基于電力大數據的供電服務指揮平臺構建技術研究*

武國亮，王瑾，宋涌平，王瓊

(國網介休市供電公司,山西 晉中 032000)

隨著配電網中網架結構、設備類型、數據容量日趨復雜龐大,其接入的不同類型用戶對供電范圍、供電質量、用電性質以及安全可靠性的要求千差萬別。此外,由于外界天氣環境等信息的不確定性,對供電設備的工作環境適應性能產生了較大影響[1]。為了實現供電服務的智能指揮與決策,保證供用電系統安全可靠,亟需開發低成本、有技術競爭力、強數據支撐的智能電力供電服務指揮平臺,以推進智能配電網的自動化建設[2]。

目前的實際供電服務指揮系統仍處于半自動化的發展狀態,主要依據專家經驗進行人工決策,對數據的加工與利用程度較低[3]。在國內,以國網公司運檢、營銷及調度專業現有業務為基礎,構建“信息匯集、一口對外；過程督辦、協同指揮；事件稽查、風險預警；全景分析、綜合評價”的供電服務指揮應用,然而在實際操作過程中存在信息化平臺多樣化導致多源數據難以集成、營配難以一體化等問題[4]。在國外,通常在售電側市場中引入競爭機制,賦予電力用戶自由選擇權[5]。電力公司針對不同的客戶群體,根據用途、用電量、用電時段和季節制定不同的電價策略和個性化的服務。然而電力公司業務范圍較為狹窄,難以獲得全網準確全局信息,以提供高級應用。同時,不同的業務系統之間存在明顯的專業隔閡,各個業務子系統之間信息不能共享交互,形成了一系列信息孤島[6]。因此,需要全面融合目前離散的信息資源,對電力大數據進行統一收集、歸類、篩選、加工,對電力業務進行關聯分析與最優決策,搭建基于電力大數據的整體供電服務指揮平臺[7]。

配電網供電服務指揮平臺以功能強大、高兼容性、擴展性強的硬件系統作為基礎,以統一調度的平臺構建技術與協調控制的軟件架構作為支撐[8]。平臺既具備完善的基礎功能,如數據庫管理、加密設計、權限管理、安全告警、數據接口、終端交互等功能,也能實現包括配電網運行監控、運行管理、安全監測、用電分析、分布式能源協同控制等高層應用的一體化運行[9]。通過對不同業務的整合再加工,搭建融合多種營銷、檢修、調度等應用子系統的統一平臺架構,實現配電網自適應安全控制,保障配電網安全運行。

地縣供電服務指揮平臺是加快推進供電公司集約化、專業化、扁平化協同一體化管理模式的重要決策。平臺以電力大數據技術作為支撐,實現用戶精準服務與安全態勢專業評判,實現不同電力業務的整合與再應用。通過海量數據與實際電網機理聯合驅動,能夠對營銷、調度、檢修等不同大類業務之間的數據關聯性與因果關聯性進行挖掘,分析電力網絡中的復雜狀態關聯性[10]。本算法對電力數據進行加工、利用與反饋,生成一系列以用戶需求為導向的服務指令,實現全天候的用戶服務響應與現場狀況安全監測[11]。

本文的結構主要分為以下幾部分:第一節對配電網中目前數據特征與應用現狀進行分析,說明供電服務平臺需要有力的大數據分析技術支撐。第二節對所提供電服務指揮平臺設計的基本原則進行了歸納,第三節對平臺的軟件、硬件及數據結構進行介紹。第四節以智能負荷參與電網需求響應,維護電網潮流穩定為例,介紹所提平臺的應用場景。最后對本文進行了總結與展望。

1 供電服務指揮平臺構建關鍵技術

智能供電服務指揮平臺的建立需要考慮目前電網實際調配過程中的一系列痛點問題。隨著目前配電網中分布式電源與柔性負荷不斷接入,以及信息通信技術的深層應用,配電網中能量流、信息流與業務流的高度融合對配電網智能、安全、可靠、高效運行控制帶來了很高的技術與管理難度[12]。根據實際運行控制的需求,需要改變傳統供電服務指揮系統的架構,實現平臺化的設計與管理,實現平臺與廣大多源異構終端的自動對接、識別與信息交換技術,特別是對海量數據的處理技術[13]。

配電網中的電力大數據的特征為數據規模大、數據類型多、狀態變化快與價值密度低等特征[14]。隨著目前用戶側智能表計布點越來越廣泛與采樣頻率越來越快,以及累積的歷史數據,電網中的數據量越來越大,數據結構類型也隨著采樣方式的豐富而更加多變。在這樣的情形下,數據中涵蓋了絕大部分無效信息,導致真正反映電網關鍵運行態勢的有用信息被淹沒,難以挖掘數據價值。因此,如何利用好海量多源異構的電力大數據,挖掘數據中反映出的電網運行問題,迅速決策出最優的安全控制方法,是構建智能供電服務指揮平臺的關鍵[15]。

此外,供電服務指揮平臺需要從配電網與用戶側角度對數據處理、潛力分析、模型建立、優化策略制定、控制策略制定和恢復策略制定等環節進行研究。

統一信息平臺可以確保上述三部分功能的互聯互通和實時共享,保證三部分“業務模型、信息模型、數據模型、安全架構”的四統一[16]。統一信息平臺主要需要開展以下工作:一是結合分布式能源、電動汽車、智能家居等新興業務,構建統一的數據模型,編制規范的數據交互接口；二是完成數據全量接入,進行統一存儲和分析計算,提供公用的數據模型服務。同時在通信網建設方面,要實現各種業務的泛在接入,需要建設以光纖專網為主、無線專網為輔、多種通信方式并存的終端通信接入網絡,以此來提升配網自動化、用電采集、大用戶和海量微負荷用戶的通信安全和傳輸速率,構建統一、泛在的終端通信接入網。

2 總體方案設計

支持統一數據接口、開放式通信、多源異構設備即插即用的配電網供電服務指揮平臺需要結合配電網實際運行控制,面向配電網營銷、運維、調度、檢修工作人員,適應海量電力大數據存儲與處理需求,支撐配電網日常配調業務需求。應用機器學習與大數據研究技術,提高電網饋線自動化、緊急情況處理以及分布式能源協同控制能力,使得配電網供電服務的業務響應時間、實用性達到國內先進水平?；诮M件的面向服務架構的思想,對外提供統一的交換服務、模型服務、數據服務、圖形服務和應用服務,構建面向應用、高度開放、可靈活擴展的資源共享平臺,支撐配電網調度、生產指揮等的業務管理需求,保障配電網的安全、經濟、優質運行。

配電網智能供電服務指揮平臺的設計原則如下:

(1)一體化原則

平臺能夠統一兼顧信息管理大區與運行控制大區的信息資源,不僅可以支撐配電網信息收集整合、可視化管理配電網整體運行狀態,同時進一步滿足配電網各類電力信息業務交互、數據融合、統一管理等需求,從而實現調配一體化、配網地縣一體化。

(2)流程精簡原則

從模型匹配角度,平臺能夠對新增的設備進行自動匹配,降低人工審查難度；從設備接入角度,平臺需要對不同類型的設備與終端進行自動接入,實現即插即用；從人機界面角度,平臺需要對不同電力業務展示界面進行高度集成,減少冗余信息干擾,使得各類告警等重要信息能夠以更加清晰明了的方式展現,化簡分析流程,提高工作人員工作效率。

(3)未來預期原則

智能供電服務指揮平臺不僅需要考慮當下的目標電網規模與拓撲,且同時要對未來5～10 年電網結構、規模、新技術與新設備進行預測,從電網角度分析未來電網變電站、線路、配變設備等發展水平,從外部因素分析人口、用電水平、經濟發展水平等相關因素的態勢,從而充分考慮在動態發展環境下的配電網規劃需求,提出適應遠景發展下的平臺構建方案。

(4)可擴展原則

智能供電服務指揮平臺支持在已有地區調度自動化系統基礎之上,能夠方便、安全、快速地升級、擴建配網相關功能。模塊功能分為基礎功能與開放功能,縮短技術開發與實際應用之間的周期,達到前期研究結果能夠智能反饋并應用于后期研究的改進過程,從而實現平臺的迅速迭代與自我優化進程。

3 平臺架構分析

智能供電服務指揮平臺的功能主要分為配電網安全監控、配電網運行管理和配電網分析應用三大類,其軟件與硬件架構在下文中介紹。

3.1 軟件架構

平臺基于統一調度管理技術,實現跨區應用,實現“一個統一平臺,三套業務體系”。具體結構如圖1 所示。

圖1 平臺軟件結構

安全監控軟件系統是配電網實時運行調度與監控業務的核心支撐?；谝欢谓涌谌诤吓c信息融合機制,實現配電網實時監控、安全監管以及分布式能源協調控制,實現配電網安全防護與故障恢復,保障配電網安全可靠運行。

運行管理軟件系統主要用于支撐配電網的實時調度管理功能,主要包括可視化管理、終端設備管理、數據分析統計與調度指令下發等業務。除此之外,該軟件系統還負責與其他業務系統進行實時交互、信息接入、數據共享與場景聯合分析,從而實現基于電力大數據的統一配電網運行調度進程。

分析應用軟件系統包括各類電力物理側業務應用,包括潮流計算、狀態分析、解列分析等應用。通過IEC 61850 標準采集廣泛分布的配電網潮流運行數據,利用配電網狀態數據和運行數據統一分析配電網運行態勢,實現實時態勢感知,從而為配電網運行和檢修過程提供輔助決策,支撐配電網安全與經濟運行最優策略求解。

此外,軟件系統還包括關系數據庫、實時數據庫、進程管理等軟件,其中關系數據庫用于存儲電網靜態模型及相關設備參數、系統配置、告警和事件記錄、歷史統計信息等需要永久保存的數據；實時數據庫用以提供高效的實時數據存??；進程管理用以監控應用進程的運行情況,可根據進程的重要性級別制定不同的管理策略。

3.2 硬件架構

系統的硬件組成部分主要為工作站、服務器、網絡通信設備、防火墻與傳感器量測設備。依據不同的硬件配置、系統規模、延時需求與性能需求,各工作站與服務器可按子模塊組裝的形式合并成需要的規模與組織結構,以虛擬地址的形式進行邏輯調用。

基于不同硬件設備的組合,平臺可主要分為安全生產采集區、安全生產監控區、用戶信息采集區、用戶信息監控區以及統一服務指揮區。系統縱向與橫向區域之間均設置了安全防護模塊,其中,縱向的數據傳輸采用防火墻或者數據加密裝置進行安全防護,橫向的不同網絡大區之間采集正反向物理隔離裝置進行高層防護。從而保障網絡中某一區域的安全風險不會傳播蔓延至其他區域。平臺采用面向服務的體系架構,為各類應用的開發、運行和管理提供通用的技術支撐,為整個系統的集成和高效可靠運行提供保障,為電網生產控制大區和生產管理大區橫向集成、縱向貫通提供基礎技術支撐。平臺的硬件結構如圖2 所示。

圖2 平臺硬件結構

(1)安全生產采集區

該區主要面向配電側分布式電源、配電變電站等中壓區域,通過在電網部署RTU、PMU 等量測單元,通過遙信與遙測功能對電網重點區域態勢進行采集。

(2)安全生產監控區

該區是安全生產采集區的上層監控應用區,負責對配電網整體運行狀態進行實時監控、安全評估與控制策略下發。

(3)用戶信息采集區

該區主要面向負荷側的低壓用戶區域,主要負責對用戶用電數據如功率、電壓、電流等進行采樣,為每類用戶精細刻畫用電行為畫像。

(4)用戶信息監控區

該區是用戶信息采集區的上層監控應用區,負責分析用戶用電行為,保障供電質量,提供用戶服務。

(5)統一服務指揮區

該區可匯總以上分區的數據流與業務流,通過統一的服務指揮平臺,對電力數據進行綜合分析決策。

3.3 數據架構

智能配電網中存在多個數據源與業務信息管理系統。根據采集數據的類型,主要分為安全生產數據與用戶信息數據。根據采集數據的區域,涵蓋了配電變電站、開關站、負荷側表計等配電與用電區域。根據業務種類,包含調度、檢修、營銷等多個業務。根據數據原始程度,可以分為基礎數據、運行數據與管理數據。數據源的種類如表1 所示。

表1 平臺數據來源

4 算例分析

4.1 智能負荷響應控制方法

基于智能需求側響應技術的發展,利用供電服務指揮平臺,融合廣域電力信息,本節提出了智能化的負荷有序響應控制方法。在智能電網環境下,考慮本地信息、廣域信息、設備狀態、潮流特征等海量電力數據,實現了智能終端設備主動響應功能和多信息交互協調優化。從而在電網處于緊急情況時,利用數據來優化需求響應算法,匹配最合適的負荷響應資源,實現電網的故障自愈與恢復控制。

基于多級電力數據,負荷需求響應的采集、傳輸、協調與控制過程如圖3 所示?？梢园l現,供電服務指揮平臺可以同時利用生產側潮流、設備信息與用戶側負荷響應信息,從而綜合得出最優方案。

圖3 負荷響應控制信息鏈路

其控制流程如圖4 所示,主要步驟為:

圖4 負荷響應控制流程圖

(1)變電站實時監測系統線路潮流功率,當出現擾動使得線路功率高于安全值時,引發負荷響應控制方案主動投入工作。

(2)通過部署在各負荷點的智能電表,將參與主動響應的負荷容量及響應速度等信息上傳至供電服務指揮平臺協調控制中心。

(3)平臺通過匯總不同區域的實時頻率、電壓、有功、無功等狀態信息量,與該地點負荷響應能力匹配,計算確定最優化的負荷響應量分配方案。確定當前工況下需要投入的負荷量。

(4)將優化后的負荷恢復策略下發至各就地裝置。就地裝置接收指令,更新每輪動作值,經過一定延時后動作切除響應負荷。

(5)平臺重新收集線路潮流功率,如果達到安全要求則保持該方案不變；如果仍未達到要求則按更新后的差值進行新一輪的負荷響應控制流程,直至系統滿足安全裕度要求。

4.2 IEEE33 節點系統算例

本算例以IEEE33 節點配電網為例,介紹負荷需求響應在配網潮流治理中的作用,系統如圖5所示。

圖5 包含可控負荷的IEEE33 節點系統

在原始數據的基礎上,設置在節點4、18、20、24與29 分別有四個智能可控負荷,節點的總負荷及可控負荷比例如表2 所示。

表2 可控負荷及其比例

當網絡中由于節點負荷過大,發生線路堵塞時,需要對配電網潮流拓撲進行分析,制定安全經濟的潮流調度計劃。與被動切負荷相比,基于智能表計可以分析得出網絡中的可響應負荷,采取主動需求響應的方法,可以在成本最優的情況下,有效緩解線路堵塞程度,最優化系統安全裕度,優化結果如圖6所示。

圖6 響應前后線路功率變化

負荷響應前后線路潮流變化幅度如表3 所示,為了驗證算法有效性,以傳統只切除線路過載最嚴重處的負荷情形進行對比?？梢钥闯?通過智能負荷響應控制算法,與傳統算法相比,配電網中各條線路功率均有較大幅度的降低,從而保持配電網線路的潮流安全裕度。

表3 響應前后線路功率下降程度

5 總結

本文通過對海量多源異構電網數據的集成方式與其信息交互算法的分析,提出了構建智能供電服務指揮平臺的方案。從關鍵技術、平臺架構與應用場景角度,本文對智能供電服務指揮平臺的大數據分析技術、網絡一體化技術、跨區協調控制技術以及高層業務應用進行了詳細介紹。從負荷側入手,挖掘大量可控負荷在需求響應與配電網潮流控制中的潛力,運用服務指揮平臺對考慮大量負荷與潮流數據的配電網進行統一負荷響應調配,從而實現配電網安全穩定。

在未來研究中,需要對供電服務指揮平臺的功能進行進一步拓展,對各類業務進行深度融合與下沉應用,并對數據進行全生命周期管理,實現供電方與用電方的雙向互動與資源共享,最大化用電體驗與用電質量。