省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)設計

張 毅，柏 青

（國網(wǎng)新疆綜合能源服務有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

近年來，隨著我國電力行業(yè)的不斷創(chuàng)新，電網(wǎng)建設得到了充分的發(fā)展，逐步將各個領域、區(qū)域的電力結構關聯(lián)在一起，為人們日常的生產(chǎn)生活提供便利條件[1]。但在上述背景之下，由于人們對于電力的需求逐年增大，致使能源的缺口加大，各種各樣的問題逐漸顯現(xiàn)，對電網(wǎng)后續(xù)的建設和完善造成一定的阻礙[2]。為加強對能源需求相應的控制和了解，采用相應的系統(tǒng)作出限制和標記[3]。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)能源需求響應系統(tǒng)雖然可以完成基礎的執(zhí)行目標，但是存在一定的缺陷，對于需求的識別和定位容易受到外部因素的影響，增加了響應的時間，導致耗時較長，影響了日常電力調度工作的執(zhí)行[4]?；诖?，需要對省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)進行設計與驗證。省級電網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋面積較為廣泛，因此對于能源的需求量也會更大一些，需要提高系統(tǒng)整體的響應度。在不同的電網(wǎng)環(huán)境下，針對外部因素的變化，構建更加靈活、多變的系統(tǒng)響應程序，為后續(xù)電力行業(yè)的進一步發(fā)展及能源需求的升級處理奠定更為堅實的基礎環(huán)境[5]。

1 系統(tǒng)總體結構設計

與普通電力調度系統(tǒng)不同的是，省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)的覆蓋面積相對較廣，所以內置的執(zhí)行結構也會更加復雜[6]。該系統(tǒng)的設計主要以智慧電網(wǎng)作為核心設備，能源調度、需求劃定平臺為輔助，形成全方位、覆蓋式的動態(tài)化監(jiān)控[7]。系統(tǒng)的結構主要可以分為電網(wǎng)調度模塊、能源需求分析模塊、能源預警響應模塊、分工執(zhí)行模塊等，每一個模塊之間均是獨立的，且在應用的過程中存在特定的聯(lián)系。根據(jù)實際的系統(tǒng)配置和響應需求，利用數(shù)學模型進行調整和全工況分析，建立動態(tài)化的執(zhí)行程序，以基礎的能源需求指令和目標作為引導建立整體的系統(tǒng)擬合響應流程。在此基礎之上，還需要進行預警節(jié)點的布設，進一步優(yōu)化系統(tǒng)總體的應用結構，為后續(xù)系統(tǒng)的設計奠定基礎條件。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 FPGA感應芯片設計

在基礎的電路中接入一個動態(tài)化感應器，導入引腳資源，利用ARM處理器搭接1個傳輸端口，構建1個特定的感應空間。在此空間中建立1個小型的控制電路，接入現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）感應芯片，同時依據(jù)電網(wǎng)的執(zhí)行單元及頻率增設12個引腳，并與嵌入式乘法裝置相關聯(lián)，通過4個鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）設定該電路的閉環(huán)接口，使用 IO口連接外部的控制裝置，實現(xiàn)雙向電路的同步執(zhí)行。

在FPGA感應芯片的后側安裝一個觸發(fā)開關，加強對系統(tǒng)硬件結構的總體控制效果。在此基礎之上，利用JTAG 接口擴大FPGA感應芯片的覆蓋描述范圍，營造更加穩(wěn)定的硬件電網(wǎng)能源異常感知環(huán)境。

2.2 ADC預警觸發(fā)模塊設計

系統(tǒng)中接入FPGA感應芯片后會形成一個循環(huán)的小型應變電路，連接復合控制電源的同時，結合系統(tǒng)的應用需求及標準組建ADC預警觸發(fā)模塊。由于該系統(tǒng)主要是針對于電網(wǎng)能源需求響應進行設計的，因此在硬件設計的過程中必須具備較強的預警響應針對性。系統(tǒng)的控制電路采用ADC配置的串行形式，轉換電路的執(zhí)行時序，在小型控制電路中接入1個CNVST控制器，以AD7663引導裝置作為觸發(fā)啟動開關，配備2個SPI定向接口，將RDC/SDIN作為串口的控制設備，形成ADC前端通路，具體如圖1所示。

圖1 ADC前端預警觸發(fā)通路設計圖示

建立前端的觸發(fā)電路，并在主控位置接入1個穩(wěn)壓器，為ADC前端的觸發(fā)模塊營造穩(wěn)定、安全的運行環(huán)境。隨后，為提高預警觸發(fā)模塊的感應靈敏度，還需要增設1個CS裝置，利用信號線將各個區(qū)域的預警電路相連接，便于控制。在小型電路中接入1個微處理器，與觸發(fā)模塊實現(xiàn)串聯(lián)控制狀態(tài)，完成對ADC預警觸發(fā)模塊的設計。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 聯(lián)供需求響應指令集群設計

利用設計的系統(tǒng)硬件作為執(zhí)行基礎，為提升系統(tǒng)的應用效率和質量，重新設計需求響應指令集群，通過實際的能源監(jiān)測情況，設定具體的要求及標準，設計系統(tǒng)相關的軟件。針對不同的電力能源，需要設定對應的目標函數(shù)，并計算出能源的權重系數(shù)，具體公式為

式中：H為能源權重系數(shù);?為監(jiān)測范圍；β1為預設動態(tài)化等效預警時間；β2為靜態(tài)預警時間；α為非權重系數(shù)。通過上述計算，最終可以得出實際的能源權重系數(shù)。根據(jù)得出的數(shù)值，可以劃定對應的能源需求響應重點。根據(jù)電力建設的需求及能源響應的標準，構建指令集群的執(zhí)行流程，具體如圖2所示。

圖2 需求響應指令集群執(zhí)行結構圖示

根據(jù)圖2，將不同層級的指令匯總在一起，形成具有多元同步的指令集群在此基礎上，設計聯(lián)供需求匯總程序，以電網(wǎng)能源的異常信號或者缺失信號作為引導形成預警，與硬件中的需求預警裝置相結合，形成動態(tài)化的響應設備，進一步優(yōu)化聯(lián)供需求響應指令集群的實際應用效果。

3.2 靜態(tài)Web需求數(shù)據(jù)庫設計

利用指令集群營造軟件的應用環(huán)境，搭建多層級、動態(tài)化響應的數(shù)據(jù)信息傳輸信道，采用靜態(tài)Web技術，關聯(lián)省級智慧電網(wǎng)，構建能源需求響應數(shù)據(jù)庫。設計一個能源需求信號捕捉程序，針對于智慧電網(wǎng)中的異常信號進行采集和匯總。對信號解析，利用Web技術，構建靜態(tài)的需求整合環(huán)境，并在基礎的數(shù)據(jù)庫中增設對應的響應預警協(xié)議和程序，并計算出復雜情況下需求數(shù)據(jù)庫的交叉響應概率為

式中：U為交叉響應概率；?為能源波動比；?為靜態(tài)執(zhí)行速度；?2為重疊指令執(zhí)行速度；К為單向需求執(zhí)行耗時；φ為數(shù)據(jù)庫響應傳輸距離。通過上述計算，最終可以得出實際的交叉響應概率，針對于數(shù)據(jù)庫需求的增加，不斷調整靜態(tài)Web的覆蓋范圍，最大程度降低交叉響應發(fā)生的概率，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的應用效果。

4 系統(tǒng)測試

本次主要是對省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)實際應用效果進行分析和驗證，考慮到最終測試結果的真實可靠，需要選定H省電網(wǎng)作為測試的主要目標對象。測試以比照的方式展開分析，對得出的結果進行深層次的驗證研究，需要進行系統(tǒng)測試環(huán)境的搭建。

4.1 測試準備

在對省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)實際應用效果進行分析和驗證之前，需要先搭建相應的系統(tǒng)測試環(huán)境。針對于H電網(wǎng)的日常應用情況，進行系統(tǒng)有關能源環(huán)境參數(shù)的設定，具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)能源環(huán)境參數(shù)設定表 單位：kW·h·kg-1

根據(jù)表1，對系統(tǒng)的能源匯總程序和指標參數(shù)設定完善，調整電網(wǎng)的執(zhí)行模式和結構，預設需求響應指令集群，擴大響應的范圍，營造穩(wěn)定、安全的響應環(huán)境，完成測試環(huán)境的搭建。

4.2 測試過程及結果分析

根據(jù)上述搭建的測試環(huán)境，結合H電網(wǎng)的運行現(xiàn)狀，對能源需求響應項目測定分析。利用系統(tǒng)所布設的監(jiān)測節(jié)點捕捉能源異常信號，進行多維解析，隨后，設定3個測試時段，針對煤、天然氣、太陽能進行需求響應耗時測定，計算公式為

式中：M為需求響應耗時；π為響應預設范圍；μ為轉換比；τ為能源異常標準值；i為響應次數(shù)；χ為捕捉頻率。通過測試，最終的測試結果如表2所示。

表2 測試結果分析表 單位：s

經(jīng)過三個時間段的測試，針對于煤、天然氣、太陽能能源的需求響應耗時均控制在了1.5 s以下，表明該系統(tǒng)的適用性相對較強、誤差小、靈活度更佳，具有實際的應用價值。

5 結 論

綜上所述，便是對省級電網(wǎng)智慧能源需求響應系統(tǒng)的設計和分析。本次設計的系統(tǒng)自身具有更大的優(yōu)勢，對于能源需求的感知速度更快、可控性較高，具有更好的規(guī)律性。與此同時，針對于省級電網(wǎng)系統(tǒng)的構建，需要結合實際的能源需求環(huán)境和標準，設計更加靈活、多變的需求響應程序，在復雜的環(huán)境下，可以進一步加強對天然氣、太陽能、水源的發(fā)電效果，提升能源發(fā)電的整體占比，在優(yōu)化需求響應系統(tǒng)的同時，推動我國電力行業(yè)逐漸邁入一個新的發(fā)展臺階。