考虑安全约束的地区电网精益化源网荷柔性互动控制系统

孙丰杰，汲广军，撖奥洋，刘 强，张子衿

（1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛 266002；2.南瑞集团有限公司，江苏 南京 211106）

0 引言

传统电力系统的技术特征、运行机制、基础设施均将发生革命性的变化，在新型电力系统的构建过程中，将催生大量新技术、新业态，电力系统“源网荷”生态发生重大变化，能源生产端形成多元化清洁能源供应体系，以风电、光伏等新能源发电为供应主体，化石能源电源的功能变为兜底保障、调节与支撑；电网侧呈现交直流混联大电网与多种形态电网并存的格局，传统大电网与局域网互补共生；负荷侧电气化水平大幅提升，用能模式向多能互补、源荷互动发展，传统的“源随荷动”调度模式已开始向“源网荷储协同调度控制”模式转变［1-4］。

“源网荷储协同调度”模式包括源源互补、源网协调、网荷互动、源荷互动等［5-11］。源源互补是通过不同电源间的出力时序特征和频率特性进行互补来促进可再生能源的消纳。文献［12］针对未来配电网将会出现的智能软开关和传统联络开关并存的情况，提出了一种联络开关和智能软开关并存的配电网运行时序优化方法。文献［13-14］提出了基于模型预测控制的多时间尺度动态优化调度，长时间尺度下计算出优化参考值，短时间尺度下进行滚动优化，从而降低可再生能源波动的影响。网荷互动是在需求响应机制下利用柔性负荷参与电网的辅助服务以促进电网优化运行，如参与电网无功优化进行电压调节、参与有功优化进行频率调节、参与有功优化缓解与主网交换功率的波动、减小网络损耗等。源荷互动是通过利用柔性负荷、需求响应来调节电网峰谷差和促进可再生能源消纳。目前，在源荷互动方面开展了可行性及效益分析、商业运作模式和政策机制、协同规划模型、调度算法研究、试点实施等工作［15-18］。

现有的源网荷协同调度控制策略制定时，鲜有考虑电网安全稳定约束方面，在策略的制定和执行过程中也未进行控制策略的安全校核，并且大多数研究停留在理论实验阶段，并未能进行实际的系统研发和应用。从电网安全角度出发，优先考虑用户调节意愿，计及电网安全约束调节，提出按调节速率、用户感知程度最低、经济代价最优等原则制定控制策略的方法，并在控制策略下发前进行安全校核，研发精益化源网荷柔性互动控制系统，在青岛电网进行部署示范，成效显著。

1 精益化源网荷柔性互动控制系统总体架构

精益化源网荷柔性互动控制系统部署在青岛电力公司调度中心安全III 区，实现青岛地区级电网源网荷储的柔性互动，同时能够接收省调控制命令，响应控制。系统总体架构分为3层，如图1所示，分别是感知对象层、支撑系统层和决策控制层。感知对象层部署了用户侧的各类感知终端，通过感知终端全面感知出线开关、电动汽车充电桩、储能、微电网、出线开关、可控负荷等运行状态，采集运行信息，然后把各类数据送往支撑系统层（数据管理平台），感知对象层数据采集上送时，为确保信息安全，建立安全缓冲区，实现内外网数据的隔离缓冲。支撑系统层包括各类系统平台的主动支撑，如能量管理系统（Energy Management System，EMS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、工程生产管理系统（Power Production Management System，PMS）、配电管理系统（Distribution Management System，DMS）等，为精益化源网荷柔性互动控制系统提供基础信息；同时具备数据中台功能，能够对原始采集数据进行初步过滤、清洗、聚合、质量优化和语义解析等操作。支撑系统层把处理过的数据上送到精益化源网荷柔性互动系统调度平台的控制系统层。在控制系统层，对多元数据进行整合、分析、决策与展示，满足业务的各种需求。决策控制层同时支持指令下发，能够将调控指令下发到DMS、负控等系统间接执行，或直接将指令下发到控制终端，实现秒级的精准负荷控制。

图1 精益化源网荷柔性互动控制系统总体架构

系统实现各类可中断客户、储能、充电桩等可调资源全面接入调度系统，增加电网运行可控手段；实现对实施范围内源、网、荷运行信息的全景监视，提升了调度运行人员的感知能力；尊重参与用户的调控意愿，引导不同电力用户参与电网互动。系统能够考虑用户的控制意愿，计及控制代价，在满足全网调峰约束、安全约束等前提下，以电网收益最大化为控制目标，制定协同控制策略，实现全网优化控制，促进源、网、荷可调可控资源的高效应用；采取调、切控制措施相接合，实现电网柔性调峰控制，促进新能源消纳。

系统应用软件功能如图2所示。

图2 精益化源网荷柔性互动控制系统功能

1）多源数据获取及整合功能，实现电网泛在信息、实时数据、计划数据以及参与调控意愿信息的获取与整合，包括多源外部数据获取、实时数据整合、计划数据整合、参与调控意愿信息整合等功能模块。

2）基于互动信息的电网调峰决策与控制功能，实现电网调峰需求的计算、调峰资源分析、调峰决策，下发调峰指令并监督执行，包括调峰控制需求计算、调峰可用资源分析、调峰策略优化、用户调峰能力修正、调峰控制策略下发、调峰效果评估、调峰执行情况监视等功能模块。

3）电网安全决策与闭环控制功能，实现电网设备和断面的过载安全分析、优化决策与校正控制决策，包括实时态设备/断面过载分析、校正控制可用资源分析、控制措施指标计算、调度运行优化控制、实时态过载校正控制、控制策略下发、控制执行监视等功能模块。

4）信息综合展示功能，实现源、网、荷设备运行状态、量测量、统计量信息的在线监视、查询与展示，主要包括泛在量测信息实时监视、泛在信息统计分析、控制效果综合展示等功能。

2 海量可控资源的安全接入与聚合管理

2.1 外网可控资源安全接入缓冲区

海量可控资源分散在不同地理区域，源网荷柔性互动实现的关键在于依托高速通信网络技术将其接入到调度侧，实现资源的可观可控，可控资源大多分布在公网，如何将海量可控资源统一安全接入到电网内网中是需要解决的关键问题。本文在应对传统电力监控系统网络安全问题的基础上，直面互联网安全和云安全，应对公司内网管理信息大区和互联网区数据交换的网络安全形势，在横向边界和数据交换校验上充分考虑来自互联网大区的网络安全问题，部署互联电网安全接入缓冲区。物理隔离方面，加装安全隔离装置，实现电力内网和电力外网资源的物理隔离，做到通信网段的硬隔离。通信加密方面，在接入海量可控资源时使用安全认证加密方式，只有经过认证的可控资源才可与安全缓冲区服务建立链路，链路通信时基于HTTPS（超文本传输安全协议）加密协议进行数据通信，实现上、下行数据的安全加密传输。

以青岛特来电云平台为例进行说明，如图3 所示，青岛特来电云平台负责管理青岛区域所有特来电充电桩资源，特来电云平台与青岛地调通信通过有线网络，通信协议采用WebService 协议，通信支持上行和下行服务。上行通信服务将特来电采集的充电桩信息经过SSL 加密上送到安全缓冲区，再经过信息内外网隔离装置传送到青岛内网；下行通信服务由青岛调度方发起，命令穿内网隔离装置后下发到安全缓冲区，再经过SSL 加密下发到特来电云平台，典型的上下行服务字段如表1—表2所示。

图3 互联电网安全接入缓冲区

表1 平台上行命令

表2 平台下行命令

2.2 海量可控资源聚合管理

项目拟接入的泛在控制资源包括：居民负荷、非工空调、充电桩、储能设备4 类，接入哈工程人才公寓514户可控负荷，如图4所示。

图4 海量可控资源接入概览

接入的海量可控信息种类多，厂家也各不相同，需对这些海量可控信息进行聚合与建模，统一进行管理。针对充电站、储能、可调度负荷和非工空调等信息建立统一的模型，每类可控信息包括台账信息和量测信息，这里以充电站为例说明，分析充电站组成要素，构建台账数据、量测数据和下发数据模型。模型数据包括资源ID、名称、控制类别、控制平台、所属区域、编号、电压等级、并网变电站、充电站数量、充电桩数量、额定容量、更新标识，当台账信息改变时，终端推送变更标志，平台召唤更新台账信息。量测数据包括资源ID、量测时标、质量码、是否可控、有功值、有功上报值、功率上调上限、功率下调下限、上调代价、下调代价等信息，更新频度为分钟级别。下发数据包括控制时标、控制类别、控制平台码、控制模式、分区ID、台区ID、有功指令值，当需要对充电桩进行控制时生成下发指令。

2.3 基于调控终端的边缘控制

对于没有控制云平台的可控资源，设计边缘调控终端装置，边缘调控终端电力物联网边缘侧终端接入与管理设备，完成精益化源网荷柔性互动控制系统在边缘侧的设备接入、数据分析计算及控制执行等功能，边缘调控终端根据边缘侧终端接入与管理需求，采用模块化的设计思想，包括设备通信、资源接入、边缘计算、控制、人机交互等功能。

1）通信功能：支持各类通信协议，能够接入可控资源，实现信息采集与控制命令与调度端的通信。

2）异构终端大规模接入功能：源网荷柔性互动控制系统涉及海量用户终端设备，伴随接入设备数量的剧增，边缘侧终端运维管理、灵活扩展和可靠性保障面临巨大挑战，开发兼容多种联接并且确保联接实时可靠的大规模终端接入功能，支持接入设备数量的弹性扩容，支持多接口多协议终端设备。

3）满足业务实时性的边缘计算功能：精益化源网荷柔性互动控制系统的检测、控制、执行的实时性高，部分切负荷功能实时性要求在毫秒级，设计开发边缘计算功能，在边缘侧完成相关的数据分析及任务调度等工作，满足业务的实时性要求。

4）负荷精益化调节功能：依据系统调控需要对各类用户完成负荷线路的切除控制及负荷自动恢复等功能；同时依据系统策略对各类负荷进行动态调节。

5）人机交互功能：人机交互模块综合各类人机交互信息管理，还包括文件解析、人机接口、参数配置等功能。

3 安全约束下考虑用户意愿感知的源网荷储多元协调控制策略

3.1 多元化控制策略

基于充电桩、储能和可调负荷等海量可控资源（用户）实时上送调节意愿、可调空间（上调和下调）和调节代价（上调和下调）等信息，考虑非可调资源的实时信息和计划信息，结合电网安全约束、进行海量可调资源的控制策略优化计算形成控制指令。通过源网荷储的柔性互动控制，能够实现全网、区域或重载设备的削峰填谷和新能源消纳，提升电网运行的经济性。控制策略的制定至关重要，控制策略制定时首先考虑电网安全约束条件，并根据控制需求，系统设计了4种具体的控制策略，如图5所示。

图5 控制策略调整优先级

1）按调节速率控制，在负荷较重且快速增长时，优先选用调节速率快的控制措施；

2）按影响客户感知大小的控制策略，在负荷增长较慢时，优先选用储能和充电桩设备，保障居民负荷和非工空调负荷，提升用户的舒适性；

3）按最优经济代价的控制策略，建立各类控制对象的控制代价信息，在负荷较轻时，优先选用控制代价小的充电桩措施；

4）在前述措施基础上，可进一步采取综合控制策略。

以最优经济为目标进行举例，控制目标为经济最优化，约束条件包括设备调节约束和电网安全约束等。设备调节约束包括储能/充电桩等设备的上调和下调空间约束；安全约束包括主变压器上送能力约束，机组出力约束、电网基态安全约束、电网N-1静态安全约束等，例如电网N-1静态安全约束如下。

给定电网在某一刻，有且只有一条线路j故障断开，则根据电网N-1静态安全约束有

式中：pl.i为故障前线路i的有功功率；pl.j为线路j故障断开前的有功功率；Sj.i为线路j故障断开后，线路j功率转移到线路i的转移比；pi，MAX为线路i的功率上限。

策略搜索制定时，根据各类控制策略的控制代价，优先选择代价低的控制措施，实现经济最优。

3.2 计及安全约束的控制策略优化计算

充电桩、储能和可调负荷等泛在控资源（用户）实时上送调节意愿、可调空间（上调和下调）和调节代价（上调和下调）等信息，青岛地调考虑非可调资源的实时信息和计划信息，结合电网安全约束、进行泛在可调资源的控制策略优化计算形成控制指令并下发执行，实现全网、区域或重载设备的削峰填谷，提升电网运行的经济性，下面以设备过载调峰为例，阐述具体控制策略。

3.2.1 启动条件

计算线路/变压器绕组的负载率η，若η≥80%，启动设备调峰。

3.2.2 控制目标

1）采取控制措施后，全网线路/变压器的最大负载率η≤75%；

2）开启附近控制综合灵敏度较高的可控资源，降低重载最严重设备的负载率。

3.2.3 控制策略

计算控制措施对于降低重过载设备负载率的综合灵敏度指标。

式中：Smn为控制措施m单位有功注入变化引起设备n有功变化量；Cm为措施m控制代价；Wn为设备n的重载程度。

结合灵控制策略优先级和灵敏度指标进行排序，形成控制措施节点队列，采用启发式方法，求出满足各类约束的综合优化调整方案，并对方案进行安全校核，若线路、变压器的负载率满足要求，则作为控制决策结果输出。

4 系统案例

4.1 缓解输变电设备重载

尖峰负荷时段，可查询到负荷侧上传的实时调节空间，根据电网运行需求设置控制目标下发指令，削减尖峰负荷水平，2020 年8 月19 日青岛全网最高负荷创历史最高纪录，全市负荷9 740 MW，北曲站重载，青岛地调在全省地市公司范围内首次利用负荷侧资源进行电网调峰实践，地区电网精益化源网荷柔性互动控制系统根据北曲站重载情况，决定对设备进行削峰工作，搜索周边可控资源，计算控制灵敏度信息，优先选取青岛公交长城路作为控制对象，当时其充电站功率为1 522.76 kW，下调空间1 300 kW，能够在5 min 内削减1 300 kW 负荷，调控下令青岛公交车站长城路充电站充电功率调整到222.76 kW，青岛公交车站接到响应命令，充电功率逐步降低，5 min 后降低到225.65 kW，调整在偏差允许范围内，缓解北曲站1 号主变压器重载情况，确保电网安全稳定运行，相关做法得到大众日报报道。

4.2 降低用户电费支出

胶州上合示范区特锐德园区储能装置（容量2 000 kWh，峰值充电功率500 kW）充分利用峰谷电价政策节省电费支出。夜间负荷低谷与下午负荷平段充电，午间和傍晚负荷高峰时段放电为园区内金工车间供电，每日可为企业节省1 676 元电费支出，每月可累积节省5万元，经济效益十分突出。

图6 青岛公交车站控制效果展示

5 结语

在新型电力系统的构建过程中，传统电力结构、发展模式、利益格局、技术特征等均面临革命性变化，传统的“源随荷动”调度模式向“源网荷储柔性互动”模式转变发展方向，基于此设计考虑安全约束的地区电网精益化源网荷柔性互动控制系统。首先介绍了系统的3 层设计架构，其次阐述了海量可控资源的安全接入与聚合管理技术，创新建立了安全接入缓冲区、实现了海量可控资源聚合管理，设计了边缘控制调控终端，提出了安全约束下考虑用户感知的源网荷储多元协调控制策略，落地到青岛地调，通过该系统，实现了源网荷储各环节运行态势全景感知，基于电网全局优化的协调控制，提升了新能源柔性消纳、负荷精准控制、源网荷储多元协调精益控制能力，打造泛在调度控制模式，提升了调度精益化水平，保障电网安全稳定、经济、优质运行。目前在地调层面只是进行了初步尝试与探索，未来随着更多综合能源体、用户侧储能负荷聚合商和柔性非工空调等可控资源的接入，将拥有更多的柔性调节资源参与电网协调控制，考虑安全约束的地区电网精益化源网荷柔性互动控制系统对于地区电网的源网荷柔性互动探索具有重要意义，系统设计理念超前、技术架构先进，具有代表性和典型性，是新型电力系统建设过程中的重要探索。