摘 要：针对现有调度系统存在的数据贯通差、处理效率低、信息检测难、协同管控差等缺点，文中提出一种主站调控分布式能源信息融合一体化的一主多级管理构架。通过融合无线传感实时监测、多能空间数据全景检测，基于人工智能的数据挖掘、多层级能源聚合调控、数据安全传输等技术，全面提升调度平台系统的传输、处理、调控等功能特效。选取乐清市虹桥变下10 kV生态Y933线路下的多台分布式用户侧储能为示例，通过多台储能设备的集群调节，实现台区变压器负荷峰谷差降低35%，线路负载率降低10%，变电站容载比由1.21提升至1.37。应用结果证明，所提调控管理平台具有高效、安全、稳定等优点，能够实现可观、可测、可控的功能。通过对储能设备的单台调控或区域多台集群调控，达到从台区到线路再到变电站的点-线-面多层级自平衡，能够有效提升配电网弹性能力和稳定运行能力。
关键词:配电系统;调度平台;能源互联;分布式储能;虚拟电厂; 储能控制;智能配网;
New mode of efficient regulation and management of distribution network based on
energy interconnection
WANG Jie LIN Yujie
ZHANG Yanchang XU Xin
WU Chengian
LONG Chunfu
State Grid Yueqing Power Supply Company
Yueqing Electric Power Generation Co,Ltd.
Abstract：In allusion to the shortcomings of the existing scheduling system,such as poor data connection,low processing efficiency,difficult information detection,and poor collaborative management and control,a one-master multi-pole management framework for the integration of the master station control and distributed energy information fusion control is proposed. The transmission,processing,regulation and other special effects of the dispatching platform system are comprehensively improved by integrating the wireless sensor real-time monitoring,multi-energy spatial data panoramic detection,and artificial-intelligencebased technologies such as data mining,multi-level energy aggregation control and data security transmission. Taking the multidistributed user side energy storage under the 10 kV ecological Y933 line of the Yueqing Hongqiao transformer substation as an example, the cluster adjustment of multiple energy storage devices is conducted, so that the peak-valley difference of transformer load in the substation area is reduced by 35%,the line load rate is reduced by 10%,and the substation capacity ratio is increased from 1.21 to 1.37. The application results prove that the regulation and management platform of on-site energy storage equipment has the advantages of high efficiency,safety and stability,and can realize considerable,measurable and controllable functions. The point-line-plane multi-level self-balance from the substation area to the line and then to the substation can be achieved by means of the single regulation and control or regional multiple cluster regulation and control of energy storage equipment,which can effectively improve the flexibility and stable operation ability of the distribution network.
Keyword：power distribution system; scheduling platform; energy interconnection; distributed energy storage; virtual power plant; energy storage control; smart distribution network;
0 引言
目前，电力行业的发展存在两种模式的转变：
1）由集中发电向集中和分布发电相结合[1,2];
2）由供方主导向供方和用户共同参与相结合[3,4]。
由于电能具有实时平衡特性，即供应侧和需求侧应实时平衡，而大规模的新能源和分布式电源并网会影响电网的潮流、电压、系统稳定和电能质量[5]，因此，随着电网动态特性复杂程度不断增加，对配网调控可靠性要求越来越高[6,7,8,9]。
相比主网网架结构，配电网发展相对滞后并呈现分布广、数量大和设备种类复杂的趋势，且目前调控中心对配网线路的调控范围通常只到用户侧上级开关站、开闭所，用户侧内部通常只能视为一个“黑箱”。因此，现有调控管理模式的状态感知和风险评估难以满足需求，存在问题数据难以互联贯通、信息难以全景检测、配网难以协同管控、运维效率低等问题[10]。
对于配网调控方式所存在的缺陷，学者们已展开一系列研究。针对数据难以互联贯通：文献[11,12]通过生产调度平台建立统一的信息集成平台，实现不同业务数据交互。
针对信息难以全景检测：文献[13]构建调度平台的全景调控统一数据模型，基于Map Reduce的数据运算技术、ETL的多源异构数据处理技术，实现调度平台的数据自动化识别、分析。针对配网难以协同管控：文献[14]阐述了信息化调度系统的必要性，有效地解决了电网中调峰、事故备用与调频等各种问题；文献[15]提出一种基于决策树分类算法来改善电网负荷曲线，达到削峰填谷的目的。
针对运维难以高效开展：文献[16]利用互联网技术优化传统配网系统，为配网运维优化、运行精细分析、运维效率提升提供有力支撑。以上方法虽然能在一定程度上解决特定对象和工况下的配网调控问题，但受地域、能源结构、资源分布和配网管理模式不同的影响，仍存在一定限制，需要进一步提升配网调控的规范化、标准化和智能化管理能力[17,18,19,20]。
本文提出一种主站管控、分布式能源信息融合调控的一体化管理构架，实时数据与调控平台共享互联，实现主网与配网数据贯通，协调配网进行负荷平衡优化。通过深入剖析当前配网调度系统建设的薄弱环节，精准定位业务需求，精准设计功能架构，构建能源互联与聚合调控平台，可实时监控区域电力系统内所有电源和电网的运行状态，灵活调控用户侧负荷，实现电力系统的多层级调控与和需求侧的有效结合，提升配网基础数据质量，推进配网调控数字化变革。
1 平台建设目标与工作原则
本文以乐清地区系统作为研究对象，该地区具有丰富的分布式光伏、用户侧储能、负荷需求响应等资源。以可控资源的运行态势集聚感知和网域协同优化调控为目标，着力打造乐清地区能源互联与聚合调控平台，实现乐清地区高弹性电网建设。平台工作原则如下：
1）构建配网状态感知平台，提升配网基础数据质量。提高全景感知层面，配置配电网动态感知设备，实现源、网、荷、储运行态势的全状态观测和集群化、精细化调控；提升数据质量方面，将配电网、分布式光伏、分布式储能等运行数据汇聚融合到能源互联与聚合调控平台，并实现场景化应用。
2）应用基于人工智能的数据挖掘手段，推进配网调控数字化变革。基于对光伏出力和变压器负荷的预测，完成对用户侧储能的灵活调控，实现分布式清洁能源的本地消纳和变压器到线路再到变电站的负荷的削峰填谷。
2 平台总体设计流程
乐清市能源互联与聚合调控平台，以问题需求梳理、功能架构设计、系统开发研制为平台系统开发三阶段，具体流程如图1所示。
图1 能源互联与聚合调控平台设计流程图
2.1 问题需求梳理阶段
深度剖析薄弱环节，精准定位业务需求。根据平台建设目标要求，对当前配网调度工作薄弱环节进行梳理：
1）部分源、荷信息分属不同系统，分布式光伏与储能在配网调度层面缺少相应的数据贯通和业务联动，难以实现光伏态势的有效感知和储能的快速调控。
2）配网调控系统缺乏对分布式储能荷电状态和运行情况的全面监控，缺少对储能设备运行策略的远程实时调控。
3）在调度层面缺少对配电侧源、网、荷、储的协同管控和聚合输出，使其难以参与调峰调频、削峰填谷等决策。
2.2 功能架构设计阶段
深度融合业务需求，精准设计功能架构。融合综合调控技术、数据挖掘和管理技术的软硬件综合应用平台，通过与新一代主网调度系统、配网调度系统（D5200）互联互通，全面支持用户参与源-网-荷-储协同互动的相关功能，实现乐清地区多类型灵活资源的可观、可测和可控。
2.2.1 平台总体构架
乐清地区能源互联与聚合调控平台总体架构可分为数据接入层、数据平台层、数据应用层三部分。数据接入层具有物联网数据采集、数据文件导入和系统接口传输三种数据收集方式，可接入分布式储能电站、光伏电站、水电站、风电站、电动汽车充电站等各种能源数据。数据平台层以能源产品为数据统计对象，引入大数据分析、人工智能、区块链等技术，提高数据中心的治理统计质量和处理实时性。数据应用层围绕不同业务场景，结合电网、气象和场地等不同类型数据生成各类评价指标。
2.2.2 平台硬件设施及软件建设
1）底层物联平台建设
平台站点的物联采集设备直接接入温州能源数据中心，实现数据采集、存储、应用，无需另外建设。
2）平台硬件设施建设
平台基于温州供电公司服务器，采用分布式机制在服务器集群上增设虚拟机，实现数据分散可靠存储，在此基础上增设4台专用服务器实现相关应用。
3）平台安全防护建设
平台经公安部等保二级测评，满足数据库运维安全管理，符合运维安全内部控制和法规法令（等级保护、网络安全法、企业内控条例等）的要求，确保重要敏感资产信息安全。
4）调控软件平台建设
软件平台依据光储设备运行数据，开发电网运行方式预安排、电网经济运行分析、电网供电能力评估以及输配电网运行管理等模块。调控软件平台统一管理，闭环调控实现区域电网点-线-面的负荷平衡优化。
2.2.3 站端数据接入
1）站端采集设备
站端能源控制设备支持数据转发，可直接接入平台物联网数据接入层，如图2所示。站点的接入能力应有以下要求：30个分布式200 kW/400 kW·h储能模块机、25个分布式500 kW/1 000 kW·h储能模块机、6个移动储能车（500 kW/1 000 kW·h）、1个储能集装箱（1 000 kW/2 000 kW·h）、500个分布式能源站点（光伏、水电、风电等）接入接口。
2）数据传输通道
各类能源站点至平台传输可采用多种方式，主要为以下两种接入方式：
(1)无线4G/5G：有4G/5G信号的站全部采用无线方式，该方式费用最经济；
(2)有线宽带：无4G/5G信号，可通过有线宽带接入上网，该方式需用户具备有线宽带接入条件，费用较为经济。
图2 站端数据接入示意图
2.3 系统开发研制阶段
深度挖掘数据信息，实时监测系统开发。利用多能全景监测、设备实时监控、能源聚合调控、数据安全传输、数据辅助决策调控等技术，全面优化调度平台功能。
1）多能全景监测
显示整个项目所涉及的储能模块机、移动储能车、储能集装箱、变电站、光伏系统等各类站综合信息，按照源、网、荷、储分类，基于地图展示全市综合能源项目在地图上的布点，并展现能源、运营、经济等总体指标汇总统计。同时，可实时显示站点的充放电数据、收益统计数据、气象数据、节能减排数据、设备通信状态和站点运行状态，绘制功率实时趋势图。
2）设备实时监控
对变流器、电表和逆变器等设备进行实时监测，通过数据挖掘技术分析设备运行参数，绘制日负荷曲线并检测设备运行健康状态。
3）能源聚合调控
预估区域内台区、线路、变电站上的光伏出力情况，同时监测用户负荷情况，以每台储能设备为基本单元，集群调控区域多台设备，达到量级能源聚合，实现储能电站作为柔性负荷主动参与多层级配电网运行控制优化和需求响应。
4）新一代调度数据安全传输
平台信息可实时接入新一代调度系统，并在新一代调度系统上展示所接入装置的状态数据，数据传输流程如图3所示。站点数据接入能源数据中心平台后，通过集控中心统一转发的方式上报电厂信息，转发数据采用模拟通道接入Ⅰ区，通过网络安全接入区接入方式接入Ⅱ区。
5）能源数据辅助决策调控策略
实时统计接入各类能源数据，生成能源调控策略，指导运行人员编制、下发各类能源调控计划。研判有源设备运行工况，最终由调控中心制定源端运行方式及策略，提升可再生能源利用率。
图3 新一代调度数据传输流程示意图
3 平台关键技术
基于能源互联的高效调度配网调控管理平台融合了无线传感实时监测、多能空间数据全景检测、基于人工智能的数据挖掘、多层级能源聚合调控、数据安全传输等技术，平台关键技术实现流程如图4所示。为提高该平台在乐清地区的适配度和运行效率，对其关键技术进行优化，具体方法如下：
1）无线传感实时监测
为确保对辖区内电气设备的有效监测，采用边缘汇聚和末端传感器的方式，合理布局大量微功率低损耗无线传感器和有线传感器，采集辖区内电气设备运行状态和环境数据。汇聚层利用微功率无线通信网络将实时数据汇聚在融合终端，统一向调度主站发送。
图4 平台关键技术实现流程图
2）多能空间数据全景检测
相对于一般监控系统，电力系统监控管理平台具有更大视野和更多功能，通过数据传输网络收集被监测设备状态，经数据挖掘、评估运行状态、可视化转换，结果用于调控管理。基于上述要求，本文构建空间数据引擎（Spatial Database,SDB）和关系数据库管理系统（Relation Database Management System,RDBMS）来管理空间数据。
其中，SDB是一种中间技术，可以将各种数据集成于RDBMS中，并为访问此类数据的软件提供接口，而RDBMS能存储区域信息、地形图及时间序列数据（温度、湿度和降雨量等），多元样本数据可用于监测电气设备运行状态。
3）基于人工智能的数据挖掘
数据分析包括发电设备出力预测和用电设备状态监测，有效提高辖区内的发电计划和电气设备检修的合理性。预测方法采用随机森林（Random Forest,RF）方法，状态监测采用误差反向传播人工神经网络和主成分分析（Principal Components Analysis,PCA）方法。将光伏信息和天气情况等数据作为训练样本，构建基于随机森林算法的短时光伏出力预测模型，完成光伏预测数据的智能挖掘。
4）多层级能源聚合调控
本文平台以台区为基础单元，制定储能充放电策略，当负荷变化达到储能设定阈值时则自动切换充放电模式，实现台区内的新能源就地消纳以及负荷曲线的削峰填谷，具体实现如下：储能充放电策略根据区域内光伏电站和负荷预测制定，分为日前计划和日内滚动修正两种方式。日前计划安排主网提供功率大小，日内滚动修正以小时为单位，动态更新充放电阈值。当负荷需求大于供电能力时，储能设备工作于放电状态；供电能力大于负荷需求时，储能设备工作于储能状态。同时，加入滞环控制避免频繁充放电降低储能设备的使用寿命，在不影响电网稳定的前提下，允许储能装置在一定裕度内保持当前状态运行，不立即进行模式切换。当台区内无法实现自平衡时，则以上一级线路乃至变电站为单元进行区域多台储能设备的集群调控，实现从台区至线路至变电站的点-线-面多层级自平衡，流程图如图5所示。
5）数据安全传输规则
数据安全传输分为两层：模拟通道平台侧增加部署集控中心监控系统边界网关机，从物联平台读取数据以DISA规约或IEC101规约，上送至调度主站；网络安全接入区从物联平台读取数据后以E文本格式传输数据。其中，物联网平台数据存储在融合终端，能实现数据的统一管理及数据安全校验，从而确保数据的安全传输。
4 实际应用效果
乐清市地处浙江省东南沿海，兼具山、海、港、城地域特征。2021年新能源装机341 MW，其年发电量占全社会用电量比重为4.6%。全市建设分布式用户侧储能设备30台，合计规模10 MW/20 MW·h，包含200 kW/400 kW·h和500 kW/1 000 kW·h两种设备。本文提出的能源互联网与聚合调控平台，以全市30台用户侧储能设备的应用为例，基于关键技术优化改进，取得较好的实际应用效果。
图5 储能装置控制策略流程图
本文所提出的调控管理模式实际应用的优化改进主要体现在以下几方面：
1）多时空区域分布式能源数据贯通
传感器实时采集数据，由无线传输模块和有线传输网络将数据汇集于融合终端，实现区域内多级能源信息的集中管理。
改善原调度模式中，数据难以互联贯通、信息难以全景检测的问题。并由融合终端进行初步的数据安全性校验，校验合格的数据经安全接入区上送至调度主站，通过分区方式建立调度主站与配网间的控制网，以此改善配网难以协同管控、运维效率低的问题。平台功能基于多元信息，通过数据挖掘技术建立光伏出力预测模型，实现区域光伏电站出力预测，以及用电设备状态监测模型，实现区域内用电设备的运行状态分析。通过平台可查询多时空、多地域的光伏功率数据，作为能源聚合调控的有力基础支撑，数据同步更新流程如图6所示。
图6 平台实时数据同步更新流程图
2）区域级分布式储能集群优化控制策略
在监视与控制界面中，结合光伏预测数据与用户负荷数据，通过日前供电计划和日内滚动修正，动态更新电池充放策略。通过平台直接下发策略至储能设备，从而合理安排设备低谷时充电时间和高峰放电时间。利用区域级数十台储能设备的集群优化控制可达到量级效果。
图7为储能充放电策略制定图。
3）动态查询储能电站多元数据
日常运行中，调控员可以打开总监控图，展示储能分布点；总览储能数据（储能电站座数、储能总容量、储能运行容量、削峰电量等），同时可查看每个储能电站历史充放电数据、削峰填谷电量，可通过曲线图与柱状图清晰展示。
储能电站历史数据查询示意图效果如图8所示。
图7 储能充放电策略制定示意图
4）点-线-面的负荷平衡优化
以台区为基本单元点进行负荷平衡优化，以鸿泰汽车企业为例，通过平台对企业内的储能设备调控，可将变压器负荷峰谷差降低35%，提升电能质量，效果见图9a）；多台储能联合调控，可将10 kV线路峰谷差率减少30%，同时降低线路10%的负载率，解除线路红色预警，效果见图9b）；数十台储能设备联合调控，可将区域内110 kV虹桥变的容载比由1.21提升至1.37，解除变电站红色预警状态，效果见图9c）。最终完成点-线-面的负荷平衡优化。
5 结论
1）问题需求梳理、功能架构设计、系统开发研制为平台系统开发三阶段，可确切解决当前配网调控管理的问题难点，满足平台开发需求，实现平台设计功能。
2）融合无线传感实时监测、多能空间数据全景检测、数据安全传输等关键技术，使得平台具有高效、安全、稳定的优点，满足配网调控数据互联贯通、信息全景检测、配网协同管控、高效率运维的需求，实现对现场设备可观、可测、可控的功能。
3）通过多层级能源聚合调控技术对储能设备进行单台调控或区域多台集群调控，达到从台区至线路至变电站的点-线-面多层级自平衡，有效提升配电网弹性能力和稳定运行能力。
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(责任编辑：mac) 
