武生國

（國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

隨著全球變暖趨勢(shì)的加劇，世界各國開始推行一系列減少溫室氣體排放的政策，包括使用可再生能源和引入智能電網(wǎng)[1]。但是，可再生能源發(fā)電量的增加給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來了負(fù)面影響。風(fēng)能和太陽能的間歇性特征，使得風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。例如，風(fēng)況的突然變化可能會(huì)導(dǎo)致輸出功率發(fā)生巨大變化，造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。對(duì)于大容量可再生能源發(fā)電系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功率平衡是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[2]。為了提高可再生能源的普及率，發(fā)電系統(tǒng)需要應(yīng)用更高效的實(shí)時(shí)控制和通信技術(shù)。

文章針對(duì)智能電力系統(tǒng)提出一種新的風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度模式，從傳統(tǒng)的最壞情況控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)榛陲L(fēng)險(xiǎn)的控制，從確定性控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)控制，從集中控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇刂?。在發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度，有利于滿足智能電力調(diào)度系統(tǒng)的基本通信需求。

1 面向智能電網(wǎng)的通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

在不同客戶端或公共場(chǎng)所，根據(jù)實(shí)際需求安裝小型分布式可再生能源發(fā)電機(jī)為用戶提供電能逐漸成為可能。協(xié)調(diào)分布式發(fā)電機(jī)和存儲(chǔ)具有調(diào)峰和轉(zhuǎn)移負(fù)荷的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)[3]。實(shí)時(shí)雙向通信和智能電網(wǎng)是需求側(cè)響應(yīng)和需求管理的基礎(chǔ)平臺(tái)。通信技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。

智能電網(wǎng)的主要目標(biāo)包括容納所有發(fā)電，為用戶提供良好的電能質(zhì)量，對(duì)功率擾動(dòng)事件具有自適應(yīng)能力，應(yīng)對(duì)一定強(qiáng)度的物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2003年，歐盟啟動(dòng)了智能電網(wǎng)項(xiàng)目。同一時(shí)間，美國電力研究所啟動(dòng)了“電網(wǎng)2030項(xiàng)目”。根據(jù)《2007年能源獨(dú)立與安全法案》，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)信息管理框架的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)設(shè)備的互操作性[4]。NIST報(bào)告（第一階段）為智能電網(wǎng)提供了一個(gè)概念參考模型。

基于現(xiàn)代能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）的智能電網(wǎng)由數(shù)百個(gè)遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）組成，通過監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)，每隔2 s將變電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)控制中心，再經(jīng)過控制中心軟件狀態(tài)估計(jì)、最優(yōu)潮流等處理，確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行[5,6]。

2 基于智能電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度方法

在電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可以利用過載風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)來度量各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)水平。緊急限值與過載嚴(yán)重度的關(guān)系，如圖1所示。將嚴(yán)重度分為緊急、嚴(yán)重與一般（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）3個(gè)等級(jí)，其中rlte為長期緊急限值，rste為短期緊急限值[7]。

圖1 過載嚴(yán)重情況示意

由于可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性特征，為了避免電力過載，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中采用基于概率的方法。風(fēng)能和太陽能發(fā)電調(diào)度不足和過度存儲(chǔ)會(huì)造成資源浪費(fèi)，與減少碳排放、遏制全球變暖的目標(biāo)背道而馳?；诟怕实娘L(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度方法可以有效解決該類問題，但是沒有智能電力系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，基于風(fēng)險(xiǎn)的概率預(yù)測(cè)控制方法仍然是不可行的。傳統(tǒng)基于最壞狀態(tài)調(diào)度（Worst-Case Dispatch）方法的難點(diǎn)在于，N-1應(yīng)急分析假設(shè)發(fā)電機(jī)、輸電分支和關(guān)鍵設(shè)備的故障為0-1，必須將可再生發(fā)電機(jī)視為具有可靠容量的“等效”常規(guī)發(fā)電機(jī)。最壞狀態(tài)調(diào)度為了滿足隨機(jī)需求而維持大量庫存，因此碳排放減少量并沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，智能電力調(diào)度迫切需要向?qū)崟r(shí)調(diào)度轉(zhuǎn)變。

智能電力調(diào)度系統(tǒng)要求系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功率必須在任何時(shí)候都達(dá)到平衡（功率平衡約束），同時(shí)需要滿足運(yùn)行限制，如線路流量限制、電壓限制以及穩(wěn)定性等（運(yùn)行限制約束）。

根據(jù)時(shí)間尺度，功率平衡可以用一組微分方程或代數(shù)方程來表示。功率平衡約束和運(yùn)行極限約束分別為

式中：x(t)為系統(tǒng)在t時(shí)刻的狀態(tài)；u為輸入的控制。t時(shí)刻的發(fā)電量和消耗電量由3個(gè)因素決定，分別為在t-Tσ時(shí)提前Tσ個(gè)時(shí)間單位做出的調(diào)度決策σ、在時(shí)間t-Tρ上提前Tρ時(shí)間單位做出的補(bǔ)償決策ρ以及時(shí)刻t-Tε的緊急決策ε。

通常情況下，市場(chǎng)調(diào)度時(shí)間為t-Tσ，系統(tǒng)運(yùn)營商會(huì)收到未來24 h內(nèi)實(shí)際時(shí)間t的電力供應(yīng)和消耗預(yù)測(cè)。運(yùn)營商的決策μσ調(diào)度，使目標(biāo)函數(shù)f[x(t),u]在約束條件下最大。對(duì)于智能電力調(diào)度系統(tǒng)，假設(shè)在t時(shí)刻運(yùn)營商接收到的觀測(cè)值為yt，則在t時(shí)刻的信息為Yt={ys,s＜t}。由于供應(yīng)（可再生資源）和需求（需求響應(yīng)）的隨機(jī)性，需要一種基于概率方法來表示，即

式中：P為與狀態(tài)x(t)相關(guān)的概率；p*為期望概率，應(yīng)取小于1的值，如0.995。

在時(shí)刻t的前1個(gè)小時(shí)，智能電力系統(tǒng)獲取關(guān)于前一天市場(chǎng)和需求中的發(fā)電機(jī)的可用性信息，被用來平衡供應(yīng)和需求的不匹配。采取時(shí)間t-Tρ的補(bǔ)償決策，以抵消違反約束的決定μσ。在時(shí)刻t或在級(jí)聯(lián)中斷的開始時(shí)刻t-Tσ，計(jì)劃的發(fā)電可能無法滿足需求。在這種情況下，電力調(diào)度系統(tǒng)必須采取相應(yīng)的決策斷開或擺脫足夠的負(fù)載，以適應(yīng)可用的發(fā)電。于是，有

式中：fρ[·]和fε[·]分別為補(bǔ)償決策和緊急決策對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，其由實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景決定函數(shù)的具體表達(dá)式。

將式（3）、式（4）和式（5）基于風(fēng)險(xiǎn)的電力系統(tǒng)運(yùn)行控制稱為風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度，它解決了可再生資源的不確定性，保障了智能電網(wǎng)測(cè)量和電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度的通信需求分析

風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度依賴于智能電網(wǎng)提供的事件預(yù)測(cè)和處理能力。在當(dāng)前的電力系統(tǒng)運(yùn)行中，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)、線路電壓和電流都是由系統(tǒng)控制中心進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。通過分析電壓和電流信息可以估計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)測(cè)緊急狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電力保護(hù)系統(tǒng)通過檢測(cè)異常的電壓和電流，計(jì)算可能發(fā)生故障的位置，并通過斷開故障與系統(tǒng)的連接來隔離故障。有限的未同步信息可能導(dǎo)致故障定位不準(zhǔn)確。異常的電壓和電流是故障結(jié)果，只有在故障發(fā)生后才能檢測(cè)到。

為了提前預(yù)測(cè)故障事件和保護(hù)電力系統(tǒng)，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖2為時(shí)段t標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差概率分布，橫坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)誤差，縱坐標(biāo)為其概率密度，陰影部分為發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差概率，無陰影部分為系統(tǒng)未發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)的系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差概率。隨著近年來傳感器和通信技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的一些非電氣信息實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量和通信。該類信息包括線圈溫度、輸電線路垂度、地下電纜絕緣以及高壓裝置絕緣等。非電氣信息有助于提前識(shí)別受力的功率元件，提前預(yù)測(cè)設(shè)備故障。

圖2 時(shí)段t預(yù)測(cè)誤差概率分布

為了滿足電力調(diào)度系統(tǒng)的通信需求，相關(guān)專家學(xué)者提出需要一條電力通信線路來支持發(fā)電、輸電、變電站、配電以及交付控制器。創(chuàng)建電力輸送系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是需要開發(fā)通信基礎(chǔ)設(shè)施以支持通用連接的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且多個(gè)控制終端必須能夠?qū)崟r(shí)接收系統(tǒng)狀態(tài)的更新。

通信基礎(chǔ)設(shè)施具有以下4點(diǎn)基本要求。

（1）傳輸大量數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率要以毫秒為單位。數(shù)據(jù)不僅是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還有消費(fèi)者和配電系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。因此，預(yù)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將是當(dāng)前產(chǎn)生數(shù)據(jù)量的數(shù)倍。

（2）覆蓋范圍廣。網(wǎng)絡(luò)必須覆蓋整個(gè)發(fā)電、配電以及消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)。

（3） 服 務(wù) 質(zhì) 量（Quality of Service，QoS） 支持。系統(tǒng)必須滿足非常嚴(yán)格的可靠性、延遲和吞吐量約束。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全。必須保護(hù)系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

目前，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)的核心，用于監(jiān)測(cè)和控制廣域、地理分散的電網(wǎng)。SCADA與星形網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接變電站和控制中心?？刂浦行拿?～4 s輪詢一次變電站的控制數(shù)據(jù)，因此電網(wǎng)在發(fā)生一些破壞性事件時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

因此，需要一種可以支持基于策略的多播通信服務(wù)，具有多種QoS保證（在延遲、可靠性和容錯(cuò)以及安全/信任級(jí)別），并能與現(xiàn)有智能電力調(diào)度系統(tǒng)和底層通信網(wǎng)絡(luò)無縫交互與互操作的信息體系結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

隨著太陽能和風(fēng)能等可再生能源在電力系統(tǒng)中的日益普及，以及需求響應(yīng)和智能電器的應(yīng)用，電力供需變得非常活躍，導(dǎo)致傳統(tǒng)的集中系統(tǒng)運(yùn)作模式已經(jīng)不再適用。利用通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、電力電子器件和控制技術(shù)等進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施革命，提出了一種新的智能電力調(diào)度的運(yùn)行模式即風(fēng)險(xiǎn)限制調(diào)度，可以提高電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的效率。