省级电网智慧能源需求响应系统设计

张 毅，柏 青

（国网新疆综合能源服务有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引 言

近年来，随着我国电力行业的不断创新，电网建设得到了充分的发展，逐步将各个领域、区域的电力结构关联在一起，为人们日常的生产生活提供便利条件[1]。但在上述背景之下，由于人们对于电力的需求逐年增大，致使能源的缺口加大，各种各样的问题逐渐显现，对电网后续的建设和完善造成一定的阻碍[2]。为加强对能源需求相应的控制和了解，采用相应的系统作出限制和标记[3]。

传统的电网能源需求响应系统虽然可以完成基础的执行目标，但是存在一定的缺陷，对于需求的识别和定位容易受到外部因素的影响，增加了响应的时间，导致耗时较长，影响了日常电力调度工作的执行[4]。基于此，需要对省级电网智慧能源需求响应系统进行设计与验证。省级电网系统的覆盖面积较为广泛，因此对于能源的需求量也会更大一些，需要提高系统整体的响应度。在不同的电网环境下，针对外部因素的变化，构建更加灵活、多变的系统响应程序，为后续电力行业的进一步发展及能源需求的升级处理奠定更为坚实的基础环境[5]。

1 系统总体结构设计

与普通电力调度系统不同的是，省级电网智慧能源需求响应系统的覆盖面积相对较广，所以内置的执行结构也会更加复杂[6]。该系统的设计主要以智慧电网作为核心设备，能源调度、需求划定平台为辅助，形成全方位、覆盖式的动态化监控[7]。系统的结构主要可以分为电网调度模块、能源需求分析模块、能源预警响应模块、分工执行模块等，每一个模块之间均是独立的，且在应用的过程中存在特定的联系。根据实际的系统配置和响应需求，利用数学模型进行调整和全工况分析，建立动态化的执行程序，以基础的能源需求指令和目标作为引导建立整体的系统拟合响应流程。在此基础之上，还需要进行预警节点的布设，进一步优化系统总体的应用结构，为后续系统的设计奠定基础条件。

2 系统硬件设计

2.1 FPGA感应芯片设计

在基础的电路中接入一个动态化感应器，导入引脚资源，利用ARM处理器搭接1个传输端口，构建1个特定的感应空间。在此空间中建立1个小型的控制电路，接入现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）感应芯片，同时依据电网的执行单元及频率增设12个引脚，并与嵌入式乘法装置相关联，通过4个锁相环（Phase Locked Loop，PLL）设定该电路的闭环接口，使用 IO口连接外部的控制装置，实现双向电路的同步执行。

在FPGA感应芯片的后侧安装一个触发开关，加强对系统硬件结构的总体控制效果。在此基础之上，利用JTAG 接口扩大FPGA感应芯片的覆盖描述范围，营造更加稳定的硬件电网能源异常感知环境。

2.2 ADC预警触发模块设计

系统中接入FPGA感应芯片后会形成一个循环的小型应变电路，连接复合控制电源的同时，结合系统的应用需求及标准组建ADC预警触发模块。由于该系统主要是针对于电网能源需求响应进行设计的，因此在硬件设计的过程中必须具备较强的预警响应针对性。系统的控制电路采用ADC配置的串行形式，转换电路的执行时序，在小型控制电路中接入1个CNVST控制器，以AD7663引导装置作为触发启动开关，配备2个SPI定向接口，将RDC/SDIN作为串口的控制设备，形成ADC前端通路，具体如图1所示。

图1 ADC前端预警触发通路设计图示

建立前端的触发电路，并在主控位置接入1个稳压器，为ADC前端的触发模块营造稳定、安全的运行环境。随后，为提高预警触发模块的感应灵敏度，还需要增设1个CS装置，利用信号线将各个区域的预警电路相连接，便于控制。在小型电路中接入1个微处理器，与触发模块实现串联控制状态，完成对ADC预警触发模块的设计。

3 系统软件设计

3.1 联供需求响应指令集群设计

利用设计的系统硬件作为执行基础，为提升系统的应用效率和质量，重新设计需求响应指令集群，通过实际的能源监测情况，设定具体的要求及标准，设计系统相关的软件。针对不同的电力能源，需要设定对应的目标函数，并计算出能源的权重系数，具体公式为

式中：H为能源权重系数;ℑ为监测范围；β1为预设动态化等效预警时间；β2为静态预警时间；α为非权重系数。通过上述计算，最终可以得出实际的能源权重系数。根据得出的数值，可以划定对应的能源需求响应重点。根据电力建设的需求及能源响应的标准，构建指令集群的执行流程，具体如图2所示。

图2 需求响应指令集群执行结构图示

根据图2，将不同层级的指令汇总在一起，形成具有多元同步的指令集群在此基础上，设计联供需求汇总程序，以电网能源的异常信号或者缺失信号作为引导形成预警，与硬件中的需求预警装置相结合，形成动态化的响应设备，进一步优化联供需求响应指令集群的实际应用效果。

3.2 静态Web需求数据库设计

利用指令集群营造软件的应用环境，搭建多层级、动态化响应的数据信息传输信道，采用静态Web技术，关联省级智慧电网，构建能源需求响应数据库。设计一个能源需求信号捕捉程序，针对于智慧电网中的异常信号进行采集和汇总。对信号解析，利用Web技术，构建静态的需求整合环境，并在基础的数据库中增设对应的响应预警协议和程序，并计算出复杂情况下需求数据库的交叉响应概率为

式中：U为交叉响应概率；ℵ为能源波动比；ℑ为静态执行速度；ℑ2为重叠指令执行速度；К为单向需求执行耗时；φ为数据库响应传输距离。通过上述计算，最终可以得出实际的交叉响应概率，针对于数据库需求的增加，不断调整静态Web的覆盖范围，最大程度降低交叉响应发生的概率，优化数据库的应用效果。

4 系统测试

本次主要是对省级电网智慧能源需求响应系统实际应用效果进行分析和验证，考虑到最终测试结果的真实可靠，需要选定H省电网作为测试的主要目标对象。测试以比照的方式展开分析，对得出的结果进行深层次的验证研究，需要进行系统测试环境的搭建。

4.1 测试准备

在对省级电网智慧能源需求响应系统实际应用效果进行分析和验证之前，需要先搭建相应的系统测试环境。针对于H电网的日常应用情况，进行系统有关能源环境参数的设定，具体如表1所示。

表1 系统能源环境参数设定表 单位：kW·h·kg-1

根据表1，对系统的能源汇总程序和指标参数设定完善，调整电网的执行模式和结构，预设需求响应指令集群，扩大响应的范围，营造稳定、安全的响应环境，完成测试环境的搭建。

4.2 测试过程及结果分析

根据上述搭建的测试环境，结合H电网的运行现状，对能源需求响应项目测定分析。利用系统所布设的监测节点捕捉能源异常信号，进行多维解析，随后，设定3个测试时段，针对煤、天然气、太阳能进行需求响应耗时测定，计算公式为

式中：M为需求响应耗时；π为响应预设范围；μ为转换比；τ为能源异常标准值；i为响应次数；χ为捕捉频率。通过测试，最终的测试结果如表2所示。

表2 测试结果分析表 单位：s

经过三个时间段的测试，针对于煤、天然气、太阳能能源的需求响应耗时均控制在了1.5 s以下，表明该系统的适用性相对较强、误差小、灵活度更佳，具有实际的应用价值。

5 结 论

综上所述，便是对省级电网智慧能源需求响应系统的设计和分析。本次设计的系统自身具有更大的优势，对于能源需求的感知速度更快、可控性较高，具有更好的规律性。与此同时，针对于省级电网系统的构建，需要结合实际的能源需求环境和标准，设计更加灵活、多变的需求响应程序，在复杂的环境下，可以进一步加强对天然气、太阳能、水源的发电效果，提升能源发电的整体占比，在优化需求响应系统的同时，推动我国电力行业逐渐迈入一个新的发展台阶。