張娟，郝飛，赫明君，金崢，黃源烽，王偉剛

（1.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122；2.南京南瑞繼保電氣有限公司 系統(tǒng)軟件研究所，江蘇南京 211102；3.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司 礦山供電公司，內(nèi)蒙通遼 028000）

低碳排放，綠色發(fā)展，已經(jīng)成為冶金企業(yè)發(fā)展的共識。在電力市場、虛擬電廠、需求側(cè)響應(yīng)的激勵下，冶金企業(yè)的電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)不但要關(guān)注企業(yè)內(nèi)部，而且要放眼于外部大電網(wǎng)的變化、技術(shù)應(yīng)用和趨勢發(fā)展。近些年來，筆者所在團隊充分吸收國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)在調(diào)度自動化方面的技術(shù)成果，結(jié)合冶金企業(yè)自身需求，在一體化數(shù)據(jù)采集、電力需量控制、分層綜合調(diào)控、調(diào)度運行駕駛艙等方面進行了一些研究和實踐：1）在企業(yè)電力調(diào)度中融入電力二次一體化理念，實現(xiàn)二次系統(tǒng)的專業(yè)融合和全網(wǎng)信息的綜合共享，在調(diào)度平臺上實現(xiàn)電力監(jiān)控、保護故障信息、電能量計量、一次設(shè)備在線監(jiān)測等數(shù)據(jù)的一體化集中采集和監(jiān)控[1]；2）結(jié)合大工業(yè)用戶的兩部制電價實施細則，進行電力需量控制系統(tǒng)的研發(fā)和實踐，通過控制生產(chǎn)工序或能源系統(tǒng)中的可中斷或可調(diào)節(jié)負荷，實現(xiàn)對企業(yè)關(guān)口電力需量的實時監(jiān)測、預(yù)警和調(diào)控，降低企業(yè)的用電成本[2-4]；3）建立多時間尺度的綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過分層綜合調(diào)控，合理設(shè)定自備機組自動控制、電力需量決策分析與調(diào)控、電壓無功優(yōu)化的控制目標，解決多控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制問題[5]；4）建立電網(wǎng)調(diào)度運行關(guān)鍵性能指標、決策分析和運行操作三大驅(qū)動引擎，利用綜合運行駕駛艙技術(shù)，將數(shù)據(jù)、計算、優(yōu)化、流程有機結(jié)合，實現(xiàn)“前端監(jiān)控”與“后端優(yōu)化”的實時互動，為調(diào)度員提供便捷、高效的操控界面[6]；5）對冶金企業(yè)孤立電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)控制問題進行系統(tǒng)性的研究，采用廠級控制的方法對孤立電網(wǎng)的調(diào)度進行重構(gòu)，增加了優(yōu)化調(diào)度、實時調(diào)度，提高了調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)同能力[7]；6）運用人工系統(tǒng)、計算實驗和平行執(zhí)行的平行控制方法，建立鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)調(diào)度知識決策系統(tǒng)，并通過智能操作票、調(diào)度指揮機器人等實踐，探索建立智能化、知識型調(diào)度決策分析系統(tǒng)實現(xiàn)路徑[8]；7）基于復(fù)雜平行控制理論，提出了具有平行系統(tǒng)特征的雙活調(diào)度系統(tǒng)，很好地解決了兩套系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步、一致性校驗、雙活切換等核心問題，大大提高了調(diào)度系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[9]。

然而，面對力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的雙重挑戰(zhàn)，亟需構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，對電源側(cè)、負荷側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進行重塑。冶金企業(yè)的電力調(diào)度也要積極吸取其他行業(yè)的先進經(jīng)驗，以自動化、信息化為基礎(chǔ)，實現(xiàn)電力調(diào)度的智能化、廣泛互聯(lián)和自律控制。本文擬針對當下新一代智能調(diào)度系統(tǒng)、新一代自主可控變電站集控的具體技術(shù)問題及實現(xiàn)方案進行探討，對態(tài)勢感知、智能運維、新能源優(yōu)化調(diào)度、虛擬電廠技術(shù)進行研究，以期提升調(diào)度系統(tǒng)的智能化水平，減輕調(diào)度人員的工作強度，提高企業(yè)電網(wǎng)的供電效率。

1 智能電力調(diào)度的發(fā)展過程

電力調(diào)度系統(tǒng)是企業(yè)調(diào)度運行管理的大腦，其系統(tǒng)發(fā)展過程分為5個重要階段。第1階段（20世紀70年代）：采用單片機技術(shù)，開發(fā)完成電力監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）；第2階段（20世紀80年代）：采用了雙機熱備用的技術(shù)，實現(xiàn)了調(diào)度系統(tǒng)的高可靠性，完成了基于通用計算機以及集中式的SCADA和能量管理系統(tǒng)（EMS）的開發(fā)和工程應(yīng)用；第3階段：利用更加集中的商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并利用可視化更高的圖形編輯和顯示技術(shù)，完成了基于用統(tǒng)一應(yīng)用分布式支撐平臺系統(tǒng)[10]；第4階段：基于研發(fā)的調(diào)度自動化系統(tǒng)建立了安全分區(qū)，劃分了Ⅰ區(qū)實時控制區(qū)、Ⅱ區(qū)非生產(chǎn)大區(qū)、Ⅲ區(qū)管理信息大區(qū)，并通過隔離裝置和防火墻建立完整的安全防護體系；第5階段：最新一代電力調(diào)度自動化系統(tǒng)綜合考慮電力市場環(huán)境下的用戶和其他自動化系統(tǒng)融合，是一套先進、開放、可擴展、穩(wěn)定可靠、面向?qū)ο蟮碾娏φ{(diào)度自動化系統(tǒng)，具備支撐平臺和豐富的電網(wǎng)分析應(yīng)用軟件[11]。隨著IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)等的發(fā)展，電力市場改革的不斷深入和實踐程度的提高，調(diào)度自動化系統(tǒng)將迎來技術(shù)的飛躍發(fā)展[12]。

2 智能電力調(diào)度的技術(shù)對比

傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)電網(wǎng)調(diào)度的要求，智能電力調(diào)度是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能調(diào)度是將調(diào)度系統(tǒng)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，將傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)進行升級和技術(shù)提升，以滿足企業(yè)電網(wǎng)調(diào)度的要求。首先，光伏、風電等清潔能源的建設(shè)，是冶金企業(yè)降低碳排量，實現(xiàn)碳達峰的有效途徑。大規(guī)模的可再生能源，給電網(wǎng)運行帶來了間歇性和不確定性，對于冶金企業(yè)而言，電網(wǎng)調(diào)度是一個必須解決的問題。其次，智能電網(wǎng)的建設(shè)和運行需要更加智能化的調(diào)度系統(tǒng)提供支撐，調(diào)度中心是電網(wǎng)的中樞，應(yīng)具備一體化集中監(jiān)控、實時預(yù)警分析、智能輔助決策以及適應(yīng)電力市場的知識決策型調(diào)度自動化系統(tǒng)，以提高對內(nèi)部電網(wǎng)的調(diào)控和駕馭能力。

目前，主流的智能調(diào)度系統(tǒng)有6類，分別是國家電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)、國網(wǎng)電科院大停電防御框架、南方電網(wǎng)協(xié)調(diào)防御框架、清華大學(xué)三維協(xié)調(diào)的電網(wǎng)EMS、美國PJM調(diào)度控制中心、美國電力科學(xué)研究院智能調(diào)度控制中心[13]。1）國家電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)：采用一體化、標準化的設(shè)計思想和面向服務(wù)的體系架構(gòu)，開發(fā)了高效的動態(tài)消息總線、簡單服務(wù)總線、工作流機制和靈活的人機界面支撐技術(shù)，為實現(xiàn)系統(tǒng)實時監(jiān)控與預(yù)警、調(diào)度計劃、安全校核和調(diào)度管理等應(yīng)用提供一體化的技術(shù)支撐。2）國網(wǎng)電科院大停電防御框架：主張對規(guī)劃建設(shè)、預(yù)防控制、繼電保護、緊急控制、校正控制和恢復(fù)控制等各道防線內(nèi)部進行優(yōu)化。在靜態(tài)和動態(tài)信息的集成平臺上，將安全分析功能從靜態(tài)模式提升為動態(tài)模式，為電網(wǎng)預(yù)警提供技術(shù)支持。3）南方電網(wǎng)協(xié)調(diào)防御框架：該平臺將電網(wǎng)運行實測信息、系統(tǒng)模型參數(shù)信息、電網(wǎng)運行環(huán)境信息和市場經(jīng)濟環(huán)保信息等集成到一起，通過對各類資源的充分利用，采用先進技術(shù)實現(xiàn)在線暫態(tài)安全定量評估及在線優(yōu)化預(yù)決策，實現(xiàn)電網(wǎng)的智能調(diào)度。4）清華大學(xué)三維協(xié)調(diào)的電網(wǎng)EMS：采用自動、跟蹤、遞歸、智能預(yù)警的運行模式，突破了傳統(tǒng)EMS僅僅側(cè)重于當前和歷史數(shù)據(jù)斷面的分析方式，極大地適應(yīng)了當今社會超級電網(wǎng)運行控制的需要，能夠滿足調(diào)度員對現(xiàn)代電網(wǎng)運行的電力調(diào)度與控制。5）美國PJM調(diào)度控制中心：采用“搭積木”的思想將經(jīng)過模塊化設(shè)計的功能組合起來，保持了傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)的各項基本功能，采用準同步運行的方式，提供全面的調(diào)度業(yè)務(wù)連續(xù)性功能，通過多功能的數(shù)據(jù)應(yīng)用與保護，來實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)視與管理。6）美國電力科學(xué)研究院智能調(diào)度控制中心：電網(wǎng)監(jiān)視及系統(tǒng)可視化功能增強，采用基于PMU的狀態(tài)測量采集；采用在線分析功能實現(xiàn)系統(tǒng)模型的動態(tài)更新；通過最優(yōu)分布在系統(tǒng)中的多種控制設(shè)備，實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)控制中心的控制功能，能夠?qū)ΜF(xiàn)代電網(wǎng)進行最優(yōu)控制;與配電網(wǎng)內(nèi)靈活接入新能源系統(tǒng)的交互，適應(yīng)分布式能源接入。

3 智能電力調(diào)度的技術(shù)實踐

3.1 態(tài)勢感知

針對智能電力調(diào)度的實時運行和調(diào)度需求，將態(tài)勢感知分為態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測3個過程[14]，態(tài)勢感知的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 態(tài)勢感知的結(jié)構(gòu)模型

以電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過察覺層、理解層和預(yù)測層的迭代交互優(yōu)化：在察覺層實現(xiàn)電力系統(tǒng)“源—網(wǎng)—荷—儲”各類能源數(shù)據(jù)的采集，并考慮外界的影響因素；在理解層通過數(shù)據(jù)融合，建立模型與數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，形成電力系統(tǒng)的流程網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)綜合分析、案例斷面管理和態(tài)勢評估；在預(yù)測層以智能調(diào)度系統(tǒng)為載體，建立基于未來狀態(tài)特征的運行方式場景[15]，采用案例推理的方法，在歷史斷面集合中，搜索發(fā)生過的高度相似案例，通過態(tài)勢感知的技術(shù)手段，實現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢預(yù)警和智能決策分析。

未來狀態(tài)特征的提取是預(yù)測層的核心，也是態(tài)勢感知的關(guān)鍵。在冶金企業(yè)，工序間的用電負荷變化存在著較大差異，致使企業(yè)關(guān)口負荷預(yù)測的預(yù)測精度較低，無法為企業(yè)的負荷管理與控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也無法制定切實可行的供電調(diào)控策略。根據(jù)冶金企業(yè)典型工序綜合負荷特性，在充分考慮外部影響因素的情況下，合理選擇不同工序負荷的預(yù)測模型及方法，從而實現(xiàn)對工序分量的負荷預(yù)測；并采用組合預(yù)測的方法將工序分量加權(quán)累加后，生成企業(yè)關(guān)口負荷預(yù)測結(jié)果。預(yù)測方法綜合考慮了企業(yè)各個工序的負荷特性和負荷變化趨勢，有效提高企業(yè)關(guān)口負荷預(yù)測的精度。

3.2 智能運維

冶金企業(yè)的電網(wǎng)運行管理與大電網(wǎng)的運行管理有很大的區(qū)別，無法配置齊全的專業(yè)隊伍，供電管理人員要同時肩負調(diào)度運行、現(xiàn)場巡檢、事故處理等多項工作。國家電網(wǎng)公司在2020年結(jié)合自主可控的新一代變電站二次系統(tǒng)總體方案，在充分繼承現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)等建設(shè)經(jīng)驗和成果的基礎(chǔ)上，堅持“問題導(dǎo)向，目標導(dǎo)向”，研發(fā)出了主輔一體的集控站監(jiān)控系統(tǒng)。通過“一體監(jiān)控、全景展示、數(shù)據(jù)穿透、一鍵順控、綜合防誤、智能告警、自動驗收”等關(guān)鍵技術(shù)，解決了設(shè)備監(jiān)控強度不足、設(shè)備管理細度不足、生產(chǎn)信息化程度不足、智能化支撐力度不足等問題，支撐了變電運維管理新模式，強化了調(diào)度集控狀態(tài)感知能力、缺陷發(fā)現(xiàn)能力、設(shè)備管控能力、主動預(yù)警能力、應(yīng)急處置能力。

對于冶金企業(yè)電網(wǎng)調(diào)度來說，最緊迫的是解決智能運維的問題：1）通過自動在線智能巡視系統(tǒng)實現(xiàn)變電站端和調(diào)度集控端的全覆蓋和實時互動。2）在變電站端應(yīng)用機器人、高清視頻、紅外測溫和圖像識別等技術(shù)，自動開展變壓器、斷路器等主設(shè)備巡視，自動識別設(shè)備缺陷并進行告警信息推送。3）在調(diào)度集控端具備巡視任務(wù)展示、告警信息統(tǒng)計、操作一鍵順控等功能，實時展示變電站端設(shè)備告警和設(shè)備巡視結(jié)果，調(diào)閱現(xiàn)場視頻，統(tǒng)籌管理站端巡視任務(wù)，提高運維人員工作效率。圖2是視頻聯(lián)動的實現(xiàn)方案，當Ⅰ區(qū)發(fā)生告警或者進行了遙控操作后，驅(qū)動變電站內(nèi)的攝像頭按照預(yù)置位跳轉(zhuǎn)，并進行抓拍或者錄像操作。在該過程中要充分考慮視頻聯(lián)動的安全性，由于視頻屬于管理信息區(qū)數(shù)據(jù)，不能直接與調(diào)度集控系統(tǒng)的Ⅰ區(qū)相連，因此在調(diào)度系統(tǒng)的Ⅲ區(qū)設(shè)置WEB視頻聯(lián)動工作站作為中轉(zhuǎn)，既滿足安全防護要求，又可以充分利用WEB系統(tǒng)的優(yōu)勢，提供定義工具，滿足調(diào)度運行人員個性化需求。

圖2 視頻聯(lián)動的實現(xiàn)方案

3.3 新能源優(yōu)化調(diào)度

新能源優(yōu)化調(diào)度是包含了日前計劃、滾動計劃、實時計劃和校正控制的多時間尺度協(xié)調(diào)的調(diào)度體系，如圖3所示。

圖3 分層綜合優(yōu)化的實現(xiàn)過程

日前計劃層根據(jù)電網(wǎng)日前負荷及功率預(yù)測結(jié)果，生成日前計劃；滾動計劃層根據(jù)小時級短期預(yù)測及擴展短期風/光電預(yù)測結(jié)果，滾動修正日前機組發(fā)電計劃，使得系統(tǒng)發(fā)電總出力與實際發(fā)電需求逐漸逼近，從而降低日前計劃的偏差，減輕實時調(diào)度層和實時控制層機組的調(diào)節(jié)壓力；實時計劃層根據(jù)上一層給出的經(jīng)濟最優(yōu)計劃作為基點功率，對計劃時段內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)進行最小調(diào)整，以消除機組執(zhí)行最優(yōu)計劃過程中的功率不平衡量，以及風電負荷的隨機變化造成的不平衡量，保證系統(tǒng)運行的安全性；校正控制層以實時計劃作為調(diào)整基點，對超前預(yù)測環(huán)節(jié)產(chǎn)生的隨機預(yù)測誤差進行實時修正，以克服系統(tǒng)不確定性的影響、獲得閉環(huán)穩(wěn)定性。

3.4 虛擬電廠

虛擬電廠是聚合優(yōu)化“源網(wǎng)荷儲售服”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術(shù)荷互動商業(yè)模式。它依托現(xiàn)代化的信息通信和先進的智能技術(shù)，把多類型、多能流、多主體資源以電位中心相聚合，實現(xiàn)電源側(cè)的多能互補、負荷側(cè)的柔性互動，促進能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”，對電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)，并為用戶和分布式能源等市場主體提供參與電力市場交易的途徑。對于冶金企業(yè)來說，虛擬電廠可以高效利用新能源發(fā)電的有效形式，通過內(nèi)部電源、負荷的組合優(yōu)化，消除可再生能源發(fā)電對企業(yè)供配電系統(tǒng)的間歇性和隨機性影響，提高清潔能源的消納，提高電能質(zhì)量；通過虛擬電廠的聚合技術(shù)，協(xié)助企業(yè)以大工業(yè)負荷用戶的角色，參與電力市場交易，參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻，獲更大的經(jīng)濟效益。

圖4為虛擬電廠的功能架構(gòu)。在負荷端包括負荷側(cè)用能曲線、分布式資源參數(shù)、調(diào)控量申報、調(diào)度需求分解、價格激勵信息發(fā)布、響應(yīng)情況反饋等功能；在調(diào)控端包括需求信息發(fā)布、調(diào)控能力上報、調(diào)度調(diào)控信息下發(fā)、調(diào)控響應(yīng)量上報；在市場端包括調(diào)峰價格信號、分時電價信息、用能計量數(shù)據(jù)、調(diào)控價格信息上報等。虛擬電廠就是把負荷端、調(diào)控端和市場端的相關(guān)資源進行融合，提供負荷調(diào)控服務(wù)、電力市場服務(wù)、調(diào)節(jié)能力上報、狀態(tài)統(tǒng)計評估等基礎(chǔ)應(yīng)用接口功能；同時通過聚合分析、資源建模，模擬電廠的外部特性，并參與電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰、調(diào)頻和電力市場輔助服務(wù)。

圖4 虛擬電廠的功能架構(gòu)

4 結(jié)論與展望

大型冶金企業(yè)的電力系統(tǒng)具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)度方式，從源端電力供應(yīng)到樞紐變電站的電力輸送和轉(zhuǎn)換，再到生產(chǎn)工序側(cè)的合理用電，需要一套高效、先進的智能電力調(diào)度系統(tǒng)，要能夠具備足夠的開放性和可擴展性，能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)有效的技術(shù)成果，如態(tài)勢感知、智能運維、新能源優(yōu)化調(diào)度、虛擬電廠等融入到調(diào)度系統(tǒng)中，發(fā)揮智能電力調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢和作用，提高冶金企業(yè)電網(wǎng)的調(diào)度運行水平，保障企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

針對冶金企業(yè)大規(guī)模新能源建設(shè)的需求，冶金企業(yè)智能電力調(diào)度系統(tǒng)需要實現(xiàn)對風電場站、局域電網(wǎng)、電廠多方位的監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守或少人值守；同時，智能電力調(diào)度系統(tǒng)還需要與電網(wǎng)側(cè)、電廠側(cè)、電力市場之間建立緊密關(guān)系，增加調(diào)控精度和響應(yīng)的快速性，提高一體化調(diào)度的調(diào)控深度，從電力現(xiàn)貨市場以及與其相配套的輔助服務(wù)市場獲取更大的經(jīng)濟效益。