張 毅，柏 青

（國(guó)網(wǎng)新疆綜合能源服務(wù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力行業(yè)的不斷創(chuàng)新，電網(wǎng)建設(shè)得到了充分的發(fā)展，逐步將各個(gè)領(lǐng)域、區(qū)域的電力結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起，為人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活提供便利條件[1]。但在上述背景之下，由于人們對(duì)于電力的需求逐年增大，致使能源的缺口加大，各種各樣的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，對(duì)電網(wǎng)后續(xù)的建設(shè)和完善造成一定的阻礙[2]。為加強(qiáng)對(duì)能源需求相應(yīng)的控制和了解，采用相應(yīng)的系統(tǒng)作出限制和標(biāo)記[3]。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)能源需求響應(yīng)系統(tǒng)雖然可以完成基礎(chǔ)的執(zhí)行目標(biāo)，但是存在一定的缺陷，對(duì)于需求的識(shí)別和定位容易受到外部因素的影響，增加了響應(yīng)的時(shí)間，導(dǎo)致耗時(shí)較長(zhǎng)，影響了日常電力調(diào)度工作的執(zhí)行[4]?；诖?，需要對(duì)省級(jí)電網(wǎng)智慧能源需求響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。省級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋面積較為廣泛，因此對(duì)于能源的需求量也會(huì)更大一些，需要提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)度。在不同的電網(wǎng)環(huán)境下，針對(duì)外部因素的變化，構(gòu)建更加靈活、多變的系統(tǒng)響應(yīng)程序，為后續(xù)電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展及能源需求的升級(jí)處理奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)環(huán)境[5]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與普通電力調(diào)度系統(tǒng)不同的是，省級(jí)電網(wǎng)智慧能源需求響應(yīng)系統(tǒng)的覆蓋面積相對(duì)較廣，所以?xún)?nèi)置的執(zhí)行結(jié)構(gòu)也會(huì)更加復(fù)雜[6]。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以智慧電網(wǎng)作為核心設(shè)備，能源調(diào)度、需求劃定平臺(tái)為輔助，形成全方位、覆蓋式的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控[7]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要可以分為電網(wǎng)調(diào)度模塊、能源需求分析模塊、能源預(yù)警響應(yīng)模塊、分工執(zhí)行模塊等，每一個(gè)模塊之間均是獨(dú)立的，且在應(yīng)用的過(guò)程中存在特定的聯(lián)系。根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)配置和響應(yīng)需求，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)整和全工況分析，建立動(dòng)態(tài)化的執(zhí)行程序，以基礎(chǔ)的能源需求指令和目標(biāo)作為引導(dǎo)建立整體的系統(tǒng)擬合響應(yīng)流程。在此基礎(chǔ)之上，還需要進(jìn)行預(yù)警節(jié)點(diǎn)的布設(shè)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)總體的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，為后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)條件。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA感應(yīng)芯片設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)的電路中接入一個(gè)動(dòng)態(tài)化感應(yīng)器，導(dǎo)入引腳資源，利用ARM處理器搭接1個(gè)傳輸端口，構(gòu)建1個(gè)特定的感應(yīng)空間。在此空間中建立1個(gè)小型的控制電路，接入現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）感應(yīng)芯片，同時(shí)依據(jù)電網(wǎng)的執(zhí)行單元及頻率增設(shè)12個(gè)引腳，并與嵌入式乘法裝置相關(guān)聯(lián)，通過(guò)4個(gè)鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）設(shè)定該電路的閉環(huán)接口，使用 IO口連接外部的控制裝置，實(shí)現(xiàn)雙向電路的同步執(zhí)行。

在FPGA感應(yīng)芯片的后側(cè)安裝一個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體控制效果。在此基礎(chǔ)之上，利用JTAG 接口擴(kuò)大FPGA感應(yīng)芯片的覆蓋描述范圍，營(yíng)造更加穩(wěn)定的硬件電網(wǎng)能源異常感知環(huán)境。

2.2 ADC預(yù)警觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中接入FPGA感應(yīng)芯片后會(huì)形成一個(gè)循環(huán)的小型應(yīng)變電路，連接復(fù)合控制電源的同時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用需求及標(biāo)準(zhǔn)組建ADC預(yù)警觸發(fā)模塊。由于該系統(tǒng)主要是針對(duì)于電網(wǎng)能源需求響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須具備較強(qiáng)的預(yù)警響應(yīng)針對(duì)性。系統(tǒng)的控制電路采用ADC配置的串行形式，轉(zhuǎn)換電路的執(zhí)行時(shí)序，在小型控制電路中接入1個(gè)CNVST控制器，以AD7663引導(dǎo)裝置作為觸發(fā)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，配備2個(gè)SPI定向接口，將RDC/SDIN作為串口的控制設(shè)備，形成ADC前端通路，具體如圖1所示。

圖1 ADC前端預(yù)警觸發(fā)通路設(shè)計(jì)圖示

建立前端的觸發(fā)電路，并在主控位置接入1個(gè)穩(wěn)壓器，為ADC前端的觸發(fā)模塊營(yíng)造穩(wěn)定、安全的運(yùn)行環(huán)境。隨后，為提高預(yù)警觸發(fā)模塊的感應(yīng)靈敏度，還需要增設(shè)1個(gè)CS裝置，利用信號(hào)線(xiàn)將各個(gè)區(qū)域的預(yù)警電路相連接，便于控制。在小型電路中接入1個(gè)微處理器，與觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)串聯(lián)控制狀態(tài)，完成對(duì)ADC預(yù)警觸發(fā)模塊的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 聯(lián)供需求響應(yīng)指令集群設(shè)計(jì)

利用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件作為執(zhí)行基礎(chǔ)，為提升系統(tǒng)的應(yīng)用效率和質(zhì)量，重新設(shè)計(jì)需求響應(yīng)指令集群，通過(guò)實(shí)際的能源監(jiān)測(cè)情況，設(shè)定具體的要求及標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相關(guān)的軟件。針對(duì)不同的電力能源，需要設(shè)定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并計(jì)算出能源的權(quán)重系數(shù)，具體公式為

式中：H為能源權(quán)重系數(shù);?為監(jiān)測(cè)范圍；β1為預(yù)設(shè)動(dòng)態(tài)化等效預(yù)警時(shí)間；β2為靜態(tài)預(yù)警時(shí)間；α為非權(quán)重系數(shù)。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的能源權(quán)重系數(shù)。根據(jù)得出的數(shù)值，可以劃定對(duì)應(yīng)的能源需求響應(yīng)重點(diǎn)。根據(jù)電力建設(shè)的需求及能源響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建指令集群的執(zhí)行流程，具體如圖2所示。

圖2 需求響應(yīng)指令集群執(zhí)行結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2，將不同層級(jí)的指令匯總在一起，形成具有多元同步的指令集群在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)聯(lián)供需求匯總程序，以電網(wǎng)能源的異常信號(hào)或者缺失信號(hào)作為引導(dǎo)形成預(yù)警，與硬件中的需求預(yù)警裝置相結(jié)合，形成動(dòng)態(tài)化的響應(yīng)設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化聯(lián)供需求響應(yīng)指令集群的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.2 靜態(tài)Web需求數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

利用指令集群營(yíng)造軟件的應(yīng)用環(huán)境，搭建多層級(jí)、動(dòng)態(tài)化響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳輸信道，采用靜態(tài)Web技術(shù)，關(guān)聯(lián)省級(jí)智慧電網(wǎng)，構(gòu)建能源需求響應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)一個(gè)能源需求信號(hào)捕捉程序，針對(duì)于智慧電網(wǎng)中的異常信號(hào)進(jìn)行采集和匯總。對(duì)信號(hào)解析，利用Web技術(shù)，構(gòu)建靜態(tài)的需求整合環(huán)境，并在基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)中增設(shè)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)預(yù)警協(xié)議和程序，并計(jì)算出復(fù)雜情況下需求數(shù)據(jù)庫(kù)的交叉響應(yīng)概率為

式中：U為交叉響應(yīng)概率；?為能源波動(dòng)比；?為靜態(tài)執(zhí)行速度；?2為重疊指令執(zhí)行速度；К為單向需求執(zhí)行耗時(shí)；φ為數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)傳輸距離。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的交叉響應(yīng)概率，針對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)需求的增加，不斷調(diào)整靜態(tài)Web的覆蓋范圍，最大程度降低交叉響應(yīng)發(fā)生的概率，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用效果。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本次主要是對(duì)省級(jí)電網(wǎng)智慧能源需求響應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，考慮到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)可靠，需要選定H省電網(wǎng)作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象。測(cè)試以比照的方式展開(kāi)分析，對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行深層次的驗(yàn)證研究，需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建。

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)省級(jí)電網(wǎng)智慧能源需求響應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證之前，需要先搭建相應(yīng)的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境。針對(duì)于H電網(wǎng)的日常應(yīng)用情況，進(jìn)行系統(tǒng)有關(guān)能源環(huán)境參數(shù)的設(shè)定，具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)能源環(huán)境參數(shù)設(shè)定表 單位：kW·h·kg-1

根據(jù)表1，對(duì)系統(tǒng)的能源匯總程序和指標(biāo)參數(shù)設(shè)定完善，調(diào)整電網(wǎng)的執(zhí)行模式和結(jié)構(gòu)，預(yù)設(shè)需求響應(yīng)指令集群，擴(kuò)大響應(yīng)的范圍，營(yíng)造穩(wěn)定、安全的響應(yīng)環(huán)境，完成測(cè)試環(huán)境的搭建。

4.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)上述搭建的測(cè)試環(huán)境，結(jié)合H電網(wǎng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)能源需求響應(yīng)項(xiàng)目測(cè)定分析。利用系統(tǒng)所布設(shè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)捕捉能源異常信號(hào)，進(jìn)行多維解析，隨后，設(shè)定3個(gè)測(cè)試時(shí)段，針對(duì)煤、天然氣、太陽(yáng)能進(jìn)行需求響應(yīng)耗時(shí)測(cè)定，計(jì)算公式為

式中：M為需求響應(yīng)耗時(shí)；π為響應(yīng)預(yù)設(shè)范圍；μ為轉(zhuǎn)換比；τ為能源異常標(biāo)準(zhǔn)值；i為響應(yīng)次數(shù)；χ為捕捉頻率。通過(guò)測(cè)試，最終的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果分析表 單位：s

經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)間段的測(cè)試，針對(duì)于煤、天然氣、太陽(yáng)能能源的需求響應(yīng)耗時(shí)均控制在了1.5 s以下，表明該系統(tǒng)的適用性相對(duì)較強(qiáng)、誤差小、靈活度更佳，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

綜上所述，便是對(duì)省級(jí)電網(wǎng)智慧能源需求響應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)自身具有更大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于能源需求的感知速度更快、可控性較高，具有更好的規(guī)律性。與此同時(shí)，針對(duì)于省級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建，需要結(jié)合實(shí)際的能源需求環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)更加靈活、多變的需求響應(yīng)程序，在復(fù)雜的環(huán)境下，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)天然氣、太陽(yáng)能、水源的發(fā)電效果，提升能源發(fā)電的整體占比，在優(yōu)化需求響應(yīng)系統(tǒng)的同時(shí)，推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)逐漸邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階。