分布式能源信息接入關(guān)鍵技術(shù)研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 盧欣辰 林 莉 葉 華 陳 飛 董詩燾

隨著大規(guī)模的分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行，光伏、風(fēng)電等新能源的大力發(fā)展，減輕了傳統(tǒng)能源的使用比例，降低環(huán)境污染，但與此同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、監(jiān)控、管理帶來了較大的影響：目前，分布式電源信息化管控水平比例低，大規(guī)模的無序接入導(dǎo)致電網(wǎng)潮流反送、系統(tǒng)短路容量增大等問題[1]，同時(shí)分布式能源的柔性特性導(dǎo)致了地區(qū)性的高低電壓?jiǎn)栴}。

在電網(wǎng)調(diào)控方面，分布式電源存在數(shù)據(jù)量大、波動(dòng)性強(qiáng)、監(jiān)控難、管理難等不利特征，且涉及資產(chǎn)管理、利益分配等問題，電網(wǎng)現(xiàn)有的調(diào)控方法難以實(shí)現(xiàn)分布式電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效有序管控。此外，目前分布式電源不能配合進(jìn)行電網(wǎng)輔助調(diào)節(jié)，配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)高比例新能源并網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力也有限。因此，迫切需要在現(xiàn)有的調(diào)控體系下開展研究，建立全新的新型電力系統(tǒng)架構(gòu)，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能分布式新能源電網(wǎng)的良性發(fā)展。

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電作為在可再生能源中發(fā)展較快，世界各國都將其作為重要的發(fā)展方向[2]，目的是增加電力系統(tǒng)的電量，減輕對(duì)一次資源的消耗。新能源的接入主要分可離網(wǎng)蓄電、并網(wǎng)發(fā)電及兩者混合系統(tǒng)三類。隨著我國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)轉(zhuǎn)型，以“碳達(dá)標(biāo)、碳中和”為戰(zhàn)略目標(biāo)，建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為電網(wǎng)接下來的發(fā)展方向。面對(duì)分布式新能源、充電樁、儲(chǔ)能的設(shè)備的并網(wǎng)運(yùn)行，亟須對(duì)分布式能源進(jìn)行分類建模，并提升邊端智能化水平，依靠邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)完成數(shù)據(jù)治理，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量邊緣節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視，并且減輕云平臺(tái)及主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力。

電力市場(chǎng)化順序發(fā)展，海量分布式電源、充電樁并網(wǎng)運(yùn)行，在當(dāng)前現(xiàn)狀下急需對(duì)海量邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控，從而發(fā)揮分布式能源規(guī)?；?、市場(chǎng)化的優(yōu)勢(shì)。本文將從數(shù)據(jù)采集、安全加密傳輸、數(shù)據(jù)的匯集應(yīng)用等方面開展研究，解決分布式能源受環(huán)境、天氣等因素影響較大，充電樁等柔性負(fù)荷波動(dòng)較大等問題，便于提高海量分布式能源的接入效率，為基于邊緣節(jié)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)計(jì)算、預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 分布式新能源現(xiàn)狀研究

2021年6 月，國家能源局綜合司下發(fā)《關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案的通知》，在全國組織開展整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)工作。開展整縣屋頂分布式光伏建設(shè)，有利于整合資源實(shí)現(xiàn)集約開發(fā)，有利于消減電力尖峰負(fù)荷，有利于節(jié)約優(yōu)化配電網(wǎng)投資，有利于引導(dǎo)居民綠色能源消費(fèi)，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”與鄉(xiāng)村振興兩大國家戰(zhàn)略的重要措施。

近年來，我國分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅速。但分布式光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度和時(shí)間影響較大，導(dǎo)致發(fā)電功率日波動(dòng)性較大，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，嚴(yán)重影響了并網(wǎng)臺(tái)區(qū)及配電線路的穩(wěn)定性。隨著分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展，分布式光伏的建設(shè)面積會(huì)越來越大，涉及的配電網(wǎng)區(qū)域也越來越多，地區(qū)電壓?jiǎn)栴}激增。臺(tái)區(qū)的發(fā)電功率、臺(tái)區(qū)內(nèi)部消納能力的不同，導(dǎo)致部分臺(tái)區(qū)時(shí)而為負(fù)荷、時(shí)而為電源，對(duì)于配網(wǎng)線路的負(fù)荷管理、電壓的穩(wěn)定能力提出了較大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致臺(tái)區(qū)失電，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量與供電可靠性[3]。

分布式新能源主要包括風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源，表現(xiàn)出特征主要為數(shù)量多、受環(huán)境影響較大難以穩(wěn)定出力、環(huán)保、裝機(jī)容量較小且較為簡(jiǎn)單由此引發(fā)的故障影響相較于傳統(tǒng)能源較小。因此，建立穩(wěn)定的分布式能源可觀、可調(diào)、可控的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)分布式能源的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)監(jiān)視、智能運(yùn)維，取長(zhǎng)補(bǔ)短發(fā)揮分布式新能源的優(yōu)勢(shì)，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)及“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)助力，成為大勢(shì)所趨。

2 分布式新能源技術(shù)研究

2.1 分布式新能源建模技術(shù)研究

分布式新能源雖然數(shù)量眾多，但由于其裝機(jī)容量小的特征，設(shè)計(jì)及建設(shè)都相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于分布式能源依據(jù)臺(tái)區(qū)并網(wǎng)進(jìn)行建模，即可進(jìn)行分類的管理。綜合分析不同類型邊緣節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求，統(tǒng)籌考慮不同需求對(duì)信息交互的共性和差異性，探索分布式能源的建模方案。依據(jù)新能源的特征可分為如下幾類。

柔性負(fù)荷。對(duì)于臺(tái)區(qū)內(nèi)部無論裝機(jī)容量的大小，新能源出力均被臺(tái)區(qū)內(nèi)部正常用電、儲(chǔ)能、充電樁等就地消納，由于本地消耗明顯大于新能源出力，臺(tái)區(qū)內(nèi)部還需要部分電網(wǎng)的配電，所以可以將此類分布式能源定義為柔性負(fù)荷，可視為傳統(tǒng)配電網(wǎng)用戶。

相對(duì)穩(wěn)定電源。臺(tái)區(qū)內(nèi)部不存在用電設(shè)備，將新能源出力全部并網(wǎng)運(yùn)行，作為電源點(diǎn)接入配電線路，供配電線路其他區(qū)域用戶進(jìn)行電能的消納，所以將此類分布式能源定義為相對(duì)穩(wěn)定電源，可視為全通的電源點(diǎn)。

柔性電源。臺(tái)區(qū)內(nèi)部會(huì)完成新能源的部分消納、余量上網(wǎng)，但臺(tái)區(qū)內(nèi)部難以完成新能源的全部消納，接入電網(wǎng)后表現(xiàn)為出力不穩(wěn)定的電源，且不同時(shí)段的波動(dòng)較大，難以監(jiān)控，所以此類分布式能源定義為柔性電源。

不穩(wěn)定電源及負(fù)荷。臺(tái)區(qū)內(nèi)部不同時(shí)段可以完成分布式能源的部分或者全部消納，此類新能源并網(wǎng)點(diǎn)表現(xiàn)出時(shí)而電源、時(shí)而負(fù)荷，所以將此類分布式能源定義為不穩(wěn)定電源及負(fù)荷，此類新能源對(duì)電網(wǎng)沖擊最大、對(duì)于邊緣計(jì)算的需求也最迫切。

針對(duì)不同類型的分布式能源進(jìn)行分類管理，減輕邊緣端數(shù)據(jù)采集需求，對(duì)于柔性負(fù)荷只需采集并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)荷電流，對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定電源及柔性電源只需要采集并網(wǎng)點(diǎn)及功率數(shù)據(jù)，對(duì)于不穩(wěn)定電源及負(fù)荷，需要采集逆變器、并網(wǎng)點(diǎn)所有電氣量進(jìn)行綜合分析，支撐負(fù)荷預(yù)測(cè)、出力預(yù)測(cè)等應(yīng)用建設(shè)。

對(duì)于更細(xì)分建模方式按照分布式光伏設(shè)備和功能分類，模型包括運(yùn)行監(jiān)控模型、并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)模型、升壓變壓器模型、逆變器模型等部分。通過對(duì)量測(cè)、告警信號(hào)、控制、本體參數(shù)分別建立對(duì)應(yīng)的模型，既可實(shí)現(xiàn)新能源的獨(dú)立建模，并依托模型的建立支撐數(shù)據(jù)采集、并網(wǎng)驗(yàn)收、數(shù)據(jù)監(jiān)視等高級(jí)應(yīng)用建設(shè)。

2.2 分布式能源數(shù)據(jù)采集及上送技術(shù)研究

基于邊緣計(jì)算常用的通信協(xié)議和通信方式，通過邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)就地集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源產(chǎn)生的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。采用國密加密技術(shù)的分布式邊緣計(jì)算裝置通信數(shù)據(jù)加密方案，對(duì)電壓、電流、頻率、有功無功等電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，邊緣計(jì)算終端及邊緣計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)的本地分析解析，通過適配電網(wǎng)內(nèi)部的采集點(diǎn)配置規(guī)約及指令將分布式能源數(shù)據(jù)上送至主站端系統(tǒng)。通過加密盒、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的支撐實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)加密數(shù)據(jù)上送，并依托于安全分區(qū)隔離裝置、104報(bào)文方式實(shí)現(xiàn)從邊緣節(jié)點(diǎn)—邊緣采集終端—加密裝置—電網(wǎng)安全分區(qū)隔離裝置—主站系統(tǒng)的全鏈路穩(wěn)定安全的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 分布式能源監(jiān)視技術(shù)研究

依托分布式能源細(xì)分建模，對(duì)分布式能源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，針對(duì)各類模型需進(jìn)行如下監(jiān)視。運(yùn)行情況監(jiān)視：并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)遠(yuǎn)方/就地、光伏限功率調(diào)節(jié)使能、光伏調(diào)試狀態(tài)、光伏故障/告警狀態(tài)、光伏緊急停機(jī)狀態(tài)、光伏運(yùn)行狀態(tài)、光伏停機(jī)狀態(tài)、光伏限功率運(yùn)行狀態(tài)、光伏總發(fā)電量、光伏日發(fā)電量、光伏年發(fā)電量、通信故障告警設(shè)備、故障告警需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視；并網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)視：并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)遠(yuǎn)方/就地、并網(wǎng)點(diǎn)基礎(chǔ)量測(cè)（有功、無功、分相電流、分相電壓、功率因數(shù)、頻率）、并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)本體/操作機(jī)構(gòu)故障、并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)保護(hù)動(dòng)作。

升壓變壓器監(jiān)視：高壓側(cè)及低壓側(cè)有功、無功、功率因數(shù)、三相電流、開關(guān)狀態(tài)、隔離刀閘位置、接地刀閘位置、零序電壓告警。

逆變器監(jiān)視：運(yùn)行狀態(tài)、輸入輸出狀態(tài)功率、基礎(chǔ)電氣量、并網(wǎng)狀態(tài)、過壓欠壓告警、故障告警等。

2.4 分布式能源遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)研究

針對(duì)大規(guī)模分布式能源廠站運(yùn)維管理的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，基于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)。具體包括：基于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建設(shè)遠(yuǎn)程運(yùn)維駕駛艙，具備以下功能：多源、復(fù)雜和多樣化的數(shù)據(jù)整合管理；海量分布式能源數(shù)據(jù)索引查詢；通過對(duì)海量分布式能源數(shù)據(jù)分析，提供異常告警及處理決策，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維任務(wù)自動(dòng)受理并執(zhí)行、邊緣計(jì)算終端的遠(yuǎn)程控制。

多源數(shù)據(jù)融合?；诜植际侥茉床杉夹g(shù)完成在主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集，開展基于配電網(wǎng)模型、并網(wǎng)點(diǎn)模型、逆變器模型的多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與分布式能源數(shù)據(jù)的拼接，最終借助主網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型貫通，支撐全數(shù)據(jù)模型業(yè)務(wù)場(chǎng)景建設(shè)。

海量數(shù)據(jù)索引技術(shù)及分析。通過數(shù)據(jù)模型，建立海量數(shù)據(jù)索引，通過數(shù)據(jù)特征辨識(shí)點(diǎn)，快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，并分析多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系完成數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)分布式能源運(yùn)行問題。

分布式能源智能處理決策分析。依托分布式能源模型、量測(cè)數(shù)據(jù)開展分析，根據(jù)臺(tái)區(qū)特征，進(jìn)行合理的智能決策方案生成，通過遠(yuǎn)程有功、無功調(diào)節(jié)及啟停，實(shí)現(xiàn)在主站對(duì)分布式能源的遠(yuǎn)程運(yùn)維。

邊緣計(jì)算終端的遠(yuǎn)程控制。通過主站系統(tǒng)完成對(duì)邊緣計(jì)算終端的模型下發(fā)，通過文件及TCP的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令下發(fā)，其中包括：遠(yuǎn)程啟停、應(yīng)用的下發(fā)安裝、應(yīng)用卸載刪除、SSH連接及命令的執(zhí)行等，從而實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算終端對(duì)分布式能源采集、控制遠(yuǎn)程運(yùn)維。

2.5 分布式能源信息接入關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用

建立以分布式能源—邊緣計(jì)算終端—主站平臺(tái)—云平臺(tái)的四級(jí)架構(gòu)，通過安全加密的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析及遠(yuǎn)程運(yùn)維。

制定分布式新能源、邊緣計(jì)算終端進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模規(guī)范，制定分布式能源數(shù)據(jù)交互規(guī)范，開展主站平臺(tái)、云平臺(tái)與邊緣計(jì)算終端的交互模型研究，依托傳統(tǒng)的104規(guī)約實(shí)現(xiàn)不同分布式能源的并網(wǎng)運(yùn)行及模型下發(fā)。

研制分布式能源計(jì)算終端，研究數(shù)據(jù)采集及上送技術(shù)及邊緣計(jì)算技術(shù)，制定分布式新能源并網(wǎng)數(shù)據(jù)采集方案及采集范圍遠(yuǎn)程配置方案，實(shí)現(xiàn)分布式能源數(shù)據(jù)并網(wǎng)自動(dòng)采集及自主分析，大大減少現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維時(shí)間。分布式能源計(jì)算終端作為配電物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)地，與下層的端設(shè)備連接，將端設(shè)備的采集信息進(jìn)行初步處理與篩選后上傳至主站平臺(tái)及云平臺(tái)，上傳至云主站的數(shù)據(jù)可分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流和管理數(shù)據(jù)流。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流主要為邊緣網(wǎng)關(guān)遙信、遙測(cè)、統(tǒng)計(jì)、告警等業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。研究主站系統(tǒng)及云端系統(tǒng)對(duì)分布式能源的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)，建立遠(yuǎn)程運(yùn)維模型，滿足云端系統(tǒng)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的可調(diào)、可控。

圖1 分布式能源信息接入關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用圖

3 結(jié)語

在“雙碳”目標(biāo)、新型電力系統(tǒng)建設(shè)的大背景下，電網(wǎng)逐步向清潔、電源分布式形式發(fā)展，相關(guān)的規(guī)章制度、分布式臺(tái)區(qū)逐步建立起來，新能源的就地消納、就地平衡、預(yù)測(cè)成為核心發(fā)展方向，本文從分布式能源建模、采集上送、數(shù)據(jù)分析監(jiān)視、遠(yuǎn)程運(yùn)維等多個(gè)角度開展研究，在邊緣節(jié)點(diǎn)、邊緣集群、云平臺(tái)三級(jí)調(diào)管的基礎(chǔ)背景下，有效支撐分布式能源智能監(jiān)控、智能運(yùn)維，減輕分布式能源并網(wǎng)海量的數(shù)據(jù)沖擊，推動(dòng)新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。