武國亮,王瑾,宋涌平,王瓊
(國網(wǎng)介休市供電公司,山西 晉中 032000)
隨著配電網(wǎng)中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備類型、數(shù)據(jù)容量日趨復(fù)雜龐大,其接入的不同類型用戶對供電范圍、供電質(zhì)量、用電性質(zhì)以及安全可靠性的要求千差萬別。此外,由于外界天氣環(huán)境等信息的不確定性,對供電設(shè)備的工作環(huán)境適應(yīng)性能產(chǎn)生了較大影響[1]。為了實現(xiàn)供電服務(wù)的智能指揮與決策,保證供用電系統(tǒng)安全可靠,亟需開發(fā)低成本、有技術(shù)競爭力、強數(shù)據(jù)支撐的智能電力供電服務(wù)指揮平臺,以推進智能配電網(wǎng)的自動化建設(shè)[2]。
目前的實際供電服務(wù)指揮系統(tǒng)仍處于半自動化的發(fā)展狀態(tài),主要依據(jù)專家經(jīng)驗進行人工決策,對數(shù)據(jù)的加工與利用程度較低[3]。在國內(nèi),以國網(wǎng)公司運檢、營銷及調(diào)度專業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)為基礎(chǔ),構(gòu)建“信息匯集、一口對外;過程督辦、協(xié)同指揮;事件稽查、風險預(yù)警;全景分析、綜合評價”的供電服務(wù)指揮應(yīng)用,然而在實際操作過程中存在信息化平臺多樣化導(dǎo)致多源數(shù)據(jù)難以集成、營配難以一體化等問題[4]。在國外,通常在售電側(cè)市場中引入競爭機制,賦予電力用戶自由選擇權(quán)[5]。電力公司針對不同的客戶群體,根據(jù)用途、用電量、用電時段和季節(jié)制定不同的電價策略和個性化的服務(wù)。然而電力公司業(yè)務(wù)范圍較為狹窄,難以獲得全網(wǎng)準確全局信息,以提供高級應(yīng)用。同時,不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間存在明顯的專業(yè)隔閡,各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)之間信息不能共享交互,形成了一系列信息孤島[6]。因此,需要全面融合目前離散的信息資源,對電力大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一收集、歸類、篩選、加工,對電力業(yè)務(wù)進行關(guān)聯(lián)分析與最優(yōu)決策,搭建基于電力大數(shù)據(jù)的整體供電服務(wù)指揮平臺[7]。
配電網(wǎng)供電服務(wù)指揮平臺以功能強大、高兼容性、擴展性強的硬件系統(tǒng)作為基礎(chǔ),以統(tǒng)一調(diào)度的平臺構(gòu)建技術(shù)與協(xié)調(diào)控制的軟件架構(gòu)作為支撐[8]。平臺既具備完善的基礎(chǔ)功能,如數(shù)據(jù)庫管理、加密設(shè)計、權(quán)限管理、安全告警、數(shù)據(jù)接口、終端交互等功能,也能實現(xiàn)包括配電網(wǎng)運行監(jiān)控、運行管理、安全監(jiān)測、用電分析、分布式能源協(xié)同控制等高層應(yīng)用的一體化運行[9]。通過對不同業(yè)務(wù)的整合再加工,搭建融合多種營銷、檢修、調(diào)度等應(yīng)用子系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺架構(gòu),實現(xiàn)配電網(wǎng)自適應(yīng)安全控制,保障配電網(wǎng)安全運行。
地縣供電服務(wù)指揮平臺是加快推進供電公司集約化、專業(yè)化、扁平化協(xié)同一體化管理模式的重要決策。平臺以電力大數(shù)據(jù)技術(shù)作為支撐,實現(xiàn)用戶精準服務(wù)與安全態(tài)勢專業(yè)評判,實現(xiàn)不同電力業(yè)務(wù)的整合與再應(yīng)用。通過海量數(shù)據(jù)與實際電網(wǎng)機理聯(lián)合驅(qū)動,能夠?qū)I銷、調(diào)度、檢修等不同大類業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性與因果關(guān)聯(lián)性進行挖掘,分析電力網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜狀態(tài)關(guān)聯(lián)性[10]。本算法對電力數(shù)據(jù)進行加工、利用與反饋,生成一系列以用戶需求為導(dǎo)向的服務(wù)指令,實現(xiàn)全天候的用戶服務(wù)響應(yīng)與現(xiàn)場狀況安全監(jiān)測[11]。
本文的結(jié)構(gòu)主要分為以下幾部分:第一節(jié)對配電網(wǎng)中目前數(shù)據(jù)特征與應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析,說明供電服務(wù)平臺需要有力的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)支撐。第二節(jié)對所提供電服務(wù)指揮平臺設(shè)計的基本原則進行了歸納,第三節(jié)對平臺的軟件、硬件及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行介紹。第四節(jié)以智能負荷參與電網(wǎng)需求響應(yīng),維護電網(wǎng)潮流穩(wěn)定為例,介紹所提平臺的應(yīng)用場景。最后對本文進行了總結(jié)與展望。
智能供電服務(wù)指揮平臺的建立需要考慮目前電網(wǎng)實際調(diào)配過程中的一系列痛點問題。隨著目前配電網(wǎng)中分布式電源與柔性負荷不斷接入,以及信息通信技術(shù)的深層應(yīng)用,配電網(wǎng)中能量流、信息流與業(yè)務(wù)流的高度融合對配電網(wǎng)智能、安全、可靠、高效運行控制帶來了很高的技術(shù)與管理難度[12]。根據(jù)實際運行控制的需求,需要改變傳統(tǒng)供電服務(wù)指揮系統(tǒng)的架構(gòu),實現(xiàn)平臺化的設(shè)計與管理,實現(xiàn)平臺與廣大多源異構(gòu)終端的自動對接、識別與信息交換技術(shù),特別是對海量數(shù)據(jù)的處理技術(shù)[13]。
配電網(wǎng)中的電力大數(shù)據(jù)的特征為數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)類型多、狀態(tài)變化快與價值密度低等特征[14]。隨著目前用戶側(cè)智能表計布點越來越廣泛與采樣頻率越來越快,以及累積的歷史數(shù)據(jù),電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)量越來越大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型也隨著采樣方式的豐富而更加多變。在這樣的情形下,數(shù)據(jù)中涵蓋了絕大部分無效信息,導(dǎo)致真正反映電網(wǎng)關(guān)鍵運行態(tài)勢的有用信息被淹沒,難以挖掘數(shù)據(jù)價值。因此,如何利用好海量多源異構(gòu)的電力大數(shù)據(jù),挖掘數(shù)據(jù)中反映出的電網(wǎng)運行問題,迅速決策出最優(yōu)的安全控制方法,是構(gòu)建智能供電服務(wù)指揮平臺的關(guān)鍵[15]。
此外,供電服務(wù)指揮平臺需要從配電網(wǎng)與用戶側(cè)角度對數(shù)據(jù)處理、潛力分析、模型建立、優(yōu)化策略制定、控制策略制定和恢復(fù)策略制定等環(huán)節(jié)進行研究。
統(tǒng)一信息平臺可以確保上述三部分功能的互聯(lián)互通和實時共享,保證三部分“業(yè)務(wù)模型、信息模型、數(shù)據(jù)模型、安全架構(gòu)”的四統(tǒng)一[16]。統(tǒng)一信息平臺主要需要開展以下工作:一是結(jié)合分布式能源、電動汽車、智能家居等新興業(yè)務(wù),構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,編制規(guī)范的數(shù)據(jù)交互接口;二是完成數(shù)據(jù)全量接入,進行統(tǒng)一存儲和分析計算,提供公用的數(shù)據(jù)模型服務(wù)。同時在通信網(wǎng)建設(shè)方面,要實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的泛在接入,需要建設(shè)以光纖專網(wǎng)為主、無線專網(wǎng)為輔、多種通信方式并存的終端通信接入網(wǎng)絡(luò),以此來提升配網(wǎng)自動化、用電采集、大用戶和海量微負荷用戶的通信安全和傳輸速率,構(gòu)建統(tǒng)一、泛在的終端通信接入網(wǎng)。
支持統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口、開放式通信、多源異構(gòu)設(shè)備即插即用的配電網(wǎng)供電服務(wù)指揮平臺需要結(jié)合配電網(wǎng)實際運行控制,面向配電網(wǎng)營銷、運維、調(diào)度、檢修工作人員,適應(yīng)海量電力大數(shù)據(jù)存儲與處理需求,支撐配電網(wǎng)日常配調(diào)業(yè)務(wù)需求。應(yīng)用機器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)研究技術(shù),提高電網(wǎng)饋線自動化、緊急情況處理以及分布式能源協(xié)同控制能力,使得配電網(wǎng)供電服務(wù)的業(yè)務(wù)響應(yīng)時間、實用性達到國內(nèi)先進水平?;诮M件的面向服務(wù)架構(gòu)的思想,對外提供統(tǒng)一的交換服務(wù)、模型服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、圖形服務(wù)和應(yīng)用服務(wù),構(gòu)建面向應(yīng)用、高度開放、可靈活擴展的資源共享平臺,支撐配電網(wǎng)調(diào)度、生產(chǎn)指揮等的業(yè)務(wù)管理需求,保障配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行。
配電網(wǎng)智能供電服務(wù)指揮平臺的設(shè)計原則如下:
(1)一體化原則
平臺能夠統(tǒng)一兼顧信息管理大區(qū)與運行控制大區(qū)的信息資源,不僅可以支撐配電網(wǎng)信息收集整合、可視化管理配電網(wǎng)整體運行狀態(tài),同時進一步滿足配電網(wǎng)各類電力信息業(yè)務(wù)交互、數(shù)據(jù)融合、統(tǒng)一管理等需求,從而實現(xiàn)調(diào)配一體化、配網(wǎng)地縣一體化。
(2)流程精簡原則
從模型匹配角度,平臺能夠?qū)π略龅脑O(shè)備進行自動匹配,降低人工審查難度;從設(shè)備接入角度,平臺需要對不同類型的設(shè)備與終端進行自動接入,實現(xiàn)即插即用;從人機界面角度,平臺需要對不同電力業(yè)務(wù)展示界面進行高度集成,減少冗余信息干擾,使得各類告警等重要信息能夠以更加清晰明了的方式展現(xiàn),化簡分析流程,提高工作人員工作效率。
(3)未來預(yù)期原則
智能供電服務(wù)指揮平臺不僅需要考慮當下的目標電網(wǎng)規(guī)模與拓撲,且同時要對未來5~10 年電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)模、新技術(shù)與新設(shè)備進行預(yù)測,從電網(wǎng)角度分析未來電網(wǎng)變電站、線路、配變設(shè)備等發(fā)展水平,從外部因素分析人口、用電水平、經(jīng)濟發(fā)展水平等相關(guān)因素的態(tài)勢,從而充分考慮在動態(tài)發(fā)展環(huán)境下的配電網(wǎng)規(guī)劃需求,提出適應(yīng)遠景發(fā)展下的平臺構(gòu)建方案。
(4)可擴展原則
智能供電服務(wù)指揮平臺支持在已有地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,能夠方便、安全、快速地升級、擴建配網(wǎng)相關(guān)功能。模塊功能分為基礎(chǔ)功能與開放功能,縮短技術(shù)開發(fā)與實際應(yīng)用之間的周期,達到前期研究結(jié)果能夠智能反饋并應(yīng)用于后期研究的改進過程,從而實現(xiàn)平臺的迅速迭代與自我優(yōu)化進程。
智能供電服務(wù)指揮平臺的功能主要分為配電網(wǎng)安全監(jiān)控、配電網(wǎng)運行管理和配電網(wǎng)分析應(yīng)用三大類,其軟件與硬件架構(gòu)在下文中介紹。
平臺基于統(tǒng)一調(diào)度管理技術(shù),實現(xiàn)跨區(qū)應(yīng)用,實現(xiàn)“一個統(tǒng)一平臺,三套業(yè)務(wù)體系”。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 平臺軟件結(jié)構(gòu)
安全監(jiān)控軟件系統(tǒng)是配電網(wǎng)實時運行調(diào)度與監(jiān)控業(yè)務(wù)的核心支撐。基于一二次接口融合與信息融合機制,實現(xiàn)配電網(wǎng)實時監(jiān)控、安全監(jiān)管以及分布式能源協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)配電網(wǎng)安全防護與故障恢復(fù),保障配電網(wǎng)安全可靠運行。
運行管理軟件系統(tǒng)主要用于支撐配電網(wǎng)的實時調(diào)度管理功能,主要包括可視化管理、終端設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計與調(diào)度指令下發(fā)等業(yè)務(wù)。除此之外,該軟件系統(tǒng)還負責與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行實時交互、信息接入、數(shù)據(jù)共享與場景聯(lián)合分析,從而實現(xiàn)基于電力大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一配電網(wǎng)運行調(diào)度進程。
分析應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括各類電力物理側(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用,包括潮流計算、狀態(tài)分析、解列分析等應(yīng)用。通過IEC 61850 標準采集廣泛分布的配電網(wǎng)潮流運行數(shù)據(jù),利用配電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析配電網(wǎng)運行態(tài)勢,實現(xiàn)實時態(tài)勢感知,從而為配電網(wǎng)運行和檢修過程提供輔助決策,支撐配電網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行最優(yōu)策略求解。
此外,軟件系統(tǒng)還包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、進程管理等軟件,其中關(guān)系數(shù)據(jù)庫用于存儲電網(wǎng)靜態(tài)模型及相關(guān)設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)配置、告警和事件記錄、歷史統(tǒng)計信息等需要永久保存的數(shù)據(jù);實時數(shù)據(jù)庫用以提供高效的實時數(shù)據(jù)存??;進程管理用以監(jiān)控應(yīng)用進程的運行情況,可根據(jù)進程的重要性級別制定不同的管理策略。
系統(tǒng)的硬件組成部分主要為工作站、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、防火墻與傳感器量測設(shè)備。依據(jù)不同的硬件配置、系統(tǒng)規(guī)模、延時需求與性能需求,各工作站與服務(wù)器可按子模塊組裝的形式合并成需要的規(guī)模與組織結(jié)構(gòu),以虛擬地址的形式進行邏輯調(diào)用。
基于不同硬件設(shè)備的組合,平臺可主要分為安全生產(chǎn)采集區(qū)、安全生產(chǎn)監(jiān)控區(qū)、用戶信息采集區(qū)、用戶信息監(jiān)控區(qū)以及統(tǒng)一服務(wù)指揮區(qū)。系統(tǒng)縱向與橫向區(qū)域之間均設(shè)置了安全防護模塊,其中,縱向的數(shù)據(jù)傳輸采用防火墻或者數(shù)據(jù)加密裝置進行安全防護,橫向的不同網(wǎng)絡(luò)大區(qū)之間采集正反向物理隔離裝置進行高層防護。從而保障網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的安全風險不會傳播蔓延至其他區(qū)域。平臺采用面向服務(wù)的體系架構(gòu),為各類應(yīng)用的開發(fā)、運行和管理提供通用的技術(shù)支撐,為整個系統(tǒng)的集成和高效可靠運行提供保障,為電網(wǎng)生產(chǎn)控制大區(qū)和生產(chǎn)管理大區(qū)橫向集成、縱向貫通提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 平臺硬件結(jié)構(gòu)
(1)安全生產(chǎn)采集區(qū)
該區(qū)主要面向配電側(cè)分布式電源、配電變電站等中壓區(qū)域,通過在電網(wǎng)部署RTU、PMU 等量測單元,通過遙信與遙測功能對電網(wǎng)重點區(qū)域態(tài)勢進行采集。
(2)安全生產(chǎn)監(jiān)控區(qū)
該區(qū)是安全生產(chǎn)采集區(qū)的上層監(jiān)控應(yīng)用區(qū),負責對配電網(wǎng)整體運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、安全評估與控制策略下發(fā)。
(3)用戶信息采集區(qū)
該區(qū)主要面向負荷側(cè)的低壓用戶區(qū)域,主要負責對用戶用電數(shù)據(jù)如功率、電壓、電流等進行采樣,為每類用戶精細刻畫用電行為畫像。
(4)用戶信息監(jiān)控區(qū)
該區(qū)是用戶信息采集區(qū)的上層監(jiān)控應(yīng)用區(qū),負責分析用戶用電行為,保障供電質(zhì)量,提供用戶服務(wù)。
(5)統(tǒng)一服務(wù)指揮區(qū)
該區(qū)可匯總以上分區(qū)的數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流,通過統(tǒng)一的服務(wù)指揮平臺,對電力數(shù)據(jù)進行綜合分析決策。
智能配電網(wǎng)中存在多個數(shù)據(jù)源與業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類型,主要分為安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)與用戶信息數(shù)據(jù)。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的區(qū)域,涵蓋了配電變電站、開關(guān)站、負荷側(cè)表計等配電與用電區(qū)域。根據(jù)業(yè)務(wù)種類,包含調(diào)度、檢修、營銷等多個業(yè)務(wù)。根據(jù)數(shù)據(jù)原始程度,可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源的種類如表1 所示。
表1 平臺數(shù)據(jù)來源
基于智能需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,利用供電服務(wù)指揮平臺,融合廣域電力信息,本節(jié)提出了智能化的負荷有序響應(yīng)控制方法。在智能電網(wǎng)環(huán)境下,考慮本地信息、廣域信息、設(shè)備狀態(tài)、潮流特征等海量電力數(shù)據(jù),實現(xiàn)了智能終端設(shè)備主動響應(yīng)功能和多信息交互協(xié)調(diào)優(yōu)化。從而在電網(wǎng)處于緊急情況時,利用數(shù)據(jù)來優(yōu)化需求響應(yīng)算法,匹配最合適的負荷響應(yīng)資源,實現(xiàn)電網(wǎng)的故障自愈與恢復(fù)控制。
基于多級電力數(shù)據(jù),負荷需求響應(yīng)的采集、傳輸、協(xié)調(diào)與控制過程如圖3 所示??梢园l(fā)現(xiàn),供電服務(wù)指揮平臺可以同時利用生產(chǎn)側(cè)潮流、設(shè)備信息與用戶側(cè)負荷響應(yīng)信息,從而綜合得出最優(yōu)方案。
圖3 負荷響應(yīng)控制信息鏈路
其控制流程如圖4 所示,主要步驟為:
圖4 負荷響應(yīng)控制流程圖
(1)變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)線路潮流功率,當出現(xiàn)擾動使得線路功率高于安全值時,引發(fā)負荷響應(yīng)控制方案主動投入工作。
(2)通過部署在各負荷點的智能電表,將參與主動響應(yīng)的負荷容量及響應(yīng)速度等信息上傳至供電服務(wù)指揮平臺協(xié)調(diào)控制中心。
(3)平臺通過匯總不同區(qū)域的實時頻率、電壓、有功、無功等狀態(tài)信息量,與該地點負荷響應(yīng)能力匹配,計算確定最優(yōu)化的負荷響應(yīng)量分配方案。確定當前工況下需要投入的負荷量。
(4)將優(yōu)化后的負荷恢復(fù)策略下發(fā)至各就地裝置。就地裝置接收指令,更新每輪動作值,經(jīng)過一定延時后動作切除響應(yīng)負荷。
(5)平臺重新收集線路潮流功率,如果達到安全要求則保持該方案不變;如果仍未達到要求則按更新后的差值進行新一輪的負荷響應(yīng)控制流程,直至系統(tǒng)滿足安全裕度要求。
本算例以IEEE33 節(jié)點配電網(wǎng)為例,介紹負荷需求響應(yīng)在配網(wǎng)潮流治理中的作用,系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 包含可控負荷的IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)
在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,設(shè)置在節(jié)點4、18、20、24與29 分別有四個智能可控負荷,節(jié)點的總負荷及可控負荷比例如表2 所示。
表2 可控負荷及其比例
當網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點負荷過大,發(fā)生線路堵塞時,需要對配電網(wǎng)潮流拓撲進行分析,制定安全經(jīng)濟的潮流調(diào)度計劃。與被動切負荷相比,基于智能表計可以分析得出網(wǎng)絡(luò)中的可響應(yīng)負荷,采取主動需求響應(yīng)的方法,可以在成本最優(yōu)的情況下,有效緩解線路堵塞程度,最優(yōu)化系統(tǒng)安全裕度,優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。
圖6 響應(yīng)前后線路功率變化
負荷響應(yīng)前后線路潮流變化幅度如表3 所示,為了驗證算法有效性,以傳統(tǒng)只切除線路過載最嚴重處的負荷情形進行對比。可以看出,通過智能負荷響應(yīng)控制算法,與傳統(tǒng)算法相比,配電網(wǎng)中各條線路功率均有較大幅度的降低,從而保持配電網(wǎng)線路的潮流安全裕度。
表3 響應(yīng)前后線路功率下降程度
本文通過對海量多源異構(gòu)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的集成方式與其信息交互算法的分析,提出了構(gòu)建智能供電服務(wù)指揮平臺的方案。從關(guān)鍵技術(shù)、平臺架構(gòu)與應(yīng)用場景角度,本文對智能供電服務(wù)指揮平臺的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)一體化技術(shù)、跨區(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及高層業(yè)務(wù)應(yīng)用進行了詳細介紹。從負荷側(cè)入手,挖掘大量可控負荷在需求響應(yīng)與配電網(wǎng)潮流控制中的潛力,運用服務(wù)指揮平臺對考慮大量負荷與潮流數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)進行統(tǒng)一負荷響應(yīng)調(diào)配,從而實現(xiàn)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定。
在未來研究中,需要對供電服務(wù)指揮平臺的功能進行進一步拓展,對各類業(yè)務(wù)進行深度融合與下沉應(yīng)用,并對數(shù)據(jù)進行全生命周期管理,實現(xiàn)供電方與用電方的雙向互動與資源共享,最大化用電體驗與用電質(zhì)量。