数字孪生微电网，搭建源网荷储一体化管控平台

Posted 2022-06-11 图扑软件

前言

《“十四五”现代能源体系规划》提出，创新电网结构形态和运行模式，加快构建现代能源体系。加快配电网改造升级，推动智能配电网建设，提高配电网接纳新能源和多元化负荷的承载力和灵活性。积极发展以消纳新能源为主的智能微电网，实现与大电网兼容互补。

在 2020 年的联合国气候峰会上，我国正式提出了 “3060” 双碳目标。为实现“ 2030 年前碳达峰， 2060 年前碳中和”的目标，着力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，提升能源清洁利用水平和电力系统运行效率，更好地发挥源网荷储一体化和多能互补在保障能源安全中的作用。

效果展示

在新型电力系统下，电网运行逐渐呈现智能化、数字化的特点。发展“源网荷储一体化”运行急需“云大物移智链边”其中的云计算、大数据、电力物联网、边缘计算等技术手段，让电网系统配备拥有海量数据处理分析、高度智能化决策等能力的云端解决方案。从而实现各类能源资源整合、打通能源多环节间的壁垒，让“源网荷储”各要素真正做到友好协同。

图扑软件利用自主研发引擎 HT for Web 将 Web 智慧“双碳”微电网场景进行数字孪生，有效实现源网荷储一体化管控。整体场景采用了轻量化建模的方式，重点围绕智慧园区电网联通中的源、网、荷、储四方面的设备和建筑进行建模还原，为用户带来“赛博朋克”的视觉体验。采用轻量化重新建模的方式，设计师就有“设计”的发挥空间，展现更多美学创意。支持 360 度观察虚拟园区内源网荷储每个环节的动态数据，通过图扑软件 HT 自带交互，即可实现鼠标的旋转、平移、拉近拉远操作，同时也实现了触屏设备的单指旋转、双指缩放、三指平移操作不必再为跨平台的不同交互模式而烦恼。

通过图扑软件完整复现的园区能量系统，实现分布式光伏发电系统、储能系统、太阳能+空气源热泵热水系统的综合管控。通过智慧能源管理系统，实现建筑能效管理、综合节能管理和“源网荷储”协同运行。

“源网荷储一体化”是一种可实现能源资源最大化利用的运行模式和技术，通过源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动等多种交互形式，更经济、高效和安全地提高电力系统功率动态平衡能力。

系统分析

源“源”互补

图扑双碳智慧园区内智能微电网主要以多种可再生能源为主，电源输入主要为光伏、氢能、天然气、沼气等多种成熟发电技术。光伏是绿色能源，具有减少温室气体二氧化碳排放的特点，假设平均每天发电量为 1000 kWh， CO₂ 减排约为 785 kg，能大幅减少碳排放。     

          

不同电源之间可通过“源网荷储一体化”平台有效协调，即通过灵活发电资源与清洁能源之间的协调互补，解决清洁能源发电出力受环境和气象因素影响而产生的随机性、波动性问题，有效提高可再生能源的利用效率，减少电网旋转备用，增强系统的自主调节能力。

Hightopo 制作的智慧新能源系统以“赛博朋克”风格进行展示，突出能量路由器、变压器、配电室等设备模型，利用 HT 提供的图形化组态 SCADA 能力，以线条流动的方式表达光伏从光能转化为电能、再到设备供电、储能全流程。当日超标电量、累计用电量、光照时长、辐照度分别统计，利于整合分析。利用柱状图动态显示 24 小时内的交流源出力和指令，掌握每日数据变化，提高电力调控能力。 

能量电塔

电力塔直接连接到智慧园区的电网，在满足为汽车充能的情况下，项目产生的多余能量会汇入整个园区的用电系统。整合分布式光伏发电系统等技术设备实现电源输入。通过图扑软件可视化场景内的 2D 面板对额定出力、出口电压、额定容量、额定电压、重量、档距进行数据监测，了解“源”侧的电力情况。

 

世界各国的常用交流电工频频率有 50Hz（赫兹）与 60Hz（赫兹）两种，民用交流电压分布由 100V 至 380V 不等。机房一般引入三相 380V ，50HZ 的市电作为电源，但是设备的电源整流模块用的是单相 220V 的电压。

变压器

变压器是输配电的基础设备，广泛应用于工业、农业、交通、城市社区等领域。我国在网运行的变压器约 1700 万台，总容量约 110 亿千伏安。变压器损耗约占输配电电力损耗的 40%。将交流赫兹、电压等级、节能序列、额定容量数据在 2D 面板展示，利于节能效率的提升。

配电室

配电室是指带有低压负荷的室内配电场所，主要为低压用户或用电设施配送电能，低压配电室的进线一般是由 35kV 或 10kV 变配电站内的低压开关柜分配出的 400V 电缆。通过图扑软件 HT 2D 面板实现配电室内电流频率、整机功耗、交流电压、交流电流的数据监控，便于运维管理。

 

源“网”协调

在现有电源、电网协同运行的基础上，通过新的电网调节技术有效解决新能源大规模并网及分布式电源接入电网时的“不友好”问题，让新能源和常规电源一起参与电网调节。利用能源互联网核心设备——直流能量路由器满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求。   

 

图扑软件智慧双碳园区内“网”侧核心设备的三维模型效果主要以贴图呈现，以保证在网页中高效加载和流畅运行。可提供导入 IFC 格式的 BIM 功能，在某些场景下使用 BIM 信息降低开发成本。

可再生电源，在输出功率、电压水平、频率质量等方面呈现出很大的不稳定性。如果这些分布式能源直接并网，将会对大电网造成不同程度的扰动。利用图扑软件 2D 组态，显示交流电、直流电、信息流的设备连接情况，一屏掌控电流的运行节点信息。用红色的动态连接线显示直流电从屋顶光伏——能量路由器 A\\能量路由器 B——充电桩\\储能设备的流动过程；用黄色动态连接线显示信息流由能量路由器 A\\能量路由器 B——物联管理平台——智慧双碳园区的流动过程；用蓝色动态连接线显示交流电从电闸——能量路由器——消费端的流动过程；便于运维监测节点信息，增加并网的稳定性。

相较于 InTouch/IFix/WinCC 这些传统组态软件，图扑基于 Web 的平台更适合 C/S 向 B/S 转型的大趋势，多元素丰富的可视化组件和支持快捷的数据绑定方式，可用于快速创建和部署。为各类工业场景提供 2D、2.5D、3D （点击链接跳转至相关页面），多种清晰美观的可视化服务模式。满足了工业物联网现代化的、高性能的、跨平台（桌面Mouse/移动Touch/虚拟现实VR）的数据可视化需求，带来沉浸式的使用体验。

能量路由器

能量路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。可作为电力局域网与主干网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和能量管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。通过 HT for Web 渲染出朋克风的效果，并在能量路由器上添加 2D 面板，显示运行时间和状态。

电力电子变换技术使能量路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。交流电仍是电能的主要利用形式，通过安装交流母线管理分布式电源是一种顺理成章的电能管理方法。

未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联。将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网，并通过数字电网路由器（DGR）进行能量调配和网络互联。

网“荷”互动

在“荷”侧，通过图扑软件 HT 的动态曲线图显示 24 小时光伏源出力情况，掌握电力的峰值和谷值。利用环形图显示空调、照明、充电桩和其他耗电设备的比率，密切关注高耗能设备进行降耗调控。在电网出现或者即将出现问题时，通过负荷主动调节和响应来改变潮流分布，确保电网安全经济可靠运行。

  

智能充电桩

智能电动汽车充电或智能充电是指电动汽车与充电设备共享数据连接，充电设备与充电运营商共享数据连接的系统。与传统充电设备不同，智能充电系统会智能监控、管理和限制其设备的使用，以优化能源消耗。通过 HT for Web 以贴图的形式设计出轻量化的智能充电站，可摆脱硬件设备的限制，实现充电桩的随时监控。模拟车辆进站的充电过程，显示智能充电桩的充电次数、当前功率、充电量、电池年限；当车辆电磁出现故障时，出现闪烁的红色框提示车站运维人员。

智能充电系统对设备的控制包括简单的开启和关闭充电，车辆的单向控制（V1G），允许增加或减少充电率，以及具有技术挑战性的双向车辆到电网（V2G），允许电动汽车在放电模式下向电网提供服务。

 

智慧楼宇

智慧楼宇是将建筑、通信、计算机和控制等各方面的先进科技相互融合，合理集成为最优化的整体，具有工程投资合理、设备高度自动化、信息管理科学、服务高效优质、使用灵活方便和环境安全舒适等特点，是能够适应信息化社会发展需求的现代化新型建筑。利用图扑双碳智慧园区内的 2D 面板对楼宇内电梯、空调、照明的能耗情况进行智慧监控，高效进行楼宇管理。

网“储”互动

储能是微电网中不可缺少的一部分，在用电低谷时作为负荷充电，在用电高峰时作为电源释放电能。它在微电网中能够起到削峰填谷的作用，极大地提高间歇式能源的利用效率。

 

SOH 储能箱

点击园区内的储能箱会弹出 2D 面板对当前容量、电池温度、SOH 电池健康状态、累计充电量、累计充电次数、火灾风险进行统计和故障预警，保证集装箱系统的安全。图扑软件提供完备流水线作业工具链，从视图组件设计、图标设计、2D 图纸设计到 3D 场景设计皆有一站式的开发工具，设计师和程序员能实现协同作业开发，快速落地 2D、3D 可视化成果。

随着科技的不断发展，现在的储能主要有蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能，目前较为成熟的储能技术是铅酸蓄电池，但有寿命短和铅污染严重的问题。

电池系统主要由电芯串并联构成：首先十几组电芯通过串并联组成电池箱，然后电池箱通过串联组成电池组串并提升系统电压，最终将电池组串进行并联提升系统容量，并集成安装在电池柜内。储能变流器是将电池直流电转换为三相交流电的能量转换单元，其可运行于并网及离网模式。并网模式下变流器按照上层调度下发的功率指令与电网进行能量交互；离网模式下储能变流器可为厂区负荷提供电压频率支撑，并为部分可再生能源提供黑启动电源。

实现价值

微电网作为一种靠近用户侧的微型综合能源系统，涵盖太阳能、风能等一次能源及电力二次能源，涉及电、热、气多种能源输配网络和负荷需求、储能、控制和保护设备及信息化平台，需以电能为核心，通过多能互联、信息能量耦合及市场经济引导，实现多能“供-需-储”协调优化和自平衡。

总结

以现代信息通讯、大数据、人工智能、储能等新技术为依托，运用“互联网+”新模式，调动负荷侧调节响应能力。在城市商业区、综合体、居民区，依托光伏发电、并网型微电网和充电基础设施等，开展分布式发电与电动汽车（用户储能）灵活充放电相结合的园区（居民区）级源网荷储一体化建设。在工业负荷大、新能源条件好的地区，支持分布式电源开发建设和就近接入消纳，结合增量配电网等工作，开展源网荷储一体化绿色供电园区建设。

通过智能路由器-新能源微网实现园区、市电、光伏、储能、充电桩、日常负荷的连接和调节，实现“双碳”目标。

更多行业应用实例可以参考图扑软件官网案例链接：图扑软件 - 构建先进 2D 和 3D 可视化所需要的一切