上海電力大學攜手圖撲軟體共建綜合能源微電網視覺化專案

hightopo 發表於 2022-05-21
視覺化

前言

當前全球溫室氣體濃度較 19 世紀升高了 1.2℃,過去 170 年 CO2 濃度上升 47%,進而造成海平面上升、作物產量降低、呼吸道疾病加劇等種種危害。近十年來,中國二氧化碳排放量始終居於全球首位,2020 年,中國排放二氧化碳近 99 億噸,佔全球排放比重高達 30.66%,到 2030 年中國碳排放總量預計將進一步上升至 104-110 億噸之間的峰值水平。

在此背景下,代表可持續發展的“碳中和”目標被提出,即追求淨零排放,實現經濟增長與資源消耗脫鉤。世界各國均大力發展清潔能源來替代傳統能源,其中的代表技術就是風電和光伏。
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在雙碳背景下,減碳的最核心環節就是發電端。遵循資訊網際網路原則,建立以新能源為主體的新型電力系統,也在數字化、智慧化改造“存量”上下功夫。

基於微電網的數字化改造,上海電力大學臨港校區與圖撲軟體開展了首期專案的合作。圖撲軟體利用自主研發引擎 HT for Web ,協助臨港校區將校內的能源中心/動力館呈現為可互動式的 Web 三維場景,場景內各裝置可以響應互動事件。動力館的三維場景整合了場館內各裝置和執行資訊,讓校區內的智慧微電網系統得以直觀呈現。

效果展示

上海電力大學臨港校區以新能源為主體的智慧微電網綜合能源服務專案降低了 1/5 的校園能耗,成為國內高校中率先覆蓋整個校園的能源網際網路示範平臺。整座校園是一間佔地千餘畝的“超大實驗室”,所有在校學生都可隨時開展“虛實結合”的多學科交叉實驗專案,還能嘗試現實中無法實現的各種極限類實驗。這間“超大實驗室”,也是全國首批、上海首個在網執行的“新能源微電網示範專案”。
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上海電力大學攜手圖撲軟體共建綜合能源微電網視覺化專案
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校園總覽

運用圖撲軟體自主研發引擎 HT for Web 實現上海電力大學的數字孿生,整體設計以寫實風格為主,通過對校園內建築、道路等進行三維建模,模擬還原校園內整體情況,打造出晝夜不同的校園場景。

通過 HT 視覺化實現校園全景空間切換,瀏覽校園不同場景效果。介面通過自由視角、固定路線等方式對校園全場景進行巡檢式漫遊。通過漫遊視角呈現校園的整體面貌、重點區域及設施裝置分佈。支援 360 度全方位無死角瀏覽校園,通過 HT 自帶互動,即可實現建築的旋轉、平移、拉近拉遠操作。
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學校智慧化能源管控系統,有著超過 2000 個電、氣、水的採集計量點,實現了資料的實時採集,實時觀測,還配有強大的儲能系統,智慧地調配用電情況。
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如果遇到惡劣的天氣,大電網供電出現問題,學校裡的微電網系統裡的儲能可保障資料中心、消防安防電源正常執行。

室外集裝箱區域介紹

圖撲軟體與上海電力大學臨港校區的首期合作呈現了微電網的動力系統,但作為“風光儲”一體化的校區,相信我們後續將會有更深度的效果呈現。
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1 號源荷裝置倉:包含電機變頻電源櫃、電機主控櫃、直驅風電控制屏等。大功率變頻櫃可以最大限度減少大功率水泵\風機對電網的衝擊和大幅的壓降,節電效果顯著。電機主控櫃是專門用於給電動機供電的配電櫃,其中有斷路器或者塑殼開關、接觸器和各種控制和保護裝置,當手動或者自動發出訊號後,櫃子的各個元件就會有相應的動作,讓電機啟動或者停止。直驅風力發電系統是一種用於動力與電氣工程領域的工藝試驗儀器。

2 號綜合能源裝置箱:其中安裝了微燃機、電鍋爐、換熱器、空氣源熱泵等裝置。

微型燃氣輪機是一類新近發展起來的小型熱力發電機,其單機功率範圍為 25~300 kW,基本技術特徵是採用徑流式葉輪機械(向心式透平和離心式壓氣機)以及回熱迴圈。換熱器(Heat Exchanger),是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的裝置,又稱熱交換器。空氣源熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置。可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱量)轉換為可以利用的高位熱能,從而達到節約部分高位能(如煤、燃氣、油、電能等)的目的。
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3 號實驗服務中心、6 號實驗工作室、7 號、8 號資料處理中心包含辦公區域及相關的設施裝置。

4 號綜合能源裝置箱:其中安裝了內燃機、蓄熱系統、換熱器、冷機等裝置。內燃機,是一種動力機械,它是通過使燃料在機器內部燃燒,並將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。風光互補電蓄熱器系統可將風能和太陽能光伏發電直接轉化成熱能並儲存在蓄熱體中。可為使用者提供持續、穩定的取暖,提高了風能和太陽能的利用率。風力發電高溫蓄熱器系統利用風力發電機發出的電能轉變成熱能,直接儲存在風力發電固體蓄熱器中。用於採暖和供熱水系統釋放,是一種適合家庭(各種)使用者的新型採暖(蓄能)裝置,在取暖季為客戶提供不間斷供暖。太陽能光伏發電蓄熱系統是將太陽能光伏裝置吸收陽光的光能變成電能,再將電能轉化成熱能,儲存於固體蓄熱器中。形成從光伏發電到固體蓄熱裝置採暖和供熱水系統,實現了電能轉化熱能,以供客戶採暖和熱水的需求。

5 號配電中心:包含交流配電櫃裝置。智慧變電站將分散式電源引入進來,能夠增強智慧電網的安全靈活性,在執行效率上也有顯著的提升,此外,在配電系統中也改變了單項潮流網路的存在,使其從單向電源輻射的網路轉變成為一個多源型的網路。

9 號儲能裝置倉:其中安裝了儲能電池裝置。儲能系統配置有容量為 100kW×2h 的磷酸鐵鋰電池、150kW×2h 的鉛炭電池和 100kW×10s 的超級電容儲能裝置。三種儲能裝置與學校的不間斷電源相連,一併接入微網系統。

通過“源-網-荷-儲”優化控制執行,減少棄風棄光率,降低微網執行成本,促進節能減排,實現技術、經濟、環境等綜合效益最大化。

室內集裝箱區域介紹

HT 支援匯入 IFC 格式的 BIM 模型檔案生成場景,支援渲染 3D Tiles 格式的傾斜攝影模型檔案。通過 HT 實現可互動的 Web 三維能源中心大樓內部場景,可進行縮放、平移、旋轉。場景內將微電網集裝箱、階梯教室、會議區、交流區、休息區等多個分割槽合理佈置,實現了多功能化的能源中心建設。
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通過室內漫遊功能,以第一人稱視角遊覽能源中心內部場景,實現“所見即現實”的效果。通過 HT 獨創的自定義格式渲染引擎,實現 B/S 架構下的輕量化模型可視,使用者可通過 PC、PAD 或是智慧手機,只要開啟瀏覽器可隨時隨地訪問三維視覺化系統,實現遠端監查和管控整個能源系統。
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智慧能源管控系統主要監測風電、光伏、儲能、太陽能+空氣源熱泵熱水系統的執行情況,實現與智慧微網、智慧熱網、校園照明智慧控制系統及校園微網系統的資訊整合及資料共享,滿足學校對新能源發電、園區用電、園區供水等綜合能源資源的動態實時監控與管理,通過對資料分析與挖掘,實現各種節能控制系統綜合管控,是整個專案的智慧大腦。
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1 號、2 號監控系統及 DCS 控制區可實現對智慧微網的監控、用電資訊自動採集、供電故障快速響應、綜合節能管理、智慧辦公互動、新能源接入管理。分散型控制系統(DCS)是以微處理機為基礎,以危險分散控制,操作和管理集中為特性,集先進的計算機技術、通訊技術、CRT 技術和控制技術即 4C 技術於一體的新型控制系統。可通過乙太網將 DCS 系統和工廠管理網相連,實現實時資料上網,成為過程工業自動控制的主流。
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3 號交流母線及 DC/AC 變流器區可實現對光儲一體機的管理。將光伏元件發出的直流電能按控制需要向儲能蓄電池進行,直流充電減少了 DC/AC、AC/DC 兩次變換損失,通過 DC/AC 變換技術可輸出滿足標準要求的交流電能向負載供電。

4 號交直流對接區:交流電是指電流方向隨時間作週期性變化的電流,在一個週期內的平均電流為零。不同於直流電,它的方向是會隨著時間發生改變的,而直流電沒有周期性變化。通常交流電(簡稱 AC)波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但實際上還有應用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。
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5 號交流阻抗區、9 號直流阻抗區:電阻是一個限流元件,將電阻接在電路中後,電阻器的阻值是固定的一般是兩個引腳,它可限制通過它所連支路的電流大小,在電路中通常起分壓、分流的作用,交流與直流訊號都可以通過電阻。電阻的主要物理特徵是變電能為熱能,電流經過它就產生內能。

6 號源儲荷區通過採用光伏、風力等發電及儲能技術,智慧變壓器等智慧變配電裝置,結合電力需求側管理和電能質量控制等技術,構建智慧微網系統。在切斷外部電源的情況下,微電網內的重要裝置可離網執行 1~2 小時。

7 號、8 號網側進線及直流母線區:公共直流母線採用單獨的整流/回饋裝置,為系統提供一定功率的直流電源,調速用逆變器直接掛接在直流母線上。當系統工作在電動狀態時,逆變器從母線上獲取電能;當系統工作在發電狀態時,能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網,以達到節能、提高裝置執行可靠性、減少裝置維護量和裝置佔地面積等目的。

在新型電力系統的尖端科研領域,上海電力大學的師生們也在不斷尋求突破。電氣工程學院符楊教授團隊牽頭的“我國首座大型海上風電場關鍵技術及示範應用”專案獲國家科技進步二等獎,相關技術推廣應用至全國多個海上風電場。能源與機械工程學院圍繞太陽能、風能等可再生能源發電、儲能及多能互補、能效提升等方面,重點在風電場微觀選址、儲能調控、綠色資料中心、綜合能源系統整合、裝置安全監控開展了研究,研發的技術應用在多個示範專案中,目前已在風電場微觀選址技術方面取得了突破性進展。

功能模組介紹

通過圖撲視覺化大屏將室內與室外的所有微電網集裝箱聯動,打破資訊孤島,實現資料共享。利用 HT for Web 實現不同方式的模型渲染,展示交流微網、直流微網、能源站、配電中心、監控系統、實驗工作室等,讓我們對上海電力大學“新能源微電網示範專案”所運用的設施裝置有全面的認識。
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通過綜合能源智慧管控平臺管理整個校園的能源供應和使用,實現了能源流、資訊流、資料流的深度融合,風光儲用+平臺系統的微電網模式還適合在工業園區、大型建築群等型別專案複製推廣。微網運營主體掌握園區微網內能源供需和市場價格資訊,通過構建及電、熱、氣等多種能源的微平衡市場交易平臺,組織園區微網內工業、商業、居民等各型別使用者和分散式光伏、分散式風電、燃氣三聯供系統等分散式能源及儲能資源,通過微平衡市場進行區域性自主交易。

擴充延伸

在能源需求端,創新並推廣節能減排技術,科技企業利用其數字化技術助力“碳中和”平臺搭建和傳統企業的綠色化轉型。在能源供給端也應依託新能源發電技術、氫能技術與儲能技術實現化石能源的替代。

隨著光伏、風能新增裝機容量上升,預計 2050 年將超過 70%,能源結構將會迎來大的變革。基於可再生能源的發電 (主要是風能和太陽能光伏發電),在 2020 年至 2060 年間將增加 7 倍,屆時將佔發電總量的約 80%。

根據《綠色技術推廣目錄(2020 年)》及相關規劃,風能、太陽能發電技術是“零碳”技術的發展重點。在新能源發電技術中,風電和光伏技術是中國能源消費轉型的重點。

東部沿海地區是中國電力負荷的中心,而西部內陸省份的風能、太陽能等能源資源最為豐富,中國電力資源分佈和能源需求存在明顯的錯配問題。對此,特高壓輸電和分散式發電成為解決能源供需錯配的兩大方向:一方面,在大力開發西部清潔能源基地的同時推動特高壓輸電線路建設,優化能源資源配置;另一方面,因地制宜地發展東中部地區分散式能源,推廣屋頂光伏系統及分散式風電系統。
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太陽能作為一種永不枯竭的綠色清潔能源,得到了廣泛的科學研究。根據半導體材料的不同,太陽能電池可被分為第一代晶體矽太陽能電池、第二代薄膜太陽能電池,以及第三代新型太陽能電池。在碳中和背景下,太陽能的應用逐漸加深,新型光伏技術迭代加速發展。
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隨著光伏產業的不斷深入發展,各行業也藉助了光伏的自身優勢開展應用,如光伏農業、光伏漁業、光伏水泵、光伏園區、光伏充電樁、光伏智慧路燈等等。圖撲軟體的視覺化賦能產業的智慧運維,智慧化管理、數字化監測、綠色化發展。
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區塊鏈、人工智慧、大資料和物聯網等技術的應用,為建築執行節能減排提供了一種新的技術路徑。運用物聯網智慧感測器等新技術對各種能量流進行智慧平衡調控,達到能源的迴圈往復利用,實現能耗的精細化管理。“能源即服務”的分散式園區智慧能源管理解決方案,可滿足一體化運維與多元化服務需求。

“零碳”技術是實現能源供給結構轉型的關鍵技術,其中既包括零碳電力技術,也包括零碳非電能源技術。一方面,以零碳電力技術-新能源發電技術為起點,實現對化石能源的大比例替代,從源頭“減碳”;其次,通過零碳非電能源技術、儲能技術,提升新能源電力的利用率,並貫穿運用於發電側、輸電側和使用者側。最後,創新並逐步應用 CCUS 技術,輔助高排放部門有效減碳。

更多行業應用例項可以參考圖撲軟體官網案例連結:https://www.hightopo.com/demo...