基于电力大数据的供电服务指挥平台构建技术研究*

武国亮，王瑾，宋涌平，王琼

(国网介休市供电公司,山西 晋中 032000)

随着配电网中网架结构、设备类型、数据容量日趋复杂庞大,其接入的不同类型用户对供电范围、供电质量、用电性质以及安全可靠性的要求千差万别。此外,由于外界天气环境等信息的不确定性,对供电设备的工作环境适应性能产生了较大影响[1]。为了实现供电服务的智能指挥与决策,保证供用电系统安全可靠,亟需开发低成本、有技术竞争力、强数据支撑的智能电力供电服务指挥平台,以推进智能配电网的自动化建设[2]。

目前的实际供电服务指挥系统仍处于半自动化的发展状态,主要依据专家经验进行人工决策,对数据的加工与利用程度较低[3]。在国内,以国网公司运检、营销及调度专业现有业务为基础,构建“信息汇集、一口对外；过程督办、协同指挥；事件稽查、风险预警；全景分析、综合评价”的供电服务指挥应用,然而在实际操作过程中存在信息化平台多样化导致多源数据难以集成、营配难以一体化等问题[4]。在国外,通常在售电侧市场中引入竞争机制,赋予电力用户自由选择权[5]。电力公司针对不同的客户群体,根据用途、用电量、用电时段和季节制定不同的电价策略和个性化的服务。然而电力公司业务范围较为狭窄,难以获得全网准确全局信息,以提供高级应用。同时,不同的业务系统之间存在明显的专业隔阂,各个业务子系统之间信息不能共享交互,形成了一系列信息孤岛[6]。因此,需要全面融合目前离散的信息资源,对电力大数据进行统一收集、归类、筛选、加工,对电力业务进行关联分析与最优决策,搭建基于电力大数据的整体供电服务指挥平台[7]。

配电网供电服务指挥平台以功能强大、高兼容性、扩展性强的硬件系统作为基础,以统一调度的平台构建技术与协调控制的软件架构作为支撑[8]。平台既具备完善的基础功能,如数据库管理、加密设计、权限管理、安全告警、数据接口、终端交互等功能,也能实现包括配电网运行监控、运行管理、安全监测、用电分析、分布式能源协同控制等高层应用的一体化运行[9]。通过对不同业务的整合再加工,搭建融合多种营销、检修、调度等应用子系统的统一平台架构,实现配电网自适应安全控制,保障配电网安全运行。

地县供电服务指挥平台是加快推进供电公司集约化、专业化、扁平化协同一体化管理模式的重要决策。平台以电力大数据技术作为支撑,实现用户精准服务与安全态势专业评判,实现不同电力业务的整合与再应用。通过海量数据与实际电网机理联合驱动,能够对营销、调度、检修等不同大类业务之间的数据关联性与因果关联性进行挖掘,分析电力网络中的复杂状态关联性[10]。本算法对电力数据进行加工、利用与反馈,生成一系列以用户需求为导向的服务指令,实现全天候的用户服务响应与现场状况安全监测[11]。

本文的结构主要分为以下几部分:第一节对配电网中目前数据特征与应用现状进行分析,说明供电服务平台需要有力的大数据分析技术支撑。第二节对所提供电服务指挥平台设计的基本原则进行了归纳,第三节对平台的软件、硬件及数据结构进行介绍。第四节以智能负荷参与电网需求响应,维护电网潮流稳定为例,介绍所提平台的应用场景。最后对本文进行了总结与展望。

1 供电服务指挥平台构建关键技术

智能供电服务指挥平台的建立需要考虑目前电网实际调配过程中的一系列痛点问题。随着目前配电网中分布式电源与柔性负荷不断接入,以及信息通信技术的深层应用,配电网中能量流、信息流与业务流的高度融合对配电网智能、安全、可靠、高效运行控制带来了很高的技术与管理难度[12]。根据实际运行控制的需求,需要改变传统供电服务指挥系统的架构,实现平台化的设计与管理,实现平台与广大多源异构终端的自动对接、识别与信息交换技术,特别是对海量数据的处理技术[13]。

配电网中的电力大数据的特征为数据规模大、数据类型多、状态变化快与价值密度低等特征[14]。随着目前用户侧智能表计布点越来越广泛与采样频率越来越快,以及累积的历史数据,电网中的数据量越来越大,数据结构类型也随着采样方式的丰富而更加多变。在这样的情形下,数据中涵盖了绝大部分无效信息,导致真正反映电网关键运行态势的有用信息被淹没,难以挖掘数据价值。因此,如何利用好海量多源异构的电力大数据,挖掘数据中反映出的电网运行问题,迅速决策出最优的安全控制方法,是构建智能供电服务指挥平台的关键[15]。

此外,供电服务指挥平台需要从配电网与用户侧角度对数据处理、潜力分析、模型建立、优化策略制定、控制策略制定和恢复策略制定等环节进行研究。

统一信息平台可以确保上述三部分功能的互联互通和实时共享,保证三部分“业务模型、信息模型、数据模型、安全架构”的四统一[16]。统一信息平台主要需要开展以下工作:一是结合分布式能源、电动汽车、智能家居等新兴业务,构建统一的数据模型,编制规范的数据交互接口；二是完成数据全量接入,进行统一存储和分析计算,提供公用的数据模型服务。同时在通信网建设方面,要实现各种业务的泛在接入,需要建设以光纤专网为主、无线专网为辅、多种通信方式并存的终端通信接入网络,以此来提升配网自动化、用电采集、大用户和海量微负荷用户的通信安全和传输速率,构建统一、泛在的终端通信接入网。

2 总体方案设计

支持统一数据接口、开放式通信、多源异构设备即插即用的配电网供电服务指挥平台需要结合配电网实际运行控制,面向配电网营销、运维、调度、检修工作人员,适应海量电力大数据存储与处理需求,支撑配电网日常配调业务需求。应用机器学习与大数据研究技术,提高电网馈线自动化、紧急情况处理以及分布式能源协同控制能力,使得配电网供电服务的业务响应时间、实用性达到国内先进水平。基于组件的面向服务架构的思想,对外提供统一的交换服务、模型服务、数据服务、图形服务和应用服务,构建面向应用、高度开放、可灵活扩展的资源共享平台,支撑配电网调度、生产指挥等的业务管理需求,保障配电网的安全、经济、优质运行。

配电网智能供电服务指挥平台的设计原则如下:

(1)一体化原则

平台能够统一兼顾信息管理大区与运行控制大区的信息资源,不仅可以支撑配电网信息收集整合、可视化管理配电网整体运行状态,同时进一步满足配电网各类电力信息业务交互、数据融合、统一管理等需求,从而实现调配一体化、配网地县一体化。

(2)流程精简原则

从模型匹配角度,平台能够对新增的设备进行自动匹配,降低人工审查难度；从设备接入角度,平台需要对不同类型的设备与终端进行自动接入,实现即插即用；从人机界面角度,平台需要对不同电力业务展示界面进行高度集成,减少冗余信息干扰,使得各类告警等重要信息能够以更加清晰明了的方式展现,化简分析流程,提高工作人员工作效率。

(3)未来预期原则

智能供电服务指挥平台不仅需要考虑当下的目标电网规模与拓扑,且同时要对未来5～10 年电网结构、规模、新技术与新设备进行预测,从电网角度分析未来电网变电站、线路、配变设备等发展水平,从外部因素分析人口、用电水平、经济发展水平等相关因素的态势,从而充分考虑在动态发展环境下的配电网规划需求,提出适应远景发展下的平台构建方案。

(4)可扩展原则

智能供电服务指挥平台支持在已有地区调度自动化系统基础之上,能够方便、安全、快速地升级、扩建配网相关功能。模块功能分为基础功能与开放功能,缩短技术开发与实际应用之间的周期,达到前期研究结果能够智能反馈并应用于后期研究的改进过程,从而实现平台的迅速迭代与自我优化进程。

3 平台架构分析

智能供电服务指挥平台的功能主要分为配电网安全监控、配电网运行管理和配电网分析应用三大类,其软件与硬件架构在下文中介绍。

3.1 软件架构

平台基于统一调度管理技术,实现跨区应用,实现“一个统一平台,三套业务体系”。具体结构如图1 所示。

图1 平台软件结构

安全监控软件系统是配电网实时运行调度与监控业务的核心支撑。基于一二次接口融合与信息融合机制,实现配电网实时监控、安全监管以及分布式能源协调控制,实现配电网安全防护与故障恢复,保障配电网安全可靠运行。

运行管理软件系统主要用于支撑配电网的实时调度管理功能,主要包括可视化管理、终端设备管理、数据分析统计与调度指令下发等业务。除此之外,该软件系统还负责与其他业务系统进行实时交互、信息接入、数据共享与场景联合分析,从而实现基于电力大数据的统一配电网运行调度进程。

分析应用软件系统包括各类电力物理侧业务应用,包括潮流计算、状态分析、解列分析等应用。通过IEC 61850 标准采集广泛分布的配电网潮流运行数据,利用配电网状态数据和运行数据统一分析配电网运行态势,实现实时态势感知,从而为配电网运行和检修过程提供辅助决策,支撑配电网安全与经济运行最优策略求解。

此外,软件系统还包括关系数据库、实时数据库、进程管理等软件,其中关系数据库用于存储电网静态模型及相关设备参数、系统配置、告警和事件记录、历史统计信息等需要永久保存的数据；实时数据库用以提供高效的实时数据存取；进程管理用以监控应用进程的运行情况,可根据进程的重要性级别制定不同的管理策略。

3.2 硬件架构

系统的硬件组成部分主要为工作站、服务器、网络通信设备、防火墙与传感器量测设备。依据不同的硬件配置、系统规模、延时需求与性能需求,各工作站与服务器可按子模块组装的形式合并成需要的规模与组织结构,以虚拟地址的形式进行逻辑调用。

基于不同硬件设备的组合,平台可主要分为安全生产采集区、安全生产监控区、用户信息采集区、用户信息监控区以及统一服务指挥区。系统纵向与横向区域之间均设置了安全防护模块,其中,纵向的数据传输采用防火墙或者数据加密装置进行安全防护,横向的不同网络大区之间采集正反向物理隔离装置进行高层防护。从而保障网络中某一区域的安全风险不会传播蔓延至其他区域。平台采用面向服务的体系架构,为各类应用的开发、运行和管理提供通用的技术支撑,为整个系统的集成和高效可靠运行提供保障,为电网生产控制大区和生产管理大区横向集成、纵向贯通提供基础技术支撑。平台的硬件结构如图2 所示。

图2 平台硬件结构

(1)安全生产采集区

该区主要面向配电侧分布式电源、配电变电站等中压区域,通过在电网部署RTU、PMU 等量测单元,通过遥信与遥测功能对电网重点区域态势进行采集。

(2)安全生产监控区

该区是安全生产采集区的上层监控应用区,负责对配电网整体运行状态进行实时监控、安全评估与控制策略下发。

(3)用户信息采集区

该区主要面向负荷侧的低压用户区域,主要负责对用户用电数据如功率、电压、电流等进行采样,为每类用户精细刻画用电行为画像。

(4)用户信息监控区

该区是用户信息采集区的上层监控应用区,负责分析用户用电行为,保障供电质量,提供用户服务。

(5)统一服务指挥区

该区可汇总以上分区的数据流与业务流,通过统一的服务指挥平台,对电力数据进行综合分析决策。

3.3 数据架构

智能配电网中存在多个数据源与业务信息管理系统。根据采集数据的类型,主要分为安全生产数据与用户信息数据。根据采集数据的区域,涵盖了配电变电站、开关站、负荷侧表计等配电与用电区域。根据业务种类,包含调度、检修、营销等多个业务。根据数据原始程度,可以分为基础数据、运行数据与管理数据。数据源的种类如表1 所示。

表1 平台数据来源

4 算例分析

4.1 智能负荷响应控制方法

基于智能需求侧响应技术的发展,利用供电服务指挥平台,融合广域电力信息,本节提出了智能化的负荷有序响应控制方法。在智能电网环境下,考虑本地信息、广域信息、设备状态、潮流特征等海量电力数据,实现了智能终端设备主动响应功能和多信息交互协调优化。从而在电网处于紧急情况时,利用数据来优化需求响应算法,匹配最合适的负荷响应资源,实现电网的故障自愈与恢复控制。

基于多级电力数据,负荷需求响应的采集、传输、协调与控制过程如图3 所示。可以发现,供电服务指挥平台可以同时利用生产侧潮流、设备信息与用户侧负荷响应信息,从而综合得出最优方案。

图3 负荷响应控制信息链路

其控制流程如图4 所示,主要步骤为:

图4 负荷响应控制流程图

(1)变电站实时监测系统线路潮流功率,当出现扰动使得线路功率高于安全值时,引发负荷响应控制方案主动投入工作。

(2)通过部署在各负荷点的智能电表,将参与主动响应的负荷容量及响应速度等信息上传至供电服务指挥平台协调控制中心。

(3)平台通过汇总不同区域的实时频率、电压、有功、无功等状态信息量,与该地点负荷响应能力匹配,计算确定最优化的负荷响应量分配方案。确定当前工况下需要投入的负荷量。

(4)将优化后的负荷恢复策略下发至各就地装置。就地装置接收指令,更新每轮动作值,经过一定延时后动作切除响应负荷。

(5)平台重新收集线路潮流功率,如果达到安全要求则保持该方案不变；如果仍未达到要求则按更新后的差值进行新一轮的负荷响应控制流程,直至系统满足安全裕度要求。

4.2 IEEE33 节点系统算例

本算例以IEEE33 节点配电网为例,介绍负荷需求响应在配网潮流治理中的作用,系统如图5所示。

图5 包含可控负荷的IEEE33 节点系统

在原始数据的基础上,设置在节点4、18、20、24与29 分别有四个智能可控负荷,节点的总负荷及可控负荷比例如表2 所示。

表2 可控负荷及其比例

当网络中由于节点负荷过大,发生线路堵塞时,需要对配电网潮流拓扑进行分析,制定安全经济的潮流调度计划。与被动切负荷相比,基于智能表计可以分析得出网络中的可响应负荷,采取主动需求响应的方法,可以在成本最优的情况下,有效缓解线路堵塞程度,最优化系统安全裕度,优化结果如图6所示。

图6 响应前后线路功率变化

负荷响应前后线路潮流变化幅度如表3 所示,为了验证算法有效性,以传统只切除线路过载最严重处的负荷情形进行对比。可以看出,通过智能负荷响应控制算法,与传统算法相比,配电网中各条线路功率均有较大幅度的降低,从而保持配电网线路的潮流安全裕度。

表3 响应前后线路功率下降程度

5 总结

本文通过对海量多源异构电网数据的集成方式与其信息交互算法的分析,提出了构建智能供电服务指挥平台的方案。从关键技术、平台架构与应用场景角度,本文对智能供电服务指挥平台的大数据分析技术、网络一体化技术、跨区协调控制技术以及高层业务应用进行了详细介绍。从负荷侧入手,挖掘大量可控负荷在需求响应与配电网潮流控制中的潜力,运用服务指挥平台对考虑大量负荷与潮流数据的配电网进行统一负荷响应调配,从而实现配电网安全稳定。

在未来研究中,需要对供电服务指挥平台的功能进行进一步拓展,对各类业务进行深度融合与下沉应用,并对数据进行全生命周期管理,实现供电方与用电方的双向互动与资源共享,最大化用电体验与用电质量。