基于Redis的柔性負荷聚合商能量管理系統

吳世偉，紀 陵，蔣衍君，劉文彪，李靖霞，劉永笑

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 211153；2.國網太原供電公司，太原 030001）

0 引言

在碳達峰、碳中和戰略目標驅動下，我國未來將發展以新能源為主體的新型電力系統，這必將對電網源網荷的調節控制發展提出更多的技術要求。當前空調［1-3］已經成為夏季我國電力負荷的重要組成部分，電動汽車［4］的發展持續加速，儲能［5］也在工業園區、風電/光伏電場、調峰電站等多個場景發揮重要作用。在此背景下，依托于物理信息系統［6］的柔性負荷聚合商［7］（或虛擬電廠）的發展條件趨于成熟，可通過軟件架構定義電網能源的運行控制過程，聚合分布式電源、儲能系統、可控負荷、電動汽車等不同類型的用戶側可調資源，實現多個分布式資源的協調運行，滿足電網的供需平衡［8］，有利于資源的合理化配置及利用。因此當前需要研制柔性負荷聚合商能量管理系統，將各種用戶側可調資源聚合成滿足電力系統可靠并網要求的整體，并作為整體參與電力系統調控［9-11］。文獻［12］研究了空調的優化控制策略，關于電動汽車的V2G（車網互動）調控［13］、計及充放電裕量的充放電調度策略［14］、日前調度策略［15］也有相應研究。我國已建成國家、地方需求側響應服務管理平臺，各省市組織實施了多次需求響應，柔性負荷聚合商未來將在電力系統移峰填谷、可再生能源電力消納上發揮更大作用。

當前柔性負荷參與電網調控大多在園區、大樓層面執行，要實現到單個可調負荷的自動精細調控還需要進一步研究。本文搭建了以Redis為數據總線的包含電網潮流仿真分析、負荷監視控制、用戶信息交互的柔性負荷聚合商能量管理系統框架，闡述了關鍵技術，并開展眾多分布負荷通信互動和在此基礎上的新能源消納、削峰填谷場景下的自動調控模擬。系統實現了細化到單個可調資源的自動調控，子站端接入資源數據點多量大且子站系統支持擴展，涵蓋了站端到電網控制的全流程，方便從電網角度考慮可調資源參與聚合調節效果，支持模擬可調資源動態特性；另外系統集成了Web和APP訪問技術，方便用戶參與互動交互。該系統可用于柔性負荷聚合商控制策略研究和模擬培訓。

1 系統結構

柔性負荷聚合商管理了數量眾多地理分布的可調負荷資源，在電網調控和負荷資源之間著發揮著上傳下達的作用。為了直觀觀測柔性負荷調控過程中電網潮流變化和負荷響應過程，本系統包含了電網潮流仿真系統、負荷監控系統、互聯網用戶互動信息系統等。為了實現前述功能，需要研究基于物聯網技術的分布式用戶側可調資源的接入、多個系統之間的數據交互融合、典型負荷的調控模型特性、柔性負荷聚合和調控等。

柔性負荷聚合商能量管理系統的物理結構如圖1所示，包括通信接入、數據采集與監控、配電網仿真及展示交互部分。為實現柔性負荷控制顆粒度從園區、工廠、大樓負荷細化到用電負荷，通過有線網絡、Lora無線通信方式接入了充電樁、儲能、空調等負荷資源。數據采集監控系統包括數據建模、負荷用電信息采集、存儲、分析、監視控制以及高級應用等功能。通過對典型負荷數據的挖掘分析提取出關鍵影響因素，并對用電負荷行為特征進行聚類和識別畫像。配電網仿真系統包含地區電網及配電網模型、分布在配電網節點上的負荷資源、在調控柔性負荷時能觀測到配電網潮流變化。系統通過大屏、網頁、移動終端、PC機等方式輸出展示信息，柔性負荷資源調控參與各方可以查看用電信息、參與調節次數和調控的收益信息、可調節潛力、調控過程、調控執行情況等。

圖1 柔性負荷聚合商能量管理系統物理結構

2 基于Redis訂閱/發布的數據交互技術

2.1 Redis性能特點及應用

Redis是一款開源（BSD許可）的高性能非關系型內存數據庫，支持豐富的數據結構（包括字符串、集合、列表、字典、哈希等），可實現快速訪問。Redis具有以下特點：數據讀寫性能高，每秒可以處理超過10 萬次讀寫操作，是已知性能最快的Key-Value 數據庫；支持將更新的數據異步持久化到硬盤中，或者將執行過的修改操作寫入日志文件中；客戶端和服務端可實現多種類型的交互模式，包括原子化的批量請求/響應模式（事務）、發布/訂閱模式等。

為了在監控系統、配電網仿真系統、用戶信息交互系統等多個不同技術棧系統之間交換數據，本文基于Redis 的發布/訂閱數據總線技術建立數據通道。系統模塊結構和數據交互如圖2所示。各系統之間的交互數據主要包括：SCADA（數據采采集與監控）系統中負荷運行監視數據、負荷模擬數據、配電網仿真系統的運行數據、Web 系統顯示的負荷信息以及用戶交互信息等。

圖2 系統模塊結構和數據交互

2.2 不同場景下的數據交互過程

基于Redis的數據總線建立了多個數據通道接口，實現了多個系統之間的數據交互。圖3展示了主要的通信接口以及各功能場景的數據流詳細過程。

圖3 系統交互的數據流

場景1，配電網仿真系統交互數據流程：配電網仿真系統通過過程①②發送數據（例如聯絡線潮流信息等）給能量管理系統；在負荷調控過程中，配電網仿真系統通過過程①②③④⑤⑥?⑦與能量管理系統互動。

場景2，能量管理系統收到調節指令后，分解目標值并發送給柔性負荷，同時負荷量測值發送給配電網系統的數據流程：配電網仿真系統通過過程①②⑧⑨將信息推送至Web；Web 系統發起調控個別負荷時，通過數據流⑩④⑤⑥?⑦和⑩④⑤?過程，與監控系統和配電網仿真系統之間互動；能量管理系統通過過程???聯動查看負荷所屬配電網節點。

場景3，SCADA 系統數據發布過程：通過??從SCADA系統向Web發布數據。

交互報文采用Json格式，示例如下：

3 柔性負荷聚合商參與電網調控技術

為了把柔性負荷納入到電網滾動優化控制中，在考慮功率平衡、邊界約束條件下進行經濟調控，需進行負荷資源可調潛力預測計算和分配。

3.1 柔性負荷聚合商參與電網控制的步驟

系統模擬柔性負荷聚合商參與電網控制的步驟如下：

1）選取光伏站、風力發電廠典型日96 點發電曲線，并按照容量進行折算。

2）周期提取當前時刻點對應的光伏、風力發電出力數據，發送到仿真系統進行全網潮流分配。

3）設定用戶側可調資源基線數據、電動汽車日出行計劃、室外溫度曲線等數據，對電動汽車的充電狀態、空調的啟停狀態作出判別，并刷新當前可調潛力。

4）柔性負荷聚合商根據可調潛力調節柔性負荷消納新能源發電，調節策略包括啟動儲能、啟動電動汽車充電。

5）柔性負荷聚合商進行電網移峰填谷控制，在用電高峰時段，啟動儲能資源放電、停止空調負荷、停止電動汽車充電等；在用電谷時段，啟動儲能充電、啟動電動汽車充電等。

柔性負荷調控模塊結構如圖4所示。其中，電網仿真系統支持斷路器和隔離開關變位、變壓器遙調操作和故障設置、發電機出力調整、負荷調節，以及故障和事件的教案編輯生成，對培訓仿真的初始化訓練、暫停、中止等過程控制。

圖4 柔性負荷調控模塊結構

模擬程序支持定時傳輸多組序列化數據，例如光伏、風電出力時序數據，溫度時序數據，峰谷時段的負荷時序數據；支持多組數據的初始化，例如柔性負荷基線數據等；支持柔性負荷的動態過程模擬，如溫控負荷隨氣溫變化按數學模型的啟停狀態，充電樁和儲能系統隨時間變化的SOC（荷電狀態）。

調度潛力計算模塊周期性計算刷新當前和未來可調度潛力。調控模塊在接收到調度調控指令后，依據可調潛力分解目標值并分配調節各可調負荷，控制過程循環迭代直至達到穩定的調控結果。調節過程中的負荷量測值發送給配電網仿真系統，進行功率平衡校核。以上過程包含了負荷預測、負荷控制及電網功率平衡的過程。

3.2 可調潛力計算功能

負荷可調潛力聚合計算采用物理模型法。通過建立三類負荷物理模型，考慮儲能充放電SOC上下限、溫控負荷的人體舒適度范圍、電動汽車的出行使用需求，假定負荷資源在滿足約束條件下完全可控，對未來幾個小時的潛力進行預測輸出。計算時分層分類，先逐個計算單個負荷潛力，再按類型聚合求和。上述過程涉及的負荷模型參數見表1。

表1 柔性負荷模型參數

空調模型表達式如下：

電動汽車和儲能在t時刻的電池電量計算公式如下：

式中：QSOC，t和QSOC，0分別為t和t0時刻的電量；PR為額定功率；Ce為充電效率；Qe為電池容量。

3.3 柔性負荷調控功能

負荷調控模塊基于開放式的監控系統設計，平臺層面接入負荷各種復雜通信規約，提供數據采集、存儲、畫面展示、告警、曲線、報表等功能。應用模塊計及負荷優先級和可調潛力等因素合理分配目標值，通過并列下發指令以提高調節速度。調控程序包括指令監聽函數、負荷閉鎖和可調潛力檢測函數、指令分配算法等。在接收到調度的調節指令后，結合負荷閉鎖狀態、邊界條件和可調能力，按照分配算法分解指令值并發送給各負荷，周期性刷新負荷資源的可調能力，及時將可調資源投入調節、將達到邊界條件的負荷退出調節。循環迭代上述過程直至達到控制目標。

4 系統應用情況

本文搭建了柔性負荷管理控制和仿真系統，主網選擇某地區電網，配電網為主網的一條出線。其中包括5 座火力發電廠、1 座風電場、1 座光伏電站，有可調負荷點125 個、負荷聯絡線148 條。實際接入部分示范空調、電動汽車充電樁、儲能設備，并模擬部分柔性負荷對象。文中闡述的電網結構、配電網線路、負荷節點的層次關系如圖5所示。

圖5 柔性負荷聚合商系統試點電網結構

文中柔性負荷聚合商系統模擬調控過程，如表2 所示，設定柔性負荷資源包括100 kW 儲能、100 kW 空調、100 kW電動汽車，峰時段為09：00—11：00和19：00—21：00，谷時段為23：00—07：00，空調調節占空比為34%。09：00—11：00，儲能、空調參與調節抑制尖峰負荷，總可調功率共計166 kW；19：00—21：00 期間，空調、電動汽車負荷參與調節抑制尖峰負荷，總可調功率共計266 kW；23：00—07：00，儲能、電動汽車參與調節，消納新能源發電功率，總可調功率最大共計200 kW。在負荷聚合調控過程中，能觀測到連接線潮流和負荷資源的相應變化，直觀展現負荷移峰填谷效果，以及谷時段的調節對于新能源發電吸納的有益效果。

表2 柔性負荷聚合商系統模擬數據

5 結語

本文構建了柔性負荷聚合商能量管理及仿真系統，采用了基于Redis 訂閱/發布的信息交換技術，運用物理數學模型的負荷可調潛力計算及快速控制方法，實現了柔性負荷的自動響應和分配控制。系統包含信息采集、數據模擬、潮流仿真、負荷預測以及負荷聚合分配控制等功能，既可在實驗室用于控制策略的研究和仿真，也可為柔性負荷聚合商參與電網調控提供支撐。文中使用某地區電網節點和配電線路的斷面數據，接入了實際負荷裝置，在滿足供需平衡的約束下，模擬了新能源消納和電網削峰填谷的場景。系統已在試點運行，下一步將研究在接入可調資源容量較大時，考慮可調資源的分布特性，從所在各地區電網角度出發，結合電網架構、潮流約束整體，合理劃分區域層次，從整體上探討該約束優化問題。