面向用電負荷精細化調控的需求側管理平臺設計

白新雷，張 凱，馮 劍，張露露，陳 珂，宮飛翔

（1.國網河北省電力有限公司 營銷服務中心，石家莊 050035；2.國網河北省電力有限公司，石家莊 050022；3.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；4.中國電力科學研究院有限公司 需求側多能互補優化與供需互動技術北京市重點實驗室，北京 100192）

0 引言

隨著我國經濟從高速增長轉向高質量增長，工業、商業、居民用電比重不斷上升，電力尖峰負荷波動明顯。為有效控制尖峰負荷帶來的不利影響，應統籌協電源建設和需求側管理，保證電力系統供需平衡，減少電網損失和建設成本。電力需求側管理（demand side management，DSM）是指利用現代科學技術，電力系統中各方參與者共同協作，改變用戶側用電效率和用電方式，有利于促進電力系統各方參與者良好互動，維護電力供需平衡。

隨著工業、商業和居民用戶的電力需求不斷增長，全國區域性缺電問題凸顯。河北南網季節性時段性缺電問題尤其突出，2019年夏季河北南網最高用電負荷超4 000萬kW，同比2018年增長9.74%，亟需從用電側入手進行需求側資源精準高效調節，實現源-網-荷動態平衡。目前需求側管理研究熱點主要是需求側管理策略和需求側管理平臺。文獻［1］—文獻［3］基于博弈論斯塔伯格博模型，求解用電用戶的最優需求響應策略，優化調整用戶用電任務。文獻［4］提出了一種基于模糊邏輯改進的加權公平隊列動態調度策略，滿足需求響應業務服務質量需求。文獻［5］提出一種基于逐級電網安全的有序用電策略和系統框架，以提高電網運行的安全性和經濟性。文獻［6］提出一種以客戶用電需求為導向的臺區有序用電管理策略。相關的需求側管理策略算法研究已經比較成熟，但是目前的技術手段難以支撐精準、高效的電力需求側資源調節。文獻［7］介紹了廣東省電力需求側管理平臺建設目標和建設架構，為廣東地區開展電力需求側管理提供了技術支撐。文獻［8］介紹了山東省電力需求側管理平臺建設及應用，提升了電力需求側管理工作水平。但是目前依然存在著調節資源多，用戶手動調節及時性差、不確定性大、缺乏自動高效調節海量資源的模型、源-網-荷協調互動嚴重不足等問題。本文提出一種面向用電負荷精細化調控的需求側管理平臺，平臺覆蓋全省，滿足省-市-縣3級應用，可以對省內特定負荷實現負荷精準切除、調控，解決逐年加劇的用電缺口問題。

1 需求分析

本文提出的面向用電負荷精細化調控的需求側管理平臺針對河北南網用電負荷特點，以滿足河北省電網用電高峰期的平穩安全運行需求、有效緩解電力供應緊缺矛盾為目標，通過電力需求側管理對重點用電客戶的用電負荷實行精細化靈活調控。

（1）功能需求：需求側管理平臺所具備的功能需求包括用戶管理、運行管理、可中斷執行、有序用電、考核評價、平臺管理等。

（2）技術規格需求：需求側管理平臺所具備的技術規格需求包括性能需求、可靠性需求、可維護性需求、易用性需求、集成需求等。

（3）安全需求：需求側管理平臺所具備的安全需求包括用戶身份鑒別、訪問控制、應用安全審計、用戶數據完整性保護、數據加密存儲、平臺間數據接口安全防護等。

2 平臺架構設計

2.1 總體架構

需求側管理平臺的總體結構分為主站、通信信道、設備3層，如圖1所示，主站通過通信信道與設備建立通信連接，對設備發送通信指令，獲取設備采集的數據，對設備進行控制，切斷可中斷負荷，達到削峰填谷目的。

圖1 需求側管理平臺總體架構Fig.1 Overall architecture of the demand side anagement platform

（1）設備層主要包括用電信息采集終端、負荷管理控制終端、需求響應終端及接入這些終端的計量電表、交采模塊、采集器等。

（2）通信信道指主站與終端的通信信道，包括電力公司內部光纖網、無線專網、4G、GPRS等多種信道。

（3）主站主要實現數據采集層和業務功能應用層。數據采集層主要負責采集用戶的用電負荷、電壓、電流等數據，并對用戶用電開關、用電設備進行控制。主站的業務應用層主要實現業務功能，包括通信組件、自動采集任務和需求側管理平臺。

2.2 業務架構

需求側管理平臺是實施需求響應、有序用電業務和開展對外宣傳的技術支持平臺。支持集中部署，具備獨立運行能力，業務架構如圖2所示。

由圖2可知，需求側管理平臺用戶包括省、市、縣各級電力公司相關專業人員，平臺的業務涵蓋用戶管理、終端的安裝與調試、數據采集、終端控制、有序用電、考核評價、綜合應用、平臺運行維護。通過統一的接口規范，平臺實現與用電信息采集平臺等系統內業務應用平臺連接。

圖2 需求側管理平臺業務架構Fig.2 Business architecture of the demand-side management platform

2.3 應用架構

需求側管理平臺應用架構如圖3所示，對需求側管理平臺進行功能域劃分，平臺應用架構分為用戶管理、可中斷執行、有序用電、考核評價、通信功能、自動任務、通信組件、運行維護、平臺管理、平臺接口10個功能域。

圖3 需求側管理平臺應用架構Fig.3 Application architecture of the demand side management platform

2.4 技術架構

為了構建高效性、可復用性、高通用性、安全性的平臺，主站軟件采用JAVA Spring+MVC架構搭建，采用多層的分布式應用模型、組件再用、一致化的安全模型及靈活的事務控制，使平臺具有更好的移植性，以適應平臺將來的擴展的需要。

需求側管理平臺架構如圖4所示，主站軟件采用了多層的分布式結構，軟件架構由表現層、應用層、服務層、數據層組成。

圖4 需求側管理平臺技術架構Fig.4 Technical architecture of the demand side management platform

（1）表現層：采用HTML、JavaScript等技術，主要提供業務的操作界面和信息展示界面，是用戶和平臺之間交流的橋梁，是直接面向操作用戶的部分。

（2）應用層：是平臺的核心，主要實現具體業務邏輯，負責平臺領域業務的處理，及邏輯性數據的生成、處理及轉換。

（3）服務層：包括數據訪問服務、消息服務、權限服務、報表服務以及平臺需要的其他服務，提供全局通用組件服務支持，并實現本平臺專用業務邏輯服務，為應用層提供技術支撐。

（4）數據層：實現海量數據的存儲、訪問和整理，為整個平臺提供數據管理支持。數據層主要通過數據庫實現。

3 需求側管理平臺關鍵技術研究

在需求側管理平臺的設計和建設中應該充分考慮到當前和未來的發展需求，采用合理的技術，選用先進設備，以便于最大限度滿足當前需求側管理平臺的需要和電網公司及用電用戶對平臺的需求。

3.1 多級負載均衡技術

負載均衡（load balance，LB）技術，即一種在現有網絡結構上擴展網絡設備帶寬，提高網絡靈活性和可用性的技術。在需求側管理平臺中，平臺將通過數據采集和平臺對接接入海量數據，并且隨著業務量的提升，服務器設備將承擔極大的數據處理和計算壓力，負載均衡技術通過相關算法擴展現有設備帶寬，加強網絡數據處理能力，提高網絡的靈活性和可用性。本文提出多級負載均衡技術。在前置環節，通過硬件F5均衡器完成終端上線均衡負載的需求。在任務調度環節，采用多任務器均衡方式進行在Web應用環節，通過硬件F5均衡器將客戶端訪問請求均勻分布到各應用服務，不僅可根據平臺性能需求增加或收縮任務處理模塊部署，降低單節點崩潰影響平臺運行的風險，也可以在提高性能的同時提高平臺運行可靠性。

3.2 MVC設計模式

MVC設計模式，M代表數據模型、V代表用戶界面、C代表控制器。MVC設計模式將業務邏輯、數據、界面顯示在代碼層面分離，在改進和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業務邏輯。在需求側管理平臺中，數據模型由javaBean來實現，用戶界面由JSP實現，控制器由Struts2實現。控制器接收請求并決定調用哪個數據模型去處理請求，然后確定用哪個視圖來顯示模型處理返回的數據。通過代碼分離使得模型返回的數據格式與模型無關，模型代碼可以被多個視圖重用，大量減少代碼的重復性。同時MVC分層也有利于需求側管理平臺的開發和管理，可以通過不同的開發人員同時推進不同方面的開發，也可以忽略其他方面的影響專注考慮一個方面的設計優化。

3.3 預處理技術

數據預處理，是指在主要的分析統計之前對數據進行處理。需求側管理平臺通過數據采集和其他業務系統獲取海量原始數據，其中數據大體都是不完整、不一致的臟數據，數據質量無法滿足需求側管理平臺的進一步數據挖掘和分析。對一些數據冗余、計算復雜的統計分析功能運用預處理技術，有利于提高需求側管理平臺查詢統計信息的效率，促進數據挖掘、數據分析的質量，降低平臺運行業務所需要的時間。

3.4 Kafka系統

Kafka是一種高吞吐量的分布式消息發布和訂閱系統。在需求側管理平臺中，為了實現用電負荷的精細化調控，需要在主站和任務調度之間提供實時通信服務。但是，當主站發送下行報文給任務調度時，由于終端通訊的延時性，并不能立刻獲取到上行報文。如果一直保持接口連接，會造成服務器的負載增加，造成資源浪費。需求側管理平臺采用Kafka系統后，主站和任務調度采用異步通訊，主站發送下行報文給任務調度，下行過程即已結束。當任務調度返回上行報文時，主站通過監聽器獲取Kafka消息并自動接收，既保證了實時性，又提高了服務器效率。

4 需求側管理平臺的應用

目前，需求側管理平臺已在河北省上線運行，范圍覆蓋河北南網全網6個城市，平臺首頁如圖5所示。面向用電負荷精細化調控的需求側管理平臺可以實時監測各地基站、終端運行情況，在線顯示當前時段的省市監測負荷和可控負荷變化趨勢。

圖5 需求側管理平臺首頁Fig.5 Homepage of the demand side management platform

需求側管理平臺以需求響應為主，有序用電為輔，可實現削峰填谷，有效緩解電網高峰壓力，彌補電網低谷運行負荷，保證電網安全穩定運行。

4.1 需求響應

（1）將平臺接入的需求側終端按照不同所屬供電單位，分別編制可中斷年度預案。

（2）在需求響應實施前，省公司將指標分解到地市公司，地市公司再分解到各個縣公司。

（3）各供電單位根據自己分攤的指標，選擇合適的可中斷年度預案生成執行計劃。

（4）計劃執行前，可以通過批量下發中文信息的方式對可中斷用戶進行通知。

（5）計劃執行時可以根據實際情況選擇遙控或者功控的方式來實施可中斷。

4.2 有序用電

（1）將參與有序用電用戶導入平臺之后，按照供電單位將指定的用戶編制為年度預案。

（2）有序用電前，省公司通過指標分配功能，將有序用電指標分解到地市公司，地市公司再分解到各個縣公司。

（3）各供電單位根據自己分攤的指標選擇合適的年度預案生成執行計劃。

（4）計劃執行前，可以通過手機短信的方式對有序用電用戶進行通知。

（5）計劃執行期間，可以實時監測有序用電負荷，實現靈活調控用戶用電負荷的目標。

5 結束語

針對河北省用電負荷特點，本文設計了面向用電負荷精細化調控的需求側管理平臺，開展了需求側管理平臺的需求分析，在此基礎上進行了平臺架構設計和關鍵技術研究，并分析了需求側管理平臺在河北南網的實際應用效果，發現對重點用電客戶的用電負荷實行精細化靈活調控可有效緩解電力供應緊缺矛盾。但目前，平臺與負荷聚合商平臺、智能家電云平臺等互聯互通能力不足，尚未實現電力需求側多元靈活資源的應用，未來平臺在參與電網運行調控方面仍有較大的優化提升空間。D