基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法

肖飛, 陸正嘉, 吳佳偉

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司,上海 200122; 2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司,上海 200072)

0 引言

在分布式能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)后,通過虛擬電廠實(shí)現(xiàn)了各類發(fā)電、儲(chǔ)能資源的整合和源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)[1],但虛擬電廠應(yīng)用增多造成了電力通信資源的不足[2-3],因此,亟須通過虛擬電廠通信資源調(diào)度,解決虛擬電廠通信資源匱乏的問題。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)虛擬電廠通信資源調(diào)度做了大量研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的電力無線通信資源調(diào)度方法,通過節(jié)點(diǎn)密度矩陣和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信資源調(diào)度分配。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于AVG的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法,通過配置通信資源的權(quán)重對(duì)通信資源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)度。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于遺傳算法的電力線通信資源調(diào)度方法,配置通信速率和約束條件后,通過交叉概率和變異概率調(diào)整調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)電力線通信資源的最優(yōu)調(diào)度。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信資源調(diào)度方法,通過公平比例算法中配置異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量,從而提高通信資源的利用率。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于四維網(wǎng)絡(luò)的新能源虛擬電廠調(diào)度資源,采用正交頻分復(fù)用的方式進(jìn)行通信資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度。由此可見,虛擬電廠通信資源調(diào)度方法多樣,且取得了一定的成績(jī),但是分布式能源大規(guī)模接入后,上述研究方法中仍存在通信資源分配不足的問題。

為了解決分布式能源數(shù)量多、分布散造成的虛擬電廠通信資源分配困難的問題,本文提出一種基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法。通過建立分布式資源的聚合模型,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的資源優(yōu)化管理,再按聚合體屬性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片劃分,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)成本最低的虛擬電廠通信資源調(diào)度。

1 虛擬電廠通信資源調(diào)度框架

基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法框架主要包括虛擬電廠資源聚合、通信切片網(wǎng)絡(luò)劃分、虛擬電廠價(jià)值分析、虛擬電廠通信資源調(diào)度等4部分,架構(gòu)如圖1所示。

在虛擬電廠資源聚合環(huán)節(jié),首先進(jìn)行分布式光伏、風(fēng)電等發(fā)電資源的聚合,然后進(jìn)行分布式儲(chǔ)能資源的聚合,最后進(jìn)行空調(diào)、電梯等分布式負(fù)荷資源的聚合。在通信切片網(wǎng)絡(luò)劃分環(huán)節(jié),按照分布式能源聚合體的屬性,進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)切片劃分。在虛擬電廠價(jià)值分析環(huán)節(jié),首先進(jìn)行分布式能源價(jià)值分析,然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全校驗(yàn)分析,最后進(jìn)行虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本分析。在虛擬電廠通信資源調(diào)度環(huán)節(jié),以虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本最低和通信資源最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行虛擬電廠通信資源調(diào)度。

2 虛擬電廠通信資源調(diào)度模型

2.1 虛擬電廠資源聚合

虛擬電廠資源聚合主要實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源的聚合[9]。

在分布式發(fā)電資源聚合方面,因?yàn)榉植际焦夥暇W(wǎng)容量小、發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng),所以采用發(fā)電資源聚合體將各類發(fā)電資源進(jìn)行整合,形成整體的發(fā)電資源控制體[10]。在儲(chǔ)能資源聚合方面,為解決儲(chǔ)能質(zhì)量數(shù)量多、位置分散、調(diào)度控制難的問題,將各類儲(chǔ)能資源進(jìn)行整合,形成整體的儲(chǔ)能控制體。在可控負(fù)荷資源聚合方面,因單個(gè)負(fù)荷的容量比較小,且負(fù)荷資源數(shù)量比較多、用電的隨機(jī)性比較強(qiáng)[11],所以采用可控負(fù)荷資源聚合體,將可調(diào)控的各類負(fù)荷資源進(jìn)行整合,形成邏輯控制體,以便進(jìn)行整體調(diào)控。

設(shè)分布式發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源的數(shù)量為na、nb、nc,資源分別用l、s、p表示,則資源聚合體Ka為

(1)

式中,i為不同的分布式發(fā)電資源,j為不同的儲(chǔ)能資源,k為不同的可控負(fù)荷資源。

2.2 通信切片網(wǎng)絡(luò)劃分

虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在同一個(gè)電力通信基礎(chǔ)設(shè)施上為分布式光伏發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分[12],提供定制的、專用的虛擬通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片可以按照光伏發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源進(jìn)行定制配合和實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng),優(yōu)化數(shù)據(jù)流程及路由方式。同時(shí),在網(wǎng)絡(luò)切片周期完成后,可以釋放資源給其他的虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò),提高虛擬電廠通信資源利用效率。在安全方面,實(shí)現(xiàn)了分布式光伏發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源的網(wǎng)絡(luò)隔離,確保數(shù)據(jù)通信的安全可靠。

在通信切片網(wǎng)絡(luò)劃分環(huán)節(jié),按照分布式能源聚合體的屬性,進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)切片劃分。設(shè)虛擬電廠分布式發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源整系數(shù)分別為δ、φ、θ,資源聚合分別為Kb、Kc、Kd,切片資源劃分為

(2)

進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整后,網(wǎng)絡(luò)切片資源劃分為

(3)

2.3 虛擬電廠價(jià)值分析

虛擬電廠的分布式能源價(jià)值分析主要通過分布式能源的源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)分析,獲得分布式能源的最優(yōu)配置。設(shè)光伏發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源的價(jià)值成本分別為Ca、Cb、Cc,最優(yōu)的虛擬電廠的分布式能源價(jià)值為

Fhe=min(Ca+Cb+Cc)

(4)

在分布式能源最優(yōu)配置下,設(shè)光伏發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷資源網(wǎng)絡(luò)安全切片校驗(yàn)的資源分別為Cd、Ce、Cf,網(wǎng)絡(luò)安全校驗(yàn)成本為

Fhg=min(Cd+Ce+Cf)

(5)

最后進(jìn)行虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算:

Fxl=hod(Fhe+Fhg)

(6)

2.4 虛擬電廠通信資源調(diào)度

本文以虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本最低為目標(biāo)進(jìn)行虛擬電廠通信資源調(diào)度架構(gòu),架構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬電廠通信資源調(diào)度控制圖

由圖2可見,虛擬電廠通信資源調(diào)度模型中,以虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本最低和通信資源最優(yōu)為目標(biāo),對(duì)發(fā)電、儲(chǔ)能和可控負(fù)荷的通信資源進(jìn)行調(diào)控,控制主要包括網(wǎng)絡(luò)切片的劃分、切片的釋放和切片的優(yōu)化。

3 虛擬電廠通信資源調(diào)度仿真流程

本文基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法仿真流程如圖3所示。

圖3 虛擬電廠通信資源調(diào)度方法仿真流程圖

4 算例分析

為驗(yàn)證本文所提基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法的有效性,在某區(qū)域的虛擬電廠中應(yīng)用本文所提方法。允許的服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server,處理器為至強(qiáng)16核3.2 G,內(nèi)存為64 GB。仿真軟件采用MATLAB中的GARCH工具箱建立。

在仿真過程中,首先在MATLAB中搭建虛擬電廠資源聚合、通信切片網(wǎng)絡(luò)劃分、虛擬電廠價(jià)值分析和虛擬電廠通信資源調(diào)度模型,然后輸入驗(yàn)證樣本數(shù)據(jù),其中分布式發(fā)電資源的光伏數(shù)量為1058個(gè),儲(chǔ)能資源為367個(gè),可控負(fù)荷資源為2975個(gè),對(duì)本文所提模型進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 虛擬電廠通信資源利用效率

虛擬電廠在規(guī)劃之初基于分布式能源接入的最大預(yù)估值建設(shè)通信資源;而分布式能源占用通信資源的時(shí)段、帶寬不一致,導(dǎo)致虛擬電廠通信資源利用率不高,投資成本浪費(fèi)。在虛擬電廠運(yùn)行后,隨著分布式能源接入數(shù)量的增加,造成部分虛擬電廠通信資源分配不足。因此,根據(jù)中國(guó)電力行業(yè)協(xié)會(huì)頒布的典型虛擬電廠評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的虛擬電廠通信資源利用效率評(píng)估指標(biāo),可有效分析虛擬電廠通信資源的運(yùn)營(yíng)水平,為優(yōu)化虛擬電廠通信資源提供支撐。

虛擬電廠通信資源利用效率的目的是驗(yàn)證虛擬電廠各類通信資源的利用水平[13-14],該指標(biāo)的計(jì)算方式為通信資源占用率占總體通信資源的比例,取值范圍為0～100%,數(shù)字越大則說明資源利用效率越好。

選擇本文分布式光伏發(fā)電資源1000個(gè),儲(chǔ)能資源350個(gè),可控負(fù)荷資源2900個(gè),將本文方法與業(yè)界廣泛使用的強(qiáng)化定向?qū)W習(xí)虛擬電廠通信資源調(diào)度方法進(jìn)行對(duì)比,比較時(shí)段設(shè)置為1 h/次,共6次,比較結(jié)果如表1所示。

表1 虛擬電廠通信資源利用效率表

由表1可見,本文所提的基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法在通信資源利用效率上高于強(qiáng)化定向?qū)W習(xí)方法。

4.2 虛擬電廠能源資源使用曲線

虛擬電廠能源資源使用曲線是指虛擬電廠內(nèi)部的光伏發(fā)電功率、可調(diào)負(fù)荷功率、儲(chǔ)能充電功率的變化情況。在虛擬電廠通信資源不足的情況下,會(huì)產(chǎn)生虛擬電廠的各類設(shè)備控制不及時(shí),導(dǎo)致光伏、可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能充電等設(shè)備運(yùn)行效率不能達(dá)到最佳。若虛擬電廠通信資源調(diào)控合理,則虛擬電廠的各類設(shè)備控制及時(shí),能使虛擬電廠的光伏、可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能充電等設(shè)備達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行效率。因此,參考中國(guó)電力行業(yè)協(xié)會(huì)頒布的典型虛擬電廠評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的虛擬電廠通信資源監(jiān)測(cè)指標(biāo),將虛擬電廠能源資源使用曲線作為虛擬電廠通信資源調(diào)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

虛擬電廠能源資源使用曲線的目的是評(píng)估通信資源調(diào)度后對(duì)虛擬電廠發(fā)電功率的影響,該曲線能充分消納光伏發(fā)電、最佳使用儲(chǔ)能和可調(diào)控負(fù)荷數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)最優(yōu)互動(dòng)。

使用本文所提基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法在某區(qū)域的虛擬電廠進(jìn)行調(diào)度。虛擬電廠能源資源使用曲線如圖3所示。

由圖4可見,每天96點(diǎn)的曲線中:分布式光伏發(fā)電在早上7點(diǎn)至下午7點(diǎn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)了最佳消納;分布式儲(chǔ)能在晚上23點(diǎn)至第二日早上7點(diǎn)的電價(jià)低谷時(shí)期進(jìn)行了充電,在電價(jià)高峰期進(jìn)行了放電。可調(diào)控負(fù)荷功率在負(fù)荷高峰期進(jìn)行了調(diào)整限制,經(jīng)過源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)后,實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠分布式儲(chǔ)能資源的最優(yōu)利用。

圖4 虛擬電廠能源資源使用曲線圖

4.3 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本降低

為驗(yàn)證本文所提基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法的運(yùn)營(yíng)成本情況,將本文所提方法與業(yè)界廣泛使用的強(qiáng)化定向?qū)W習(xí)虛擬電廠通信資源調(diào)度方法進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比的時(shí)間為5 d,對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比表

由表2可見,本文所提方法運(yùn)營(yíng)5 d的平均成本為83萬(wàn)元,較強(qiáng)化定向?qū)W習(xí)低了14.25%,因此本文所提方法在運(yùn)營(yíng)成本方面低于強(qiáng)化定向?qū)W習(xí)方法。

5 總結(jié)

為解決分布式能源數(shù)量多、分布散造成的虛擬電廠通信資源分配困難的問題,本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬電廠通信資源調(diào)度方法。該方法在對(duì)布式發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源和可控負(fù)荷進(jìn)行聚合的基礎(chǔ)上形成資源整合的可控資源池。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)切片劃分,并以虛擬電廠運(yùn)營(yíng)成本最低為目標(biāo),進(jìn)行虛擬電廠通信資源調(diào)度。最后,本文所提方法在某虛擬電廠的應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。