能源大脑微网构建海上“能源长城”

中国电力设备管理协会能源大脑产业创新中心

李杰浩 何清素 辛明 刘杰 张彬 陆成学 亢淑娟 王东刚

我国拥有海洋国土面积299.7万平方公里，岛屿面积72800多平方公里，岛屿岸线长14217.8公里，500平方米以上的岛屿6536个，有人居住的岛屿450个。我国岛屿小岛多、大岛少，无人岛多、有人岛少，缺水岛多、有水岛少。

为加快海洋开发，促进海岛可持续发展，提高海岛居民的生活水平，通过分布式能源开发，因地制宜建设“风、光、柴、储”海岛能源大脑微网，为海岛发展供给清洁能源。

能源大脑微网是将可再生能源发电技术(风力发电、光伏发电、生物质能、潮汐能等)、人工智能微网系统和输配电基础设施高度集成的新型能源系统，它具有提高能源效率、提升供电安全性和可靠性、减少电网电能损耗、减轻对环境影响的多重作用（见图1）。

图1 能源大脑微网构成架构图

强化科研技术，深入开发建设能源大脑微网有利于扩大分布式电源与可再生能源的大规模接入，为海岛提供可靠的能源供给，实现有效的主动式配电网方式，促进智能微网变革。

一、能源大脑大数据云平台助推海上微网建设

依托微网建立的能源大脑大数据云平台——能源大脑是海上微网的基础，结合国家相关机构发布《中国制造2015——能源装备实施方案》、《配电网建设改造行动计划（2015-2020年）》、《新一代人工智能发展规划》等相关政策，我们通常把建在集成、高速双向通信网络基础上的电力系统称为2.0时代；随着人工智能技术的快速发展，基于能源大脑多能互补微网3.0时代大幕已经开启。

AI时代已经到来，能源大脑产业创新中心将探讨引入人脸识别、图像识别、自然语言理解、大数据等AI能力，在电力系统的信息化建设、能源服务、生产运行、电力调度、科技研究、客户服务等领域开展深入合作。未来将聚焦于整个电力行业，以人工智能核心技术能力为基础，全面覆盖发电、输电、配电、售电、用电等环节。

人工智能是未来智能电网的核心。目前，国家发改委及国家能源局、工信部都将人工智能纳入发展战略规划，强调人工智能与各行业的融合与应用，其中在《电力发展“十三五”规划》中明确指出推进“互联网+”智能电网建设。AI在电力等能源行业的未来想象和发展空间十分广阔，国际数据公司（IDC）预计，AI撬动的智慧能源市场，到2020年市值将达到5160亿美元、约3.3万亿元人民币。

图2 能源大脑微网系统拓扑用例

能源大脑微网基于全方位的人工智能技术体系构建∶通过模拟、延伸、扩展人类智能，基于机器视觉、语音、自然语言处理等技术，辅助人类在电网输电、配电等各环节做出分析、判断、优化、决策等，相比人类能够做到实时且不断自我进化，持续帮助企业推进智能电网、智慧能源健康发展。

能源大脑微电网系统有风力发电系统、光伏发电系统、储能系统等；负荷系统由必须保障的重要负荷和其他可切除的非重要负荷，系统中的各微源都要接受微网中央控制系统的调度，并网型微电网既可以并网运行，也可以脱离大电网孤岛模式运行。

微电网系统采用三层拓扑结构：微电网管理层。能源大脑云平台及能量管理系统、物控云SCADA监控系统；微电网协调层。能源大脑控制系统；微电网执行层。分布式发电单元、智能网关断路器、负荷等（见图2）。

基于人工智能的能量管理系统在能源大脑大数据云平台中处于核心地位，是能源大脑微网执行测量、监视、控制、保护以及高级策略实现的监控系统，在实现能源大脑微网的实时能量调度与管理、跟踪、监测等方面起到举足轻重的作用。

能源大脑微网能量管理系统是能源大脑大数据云平台的核心管理系统，主要对微网分布发电单元设备的发电功率进行预测，对微网中能量按最优的原则进行分配，协同海上“风、光、储、柴”之间的多能互补。

能源大脑微网能量管理系统具有预测微电源出力、优化储能充放电、管理可控负荷、维持系统稳定、实现系统经济运行等功能。

能源微网行业未来的发展主要在于优化和预测，人工智能可以针对能源生产、能源电网平衡和消费习惯等方面提供独特的解决方案。可以预见，人工智能将成为能源行业的重要组成部分，广泛应用于生产方、传送方和消费方。

人工智能是一个自我学习和推演的应用过程，而非模仿人类工作的编程方式，即其能够集合人类擅长的，例如视觉感知、理解、沟通、随机应变等能力，同时克服人类极限，将这些优势与当前的计算机大规模而且迅速的数据处理功能结合起来，主要功能：微网内的分布式电源、储能系统和负荷进行监控，数据分析。基于数据分析结果生成实时运行曲线。根据预测调度曲线，制定合理的功率分配曲线下发给微网中央控制器。

人工智能预测系统可分为发电预测和负荷预测两部分。经济调度模块在微网并网的情况下，其优化目标函数为能源大脑微网节省运行费用，在微网离网的情况下，其优化目标提高系统稳定性和缩减运行费用。

能源大脑微网能量管理系统是由预测模块和调度模块组成的能量系统，其主要目的是根据负荷需求、天气因素、海岛实时数据、电力实时数据以及电网运行状态等，在满足运行条件以及储能等物理设备的电气特性等约束条件下，协调微网系统内部分布式电源和负荷等模块的运行状态，优化微电源功率出力，以最经济的运行成本向用户提供满足质量的电能。能源大脑微网能量管理系统具有预测微电源出力、优化储能充放电、管理可控负荷、维持系统稳定、实现系统经济运行等功能（见下页图3）。

图3 能源大脑微网能量管理系统信息流示意图

二、多能互补微网构建“能源长城”

从实际情况来看，通常的海岛用电量不大，并且海岛比较分散，故对大部分的海岛而言不太适宜于在海岛上或海岛临近海域建设固定风电与光伏漂廊。固定式风电需要打桩，而在欠开发的海岛上开展打桩工作，无论是桩基的运输、打桩设备的进退场、风机的吊装以及当地的海洋地质勘探工作，都有现实的困难。从经济性方面来讲也非常不合算。

漂浮式微网是海洋油气工程和风电技术的结合，目前在技术上已经成熟。无论是抗台风漂浮基础的设计与建造、基础的海上安装与锚固、结构的抗腐蚀等均有完善、成熟的技术手段可以实现，保障漂浮风电安全和可靠运营。具体优势如下：

可靠性高，高效运营：二次风源发电机组在运行时基本不会出现同时损坏、检修维护现象。

抗台风强，安全稳定：结构是一个直径4米高10米的圆筒柱，重心在3米，最大抗台风能力在56米/秒至60米/秒，在10级台风状况下可以正常工作。

效益极高，回报可观：30年寿命度电成本0.1元以下。在综合电价1元/度的设定条件下最长2年回收投资，后续可低成本使用28年。

创新技术，发电量大：二次风源发电机(人造龙卷风发电)为主体，极端恶劣气候停机12天/年，年均工作为353天。每台风机年可发电135.55万度。

抗腐蚀强，寿命加长：金属结构外表采用5层防腐涂层，逆变器柜、电气柜风扇散热冷却采用负压处理，适应海上工况运行。

维护方便，故障率低：主要部件发电机、电动机、变速箱均安装在底部，方便安装运维，物联网平台可以远程运维。

智能环保，效果优良：无巨大的风叶，所有旋转风叶均内置在一个圆筒柱内，对鸟类无伤害，运行中无废气、废液、灰尘排放。

漂浮式微网发电技术利用海上风力资源，更重要的是为日益增加的海上活动提供能源，风电多元化应用必将使众多海岛从中受益匪浅：远洋轮船、深海远程潜艇、远程科学考察船等可以在大海上直接获取电能；开发海底石油和矿产的工程队可以从海上获得充分的电能；电能的保障为开发海上旅游项目提供了可能；非并网“风、光、储、柴”直接应用于海水淡化、氯碱、有色金属冶炼及非金属加工等大范围高耗能产业。同时，可通过海缆向临近海岛供电。

在光伏发电方面，铜铟镓硒电池光电转换效率达到达21%，砷化镓双结薄膜电池的实验室转化率已经达到31.6%。汉能薄膜电池使用透明高阻封装膜材料ETFE具有阻水、阻氧、耐腐蚀、抗盐雾、抗UV等功能，厚度只有1微米，不及晶硅电池1/100。方便把薄膜贴在防海水腐蚀的材料上，免受海水侵袭。

海岛沿线的风机之间通过薄膜“漂浮组件管廊”连接成一个微网发电、储能、海水淡化、通讯照明一体化的“能源长城”。因浮廊成本(相当于船甲板等面积的一个平台)非常高，所以光伏板装机容量减少至240千瓦，最小安装面积1440平方米，二次风源发电机增至11台，最小安装面积165平方米。总控室含输配电、柴油发电、逆变器、通信调度。储能电池最小面积200平方米，淡水制作设备150平方米总共需要1955平方。浮廊平台采用2个长60米宽12米高4米的平台，2个平台中间隔12米之间采用柔性双绞接联接，组成一个等效长60米，宽36米的平台，等效面积为2160平方米，可在极限浪高20米的海况下生存。并可采用多个浮廊平台柔性绞接串联,串联长度最大可达20公里。

太阳能和风能发电成本大幅下降，意味着太阳能和风能发电已经具备了与传统化石燃料发电技术相当的成本竞争力。这使得能源大脑微网能够在完成稳定电力供应这一主要任务的同时，以经济可行的方式实现清洁能源目标。

能源大脑大数据云平台的应用，为能源需求提供了安全性、经济性保障。采用能源大脑微网系统解决方案，可以系统性解决我国海洋面积广阔，众多岛屿的清洁能源需求。

在海上搭建风、光、储、柴多能互补的“能源长廊”微网，通过能源大脑微网大数据云平台对海上能源微网进行全方位智能化控制，为海上安全构建壁垒，在辽阔的海疆树立海上“能源长城”。