白新雷，張 凱，馮 劍，張露露，陳 珂，宮飛翔

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司 營銷服務(wù)中心，石家莊 050035；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司，石家莊 050022；3.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；4.中國電力科學研究院有限公司 需求側(cè)多能互補優(yōu)化與供需互動技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100192）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟從高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長，工業(yè)、商業(yè)、居民用電比重不斷上升，電力尖峰負荷波動明顯。為有效控制尖峰負荷帶來的不利影響，應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)電源建設(shè)和需求側(cè)管理，保證電力系統(tǒng)供需平衡，減少電網(wǎng)損失和建設(shè)成本。電力需求側(cè)管理（demand side management，DSM）是指利用現(xiàn)代科學技術(shù)，電力系統(tǒng)中各方參與者共同協(xié)作，改變用戶側(cè)用電效率和用電方式，有利于促進電力系統(tǒng)各方參與者良好互動，維護電力供需平衡。

隨著工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的電力需求不斷增長，全國區(qū)域性缺電問題凸顯。河北南網(wǎng)季節(jié)性時段性缺電問題尤其突出，2019年夏季河北南網(wǎng)最高用電負荷超4 000萬kW，同比2018年增長9.74%，亟需從用電側(cè)入手進行需求側(cè)資源精準高效調(diào)節(jié)，實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷動態(tài)平衡。目前需求側(cè)管理研究熱點主要是需求側(cè)管理策略和需求側(cè)管理平臺。文獻［1］—文獻［3］基于博弈論斯塔伯格博模型，求解用電用戶的最優(yōu)需求響應(yīng)策略，優(yōu)化調(diào)整用戶用電任務(wù)。文獻［4］提出了一種基于模糊邏輯改進的加權(quán)公平隊列動態(tài)調(diào)度策略，滿足需求響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求。文獻［5］提出一種基于逐級電網(wǎng)安全的有序用電策略和系統(tǒng)框架，以提高電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。文獻［6］提出一種以客戶用電需求為導向的臺區(qū)有序用電管理策略。相關(guān)的需求側(cè)管理策略算法研究已經(jīng)比較成熟，但是目前的技術(shù)手段難以支撐精準、高效的電力需求側(cè)資源調(diào)節(jié)。文獻［7］介紹了廣東省電力需求側(cè)管理平臺建設(shè)目標和建設(shè)架構(gòu)，為廣東地區(qū)開展電力需求側(cè)管理提供了技術(shù)支撐。文獻［8］介紹了山東省電力需求側(cè)管理平臺建設(shè)及應(yīng)用，提升了電力需求側(cè)管理工作水平。但是目前依然存在著調(diào)節(jié)資源多，用戶手動調(diào)節(jié)及時性差、不確定性大、缺乏自動高效調(diào)節(jié)海量資源的模型、源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)互動嚴重不足等問題。本文提出一種面向用電負荷精細化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺，平臺覆蓋全省，滿足省-市-縣3級應(yīng)用，可以對省內(nèi)特定負荷實現(xiàn)負荷精準切除、調(diào)控，解決逐年加劇的用電缺口問題。

1 需求分析

本文提出的面向用電負荷精細化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺針對河北南網(wǎng)用電負荷特點，以滿足河北省電網(wǎng)用電高峰期的平穩(wěn)安全運行需求、有效緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾為目標，通過電力需求側(cè)管理對重點用電客戶的用電負荷實行精細化靈活調(diào)控。

（1）功能需求：需求側(cè)管理平臺所具備的功能需求包括用戶管理、運行管理、可中斷執(zhí)行、有序用電、考核評價、平臺管理等。

（2）技術(shù)規(guī)格需求：需求側(cè)管理平臺所具備的技術(shù)規(guī)格需求包括性能需求、可靠性需求、可維護性需求、易用性需求、集成需求等。

（3）安全需求：需求側(cè)管理平臺所具備的安全需求包括用戶身份鑒別、訪問控制、應(yīng)用安全審計、用戶數(shù)據(jù)完整性保護、數(shù)據(jù)加密存儲、平臺間數(shù)據(jù)接口安全防護等。

2 平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺的總體結(jié)構(gòu)分為主站、通信信道、設(shè)備3層，如圖1所示，主站通過通信信道與設(shè)備建立通信連接，對設(shè)備發(fā)送通信指令，獲取設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，對設(shè)備進行控制，切斷可中斷負荷，達到削峰填谷目的。

圖1 需求側(cè)管理平臺總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the demand side anagement platform

（1）設(shè)備層主要包括用電信息采集終端、負荷管理控制終端、需求響應(yīng)終端及接入這些終端的計量電表、交采模塊、采集器等。

（2）通信信道指主站與終端的通信信道，包括電力公司內(nèi)部光纖網(wǎng)、無線專網(wǎng)、4G、GPRS等多種信道。

（3）主站主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層和業(yè)務(wù)功能應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層主要負責采集用戶的用電負荷、電壓、電流等數(shù)據(jù)，并對用戶用電開關(guān)、用電設(shè)備進行控制。主站的業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，包括通信組件、自動采集任務(wù)和需求側(cè)管理平臺。

2.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺是實施需求響應(yīng)、有序用電業(yè)務(wù)和開展對外宣傳的技術(shù)支持平臺。支持集中部署，具備獨立運行能力，業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，需求側(cè)管理平臺用戶包括省、市、縣各級電力公司相關(guān)專業(yè)人員，平臺的業(yè)務(wù)涵蓋用戶管理、終端的安裝與調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、終端控制、有序用電、考核評價、綜合應(yīng)用、平臺運行維護。通過統(tǒng)一的接口規(guī)范，平臺實現(xiàn)與用電信息采集平臺等系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺連接。

圖2 需求側(cè)管理平臺業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.2 Business architecture of the demand-side management platform

2.3 應(yīng)用架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示，對需求側(cè)管理平臺進行功能域劃分，平臺應(yīng)用架構(gòu)分為用戶管理、可中斷執(zhí)行、有序用電、考核評價、通信功能、自動任務(wù)、通信組件、運行維護、平臺管理、平臺接口10個功能域。

圖3 需求側(cè)管理平臺應(yīng)用架構(gòu)Fig.3 Application architecture of the demand side management platform

2.4 技術(shù)架構(gòu)

為了構(gòu)建高效性、可復(fù)用性、高通用性、安全性的平臺，主站軟件采用JAVA Spring+MVC架構(gòu)搭建，采用多層的分布式應(yīng)用模型、組件再用、一致化的安全模型及靈活的事務(wù)控制，使平臺具有更好的移植性，以適應(yīng)平臺將來的擴展的需要。

需求側(cè)管理平臺架構(gòu)如圖4所示，主站軟件采用了多層的分布式結(jié)構(gòu)，軟件架構(gòu)由表現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層組成。

圖4 需求側(cè)管理平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Technical architecture of the demand side management platform

（1）表現(xiàn)層：采用HTML、JavaScript等技術(shù)，主要提供業(yè)務(wù)的操作界面和信息展示界面，是用戶和平臺之間交流的橋梁，是直接面向操作用戶的部分。

（2）應(yīng)用層：是平臺的核心，主要實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯，負責平臺領(lǐng)域業(yè)務(wù)的處理，及邏輯性數(shù)據(jù)的生成、處理及轉(zhuǎn)換。

（3）服務(wù)層：包括數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、消息服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、報表服務(wù)以及平臺需要的其他服務(wù)，提供全局通用組件服務(wù)支持，并實現(xiàn)本平臺專用業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，為應(yīng)用層提供技術(shù)支撐。

（4）數(shù)據(jù)層：實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲、訪問和整理，為整個平臺提供數(shù)據(jù)管理支持。數(shù)據(jù)層主要通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

3 需求側(cè)管理平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

在需求側(cè)管理平臺的設(shè)計和建設(shè)中應(yīng)該充分考慮到當前和未來的發(fā)展需求，采用合理的技術(shù)，選用先進設(shè)備，以便于最大限度滿足當前需求側(cè)管理平臺的需要和電網(wǎng)公司及用電用戶對平臺的需求。

3.1 多級負載均衡技術(shù)

負載均衡（load balance，LB）技術(shù)，即一種在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上擴展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性和可用性的技術(shù)。在需求側(cè)管理平臺中，平臺將通過數(shù)據(jù)采集和平臺對接接入海量數(shù)據(jù)，并且隨著業(yè)務(wù)量的提升，服務(wù)器設(shè)備將承擔極大的數(shù)據(jù)處理和計算壓力，負載均衡技術(shù)通過相關(guān)算法擴展現(xiàn)有設(shè)備帶寬，加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。本文提出多級負載均衡技術(shù)。在前置環(huán)節(jié)，通過硬件F5均衡器完成終端上線均衡負載的需求。在任務(wù)調(diào)度環(huán)節(jié)，采用多任務(wù)器均衡方式進行在Web應(yīng)用環(huán)節(jié)，通過硬件F5均衡器將客戶端訪問請求均勻分布到各應(yīng)用服務(wù)，不僅可根據(jù)平臺性能需求增加或收縮任務(wù)處理模塊部署，降低單節(jié)點崩潰影響平臺運行的風險，也可以在提高性能的同時提高平臺運行可靠性。

3.2 MVC設(shè)計模式

MVC設(shè)計模式，M代表數(shù)據(jù)模型、V代表用戶界面、C代表控制器。MVC設(shè)計模式將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示在代碼層面分離，在改進和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯。在需求側(cè)管理平臺中，數(shù)據(jù)模型由javaBean來實現(xiàn)，用戶界面由JSP實現(xiàn)，控制器由Struts2實現(xiàn)。控制器接收請求并決定調(diào)用哪個數(shù)據(jù)模型去處理請求，然后確定用哪個視圖來顯示模型處理返回的數(shù)據(jù)。通過代碼分離使得模型返回的數(shù)據(jù)格式與模型無關(guān)，模型代碼可以被多個視圖重用，大量減少代碼的重復(fù)性。同時MVC分層也有利于需求側(cè)管理平臺的開發(fā)和管理，可以通過不同的開發(fā)人員同時推進不同方面的開發(fā)，也可以忽略其他方面的影響專注考慮一個方面的設(shè)計優(yōu)化。

3.3 預(yù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理，是指在主要的分析統(tǒng)計之前對數(shù)據(jù)進行處理。需求側(cè)管理平臺通過數(shù)據(jù)采集和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取海量原始數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)大體都是不完整、不一致的臟數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量無法滿足需求側(cè)管理平臺的進一步數(shù)據(jù)挖掘和分析。對一些數(shù)據(jù)冗余、計算復(fù)雜的統(tǒng)計分析功能運用預(yù)處理技術(shù)，有利于提高需求側(cè)管理平臺查詢統(tǒng)計信息的效率，促進數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量，降低平臺運行業(yè)務(wù)所需要的時間。

3.4 Kafka系統(tǒng)

Kafka是一種高吞吐量的分布式消息發(fā)布和訂閱系統(tǒng)。在需求側(cè)管理平臺中，為了實現(xiàn)用電負荷的精細化調(diào)控，需要在主站和任務(wù)調(diào)度之間提供實時通信服務(wù)。但是，當主站發(fā)送下行報文給任務(wù)調(diào)度時，由于終端通訊的延時性，并不能立刻獲取到上行報文。如果一直保持接口連接，會造成服務(wù)器的負載增加，造成資源浪費。需求側(cè)管理平臺采用Kafka系統(tǒng)后，主站和任務(wù)調(diào)度采用異步通訊，主站發(fā)送下行報文給任務(wù)調(diào)度，下行過程即已結(jié)束。當任務(wù)調(diào)度返回上行報文時，主站通過監(jiān)聽器獲取Kafka消息并自動接收，既保證了實時性，又提高了服務(wù)器效率。

4 需求側(cè)管理平臺的應(yīng)用

目前，需求側(cè)管理平臺已在河北省上線運行，范圍覆蓋河北南網(wǎng)全網(wǎng)6個城市，平臺首頁如圖5所示。面向用電負荷精細化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺可以實時監(jiān)測各地基站、終端運行情況，在線顯示當前時段的省市監(jiān)測負荷和可控負荷變化趨勢。

圖5 需求側(cè)管理平臺首頁Fig.5 Homepage of the demand side management platform

需求側(cè)管理平臺以需求響應(yīng)為主，有序用電為輔，可實現(xiàn)削峰填谷，有效緩解電網(wǎng)高峰壓力，彌補電網(wǎng)低谷運行負荷，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4.1 需求響應(yīng)

（1）將平臺接入的需求側(cè)終端按照不同所屬供電單位，分別編制可中斷年度預(yù)案。

（2）在需求響應(yīng)實施前，省公司將指標分解到地市公司，地市公司再分解到各個縣公司。

（3）各供電單位根據(jù)自己分攤的指標，選擇合適的可中斷年度預(yù)案生成執(zhí)行計劃。

（4）計劃執(zhí)行前，可以通過批量下發(fā)中文信息的方式對可中斷用戶進行通知。

（5）計劃執(zhí)行時可以根據(jù)實際情況選擇遙控或者功控的方式來實施可中斷。

4.2 有序用電

（1）將參與有序用電用戶導入平臺之后，按照供電單位將指定的用戶編制為年度預(yù)案。

（2）有序用電前，省公司通過指標分配功能，將有序用電指標分解到地市公司，地市公司再分解到各個縣公司。

（3）各供電單位根據(jù)自己分攤的指標選擇合適的年度預(yù)案生成執(zhí)行計劃。

（4）計劃執(zhí)行前，可以通過手機短信的方式對有序用電用戶進行通知。

（5）計劃執(zhí)行期間，可以實時監(jiān)測有序用電負荷，實現(xiàn)靈活調(diào)控用戶用電負荷的目標。

5 結(jié)束語

針對河北省用電負荷特點，本文設(shè)計了面向用電負荷精細化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺，開展了需求側(cè)管理平臺的需求分析，在此基礎(chǔ)上進行了平臺架構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究，并分析了需求側(cè)管理平臺在河北南網(wǎng)的實際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)對重點用電客戶的用電負荷實行精細化靈活調(diào)控可有效緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾。但目前，平臺與負荷聚合商平臺、智能家電云平臺等互聯(lián)互通能力不足，尚未實現(xiàn)電力需求側(cè)多元靈活資源的應(yīng)用，未來平臺在參與電網(wǎng)運行調(diào)控方面仍有較大的優(yōu)化提升空間。D