程紫運(yùn)，田云飛，徐慧慧，楊德州

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730000）

0 引言

隨著信息化水平的提升，電網(wǎng)企業(yè)對于需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源的重視程度越來越高[1]。國外可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動領(lǐng)域的研究起步較早，美國加州公用事業(yè)委員會在2018 年已經(jīng)提出禁止化石燃料備用發(fā)電機(jī)組參與需求響應(yīng)（Demand Response，DR）項(xiàng)目，并根據(jù)DR 競價(jià)試點(diǎn)情況，引導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)逐步退出市場，完全通過競價(jià)等市場化機(jī)制解決需求響應(yīng)的利益和資金分配問題。我國電力需求響應(yīng)的先期試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目已基本順利驗(yàn)收，而且也完成了典型行業(yè)的需求響應(yīng)潛力的初步測算。目前幾個試點(diǎn)地區(qū)都成功完成了既定的目標(biāo)削減量，但大多還是依賴半行政化手段或者人工方式[2]。已經(jīng)投運(yùn)的DR自動化控制系統(tǒng)，建設(shè)成本較高，難以大規(guī)模推廣復(fù)制[3]。我國在2020年陸續(xù)開展了電力需求響應(yīng)的深化工作，浙江省提出了參與DR 項(xiàng)目的用戶響應(yīng)能力、啟動條件、響應(yīng)時(shí)段要求，分別針對削峰和填谷兩種典型DR場景，構(gòu)建了4 GW和1500 MW的資源池，并在浙發(fā)改能源[2020]221 號文中明確了4元/kWh 的固定補(bǔ)貼單價(jià)。天津工業(yè)和信息化委員會、電力公司以及40 余家電力大用戶，針對電網(wǎng)低負(fù)荷影響熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的問題簽署了多方協(xié)議，制訂了冬季DR 保障方案，用于緩解供電、供熱矛盾，構(gòu)建了谷段負(fù)荷資源池500 MW。在目前正在推進(jìn)的現(xiàn)貨市場中，也有學(xué)者提出通過DR 資源實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)/非旋轉(zhuǎn)備用、頻率調(diào)節(jié)等高級應(yīng)用的思路。

M2M通信和移動邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為未來可調(diào)節(jié)負(fù)荷的分布式監(jiān)測和控制任務(wù)提供了適當(dāng)環(huán)境。5G 技術(shù)的發(fā)展使移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)正逐漸發(fā)展成為一個強(qiáng)大的平臺，用于支撐大規(guī)模可調(diào)節(jié)負(fù)荷的信息采集、通信、存儲和處理[4]。5G將為電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸提供優(yōu)質(zhì)的傳輸服務(wù)。隨著大量分布式物聯(lián)設(shè)備信息接入，會對現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一定的沖擊，5G廣連服務(wù)將為海量終端接入提供必要的支撐條件。對于同時(shí)需要極低延遲和極高可靠性的智能量測和控制設(shè)備，需要使用超可靠的低延遲通信服務(wù)。在具體的業(yè)務(wù)信息處理方面，諸如移動邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）等新的架構(gòu)概念將是部署分布式方案的關(guān)鍵[5-7]。本文重點(diǎn)針對5G 在可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的適用性關(guān)鍵技術(shù)開展相關(guān)研究，并嘗試提出未來基于5G的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動方案。

1 5G 在可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動領(lǐng)域的應(yīng)用適用性分析

1.1 可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動業(yè)務(wù)需求

已有的研究過多地關(guān)注可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的執(zhí)行效率和精確性，采用了復(fù)雜的控制和監(jiān)控策略，通常依賴于強(qiáng)大、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。小型可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源可以看作是具有不同需求的分布式系統(tǒng)，單個網(wǎng)絡(luò)的部署往往過于昂貴和費(fèi)時(shí)[8-10]。此外，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大也會導(dǎo)致端到端延遲過高，從而影響可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的實(shí)時(shí)性。公共和專用網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)信息和通信技術(shù)（Information and Communica?tion，ICT）的融合被認(rèn)為是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。因此，可基于分片5G 網(wǎng)絡(luò)中軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Soft?ware Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）驅(qū)動的邊緣云，將計(jì)算資源從主干網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)主站轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的接入端，通過在邊緣側(cè)部署智能計(jì)算終端減少延遲[11]。此外，由于數(shù)據(jù)可以保存在本地，即靠近用戶端，通信基礎(chǔ)設(shè)施的流量負(fù)載會相應(yīng)減少，可以通過將業(yè)務(wù)程序從中心云轉(zhuǎn)移到邊緣來實(shí)現(xiàn)?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷互動服務(wù)將逐步轉(zhuǎn)移至靠近邊緣的位置，邊緣智能計(jì)算資源的部署需要在動態(tài)數(shù)據(jù)回程傳輸和本地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算中進(jìn)行折中考慮。

以智能樓宇參與自動需求響應(yīng)項(xiàng)目場景為例，在每棟樓宇內(nèi)部署的ADR 網(wǎng)關(guān)與樓宇建設(shè)管理系統(tǒng)（Building Management System, BMS）進(jìn)行通信，并在終端內(nèi)嵌入?yún)⑴c各類需求響應(yīng)項(xiàng)目的互動策略，當(dāng)發(fā)生DR 事件時(shí)ADR 網(wǎng)關(guān)能夠自動執(zhí)行預(yù)置的控制策略。本地網(wǎng)匯聚智能用電設(shè)備、計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)、DR控制器等，通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳至可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動平臺與電網(wǎng)側(cè)管理主站，如圖1 所示。目前普遍關(guān)注的互動策略大多是用能成本最低或者用能影響最小，采用的手段包括調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組的頻率、關(guān)閉非占用房間的照明、關(guān)閉觀賞湖水泵系統(tǒng)等。通過良好的底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效解決測控信號的傳輸瓶頸，從而滿足DR 業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求。此外，在極端條件下需要調(diào)整末端消費(fèi)能力時(shí)，良好的交互也可以減少由于限電和停電所引發(fā)的問題。

圖1 基于5G的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動架構(gòu)

1.2 面向可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的5G承載方案

5G通信網(wǎng)絡(luò)提供了3種不同的切片傳輸方式，分別為增強(qiáng)型移動寬帶（Enhance Mobile Broad?band，eMBB）、海 量 機(jī) 器 通 信（Massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低時(shí)延通信(Ultra-reliable & Low Latency Communication，uRLLC)，其中eMBB主要適用于大容量業(yè)務(wù)傳輸，可以用于可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動過程中的歷史數(shù)據(jù)更新和檔案同步，mMTC則主要適用于海量終端接入，適合大量分散式的采集器、傳感器和控制器的接入，uRLLC則主要適用于低時(shí)延數(shù)據(jù)的傳輸需求，可以用于作為可調(diào)節(jié)負(fù)荷的實(shí)時(shí)控制信號傳輸[12-13]。

5G 網(wǎng)絡(luò)的不同傳輸模式可以實(shí)現(xiàn)海量終端的接入、毫秒級的延時(shí)以及大容量高速率傳輸，可滿足可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動過程中的各類需求。但是在選擇切片類型、切片方式方面還沒有達(dá)成共識。目前普遍認(rèn)為可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動領(lǐng)域的傳輸需求應(yīng)當(dāng)根據(jù)業(yè)務(wù)的緊急程度進(jìn)行劃分[14-15]，比如：建議配電自動化系統(tǒng)采用uRLLC 切片方式，電動汽車充電運(yùn)營、可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動由于數(shù)量眾多，建議上行采用mMTC 方式，下行采用uRLLC 方式。可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動業(yè)務(wù)由于涉及毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制和常規(guī)秒級互動，相對比較特殊，對于毫秒級系統(tǒng)上行采用uRLLC，而秒級系統(tǒng)上行采用mMTC 即可。通過不同的切片方式，實(shí)現(xiàn)對于不同電力業(yè)務(wù)的細(xì)分管理，具體的切片對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 面向差異化可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的切片技術(shù)

2 基于5G的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 基于CIM的標(biāo)準(zhǔn)的信息服務(wù)

目前，公共信息模型（Common Information Model，CIM）已經(jīng)成為電力行業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)化的主流技術(shù)，IEC 相關(guān)組織也開發(fā)了對應(yīng)智能電網(wǎng)不同環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)接口模型。在制定可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的信息模型過程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)參考已有的CIM模型。國家電網(wǎng)公司結(jié)合營銷2.0業(yè)務(wù)需求，計(jì)劃以SG-CIM為基礎(chǔ)豐富關(guān)于需求側(cè)的公共信息模型。在未來大規(guī)?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷接入后，需要統(tǒng)一接入資源的信息模型，在邊緣側(cè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象、整合、編排數(shù)據(jù)類型，設(shè)計(jì)規(guī)范多源異構(gòu)資源接入的統(tǒng)一模型，降低數(shù)據(jù)冗余[16-17]。EMIX 可應(yīng)用于所有類型的電力市場，包括區(qū)域電力市場、跨區(qū)市場、被監(jiān)管的市場、被監(jiān)管的電力零售價(jià)格、開放的電力市場、批發(fā)和零售雙邊交易市場。雖然所形成電價(jià)的市場模式不同，但所有市場都可以從價(jià)格和產(chǎn)品信息互操作中受益。為了支持需求響應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方式，通常可將EMIX 轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）形式，其EA模型如圖3所示。其中，XSDdatatype 包表示的是XSD 的數(shù)據(jù)類型，其他8個包都是依次按照EMIX規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

在5G 通信場景中可以采用基于分布式優(yōu)化的計(jì)算模型，通過本地集成分布式算法到邊緣計(jì)算MEC 框架中，通過5G 的mMTC 服務(wù)獲取測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行本地實(shí)時(shí)計(jì)算[18]。openADR2.0a 定義的功能相對較為簡單，openADR2.0b 則具備了較為完備的服務(wù)功能集，也是目前應(yīng)用的主流需求側(cè)互動協(xié)議，已經(jīng)定義了注冊類、報(bào)告類、參與服務(wù)類、輪詢類、事件類5類公共服務(wù)，并定義了支撐可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的具體服務(wù)模型，如表1所示。

2.2 可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的信息模型及互動消息傳遞

可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動過程中通常涉及需求響應(yīng)控制 中 心（Demand Response Automation Server，DRAS）、聚合商DRAS 以及需求側(cè)BEMS 網(wǎng)關(guān)等實(shí)體，在電網(wǎng)側(cè)IEC 61850應(yīng)用較為廣泛，而用戶側(cè)也具有專用通信協(xié)議，因此需要進(jìn)行協(xié)議模型轉(zhuǎn)換[19-20]。IEC 61850的信息模型數(shù)據(jù)屬性包括了OpenADR2.0b定義的全部信息，根據(jù)IEC 61850 的信息模型創(chuàng)建應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用程序可以將其數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中存入、取出而無需考慮具體的通信標(biāo)準(zhǔn)。在OpenADR2.0b 中，數(shù)據(jù)對象實(shí)例是通過每個服務(wù)類定義的XML Schema 實(shí)現(xiàn)的，聚合對象是通過元數(shù)據(jù)的XML Schema 聲明的。很多情況下，受限于企業(yè)信息化系統(tǒng)的安全性限制，負(fù)荷聚合商無法發(fā)起能夠有效穿越防火墻的入站連接。聚合商在其應(yīng)用服務(wù)器上設(shè)定功率削減指令，并等待每個能源管理網(wǎng)關(guān)連接進(jìn)行探詢。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，BEMS 可以通過1 min周期進(jìn)行輪詢的方式獲取削減指令，并報(bào)告當(dāng)前的實(shí)際電功率使用情況。

表1 支撐可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的openADR2.0b的公共服務(wù)模型

傳統(tǒng)的DR業(yè)務(wù)通常被認(rèn)為在半小時(shí)或者更長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，不需要DRAS 能夠快速通告數(shù)據(jù)的變化，可以采用5G 的eMTC 切片方式，利用OpenADR中的PULL 信息交互方式進(jìn)行周期性交互[21]。圖4分別給出了DRAS VTN 服務(wù)器與DRAS VEN 客戶端在不同類型DR業(yè)務(wù)中的業(yè)務(wù)交互時(shí)序關(guān)系。

圖4 基于5G差異化切片的DR資源群互動消息傳遞方式

由于網(wǎng)絡(luò)安全性限制，ADR中心大多無法主動建立與需求響應(yīng)控制器之間的連接，需要聚合商DRAS采用周期性的PULL方式獲取數(shù)據(jù)，如果聚合商DRAS客戶端在剛剛執(zhí)行事件獲取操作后發(fā)生新的事件，則該事件需要經(jīng)歷較大的時(shí)延，最壞情況下事件的時(shí)延周期為PULL的輪詢周期。

3 結(jié)語

本文針對基于5G 的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動應(yīng)用開展了相應(yīng)分析，可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動是電網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，參與調(diào)度的可調(diào)節(jié)資源應(yīng)當(dāng)具備良好的互動能力，作為電網(wǎng)備用資源，其調(diào)節(jié)和控制對通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的技術(shù)需求，控制及遙測信號需要更快速的信息通信網(wǎng)絡(luò)支撐，5G網(wǎng)絡(luò)作為可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動的重要通信支撐技術(shù)，能夠保障可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動業(yè)務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性。隨著信息化技術(shù)水平的進(jìn)一步提升，未來可以實(shí)現(xiàn)對于需求側(cè)資源更加精細(xì)化的深度感知，同時(shí)在滿足用戶意愿的前提下，能夠讓更多的需求側(cè)資源參與到電網(wǎng)的友好互動過程中，從而提升電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。