面向新型电力负荷管理的多层级动态调控方案设计与技术研究

李 彬，田 珂，陈淑娇，祁 兵，陈宋宋

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074；3.中国电力科学研究院有限公司需求侧多能互补优化与供需互动技术北京市重点实验室，北京 100192）

0 引言

随着“双碳”目标的提出以及新型电力系统的持续推进，以新能源为主体的现代化能源体系正在逐步建立[1]。国家及地方能源主管部门持续鼓励以“需求响应优先、有序用电保底、节约用电助力”为指导思想的新型电力负荷管理系统建设。2021 年10 月，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》（国发[2021]23 号），提出加快建设新型电力系统，到2030 年，省级电网基本具备5%以上的尖峰负荷响应能力。2022 年，《国家电网有限公司关于推进新型电力负荷管理系统建设工作的意见》（国家电网营销[2022]93号）及《新型电力负荷管理系统建设与运行管理办法》[1]文件精神和指示要求，建设好新型电力负荷管理系统，适应新型电力系统发展需求，助力“双碳”目标的实现。

据统计，2021 年我国全社会用电量8310 TWh，同比增长10.3%，其中新能源发电量为2480 TWh，占全部发电量的29.8%[2-3]。分布式能源、柔性电力负荷、储能系统等可调节负荷资源规模的剧增[4-5]，电力系统结构日益复杂，负荷调控问题日益突出，电网供需平衡面临着愈加严峻的挑战[6-7]。

合理高效地利用需求侧资源是源网荷储协同互动、推动新能源消纳的关键[8]。为此国内外普遍开展研究，常规研究方法是基于可调节负荷特性、环境及用户行为进行负荷潜力分析并制定针对性控制策略[9]，或者通过动态电价[10]、广义需求响应[11]等手段挖掘负荷的可控能力。国内部分省份已经开展了需求侧资源可调节能力的普查分析[12]，但是存在普查力度小、精度低、手段僵硬等问题，使得需求侧资源的互动能力难以有效评估。对于大规模种类多样的需求侧资源，仅仅依靠聚合-控制的单级调控方案很难实现负荷的高效利用。目前学者们致力于研究多层级的负荷调控方案。但是新型电力负荷管理系统对多层级调控架构提出了更高的要求，迫切需要更加动态灵活的控制方法来促进负荷的优化调控运行，以提升系统运行效率。

为此，本文针对新型电力负荷管理系统发展趋势进行关键技术展望，依据“横向动态协作-纵向信息处理”的研究思想，对多层级架构进行改进升级，提出面向新型电力负荷管理的多层级动态调控方案及关键技术。通过该调控方案可进行大规模负荷的精细化数据感知及特征分析，根据实际调控需求重构各类负荷，支撑需求侧资源灵活互动，实现电网按需调控及多主体市场交易机制，助力新型电力系统的建设及优化运行。

1 新型电力负荷管理系统下多层级负荷调控架构发展概况

1.1 基本架构

近年来，国内外学者愈加重视对多层级负荷调控的研究，多层级调控方案和架构不断演进升级。最初的层级管理方式是按照高、中、低压的电压结构进行层级划分[13-14]。但由于可调节负荷体量大、地理分布不均，影响负荷控制策略的因素繁多且随机性强，这种层级划分方式显得僵硬落后。随着通信技术的引进以及电网智能化发展，层级划分方式逐渐向智能化方向转变。一些学者提出了两层能源管理结构[15-16]，即上级能源决策者和下级区域管理者通过综合、结构化的能源管理对管辖区域做出最优管控。之后有文献介绍了顶层能量协调、中间层区域管控、底层接收指令/采集信息的三层管控架构[17]，聚合商作为管控主体[18]综合考量各方面因素对负荷进行聚合控制、参与电网调度[19-20]，通过三层管控架构实现全局能量优化和电能供需平衡的方法受到广泛认可[21-22]。文献[23-24]研究了基于云-群-端分层理念建立的集群调控体系架构，该架构可以通过群间协调及群内自治等关键技术进行负荷调控。同样虚拟电厂也是以云-边协同技术为支撑的多层级管控架构[25]。由于多层级管控方式是一种能够方便电网管理、降低信息化系统部署开销的高效管理方式，逐渐成为电力系统管控的主流方式。常见的多层级负荷管控架构如图1所示。

图1 常见的多层级负荷管控架构Fig.1 Common multi-layer load management and control architecture

国内外常见的多层级负荷管控架构划分方式如表1所示，部分国家电力系统示范工程见表2。

表1 多层级负荷管控架构划分方式Tab.1 Division method of multi-layer load management and control structure

表2 多层级管控的电力系统示范工程Tab.2 Power system demonstration projects with multi-layer management and control

1.2 未来发展趋势

新能源并网规模不断扩大，能源形式更加灵活多变，为了助力新型负荷管理电力系统的发展需求，多层级调控方案亟需迭代升级，在上述多层级调控架构的基础上提出未来发展趋势。

1.2.1 区域平衡自治管理

近十年来我国需求侧可调节负荷资源增长迅猛、分布式电源建设规模扩展迅速[26-28]。2020 年新能源发电量达到2215 TWh，新能源的高比例接入对电网供需平衡造成巨大挑战[29]。规模化分布式能源的接入和大规模需求侧资源的爆发式增长，使得电网调控面临“点多面广”的严峻形势，但是目前各类区域资源的管控还属于信息盲区，急需更加灵活智能的调控管理模式。

1.2.2 可调潜力的精准测算

需求侧资源可调节潜力巨大，具备灵活性和可控性，在维持电网供需平衡和稳定性方面的潜力愈加受到关注[30]。但易受环境因素和用户行为影响的可调负荷在不同时域条件下可能会呈现极大差异，给需求侧资源的潜力预测和精准调控带来阻碍；新能源的间接性、波动性特点导致供应端的负荷曲线波动、发电容量及资源可开发潜力难以预测评估，电网调控难度升级。

1.2.3 调度模式的应用升级

目前电网主要通过聚合-控制的方式调控需求侧资源[31]。但传统单一的单级聚合-控制方式不能完全适用于控制颗粒度、精细化要求苛刻的灵活性资源。电力现货交易市场的启动，使得负荷调度方式从以往的集中式、统一化走向市场化、分散化，电力交易模式的转变也对采用多层级管控方式的电网平衡能力造成考验。面对多管控主体参与市场交易的局面，如何确保交易过程的秩序及可靠性，激发市场活性、提高用户参与市场积极性等问题还有待进一步解决。需求侧资源管理调度模式的应用升级将是电网发展的必然要求。

2 新型电力系统下多层级动态调控关键技术研究

根据多层级调控架构的未来发展趋势，依托多层级调控架构思想，助力实现需求侧资源的多区域平衡自治管理、需求侧负荷资源的可调节潜力精细化分析、多层区主体间分布式共识，其发展需求与关键技术的对应关系如图2所示。

图2 发展需求与关键技术的对应关系Fig.2 Correspondence between development needs and correspondence

多区域平衡自治管理是指基于多层级调控架构，通过横向动态协作实现信息交流、跨区聚合、资源征用、电力交易等，对分布式电源及可控负荷进行集中-分布式控制，动态调整用能结构，合理进行规模化需求侧资源的多区域平衡自治管理。需求侧负荷可调节潜力分析是基于多层级间的纵向信息处理并结合机器学习算法进行可调潜力评估预测，提高预测精细度和准确性。根据预测结果进行区域聚合或跨区聚合，确保聚合体满足调控需求，从而优化调控效果。而多层区主体分布式共识是将多层级调控架构与区块链技术结合起来，依靠多主体分布式共识来确保交易过程中的信息透明、安全可靠，实现电力市场交易模式的应用升级。

2.1 多区域平衡自治管理

多层级调控架构克服了目前静态负荷管理控制方式的弊端，着眼于区域之间的互动合作，根据资源特性多样性对负荷调度性能的影响以及对电网调控需求的匹配度，进行多区域间的平衡自治管理；涉及的技术包括多层协作、横向动态协作、跨区等效聚合、资源征用等，管理架构如图3所示。其中云端管控平台具有在线监测、数据分析、负荷预测等作用[32]，与电网调度中心进行信息交互后计算出最小运行方式、排序运行方式、节能调度方式以及电量预测等数据，并根据这些数据分配任务给下层的负荷聚合商进行负荷动态聚合和资源调度。

图3 多区域平衡自治管理架构Fig.3 Multi-region balanced autonomous management

聚合过程可针对不同时空因素及场景需求，选取特定负荷参与聚合调控而使得某项指标最优，比如经济指标、用户满意度、响应速度、响应时长、执行偏差度等[33]。但由于不同地理区域的资源状态与负荷特性存在差异，仅依赖地理区域聚合形成的聚合体很难适应电网的统一调度，故本文提出的负荷动态聚合方案包括区域内动态聚合和跨区动态聚合。跨区动态聚合是一种考虑到负荷特性存在的时域互补性和功能互补性，可通过层级间的横向协作实现多区域间平衡自治的方式。其实现流程是：在地理分区的基础上，负荷聚合商按照负荷特性进行特性分组，再通过聚合商之间的信息交互获取其他聚合商管辖范围内的负荷分组信息。当管辖区域内的负荷资源不足以完成调控任务时，可请求其他区域的负荷资源进行跨区聚合，共同完成调控任务。考虑到供电紧张、供需不平衡问题通常发生在特定的片区，虽然可以多区域聚合负荷，但是当出现意外情况时，只会选择和该片区相关的负荷资源进行动态聚合。比如当某地区电网需紧急调频时，云端服务器可快速下发指令给当地负荷聚合商，聚合商就会按照响应速度对负荷进行快速分组并聚合参与调控，当该区域负荷资源紧张时，可向临近负荷聚合商发出信号寻找合适的资源进行跨区聚合。

基于横向动态协作还可实现多区域间的资源征用和任务转移。比如在需求响应过程中，各边缘智能代理收集终端负荷信息并上传给负荷聚合商，聚合商预估可参与调控的负荷容量。若实际分配的响应任务量比预估容量大，聚合商可向其他负荷聚合商发出差额容量请求进行资源征用，接受请求的聚合商可作为该聚合商的下级备用容量池提供差额补足，以此实现面向全区域的大规模负荷动态实时调控策略。在此背景下，结合区块链技术还可实现虚拟用电权交易等电力交易业务。

多层级调控架构下各层级间控制主体的横向动态协作还可以应用于层级之间的通信调度与互动管理中。通过多层级间的横向协作可以解决协作过程中出现的通信条件不完备、通信链路故障、路由故障等问题，首先云端管控平台通过在线监测及时发现故障，将故障信息传达给负荷聚合商及边缘智能代理，边缘智能代理通过横向信息交互进行动态任务迁移和工作路径重新规划。如果该区域不能及时完成任务，负荷聚合商根据具体情况与其他聚合商进行任务协作，最大程度降低负荷互动通信传输延迟。

2.2 需求侧负荷可调节潜力分析

在进行负荷资源分组聚合之前，需要对负荷进行可调节潜力分析，基于潜力分析结果确定聚合方案，以满足调控需求。目前已有大量文献对负荷的可调潜力分析进行了深入研究，比如通过集群处理和聚合体建模进行可调潜力分析[34-35]以及通过负荷态势感知技术进行建模、模拟，及潜力评估[36-37]，这些技术手段都为本节多层级调控架构下的可调节潜力分析方法提供理论研究与经验、技术支撑。

多时间尺度下负荷资源特性差异及外界环境的变化影响负荷的预测准确度及调控精度，基于历史数据实现的可调节潜力预测难免出现差错，且大量小容量负荷利用率低下的问题在常规调控架构下仍未得到解决。在多层级架构下，通过区域的精细化划分和边缘代理的本地控制，确保负荷的参与率及潜力分析，尤其是大量分散的小容量灵活性负荷，通过动态分区聚合技术及负荷重构技术合理聚合负荷资源，包括同区域聚合或横向跨区聚合，再依靠多层级滚动计算可提高可调潜力分析的精准度，以实现负荷的实时潜力预测，具体过程见图4。

图4 多层级调控架构下负荷可调节潜力分析Fig.4 Analysis of load adjustability potential under multi-layer regulation architecture

边缘智能代理作为网络边缘侧的开放平台，可以基于智能感知技术收集海量负荷数据，并通过数据分析、智能计算等技术手段定性分析负荷参数特性，其架构可分为传感控制层、网络层、应用层。从负荷种类、自身固有属性出发，考虑各类用电单元的负荷特征，可分为互为同种类型负荷但固有参数不同的参数特性、不同种类负荷间的结构特性[38]；参数特性相似的负荷资源可等效聚合并提取其结构特性[39-40]。根据负荷结构特性差异及时空因素，可按照容量大小、响应速度、控制方式等预先进行负荷分组，并将分组情况上传至负荷聚合商层面。负荷聚合商将从边端和云端接收到的数据分布存入参数库，作为约束输入，借助算法模型库并结合机器学习算法进行聚合体的用电行为特征提取[41-42]、用户参与度分析及影响因子对用户参与需求响应的影响权重分析[43]。常用的机器学习算法包括神经网络、支持向量机、深度学习等。最后由云端管控平台来计算可调潜力，并基于可调潜力的评估结果，可以在下一次调控时根据调控需求灵活调整调控策略，以获得更好的调控效果。

2.3 多层区主体分布式共识

可再生能源和分布式发电的大规模并网对电网的安全经济运行带来新的挑战，基于P2P 的分布式能源交易网络受到越来越多的关注，而区块链技术是实现该交易机制的理想技术手段[44]。同时区块链技术已被广泛认作能源互联网建设的重要支持技术[45]，通过分布式共识机制可以保证电力市场交易过程的安全性、透明性，推动能源要素高效配置。部分学者提出将区块链与能源互联网融合来解决多元化能源、用户的涌进对能源互联网管理方式的影响[46]；或者深入研究基于区块链的能源互联网的架构模型，通过区块链技术设计了去中心化的交易模式和调度机制[47-49]。将区块链技术与本文提出的多层级调控架构结合起来可充分发挥区块链技术的应用优势。考虑到需求侧资源同时具备供用能属性，负荷聚合商、边缘智能代理可以全部作为控制主体参与电力市场交易。在此过程中，可以通过分布式共识保证多层区主体电力交易信息的一致性，确保分布式能源交易的安全可靠。

在分布式共识过程中，每个负荷聚合商和边缘智能代理均作为一个独立网络节点，具有记账和储存数据的功能，各自维护一份区块链账本。所有聚合商节点构成一条主链，代表负荷集群参与电力交易，并将各类交易信息记录在账本里；边缘智能代理所在节点构成侧链，负责信息存储和下发；一部分费用信息可以从主链安全转移到侧链，边缘智能代理的侧链信息也可以返回给主链，从而实现双向锚定。各边缘智能代理也可将收集的用户交易信息跨链传递给负荷聚合商，负荷聚合商通过账本记录并与其他节点交换信息。

区块链共识机制包含多种，主链和子链都可以适用。现在以RAFT 算法、实用拜占庭容错算法（Practial Byzantine Fault Tolerance，PBFT）为例进行应用介绍，图5展示了RAFT、PBFT算法在侧链和主链的共识过程。其中侧链中的RAFT算法是达成共识的强一致协议[50]，其工作流程为：在多个边缘智能代理节点中选出一个节点作为Leader进行记账管理操作，并将记账信息生成区块复制到其他Followers节点中，通过Leader节点的一致性裁决来达成共识，能够容纳故障节点。主链采用的PBFT 算法共识时延小、效率高[51]，能在保证系统活性和安全性的前提下，提供最多1/3的节点容错性，使链条中所有正确节点对某个输入值达成一致，具体工作流程可参考文献[52]。

图5 多层区主体分布式共识过程Fig.5 Distributed consensus of multi-layer areas

以虚拟用电权交易为例，虚拟用电权交易是指电网公司与电力用户签订购电合同后会按一定标准分配初始用电配额给用户，考虑到用能总额受到供能总额的约束，获取初始用电配额后，在用电紧张的尖峰时期，各聚合商间可通过用电权配额的自主交易，达到资源的有效调控和利用。其中负荷聚合商Client 通过历年用能数据来判断尖峰用电缺口，预测配额交易量，发起交易请求并进入Pre-prepare状态。其他聚合商收到交易请求后，按照如图5所示的算法流程进行信息校验并广播，可以参与交易的聚合商发送Commit信息给其他聚合商节点，所有节点在验证完Commit 信息后到达Reply 阶段，生成确认信息并发送给聚合商Client，由此可确定交易对象进行交易。

在负荷聚合商节点、边缘智能代理节点等多节点间的互联互通、协调工作中，为了避免单个节点失效或者单条链路故障而使整个系统崩溃的风险，在交易中可设置最晚请求处理时间，在此时间段内，若不能全部收到其他主体的Prepare 信息，就会判定请求失效，广播请求中止信息；并上报未发送信息的主体及进行故障询问，以此保证交易市场有条不紊地运行[53]。

3 机遇与挑战

自电力物联网概念提出以来，电力负荷管理迎来飞速发展，专家、学者相继投入该领域的研究，取得不少阶段性成果。电力行业作为国民经济发展的命脉，其科技发展与技术创新都受到极大重视：一方面用电采集系统、边缘智能代理等物理设备的不断升级进步促进了硬件设施的发展和完善；另一方面，大数据技术、通信技术、机器学习算法、智能控制等与电力行业深度融合，促进行业信息化、智能化的长足发展，为传统电力系统向新型电力系统转型奠定了坚实基础。在此背景下，本文提出多层级调控架构的关键技术，立足于先前的理论基础和实际技术成果，为后续新型电力负荷管理的研究和实践提供思路，但同时也面临不小的挑战。

（1）负荷动态调控方面：更快速、精准的调控手段是负荷参与需求响应的良好基础，目前需求响应业务已经在一些试点城市开展，但是大规模需求响应项目的开展需要更多的资金、政策的支撑以及用户的积极参与，如今的电力市场环境尚不能支撑智能化多层级调控架构下负荷调控的试点工作。

（2）网络建设与运维方面：多层级调控架构下，参与调控的主体众多，信息交互与通信方式将更加复杂，端到端之间的信息延迟和安全性问题较突出，且支撑架构实施的网络建设成本、运行维护成本巨大，大规模建设存在困难。

（3）商业模式方面：目前需求响应商业模式仅在试点城市进行，运营模式不够成熟，且现货市场试点支撑力度不够，现货市场交易机制未完善，多层级调控架构下各参与主体的利益保障尚不明确。

（4）调控管理方面：多层级调控架构涵盖的区域范围广泛，涉及多个控制主体利益，但目前能源电力行业尚未拥有统一明确的架构模型及行之有效的架构管理方案，相关法律法规尚需完善规范。

4 结束语

本文针对大量需求侧资源零散分布、种类复杂多样、难以高效调控问题，提出纵向交流与横向协作相结合的多层级动态调控方案，展开云-边-端协同技术、区块链技术等在多层级调控架构中的应用研究，通过先进技术的加持实现多层级调控架构的改进升级，并探讨了面临的机遇与挑战，以期在未来发展中实现技术落地，助力新型电力负荷管理系统发展建设。