新型電力負荷管理系統(tǒng)的關鍵技術與發(fā)展

四川中電啟明星信息技術有限公司 陳啟元 張 強 歐 淵 左發(fā)先 邱星潼

雙碳戰(zhàn)略下，能源的低碳綠色轉型已經成為我國推行綠色發(fā)展的一大重點話題。在此背景下，新能源發(fā)電占比持續(xù)提升，對于整個電力系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性要求不斷提高。為有效解決電力供需暴露出的矛盾問題，加強對構建新型電力系統(tǒng)的支持，《關于推進新型電力負荷管理系統(tǒng)建設工作的意見（2022年）》明確指出，要加快推進我國新型電力負荷管理系統(tǒng)的建設，推廣應用智慧能源單元。但新型電力負荷管理系統(tǒng)在建設過程中面臨著組網(wǎng)調控回路不充分，靈活性不足；終端硬件單元智能化程度不足；不同場景下電力負荷管理系統(tǒng)調控的經濟性與適應性不足等諸多問題[1]?；诖耍瑸閷崿F(xiàn)電力系統(tǒng)廣域資源快速響應能力的提升，有必要構建新型電力負荷管理系統(tǒng)，保證系統(tǒng)具有分級調節(jié)、精準調控的功能。由此針對新型電力負荷管理系統(tǒng)構建過程中應用的關鍵技術展開研究具有重要意義。

1 新型電力負荷管理系統(tǒng)及功能

1.1 新型電力負荷管理系統(tǒng)架構

為更好地適應新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，在堅持需求響應優(yōu)先的基礎上，確保充分利用需求側資源對圖1所示的新型電力負荷管理系統(tǒng)進行構建。該系統(tǒng)依托計算機技術、自動化控制技術、智能通信技術等，以實現(xiàn)對電力負荷數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析處理，基于動態(tài)聚合提高電力負荷資源調控的靈活性。而構建的新型電力負荷管理系統(tǒng)則能在負荷管理過程中，提高用戶的參與程度，在保證供電質量的前提下，進一步提高對電力負荷資源的利用程度，促進資源的最大化利用，促進“雙碳”目標的實現(xiàn)。

圖1 新型電力負荷管理系統(tǒng)

新型電力負荷管理系統(tǒng)中，由數(shù)據(jù)采集模塊收集終端負荷信息，再將負荷信息數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行轉換，并存儲在應用數(shù)據(jù)庫來提高負荷管理的安全性。同時，電費管理、防竊電，以及電能質量監(jiān)測系統(tǒng)憑借數(shù)據(jù)訪問接口即可實現(xiàn)電壓監(jiān)測、電費管理、功率查詢等功能。此外，新型電力負荷管理系統(tǒng)還通過對大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進技術的應用，實現(xiàn)對負荷數(shù)據(jù)的深入分析，為負荷資源調控策略的靈活制定提供有力支持。

1.2 新型電力負荷管理系統(tǒng)功能

新型電力負荷管理系統(tǒng)主要具備以下功能。

第一，電力營銷管理。系統(tǒng)憑借遠程自動抄表功能實時采集、存儲、傳輸用戶用電數(shù)據(jù)，可以在第一時間發(fā)送欠費和繳費通知。由于新型電力負荷管理系統(tǒng)包含眾多分布式負荷資源，且在地理層面上表現(xiàn)出較高的分散程度。因此，可以借助區(qū)塊鏈和智能合約技術完善電力營銷管理，以解決傳統(tǒng)營銷交易周期長、響應緩慢、虛假交易等問題，進而為電網(wǎng)系統(tǒng)和用電用戶提供安全保障，進一步提高新型電力負荷管理系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及效率性。

第二，數(shù)據(jù)監(jiān)測。系統(tǒng)具備實時監(jiān)測功能，通過對各時段用電數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析，繪制負荷曲線，生成電能質量報告，便于后續(xù)負荷預測工作的開展。同時系統(tǒng)還具有防竊電功能，可通過用電異常數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對竊電行為的有效監(jiān)測，無論是效率還是準確性均得到顯著提高，有利于有序用電。

第三，負荷調控。負荷調控是新型電力負荷管理系統(tǒng)的核心功能，系統(tǒng)依據(jù)預測得到的用電計劃結果，靈活、科學地制定用電負荷調控策略，以通過對電力負荷資源的動態(tài)聚合，實現(xiàn)對資源的精細化調控，從而促進負荷資源利用率的提升。

2 新型電力負荷管理系統(tǒng)關鍵技術分析

2.1 多模態(tài)靈活組網(wǎng)技術

新型電力負荷管理系統(tǒng)需要綜合考慮不同業(yè)務場景下電網(wǎng)側及需求側之間的互動需求，根據(jù)各類終端接入方法及流量需求對網(wǎng)絡拓撲結構進行差異化設計。同時也需要對網(wǎng)絡結構升級和業(yè)務發(fā)展過程中暴露的均衡性、安全性等問題進行考量，對傳統(tǒng)電力負荷管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲予以改造，重構網(wǎng)絡連接邏輯關系，以此實現(xiàn)新型電力負荷管理系統(tǒng)的承載性能。

新型電力負荷管理系統(tǒng)本地通信方面，基于RS-485協(xié)議，利用遠距離無線電、高速電力線載波通信等技術，實現(xiàn)用戶負荷資源在智慧能源單元中的接入，并依照業(yè)務類型差異，對管理大區(qū)進行適應性選擇。不同類型業(yè)務需求差異，合理選擇管理大區(qū)接入。通常情況下，遠程通信的調控類負荷業(yè)務主要采取無線專網(wǎng)、光纖專網(wǎng)或5G 硬切片等方式接入。針對重點用戶或高要求的調控負荷，需建立備用的通信冗余通道，以確保系統(tǒng)的多回路控制具備冗余性。對于監(jiān)測類負荷，系統(tǒng)接入通常依賴于無線專網(wǎng)。當前，新型電力負荷管理系統(tǒng)在不同的接入控制模式下，面臨負荷流量特征不明確的挑戰(zhàn)，要求建立物理和數(shù)據(jù)兩種模型。在通信網(wǎng)絡資源配置方面，建議采用“主站—終端—控制回路”的層級式拓撲結構，根據(jù)業(yè)務的實時傳輸需求，制定動態(tài)的網(wǎng)絡資源配置策略，以快速響應負荷調控業(yè)務，確保電力負荷管理系統(tǒng)在各種場景下的安全性、可靠性，保證負載均衡[2]。此外，針對虛擬用電權交易或P2P 分布式交易等業(yè)務，需要重新構建負荷控制層次之間的拓撲關系，并采用圖2所示的自適應調優(yōu)的動態(tài)組網(wǎng)方式。在用戶側，各類需求側資源組網(wǎng)可采用RS-485或無線傳感網(wǎng)等本地通信技術，以連接路由控制節(jié)點和末端控制設備，實現(xiàn)二者之間的有效通信。對于不同區(qū)域或級別的聚合系統(tǒng)，通過直聯(lián)鏈路實現(xiàn)遠程通信，并依照業(yè)務的邏輯關系調整聚合層級，從而提高新型電力負荷管理系統(tǒng)的調控靈活性。

圖2 新型電力負荷管理系統(tǒng)多模態(tài)組網(wǎng)

2.2 實時控制仿真推演技術

新型電力負荷管理系統(tǒng)應用實時控制仿真推演技術，基于多模態(tài)數(shù)據(jù)感知提取電力負荷狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對負荷調節(jié)態(tài)勢和發(fā)展規(guī)律的分析?？紤]限制條件下，對高并發(fā)實時控制場景中新型電力負荷管理系統(tǒng)因通信節(jié)點資源和鏈路資源不足造成的網(wǎng)絡阻塞情況進行精準識別，并構建業(yè)務專用的半實物仿真內核，開展實時控制仿真推演，進一步提高對需求側調節(jié)資源響應能力的精準程度。

基于此，利用多模態(tài)數(shù)據(jù)感知及融合技術，對不同負荷組態(tài)和運行模式下的系統(tǒng)仿真量測特征參數(shù)進行提取，優(yōu)化仿真新信號的流轉方式，基于系統(tǒng)網(wǎng)絡架構和分層協(xié)議棧建模進行仿真映射的模擬，對新型電力負荷管理系統(tǒng)組網(wǎng)的半實物實時仿真內核予以構建。應用實時控制仿真推演技術能夠在數(shù)據(jù)驅動下，結合物理建模方式對新型電力負荷管理系統(tǒng)的實時推演模型進行構建，推演中充分考慮不同電網(wǎng)應用場景，捕獲系統(tǒng)實時態(tài)勢數(shù)據(jù)和相關指標建立知識庫。對于業(yè)務實時推演場景的動態(tài)生成而言，應依照動態(tài)實例對系統(tǒng)多實體仿真模型進行修正，匹配實時態(tài)勢特征數(shù)據(jù)與實體模型，搭建二者之間的聯(lián)結。為充分發(fā)揮出實時控制仿真推演技術的作用，借助多分支模擬的方式對外部輸入的環(huán)境測量數(shù)據(jù)、推演計算二次指標、用電負荷曲線進行綜合計算。同時，針對重點應用場景或重點用戶的仿真推演而言，需要對電力負荷多種互動場景中存在的潛在分支畸形充分考慮，從而為主站制定決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。此外，新型電力負荷管理系統(tǒng)的實時控制仿真推演還需要在仿真?zhèn)群蛯嵨飩鹊墓?jié)點之間對控制指令和閉環(huán)反饋機制進行完善地構建，并在仿真?zhèn)群蛯嵨飩戎g信息交互感知的基礎上，對實時控制推演的結果進行分析，以此實現(xiàn)對新型電力負荷管理系統(tǒng)控制策略的動態(tài)、靈活調控[3]。

2.3 5G 通信技術

相較于傳統(tǒng)通信技術，5G 通信技術具有更高的速率、更大的容量、更低的時延以及更小的功耗，這使其成為新型電力負荷管理系統(tǒng)理想中的通信技術應用，能夠使系統(tǒng)靈活調控海量的負荷資源。鑒于新型電力負荷管理系統(tǒng)需對接多種業(yè)務類型，如負荷預測、資源調控、智能抄表、需求側管理等，不同業(yè)務在通信方面的需求各不相同。因此，引入5G 網(wǎng)絡切片技術，按業(yè)務需求劃分多個虛擬通信網(wǎng)絡，以提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。虛擬網(wǎng)絡在邏輯上相互獨立，專門服務于特定的業(yè)務場景，且某一網(wǎng)絡切片的故障不會影響其他業(yè)務通信。此外，基于5G 通信，可以開發(fā)輕量化通信終端，由國網(wǎng)信通產業(yè)集團自主研發(fā)，旨在降低設備的功耗和成本。輕量化通信終端通過減少傳輸帶寬、天線數(shù)量，以及簡化調制階數(shù)等措施，繼承了5G 通信的高連接性和低時延特性，不僅能夠有效支持支持電力行業(yè)中的5G 應用，還為其在電力行業(yè)的規(guī)?；透哔|量部署奠定了堅實基礎。現(xiàn)場應用結果表明，在滿足業(yè)務低時延、高可靠性通信需求的前提下，5G 輕量化通信終端功耗與替換升級前相比降低了50%。應用5G 輕量化通信終端后，用電負荷數(shù)據(jù)采集成功率達100%，響應時間級別由分鐘級提升為毫秒級，有助于全面提升負荷精細化管理水平。

3 新型電力負荷管理系統(tǒng)的發(fā)展

在“雙碳”目標的持續(xù)推進下，新型電力負荷管理系統(tǒng)面臨著負荷結構多元化、負荷資源特性復雜化、業(yè)務互動深入化等諸多挑戰(zhàn)，使新型電力負荷管理系統(tǒng)暴露出網(wǎng)絡資源受限、待處理數(shù)據(jù)爆炸式增長、安全性有待提高等問題?；诖?，“雙碳”目標下新型電力負荷管理系統(tǒng)的發(fā)展應從以下幾個方面入手。

第一，正確認識新型電力負荷管理系統(tǒng)發(fā)揮的重要意義。加快推進新型電力負荷管理系統(tǒng)建設，相關部門應對新型電力負荷管理系統(tǒng)的標準體系進行構建研究，并執(zhí)行相應的支撐政策，進一步完善系統(tǒng)相關標準，從而提出基本的政策和技術支持。同時還要積極引導用戶響應新型電力負荷管理中的需求，以此保證電力保供的安全底線。

第二，全力做好市場化需求響應能力建設。積極發(fā)動用戶和發(fā)電廠協(xié)同參與電力調節(jié)。使用戶主動對近期生產計劃進行優(yōu)化處理，盡可能錯開高峰時段用電，從而在保證用戶效益的同時，盡量緩解供電壓力，以此形成雙贏局面。

第三，加強電力負荷管理工作各部門的協(xié)調配合，全力推進新型電力負荷管理系統(tǒng)建設。確保各部門之間緊密合作，形成全面布置，共同推進的新型電力負荷管理系統(tǒng)建設局面，保障電力安全穩(wěn)定。

4 結語

在新能源發(fā)電占比持續(xù)提高的背景下，源、荷兩側隨機性致使電網(wǎng)供需平衡面臨較大壓力，成本不斷提升。構建新型電力負荷管理系統(tǒng)有助于強化電力系統(tǒng)的靈活性，提高“源—網(wǎng)—荷”之間的互動能力，推進新能源消納，實現(xiàn)對能源消費和碳排放的高效管理。由此，在介紹新型電力負荷管理系統(tǒng)及其功能的基礎上，深度分析新型電力負荷管理系統(tǒng)構建過程中應用的關鍵技術，為我國新型電力負荷管理系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供參考。