以智能化電網的要求規劃上海市負荷管理系統再發展

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

建設統一堅強的智能化電網是國網公司依據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,促進可再生能源發展,提高資源利用效率而提出的重大戰略舉措。堅強智能電網是以統一堅強的特高壓網架為基礎,以通信信息平臺為支撐,以智能控制為手段,包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節,覆蓋所有電壓等級,實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合,實現信息化、數字化、自動化、互動化的“智能”技術特征的電網功能[1]。

作為用電環節能夠與客戶溝通手段之一的負荷管理系統,如何承擔起智能化電網的建設任務,圍繞智能化電網在用電方面的發展目標,有效利用負荷管理系統的現有資源,滿足智能化電網的建設要求,是未來確定負荷管理系統保持可持續發展的重要條件和根本原則。只有緊緊圍繞智能化電網建設的要求制訂發展規劃,才能保證負荷管理系統今后有效地為智能化電網服務,才能保證負荷管理系統資源的有效利用,才能保證負荷管理系統長久的生命力。本文就上海市用電負荷管理系統今后如何發展,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的現狀

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

負荷管理系統在發展中結合實際應用的需要,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,大力發展遠程抄表、客戶數據應用、電能質量監測、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據,并通過客戶綜合數據業務系統,統一提供給集抄、精細化線損等各類生產系統使用。

開發的終端需求應用軟件功能,經過拓展已經具備數據采集、需量跟蹤和預測報警、功率因數報警、電量統計、需量調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據和控制狀態,分析用電狀態,及時調整用電行為,可自主地進行需求管理工作。目前,試點客戶已經利用該軟件來監測需量和功率因數,并依據采集到的數據作為契約容量調整的依據,使客戶的電能管理工作從粗放型向精細化轉變。隨著負荷管理系統規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結構,經過升級改造,發展為三層結構,并具備了以下一些新的功能特點:

(1)先進的系統架構技術 采用業界領先的CORBA中間件,結合總線架構技術設計并實現,通信性能優秀。

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

(3)多元化任務調度管理 負荷管理系統一改傳統的數據采集任務的定時啟動管理策略,對數據采集任務的編排調度,進行了多元化的行為設計,使得數據采集任務可定時執行,也可自動排隊鏈接執行,還提供了自動無限補招等調度方式,使得原本彼此之間無狀態、無依賴的采集任務,可根據彼此的運行狀態來進行調節與調度。該功能使得負荷管理系統的自動數據采集任務效率大大增升,節省了大量的信道資源。由于負荷管理系統能捕獲數據采集任務的運行狀態,使得系統運行工況日志十分完整,便于系統管理人員為負荷管理系統調整運行策略。

(4)經濟實用的通信加密平臺 負荷管理系統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,終端根據摘要信息驗證報文是否由合法的主站發出。基于無線通信的特點,摘要算法對時間十分敏感,能夠有效阻止惡意重發攻擊方式。

3 建設智能化電網負荷管理系統的探索

按照國網公司對智能電網建設在用電環節的部署和要求,分析上海市用電負荷管理系統現狀與智能化電網建設目標的差距,圍繞采集覆蓋面繼續擴大后產生的通信瓶頸矛盾,嘗試利用負荷管理系統現有資源,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,做好系統繼續擴容的準備;其次應研究安全運行、電能質量監測、客戶互動和自主管理、運行維護策略等方面技術,保證負荷管理系統能夠有效地為智能化電網建設服務。

3.1 230 MHz全雙工通信應用研究

考慮到上海電網的負荷規模,高的峰谷負荷差值特點,以及缺乏足夠的周轉備用容量的現狀,因此必須保證可控負荷與電網負荷之間,保持一定的比例。隨著都市經濟的發展,可控負荷也應保持穩定增長,這就意味著230 MH z專用通信網絡要容納更多的終端設備。如要保持現有的每隔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)數據通信的時間由7個部分組成。即總延時時間(DT),主站電臺發射延時時間(DT1),主站下發命令數據傳輸時間(DT2),終端接受命令處理時間(DT3),終端電臺發射延時時間(DT4),終端主站上傳通信時間(DT5),主站幀間隔保護延時時間(DT6)。

根據現在的通信時間統計,DT3和DT6約為400m s。DT1和DT4約為250 ms。在一般巡測的數據幀中,上、下行報文信息量約為50個字節,按信息傳輸格式,每個字節11位(8個數據位,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的補測因子(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量為744套,按照上海系統使用17個頻點計,則230 MHz專網最多能容納12659套專網終端。

按照目前系統已達10000套左右的規模,則230 MH z通信網擴容裕度僅剩21%以下。由于上海各區經濟發展的不平衡,各頻點所配置的終端數量也是不平均的,已經有某些頻點終端數量超過744套,這些頻點有時會發生巡測時的截尾現象。

考慮到基站電臺(主站延伸)全部是支持全雙工通信模式的,而現在的發→收→發通信方式并未利用到這一特點,如果能通過主站軟件控制,實現主站最小時間間隔的連續發和連續收,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,比原來節約0.2 s,單頻點下所能容納的最大終端數量為942套,總容量將達到16014套,230 MH z通信網擴容裕度達到37.6%,可以提升16.6%。按照目前運行數量計,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

隨著負荷管理系統規模的逐步擴大,采集數據種類越來越多,230MH z專網通信和公網通信的混合運行現狀,除了通信過程中的安全性以外,數據的安全性問題也變得至關重要,各客戶的用電量數據直接反映了社會經濟運行的狀態,因此進一步完善系統運行安全體系的建設工作,已經刻不容緩。

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,數據仍是原碼傳輸,安全防護等級偏低,因此要繼續研究加密方法,加密的深度和廣度。加密方法的選擇原則應該遵循:第一,要與系統的安全要求相適應,選擇能夠滿足系統安全等級要求的加密方法;第二,要與負荷管理系統的使用和性能相適應,不能一味地追求安全而不顧系統性能。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可變性,能覆蓋所有命令和數據,這樣才能滿足系統運行的可靠性、負荷控制的安全性、數據內容的保密性要求。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智能化營銷的重要途徑,因此研究數據的加密方法,提前做好與客戶互動的安全環境建設是非常有意義的[4]。

3.3 實現客戶數據的全采集目標

利用交流采集裝置采集客戶所有電力數據是各個負荷管理系統通常采用的方法,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、電流等數據的測量,通過485接口把數據送到終端,之后再由終端送到主站的方法。經試點取得了比較好的效果。

按照智能化電力信息采集系統全采集的要求,集中統一采集裝置的原則,應嘗試把失壓計時、電壓統計、電能質量監測等分別屬于各種不同裝置的功能,統一集合到終端當中,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通信網絡的優勢,把過去分散的,由人工進行采集的信息通過網絡傳回到主站,由主站軟件作相應統計歸類,采用統一平臺予以發布,保證數據的完整性和唯一性,達到數據全采集的目標[5]。

研究能夠兼備失壓計時、電壓管理、諧波監測以及電壓、電流有功、無功、功率因數等數據采集功能于一體的終端,制訂相應的技術標準和通信規約,擴大對客戶端電能質量的實時監測范圍,及時掌握客戶端電能質量狀況,實現對電能質量從網側到客戶端的全過程監測。增加終端對無功數據的采集,彌補目前對客戶端無功功率缺乏及時了解的現狀[6]。

負荷管理和電能表集抄雖然是兩個系統,各有不同的特點和作用,但是采集的數據是可以共用的。為了不重復安裝,上海負荷管理系統規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和電能表集抄系統相互融合的技術規范,按照國網標準統一數據類型,實現兩個系統的負荷和電量數據互補應用和無阻交換,負荷管理系統的電量數據可以交換到電能表集抄系統,而電能表集抄系統的負荷數據也應該交換到負荷管理系統,從而擴大系統的監測負荷范圍。

3.4 推動客戶需求側管理

需求側管理工作能有效地減低能源消耗,經濟合理地利用能源,減少電費支出,提高電網的負荷率,縮小峰谷差,緩解高峰時段供需不平衡的矛盾。目前,負荷管理系統已經嘗試向客戶免費提供終端數據采集和管理軟件,還未形成規模效應。因此,通過各種形式加強對客戶的宣傳和培訓力度,提高客戶對需求側管理工作的認識,營造客戶主動參與的氛圍,繼續推廣客戶端應用軟件的使用,跟蹤使用情況,依據實際需要開發個性化的系列版本,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變。

根據前述負荷管理系統監測負荷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,按平均計算電網高峰負荷能下降約15萬 kW,但是實際上在230 MHz專網客戶中約有20%是特大型客戶,負荷累計約要占到總監測負荷的80%,因此同樣按下調10%考慮,那么電網高峰負荷就有可能下降約60萬kW,調峰效果明顯。由于終端客戶點多面廣的特點,20%的客戶數量將會達到2000戶左右,可見推廣工作需要一定的人力投入。

通過客戶需求側工作的推進,積累與客戶溝通的經驗,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,實現信息互通,讓電網信息及時下傳到客戶,讓客戶需求信息及時上傳到電網。研究制訂雙方互動的內容和方法,嘗試從信息互動開始到雙方的業務互動[7]。

3.5 提升系統價值

針對目前系統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,研究有效的系統運行維護策略,建立對各類運行數據的考核機制,設立負荷管理系統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一次通信成功率和抄表成功率作為工作重點,確保采集數據準確率達到考核要求,確保主站系統設備和通信基站設備巡檢維護工作規范化和正常化。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督,發現問題及時分析處理,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。

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

4 提升負荷管理系統功能的方案

上述的研究內容,主要涉及擴容、通信、安全、數據采集、抄表、電能質量監測、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能夠承擔起智能化用電信息采集系統的全覆蓋,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建設任務。

這些研究內容,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 編制發展規劃,確定發展目標。制訂出詳細的負荷管理系統和集抄系統采集數據相互融合的方案,重點解決負荷管理系統表計狀態監測功能和新表計類型抄收功能,引入集抄系統的負荷數據,擴大負荷監測比例。在國網統一終端規范基礎上,修訂上海市用電負荷管理系統的終端規范。

規劃工作宜早進行,對主站和運行終端的改造,新終端的采購越有利。

盡快研究專網通信容量受限的問題,在系統巡測模式保持不變的情況下,增加信道的終端容納數量。研究開發智能電能表的統一抄表規約,滿足現場各種類型表計的抄收。以抄表數據能夠出賬的要求考核抄表系統的運行、維護工作。鑒于智能電能表適宜網絡通信的特殊性和采集數據的多樣性特點,研究終端如何與其建立起合適的通信方式,承擔起數據傳遞和表計狀態監測的任務。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 推進客戶端電能質量監測工作,擴大遠程采集客戶端數據的終端數量,制訂安裝覆蓋計劃。研究集失壓計時、電壓統計、諧波監測以及用電數據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品,發揮系統通信網絡優勢,實現遠程的、快速的、一對一的控制。采集這些接入設備的運行數據,實現遠程監測和分析,用終端作為電網的安全屏障,發現故障及時切除,防止因這些設備發生故障時影響到電網的運行安全。

利用終端作為建立供電企業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點,逐步深入拓展到業務申請,調整用電工況等內容的互動體系。研究主站和終端適應這種互動體系應該具備的相關功能、數據通信方式、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,逐漸形成標準規范的互動體系。

5 結語

負荷管理系統是在20世紀90年代中后期為了解決當時電力發展的建設速度跟不上社會經濟的發展節奏,電力電量供需矛盾突出,存在缺電現象而興建的大型協調控制系統,在全國類似負荷管理系統有相當數量,總投資很大。今天,全國的電力科技已經有了一個飛躍的發展,發電量和負荷水平已經能夠達到基本平衡。因此,如何借助于智能化電網的建設契機,利用好負荷管理系統的現有資源,推進負荷管理系統的進一步可持續發展,將有助于負荷管理系統承擔起智能化電網建設的重任,繼續提升它的使用價值。

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