李 彬，田 珂，陳淑嬌，祁 兵，陳宋宋

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司需求側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化與供需互動(dòng)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出以及新型電力系統(tǒng)的持續(xù)推進(jìn)，以新能源為主體的現(xiàn)代化能源體系正在逐步建立[1]。國(guó)家及地方能源主管部門(mén)持續(xù)鼓勵(lì)以“需求響應(yīng)優(yōu)先、有序用電保底、節(jié)約用電助力”為指導(dǎo)思想的新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)。2021 年10 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（國(guó)發(fā)[2021]23 號(hào)），提出加快建設(shè)新型電力系統(tǒng)，到2030 年，省級(jí)電網(wǎng)基本具備5%以上的尖峰負(fù)荷響應(yīng)能力。2022 年，《國(guó)家電網(wǎng)有限公司關(guān)于推進(jìn)新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)工作的意見(jiàn)》（國(guó)家電網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)[2022]93號(hào)）及《新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行管理辦法》[1]文件精神和指示要求，建設(shè)好新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)，適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)全社會(huì)用電量8310 TWh，同比增長(zhǎng)10.3%，其中新能源發(fā)電量為2480 TWh，占全部發(fā)電量的29.8%[2-3]。分布式能源、柔性電力負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)等可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源規(guī)模的劇增[4-5]，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，負(fù)荷調(diào)控問(wèn)題日益突出，電網(wǎng)供需平衡面臨著愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6-7]。

合理高效地利用需求側(cè)資源是源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)、推動(dòng)新能源消納的關(guān)鍵[8]。為此國(guó)內(nèi)外普遍開(kāi)展研究，常規(guī)研究方法是基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷特性、環(huán)境及用戶(hù)行為進(jìn)行負(fù)荷潛力分析并制定針對(duì)性控制策略[9]，或者通過(guò)動(dòng)態(tài)電價(jià)[10]、廣義需求響應(yīng)[11]等手段挖掘負(fù)荷的可控能力。國(guó)內(nèi)部分省份已經(jīng)開(kāi)展了需求側(cè)資源可調(diào)節(jié)能力的普查分析[12]，但是存在普查力度小、精度低、手段僵硬等問(wèn)題，使得需求側(cè)資源的互動(dòng)能力難以有效評(píng)估。對(duì)于大規(guī)模種類(lèi)多樣的需求側(cè)資源，僅僅依靠聚合-控制的單級(jí)調(diào)控方案很難實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的高效利用。目前學(xué)者們致力于研究多層級(jí)的負(fù)荷調(diào)控方案。但是新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)對(duì)多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)提出了更高的要求，迫切需要更加動(dòng)態(tài)靈活的控制方法來(lái)促進(jìn)負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)控運(yùn)行，以提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

為此，本文針對(duì)新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)展望，依據(jù)“橫向動(dòng)態(tài)協(xié)作-縱向信息處理”的研究思想，對(duì)多層級(jí)架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，提出面向新型電力負(fù)荷管理的多層級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)控方案及關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)該調(diào)控方案可進(jìn)行大規(guī)模負(fù)荷的精細(xì)化數(shù)據(jù)感知及特征分析，根據(jù)實(shí)際調(diào)控需求重構(gòu)各類(lèi)負(fù)荷，支撐需求側(cè)資源靈活互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)按需調(diào)控及多主體市場(chǎng)交易機(jī)制，助力新型電力系統(tǒng)的建設(shè)及優(yōu)化運(yùn)行。

1 新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)下多層級(jí)負(fù)荷調(diào)控架構(gòu)發(fā)展概況

1.1 基本架構(gòu)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者愈加重視對(duì)多層級(jí)負(fù)荷調(diào)控的研究，多層級(jí)調(diào)控方案和架構(gòu)不斷演進(jìn)升級(jí)。最初的層級(jí)管理方式是按照高、中、低壓的電壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行層級(jí)劃分[13-14]。但由于可調(diào)節(jié)負(fù)荷體量大、地理分布不均，影響負(fù)荷控制策略的因素繁多且隨機(jī)性強(qiáng)，這種層級(jí)劃分方式顯得僵硬落后。隨著通信技術(shù)的引進(jìn)以及電網(wǎng)智能化發(fā)展，層級(jí)劃分方式逐漸向智能化方向轉(zhuǎn)變。一些學(xué)者提出了兩層能源管理結(jié)構(gòu)[15-16]，即上級(jí)能源決策者和下級(jí)區(qū)域管理者通過(guò)綜合、結(jié)構(gòu)化的能源管理對(duì)管轄區(qū)域做出最優(yōu)管控。之后有文獻(xiàn)介紹了頂層能量協(xié)調(diào)、中間層區(qū)域管控、底層接收指令/采集信息的三層管控架構(gòu)[17]，聚合商作為管控主體[18]綜合考量各方面因素對(duì)負(fù)荷進(jìn)行聚合控制、參與電網(wǎng)調(diào)度[19-20]，通過(guò)三層管控架構(gòu)實(shí)現(xiàn)全局能量?jī)?yōu)化和電能供需平衡的方法受到廣泛認(rèn)可[21-22]。文獻(xiàn)[23-24]研究了基于云-群-端分層理念建立的集群調(diào)控體系架構(gòu)，該架構(gòu)可以通過(guò)群間協(xié)調(diào)及群內(nèi)自治等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)控。同樣虛擬電廠也是以云-邊協(xié)同技術(shù)為支撐的多層級(jí)管控架構(gòu)[25]。由于多層級(jí)管控方式是一種能夠方便電網(wǎng)管理、降低信息化系統(tǒng)部署開(kāi)銷(xiāo)的高效管理方式，逐漸成為電力系統(tǒng)管控的主流方式。常見(jiàn)的多層級(jí)負(fù)荷管控架構(gòu)如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)的多層級(jí)負(fù)荷管控架構(gòu)Fig.1 Common multi-layer load management and control architecture

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的多層級(jí)負(fù)荷管控架構(gòu)劃分方式如表1所示，部分國(guó)家電力系統(tǒng)示范工程見(jiàn)表2。

表1 多層級(jí)負(fù)荷管控架構(gòu)劃分方式Tab.1 Division method of multi-layer load management and control structure

表2 多層級(jí)管控的電力系統(tǒng)示范工程Tab.2 Power system demonstration projects with multi-layer management and control

1.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

新能源并網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，能源形式更加靈活多變，為了助力新型負(fù)荷管理電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，多層級(jí)調(diào)控方案亟需迭代升級(jí)，在上述多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.2.1 區(qū)域平衡自治管理

近十年來(lái)我國(guó)需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源增長(zhǎng)迅猛、分布式電源建設(shè)規(guī)模擴(kuò)展迅速[26-28]。2020 年新能源發(fā)電量達(dá)到2215 TWh，新能源的高比例接入對(duì)電網(wǎng)供需平衡造成巨大挑戰(zhàn)[29]。規(guī)?；植际侥茉吹慕尤牒痛笠?guī)模需求側(cè)資源的爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得電網(wǎng)調(diào)控面臨“點(diǎn)多面廣”的嚴(yán)峻形勢(shì)，但是目前各類(lèi)區(qū)域資源的管控還屬于信息盲區(qū)，急需更加靈活智能的調(diào)控管理模式。

1.2.2 可調(diào)潛力的精準(zhǔn)測(cè)算

需求側(cè)資源可調(diào)節(jié)潛力巨大，具備靈活性和可控性，在維持電網(wǎng)供需平衡和穩(wěn)定性方面的潛力愈加受到關(guān)注[30]。但易受環(huán)境因素和用戶(hù)行為影響的可調(diào)負(fù)荷在不同時(shí)域條件下可能會(huì)呈現(xiàn)極大差異，給需求側(cè)資源的潛力預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控帶來(lái)阻礙；新能源的間接性、波動(dòng)性特點(diǎn)導(dǎo)致供應(yīng)端的負(fù)荷曲線波動(dòng)、發(fā)電容量及資源可開(kāi)發(fā)潛力難以預(yù)測(cè)評(píng)估，電網(wǎng)調(diào)控難度升級(jí)。

1.2.3 調(diào)度模式的應(yīng)用升級(jí)

目前電網(wǎng)主要通過(guò)聚合-控制的方式調(diào)控需求側(cè)資源[31]。但傳統(tǒng)單一的單級(jí)聚合-控制方式不能完全適用于控制顆粒度、精細(xì)化要求苛刻的靈活性資源。電力現(xiàn)貨交易市場(chǎng)的啟動(dòng)，使得負(fù)荷調(diào)度方式從以往的集中式、統(tǒng)一化走向市場(chǎng)化、分散化，電力交易模式的轉(zhuǎn)變也對(duì)采用多層級(jí)管控方式的電網(wǎng)平衡能力造成考驗(yàn)。面對(duì)多管控主體參與市場(chǎng)交易的局面，如何確保交易過(guò)程的秩序及可靠性，激發(fā)市場(chǎng)活性、提高用戶(hù)參與市場(chǎng)積極性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步解決。需求側(cè)資源管理調(diào)度模式的應(yīng)用升級(jí)將是電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。

2 新型電力系統(tǒng)下多層級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，依托多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)思想，助力實(shí)現(xiàn)需求側(cè)資源的多區(qū)域平衡自治管理、需求側(cè)負(fù)荷資源的可調(diào)節(jié)潛力精細(xì)化分析、多層區(qū)主體間分布式共識(shí)，其發(fā)展需求與關(guān)鍵技術(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 發(fā)展需求與關(guān)鍵技術(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Correspondence between development needs and correspondence

多區(qū)域平衡自治管理是指基于多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)，通過(guò)橫向動(dòng)態(tài)協(xié)作實(shí)現(xiàn)信息交流、跨區(qū)聚合、資源征用、電力交易等，對(duì)分布式電源及可控負(fù)荷進(jìn)行集中-分布式控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整用能結(jié)構(gòu)，合理進(jìn)行規(guī)模化需求側(cè)資源的多區(qū)域平衡自治管理。需求側(cè)負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力分析是基于多層級(jí)間的縱向信息處理并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行可調(diào)潛力評(píng)估預(yù)測(cè)，提高預(yù)測(cè)精細(xì)度和準(zhǔn)確性。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行區(qū)域聚合或跨區(qū)聚合，確保聚合體滿足調(diào)控需求，從而優(yōu)化調(diào)控效果。而多層區(qū)主體分布式共識(shí)是將多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合起來(lái)，依靠多主體分布式共識(shí)來(lái)確保交易過(guò)程中的信息透明、安全可靠，實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)交易模式的應(yīng)用升級(jí)。

2.1 多區(qū)域平衡自治管理

多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)克服了目前靜態(tài)負(fù)荷管理控制方式的弊端，著眼于區(qū)域之間的互動(dòng)合作，根據(jù)資源特性多樣性對(duì)負(fù)荷調(diào)度性能的影響以及對(duì)電網(wǎng)調(diào)控需求的匹配度，進(jìn)行多區(qū)域間的平衡自治管理；涉及的技術(shù)包括多層協(xié)作、橫向動(dòng)態(tài)協(xié)作、跨區(qū)等效聚合、資源征用等，管理架構(gòu)如圖3所示。其中云端管控平臺(tái)具有在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)等作用[32]，與電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行信息交互后計(jì)算出最小運(yùn)行方式、排序運(yùn)行方式、節(jié)能調(diào)度方式以及電量預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分配任務(wù)給下層的負(fù)荷聚合商進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)聚合和資源調(diào)度。

圖3 多區(qū)域平衡自治管理架構(gòu)Fig.3 Multi-region balanced autonomous management

聚合過(guò)程可針對(duì)不同時(shí)空因素及場(chǎng)景需求，選取特定負(fù)荷參與聚合調(diào)控而使得某項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)，比如經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、用戶(hù)滿意度、響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、執(zhí)行偏差度等[33]。但由于不同地理區(qū)域的資源狀態(tài)與負(fù)荷特性存在差異，僅依賴(lài)地理區(qū)域聚合形成的聚合體很難適應(yīng)電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度，故本文提出的負(fù)荷動(dòng)態(tài)聚合方案包括區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)聚合和跨區(qū)動(dòng)態(tài)聚合?？鐓^(qū)動(dòng)態(tài)聚合是一種考慮到負(fù)荷特性存在的時(shí)域互補(bǔ)性和功能互補(bǔ)性，可通過(guò)層級(jí)間的橫向協(xié)作實(shí)現(xiàn)多區(qū)域間平衡自治的方式。其實(shí)現(xiàn)流程是：在地理分區(qū)的基礎(chǔ)上，負(fù)荷聚合商按照負(fù)荷特性進(jìn)行特性分組，再通過(guò)聚合商之間的信息交互獲取其他聚合商管轄范圍內(nèi)的負(fù)荷分組信息。當(dāng)管轄區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷資源不足以完成調(diào)控任務(wù)時(shí)，可請(qǐng)求其他區(qū)域的負(fù)荷資源進(jìn)行跨區(qū)聚合，共同完成調(diào)控任務(wù)?？紤]到供電緊張、供需不平衡問(wèn)題通常發(fā)生在特定的片區(qū)，雖然可以多區(qū)域聚合負(fù)荷，但是當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，只會(huì)選擇和該片區(qū)相關(guān)的負(fù)荷資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚合。比如當(dāng)某地區(qū)電網(wǎng)需緊急調(diào)頻時(shí)，云端服務(wù)器可快速下發(fā)指令給當(dāng)?shù)刎?fù)荷聚合商，聚合商就會(huì)按照響應(yīng)速度對(duì)負(fù)荷進(jìn)行快速分組并聚合參與調(diào)控，當(dāng)該區(qū)域負(fù)荷資源緊張時(shí)，可向臨近負(fù)荷聚合商發(fā)出信號(hào)尋找合適的資源進(jìn)行跨區(qū)聚合。

基于橫向動(dòng)態(tài)協(xié)作還可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域間的資源征用和任務(wù)轉(zhuǎn)移。比如在需求響應(yīng)過(guò)程中，各邊緣智能代理收集終端負(fù)荷信息并上傳給負(fù)荷聚合商，聚合商預(yù)估可參與調(diào)控的負(fù)荷容量。若實(shí)際分配的響應(yīng)任務(wù)量比預(yù)估容量大，聚合商可向其他負(fù)荷聚合商發(fā)出差額容量請(qǐng)求進(jìn)行資源征用，接受請(qǐng)求的聚合商可作為該聚合商的下級(jí)備用容量池提供差額補(bǔ)足，以此實(shí)現(xiàn)面向全區(qū)域的大規(guī)模負(fù)荷動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控策略。在此背景下，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)虛擬用電權(quán)交易等電力交易業(yè)務(wù)。

多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下各層級(jí)間控制主體的橫向動(dòng)態(tài)協(xié)作還可以應(yīng)用于層級(jí)之間的通信調(diào)度與互動(dòng)管理中。通過(guò)多層級(jí)間的橫向協(xié)作可以解決協(xié)作過(guò)程中出現(xiàn)的通信條件不完備、通信鏈路故障、路由故障等問(wèn)題，首先云端管控平臺(tái)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，將故障信息傳達(dá)給負(fù)荷聚合商及邊緣智能代理，邊緣智能代理通過(guò)橫向信息交互進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)遷移和工作路徑重新規(guī)劃。如果該區(qū)域不能及時(shí)完成任務(wù)，負(fù)荷聚合商根據(jù)具體情況與其他聚合商進(jìn)行任務(wù)協(xié)作，最大程度降低負(fù)荷互動(dòng)通信傳輸延遲。

2.2 需求側(cè)負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力分析

在進(jìn)行負(fù)荷資源分組聚合之前，需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行可調(diào)節(jié)潛力分析，基于潛力分析結(jié)果確定聚合方案，以滿足調(diào)控需求。目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)負(fù)荷的可調(diào)潛力分析進(jìn)行了深入研究，比如通過(guò)集群處理和聚合體建模進(jìn)行可調(diào)潛力分析[34-35]以及通過(guò)負(fù)荷態(tài)勢(shì)感知技術(shù)進(jìn)行建模、模擬，及潛力評(píng)估[36-37]，這些技術(shù)手段都為本節(jié)多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下的可調(diào)節(jié)潛力分析方法提供理論研究與經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)支撐。

多時(shí)間尺度下負(fù)荷資源特性差異及外界環(huán)境的變化影響負(fù)荷的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度及調(diào)控精度，基于歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)節(jié)潛力預(yù)測(cè)難免出現(xiàn)差錯(cuò)，且大量小容量負(fù)荷利用率低下的問(wèn)題在常規(guī)調(diào)控架構(gòu)下仍未得到解決。在多層級(jí)架構(gòu)下，通過(guò)區(qū)域的精細(xì)化劃分和邊緣代理的本地控制，確保負(fù)荷的參與率及潛力分析，尤其是大量分散的小容量靈活性負(fù)荷，通過(guò)動(dòng)態(tài)分區(qū)聚合技術(shù)及負(fù)荷重構(gòu)技術(shù)合理聚合負(fù)荷資源，包括同區(qū)域聚合或橫向跨區(qū)聚合，再依靠多層級(jí)滾動(dòng)計(jì)算可提高可調(diào)潛力分析的精準(zhǔn)度，以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的實(shí)時(shí)潛力預(yù)測(cè)，具體過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力分析Fig.4 Analysis of load adjustability potential under multi-layer regulation architecture

邊緣智能代理作為網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的開(kāi)放平臺(tái)，可以基于智能感知技術(shù)收集海量負(fù)荷數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析、智能計(jì)算等技術(shù)手段定性分析負(fù)荷參數(shù)特性，其架構(gòu)可分為傳感控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。從負(fù)荷種類(lèi)、自身固有屬性出發(fā)，考慮各類(lèi)用電單元的負(fù)荷特征，可分為互為同種類(lèi)型負(fù)荷但固有參數(shù)不同的參數(shù)特性、不同種類(lèi)負(fù)荷間的結(jié)構(gòu)特性[38]；參數(shù)特性相似的負(fù)荷資源可等效聚合并提取其結(jié)構(gòu)特性[39-40]。根據(jù)負(fù)荷結(jié)構(gòu)特性差異及時(shí)空因素，可按照容量大小、響應(yīng)速度、控制方式等預(yù)先進(jìn)行負(fù)荷分組，并將分組情況上傳至負(fù)荷聚合商層面。負(fù)荷聚合商將從邊端和云端接收到的數(shù)據(jù)分布存入?yún)?shù)庫(kù)，作為約束輸入，借助算法模型庫(kù)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行聚合體的用電行為特征提取[41-42]、用戶(hù)參與度分析及影響因子對(duì)用戶(hù)參與需求響應(yīng)的影響權(quán)重分析[43]。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)等。最后由云端管控平臺(tái)來(lái)計(jì)算可調(diào)潛力，并基于可調(diào)潛力的評(píng)估結(jié)果，可以在下一次調(diào)控時(shí)根據(jù)調(diào)控需求靈活調(diào)整調(diào)控策略，以獲得更好的調(diào)控效果。

2.3 多層區(qū)主體分布式共識(shí)

可再生能源和分布式發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，基于P2P 的分布式能源交易網(wǎng)絡(luò)受到越來(lái)越多的關(guān)注，而區(qū)塊鏈技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該交易機(jī)制的理想技術(shù)手段[44]。同時(shí)區(qū)塊鏈技術(shù)已被廣泛認(rèn)作能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要支持技術(shù)[45]，通過(guò)分布式共識(shí)機(jī)制可以保證電力市場(chǎng)交易過(guò)程的安全性、透明性，推動(dòng)能源要素高效配置。部分學(xué)者提出將區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)融合來(lái)解決多元化能源、用戶(hù)的涌進(jìn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)管理方式的影響[46]；或者深入研究基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了去中心化的交易模式和調(diào)度機(jī)制[47-49]。將區(qū)塊鏈技術(shù)與本文提出的多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)結(jié)合起來(lái)可充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?？紤]到需求側(cè)資源同時(shí)具備供用能屬性，負(fù)荷聚合商、邊緣智能代理可以全部作為控制主體參與電力市場(chǎng)交易。在此過(guò)程中，可以通過(guò)分布式共識(shí)保證多層區(qū)主體電力交易信息的一致性，確保分布式能源交易的安全可靠。

在分布式共識(shí)過(guò)程中，每個(gè)負(fù)荷聚合商和邊緣智能代理均作為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有記賬和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，各自維護(hù)一份區(qū)塊鏈賬本。所有聚合商節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一條主鏈，代表負(fù)荷集群參與電力交易，并將各類(lèi)交易信息記錄在賬本里；邊緣智能代理所在節(jié)點(diǎn)構(gòu)成側(cè)鏈，負(fù)責(zé)信息存儲(chǔ)和下發(fā)；一部分費(fèi)用信息可以從主鏈安全轉(zhuǎn)移到側(cè)鏈，邊緣智能代理的側(cè)鏈信息也可以返回給主鏈，從而實(shí)現(xiàn)雙向錨定。各邊緣智能代理也可將收集的用戶(hù)交易信息跨鏈傳遞給負(fù)荷聚合商，負(fù)荷聚合商通過(guò)賬本記錄并與其他節(jié)點(diǎn)交換信息。

區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制包含多種，主鏈和子鏈都可以適用。現(xiàn)在以RAFT 算法、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（Practial Byzantine Fault Tolerance，PBFT）為例進(jìn)行應(yīng)用介紹，圖5展示了RAFT、PBFT算法在側(cè)鏈和主鏈的共識(shí)過(guò)程。其中側(cè)鏈中的RAFT算法是達(dá)成共識(shí)的強(qiáng)一致協(xié)議[50]，其工作流程為：在多個(gè)邊緣智能代理節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為L(zhǎng)eader進(jìn)行記賬管理操作，并將記賬信息生成區(qū)塊復(fù)制到其他Followers節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)Leader節(jié)點(diǎn)的一致性裁決來(lái)達(dá)成共識(shí)，能夠容納故障節(jié)點(diǎn)。主鏈采用的PBFT 算法共識(shí)時(shí)延小、效率高[51]，能在保證系統(tǒng)活性和安全性的前提下，提供最多1/3的節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)性，使鏈條中所有正確節(jié)點(diǎn)對(duì)某個(gè)輸入值達(dá)成一致，具體工作流程可參考文獻(xiàn)[52]。

圖5 多層區(qū)主體分布式共識(shí)過(guò)程Fig.5 Distributed consensus of multi-layer areas

以虛擬用電權(quán)交易為例，虛擬用電權(quán)交易是指電網(wǎng)公司與電力用戶(hù)簽訂購(gòu)電合同后會(huì)按一定標(biāo)準(zhǔn)分配初始用電配額給用戶(hù)，考慮到用能總額受到供能總額的約束，獲取初始用電配額后，在用電緊張的尖峰時(shí)期，各聚合商間可通過(guò)用電權(quán)配額的自主交易，達(dá)到資源的有效調(diào)控和利用。其中負(fù)荷聚合商Client 通過(guò)歷年用能數(shù)據(jù)來(lái)判斷尖峰用電缺口，預(yù)測(cè)配額交易量，發(fā)起交易請(qǐng)求并進(jìn)入Pre-prepare狀態(tài)。其他聚合商收到交易請(qǐng)求后，按照如圖5所示的算法流程進(jìn)行信息校驗(yàn)并廣播，可以參與交易的聚合商發(fā)送Commit信息給其他聚合商節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證完Commit 信息后到達(dá)Reply 階段，生成確認(rèn)信息并發(fā)送給聚合商Client，由此可確定交易對(duì)象進(jìn)行交易。

在負(fù)荷聚合商節(jié)點(diǎn)、邊緣智能代理節(jié)點(diǎn)等多節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)工作中，為了避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效或者單條鏈路故障而使整個(gè)系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，在交易中可設(shè)置最晚請(qǐng)求處理時(shí)間，在此時(shí)間段內(nèi)，若不能全部收到其他主體的Prepare 信息，就會(huì)判定請(qǐng)求失效，廣播請(qǐng)求中止信息；并上報(bào)未發(fā)送信息的主體及進(jìn)行故障詢(xún)問(wèn)，以此保證交易市場(chǎng)有條不紊地運(yùn)行[53]。

3 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

自電力物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來(lái)，電力負(fù)荷管理迎來(lái)飛速發(fā)展，專(zhuān)家、學(xué)者相繼投入該領(lǐng)域的研究，取得不少階段性成果。電力行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，其科技發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新都受到極大重視：一方面用電采集系統(tǒng)、邊緣智能代理等物理設(shè)備的不斷升級(jí)進(jìn)步促進(jìn)了硬件設(shè)施的發(fā)展和完善；另一方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、智能控制等與電力行業(yè)深度融合，促進(jìn)行業(yè)信息化、智能化的長(zhǎng)足發(fā)展，為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此背景下，本文提出多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，立足于先前的理論基礎(chǔ)和實(shí)際技術(shù)成果，為后續(xù)新型電力負(fù)荷管理的研究和實(shí)踐提供思路，但同時(shí)也面臨不小的挑戰(zhàn)。

（1）負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)控方面：更快速、精準(zhǔn)的調(diào)控手段是負(fù)荷參與需求響應(yīng)的良好基礎(chǔ)，目前需求響應(yīng)業(yè)務(wù)已經(jīng)在一些試點(diǎn)城市開(kāi)展，但是大規(guī)模需求響應(yīng)項(xiàng)目的開(kāi)展需要更多的資金、政策的支撐以及用戶(hù)的積極參與，如今的電力市場(chǎng)環(huán)境尚不能支撐智能化多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下負(fù)荷調(diào)控的試點(diǎn)工作。

（2）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)維方面：多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下，參與調(diào)控的主體眾多，信息交互與通信方式將更加復(fù)雜，端到端之間的信息延遲和安全性問(wèn)題較突出，且支撐架構(gòu)實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本巨大，大規(guī)模建設(shè)存在困難。

（3）商業(yè)模式方面：目前需求響應(yīng)商業(yè)模式僅在試點(diǎn)城市進(jìn)行，運(yùn)營(yíng)模式不夠成熟，且現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)支撐力度不夠，現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制未完善，多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)下各參與主體的利益保障尚不明確。

（4）調(diào)控管理方面：多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)涵蓋的區(qū)域范圍廣泛，涉及多個(gè)控制主體利益，但目前能源電力行業(yè)尚未擁有統(tǒng)一明確的架構(gòu)模型及行之有效的架構(gòu)管理方案，相關(guān)法律法規(guī)尚需完善規(guī)范。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大量需求側(cè)資源零散分布、種類(lèi)復(fù)雜多樣、難以高效調(diào)控問(wèn)題，提出縱向交流與橫向協(xié)作相結(jié)合的多層級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)控方案，展開(kāi)云-邊-端協(xié)同技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等在多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)中的應(yīng)用研究，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)的加持實(shí)現(xiàn)多層級(jí)調(diào)控架構(gòu)的改進(jìn)升級(jí)，并探討了面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以期在未來(lái)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地，助力新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)。