金家培,陳湘瑜

(1.上海明華電力技術工程有限公司,上海 200437;2.上海市用電負荷管理中心,上海 200122)

1 引言

建設統(tǒng)一堅強的智能化電網(wǎng)是國網(wǎng)公司依據(jù)國家能源建設安全需要,以達到保障能源有效供給,應對氣候變化,促進可再生能源發(fā)展,提高資源利用效率而提出的重大戰(zhàn)略舉措。堅強智能電網(wǎng)是以統(tǒng)一堅強的特高壓網(wǎng)架為基礎,以通信信息平臺為支撐,以智能控制為手段,包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié),覆蓋所有電壓等級,實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合,實現(xiàn)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的“智能”技術特征的電網(wǎng)功能[1]。

作為用電環(huán)節(jié)能夠與客戶溝通手段之一的負荷管理系統(tǒng),如何承擔起智能化電網(wǎng)的建設任務,圍繞智能化電網(wǎng)在用電方面的發(fā)展目標,有效利用負荷管理系統(tǒng)的現(xiàn)有資源,滿足智能化電網(wǎng)的建設要求,是未來確定負荷管理系統(tǒng)保持可持續(xù)發(fā)展的重要條件和根本原則。只有緊緊圍繞智能化電網(wǎng)建設的要求制訂發(fā)展規(guī)劃,才能保證負荷管理系統(tǒng)今后有效地為智能化電網(wǎng)服務,才能保證負荷管理系統(tǒng)資源的有效利用,才能保證負荷管理系統(tǒng)長久的生命力。本文就上海市用電負荷管理系統(tǒng)今后如何發(fā)展,提出一些方案設想和建議,供參考和討論。

2 上海市用電負荷管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀

上海市用電負荷管理系統(tǒng)(以下簡稱負荷管理系統(tǒng))自1996年7月建成投運以來,通過歷年建設,規(guī)模已從初期擁有1個主站,3個通信基站,652套230 MHz專網(wǎng)通信雙向終端(以下簡稱終端),發(fā)展到擁有一個主站,10個基站,17個專網(wǎng)信道,一個GPRS公網(wǎng)信道,11000余套終端(其中專網(wǎng)終端約占90%,公網(wǎng)終端約占10%)的規(guī)模。負荷管理系統(tǒng)監(jiān)測用電負荷,從初期的150萬kW發(fā)展到目前的760萬kW。監(jiān)控用電負荷從初期的40萬kW發(fā)展到目前的140萬kW。監(jiān)測用電負荷提高了5倍,監(jiān)控用電負荷提高了3.5倍,負荷監(jiān)測和控制能力都有了很大的提高。目前,負荷管理系統(tǒng)仍采用準實時方式(每隔15 m in巡測一次)進行數(shù)據(jù)采集和處理。

負荷管理系統(tǒng)在發(fā)展中結(jié)合實際應用的需要,把從開始以負荷控制為主的建設目標,轉(zhuǎn)變到了以負荷控制和負荷管理并舉的目標。在保證負荷控制功能不減弱的前提下,大力發(fā)展遠程抄表、客戶數(shù)據(jù)應用、電能質(zhì)量監(jiān)測、客戶地理信息和圖片資料信息收集等管理功能。目前,遠程抄表功能覆蓋了9種表計,每天抄收萬余塊表計的電量數(shù)據(jù),并通過客戶綜合數(shù)據(jù)業(yè)務系統(tǒng),統(tǒng)一提供給集抄、精細化線損等各類生產(chǎn)系統(tǒng)使用。

開發(fā)的終端需求應用軟件功能,經(jīng)過拓展已經(jīng)具備數(shù)據(jù)采集、需量跟蹤和預測報警、功率因數(shù)報警、電量統(tǒng)計、需量調(diào)整計算等多用途功能,客戶能夠通過上海市電力公司免費提供的軟件,來實時獲取終端的數(shù)據(jù)和控制狀態(tài),分析用電狀態(tài),及時調(diào)整用電行為,可自主地進行需求管理工作。目前,試點客戶已經(jīng)利用該軟件來監(jiān)測需量和功率因數(shù),并依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)作為契約容量調(diào)整的依據(jù),使客戶的電能管理工作從粗放型向精細化轉(zhuǎn)變。隨著負荷管理系統(tǒng)規(guī)模的擴充和管理功能的不斷提升,主站軟件已從初期簡單的C/S結(jié)構,經(jīng)過升級改造,發(fā)展為三層結(jié)構,并具備了以下一些新的功能特點:

(1)先進的系統(tǒng)架構技術 采用業(yè)界領先的CORBA中間件,結(jié)合總線架構技術設計并實現(xiàn),通信性能優(yōu)秀。

(2)擴展性的規(guī)約插件平臺 對核心業(yè)務組件——規(guī)約計算平臺和通信組件平臺進行組件化設計,實現(xiàn)了各種多變的規(guī)約業(yè)務,在負荷管理系統(tǒng)核心架構穩(wěn)定不變的情況下實施無縫接入,為負荷管理系統(tǒng)的業(yè)務變更,提供了良好的可擴展性支持。

(3)多元化任務調(diào)度管理 負荷管理系統(tǒng)一改傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集任務的定時啟動管理策略,對數(shù)據(jù)采集任務的編排調(diào)度,進行了多元化的行為設計,使得數(shù)據(jù)采集任務可定時執(zhí)行,也可自動排隊鏈接執(zhí)行,還提供了自動無限補招等調(diào)度方式,使得原本彼此之間無狀態(tài)、無依賴的采集任務,可根據(jù)彼此的運行狀態(tài)來進行調(diào)節(jié)與調(diào)度。該功能使得負荷管理系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)采集任務效率大大增升,節(jié)省了大量的信道資源。由于負荷管理系統(tǒng)能捕獲數(shù)據(jù)采集任務的運行狀態(tài),使得系統(tǒng)運行工況日志十分完整,便于系統(tǒng)管理人員為負荷管理系統(tǒng)調(diào)整運行策略。

(4)經(jīng)濟實用的通信加密平臺 負荷管理系統(tǒng)采用了消息摘要技術,對主站至終端的敏感報文進行了摘要計算,終端根據(jù)摘要信息驗證報文是否由合法的主站發(fā)出?；跓o線通信的特點,摘要算法對時間十分敏感,能夠有效阻止惡意重發(fā)攻擊方式。

3 建設智能化電網(wǎng)負荷管理系統(tǒng)的探索

按照國網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)建設在用電環(huán)節(jié)的部署和要求,分析上海市用電負荷管理系統(tǒng)現(xiàn)狀與智能化電網(wǎng)建設目標的差距,圍繞采集覆蓋面繼續(xù)擴大后產(chǎn)生的通信瓶頸矛盾,嘗試利用負荷管理系統(tǒng)現(xiàn)有資源,研究建立客戶互動機制和相應體系以及加強運行管理等方面工作,作為進一步發(fā)展的方向。

基本原則是首先應解決230 MH z通信容量有限的困難,做好系統(tǒng)繼續(xù)擴容的準備;其次應研究安全運行、電能質(zhì)量監(jiān)測、客戶互動和自主管理、運行維護策略等方面技術,保證負荷管理系統(tǒng)能夠有效地為智能化電網(wǎng)建設服務。

3.1 230 MHz全雙工通信應用研究

考慮到上海電網(wǎng)的負荷規(guī)模,高的峰谷負荷差值特點,以及缺乏足夠的周轉(zhuǎn)備用容量的現(xiàn)狀,因此必須保證可控負荷與電網(wǎng)負荷之間,保持一定的比例。隨著都市經(jīng)濟的發(fā)展,可控負荷也應保持穩(wěn)定增長,這就意味著230 MH z專用通信網(wǎng)絡要容納更多的終端設備。如要保持現(xiàn)有的每隔15m in巡測一次的準實時運行方式不變,則要想方設法縮短在同一信道下每臺終端的通信時間。

目前,主站(基站)與終端完成一次(一幀)數(shù)據(jù)通信的時間由7個部分組成。即總延時時間(DT),主站電臺發(fā)射延時時間(DT1),主站下發(fā)命令數(shù)據(jù)傳輸時間(DT2),終端接受命令處理時間(DT3),終端電臺發(fā)射延時時間(DT4),終端主站上傳通信時間(DT5),主站幀間隔保護延時時間(DT6)。

根據(jù)現(xiàn)在的通信時間統(tǒng)計,DT3和DT6約為400m s。DT1和DT4約為250 ms。在一般巡測的數(shù)據(jù)幀中,上、下行報文信息量約為50個字節(jié),按信息傳輸格式,每個字節(jié)11位(8個數(shù)據(jù)位,1個起始位,一個校驗位,一個停止位),在2400 bps速率通信條件下,主站與一個終端進行一次通信需要的最短時間為:

如果考慮重測的概率,則以上時間應乘以適當?shù)难a測因子(一般為1.1),因此,在2400 bps速率通信條件下,15 min的巡測周期,要防止截尾必須保證在12 m in內(nèi)完成一個頻點的巡測。因此,單頻點下所能容納的最大終端數(shù)量為744套,按照上海系統(tǒng)使用17個頻點計,則230 MHz專網(wǎng)最多能容納12659套專網(wǎng)終端。

按照目前系統(tǒng)已達10000套左右的規(guī)模,則230 MH z通信網(wǎng)擴容裕度僅剩21%以下。由于上海各區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的不平衡,各頻點所配置的終端數(shù)量也是不平均的,已經(jīng)有某些頻點終端數(shù)量超過744套,這些頻點有時會發(fā)生巡測時的截尾現(xiàn)象。

考慮到基站電臺(主站延伸)全部是支持全雙工通信模式的,而現(xiàn)在的發(fā)→收→發(fā)通信方式并未利用到這一特點,如果能通過主站軟件控制,實現(xiàn)主站最小時間間隔的連續(xù)發(fā)和連續(xù)收,假設能夠把DT3和DT6時間縮短一半,即200 ms,則單頻點下的最短通信時間為:0.679 s,比原來節(jié)約0.2 s,單頻點下所能容納的最大終端數(shù)量為942套,總?cè)萘繉⑦_到16014套,230 MH z通信網(wǎng)擴容裕度達到37.6%,可以提升16.6%。按照目前運行數(shù)量計,將使信道擁有60%左右的擴容能力[2-3]。

3.2 運行安全性的進一步提升

隨著負荷管理系統(tǒng)規(guī)模的逐步擴大,采集數(shù)據(jù)種類越來越多,230MH z專網(wǎng)通信和公網(wǎng)通信的混合運行現(xiàn)狀,除了通信過程中的安全性以外,數(shù)據(jù)的安全性問題也變得至關重要,各客戶的用電量數(shù)據(jù)直接反映了社會經(jīng)濟運行的狀態(tài),因此進一步完善系統(tǒng)運行安全體系的建設工作,已經(jīng)刻不容緩。

目前,運行的報文加密方法密鑰算法是固定的,且僅對控制命令進行加密,數(shù)據(jù)仍是原碼傳輸,安全防護等級偏低,因此要繼續(xù)研究加密方法,加密的深度和廣度。加密方法的選擇原則應該遵循:第一,要與系統(tǒng)的安全要求相適應,選擇能夠滿足系統(tǒng)安全等級要求的加密方法;第二,要與負荷管理系統(tǒng)的使用和性能相適應,不能一味地追求安全而不顧系統(tǒng)性能。總之,應在安全和性能之間選擇一個合適的平衡點,這樣才能起到投入少,見效快的目的。

從降低成本,便于原有終端改造角度考慮,基于軟件加密的方法顯得尤為重要。軟件加密的方法有很多,不管用哪一種都應該考慮密鑰的動態(tài)可變性,能覆蓋所有命令和數(shù)據(jù),這樣才能滿足系統(tǒng)運行的可靠性、負荷控制的安全性、數(shù)據(jù)內(nèi)容的保密性要求。密鑰的計算應比較簡單,以滿足原有終端硬件速度相對較慢的實際狀況,保證加密改造工作能夠切實可行。利用終端這個平臺建立與客戶的互動是實現(xiàn)智能化營銷的重要途徑,因此研究數(shù)據(jù)的加密方法,提前做好與客戶互動的安全環(huán)境建設是非常有意義的[4]。

3.3 實現(xiàn)客戶數(shù)據(jù)的全采集目標

利用交流采集裝置采集客戶所有電力數(shù)據(jù)是各個負荷管理系統(tǒng)通常采用的方法,然而在上海,由于客戶配電站一般電流互感器(TA)二次只配有計量回路,沒有保護回路,存在測量信號無法抽取的困難。為了突破這個障礙,提出在失壓計時器中增加電壓、電流等數(shù)據(jù)的測量,通過485接口把數(shù)據(jù)送到終端,之后再由終端送到主站的方法。經(jīng)試點取得了比較好的效果。

按照智能化電力信息采集系統(tǒng)全采集的要求,集中統(tǒng)一采集裝置的原則,應嘗試把失壓計時、電壓統(tǒng)計、電能質(zhì)量監(jiān)測等分別屬于各種不同裝置的功能,統(tǒng)一集合到終端當中,形成一體化終端,用以改變客戶計量柜中裝設多種測量裝置的局面,這樣既符合集約原則,又能利用負荷管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的優(yōu)勢,把過去分散的,由人工進行采集的信息通過網(wǎng)絡傳回到主站,由主站軟件作相應統(tǒng)計歸類,采用統(tǒng)一平臺予以發(fā)布,保證數(shù)據(jù)的完整性和唯一性,達到數(shù)據(jù)全采集的目標[5]。

研究能夠兼?zhèn)涫河嫊r、電壓管理、諧波監(jiān)測以及電壓、電流有功、無功、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)采集功能于一體的終端,制訂相應的技術標準和通信規(guī)約,擴大對客戶端電能質(zhì)量的實時監(jiān)測范圍,及時掌握客戶端電能質(zhì)量狀況,實現(xiàn)對電能質(zhì)量從網(wǎng)側(cè)到客戶端的全過程監(jiān)測。增加終端對無功數(shù)據(jù)的采集,彌補目前對客戶端無功功率缺乏及時了解的現(xiàn)狀[6]。

負荷管理和電能表集抄雖然是兩個系統(tǒng),各有不同的特點和作用,但是采集的數(shù)據(jù)是可以共用的。為了不重復安裝,上海負荷管理系統(tǒng)規(guī)定了兩種終端不在同一客戶處安裝的技術原則。因此,研究制訂負荷管理系統(tǒng)和電能表集抄系統(tǒng)相互融合的技術規(guī)范,按照國網(wǎng)標準統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型,實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的負荷和電量數(shù)據(jù)互補應用和無阻交換,負荷管理系統(tǒng)的電量數(shù)據(jù)可以交換到電能表集抄系統(tǒng),而電能表集抄系統(tǒng)的負荷數(shù)據(jù)也應該交換到負荷管理系統(tǒng),從而擴大系統(tǒng)的監(jiān)測負荷范圍。

3.4 推動客戶需求側(cè)管理

需求側(cè)管理工作能有效地減低能源消耗,經(jīng)濟合理地利用能源,減少電費支出,提高電網(wǎng)的負荷率,縮小峰谷差,緩解高峰時段供需不平衡的矛盾。目前,負荷管理系統(tǒng)已經(jīng)嘗試向客戶免費提供終端數(shù)據(jù)采集和管理軟件,還未形成規(guī)模效應。因此,通過各種形式加強對客戶的宣傳和培訓力度,提高客戶對需求側(cè)管理工作的認識,營造客戶主動參與的氛圍,繼續(xù)推廣客戶端應用軟件的使用,跟蹤使用情況,依據(jù)實際需要開發(fā)個性化的系列版本,讓更多的客戶能夠自主地進行電能管理,使客戶的電能管理從粗放型向精細化轉(zhuǎn)變。

根據(jù)前述負荷管理系統(tǒng)監(jiān)測負荷760萬kW的水平,如果讓20%的客戶使用該軟件,使高峰負荷(最大需量)下降10%左右,按平均計算電網(wǎng)高峰負荷能下降約15萬 kW,但是實際上在230 MHz專網(wǎng)客戶中約有20%是特大型客戶,負荷累計約要占到總監(jiān)測負荷的80%,因此同樣按下調(diào)10%考慮,那么電網(wǎng)高峰負荷就有可能下降約60萬kW,調(diào)峰效果明顯。由于終端客戶點多面廣的特點,20%的客戶數(shù)量將會達到2000戶左右,可見推廣工作需要一定的人力投入。

通過客戶需求側(cè)工作的推進,積累與客戶溝通的經(jīng)驗,增強相互間的信任度,建立相互依存關系,從而更好地提升服務質(zhì)量,擴大電能消費的終端客戶比例。應該充分利用終端信息能夠及時傳遞和反饋這個特殊平臺,研究與客戶建立雙向互動體系,實現(xiàn)信息互通,讓電網(wǎng)信息及時下傳到客戶,讓客戶需求信息及時上傳到電網(wǎng)。研究制訂雙方互動的內(nèi)容和方法,嘗試從信息互動開始到雙方的業(yè)務互動[7]。

3.5 提升系統(tǒng)價值

針對目前系統(tǒng)95%左右的通信成功率(一次巡測周期)和89%左右的抄表成功率(一個抄表周期)的運行狀況,要深入研究如何提高這兩個成功率指標的方法,研究有效的系統(tǒng)運行維護策略,建立對各類運行數(shù)據(jù)的考核機制,設立負荷管理系統(tǒng)每年要達到的運行指標值,修訂完善運行維護管理制度和考核辦法,把保持并逐步提高負荷管理系統(tǒng)一次通信成功率和抄表成功率作為工作重點,確保采集數(shù)據(jù)準確率達到考核要求,確保主站系統(tǒng)設備和通信基站設備巡檢維護工作規(guī)范化和正?；?。確保終端維護的有效人、財、物投入,保證維護工作的及時性。強化運行中的技術監(jiān)督,發(fā)現(xiàn)問題及時分析處理,避免問題的擴大化。跟蹤終端設備的使用年限,使更換工作納入正常軌道。

智能化電網(wǎng)的建設目標是探索利用系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡資源和終端,開展對風能、太陽能等分布式電源接入的監(jiān)控技術研究,以及對電動汽車充電站的監(jiān)測和監(jiān)控。由于通信網(wǎng)絡和主站資源是現(xiàn)有的,只需改進終端的功能就可以比較快地實施,并能方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。采集數(shù)據(jù)可以通過主站發(fā)布到相關的生產(chǎn)管理系統(tǒng),因此可以有效地配合分布式電源的接入,充分挖掘系統(tǒng)內(nèi)在價值,達到智能化電網(wǎng)的建設要求。

4 提升負荷管理系統(tǒng)功能的方案

上述的研究內(nèi)容,主要涉及擴容、通信、安全、數(shù)據(jù)采集、抄表、電能質(zhì)量監(jiān)測、客戶端應用、雙方互動、運行維護等各方面,實施這些研究可以使系統(tǒng)能夠承擔起智能化用電信息采集系統(tǒng)的全覆蓋,構建智能化的雙向互動體系等一系列與用電有關的智能化電網(wǎng)建設任務。

這些研究內(nèi)容,應該按照重要程度、相互間依賴關系,有步驟的依次進行。建議分兩個階段來實施。

(1)第一階段目標 編制發(fā)展規(guī)劃,確定發(fā)展目標。制訂出詳細的負荷管理系統(tǒng)和集抄系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)相互融合的方案,重點解決負荷管理系統(tǒng)表計狀態(tài)監(jiān)測功能和新表計類型抄收功能,引入集抄系統(tǒng)的負荷數(shù)據(jù),擴大負荷監(jiān)測比例。在國網(wǎng)統(tǒng)一終端規(guī)范基礎上,修訂上海市用電負荷管理系統(tǒng)的終端規(guī)范。

規(guī)劃工作宜早進行,對主站和運行終端的改造,新終端的采購越有利。

盡快研究專網(wǎng)通信容量受限的問題,在系統(tǒng)巡測模式保持不變的情況下,增加信道的終端容納數(shù)量。研究開發(fā)智能電能表的統(tǒng)一抄表規(guī)約,滿足現(xiàn)場各種類型表計的抄收。以抄表數(shù)據(jù)能夠出賬的要求考核抄表系統(tǒng)的運行、維護工作。鑒于智能電能表適宜網(wǎng)絡通信的特殊性和采集數(shù)據(jù)的多樣性特點,研究終端如何與其建立起合適的通信方式,承擔起數(shù)據(jù)傳遞和表計狀態(tài)監(jiān)測的任務。利用客戶端軟件應用試點的良好開端,進一步推廣該軟件的應用范圍。

(2)第二階段目標 推進客戶端電能質(zhì)量監(jiān)測工作,擴大遠程采集客戶端數(shù)據(jù)的終端數(shù)量,制訂安裝覆蓋計劃。研究集失壓計時、電壓統(tǒng)計、諧波監(jiān)測以及用電數(shù)據(jù)采集等功能一體化的新型終端。

分析風能和太陽能電源,電動汽車充電站的運行特點,研究利用終端作為這些電源接入控制設備的可行性方案,提出適合分布式電源控制特點的終端產(chǎn)品,發(fā)揮系統(tǒng)通信網(wǎng)絡優(yōu)勢,實現(xiàn)遠程的、快速的、一對一的控制。采集這些接入設備的運行數(shù)據(jù),實現(xiàn)遠程監(jiān)測和分析,用終端作為電網(wǎng)的安全屏障,發(fā)現(xiàn)故障及時切除,防止因這些設備發(fā)生故障時影響到電網(wǎng)的運行安全。

利用終端作為建立供電企業(yè)與客戶相互間溝通的橋梁,嘗試建立與客戶信息溝通為出發(fā)點,逐步深入拓展到業(yè)務申請,調(diào)整用電工況等內(nèi)容的互動體系。研究主站和終端適應這種互動體系應該具備的相關功能、數(shù)據(jù)通信方式、安全保密措施,建設與客戶互動的應用平臺。制訂互動作業(yè)標準化工作流程和工作方式,逐步推進,不斷完善,逐漸形成標準規(guī)范的互動體系。

5 結(jié)語

負荷管理系統(tǒng)是在20世紀90年代中后期為了解決當時電力發(fā)展的建設速度跟不上社會經(jīng)濟的發(fā)展節(jié)奏,電力電量供需矛盾突出,存在缺電現(xiàn)象而興建的大型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),在全國類似負荷管理系統(tǒng)有相當數(shù)量,總投資很大。今天,全國的電力科技已經(jīng)有了一個飛躍的發(fā)展,發(fā)電量和負荷水平已經(jīng)能夠達到基本平衡。因此,如何借助于智能化電網(wǎng)的建設契機,利用好負荷管理系統(tǒng)的現(xiàn)有資源,推進負荷管理系統(tǒng)的進一步可持續(xù)發(fā)展,將有助于負荷管理系統(tǒng)承擔起智能化電網(wǎng)建設的重任,繼續(xù)提升它的使用價值。

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