許朝陽，阮文駿，肖楚鵬，周雨奇，徐辰冠，朱亮亮

（1. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司（南瑞集團(tuán)有限公司），南京 210000；2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢能效測評(píng)有限公司，武漢 430074；3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京210024；4. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 營銷服務(wù)中心，南京 210019）

0 引言

隨著國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)，新型電力系統(tǒng)面對(duì)新能源并網(wǎng)比例提升帶來電力供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)平衡壓力增大，以及遠(yuǎn)期供需矛盾和保障清潔能源全額消納等問題，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局下發(fā)的文件指出［1］，將電動(dòng)汽車充電設(shè)施、分布式儲(chǔ)能和分布式發(fā)電等可調(diào)節(jié)資源納入電力平衡和電量平衡，在電力市場交易中充分利用綜合能源服務(wù)商、負(fù)荷聚合商、虛擬電廠運(yùn)營商等緩解時(shí)段性供需矛盾。

但當(dāng)前對(duì)負(fù)荷側(cè)資源的調(diào)節(jié)仍面臨一些問題，主要包括:一是組網(wǎng)調(diào)控回路不充分、不靈活?，F(xiàn)有負(fù)荷、分布式資源的調(diào)控終端尚未建立控制回路的部分所占比例較高，難以實(shí)現(xiàn)有效精細(xì)化調(diào)控。并且現(xiàn)有通信方式單一，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性較差，難以滿足負(fù)荷快速調(diào)控的要求。二是終端硬件單元智能化程度不高。現(xiàn)有終端均已服役數(shù)十年，智能化水平低，無法滿足當(dāng)前多元化功能需求，難以部署柔性互動(dòng)、能效管理等高級(jí)功能。三是調(diào)控單元及調(diào)控系統(tǒng)在面對(duì)不同應(yīng)用場景時(shí)，部署經(jīng)濟(jì)性、調(diào)控適應(yīng)性差，很難做到廣泛推廣與應(yīng)用。

因此亟需加快提升廣域資源快速響應(yīng)能力，建設(shè)具備“分布廣泛、安全有效、分類管理、分級(jí)調(diào)節(jié)、精準(zhǔn)調(diào)控”能力的新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)。

1 組網(wǎng)架構(gòu)模式

本文提出基于智慧能源單元的新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)支撐負(fù)荷側(cè)柔性資源調(diào)控，借鑒信息物理系統(tǒng)的概念，以通信網(wǎng)絡(luò)為骨架，物理域與信息域耦合調(diào)控，對(duì)負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)控。

1.1 支撐負(fù)荷側(cè)資源柔性調(diào)控的組網(wǎng)架構(gòu)

分布式能源發(fā)電越來越多地滲透到電網(wǎng)中，文獻(xiàn)［2］提出需求側(cè)聚合友好型信息模型，組網(wǎng)內(nèi)建立標(biāo)準(zhǔn)化通信，主動(dòng)對(duì)負(fù)荷側(cè)進(jìn)行控制。

對(duì)負(fù)荷側(cè)資源柔性調(diào)控可建立多層級(jí)控制回路信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）組網(wǎng)架構(gòu)。典型的CPS資源管理系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu):設(shè)備層、通信層和應(yīng)用層。文獻(xiàn)［3］根據(jù)服務(wù)對(duì)象以同步相量測量單元為基礎(chǔ)將智能電網(wǎng)廣域測量網(wǎng)絡(luò)劃分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，但系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和實(shí)時(shí)報(bào)警功能，缺乏實(shí)際服務(wù)應(yīng)用，服務(wù)層和應(yīng)用層存在管理對(duì)象重疊問題。文獻(xiàn)［4］結(jié)合負(fù)荷聚合商和CPS提出樓宇、企業(yè)、家居的系統(tǒng)級(jí)、單元級(jí)、平臺(tái)級(jí)分級(jí)管理架構(gòu)，通過云平臺(tái)聯(lián)合發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)雙向資源配置管理。

綜合上述研究，本文結(jié)合CPS架構(gòu)，將負(fù)荷側(cè)調(diào)控對(duì)象、調(diào)控單元終端組成的物理域與由數(shù)據(jù)云端、應(yīng)用平臺(tái)組成的信息域通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耦合，提出支撐負(fù)荷側(cè)資源柔性調(diào)控的新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 New power load management system architecture

在開發(fā)建設(shè)時(shí)，按照統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范建設(shè)系統(tǒng)主站，依托省級(jí)智慧能源服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源可視化、輔助化調(diào)控及決策指揮。并且對(duì)系統(tǒng)交互接口進(jìn)行優(yōu)化:營銷業(yè)務(wù)接口實(shí)現(xiàn)客戶及負(fù)荷設(shè)備檔案同步；調(diào)度接口實(shí)現(xiàn)負(fù)荷缺口、日負(fù)荷曲線等數(shù)據(jù)交互；信息采集系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制指令下發(fā)和執(zhí)行結(jié)果反饋。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用場景資源需求，在信息安全防護(hù)分區(qū)分域規(guī)定下完成系統(tǒng)部署與集成功能調(diào)試及上線應(yīng)用。

1.1.1 物理層

物理層既包括智慧能源單元，也包括其控制的用戶用能設(shè)備、分布式設(shè)備、用戶終端等。對(duì)物理層分級(jí)是影響系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，在不降低功耗、不影響用戶體驗(yàn)下融合負(fù)荷側(cè)管理［5］，建立分層融合模型，實(shí)現(xiàn)模塊化、高分辨率靈活管理。結(jié)合分級(jí)調(diào)控進(jìn)行能量調(diào)控，提出多層新型電力負(fù)荷控制系統(tǒng)，物理層級(jí)劃分如圖2所示。文獻(xiàn)［6］將樓宇用能控制系統(tǒng)劃分為制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、空調(diào)箱系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)優(yōu)化控制，但其在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)控時(shí)，會(huì)出現(xiàn)能量流調(diào)節(jié)矛盾的問題。

因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)能量調(diào)控，基于本文提出的多層新型負(fù)荷控制系統(tǒng)正適合于該方案實(shí)施，如圖2 所示，按區(qū)域范圍、管理對(duì)象將物理層劃分為3級(jí)調(diào)控。

圖2 物理層級(jí)劃分Fig.2 Physical hierarchy

1級(jí)，區(qū)域范圍整體調(diào)控，如工廠級(jí)、醫(yī)院級(jí)、商業(yè)樓級(jí)、住宅區(qū)級(jí)等；2級(jí)，根據(jù)1級(jí)范圍劃分更小調(diào)控區(qū)域，如流水線、樓層等；3 級(jí)，即為最小調(diào)控單元，直接作用到參與調(diào)控的具體設(shè)備，如用戶家庭組、分布式能源組、公用設(shè)施組等，對(duì)應(yīng)站-線-變做到分層分區(qū)分組，實(shí)現(xiàn)分級(jí)、有序管控。

1.1.2 通信層

通信層作為系統(tǒng)內(nèi)連接物理域和信息域的網(wǎng)絡(luò)，一般由多種通信方式、多類傳輸協(xié)議、聯(lián)接形式構(gòu)成［7］。本文根據(jù)應(yīng)用場景、層級(jí)設(shè)置信息傳輸方式、效率要求，靈活適應(yīng)通信手段。通信層網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 通信層網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Communication layer network

（1）系統(tǒng)、本地多層級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)

在部分設(shè)備之間建立上下級(jí)或同級(jí)間本地組網(wǎng)，通常以RS485為本地小范圍通信手段，采用多信道共享、端到端、廣域的GPRS 通信為遠(yuǎn)程通信手段。文獻(xiàn)［8］以樓道、房間內(nèi)能量檢測裝置為節(jié)點(diǎn)組成Zig Bee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以相鄰節(jié)點(diǎn)傳送方式匯集信息。本文提出系統(tǒng)內(nèi)將通信層劃分為上行、本地和下行通信:上行通信由傳輸范圍大的4G/5G 作為廣域網(wǎng)，面向本地和省側(cè)云端數(shù)據(jù)庫；本地通信考慮智慧能源單元之間的連接，因此可以選用RS485 等作為通信手段；下行通信針對(duì)多功能負(fù)荷管理開關(guān)柔性控制和0/1型（即只有開/關(guān)兩種狀態(tài)）用電設(shè)備的直接控制，以及用戶通過家庭局域網(wǎng)手動(dòng)管理，因此選擇CAN總線和WIFI作為通信手段。

（2）靈活調(diào)換通信連接方式

對(duì)于多種通信方式間融合與切換，文獻(xiàn)［9］基于能源通用串行總線系統(tǒng)提出多通信融合方案，通過載波、WIFI 和Zig Bee 組成下行通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)用戶信息、用電設(shè)備和分布式裝置進(jìn)行信息采集，并將其通過以太網(wǎng)/4G上行通信至平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)拓?fù)渥R(shí)別。文獻(xiàn)［10］比較了低功耗廣域網(wǎng)與WIFI、Zig Bee在不同需求響應(yīng)場景下的應(yīng)用，提出窄帶物聯(lián)網(wǎng)和LoRa 遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證其多頻帶運(yùn)行更適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用。圖3 提出的多種通信手段的網(wǎng)絡(luò)框架可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)靈活切換通信方式，針對(duì)信息在廣域網(wǎng)傳輸受阻的情況，可由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息逐級(jí)傳遞，在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍功能服務(wù)。

1.1.3 軟件層

軟件層功能可概括為:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、處理，優(yōu)化決策以及人機(jī)交互。根據(jù)搭載對(duì)象分為3方管理架構(gòu):用戶APP，系統(tǒng)平臺(tái)及智慧能源單元終端。

圖4中系統(tǒng)管理平臺(tái)和用戶APP由MySQL云端數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括設(shè)備歷史狀態(tài)信息和調(diào)控決策指令等，將數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、功能后臺(tái)進(jìn)行集成管理，實(shí)現(xiàn)用電行為分析、分布式設(shè)備控制和負(fù)荷識(shí)別［11］。由Web前端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供狀態(tài)信息可視化、查看和修改參數(shù)等服務(wù)；由后臺(tái)應(yīng)用程序負(fù)責(zé)執(zhí)行功能服務(wù)。

圖4 中智慧能源單元內(nèi)置邊緣計(jì)算模塊，根據(jù)用戶需求定制本地優(yōu)化用電方案，提供交互界面觀測、修改指標(biāo)。對(duì)能源設(shè)備能耗監(jiān)測、智能節(jié)能、負(fù)荷精準(zhǔn)識(shí)別與參數(shù)化控制采用二元多維接口［12］，分別為負(fù)荷和分布式裝置提供信息和能量的二元通道，精細(xì)化信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)邊緣優(yōu)化能量流控制。

圖4 軟件層結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of software layer

1.2 調(diào)控架構(gòu)

整體調(diào)控架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則依據(jù)國家、行業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、導(dǎo)則，系統(tǒng)部署采用“總部-省側(cè)-客戶側(cè)”3級(jí)部署方式，如圖5所示。

圖5 3級(jí)調(diào)控部署架構(gòu)Fig.5 Architecture of three-level regulatory deployment

3級(jí)系統(tǒng)基于新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)，充分利用智慧能源單元對(duì)管理范圍內(nèi)的柔性資源進(jìn)行用戶信息、用電狀態(tài)、響應(yīng)參數(shù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)全境的全感知拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、管理。在省電力公司層面實(shí)現(xiàn)客戶管理、負(fù)荷特性分析、監(jiān)測、分輪次負(fù)控方案制定、方案執(zhí)行等。電網(wǎng)公司總部層面建設(shè)統(tǒng)一展示界面，匯聚省電力公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)全面貫通、全景統(tǒng)計(jì)、精準(zhǔn)調(diào)控、智能分析。

另外，省側(cè)系統(tǒng)與調(diào)度管理系統(tǒng)、營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)及綠色國網(wǎng)等4 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。通過與調(diào)度管理應(yīng)用系統(tǒng)交互，接收負(fù)荷缺口信息，進(jìn)行負(fù)荷分解，并反饋負(fù)荷調(diào)控結(jié)果；與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)交互，獲取客戶基礎(chǔ)檔案信息；與用電信息采集系統(tǒng)交互，獲取客戶量測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶的分輪次控制；與綠色國網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)與客戶互動(dòng)。

客戶側(cè)系統(tǒng)以智慧能源單元為主體，在物理層中，由管理用電設(shè)備、分布式設(shè)備的智慧能源單元終端組成物理層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一方面采集、監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，通過通信層的多種通信手段將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息傳輸至軟件層云端數(shù)據(jù)庫中，由預(yù)設(shè)功能算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局功能服務(wù)，將具體調(diào)控決策指令下發(fā)至智慧能源單元來執(zhí)行；另一方面，系統(tǒng)與省側(cè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建立通信接收調(diào)控指令，軟件層建立智慧單元終端-系統(tǒng)管理平臺(tái)-用戶終端APP 協(xié)同管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多方、分層、分級(jí)管理。

2 智慧能源單元

新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中的智慧能源單元不僅是實(shí)現(xiàn)連接物理域多元柔性資源的骨架，更是系統(tǒng)的“眼”和“手”，在對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測的同時(shí)，執(zhí)行“大腦”軟件層的調(diào)控決策指令，在本節(jié)中將介紹智慧能源單元的具體架構(gòu)。

本文提出“硬件模組化、軟件容器化”的智慧能源單元架構(gòu):硬件上，支持各種負(fù)荷、能源的即插即用；軟件上，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備及開關(guān)的狀態(tài)量采集監(jiān)測、邊緣優(yōu)化計(jì)算、上下行通信管理、柔性調(diào)控及人機(jī)交互等服務(wù)。

應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)不同限電等級(jí)下負(fù)荷分輪次接入規(guī)范，根據(jù)負(fù)荷控制能力和控制分解策略，將客戶安全用電放在首位，按重要程度由低到高、可控負(fù)荷從大到小依次接入的原則，開展分輪次接入安全分析，將終端與低壓開關(guān)或高壓開關(guān)的二次回路進(jìn)行連接，對(duì)生產(chǎn)流程和安全管理規(guī)范化。最后在具備條件的商業(yè)樓、工業(yè)企業(yè)園區(qū)加裝分路監(jiān)測裝置、完善斷線檢測功能，提升分路負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制回路斷線檢測能力，實(shí)現(xiàn)智能柔性調(diào)節(jié)。

2.1 硬件架構(gòu)

本文提出的“模組化”智慧能源單元硬件架構(gòu)，如圖6所示，基礎(chǔ)模組由多核處理器模組、存儲(chǔ)模組、通信模組及電源模組構(gòu)成。根據(jù)具體應(yīng)用場景中負(fù)荷裝置信息、調(diào)控要求或管理方式自定義模組。

圖6 智慧能源單元硬件架構(gòu)Fig.6 Hardware architecture of the smart energy unit

電網(wǎng)企業(yè)通常通過安裝能源管理裝置來監(jiān)測和控制用戶用電量和用電行為，文獻(xiàn)［13］根據(jù)需求響應(yīng)VCG（vickery-clarke-groves）機(jī)制，給每個(gè)用戶配備能耗控制器與電網(wǎng)企業(yè)間建立雙向通信，分析用戶偏好和能耗模式，鼓勵(lì)用戶將負(fù)載轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段降低發(fā)電總成本。文獻(xiàn)［14］利用可編程化負(fù)荷能量盒，將傳感器收集的數(shù)據(jù)通過雙向信息傳輸與系統(tǒng)交互，為設(shè)備繪制狀態(tài)曲線，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化、精細(xì)化能效管理，但該負(fù)荷能量盒缺乏對(duì)設(shè)備的直接或間接控制手段，只能作為監(jiān)測器使用，在實(shí)際應(yīng)用上有所欠缺，本文提出的硬件架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有:

（1）在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和處理速度上，配置可拓展儲(chǔ)存模組，根據(jù)實(shí)際需求添置存儲(chǔ)模塊；由CPU、FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門）等單類型模塊或多類型模塊組成多核處理器，為本地邊緣優(yōu)化提供高速、并行處理通道，且多核結(jié)構(gòu)更適用于多模組協(xié)同調(diào)控。

（2）集成通信模組包括主站上層通信模塊及組內(nèi)本地下行通信模塊。模組化外設(shè)接口滿足非統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接的用電設(shè)備、分布式裝置的通信和調(diào)控接口連接，擴(kuò)大場景適用范圍。

（3）人機(jī)交互模組設(shè)計(jì)方便現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)控制設(shè)備、修改參數(shù)、用戶一體化控制家庭用電設(shè)備，更改響應(yīng)目標(biāo)。

2.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

軟件系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的數(shù)據(jù)管理、優(yōu)化、交互工具，具備簡單易用、界面友好、數(shù)據(jù)處理快速高效等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)［15］考慮綜合能源管理系統(tǒng)中多種能源類型靈活性，分別對(duì)電動(dòng)汽車充放電、集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行部署控制，將大規(guī)模數(shù)據(jù)中心化、分類化管理，解決用戶電能質(zhì)量問題。但方案設(shè)計(jì)的終端都只是負(fù)責(zé)傳遞信息，在遠(yuǎn)程控制、執(zhí)行決策和本地優(yōu)化功能上研究較少，在廣域網(wǎng)崩壞或者阻塞情況下，該方案實(shí)用性將大大降低。

因此，智慧能源單元軟件設(shè)計(jì)如圖7所示，本文提出“軟件容器化”架構(gòu)。主要包括基礎(chǔ)平臺(tái)部分、資源虛擬化部分、終端軟件部分，其中終端軟件分為通信采集類、管理服務(wù)類、高級(jí)應(yīng)用類。

圖7 智慧能源單元軟件架構(gòu)Fig.7 Software architecture for smart energy units

（1）基礎(chǔ)部分搭載Linux內(nèi)核，通過模組化硬件模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、通信等，端口化執(zhí)行調(diào)控指令，通過數(shù)據(jù)總線對(duì)0/1型設(shè)備進(jìn)行直接控制，對(duì)于柔性設(shè)備則通過多功能負(fù)荷管理開關(guān)下發(fā)柔性指令。

（2）在內(nèi)核中完成對(duì)物理空間的虛擬化，包括管理容器功能，資源接口調(diào)配等，建立多個(gè)通道及空間，分管接入的多個(gè)能源設(shè)備。

（3）軟件集成于內(nèi)部多核模塊，本地邊緣優(yōu)化的同時(shí)，完成優(yōu)化調(diào)控執(zhí)行部署。高級(jí)功能提供對(duì)應(yīng)的容器化狀態(tài)空間，具體功能服務(wù)集成于平臺(tái)軟件，包括管理服務(wù)以及高級(jí)應(yīng)用功能，由廣域網(wǎng)上傳信息、接收服務(wù)決策指令至單元功能容器空間，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)、規(guī)范化業(yè)務(wù)服務(wù)。

（4）信息安全單獨(dú)集成于容器外，數(shù)據(jù)方面分別對(duì)采集、存儲(chǔ)、傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，對(duì)以太網(wǎng)上行傳輸丟包率等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 多功能負(fù)荷管理開關(guān)研究

目前國內(nèi)現(xiàn)有負(fù)荷管理系統(tǒng)往往對(duì)用戶實(shí)行“一刀切”式控制，靈活性不足，智能化程度低，難以支撐各類復(fù)雜場景下高效精準(zhǔn)負(fù)荷協(xié)同控制，開關(guān)設(shè)備應(yīng)充分考慮智能化水平與經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性，以保證廣泛工程應(yīng)用。負(fù)荷管理開關(guān)應(yīng)能滿足單元多任務(wù)需求，具有帶電熱拔插功能和拓?fù)渥赃m應(yīng)識(shí)別功能，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)設(shè)備可視化與負(fù)控效果可視化。其次，研發(fā)多功能負(fù)荷管理開關(guān)應(yīng)從功能需求拆解、場景分析與可靠性測試3方面展開。多功能負(fù)荷管理開關(guān)如圖8所示。

圖8 多功能負(fù)荷管理開關(guān)Fig.8 Multifunctional load management switch

在通用模塊化方面，通過構(gòu)建程序算法，將智能開關(guān)中所有單元保護(hù)、控制和計(jì)量功能集成在一個(gè)控制單元內(nèi)［16］，實(shí)現(xiàn)功能的集成化，對(duì)于控制器方面，可采用多核處理器架構(gòu)［17］，解決開關(guān)柔性單元運(yùn)行速度慢、穩(wěn)定性不足的問題。

在可靠性方面，文獻(xiàn)［18］提出了用于開關(guān)領(lǐng)域的在線監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)，能夠監(jiān)控?cái)嗦菲鳡顩r具體信息，預(yù)測傳入故障和潛在缺陷。

在拓?fù)渥R(shí)別方面，可利用遞歸貝葉斯對(duì)網(wǎng)絡(luò)中模型狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和拓?fù)渥R(shí)別［19］，對(duì)系統(tǒng)中分支電流狀態(tài)歸一化殘差辨識(shí)［20］，進(jìn)而求解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞植紶顟B(tài)?；跔顟B(tài)空間分配的電流、電壓雙閉環(huán)均流法［21］，解決熱插拔中的波動(dòng)問題和穩(wěn)定性問題?？紤]成本方面，微功率控制器采用集成芯片，實(shí)現(xiàn)N通道電流監(jiān)控，填補(bǔ)經(jīng)濟(jì)性研究空缺［22］。

3 應(yīng)用場景適應(yīng)性

智慧能源單元為用戶參與約時(shí)和實(shí)時(shí)需求響應(yīng)提供裝備支撐，在傳統(tǒng)專變終端的基礎(chǔ)上搭載智慧能源單元終端，可實(shí)現(xiàn)更多場景的應(yīng)用。通過布置多層級(jí)新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式邊緣化協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和客戶側(cè)信息快速可靠傳遞、剛?cè)嵝钥刂茍?zhí)行、邊緣側(cè)調(diào)控策略支撐等功能，促進(jìn)常規(guī)電源高效運(yùn)行。

3.1 “雙控”企業(yè)碳排放管理

在對(duì)控排企業(yè)的碳管理增值服務(wù)方面，對(duì)企業(yè)水、氣、熱主管道以及各個(gè)分支管道、高低壓配電房加裝以智慧能源單元為主體的新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏、儲(chǔ)能及用能設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、對(duì)能耗雙控企業(yè)綜合能源實(shí)行全景多維監(jiān)測，并展示其生產(chǎn)運(yùn)行中的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息以及設(shè)備控制狀態(tài)。依托核算規(guī)則、專業(yè)庫、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法逐步完善用戶碳數(shù)據(jù)質(zhì)量保障體系，滿足多端監(jiān)測場景需要。

基于企業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、排放因子數(shù)據(jù)、減排量數(shù)據(jù)、配額數(shù)據(jù)等，建立企業(yè)數(shù)據(jù)核算等模型，配置于智慧能源單元中，為用戶提供排放數(shù)據(jù)核算、碳-電協(xié)同交易管理、能效公共服務(wù)等業(yè)務(wù)，降低用戶履約風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省履約成本。

3.2 “雙高”企業(yè)有序用電

智慧能源單元作為新型電力負(fù)荷控制系統(tǒng)技術(shù)手段和管理手段的核心載體，深入內(nèi)部控制回路，區(qū)分重要負(fù)荷、非重要負(fù)荷和輔助性負(fù)荷，將可控負(fù)荷納入有序用電多輪次分類控制資源池，分輪次跳閘，實(shí)用性強(qiáng)，利用率高，集成3 方協(xié)同管理的軟件平臺(tái)和邊緣優(yōu)化模塊，保障企業(yè)安全、智能、綠色用電，推動(dòng)新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

4 系統(tǒng)建設(shè)要求與政策需求

4.1 新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)要求

為適應(yīng)能源電力供需發(fā)展新形勢，統(tǒng)籌開展新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)。首先，明確系統(tǒng)功能定位，以“政府主導(dǎo)、電網(wǎng)實(shí)施、用戶配合”為原則，推進(jìn)負(fù)荷資源統(tǒng)一管理、調(diào)控、服務(wù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精準(zhǔn)控制和負(fù)荷側(cè)柔性資源的靈活需求管理，提升能源消費(fèi)服務(wù)水平、保障電力供應(yīng)安全。

建設(shè)范圍方面，電網(wǎng)企業(yè)通過管理系統(tǒng)開展負(fù)荷統(tǒng)一管理，報(bào)裝用電容量在10 kV（6 kV）及以上的高壓電力用戶全部納入負(fù)荷管理范圍；系統(tǒng)建設(shè)性能方面，建設(shè)可在管理時(shí)間尺度、精度、準(zhǔn)確度等方面與電力系統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)接的管理系統(tǒng)。

同時(shí)，明確各方責(zé)任，多方協(xié)同，充分發(fā)揮系統(tǒng)作用，實(shí)現(xiàn)各類負(fù)荷資源的全接入、全監(jiān)測、全管理和全方位服務(wù)，電力需求管理常態(tài)化，聚焦用戶降本增效需求，優(yōu)化資源配置，提升用戶服務(wù)能效。電力部門方面，各級(jí)電力運(yùn)行主管部門出臺(tái)配套政策，組織指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)開展負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)維，電網(wǎng)企業(yè)依法依規(guī)根據(jù)用戶負(fù)荷特性、生產(chǎn)特性等建設(shè)運(yùn)維的具體實(shí)施，常態(tài)化提供用戶負(fù)荷分析優(yōu)化、需求響應(yīng)、安全用電等服務(wù)。電力用戶方面，主動(dòng)配合開展系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)維。

最后，在保障系統(tǒng)運(yùn)行安全方面，以各級(jí)電力運(yùn)行主管部門為主導(dǎo)，建立健全管控制度、完善監(jiān)管手段、提升監(jiān)管能力，地方上通過通信系統(tǒng)開展常態(tài)化信息安全監(jiān)督、負(fù)荷管理系統(tǒng)和負(fù)控裝置監(jiān)督檢查；電網(wǎng)企業(yè)健全系統(tǒng)安全防護(hù)管理制度和風(fēng)險(xiǎn)管理，建立應(yīng)急保障預(yù)案，科學(xué)有序推進(jìn)負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)；用戶側(cè)，一方面對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備，基于客戶負(fù)荷控制能力，結(jié)合負(fù)荷控制智能分解策略，開展負(fù)荷分輪次接入安全分析，形成企業(yè)生產(chǎn)安全性約束，導(dǎo)入新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用的控制約束或優(yōu)化約束中；另一方面，對(duì)于企業(yè)、工廠安保負(fù)荷，在客戶側(cè)調(diào)研、摸排、勘察時(shí)厘清保安負(fù)荷和可控負(fù)荷，堅(jiān)決避免保安負(fù)荷接入控制回路，積極配合控制回路建設(shè)。

4.2 新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)政策需求

在完善電力需求側(cè)管理工作體系和建設(shè)管理體系過程中，針對(duì)裝置安裝、開關(guān)控制、運(yùn)維責(zé)任、安全責(zé)任、管理系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制等方面，促請(qǐng)政府出臺(tái)相關(guān)制度、政策，建立常態(tài)化工作機(jī)制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)體系。

各級(jí)電力運(yùn)行主管部門方面，依法組織制定、修訂電力負(fù)荷管理相關(guān)國家、地方、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)電網(wǎng)企業(yè)和有關(guān)單位制定電力負(fù)荷管理企業(yè)、社團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，建立健全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。資金方面，通過多渠道籌措電力需求側(cè)管理資金，創(chuàng)新商業(yè)模式，鼓勵(lì)社會(huì)資本參與電力需求側(cè)管理；加大對(duì)負(fù)荷管理系統(tǒng)的資金支持，落實(shí)負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)費(fèi)，保障系統(tǒng)按期建成和建成后穩(wěn)定運(yùn)行。

電力企業(yè)方面，授權(quán)電網(wǎng)企業(yè)成立實(shí)體化的負(fù)荷側(cè)管理中心（負(fù)荷管理中心），有序用電范圍的全量客戶分輪次接入控制回路，實(shí)現(xiàn)主站與子站的互聯(lián)互通、信息交互和共享、用電在線監(jiān)測、負(fù)荷遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、用電安全支持、需求響應(yīng)與有序用電等功能，并且建立突發(fā)事故應(yīng)急機(jī)制，保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。資金保障方面，安排專項(xiàng)資金用于系統(tǒng)建設(shè)、升級(jí)改造和運(yùn)行維護(hù)。負(fù)荷管理系統(tǒng)平臺(tái)及裝置的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)專用資金納入各地輸配電價(jià)成本核算，將有助于快速推進(jìn)新型電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，降低用戶終端更新和安裝的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

用戶方面，確定負(fù)荷管理范圍、管理能力、啟動(dòng)條件及控制策略等。執(zhí)行相關(guān)政策和制度，激勵(lì)電力用戶參與常態(tài)化負(fù)荷側(cè)管理，協(xié)調(diào)解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中相關(guān)問題。依法合規(guī)操作控制開關(guān)，并向政府電力主管部門及能源監(jiān)管部門進(jìn)行常態(tài)化報(bào)備。

5 結(jié)束語

本文對(duì)電力負(fù)荷管理系統(tǒng)進(jìn)行整體性回顧，提出支撐負(fù)荷側(cè)資源柔性調(diào)控組網(wǎng)架構(gòu)，分別對(duì)物理層分級(jí)、通信層靈活通信及軟件層的用戶-智慧能源單元-系統(tǒng)平臺(tái)協(xié)同管理做梳理和研究。其次回顧了智慧能源單元研究進(jìn)展，提出“硬件模組化、軟件容器化”系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)柔性資源調(diào)控方式提出多功能負(fù)荷管理開關(guān)設(shè)想。最后以企業(yè)碳排放管理和有序用電為例作適應(yīng)性研究，提出系統(tǒng)建設(shè)要求及政策需求，為國內(nèi)負(fù)荷側(cè)資源柔性調(diào)控提供參考。D