTITUTESEU 表1楼宇建筑特征数据属性列表 类型特征名称单位时变属性触发属性周期属性 占地面积m2静态非触发 建筑数据 朝向静态 非非触发发 建筑形状-静态 屋顶 太阳辐射 墙体材质静态非触发 表2楼宇电气特征数据属性列表 单位 类型特征名称时变属性触发属性周期属性 房间总功率kw动态周期角虫发分钟级 屋顶材质 开关状态空调功率kw动态周期虫发分钟级 空调状态 照明光伏 窗状态 电气数据空调能效比静态非触发 照明功率kw动态周期角虫发分钟级电脑功率kw动态周其痛虫发分钟级 空调建筑数据 表3楼宇环境特征数据属性列表 类型特征名称时变属性触发属性周期属性 楼宇室内温度 电气数据干球温度 湿球温度?。 动动态态 周期虫发分钟级 周期发 分钟级 高度门状态 环境数据经纬度- 静态非触发 分钟级 电气量测量 行为数据环境数据 光照强度Lux动态周期角虫发 周期发 太阳照射角动态 小时级 空间 断路器A 相对湿度动态 气候