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【华为&安永】电力数字化2030白皮书|洞见研报行业前沿
发布时间:2023-06-19浏览量:3571信息来源:江苏云杉清洁能源投资控股有限公司

第一章:电力数字化背景及目标

(一)电力数字化发展背景

电力行业正在经历深度转型。未来,电力系统将呈现两大重要变化,为电力数字化技术的发展和应用明确了基本方向:

1、能源结构绿色化

从电力供给侧看,随着“双碳”政策的不断加压,新能源投资建设需求必将持续快速增长,未来将建设更多大型风光基地以及大规模分布式新能源设备,以逐步取代传统能源发电厂,推动能源结构从“以传统能源为主体”向“以新能源为主体”转变。

以中国为例,重点建设的新能源基地大多分布于西部地区、北部地区等人口密度与用电负荷相对较低的区域,而对能源的需求主要来自东部和南部人口稠密区域;北美也面临同样境遇,风、光资源分布与经济发达程度也存在区域错配。因此,对于幅员辽阔的地区,大规模新能源基地电量外送仍是提高电力系统可再生能源比例的重要方式,这对电网远距离传输和消纳能力、储能设备配套建设及灵活运营等方面提出新的要求。

此外,欧盟各国区域面积小,可以就近利用既有资源,因此在靠近用户侧涌现出大量分布式光伏与分散式风电设备,这些在配网负荷系统中出现的电源对配电网络的稳定运行带来新的挑战。

2、供电模式互动化

从电力消费侧看,随着全社会对能源可持续发展认识的不断加深,以及疫情的长期蔓延,终端用户对可靠性更强、价格更便宜的本地能源消纳的诉求愈发明显,这将催生出越来越多的配网级分布式能源加入电力系统运行,促使供电模式从“以大型发电厂为中心”向“以产消者为中心”转变。

随着原先以负荷为主的配网系统逐步向源荷一体升级,供电模式也将从过去的“源随荷动,生产计划主导,进行单向逐级电力传输”,向“源荷互动,以消纳更多可再生能源为目标,根据供需变化进行双向灵活调配”发生转变。用户对能源消费的自主权更大、选择面更广,从被动用电到主动消费,将衍生出对用电需求的准确预测、电量资源的灵活调配、配网的韧性和平衡等方面的新需求。

(二)电力数字化核心目标

电力数字化转型和发展的最终目的,就是随着电力系统升级,消纳更多以风、光为代表的绿色低碳电力,促进源网荷储高效互动,确保电力系统高效稳定运转,提升能源效率,推动碳达峰、碳中和的实现。

综合产业各方的观点,我们认为电力数字化建设有五大核心目标:

1、支持资产安全与效率提升

随着电力系统转型发展,新的新能源电厂、分布式电源及电子设备会逐步融入并替代老旧设备。

但在转型过程中,作为传统重资产行业,存量电力资产仍然发挥着重要作用。发电侧,传统能源仍然承担着保底电源的职能,一些大容量、高效率、低排放的火电机组,在一定时间内仍然是发电主力,同时火电机组未来也承担着调峰调频、平抑新能源出力波动的重要职责;输配电侧,由交、直流特高压大量电网基础设施构成的电力传输网络,仍是跨域及城市电力传输的根本保障。增量资产方面,抽水蓄能电站、压缩空气和电化学储能将是实现“源网荷储”一体化协调互动的核心与关键,未来势必会有大量的储能设备投入建设运营。

因此,以安全为核心,电力数字化的首要目标就是降低电力资产的运行风险、延长使用寿命、提高安全性和运营效率,确保电力去碳化转型的平稳过渡与供电安全可靠。

2、支持新能源并网消纳

与传统能源相比,新能源发电具有随机性、波动性、间歇性等特点,同时对极端天气的耐受能力较弱,导致电量生产、电力输出等面临不确定因素,造成电压、频率等出现波动,对电网的供电可靠性产生较大影响。近年来,伴随着大规模新能源基地建设的推进,弃风、弃光以及新能源脱网等现象仍然频发,新能源发电并网成为推进落实电力行业绿色低碳的关键掣肘。

因此,通过感知、预测、控制、调度等一系列电力数字化技术手段的应用,高比例消纳来自源端和荷端新能源发电量,抵消新能源并网对电网运行带来的波动,是电力行业积极落实“碳达峰”、“碳中和”的关键所在。

3、支持源网荷储协调互动

随着大型新能源设施、分布式能源系统以及不同规模储能装置的大量应用,在以难以预测的自然资源可用性为基础的电力生产和以用户实时需求为导向的电力消费间,不再是两条完全匹配的曲线,容易形成电能的供需错配。

通过电力数字化技术的应用,聚合电源、储能等各类资源,并基于需求动态变化情况,协调出力、优化控制,实现削峰填谷,提高电力系统灵活性和稳定性,是实现源网荷储协调互动、提高整体能源使用效率的核心手段。

4、支持绿色电能市场化交易

过去,绿色电能的发展主要依托政府补贴来推动,但要想促进长期可持续的良性发展,赋予绿色电能商品属性,推动绿电交易市场化转型才是长久之计。目前,绿电市场化交易处于试点阶段,交易主体多元、认证流程复杂,存在成本高、难追溯、易篡改等潜在风险。

通过电力数字化技术的应用,让用电企业自愿为绿电支付溢价,激发各类市场主体主动参与绿电交易的热情,是让绿电交易成为“双碳”重要抓手的关键措施。

5、支持能源低成本、高效能使用

以建设资源节约型、环境友好型社会为目标,做到“用更少的资源、产生更多的能源”,是实现可持续发展的必由之路。

面对各类用户不断变化的用电方式和日益多元

的用电需求,基于电力数字化技术,为用户提供准确的用能分析、进行合理的能效对标、匹配最优的用能方案,从而最大化能源利用效率,是减少能源浪费、建设高效型社会的重要途径。

第二章电力数字化场景描绘

(一)电力数字化蓝图构想

在去中心化、终端电气化的行业背景和发展趋势推动下,电力系统“源、网、荷、储”的互动会逐步加速、加深,打破传统价值链的边界,打破传统电力系统“源随荷动”的强计划属性,电力供需将变得越来越灵活、随机。

围绕电力数字化总体发展目标,未来在数字化边端(边端采集与控制)、泛在通信网络(地面通信与卫星通信)、算力和存储(云平台、云边端协同、空间计算与区块链)、算法和应用(人工智能、图计算与高级分析等)等新一代数字化使能技术的大力发展和广泛应用下,将全面联通物理世界与数字空间,通过将电力系统中的设备信息、生产过程等转化为数字表达,打造电力系统在虚拟空间中的“数字镜像”。同时,通过数字化监控、智能化分析、数智化自治等数字化能力的进阶式提升,完成物理世界与数字空间从虚实映射到深度交互的演进,进而实现整个电力系统的数字孪生。

具体来看,电力数字孪生可以分为三种形态:

1、数字化监控

监控的目的是通过泛在感知、高速通信及平台存储,对电力设备资产的运行过程及运行状态全面、精准、实时地在数字空间中进行反映,并基于多维数据对设备资产进行全生命周期的动态监控与诊断,从而实现对各类电力场景的“比特感知瓦特”。感知网络的建立和机理模型的构建是实现电力系统高效数字化监控的基础;同时,数据互通和泛在物联也需要数据加密技术的支持以确保信息安全。

2、智能化分析

智能化分析的目的是基于确定的运行模式和机理规则,对发电机组、输配电网、电力负荷等未来运行变化进行分析预测与模拟反馈,为基于现有体系的运营优化和系统控制提供决策支持,从而实现对各类电力场景的“比特管理瓦特”。算力和算法是提高电力系统智能化分析准确性的核心技术,通过构建涵盖多领域多学科复杂数据模型以及数字空间的仿真模拟,可以帮助物理实体进行优化和决策,并形成有效闭环。

3、数智化自治

数智化自治是指基于跨系统、跨模块的海量数据交互,依托自适应、自进化的复杂算法模型,通过数字空间共享的智能成果,主动识别出当前物理世界运行模式的“瓶颈”,下达决策性指令或提出预见性改造方案,从而通过数字空间的“决策自治、成果反哺”,促进物理世界与数字空间的深度交互,实现“比特增值瓦特”。由于涉及到大量跨系统数据的交换与共享,因此除了高级分析等人工智能技术外,区块链及隐私计算等技术也是关键。

(二)电力数字化典型场景分析

1、典型场景选择

我们从价值属性和技术成熟度属性两大维度,对基于电力数字孪生下的众多电力数字化场景进行了拆解和评估,梳理出了三类场景定义:

1)当前热点场景:这类场景市场规模增长较快且已有相对成熟的数字化解决方案,可以视为相关企业电力数字化能力建设的“入门标准”;

2)未来重点场景:这类场景普遍体现出了对供电可靠及“双碳”的显性价值,但大规模应用仍待关键能源技术与信息化技术的突破和支撑;

3)其他场景:这类场景或者已是红海市场、或者商业价值尚不明朗,不纳入本白皮书研究范围。

2、典型场景分析

安全、效率、绿色是面向 2030 电力行业转型发展的关键议题。当前,围绕电力系统升级建设,在供电安全可靠、关键设备延寿、厂网运行效率、新能源消纳与交易等方面还面临诸多挑战。

在电力数字化总体发展目标下,我们将进一步探讨电力数字化在未来电力系统六大业务场景中的核心价值与关键技术应用支撑。