支撑负荷侧资源柔性调控的新型电力负荷管理系统研究

许朝阳，阮文骏，肖楚鹏，周雨奇，徐辰冠，朱亮亮

（1. 国网电力科学研究院有限公司（南瑞集团有限公司），南京 210000；2. 国网电力科学研究院武汉能效测评有限公司，武汉 430074；3. 国网江苏省电力有限公司，南京210024；4. 国网江苏省电力有限公司 营销服务中心，南京 210019）

0 引言

随着国家双碳战略目标的稳步推进，新型电力系统面对新能源并网比例提升带来电力供应侧与需求侧平衡压力增大，以及远期供需矛盾和保障清洁能源全额消纳等问题，国家发展和改革委员会、国家能源局下发的文件指出［1］，将电动汽车充电设施、分布式储能和分布式发电等可调节资源纳入电力平衡和电量平衡，在电力市场交易中充分利用综合能源服务商、负荷聚合商、虚拟电厂运营商等缓解时段性供需矛盾。

但当前对负荷侧资源的调节仍面临一些问题，主要包括:一是组网调控回路不充分、不灵活。现有负荷、分布式资源的调控终端尚未建立控制回路的部分所占比例较高，难以实现有效精细化调控。并且现有通信方式单一，数据传输实时性较差，难以满足负荷快速调控的要求。二是终端硬件单元智能化程度不高。现有终端均已服役数十年，智能化水平低，无法满足当前多元化功能需求，难以部署柔性互动、能效管理等高级功能。三是调控单元及调控系统在面对不同应用场景时，部署经济性、调控适应性差，很难做到广泛推广与应用。

因此亟需加快提升广域资源快速响应能力，建设具备“分布广泛、安全有效、分类管理、分级调节、精准调控”能力的新型电力负荷管理系统。

1 组网架构模式

本文提出基于智慧能源单元的新型电力负荷管理系统支撑负荷侧柔性资源调控，借鉴信息物理系统的概念，以通信网络为骨架，物理域与信息域耦合调控，对负荷侧资源进行组网，实现柔性调控。

1.1 支撑负荷侧资源柔性调控的组网架构

分布式能源发电越来越多地渗透到电网中，文献［2］提出需求侧聚合友好型信息模型，组网内建立标准化通信，主动对负荷侧进行控制。

对负荷侧资源柔性调控可建立多层级控制回路信息物理系统（cyber physical systems，CPS）组网架构。典型的CPS资源管理系统分为3层结构:设备层、通信层和应用层。文献［3］根据服务对象以同步相量测量单元为基础将智能电网广域测量网络划分为物理层、网络层、服务层和应用层，但系统只实现动态监测和实时报警功能，缺乏实际服务应用，服务层和应用层存在管理对象重叠问题。文献［4］结合负荷聚合商和CPS提出楼宇、企业、家居的系统级、单元级、平台级分级管理架构，通过云平台联合发电厂实现双向资源配置管理。

综合上述研究，本文结合CPS架构，将负荷侧调控对象、调控单元终端组成的物理域与由数据云端、应用平台组成的信息域通过通信网络进行耦合，提出支撑负荷侧资源柔性调控的新型电力负荷管理系统，系统架构如图1所示。

图1 新型电力负荷管理系统架构Fig.1 New power load management system architecture

在开发建设时，按照统一技术规范建设系统主站，依托省级智慧能源服务平台实现资源可视化、辅助化调控及决策指挥。并且对系统交互接口进行优化:营销业务接口实现客户及负荷设备档案同步；调度接口实现负荷缺口、日负荷曲线等数据交互；信息采集系统接口实现负荷控制指令下发和执行结果反馈。根据现场应用场景资源需求，在信息安全防护分区分域规定下完成系统部署与集成功能调试及上线应用。

1.1.1 物理层

物理层既包括智慧能源单元，也包括其控制的用户用能设备、分布式设备、用户终端等。对物理层分级是影响系统控制的关键，在不降低功耗、不影响用户体验下融合负荷侧管理［5］，建立分层融合模型，实现模块化、高分辨率灵活管理。结合分级调控进行能量调控，提出多层新型电力负荷控制系统，物理层级划分如图2所示。文献［6］将楼宇用能控制系统划分为制冷剂循环系统、空调箱系统等多个子系统进行联调优化控制，但其在实现经济最优调控时，会出现能量流调节矛盾的问题。

因此对设备进行分级能量调控，基于本文提出的多层新型负荷控制系统正适合于该方案实施，如图2 所示，按区域范围、管理对象将物理层划分为3级调控。

图2 物理层级划分Fig.2 Physical hierarchy

1级，区域范围整体调控，如工厂级、医院级、商业楼级、住宅区级等；2级，根据1级范围划分更小调控区域，如流水线、楼层等；3 级，即为最小调控单元，直接作用到参与调控的具体设备，如用户家庭组、分布式能源组、公用设施组等，对应站-线-变做到分层分区分组，实现分级、有序管控。

1.1.2 通信层

通信层作为系统内连接物理域和信息域的网络，一般由多种通信方式、多类传输协议、联接形式构成［7］。本文根据应用场景、层级设置信息传输方式、效率要求，灵活适应通信手段。通信层网络如图3所示。

图3 通信层网络Fig.3 Communication layer network

（1）系统、本地多层级通信网络

在部分设备之间建立上下级或同级间本地组网，通常以RS485为本地小范围通信手段，采用多信道共享、端到端、广域的GPRS 通信为远程通信手段。文献［8］以楼道、房间内能量检测装置为节点组成Zig Bee协议的传感器网络，以相邻节点传送方式汇集信息。本文提出系统内将通信层划分为上行、本地和下行通信:上行通信由传输范围大的4G/5G 作为广域网，面向本地和省侧云端数据库；本地通信考虑智慧能源单元之间的连接，因此可以选用RS485 等作为通信手段；下行通信针对多功能负荷管理开关柔性控制和0/1型（即只有开/关两种状态）用电设备的直接控制，以及用户通过家庭局域网手动管理，因此选择CAN总线和WIFI作为通信手段。

（2）灵活调换通信连接方式

对于多种通信方式间融合与切换，文献［9］基于能源通用串行总线系统提出多通信融合方案，通过载波、WIFI 和Zig Bee 组成下行通信网络，对用户信息、用电设备和分布式装置进行信息采集，并将其通过以太网/4G上行通信至平台进行系统拓扑识别。文献［10］比较了低功耗广域网与WIFI、Zig Bee在不同需求响应场景下的应用，提出窄带物联网和LoRa 远距离网络，验证其多频带运行更适合在偏远地区应用。图3 提出的多种通信手段的网络框架可根据网络状态灵活切换通信方式，针对信息在广域网传输受阻的情况，可由网络节点间进行信息逐级传递，在局域网内实现小范围功能服务。

1.1.3 软件层

软件层功能可概括为:数据存储、分析、处理，优化决策以及人机交互。根据搭载对象分为3方管理架构:用户APP，系统平台及智慧能源单元终端。

图4中系统管理平台和用户APP由MySQL云端数据库负责网络数据存储，包括设备历史状态信息和调控决策指令等，将数据采集平台、数据库、功能后台进行集成管理，实现用电行为分析、分布式设备控制和负荷识别［11］。由Web前端实现人机交互，提供状态信息可视化、查看和修改参数等服务；由后台应用程序负责执行功能服务。

图4 中智慧能源单元内置边缘计算模块，根据用户需求定制本地优化用电方案，提供交互界面观测、修改指标。对能源设备能耗监测、智能节能、负荷精准识别与参数化控制采用二元多维接口［12］，分别为负荷和分布式装置提供信息和能量的二元通道，精细化信息数据，实现边缘优化能量流控制。

图4 软件层结构Fig.4 Structure of software layer

1.2 调控架构

整体调控架构的设计原则依据国家、行业和电网企业的有关标准、规范、导则，系统部署采用“总部-省侧-客户侧”3级部署方式，如图5所示。

图5 3级调控部署架构Fig.5 Architecture of three-level regulatory deployment

3级系统基于新型电力负荷管理系统建设，充分利用智慧能源单元对管理范围内的柔性资源进行用户信息、用电状态、响应参数采集，实现对全境的全感知拓扑网络监测、管理。在省电力公司层面实现客户管理、负荷特性分析、监测、分轮次负控方案制定、方案执行等。电网公司总部层面建设统一展示界面，汇聚省电力公司系统数据。实现全面贯通、全景统计、精准调控、智能分析。

另外，省侧系统与调度管理系统、营销业务应用系统、用电信息采集系统及绿色国网等4 个系统进行集成，实现数据交互。通过与调度管理应用系统交互，接收负荷缺口信息，进行负荷分解，并反馈负荷调控结果；与营销业务应用系统交互，获取客户基础档案信息；与用电信息采集系统交互，获取客户量测数据，实现对客户的分轮次控制；与绿色国网交互，实现与客户互动。

客户侧系统以智慧能源单元为主体，在物理层中，由管理用电设备、分布式设备的智慧能源单元终端组成物理层网络节点，一方面采集、监测设备状态，通过通信层的多种通信手段将网络节点设备信息传输至软件层云端数据库中，由预设功能算法实现系统全局功能服务，将具体调控决策指令下发至智慧能源单元来执行；另一方面，系统与省侧管理系统数据中心建立通信接收调控指令，软件层建立智慧单元终端-系统管理平台-用户终端APP 协同管理架构，实现系统多方、分层、分级管理。

2 智慧能源单元

新型电力负荷管理系统中的智慧能源单元不仅是实现连接物理域多元柔性资源的骨架，更是系统的“眼”和“手”，在对整个网络实时监测的同时，执行“大脑”软件层的调控决策指令，在本节中将介绍智慧能源单元的具体架构。

本文提出“硬件模组化、软件容器化”的智慧能源单元架构:硬件上，支持各种负荷、能源的即插即用；软件上，负责实现系统中设备及开关的状态量采集监测、边缘优化计算、上下行通信管理、柔性调控及人机交互等服务。

应用时，设计不同限电等级下负荷分轮次接入规范，根据负荷控制能力和控制分解策略，将客户安全用电放在首位，按重要程度由低到高、可控负荷从大到小依次接入的原则，开展分轮次接入安全分析，将终端与低压开关或高压开关的二次回路进行连接，对生产流程和安全管理规范化。最后在具备条件的商业楼、工业企业园区加装分路监测装置、完善断线检测功能，提升分路负荷实时监测和控制回路断线检测能力，实现智能柔性调节。

2.1 硬件架构

本文提出的“模组化”智慧能源单元硬件架构，如图6所示，基础模组由多核处理器模组、存储模组、通信模组及电源模组构成。根据具体应用场景中负荷装置信息、调控要求或管理方式自定义模组。

图6 智慧能源单元硬件架构Fig.6 Hardware architecture of the smart energy unit

电网企业通常通过安装能源管理装置来监测和控制用户用电量和用电行为，文献［13］根据需求响应VCG（vickery-clarke-groves）机制，给每个用户配备能耗控制器与电网企业间建立双向通信，分析用户偏好和能耗模式，鼓励用户将负载转移到非高峰时段降低发电总成本。文献［14］利用可编程化负荷能量盒，将传感器收集的数据通过双向信息传输与系统交互，为设备绘制状态曲线，实现经济化、精细化能效管理，但该负荷能量盒缺乏对设备的直接或间接控制手段，只能作为监测器使用，在实际应用上有所欠缺，本文提出的硬件架构优点有:

（1）在数据存储容量和处理速度上，配置可拓展储存模组，根据实际需求添置存储模块；由CPU、FPGA（现场可编程逻辑门）等单类型模块或多类型模块组成多核处理器，为本地边缘优化提供高速、并行处理通道，且多核结构更适用于多模组协同调控。

（2）集成通信模组包括主站上层通信模块及组内本地下行通信模块。模组化外设接口满足非统一标准化下点对点方式连接的用电设备、分布式装置的通信和调控接口连接，扩大场景适用范围。

（3）人机交互模组设计方便现场监测设备运行状态，及时控制设备、修改参数、用户一体化控制家庭用电设备，更改响应目标。

2.2 软件系统架构

软件系统作为实现需求响应的数据管理、优化、交互工具，具备简单易用、界面友好、数据处理快速高效等特点。

文献［15］考虑综合能源管理系统中多种能源类型灵活性，分别对电动汽车充放电、集中式储能系统进行部署控制，将大规模数据中心化、分类化管理，解决用户电能质量问题。但方案设计的终端都只是负责传递信息，在远程控制、执行决策和本地优化功能上研究较少，在广域网崩坏或者阻塞情况下，该方案实用性将大大降低。

因此，智慧能源单元软件设计如图7所示，本文提出“软件容器化”架构。主要包括基础平台部分、资源虚拟化部分、终端软件部分，其中终端软件分为通信采集类、管理服务类、高级应用类。

图7 智慧能源单元软件架构Fig.7 Software architecture for smart energy units

（1）基础部分搭载Linux内核，通过模组化硬件模块实现数据采集与存储、通信等，端口化执行调控指令，通过数据总线对0/1型设备进行直接控制，对于柔性设备则通过多功能负荷管理开关下发柔性指令。

（2）在内核中完成对物理空间的虚拟化，包括管理容器功能，资源接口调配等，建立多个通道及空间，分管接入的多个能源设备。

（3）软件集成于内部多核模块，本地边缘优化的同时，完成优化调控执行部署。高级功能提供对应的容器化状态空间，具体功能服务集成于平台软件，包括管理服务以及高级应用功能，由广域网上传信息、接收服务决策指令至单元功能容器空间，实现多层级、规范化业务服务。

（4）信息安全单独集成于容器外，数据方面分别对采集、存储、传输通道进行数据校验，对以太网上行传输丢包率等进行实时监控。

2.3 多功能负荷管理开关研究

目前国内现有负荷管理系统往往对用户实行“一刀切”式控制，灵活性不足，智能化程度低，难以支撑各类复杂场景下高效精准负荷协同控制，开关设备应充分考虑智能化水平与经济适应性，以保证广泛工程应用。负荷管理开关应能满足单元多任务需求，具有带电热拔插功能和拓扑自适应识别功能，能够实现开关设备可视化与负控效果可视化。其次，研发多功能负荷管理开关应从功能需求拆解、场景分析与可靠性测试3方面展开。多功能负荷管理开关如图8所示。

图8 多功能负荷管理开关Fig.8 Multifunctional load management switch

在通用模块化方面，通过构建程序算法，将智能开关中所有单元保护、控制和计量功能集成在一个控制单元内［16］，实现功能的集成化，对于控制器方面，可采用多核处理器架构［17］，解决开关柔性单元运行速度慢、稳定性不足的问题。

在可靠性方面，文献［18］提出了用于开关领域的在线监控系统硬件架构，能够监控断路器状况具体信息，预测传入故障和潜在缺陷。

在拓扑识别方面，可利用递归贝叶斯对网络中模型状态进行估计和拓扑识别［19］，对系统中分支电流状态归一化残差辨识［20］，进而求解网络拓扑分布状态。基于状态空间分配的电流、电压双闭环均流法［21］，解决热插拔中的波动问题和稳定性问题。考虑成本方面，微功率控制器采用集成芯片，实现N通道电流监控，填补经济性研究空缺［22］。

3 应用场景适应性

智慧能源单元为用户参与约时和实时需求响应提供装备支撑，在传统专变终端的基础上搭载智慧能源单元终端，可实现更多场景的应用。通过布置多层级新型电力负荷管理系统实现分布式边缘化协同调控，实现电网侧和客户侧信息快速可靠传递、刚柔性控制执行、边缘侧调控策略支撑等功能，促进常规电源高效运行。

3.1 “双控”企业碳排放管理

在对控排企业的碳管理增值服务方面，对企业水、气、热主管道以及各个分支管道、高低压配电房加装以智慧能源单元为主体的新型电力负荷管理系统，实现对光伏、储能及用能设备实时数据采集、对能耗双控企业综合能源实行全景多维监测，并展示其生产运行中的相关运行数据、统计信息以及设备控制状态。依托核算规则、专业库、数据驱动算法逐步完善用户碳数据质量保障体系，满足多端监测场景需要。

基于企业能源消耗数据、生产数据、排放因子数据、减排量数据、配额数据等，建立企业数据核算等模型，配置于智慧能源单元中，为用户提供排放数据核算、碳-电协同交易管理、能效公共服务等业务，降低用户履约风险，节省履约成本。

3.2 “双高”企业有序用电

智慧能源单元作为新型电力负荷控制系统技术手段和管理手段的核心载体，深入内部控制回路，区分重要负荷、非重要负荷和辅助性负荷，将可控负荷纳入有序用电多轮次分类控制资源池，分轮次跳闸，实用性强，利用率高，集成3 方协同管理的软件平台和边缘优化模块，保障企业安全、智能、绿色用电，推动新型电力负荷管理系统广泛应用。

4 系统建设要求与政策需求

4.1 新型电力负荷管理系统建设要求

为适应能源电力供需发展新形势，统筹开展新型电力负荷管理系统建设。首先，明确系统功能定位，以“政府主导、电网实施、用户配合”为原则，推进负荷资源统一管理、调控、服务，实现负荷精准控制和负荷侧柔性资源的灵活需求管理，提升能源消费服务水平、保障电力供应安全。

建设范围方面，电网企业通过管理系统开展负荷统一管理，报装用电容量在10 kV（6 kV）及以上的高压电力用户全部纳入负荷管理范围；系统建设性能方面，建设可在管理时间尺度、精度、准确度等方面与电力系统调度系统对接的管理系统。

同时，明确各方责任，多方协同，充分发挥系统作用，实现各类负荷资源的全接入、全监测、全管理和全方位服务，电力需求管理常态化，聚焦用户降本增效需求，优化资源配置，提升用户服务能效。电力部门方面，各级电力运行主管部门出台配套政策，组织指导电网企业开展负荷管理系统建设运维，电网企业依法依规根据用户负荷特性、生产特性等建设运维的具体实施，常态化提供用户负荷分析优化、需求响应、安全用电等服务。电力用户方面，主动配合开展系统建设运维。

最后，在保障系统运行安全方面，以各级电力运行主管部门为主导，建立健全管控制度、完善监管手段、提升监管能力，地方上通过通信系统开展常态化信息安全监督、负荷管理系统和负控装置监督检查；电网企业健全系统安全防护管理制度和风险管理，建立应急保障预案，科学有序推进负荷管理系统建设；用户侧，一方面对于生产设备，基于客户负荷控制能力，结合负荷控制智能分解策略，开展负荷分轮次接入安全分析，形成企业生产安全性约束，导入新型电力负荷管理系统的高级应用的控制约束或优化约束中；另一方面，对于企业、工厂安保负荷，在客户侧调研、摸排、勘察时厘清保安负荷和可控负荷，坚决避免保安负荷接入控制回路，积极配合控制回路建设。

4.2 新型电力负荷管理系统政策需求

在完善电力需求侧管理工作体系和建设管理体系过程中，针对装置安装、开关控制、运维责任、安全责任、管理系统运行机制等方面，促请政府出台相关制度、政策，建立常态化工作机制，协调系统运行维护体系。

各级电力运行主管部门方面，依法组织制定、修订电力负荷管理相关国家、地方、行业标准，鼓励电网企业和有关单位制定电力负荷管理企业、社团标准，建立健全相关技术标准体系。资金方面，通过多渠道筹措电力需求侧管理资金，创新商业模式，鼓励社会资本参与电力需求侧管理；加大对负荷管理系统的资金支持，落实负荷管理系统建设和运行维护经费，保障系统按期建成和建成后稳定运行。

电力企业方面，授权电网企业成立实体化的负荷侧管理中心（负荷管理中心），有序用电范围的全量客户分轮次接入控制回路，实现主站与子站的互联互通、信息交互和共享、用电在线监测、负荷远程管理、数据统计分析、用电安全支持、需求响应与有序用电等功能，并且建立突发事故应急机制，保障系统平稳运行。资金保障方面，安排专项资金用于系统建设、升级改造和运行维护。负荷管理系统平台及装置的建设、运行、维护专用资金纳入各地输配电价成本核算，将有助于快速推进新型电力负荷管理系统的推广应用，降低用户终端更新和安装的经济负担。

用户方面，确定负荷管理范围、管理能力、启动条件及控制策略等。执行相关政策和制度，激励电力用户参与常态化负荷侧管理，协调解决系统运行过程中相关问题。依法合规操作控制开关，并向政府电力主管部门及能源监管部门进行常态化报备。

5 结束语

本文对电力负荷管理系统进行整体性回顾，提出支撑负荷侧资源柔性调控组网架构，分别对物理层分级、通信层灵活通信及软件层的用户-智慧能源单元-系统平台协同管理做梳理和研究。其次回顾了智慧能源单元研究进展，提出“硬件模组化、软件容器化”系统架构，针对柔性资源调控方式提出多功能负荷管理开关设想。最后以企业碳排放管理和有序用电为例作适应性研究，提出系统建设要求及政策需求，为国内负荷侧资源柔性调控提供参考。D