李 琦，完顏紹澎，顧舒嫻，于 佳

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000；2.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），江蘇 南京 210000；3.南京蘇逸實業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

世界能源消費的持續(xù)增長以及環(huán)境污染的不斷加重促進了分布式電源的廣泛應用。虛擬電廠（VPP）、儲能云、微網(wǎng)等通過先進的通信技術和控制策略為分布式電源運行管理提供了現(xiàn)實可行的解決方案，可充分發(fā)揮分布式電源效益，提高用戶供電可靠性，解決分布式電源并網(wǎng)的控制調(diào)度問題。當前源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控主要為集中式調(diào)控，此類集中控制的手段，就要求對涉及分布式運行的每一個單位信息達到完整地掌握，同時，其操作設置應滿足當?shù)胤植际较到y(tǒng)的變化需求［1］。

然而，大量風力、光伏等不可控分布式電源的出力受自然影響較大，實際輸出存在很大的隨機性與波動性，如果不及時加以引導和控制，會造成供電可靠性降低等問題；其次，由于電能不能大量存儲的特性，高滲透率分布式電源接入電網(wǎng)后，需要即發(fā)即用，如果沒有及時啟用相應容量的電力負荷，只能棄風棄光，造成大量可再生能源的浪費［2-3］；最后，分布式能源接入存在接入點多、接入距離遠近不一、接入規(guī)約雜等問題，造成整個系統(tǒng)同步運行可靠性低［4-5］，時鐘的可信度差，進一步影響集中調(diào)控效率和質量。綜上所述，分布式能源中時間系統(tǒng)的運行水平和數(shù)據(jù)采集的同步性已經(jīng)成為源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控水平進一步提升的瓶頸。

因此，提出基于時間敏感網(wǎng)絡（以下簡稱TSN）的技術方案，研制采用TSN 技術的以太網(wǎng)設備，令分布式能源調(diào)控任務中的所有采樣數(shù)據(jù)處在同一個時間斷面下，實現(xiàn)控制任務的時間／時序可測量、可預測，為公司建立高效、低成本的源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心提供重要技術支撐。成果可推廣應用至全國源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心，具有廣闊的應用前景。

1 時間可預測性模型

通過對分布式新能源、儲能、可控負荷等多種智能電網(wǎng)應用場景的系統(tǒng)分析和功能需求分析，明確電力信息與通信技術如何更好地支撐分布式新能源的調(diào)控與有效利用。

1.1 分布式能源調(diào)控業(yè)務差異化需求

1）技術場景分析。以微網(wǎng)、主動配電網(wǎng)、虛擬發(fā)電廠和儲能云4 種分布式能源調(diào)控技術為研究對象，對各種技術場景進行分析，描述各類技術場景的功能體系。

2）調(diào)控流程分析。圍繞分布式能源運行管理的主要目標，建立各功能的調(diào)控流程，明確功能模塊間的相互關系，描述功能間的相互依賴和影響程度。

3）信息系統(tǒng)交互過程分析。根據(jù)功能體系框架和調(diào)控流程，設計信息應用系統(tǒng)，并概要設計各信息系統(tǒng)間的交互信息內(nèi)容和規(guī)模，為通信需求分析提供條件和參考依據(jù)。

4）通信業(yè)務需求分析。在建立了信息系統(tǒng)交互過程的基礎上，進一步明確各系統(tǒng)間通信業(yè)務類別，并以格式化的形式給出通信業(yè)務需求的QoS 描述模板。

5）時間約束。以通信業(yè)務的QoS 參數(shù)為基礎，提煉抽象與傳輸時間相關的參數(shù)，構建時間約束條件函數(shù)。在后續(xù)的研究過程中，時間約束條件函數(shù)不僅作為分布式能源調(diào)控場景下多主體雙向實時通信業(yè)務的時間質量描述方式，還作為通信網(wǎng)絡規(guī)劃、設計、實現(xiàn)的目標函數(shù)。

1.2 分布式能源調(diào)控的時序動態(tài)特征

1）調(diào)控過程場景選擇。分布式能源調(diào)控場景非常多，首要工作是在眾多的調(diào)控場景中選擇最恰當、最具代表性的場景作為研究對象。調(diào)控場景的選擇原則包括：重要性、關鍵性、嚴苛性、普遍性、全面性以及可實現(xiàn)性。

2）調(diào)控過程特征描述。調(diào)控過程是多個信息實體相互作用的過程，比較恰當?shù)奶卣髅枋龇椒ㄊ菚r間序列模型。采用時間序列對調(diào)控過程的特征進行描述，可以有效分析分布式能源管理控制的基本屬性。

3）網(wǎng)絡事件映射。在物理層面，時間序列描述的是分布式能源管理控制的調(diào)控過程，然而，在信息層面，時間序列描述的是信息系統(tǒng)各類消息在通信網(wǎng)絡中的傳輸事件及其傳輸事件的特征［6］。因此，把描述調(diào)控過程特征的時間序列，映射到通信網(wǎng)中，形成網(wǎng)絡事件特征描述的時間序列。在映射過程中，信息物理融合系統(tǒng)的相關理論是研究基礎。

4）時間序列的相關性和并發(fā)性分析。通過信息物理融合系統(tǒng)原理的特征映射，調(diào)控過程特征表示為網(wǎng)絡事件的時間序列。根據(jù)分布式能源調(diào)控過程，本項目研究各類時間序列的相互關系。對時間序列進行時間尺度上的相關性分析，可以得到調(diào)控過程的事件相關性；對時間序列進行空間尺度上的分析可以得到調(diào)控過程事件的并發(fā)性。

5）任務執(zhí)行過程影響性分析。以調(diào)控過程的事件相關性和并發(fā)性為基礎，綜合研究分布式能源調(diào)控過程中，任務執(zhí)行過程的影響性。

1.3 時間／時序可預測的通信網(wǎng)絡模型

建立通信網(wǎng)絡模型并能夠在所建模型基礎上進行事件時間和時序的預測，是分布式能源調(diào)控通信網(wǎng)絡規(guī)劃設計的必要前提［7］。通信網(wǎng)的建模需要考慮多個因素，其中包括：網(wǎng)絡與通信技術、分布式能源調(diào)控需求和時間預測方法。

網(wǎng)絡與通信技術種類繁多，支持分布式能源調(diào)控的技術也很多。考慮時間延遲特性，把網(wǎng)絡與通信技術劃分為3 種時間分布類型，分別是專用通道、電路交換、分組交換。其中，專用通道包括：光纖、波分復用、無線和電力線等［8］。這種通道的延遲時間相對穩(wěn)定具有良好的特性，但是，資源利用率低、共享能力差、組網(wǎng)靈活性低、建設成本高。電路交換包括全部TDM 類型的鏈路，典型的網(wǎng)絡技術是SDH。這種通道類型延遲時間較為穩(wěn)定，特性比較良好，資源利用率較高，共享能力較強，組網(wǎng)靈活性較低，是一種較為成熟的技術。分組交換技術適用于傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務，具有組網(wǎng)靈活、資源利用率高，建設成本低的特點。此類技術的突出特點的延遲特性較差，不利于實時應用。但是隨著技術進步，分組交換技術有望成為實時通信業(yè)務的可選方案之一。

分布式能源的應用場景不同，所采用的調(diào)控技術不同，具有差異化的通信業(yè)務需求，這使得通信網(wǎng)絡模型在建模時必須考慮這種差異化的影響。因此，通信模型需要考慮調(diào)控流程，流程中涉及的各個環(huán)節(jié)的時間需求及其參數(shù)，時間序列模式以及相關性和并發(fā)性。調(diào)控流程提供了通信網(wǎng)結構和規(guī)模性的基本參考信息，這也是通信網(wǎng)絡建模的前提。時間參數(shù)確定了網(wǎng)絡鏈路和節(jié)點的延時分布，這些參數(shù)決定了網(wǎng)絡構成單元的時間屬性和特征。時間序列模式及其相關性和并發(fā)性，確定了網(wǎng)絡事件的行為模式，為時間預測提供支撐。

為了保證所建立通信網(wǎng)模型的準確性和可用性，基于模型的時間預測和行為方針是必要環(huán)節(jié)。在仿真結果的基礎上，進一步對模型進行優(yōu)化和調(diào)整，最終形成可用的通信網(wǎng)絡模型。為了保證分布式能源調(diào)控過程中各信息實體互操作的信息完整性，需要初步確定消息傳輸應該遵循的通信規(guī)約。

2 源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度控制策略

源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)控制的核心在于電網(wǎng)、電源、負荷（儲能）三側的可調(diào)節(jié)資源基于時間／時序精確預測有效充分地利用起來。在網(wǎng)側，控制系統(tǒng)“及時管理”；在源側，分布式電源的“及時參與”；在負荷側，實現(xiàn)柔性負荷的“及時響應”。源-網(wǎng)-儲-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)應用基于時間敏感技術，實現(xiàn)調(diào)度對接入元素信息的及時精確感知，通過收集全網(wǎng)各負荷點的實時運行數(shù)據(jù)、開關狀態(tài)信息、網(wǎng)絡拓撲信息、分布式電源的運行工況以及儲能單元的電荷狀態(tài)信息等，根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標時間顆粒度，得出有功功率全局優(yōu)化控制策略和無功功率全局優(yōu)化控制策略。源-網(wǎng)-儲-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制實現(xiàn)的總體思路如圖1 所示。

圖1 源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制總體思路

3 海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)約轉換模型

在遠程讀取測量值、可視化市場價格信號、監(jiān)控負荷曲線等智能計量技術的基礎上，源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心通過聚合需求側資源和分布式能源，實現(xiàn)智能能量管理和智能配電自動化。但是這些技術的實現(xiàn)需要進行海量的數(shù)據(jù)交換。典型通信系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 通信系統(tǒng)結構

源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心的核心部分是基于IEC 61970 的公共信息信息模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含系統(tǒng)運行所需要的全部信息。調(diào)控中心對下通信則是要面對如IEC 61850 等大量不同的規(guī)約，這些通信協(xié)議與IEC 61970 之間的海量信息轉換則通過統(tǒng)一規(guī)約轉換器來實現(xiàn)，所以研究基于網(wǎng)管技術的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)約轉換模型是規(guī)約轉換器研發(fā)的關鍵。統(tǒng)一規(guī)約轉換模型需采用精準時間斷面技術和基于大數(shù)據(jù)的可預測網(wǎng)管技術，才能保證時間時序可測量、可預測。

分析時間敏感網(wǎng)絡的協(xié)議棧，開展TSN 關鍵機制研究，包括研究優(yōu)先級時間感知調(diào)度技術和同步傳輸周期與時間同步技術，以確保連接在網(wǎng)絡中各個設備節(jié)點的時鐘同步，并達到微秒級的精度誤差；依據(jù)保護帶寬與幀搶占技術和流量整形技術，通過時間感知調(diào)度程序，為優(yōu)先級較高的時間敏感型關鍵數(shù)據(jù)分配特定的時間槽，并且要求在規(guī)定的時間節(jié)點內(nèi)，網(wǎng)絡中所有節(jié)點都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過；研究冗余路徑機制，結合對工業(yè)以太網(wǎng)技術特性與組網(wǎng)模式的研究，通過網(wǎng)絡管理和配置，實現(xiàn)對網(wǎng)絡參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設備節(jié)點和數(shù)據(jù)需求的各種變化提出基于TSN 的時間確定性工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術體系，建立面向分布式能源負載的標準數(shù)據(jù)通信平臺。

4 時間敏感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信設備研制

4.1 原型機關鍵技術研究與實現(xiàn)

TSN 交換機除了硬件上應用支持TSN 功能的芯片，更多依賴的是協(xié)議的支持，基于目前成熟的交換機技術平臺，通過C 語言實現(xiàn)TSN 功能協(xié)議，以獨立進程形式運行；基于已有平臺架構和TSN 協(xié)議功能分析抽象出TSN 協(xié)議功能接口，結合現(xiàn)有軟件架構進行適配處理，以快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。

基于交換機硬件芯片的過濾處理（Filter Processor，F(xiàn)P）功能，通過獨立的監(jiān)控管理進程，按照配置、指令動態(tài)的識別提取邏輯鏈路特征信息，格式化下發(fā)邏輯鏈路規(guī)則信息給硬件芯片，進程周期讀取邏輯鏈路信息，對讀取的邏輯鏈路信息進行分析處理，對異常情況進行記錄及告警上報。

基于多核CPU，采用軟件算法和FPGA 芯片結合的方式，根據(jù)系統(tǒng)配置對規(guī)約進行轉換處理。由于網(wǎng)絡上需要進行轉換的規(guī)約有時效性的要求，就需要規(guī)約轉換設備能夠快速處理，通過FPGA 芯片進行報文的硬件識別，分發(fā)給多核芯片的相應處理核，提供報文識別分發(fā)的效率，軟件算法上通過協(xié)議的映射對應算法，快速處理報文規(guī)約轉換。

4.2 TSN 交換機原型樣機開發(fā)

圖3 硬件設計方案

綜合分析技術成熟度，經(jīng)濟效益的基礎上，分析裝置的功能、性能，研究關鍵技術的軟硬件實現(xiàn)技術，形成智能高實時網(wǎng)絡交換機的實現(xiàn)方案，進行原理圖、PCB 設計、軟件代碼編寫和調(diào)試，完成裝置樣機的研制，并進行完整的測試。系統(tǒng)的硬件、軟件設計分別如圖3 和圖4 所示。

圖4 軟件設計方案

系統(tǒng)基于linux 操作系統(tǒng)，交換機應用功能以多進程的方式進行實現(xiàn)，應用功能、協(xié)議模塊通過適配管理模塊與芯片的驅動接口進行數(shù)據(jù)交互。

5 結語

分布式能源中時間系統(tǒng)的運行水平和數(shù)據(jù)采集的同步性是源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控水平進一步提升的瓶頸。針對此問題，提出基于時間敏感網(wǎng)絡的技術方案，研制采用TSN 技術的以太網(wǎng)設備，令分布式能源調(diào)控任務中的所有采樣數(shù)據(jù)處在同一個時間斷面下，實現(xiàn)控制任務的時間／時序可測量、可預測，為建立高效、低成本的源網(wǎng)儲荷調(diào)控中心提供重要技術支撐。