5G在可调节负荷互动领域的应用研究

程紫运，田云飞，徐慧慧，杨德州

（1.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州 730050；2.国网甘肃省电力公司，兰州 730000）

0 引言

随着信息化水平的提升，电网企业对于需求侧可调节负荷资源的重视程度越来越高[1]。国外可调节负荷互动领域的研究起步较早，美国加州公用事业委员会在2018 年已经提出禁止化石燃料备用发电机组参与需求响应（Demand Response，DR）项目，并根据DR 竞价试点情况，引导电网企业逐步退出市场，完全通过竞价等市场化机制解决需求响应的利益和资金分配问题。我国电力需求响应的先期试点建设项目已基本顺利验收，而且也完成了典型行业的需求响应潜力的初步测算。目前几个试点地区都成功完成了既定的目标削减量，但大多还是依赖半行政化手段或者人工方式[2]。已经投运的DR自动化控制系统，建设成本较高，难以大规模推广复制[3]。我国在2020年陆续开展了电力需求响应的深化工作，浙江省提出了参与DR 项目的用户响应能力、启动条件、响应时段要求，分别针对削峰和填谷两种典型DR场景，构建了4 GW和1500 MW的资源池，并在浙发改能源[2020]221 号文中明确了4元/kWh 的固定补贴单价。天津工业和信息化委员会、电力公司以及40 余家电力大用户，针对电网低负荷影响热电联产机组的问题签署了多方协议，制订了冬季DR 保障方案，用于缓解供电、供热矛盾，构建了谷段负荷资源池500 MW。在目前正在推进的现货市场中，也有学者提出通过DR 资源实现旋转/非旋转备用、频率调节等高级应用的思路。

M2M通信和移动边缘计算技术的发展，为未来可调节负荷的分布式监测和控制任务提供了适当环境。5G 技术的发展使移动蜂窝网络正逐渐发展成为一个强大的平台，用于支撑大规模可调节负荷的信息采集、通信、存储和处理[4]。5G将为电力需求响应业务数据传输提供优质的传输服务。随着大量分布式物联设备信息接入，会对现有的通信网络产生一定的冲击，5G广连服务将为海量终端接入提供必要的支撑条件。对于同时需要极低延迟和极高可靠性的智能量测和控制设备，需要使用超可靠的低延迟通信服务。在具体的业务信息处理方面，诸如移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）等新的架构概念将是部署分布式方案的关键[5-7]。本文重点针对5G 在可调节负荷互动的适用性关键技术开展相关研究，并尝试提出未来基于5G的可调节负荷互动方案。

1 5G 在可调节负荷互动领域的应用适用性分析

1.1 可调节负荷互动业务需求

已有的研究过多地关注可调节负荷互动的执行效率和精确性，采用了复杂的控制和监控策略，通常依赖于强大、高性能的通信网络。小型可调节负荷资源可以看作是具有不同需求的分布式系统，单个网络的部署往往过于昂贵和费时[8-10]。此外，网络规模过大也会导致端到端延迟过高，从而影响可调节负荷互动的实时性。公共和专用网络以及传统信息和通信技术（Information and Communica⁃tion，ICT）的融合被认为是应对这些挑战的关键。因此，可基于分片5G 网络中软件定义网络（Soft⁃ware Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）驱动的边缘云，将计算资源从主干网络或系统主站转移到网络的接入端，通过在边缘侧部署智能计算终端减少延迟[11]。此外，由于数据可以保存在本地，即靠近用户端，通信基础设施的流量负载会相应减少，可以通过将业务程序从中心云转移到边缘来实现。可调节负荷互动服务将逐步转移至靠近边缘的位置，边缘智能计算资源的部署需要在动态数据回程传输和本地数据计算中进行折中考虑。

以智能楼宇参与自动需求响应项目场景为例，在每栋楼宇内部署的ADR 网关与楼宇建设管理系统（Building Management System, BMS）进行通信，并在终端内嵌入参与各类需求响应项目的互动策略，当发生DR 事件时ADR 网关能够自动执行预置的控制策略。本地网汇聚智能用电设备、计量系统数据、DR控制器等，通过5G网络上传至可调节负荷互动平台与电网侧管理主站，如图1 所示。目前普遍关注的互动策略大多是用能成本最低或者用能影响最小，采用的手段包括调节空调机组的频率、关闭非占用房间的照明、关闭观赏湖水泵系统等。通过良好的底层系统设计，可以有效解决测控信号的传输瓶颈，从而满足DR 业务的实时性需求。此外，在极端条件下需要调整末端消费能力时，良好的交互也可以减少由于限电和停电所引发的问题。

图1 基于5G的可调节负荷互动架构

1.2 面向可调节负荷互动的5G承载方案

5G通信网络提供了3种不同的切片传输方式，分别为增强型移动宽带（Enhance Mobile Broad⁃band，eMBB）、海 量 机 器 通 信（Massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低时延通信(Ultra-reliable & Low Latency Communication，uRLLC)，其中eMBB主要适用于大容量业务传输，可以用于可调节负荷互动过程中的历史数据更新和档案同步，mMTC则主要适用于海量终端接入，适合大量分散式的采集器、传感器和控制器的接入，uRLLC则主要适用于低时延数据的传输需求，可以用于作为可调节负荷的实时控制信号传输[12-13]。

5G 网络的不同传输模式可以实现海量终端的接入、毫秒级的延时以及大容量高速率传输，可满足可调节负荷互动过程中的各类需求。但是在选择切片类型、切片方式方面还没有达成共识。目前普遍认为可调节负荷互动领域的传输需求应当根据业务的紧急程度进行划分[14-15]，比如：建议配电自动化系统采用uRLLC 切片方式，电动汽车充电运营、可调节负荷互动由于数量众多，建议上行采用mMTC 方式，下行采用uRLLC 方式。可调节负荷互动业务由于涉及毫秒级精准负荷控制和常规秒级互动，相对比较特殊，对于毫秒级系统上行采用uRLLC，而秒级系统上行采用mMTC 即可。通过不同的切片方式，实现对于不同电力业务的细分管理，具体的切片对应关系如图2所示。

图2 面向差异化可调节负荷互动的切片技术

2 基于5G的可调节负荷互动关键技术分析

2.1 基于CIM的标准的信息服务

目前，公共信息模型（Common Information Model，CIM）已经成为电力行业信息标准化的主流技术，IEC 相关组织也开发了对应智能电网不同环节的业务接口模型。在制定可调节负荷互动的信息模型过程中，应当重点参考已有的CIM模型。国家电网公司结合营销2.0业务需求，计划以SG-CIM为基础丰富关于需求侧的公共信息模型。在未来大规模可调节负荷接入后，需要统一接入资源的信息模型，在边缘侧对数据进行抽象、整合、编排数据类型，设计规范多源异构资源接入的统一模型，降低数据冗余[16-17]。EMIX 可应用于所有类型的电力市场，包括区域电力市场、跨区市场、被监管的市场、被监管的电力零售价格、开放的电力市场、批发和零售双边交易市场。虽然所形成电价的市场模式不同，但所有市场都可以从价格和产品信息互操作中受益。为了支持需求响应系统的标准实现方式，通常可将EMIX 转换为统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）形式，其EA模型如图3所示。其中，XSDdatatype 包表示的是XSD 的数据类型，其他8个包都是依次按照EMIX规则进行转换的结果。

在5G 通信场景中可以采用基于分布式优化的计算模型，通过本地集成分布式算法到边缘计算MEC 框架中，通过5G 的mMTC 服务获取测量数据，并进行本地实时计算[18]。openADR2.0a 定义的功能相对较为简单，openADR2.0b 则具备了较为完备的服务功能集，也是目前应用的主流需求侧互动协议，已经定义了注册类、报告类、参与服务类、轮询类、事件类5类公共服务，并定义了支撑可调节负荷互动的具体服务模型，如表1所示。

2.2 可调节负荷互动的信息模型及互动消息传递

可调节负荷互动过程中通常涉及需求响应控制 中 心（Demand Response Automation Server，DRAS）、聚合商DRAS 以及需求侧BEMS 网关等实体，在电网侧IEC 61850应用较为广泛，而用户侧也具有专用通信协议，因此需要进行协议模型转换[19-20]。IEC 61850的信息模型数据属性包括了OpenADR2.0b定义的全部信息，根据IEC 61850 的信息模型创建应用数据库。应用程序可以将其数据从数据库中存入、取出而无需考虑具体的通信标准。在OpenADR2.0b 中，数据对象实例是通过每个服务类定义的XML Schema 实现的，聚合对象是通过元数据的XML Schema 声明的。很多情况下，受限于企业信息化系统的安全性限制，负荷聚合商无法发起能够有效穿越防火墙的入站连接。聚合商在其应用服务器上设定功率削减指令，并等待每个能源管理网关连接进行探询。根据经验，BEMS 可以通过1 min周期进行轮询的方式获取削减指令，并报告当前的实际电功率使用情况。

表1 支撑可调节负荷互动的openADR2.0b的公共服务模型

传统的DR业务通常被认为在半小时或者更长时间内实现，不需要DRAS 能够快速通告数据的变化，可以采用5G 的eMTC 切片方式，利用OpenADR中的PULL 信息交互方式进行周期性交互[21]。图4分别给出了DRAS VTN 服务器与DRAS VEN 客户端在不同类型DR业务中的业务交互时序关系。

图4 基于5G差异化切片的DR资源群互动消息传递方式

由于网络安全性限制，ADR中心大多无法主动建立与需求响应控制器之间的连接，需要聚合商DRAS采用周期性的PULL方式获取数据，如果聚合商DRAS客户端在刚刚执行事件获取操作后发生新的事件，则该事件需要经历较大的时延，最坏情况下事件的时延周期为PULL的轮询周期。

3 结语

本文针对基于5G 的可调节负荷互动应用开展了相应分析，可调节负荷互动是电网企业重点关注的领域，参与调度的可调节资源应当具备良好的互动能力，作为电网备用资源，其调节和控制对通信网络具有更高的技术需求，控制及遥测信号需要更快速的信息通信网络支撑，5G网络作为可调节负荷互动的重要通信支撑技术，能够保障可调节负荷互动业务的可靠性和实时性。随着信息化技术水平的进一步提升，未来可以实现对于需求侧资源更加精细化的深度感知，同时在满足用户意愿的前提下，能够让更多的需求侧资源参与到电网的友好互动过程中，从而提升电网的运行质量。