面向用電負(fù)荷精細(xì)化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

白新雷，張 凱，馮 劍，張露露，陳 珂，宮飛翔

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司 營(yíng)銷服務(wù)中心，石家莊 050035；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司，石家莊 050022；3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；4.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 需求側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化與供需互動(dòng)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)從高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長(zhǎng)，工業(yè)、商業(yè)、居民用電比重不斷上升，電力尖峰負(fù)荷波動(dòng)明顯。為有效控制尖峰負(fù)荷帶來(lái)的不利影響，應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)電源建設(shè)和需求側(cè)管理，保證電力系統(tǒng)供需平衡，減少電網(wǎng)損失和建設(shè)成本。電力需求側(cè)管理（demand side management，DSM）是指利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，電力系統(tǒng)中各方參與者共同協(xié)作，改變用戶側(cè)用電效率和用電方式，有利于促進(jìn)電力系統(tǒng)各方參與者良好互動(dòng)，維護(hù)電力供需平衡。

隨著工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的電力需求不斷增長(zhǎng)，全國(guó)區(qū)域性缺電問(wèn)題凸顯。河北南網(wǎng)季節(jié)性時(shí)段性缺電問(wèn)題尤其突出，2019年夏季河北南網(wǎng)最高用電負(fù)荷超4 000萬(wàn)kW，同比2018年增長(zhǎng)9.74%，亟需從用電側(cè)入手進(jìn)行需求側(cè)資源精準(zhǔn)高效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)源-網(wǎng)-荷動(dòng)態(tài)平衡。目前需求側(cè)管理研究熱點(diǎn)主要是需求側(cè)管理策略和需求側(cè)管理平臺(tái)。文獻(xiàn)［1］—文獻(xiàn)［3］基于博弈論斯塔伯格博模型，求解用電用戶的最優(yōu)需求響應(yīng)策略，優(yōu)化調(diào)整用戶用電任務(wù)。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于模糊邏輯改進(jìn)的加權(quán)公平隊(duì)列動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，滿足需求響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求。文獻(xiàn)［5］提出一種基于逐級(jí)電網(wǎng)安全的有序用電策略和系統(tǒng)框架，以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［6］提出一種以客戶用電需求為導(dǎo)向的臺(tái)區(qū)有序用電管理策略。相關(guān)的需求側(cè)管理策略算法研究已經(jīng)比較成熟，但是目前的技術(shù)手段難以支撐精準(zhǔn)、高效的電力需求側(cè)資源調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［7］介紹了廣東省電力需求側(cè)管理平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)架構(gòu)，為廣東地區(qū)開展電力需求側(cè)管理提供了技術(shù)支撐。文獻(xiàn)［8］介紹了山東省電力需求側(cè)管理平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用，提升了電力需求側(cè)管理工作水平。但是目前依然存在著調(diào)節(jié)資源多，用戶手動(dòng)調(diào)節(jié)及時(shí)性差、不確定性大、缺乏自動(dòng)高效調(diào)節(jié)海量資源的模型、源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)互動(dòng)嚴(yán)重不足等問(wèn)題。本文提出一種面向用電負(fù)荷精細(xì)化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺(tái)，平臺(tái)覆蓋全省，滿足省-市-縣3級(jí)應(yīng)用，可以對(duì)省內(nèi)特定負(fù)荷實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精準(zhǔn)切除、調(diào)控，解決逐年加劇的用電缺口問(wèn)題。

1 需求分析

本文提出的面向用電負(fù)荷精細(xì)化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺(tái)針對(duì)河北南網(wǎng)用電負(fù)荷特點(diǎn)，以滿足河北省電網(wǎng)用電高峰期的平穩(wěn)安全運(yùn)行需求、有效緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾為目標(biāo)，通過(guò)電力需求側(cè)管理對(duì)重點(diǎn)用電客戶的用電負(fù)荷實(shí)行精細(xì)化靈活調(diào)控。

（1）功能需求：需求側(cè)管理平臺(tái)所具備的功能需求包括用戶管理、運(yùn)行管理、可中斷執(zhí)行、有序用電、考核評(píng)價(jià)、平臺(tái)管理等。

（2）技術(shù)規(guī)格需求：需求側(cè)管理平臺(tái)所具備的技術(shù)規(guī)格需求包括性能需求、可靠性需求、可維護(hù)性需求、易用性需求、集成需求等。

（3）安全需求：需求側(cè)管理平臺(tái)所具備的安全需求包括用戶身份鑒別、訪問(wèn)控制、應(yīng)用安全審計(jì)、用戶數(shù)據(jù)完整性保護(hù)、數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)、平臺(tái)間數(shù)據(jù)接口安全防護(hù)等。

2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)分為主站、通信信道、設(shè)備3層，如圖1所示，主站通過(guò)通信信道與設(shè)備建立通信連接，對(duì)設(shè)備發(fā)送通信指令，獲取設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，切斷可中斷負(fù)荷，達(dá)到削峰填谷目的。

圖1 需求側(cè)管理平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the demand side anagement platform

（1）設(shè)備層主要包括用電信息采集終端、負(fù)荷管理控制終端、需求響應(yīng)終端及接入這些終端的計(jì)量電表、交采模塊、采集器等。

（2）通信信道指主站與終端的通信信道，包括電力公司內(nèi)部光纖網(wǎng)、無(wú)線專網(wǎng)、4G、GPRS等多種信道。

（3）主站主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層和業(yè)務(wù)功能應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)采集用戶的用電負(fù)荷、電壓、電流等數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶用電開關(guān)、用電設(shè)備進(jìn)行控制。主站的業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，包括通信組件、自動(dòng)采集任務(wù)和需求側(cè)管理平臺(tái)。

2.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺(tái)是實(shí)施需求響應(yīng)、有序用電業(yè)務(wù)和開展對(duì)外宣傳的技術(shù)支持平臺(tái)。支持集中部署，具備獨(dú)立運(yùn)行能力，業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，需求側(cè)管理平臺(tái)用戶包括省、市、縣各級(jí)電力公司相關(guān)專業(yè)人員，平臺(tái)的業(yè)務(wù)涵蓋用戶管理、終端的安裝與調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、終端控制、有序用電、考核評(píng)價(jià)、綜合應(yīng)用、平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)。通過(guò)統(tǒng)一的接口規(guī)范，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與用電信息采集平臺(tái)等系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)連接。

圖2 需求側(cè)管理平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.2 Business architecture of the demand-side management platform

2.3 應(yīng)用架構(gòu)

需求側(cè)管理平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示，對(duì)需求側(cè)管理平臺(tái)進(jìn)行功能域劃分，平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)分為用戶管理、可中斷執(zhí)行、有序用電、考核評(píng)價(jià)、通信功能、自動(dòng)任務(wù)、通信組件、運(yùn)行維護(hù)、平臺(tái)管理、平臺(tái)接口10個(gè)功能域。

圖3 需求側(cè)管理平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)Fig.3 Application architecture of the demand side management platform

2.4 技術(shù)架構(gòu)

為了構(gòu)建高效性、可復(fù)用性、高通用性、安全性的平臺(tái)，主站軟件采用JAVA Spring+MVC架構(gòu)搭建，采用多層的分布式應(yīng)用模型、組件再用、一致化的安全模型及靈活的事務(wù)控制，使平臺(tái)具有更好的移植性，以適應(yīng)平臺(tái)將來(lái)的擴(kuò)展的需要。

需求側(cè)管理平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示，主站軟件采用了多層的分布式結(jié)構(gòu)，軟件架構(gòu)由表現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層組成。

圖4 需求側(cè)管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Technical architecture of the demand side management platform

（1）表現(xiàn)層：采用HTML、JavaScript等技術(shù)，主要提供業(yè)務(wù)的操作界面和信息展示界面，是用戶和平臺(tái)之間交流的橋梁，是直接面向操作用戶的部分。

（2）應(yīng)用層：是平臺(tái)的核心，主要實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)平臺(tái)領(lǐng)域業(yè)務(wù)的處理，及邏輯性數(shù)據(jù)的生成、處理及轉(zhuǎn)換。

（3）服務(wù)層：包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)、消息服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、報(bào)表服務(wù)以及平臺(tái)需要的其他服務(wù)，提供全局通用組件服務(wù)支持，并實(shí)現(xiàn)本平臺(tái)專用業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，為應(yīng)用層提供技術(shù)支撐。

（4）數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問(wèn)和整理，為整個(gè)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)管理支持。數(shù)據(jù)層主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

3 需求側(cè)管理平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

在需求側(cè)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)該充分考慮到當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展需求，采用合理的技術(shù)，選用先進(jìn)設(shè)備，以便于最大限度滿足當(dāng)前需求側(cè)管理平臺(tái)的需要和電網(wǎng)公司及用電用戶對(duì)平臺(tái)的需求。

3.1 多級(jí)負(fù)載均衡技術(shù)

負(fù)載均衡（load balance，LB）技術(shù)，即一種在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性和可用性的技術(shù)。在需求側(cè)管理平臺(tái)中，平臺(tái)將通過(guò)數(shù)據(jù)采集和平臺(tái)對(duì)接接入海量數(shù)據(jù)，并且隨著業(yè)務(wù)量的提升，服務(wù)器設(shè)備將承擔(dān)極大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算壓力，負(fù)載均衡技術(shù)通過(guò)相關(guān)算法擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)備帶寬，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。本文提出多級(jí)負(fù)載均衡技術(shù)。在前置環(huán)節(jié)，通過(guò)硬件F5均衡器完成終端上線均衡負(fù)載的需求。在任務(wù)調(diào)度環(huán)節(jié)，采用多任務(wù)器均衡方式進(jìn)行在Web應(yīng)用環(huán)節(jié)，通過(guò)硬件F5均衡器將客戶端訪問(wèn)請(qǐng)求均勻分布到各應(yīng)用服務(wù)，不僅可根據(jù)平臺(tái)性能需求增加或收縮任務(wù)處理模塊部署，降低單節(jié)點(diǎn)崩潰影響平臺(tái)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，也可以在提高性能的同時(shí)提高平臺(tái)運(yùn)行可靠性。

3.2 MVC設(shè)計(jì)模式

MVC設(shè)計(jì)模式，M代表數(shù)據(jù)模型、V代表用戶界面、C代表控制器。MVC設(shè)計(jì)模式將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示在代碼層面分離，在改進(jìn)和個(gè)性化定制界面及用戶交互的同時(shí)，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯。在需求側(cè)管理平臺(tái)中，數(shù)據(jù)模型由javaBean來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶界面由JSP實(shí)現(xiàn)，控制器由Struts2實(shí)現(xiàn)?？刂破鹘邮照?qǐng)求并決定調(diào)用哪個(gè)數(shù)據(jù)模型去處理請(qǐng)求，然后確定用哪個(gè)視圖來(lái)顯示模型處理返回的數(shù)據(jù)。通過(guò)代碼分離使得模型返回的數(shù)據(jù)格式與模型無(wú)關(guān)，模型代碼可以被多個(gè)視圖重用，大量減少代碼的重復(fù)性。同時(shí)MVC分層也有利于需求側(cè)管理平臺(tái)的開發(fā)和管理，可以通過(guò)不同的開發(fā)人員同時(shí)推進(jìn)不同方面的開發(fā)，也可以忽略其他方面的影響專注考慮一個(gè)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.3 預(yù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理，是指在主要的分析統(tǒng)計(jì)之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。需求側(cè)管理平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)采集和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取海量原始數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)大體都是不完整、不一致的臟數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法滿足需求側(cè)管理平臺(tái)的進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘和分析。對(duì)一些數(shù)據(jù)冗余、計(jì)算復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析功能運(yùn)用預(yù)處理技術(shù)，有利于提高需求側(cè)管理平臺(tái)查詢統(tǒng)計(jì)信息的效率，促進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量，降低平臺(tái)運(yùn)行業(yè)務(wù)所需要的時(shí)間。

3.4 Kafka系統(tǒng)

Kafka是一種高吞吐量的分布式消息發(fā)布和訂閱系統(tǒng)。在需求側(cè)管理平臺(tái)中，為了實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的精細(xì)化調(diào)控，需要在主站和任務(wù)調(diào)度之間提供實(shí)時(shí)通信服務(wù)。但是，當(dāng)主站發(fā)送下行報(bào)文給任務(wù)調(diào)度時(shí)，由于終端通訊的延時(shí)性，并不能立刻獲取到上行報(bào)文。如果一直保持接口連接，會(huì)造成服務(wù)器的負(fù)載增加，造成資源浪費(fèi)。需求側(cè)管理平臺(tái)采用Kafka系統(tǒng)后，主站和任務(wù)調(diào)度采用異步通訊，主站發(fā)送下行報(bào)文給任務(wù)調(diào)度，下行過(guò)程即已結(jié)束。當(dāng)任務(wù)調(diào)度返回上行報(bào)文時(shí)，主站通過(guò)監(jiān)聽(tīng)器獲取Kafka消息并自動(dòng)接收，既保證了實(shí)時(shí)性，又提高了服務(wù)器效率。

4 需求側(cè)管理平臺(tái)的應(yīng)用

目前，需求側(cè)管理平臺(tái)已在河北省上線運(yùn)行，范圍覆蓋河北南網(wǎng)全網(wǎng)6個(gè)城市，平臺(tái)首頁(yè)如圖5所示。面向用電負(fù)荷精細(xì)化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各地基站、終端運(yùn)行情況，在線顯示當(dāng)前時(shí)段的省市監(jiān)測(cè)負(fù)荷和可控負(fù)荷變化趨勢(shì)。

圖5 需求側(cè)管理平臺(tái)首頁(yè)Fig.5 Homepage of the demand side management platform

需求側(cè)管理平臺(tái)以需求響應(yīng)為主，有序用電為輔，可實(shí)現(xiàn)削峰填谷，有效緩解電網(wǎng)高峰壓力，彌補(bǔ)電網(wǎng)低谷運(yùn)行負(fù)荷，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 需求響應(yīng)

（1）將平臺(tái)接入的需求側(cè)終端按照不同所屬供電單位，分別編制可中斷年度預(yù)案。

（2）在需求響應(yīng)實(shí)施前，省公司將指標(biāo)分解到地市公司，地市公司再分解到各個(gè)縣公司。

（3）各供電單位根據(jù)自己分?jǐn)偟闹笜?biāo)，選擇合適的可中斷年度預(yù)案生成執(zhí)行計(jì)劃。

（4）計(jì)劃執(zhí)行前，可以通過(guò)批量下發(fā)中文信息的方式對(duì)可中斷用戶進(jìn)行通知。

（5）計(jì)劃執(zhí)行時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇遙控或者功控的方式來(lái)實(shí)施可中斷。

4.2 有序用電

（1）將參與有序用電用戶導(dǎo)入平臺(tái)之后，按照供電單位將指定的用戶編制為年度預(yù)案。

（2）有序用電前，省公司通過(guò)指標(biāo)分配功能，將有序用電指標(biāo)分解到地市公司，地市公司再分解到各個(gè)縣公司。

（3）各供電單位根據(jù)自己分?jǐn)偟闹笜?biāo)選擇合適的年度預(yù)案生成執(zhí)行計(jì)劃。

（4）計(jì)劃執(zhí)行前，可以通過(guò)手機(jī)短信的方式對(duì)有序用電用戶進(jìn)行通知。

（5）計(jì)劃執(zhí)行期間，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有序用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)控用戶用電負(fù)荷的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)河北省用電負(fù)荷特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了面向用電負(fù)荷精細(xì)化調(diào)控的需求側(cè)管理平臺(tái)，開展了需求側(cè)管理平臺(tái)的需求分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，并分析了需求側(cè)管理平臺(tái)在河北南網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)用電客戶的用電負(fù)荷實(shí)行精細(xì)化靈活調(diào)控可有效緩解電力供應(yīng)緊缺矛盾。但目前，平臺(tái)與負(fù)荷聚合商平臺(tái)、智能家電云平臺(tái)等互聯(lián)互通能力不足，尚未實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)多元靈活資源的應(yīng)用，未來(lái)平臺(tái)在參與電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控方面仍有較大的優(yōu)化提升空間。D