考慮安全約束的地區電網精益化源網荷柔性互動控制系統

孫豐杰，汲廣軍，撖奧洋，劉 強，張子衿

（1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島 266002；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

傳統電力系統的技術特征、運行機制、基礎設施均將發生革命性的變化，在新型電力系統的構建過程中，將催生大量新技術、新業態，電力系統“源網荷”生態發生重大變化，能源生產端形成多元化清潔能源供應體系，以風電、光伏等新能源發電為供應主體，化石能源電源的功能變為兜底保障、調節與支撐；電網側呈現交直流混聯大電網與多種形態電網并存的格局，傳統大電網與局域網互補共生；負荷側電氣化水平大幅提升，用能模式向多能互補、源荷互動發展，傳統的“源隨荷動”調度模式已開始向“源網荷儲協同調度控制”模式轉變［1-4］。

“源網荷儲協同調度”模式包括源源互補、源網協調、網荷互動、源荷互動等［5-11］。源源互補是通過不同電源間的出力時序特征和頻率特性進行互補來促進可再生能源的消納。文獻［12］針對未來配電網將會出現的智能軟開關和傳統聯絡開關并存的情況，提出了一種聯絡開關和智能軟開關并存的配電網運行時序優化方法。文獻［13-14］提出了基于模型預測控制的多時間尺度動態優化調度，長時間尺度下計算出優化參考值，短時間尺度下進行滾動優化，從而降低可再生能源波動的影響。網荷互動是在需求響應機制下利用柔性負荷參與電網的輔助服務以促進電網優化運行，如參與電網無功優化進行電壓調節、參與有功優化進行頻率調節、參與有功優化緩解與主網交換功率的波動、減小網絡損耗等。源荷互動是通過利用柔性負荷、需求響應來調節電網峰谷差和促進可再生能源消納。目前，在源荷互動方面開展了可行性及效益分析、商業運作模式和政策機制、協同規劃模型、調度算法研究、試點實施等工作［15-18］。

現有的源網荷協同調度控制策略制定時，鮮有考慮電網安全穩定約束方面，在策略的制定和執行過程中也未進行控制策略的安全校核，并且大多數研究停留在理論實驗階段，并未能進行實際的系統研發和應用。從電網安全角度出發，優先考慮用戶調節意愿，計及電網安全約束調節，提出按調節速率、用戶感知程度最低、經濟代價最優等原則制定控制策略的方法，并在控制策略下發前進行安全校核，研發精益化源網荷柔性互動控制系統，在青島電網進行部署示范，成效顯著。

1 精益化源網荷柔性互動控制系統總體架構

精益化源網荷柔性互動控制系統部署在青島電力公司調度中心安全III 區，實現青島地區級電網源網荷儲的柔性互動，同時能夠接收省調控制命令，響應控制。系統總體架構分為3層，如圖1所示，分別是感知對象層、支撐系統層和決策控制層。感知對象層部署了用戶側的各類感知終端，通過感知終端全面感知出線開關、電動汽車充電樁、儲能、微電網、出線開關、可控負荷等運行狀態，采集運行信息，然后把各類數據送往支撐系統層（數據管理平臺），感知對象層數據采集上送時，為確保信息安全，建立安全緩沖區，實現內外網數據的隔離緩沖。支撐系統層包括各類系統平臺的主動支撐，如能量管理系統（Energy Management System，EMS）、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、工程生產管理系統（Power Production Management System，PMS）、配電管理系統（Distribution Management System，DMS）等，為精益化源網荷柔性互動控制系統提供基礎信息；同時具備數據中臺功能，能夠對原始采集數據進行初步過濾、清洗、聚合、質量優化和語義解析等操作。支撐系統層把處理過的數據上送到精益化源網荷柔性互動系統調度平臺的控制系統層。在控制系統層，對多元數據進行整合、分析、決策與展示，滿足業務的各種需求。決策控制層同時支持指令下發，能夠將調控指令下發到DMS、負控等系統間接執行，或直接將指令下發到控制終端，實現秒級的精準負荷控制。

圖1 精益化源網荷柔性互動控制系統總體架構

系統實現各類可中斷客戶、儲能、充電樁等可調資源全面接入調度系統，增加電網運行可控手段；實現對實施范圍內源、網、荷運行信息的全景監視，提升了調度運行人員的感知能力；尊重參與用戶的調控意愿，引導不同電力用戶參與電網互動。系統能夠考慮用戶的控制意愿，計及控制代價，在滿足全網調峰約束、安全約束等前提下，以電網收益最大化為控制目標，制定協同控制策略，實現全網優化控制，促進源、網、荷可調可控資源的高效應用；采取調、切控制措施相接合，實現電網柔性調峰控制，促進新能源消納。

系統應用軟件功能如圖2所示。

圖2 精益化源網荷柔性互動控制系統功能

1）多源數據獲取及整合功能，實現電網泛在信息、實時數據、計劃數據以及參與調控意愿信息的獲取與整合，包括多源外部數據獲取、實時數據整合、計劃數據整合、參與調控意愿信息整合等功能模塊。

2）基于互動信息的電網調峰決策與控制功能，實現電網調峰需求的計算、調峰資源分析、調峰決策，下發調峰指令并監督執行，包括調峰控制需求計算、調峰可用資源分析、調峰策略優化、用戶調峰能力修正、調峰控制策略下發、調峰效果評估、調峰執行情況監視等功能模塊。

3）電網安全決策與閉環控制功能，實現電網設備和斷面的過載安全分析、優化決策與校正控制決策，包括實時態設備/斷面過載分析、校正控制可用資源分析、控制措施指標計算、調度運行優化控制、實時態過載校正控制、控制策略下發、控制執行監視等功能模塊。

4）信息綜合展示功能，實現源、網、荷設備運行狀態、量測量、統計量信息的在線監視、查詢與展示，主要包括泛在量測信息實時監視、泛在信息統計分析、控制效果綜合展示等功能。

2 海量可控資源的安全接入與聚合管理

2.1 外網可控資源安全接入緩沖區

海量可控資源分散在不同地理區域，源網荷柔性互動實現的關鍵在于依托高速通信網絡技術將其接入到調度側，實現資源的可觀可控，可控資源大多分布在公網，如何將海量可控資源統一安全接入到電網內網中是需要解決的關鍵問題。本文在應對傳統電力監控系統網絡安全問題的基礎上，直面互聯網安全和云安全，應對公司內網管理信息大區和互聯網區數據交換的網絡安全形勢，在橫向邊界和數據交換校驗上充分考慮來自互聯網大區的網絡安全問題，部署互聯電網安全接入緩沖區。物理隔離方面，加裝安全隔離裝置，實現電力內網和電力外網資源的物理隔離，做到通信網段的硬隔離。通信加密方面，在接入海量可控資源時使用安全認證加密方式，只有經過認證的可控資源才可與安全緩沖區服務建立鏈路，鏈路通信時基于HTTPS（超文本傳輸安全協議）加密協議進行數據通信，實現上、下行數據的安全加密傳輸。

以青島特來電云平臺為例進行說明，如圖3 所示，青島特來電云平臺負責管理青島區域所有特來電充電樁資源，特來電云平臺與青島地調通信通過有線網絡，通信協議采用WebService 協議，通信支持上行和下行服務。上行通信服務將特來電采集的充電樁信息經過SSL 加密上送到安全緩沖區，再經過信息內外網隔離裝置傳送到青島內網；下行通信服務由青島調度方發起，命令穿內網隔離裝置后下發到安全緩沖區，再經過SSL 加密下發到特來電云平臺，典型的上下行服務字段如表1—表2所示。

圖3 互聯電網安全接入緩沖區

表1 平臺上行命令

表2 平臺下行命令

2.2 海量可控資源聚合管理

項目擬接入的泛在控制資源包括：居民負荷、非工空調、充電樁、儲能設備4 類，接入哈工程人才公寓514戶可控負荷，如圖4所示。

圖4 海量可控資源接入概覽

接入的海量可控信息種類多，廠家也各不相同，需對這些海量可控信息進行聚合與建模，統一進行管理。針對充電站、儲能、可調度負荷和非工空調等信息建立統一的模型，每類可控信息包括臺賬信息和量測信息，這里以充電站為例說明，分析充電站組成要素，構建臺賬數據、量測數據和下發數據模型。模型數據包括資源ID、名稱、控制類別、控制平臺、所屬區域、編號、電壓等級、并網變電站、充電站數量、充電樁數量、額定容量、更新標識，當臺賬信息改變時，終端推送變更標志，平臺召喚更新臺賬信息。量測數據包括資源ID、量測時標、質量碼、是否可控、有功值、有功上報值、功率上調上限、功率下調下限、上調代價、下調代價等信息，更新頻度為分鐘級別。下發數據包括控制時標、控制類別、控制平臺碼、控制模式、分區ID、臺區ID、有功指令值，當需要對充電樁進行控制時生成下發指令。

2.3 基于調控終端的邊緣控制

對于沒有控制云平臺的可控資源，設計邊緣調控終端裝置，邊緣調控終端電力物聯網邊緣側終端接入與管理設備，完成精益化源網荷柔性互動控制系統在邊緣側的設備接入、數據分析計算及控制執行等功能，邊緣調控終端根據邊緣側終端接入與管理需求，采用模塊化的設計思想，包括設備通信、資源接入、邊緣計算、控制、人機交互等功能。

1）通信功能：支持各類通信協議，能夠接入可控資源，實現信息采集與控制命令與調度端的通信。

2）異構終端大規模接入功能：源網荷柔性互動控制系統涉及海量用戶終端設備，伴隨接入設備數量的劇增，邊緣側終端運維管理、靈活擴展和可靠性保障面臨巨大挑戰，開發兼容多種聯接并且確保聯接實時可靠的大規模終端接入功能，支持接入設備數量的彈性擴容，支持多接口多協議終端設備。

3）滿足業務實時性的邊緣計算功能：精益化源網荷柔性互動控制系統的檢測、控制、執行的實時性高，部分切負荷功能實時性要求在毫秒級，設計開發邊緣計算功能，在邊緣側完成相關的數據分析及任務調度等工作，滿足業務的實時性要求。

4）負荷精益化調節功能：依據系統調控需要對各類用戶完成負荷線路的切除控制及負荷自動恢復等功能；同時依據系統策略對各類負荷進行動態調節。

5）人機交互功能：人機交互模塊綜合各類人機交互信息管理，還包括文件解析、人機接口、參數配置等功能。

3 安全約束下考慮用戶意愿感知的源網荷儲多元協調控制策略

3.1 多元化控制策略

基于充電樁、儲能和可調負荷等海量可控資源（用戶）實時上送調節意愿、可調空間（上調和下調）和調節代價（上調和下調）等信息，考慮非可調資源的實時信息和計劃信息，結合電網安全約束、進行海量可調資源的控制策略優化計算形成控制指令。通過源網荷儲的柔性互動控制，能夠實現全網、區域或重載設備的削峰填谷和新能源消納，提升電網運行的經濟性。控制策略的制定至關重要，控制策略制定時首先考慮電網安全約束條件，并根據控制需求，系統設計了4種具體的控制策略，如圖5所示。

圖5 控制策略調整優先級

1）按調節速率控制，在負荷較重且快速增長時，優先選用調節速率快的控制措施；

2）按影響客戶感知大小的控制策略，在負荷增長較慢時，優先選用儲能和充電樁設備，保障居民負荷和非工空調負荷，提升用戶的舒適性；

3）按最優經濟代價的控制策略，建立各類控制對象的控制代價信息，在負荷較輕時，優先選用控制代價小的充電樁措施；

4）在前述措施基礎上，可進一步采取綜合控制策略。

以最優經濟為目標進行舉例，控制目標為經濟最優化，約束條件包括設備調節約束和電網安全約束等。設備調節約束包括儲能/充電樁等設備的上調和下調空間約束；安全約束包括主變壓器上送能力約束，機組出力約束、電網基態安全約束、電網N-1靜態安全約束等，例如電網N-1靜態安全約束如下。

給定電網在某一刻，有且只有一條線路j故障斷開，則根據電網N-1靜態安全約束有

式中：pl.i為故障前線路i的有功功率；pl.j為線路j故障斷開前的有功功率；Sj.i為線路j故障斷開后，線路j功率轉移到線路i的轉移比；pi，MAX為線路i的功率上限。

策略搜索制定時，根據各類控制策略的控制代價，優先選擇代價低的控制措施，實現經濟最優。

3.2 計及安全約束的控制策略優化計算

充電樁、儲能和可調負荷等泛在控資源（用戶）實時上送調節意愿、可調空間（上調和下調）和調節代價（上調和下調）等信息，青島地調考慮非可調資源的實時信息和計劃信息，結合電網安全約束、進行泛在可調資源的控制策略優化計算形成控制指令并下發執行，實現全網、區域或重載設備的削峰填谷，提升電網運行的經濟性，下面以設備過載調峰為例，闡述具體控制策略。

3.2.1 啟動條件

計算線路/變壓器繞組的負載率η，若η≥80%，啟動設備調峰。

3.2.2 控制目標

1）采取控制措施后，全網線路/變壓器的最大負載率η≤75%；

2）開啟附近控制綜合靈敏度較高的可控資源，降低重載最嚴重設備的負載率。

3.2.3 控制策略

計算控制措施對于降低重過載設備負載率的綜合靈敏度指標。

式中：Smn為控制措施m單位有功注入變化引起設備n有功變化量；Cm為措施m控制代價；Wn為設備n的重載程度。

結合靈控制策略優先級和靈敏度指標進行排序，形成控制措施節點隊列，采用啟發式方法，求出滿足各類約束的綜合優化調整方案，并對方案進行安全校核，若線路、變壓器的負載率滿足要求，則作為控制決策結果輸出。

4 系統案例

4.1 緩解輸變電設備重載

尖峰負荷時段，可查詢到負荷側上傳的實時調節空間，根據電網運行需求設置控制目標下發指令，削減尖峰負荷水平，2020 年8 月19 日青島全網最高負荷創歷史最高紀錄，全市負荷9 740 MW，北曲站重載，青島地調在全省地市公司范圍內首次利用負荷側資源進行電網調峰實踐，地區電網精益化源網荷柔性互動控制系統根據北曲站重載情況，決定對設備進行削峰工作，搜索周邊可控資源，計算控制靈敏度信息，優先選取青島公交長城路作為控制對象，當時其充電站功率為1 522.76 kW，下調空間1 300 kW，能夠在5 min 內削減1 300 kW 負荷，調控下令青島公交車站長城路充電站充電功率調整到222.76 kW，青島公交車站接到響應命令，充電功率逐步降低，5 min 后降低到225.65 kW，調整在偏差允許范圍內，緩解北曲站1 號主變壓器重載情況，確保電網安全穩定運行，相關做法得到大眾日報報道。

4.2 降低用戶電費支出

膠州上合示范區特銳德園區儲能裝置（容量2 000 kWh，峰值充電功率500 kW）充分利用峰谷電價政策節省電費支出。夜間負荷低谷與下午負荷平段充電，午間和傍晚負荷高峰時段放電為園區內金工車間供電，每日可為企業節省1 676 元電費支出，每月可累積節省5萬元，經濟效益十分突出。

圖6 青島公交車站控制效果展示

5 結語

在新型電力系統的構建過程中，傳統電力結構、發展模式、利益格局、技術特征等均面臨革命性變化，傳統的“源隨荷動”調度模式向“源網荷儲柔性互動”模式轉變發展方向，基于此設計考慮安全約束的地區電網精益化源網荷柔性互動控制系統。首先介紹了系統的3 層設計架構，其次闡述了海量可控資源的安全接入與聚合管理技術，創新建立了安全接入緩沖區、實現了海量可控資源聚合管理，設計了邊緣控制調控終端，提出了安全約束下考慮用戶感知的源網荷儲多元協調控制策略，落地到青島地調，通過該系統，實現了源網荷儲各環節運行態勢全景感知，基于電網全局優化的協調控制，提升了新能源柔性消納、負荷精準控制、源網荷儲多元協調精益控制能力，打造泛在調度控制模式，提升了調度精益化水平，保障電網安全穩定、經濟、優質運行。目前在地調層面只是進行了初步嘗試與探索，未來隨著更多綜合能源體、用戶側儲能負荷聚合商和柔性非工空調等可控資源的接入，將擁有更多的柔性調節資源參與電網協調控制，考慮安全約束的地區電網精益化源網荷柔性互動控制系統對于地區電網的源網荷柔性互動探索具有重要意義，系統設計理念超前、技術架構先進，具有代表性和典型性，是新型電力系統建設過程中的重要探索。