吳世偉，紀(jì) 陵，蔣衍君，劉文彪，李靖霞，劉永笑

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 211153；2.國(guó)網(wǎng)太原供電公司，太原 030001）

0 引言

在碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)未來(lái)將發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這必將對(duì)電網(wǎng)源網(wǎng)荷的調(diào)節(jié)控制發(fā)展提出更多的技術(shù)要求。當(dāng)前空調(diào)［1-3］已經(jīng)成為夏季我國(guó)電力負(fù)荷的重要組成部分，電動(dòng)汽車［4］的發(fā)展持續(xù)加速，儲(chǔ)能［5］也在工業(yè)園區(qū)、風(fēng)電/光伏電場(chǎng)、調(diào)峰電站等多個(gè)場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。在此背景下，依托于物理信息系統(tǒng)［6］的柔性負(fù)荷聚合商［7］（或虛擬電廠）的發(fā)展條件趨于成熟，可通過(guò)軟件架構(gòu)定義電網(wǎng)能源的運(yùn)行控制過(guò)程，聚合分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等不同類型的用戶側(cè)可調(diào)資源，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式資源的協(xié)調(diào)運(yùn)行，滿足電網(wǎng)的供需平衡［8］，有利于資源的合理化配置及利用。因此當(dāng)前需要研制柔性負(fù)荷聚合商能量管理系統(tǒng)，將各種用戶側(cè)可調(diào)資源聚合成滿足電力系統(tǒng)可靠并網(wǎng)要求的整體，并作為整體參與電力系統(tǒng)調(diào)控［9-11］。文獻(xiàn)［12］研究了空調(diào)的優(yōu)化控制策略，關(guān)于電動(dòng)汽車的V2G（車網(wǎng)互動(dòng)）調(diào)控［13］、計(jì)及充放電裕量的充放電調(diào)度策略［14］、日前調(diào)度策略［15］也有相應(yīng)研究。我國(guó)已建成國(guó)家、地方需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)管理平臺(tái)，各省市組織實(shí)施了多次需求響應(yīng)，柔性負(fù)荷聚合商未來(lái)將在電力系統(tǒng)移峰填谷、可再生能源電力消納上發(fā)揮更大作用。

當(dāng)前柔性負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)控大多在園區(qū)、大樓層面執(zhí)行，要實(shí)現(xiàn)到單個(gè)可調(diào)負(fù)荷的自動(dòng)精細(xì)調(diào)控還需要進(jìn)一步研究。本文搭建了以Redis為數(shù)據(jù)總線的包含電網(wǎng)潮流仿真分析、負(fù)荷監(jiān)視控制、用戶信息交互的柔性負(fù)荷聚合商能量管理系統(tǒng)框架，闡述了關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展眾多分布負(fù)荷通信互動(dòng)和在此基礎(chǔ)上的新能源消納、削峰填谷場(chǎng)景下的自動(dòng)調(diào)控模擬。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)化到單個(gè)可調(diào)資源的自動(dòng)調(diào)控，子站端接入資源數(shù)據(jù)點(diǎn)多量大且子站系統(tǒng)支持?jǐn)U展，涵蓋了站端到電網(wǎng)控制的全流程，方便從電網(wǎng)角度考慮可調(diào)資源參與聚合調(diào)節(jié)效果，支持模擬可調(diào)資源動(dòng)態(tài)特性；另外系統(tǒng)集成了Web和APP訪問(wèn)技術(shù)，方便用戶參與互動(dòng)交互。該系統(tǒng)可用于柔性負(fù)荷聚合商控制策略研究和模擬培訓(xùn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柔性負(fù)荷聚合商管理了數(shù)量眾多地理分布的可調(diào)負(fù)荷資源，在電網(wǎng)調(diào)控和負(fù)荷資源之間著發(fā)揮著上傳下達(dá)的作用。為了直觀觀測(cè)柔性負(fù)荷調(diào)控過(guò)程中電網(wǎng)潮流變化和負(fù)荷響應(yīng)過(guò)程，本系統(tǒng)包含了電網(wǎng)潮流仿真系統(tǒng)、負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)用戶互動(dòng)信息系統(tǒng)等。為了實(shí)現(xiàn)前述功能，需要研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式用戶側(cè)可調(diào)資源的接入、多個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互融合、典型負(fù)荷的調(diào)控模型特性、柔性負(fù)荷聚合和調(diào)控等。

柔性負(fù)荷聚合商能量管理系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括通信接入、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、配電網(wǎng)仿真及展示交互部分。為實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷控制顆粒度從園區(qū)、工廠、大樓負(fù)荷細(xì)化到用電負(fù)荷，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)、Lora無(wú)線通信方式接入了充電樁、儲(chǔ)能、空調(diào)等負(fù)荷資源。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)建模、負(fù)荷用電信息采集、存儲(chǔ)、分析、監(jiān)視控制以及高級(jí)應(yīng)用等功能。通過(guò)對(duì)典型負(fù)荷數(shù)據(jù)的挖掘分析提取出關(guān)鍵影響因素，并對(duì)用電負(fù)荷行為特征進(jìn)行聚類和識(shí)別畫(huà)像。配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)包含地區(qū)電網(wǎng)及配電網(wǎng)模型、分布在配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷資源、在調(diào)控柔性負(fù)荷時(shí)能觀測(cè)到配電網(wǎng)潮流變化。系統(tǒng)通過(guò)大屏、網(wǎng)頁(yè)、移動(dòng)終端、PC機(jī)等方式輸出展示信息，柔性負(fù)荷資源調(diào)控參與各方可以查看用電信息、參與調(diào)節(jié)次數(shù)和調(diào)控的收益信息、可調(diào)節(jié)潛力、調(diào)控過(guò)程、調(diào)控執(zhí)行情況等。

圖1 柔性負(fù)荷聚合商能量管理系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

2 基于Redis訂閱/發(fā)布的數(shù)據(jù)交互技術(shù)

2.1 Redis性能特點(diǎn)及應(yīng)用

Redis是一款開(kāi)源（BSD許可）的高性能非關(guān)系型內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，支持豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括字符串、集合、列表、字典、哈希等），可實(shí)現(xiàn)快速訪問(wèn)。Redis具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)讀寫(xiě)性能高，每秒可以處理超過(guò)10 萬(wàn)次讀寫(xiě)操作，是已知性能最快的Key-Value 數(shù)據(jù)庫(kù)；支持將更新的數(shù)據(jù)異步持久化到硬盤(pán)中，或者將執(zhí)行過(guò)的修改操作寫(xiě)入日志文件中；客戶端和服務(wù)端可實(shí)現(xiàn)多種類型的交互模式，包括原子化的批量請(qǐng)求/響應(yīng)模式（事務(wù)）、發(fā)布/訂閱模式等。

為了在監(jiān)控系統(tǒng)、配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)、用戶信息交互系統(tǒng)等多個(gè)不同技術(shù)棧系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，本文基于Redis 的發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)總線技術(shù)建立數(shù)據(jù)通道。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互如圖2所示。各系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)主要包括：SCADA（數(shù)據(jù)采采集與監(jiān)控）系統(tǒng)中負(fù)荷運(yùn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)、負(fù)荷模擬數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、Web 系統(tǒng)顯示的負(fù)荷信息以及用戶交互信息等。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互

2.2 不同場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)交互過(guò)程

基于Redis的數(shù)據(jù)總線建立了多個(gè)數(shù)據(jù)通道接口，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。圖3展示了主要的通信接口以及各功能場(chǎng)景的數(shù)據(jù)流詳細(xì)過(guò)程。

圖3 系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)流

場(chǎng)景1，配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流程：配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程①②發(fā)送數(shù)據(jù)（例如聯(lián)絡(luò)線潮流信息等）給能量管理系統(tǒng)；在負(fù)荷調(diào)控過(guò)程中，配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程①②③④⑤⑥?⑦與能量管理系統(tǒng)互動(dòng)。

場(chǎng)景2，能量管理系統(tǒng)收到調(diào)節(jié)指令后，分解目標(biāo)值并發(fā)送給柔性負(fù)荷，同時(shí)負(fù)荷量測(cè)值發(fā)送給配電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程：配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程①②⑧⑨將信息推送至Web；Web 系統(tǒng)發(fā)起調(diào)控個(gè)別負(fù)荷時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)流⑩④⑤⑥?⑦和⑩④⑤?過(guò)程，與監(jiān)控系統(tǒng)和配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)之間互動(dòng)；能量管理系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程???聯(lián)動(dòng)查看負(fù)荷所屬配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

場(chǎng)景3，SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布過(guò)程：通過(guò)??從SCADA系統(tǒng)向Web發(fā)布數(shù)據(jù)。

交互報(bào)文采用Json格式，示例如下：

3 柔性負(fù)荷聚合商參與電網(wǎng)調(diào)控技術(shù)

為了把柔性負(fù)荷納入到電網(wǎng)滾動(dòng)優(yōu)化控制中，在考慮功率平衡、邊界約束條件下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)控，需進(jìn)行負(fù)荷資源可調(diào)潛力預(yù)測(cè)計(jì)算和分配。

3.1 柔性負(fù)荷聚合商參與電網(wǎng)控制的步驟

系統(tǒng)模擬柔性負(fù)荷聚合商參與電網(wǎng)控制的步驟如下：

1）選取光伏站、風(fēng)力發(fā)電廠典型日96 點(diǎn)發(fā)電曲線，并按照容量進(jìn)行折算。

2）周期提取當(dāng)前時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏、風(fēng)力發(fā)電出力數(shù)據(jù)，發(fā)送到仿真系統(tǒng)進(jìn)行全網(wǎng)潮流分配。

3）設(shè)定用戶側(cè)可調(diào)資源基線數(shù)據(jù)、電動(dòng)汽車日出行計(jì)劃、室外溫度曲線等數(shù)據(jù)，對(duì)電動(dòng)汽車的充電狀態(tài)、空調(diào)的啟停狀態(tài)作出判別，并刷新當(dāng)前可調(diào)潛力。

4）柔性負(fù)荷聚合商根據(jù)可調(diào)潛力調(diào)節(jié)柔性負(fù)荷消納新能源發(fā)電，調(diào)節(jié)策略包括啟動(dòng)儲(chǔ)能、啟動(dòng)電動(dòng)汽車充電。

5）柔性負(fù)荷聚合商進(jìn)行電網(wǎng)移峰填谷控制，在用電高峰時(shí)段，啟動(dòng)儲(chǔ)能資源放電、停止空調(diào)負(fù)荷、停止電動(dòng)汽車充電等；在用電谷時(shí)段，啟動(dòng)儲(chǔ)能充電、啟動(dòng)電動(dòng)汽車充電等。

柔性負(fù)荷調(diào)控模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，電網(wǎng)仿真系統(tǒng)支持?jǐn)嗦菲骱透綦x開(kāi)關(guān)變位、變壓器遙調(diào)操作和故障設(shè)置、發(fā)電機(jī)出力調(diào)整、負(fù)荷調(diào)節(jié)，以及故障和事件的教案編輯生成，對(duì)培訓(xùn)仿真的初始化訓(xùn)練、暫停、中止等過(guò)程控制。

圖4 柔性負(fù)荷調(diào)控模塊結(jié)構(gòu)

模擬程序支持定時(shí)傳輸多組序列化數(shù)據(jù)，例如光伏、風(fēng)電出力時(shí)序數(shù)據(jù)，溫度時(shí)序數(shù)據(jù)，峰谷時(shí)段的負(fù)荷時(shí)序數(shù)據(jù)；支持多組數(shù)據(jù)的初始化，例如柔性負(fù)荷基線數(shù)據(jù)等；支持柔性負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬，如溫控負(fù)荷隨氣溫變化按數(shù)學(xué)模型的啟停狀態(tài)，充電樁和儲(chǔ)能系統(tǒng)隨時(shí)間變化的SOC（荷電狀態(tài)）。

調(diào)度潛力計(jì)算模塊周期性計(jì)算刷新當(dāng)前和未來(lái)可調(diào)度潛力。調(diào)控模塊在接收到調(diào)度調(diào)控指令后，依據(jù)可調(diào)潛力分解目標(biāo)值并分配調(diào)節(jié)各可調(diào)負(fù)荷，控制過(guò)程循環(huán)迭代直至達(dá)到穩(wěn)定的調(diào)控結(jié)果。調(diào)節(jié)過(guò)程中的負(fù)荷量測(cè)值發(fā)送給配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行功率平衡校核。以上過(guò)程包含了負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷控制及電網(wǎng)功率平衡的過(guò)程。

3.2 可調(diào)潛力計(jì)算功能

負(fù)荷可調(diào)潛力聚合計(jì)算采用物理模型法。通過(guò)建立三類負(fù)荷物理模型，考慮儲(chǔ)能充放電SOC上下限、溫控負(fù)荷的人體舒適度范圍、電動(dòng)汽車的出行使用需求，假定負(fù)荷資源在滿足約束條件下完全可控，對(duì)未來(lái)幾個(gè)小時(shí)的潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)輸出。計(jì)算時(shí)分層分類，先逐個(gè)計(jì)算單個(gè)負(fù)荷潛力，再按類型聚合求和。上述過(guò)程涉及的負(fù)荷模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柔性負(fù)荷模型參數(shù)

空調(diào)模型表達(dá)式如下：

電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能在t時(shí)刻的電池電量計(jì)算公式如下：

式中：QSOC，t和QSOC，0分別為t和t0時(shí)刻的電量；PR為額定功率；Ce為充電效率；Qe為電池容量。

3.3 柔性負(fù)荷調(diào)控功能

負(fù)荷調(diào)控模塊基于開(kāi)放式的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，平臺(tái)層面接入負(fù)荷各種復(fù)雜通信規(guī)約，提供數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、畫(huà)面展示、告警、曲線、報(bào)表等功能。應(yīng)用模塊計(jì)及負(fù)荷優(yōu)先級(jí)和可調(diào)潛力等因素合理分配目標(biāo)值，通過(guò)并列下發(fā)指令以提高調(diào)節(jié)速度。調(diào)控程序包括指令監(jiān)聽(tīng)函數(shù)、負(fù)荷閉鎖和可調(diào)潛力檢測(cè)函數(shù)、指令分配算法等。在接收到調(diào)度的調(diào)節(jié)指令后，結(jié)合負(fù)荷閉鎖狀態(tài)、邊界條件和可調(diào)能力，按照分配算法分解指令值并發(fā)送給各負(fù)荷，周期性刷新負(fù)荷資源的可調(diào)能力，及時(shí)將可調(diào)資源投入調(diào)節(jié)、將達(dá)到邊界條件的負(fù)荷退出調(diào)節(jié)。循環(huán)迭代上述過(guò)程直至達(dá)到控制目標(biāo)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本文搭建了柔性負(fù)荷管理控制和仿真系統(tǒng)，主網(wǎng)選擇某地區(qū)電網(wǎng)，配電網(wǎng)為主網(wǎng)的一條出線。其中包括5 座火力發(fā)電廠、1 座風(fēng)電場(chǎng)、1 座光伏電站，有可調(diào)負(fù)荷點(diǎn)125 個(gè)、負(fù)荷聯(lián)絡(luò)線148 條。實(shí)際接入部分示范空調(diào)、電動(dòng)汽車充電樁、儲(chǔ)能設(shè)備，并模擬部分柔性負(fù)荷對(duì)象。文中闡述的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、配電網(wǎng)線路、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的層次關(guān)系如圖5所示。

圖5 柔性負(fù)荷聚合商系統(tǒng)試點(diǎn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

文中柔性負(fù)荷聚合商系統(tǒng)模擬調(diào)控過(guò)程，如表2 所示，設(shè)定柔性負(fù)荷資源包括100 kW 儲(chǔ)能、100 kW 空調(diào)、100 kW電動(dòng)汽車，峰時(shí)段為09：00—11：00和19：00—21：00，谷時(shí)段為23：00—07：00，空調(diào)調(diào)節(jié)占空比為34%。09：00—11：00，儲(chǔ)能、空調(diào)參與調(diào)節(jié)抑制尖峰負(fù)荷，總可調(diào)功率共計(jì)166 kW；19：00—21：00 期間，空調(diào)、電動(dòng)汽車負(fù)荷參與調(diào)節(jié)抑制尖峰負(fù)荷，總可調(diào)功率共計(jì)266 kW；23：00—07：00，儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車參與調(diào)節(jié)，消納新能源發(fā)電功率，總可調(diào)功率最大共計(jì)200 kW。在負(fù)荷聚合調(diào)控過(guò)程中，能觀測(cè)到連接線潮流和負(fù)荷資源的相應(yīng)變化，直觀展現(xiàn)負(fù)荷移峰填谷效果，以及谷時(shí)段的調(diào)節(jié)對(duì)于新能源發(fā)電吸納的有益效果。

表2 柔性負(fù)荷聚合商系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了柔性負(fù)荷聚合商能量管理及仿真系統(tǒng)，采用了基于Redis 訂閱/發(fā)布的信息交換技術(shù)，運(yùn)用物理數(shù)學(xué)模型的負(fù)荷可調(diào)潛力計(jì)算及快速控制方法，實(shí)現(xiàn)了柔性負(fù)荷的自動(dòng)響應(yīng)和分配控制。系統(tǒng)包含信息采集、數(shù)據(jù)模擬、潮流仿真、負(fù)荷預(yù)測(cè)以及負(fù)荷聚合分配控制等功能，既可在實(shí)驗(yàn)室用于控制策略的研究和仿真，也可為柔性負(fù)荷聚合商參與電網(wǎng)調(diào)控提供支撐。文中使用某地區(qū)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和配電線路的斷面數(shù)據(jù)，接入了實(shí)際負(fù)荷裝置，在滿足供需平衡的約束下，模擬了新能源消納和電網(wǎng)削峰填谷的場(chǎng)景。系統(tǒng)已在試點(diǎn)運(yùn)行，下一步將研究在接入可調(diào)資源容量較大時(shí)，考慮可調(diào)資源的分布特性，從所在各地區(qū)電網(wǎng)角度出發(fā)，結(jié)合電網(wǎng)架構(gòu)、潮流約束整體，合理劃分區(qū)域?qū)哟危瑥恼w上探討該約束優(yōu)化問(wèn)題。