網(wǎng)荷互動用戶可中斷負(fù)荷選擇與恢復(fù)策略研究

仇晨光， 程錦閩， 李新家，熊 政， 李 平

( 1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024;2. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

為全面落實(shí)國家全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，全力支撐全球能源互聯(lián)網(wǎng)落地江蘇，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司自主創(chuàng)新，建設(shè)大受端省級泛在智能電網(wǎng)，其核心內(nèi)容就是大規(guī)模源網(wǎng)荷互動體系的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建設(shè)。

大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)通過快速精準(zhǔn)控制客戶的可中斷負(fù)荷，將大電網(wǎng)的事故應(yīng)急處理時間從原先的分鐘級提升至毫秒級，可顯著增強(qiáng)大電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下的彈性承受能力和彈性恢復(fù)能力，大幅提升電網(wǎng)消納可再生能源和充電負(fù)荷的彈性互動能力。這種可中斷負(fù)荷是國網(wǎng)江蘇省電力有限公司與用電客戶協(xié)商，由客戶自主選擇后確定的一部分非核心、參與互動的用電負(fù)荷，如啟停方便的生產(chǎn)線和空調(diào)用電、部分照明用電等。這部分負(fù)荷被切除后，客戶關(guān)鍵的生產(chǎn)和安全保障用電不受任何影響，可最大程度地保障企業(yè)產(chǎn)能和電網(wǎng)設(shè)備安全。

本文著重討論大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)中，在電網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)和需求場景下，如何選擇大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)各類生產(chǎn)與輔助負(fù)分路荷，參與負(fù)荷進(jìn)行互動，響應(yīng)電網(wǎng)緊急狀態(tài)。

1 網(wǎng)荷互動執(zhí)行介紹

1.1 大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的各個階段

大規(guī)模源網(wǎng)荷互動體系使用戶負(fù)荷參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制的各個階段，可避免直接拉限線路或變電站，加快恢復(fù)拉限線路供電，讓電網(wǎng)回歸到正常狀態(tài)中[1]。

(1) 電網(wǎng)三級主動防御過程，時限要求1 s以內(nèi)。特高壓直流故障時，穩(wěn)控系統(tǒng)中心站接收到特高壓換流站的故障信號，立即根據(jù)預(yù)案分組通過快速通道向預(yù)定的用戶側(cè)網(wǎng)荷終端發(fā)出緊急切負(fù)荷指令，動作在1 s內(nèi)完成。系統(tǒng)的毫秒級設(shè)計(jì)改變了以往負(fù)荷管理系統(tǒng)不能直接參與電網(wǎng)三級主動防御過程的現(xiàn)象。

(2) 電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性控制，時限要求10～20 s。特高壓直流故障引發(fā)大電網(wǎng)擾動，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定的三級自動切負(fù)荷等動作后，調(diào)度自動化系統(tǒng)已經(jīng)完成了故障判別和系統(tǒng)參數(shù)測量，但系統(tǒng)頻率還未恢復(fù)正常，調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)布事故限電指令。此時負(fù)荷控制指令通過省調(diào)D5000系統(tǒng)發(fā)送到負(fù)荷快速響應(yīng)子系統(tǒng)實(shí)施一鍵式群控對用戶負(fù)荷快速切除，可替代直接拉限線路。

(3) 電網(wǎng)潮流控制，時限要求1～10 min。特高壓直流故障第一階段結(jié)束后，可能造成相關(guān)輸電通道潮流超過穩(wěn)定限額，省調(diào)經(jīng)計(jì)算分析后，確定特定地區(qū)或電網(wǎng)分區(qū)進(jìn)行負(fù)荷控制。此時負(fù)荷控制指令通過省調(diào)D5000系統(tǒng)發(fā)送到負(fù)荷快速響應(yīng)子系統(tǒng)實(shí)施快速用戶負(fù)荷切除。對江蘇電網(wǎng)，錦蘇特高壓直流雙極閉鎖時，近區(qū)500 kV線路潮流越限，需要在蘇州4個分區(qū)進(jìn)行負(fù)荷控制。

(4) 地區(qū)發(fā)用電重新平衡，時限要求10～30 min。特高壓直流故障處理完成后，省級電網(wǎng)不能實(shí)現(xiàn)發(fā)用電平衡，區(qū)域聯(lián)絡(luò)線路負(fù)荷超計(jì)劃。省調(diào)立即計(jì)算限電容量，按一定比例分配到各地區(qū)，此時負(fù)荷控制指令通過省調(diào)D5000系統(tǒng)發(fā)送到負(fù)荷負(fù)荷快速響應(yīng)子系統(tǒng)壓限用戶用電負(fù)荷。

(5) 恢復(fù)拉閘線路重新送電，時限要求30～60 min。在地區(qū)發(fā)用平衡后，通過進(jìn)一步壓限用戶負(fù)荷，逐步恢復(fù)被緊急拉閘線路，恢復(fù)旋轉(zhuǎn)備用設(shè)備，讓電網(wǎng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 網(wǎng)荷互動執(zhí)行過程

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，用戶負(fù)荷參與電網(wǎng)互動，可分為3類場景：(1) 應(yīng)對電網(wǎng)異常時的緊急負(fù)荷響應(yīng)；(2) 應(yīng)對電網(wǎng)供電能力不足時的有序用電；(3) 調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差的需求響應(yīng)。負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)的過程如圖1。

圖1 負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Diagram of load response system architecture

負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)可接收調(diào)度自動化系統(tǒng)下達(dá)的負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，根據(jù)從營銷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺獲取的用戶檔案信息和用電行為，結(jié)合實(shí)時負(fù)荷數(shù)據(jù)，對指令進(jìn)行快速分解，并通過用電信息采集(負(fù)控)系統(tǒng)和樓宇需求響應(yīng)系統(tǒng)等其他控制系統(tǒng)，向各目的區(qū)域內(nèi)、特定工業(yè)、商業(yè)、居民的可控負(fù)荷下發(fā)響應(yīng)需求信號，完成負(fù)荷配合調(diào)度運(yùn)行的全過程。

1.2.1 方案決策

快速負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的不同指令，快速編制各種調(diào)節(jié)方案。

在快速故障處理階段，針對調(diào)度下發(fā)的全網(wǎng)快速控頻率、特定區(qū)域控潮流、分區(qū)比例分?jǐn)偪芈?lián)絡(luò)線口子功率等指令，優(yōu)先篩選相應(yīng)地區(qū)內(nèi)可切除容量大、具備迅速切除條件的用戶，基于用戶影響程度最小，制定一鍵式精準(zhǔn)削峰方案，確定執(zhí)行用戶及切負(fù)荷容量要求。

在旋轉(zhuǎn)備用補(bǔ)充及恢復(fù)階段，選擇負(fù)荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行特性穩(wěn)定的用戶，將不同調(diào)控容量、不同調(diào)控特性的用戶負(fù)荷組成多個“調(diào)峰機(jī)組”，制定經(jīng)濟(jì)性調(diào)峰方案，確定執(zhí)行用戶組合和負(fù)荷調(diào)節(jié)要求。

1.2.2 方案執(zhí)行

一鍵式精準(zhǔn)削峰面向方案確定的用戶，將切負(fù)荷指令快速下發(fā)給負(fù)控終端以及樓宇需求響應(yīng)終端，對用戶的快速響應(yīng)型可中斷負(fù)荷進(jìn)行控制。典型手段包括非應(yīng)急照明、非生產(chǎn)性電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)部分新風(fēng)機(jī)組、可中斷電加熱鍋爐、熱水器等用電設(shè)備的快速控制。主要滿足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行及時控頻率、控潮流和控聯(lián)絡(luò)線電量的需求。

經(jīng)濟(jì)性靈活調(diào)峰面向方案組合中的用戶，將負(fù)荷調(diào)節(jié)曲線下發(fā)給負(fù)控終端以及樓宇需求響應(yīng)終端，對用戶的可調(diào)節(jié)負(fù)荷進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，如圖2所示。常用手段既可以采用切除工業(yè)用戶非生產(chǎn)性負(fù)荷、關(guān)閉商業(yè)樓宇空調(diào)主機(jī)、水泵、新風(fēng)系統(tǒng)、熱水器等剛性控制方式，也可以采用調(diào)節(jié)空調(diào)回水溫度、調(diào)節(jié)風(fēng)量和全局溫度等柔性控制方式。主要在滿足電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用補(bǔ)償及恢復(fù)的基礎(chǔ)上，達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)性要求。

圖2 負(fù)荷快速響應(yīng)自行方案執(zhí)行圖Fig.2 Diagram of load the rapid response to the implementation of their own plans

1.2.3 實(shí)時反饋

負(fù)荷快速響應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)終端設(shè)備反饋的控制結(jié)果以及控制前后實(shí)時負(fù)荷對比，對調(diào)控的效果進(jìn)行評估，將評估結(jié)果實(shí)時返回給調(diào)度自動化系統(tǒng)，以便調(diào)度自動化系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化控制。

2 用戶可中斷負(fù)荷的分類與選擇

可中斷負(fù)荷是指在電網(wǎng)高峰時段或緊急狀況下，用戶負(fù)荷中可以中斷的部分。電力公司與用戶簽訂相關(guān)合同，在系統(tǒng)峰值時和緊急狀態(tài)下，用戶按照合同規(guī)定中斷和削減負(fù)荷[2]。

從網(wǎng)荷互動場景分類，參與電網(wǎng)缺口調(diào)節(jié)和峰谷調(diào)節(jié)的可中斷負(fù)荷，是有計(jì)劃預(yù)案和提前預(yù)知的負(fù)荷中斷，而參與電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)時頻率潮流控制的可中斷負(fù)荷其響應(yīng)時效性在分鐘級以內(nèi)，屬于秒級可中斷負(fù)荷[3]，對用戶而言不可預(yù)測也無提前通知，也就是常年預(yù)備。在大電網(wǎng)事故情況下，為了提升特高壓應(yīng)急處置速度同時減小影響面，需對用戶秒級可中斷負(fù)荷實(shí)現(xiàn)精確控制。

2.1 用戶可中斷負(fù)荷的分類

不同行業(yè)、不同類別、不同性質(zhì)的電力用戶用電設(shè)備、負(fù)荷特性、用電習(xí)慣均存在較大差別。參與網(wǎng)荷互動的用戶，以及用戶內(nèi)部的各路分路負(fù)荷是否適宜參與，具體參與哪一個等級的負(fù)荷響應(yīng)，根據(jù)日常用電管理的經(jīng)驗(yàn)以及網(wǎng)荷互動對可中斷負(fù)荷特性的要求，各用戶負(fù)荷及設(shè)備特點(diǎn)[4-9]概括如下。

(1) 鋼鐵、水泥等高耗能企業(yè)。此類行業(yè)用電負(fù)荷大，生產(chǎn)性質(zhì)一般為三班制連續(xù)作業(yè)，且不受時段、季節(jié)、氣候影響?？芍袛嘭?fù)荷包括可快速停用電爐、廢鋼處理線、水泥磨機(jī)、生料磨機(jī)等高耗電用電設(shè)備負(fù)荷，可中斷負(fù)荷快速調(diào)控能力較強(qiáng)。

(2) 化工等連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)。此類行業(yè)用電負(fù)荷較大，生產(chǎn)性質(zhì)大多為三班制連續(xù)作業(yè)，且不受時段、季節(jié)、氣候影響。在不危及安全生產(chǎn)的前提下可中斷設(shè)備僅僅包括辦公用電設(shè)備、物料泵等輔助生產(chǎn)設(shè)備，而主要的生產(chǎn)設(shè)備具有連續(xù)性和重要(高危)性，不適宜參與快速調(diào)控。

(3) 機(jī)械等非連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)。此類行業(yè)用戶大多屬于三級負(fù)荷性質(zhì)的普通工業(yè)用戶，多數(shù)企業(yè)采用白班制、非連續(xù)性生產(chǎn)，不受時段、季節(jié)、氣候影響?？芍袛嘭?fù)荷包括辦公照明、電腦、空調(diào)等非生產(chǎn)性負(fù)荷及電鋸、切割機(jī)、機(jī)床等生產(chǎn)設(shè)備，相應(yīng)設(shè)備均可快速切除。

(4) 賓館、商場、寫字樓等電力用戶。此類行業(yè)用戶負(fù)荷運(yùn)行主要集中在早峰、腰峰、晚峰階段，運(yùn)行時間較為固定，涉及用電設(shè)備多，人員密集。因此對于可靠供電的依賴性較大。該行業(yè)用戶負(fù)荷基本為重要(高危)用電負(fù)荷，可中斷負(fù)荷基本為空調(diào)負(fù)荷[10-17]。

2.2 用戶可應(yīng)急中斷分路負(fù)荷接入原則

各地區(qū)用戶負(fù)荷主要分為以下幾類：一是中斷后會引起人身安全事故的安全保障負(fù)荷；二是中斷后可能造成一定損失的生產(chǎn)負(fù)荷；三是中斷后影響較低的輔助負(fù)荷和非生產(chǎn)負(fù)荷。在用戶現(xiàn)場改造時，可按照以下原則接入用戶分路負(fù)荷。

(1) 用戶負(fù)荷回路接入選擇順序按總進(jìn)線、中斷后影響較低的輔助負(fù)荷和非生產(chǎn)負(fù)荷、中斷后可能造成一定損失的生產(chǎn)負(fù)荷逐級選擇，終端屏柜內(nèi)端子接線按各路可控負(fù)荷重要性逐級提高，最后接總進(jìn)的順序接入；

(2) 終端接線完成后，通過參數(shù)配置設(shè)置跳閘輪次與負(fù)荷回路對應(yīng)的關(guān)系，每個輪次可任意對應(yīng)多個負(fù)荷開關(guān)，建議同一輪次不可配置不同影響程度的負(fù)荷開關(guān)。按照國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“376.1.通信協(xié)議”一個終端的功控輪次上最多8輪。原則上1—2輪對應(yīng)中斷后影響較低的輔助負(fù)荷和非生產(chǎn)負(fù)荷，3—6輪對應(yīng)中斷后可能造成一定損失的生產(chǎn)負(fù)荷，7—8輪對應(yīng)用戶主、備總開關(guān)；

(3) 用戶1—6輪開關(guān)接入的可監(jiān)控負(fù)荷不得低于用戶正常用電負(fù)荷的50%，不得高于用戶正常生產(chǎn)負(fù)荷的70%。

3 可中斷負(fù)荷控制與恢復(fù)策略

3.1 負(fù)荷控制策略

為有效降低事故影響面，在負(fù)荷調(diào)控時優(yōu)先考慮影響用戶數(shù)的多少，以影響用戶最少為優(yōu)先目標(biāo)，主要對用戶1—6路負(fù)荷進(jìn)行控制，用戶的安全保障用電予以保留。主要考慮以下幾條控制策略[4]：

(1) 高耗能優(yōu)先策略。各地區(qū)參與網(wǎng)荷互動改造的用戶中，高耗能用戶優(yōu)先參與特高壓應(yīng)急處置，因此高耗能用戶群組單列，在任何時段的特高壓事故均按需優(yōu)先投入控制。

(2) 分時段選擇策略。根據(jù)用戶時段負(fù)荷特性，將除高耗能用戶外用戶分為A、B、C、D、E 5種類型，其中A、B、C、D 4種類型分別為早峰型，腰峰型，晚峰型及倒掛型，即分別在各自類型所屬時段控制能力較其他時段更強(qiáng)，在其所屬時段優(yōu)先控制。E類型無明顯特征，僅參加循環(huán)補(bǔ)備控制?；旌项愋屠鏏B型用戶，在A時段視為A型，B時段視為B型用戶。

(3) 可中斷容量優(yōu)先策略。高耗能及5種類型用戶中，在各自所屬類型范圍內(nèi)按可中斷容量進(jìn)行優(yōu)先級排序，可中斷負(fù)荷動態(tài)計(jì)算，中斷能力強(qiáng)用戶優(yōu)先控制，各分組用戶執(zhí)行時按需投入控制。

(4) 各時段循環(huán)補(bǔ)備策略。在各時段發(fā)生的特高壓應(yīng)急處置事故，如果本時段對應(yīng)類型用戶處置能力不足的情況下，考慮公平性，需按照圖3所示順序進(jìn)行循環(huán)補(bǔ)備。在4個類型補(bǔ)備后仍無法滿足要求的情況，補(bǔ)備E類型用戶。本地區(qū)網(wǎng)荷互動用戶全部參與仍無法滿足缺口要求的情況下，啟動調(diào)度群控拉路序位。

圖3 各類型用戶循環(huán)補(bǔ)備順序Fig.3 The order of each type of user cycle

3.2 執(zhí)行流程

用戶參與特高壓應(yīng)急處置執(zhí)行過程中，首先由調(diào)度部門確認(rèn)地區(qū)缺口指標(biāo)并分解下達(dá)至負(fù)荷快速響應(yīng)子系統(tǒng)，再分解地區(qū)指標(biāo)至用戶并執(zhí)行控制，高耗能用戶按需優(yōu)先投入控制，如圖4所示。若滿足地區(qū)缺口需求，則進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測并將控制效果反饋至調(diào)度部門；如果不能滿足缺口需求，則采取分時段選擇策略，各時段用戶按需投入，這時判斷是否滿足缺口，若滿足則將動態(tài)監(jiān)測控制效果反饋至調(diào)度部門；若不滿足，則采取各時段循環(huán)補(bǔ)備策略，此時確認(rèn)缺口是否已滿足，如果滿足，則控制結(jié)束；若所采取策略不能滿足地區(qū)缺口，則通知調(diào)度部門啟動分組群控拉路。

圖4 用戶參與特高壓應(yīng)急處置執(zhí)行過程Fig.4 The process of user participating extra-high voltage emergency disposal

3.3 恢復(fù)原則

在特高壓事故執(zhí)行秒級控制后，在調(diào)度部門通知營銷可以釋放部分容量后，各地區(qū)營銷按以下原則進(jìn)行中斷用戶恢復(fù)。

(1) 較小容量優(yōu)先恢復(fù)原則。在已實(shí)施可中斷負(fù)荷秒級控制的用戶中，按照實(shí)際中斷負(fù)荷大小進(jìn)行排序。根據(jù)調(diào)度部門恢復(fù)供電負(fù)荷執(zhí)行計(jì)劃，中斷用戶按中斷負(fù)荷由小到大的次序進(jìn)行恢復(fù)。一方面盡可能減小事故影響面，另一方面為后續(xù)執(zhí)行有序用電進(jìn)一步壓限大用戶留有余地。

(2) 實(shí)時互動原則。在事故恢復(fù)過程中，在當(dāng)期恢復(fù)用戶確定后，由營銷負(fù)控通過手機(jī)APP、手機(jī)短信、終端短信及聲光告警方式向用戶下發(fā)允許合閘指令。用戶接到指令后，在確保設(shè)備及人身安全的前提下，自行恢復(fù)被中斷負(fù)荷。

(3) 營銷補(bǔ)備負(fù)荷置換原則。在特高壓故障持續(xù)時間較長，需要通過有序用電進(jìn)行較長時間控制負(fù)荷的情況下，由省調(diào)向省營銷下達(dá)負(fù)荷控制需求，營銷部通過各地市公司啟動空調(diào)高級調(diào)控、投入有序用電方案分組等措施實(shí)施負(fù)荷控制。負(fù)荷控制到位后，省營銷將已實(shí)施秒級控制，但未納入本次有序用電執(zhí)行序位用戶下達(dá)允許合閘通知，對其已中斷回路恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)有序用電控制負(fù)荷與秒級中斷控制負(fù)荷的負(fù)荷置換。

4 結(jié)語

本文以研究用戶負(fù)荷分類為切入點(diǎn)，提出用戶可應(yīng)急中斷分路負(fù)荷接入原則、可中斷負(fù)荷控制與恢復(fù)策略，實(shí)現(xiàn)了對用戶側(cè)負(fù)荷的精準(zhǔn)化、實(shí)時化的精益管理，保證了用戶用電質(zhì)量和電網(wǎng)有序恢復(fù)。未來將針對用戶的不同設(shè)備負(fù)荷特性，研究其具體的恢復(fù)方式(如立即恢復(fù)、約時恢復(fù)、提醒恢復(fù)等)。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目“特高壓直流故障處置后期負(fù)荷恢復(fù)策略研究”資助，謹(jǐn)此致謝！

仇晨光

仇晨光(1977—)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制相關(guān)工作(E-mail：cgqiu@hotmail.com)；

程錦閩(1984—)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制相關(guān)工作(E-mail：cjm-03@163.com)；

李新家(1967—)，男，本科，研究員級高級工程師，從事信息系統(tǒng)自動化與有序用電相關(guān)工作。