基于Redis的柔性负荷聚合商能量管理系统

吴世伟，纪 陵，蒋衍君，刘文彪，李靖霞，刘永笑

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 211153；2.国网太原供电公司，太原 030001）

0 引言

在碳达峰、碳中和战略目标驱动下，我国未来将发展以新能源为主体的新型电力系统，这必将对电网源网荷的调节控制发展提出更多的技术要求。当前空调［1-3］已经成为夏季我国电力负荷的重要组成部分，电动汽车［4］的发展持续加速，储能［5］也在工业园区、风电/光伏电场、调峰电站等多个场景发挥重要作用。在此背景下，依托于物理信息系统［6］的柔性负荷聚合商［7］（或虚拟电厂）的发展条件趋于成熟，可通过软件架构定义电网能源的运行控制过程，聚合分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的用户侧可调资源，实现多个分布式资源的协调运行，满足电网的供需平衡［8］，有利于资源的合理化配置及利用。因此当前需要研制柔性负荷聚合商能量管理系统，将各种用户侧可调资源聚合成满足电力系统可靠并网要求的整体，并作为整体参与电力系统调控［9-11］。文献［12］研究了空调的优化控制策略，关于电动汽车的V2G（车网互动）调控［13］、计及充放电裕量的充放电调度策略［14］、日前调度策略［15］也有相应研究。我国已建成国家、地方需求侧响应服务管理平台，各省市组织实施了多次需求响应，柔性负荷聚合商未来将在电力系统移峰填谷、可再生能源电力消纳上发挥更大作用。

当前柔性负荷参与电网调控大多在园区、大楼层面执行，要实现到单个可调负荷的自动精细调控还需要进一步研究。本文搭建了以Redis为数据总线的包含电网潮流仿真分析、负荷监视控制、用户信息交互的柔性负荷聚合商能量管理系统框架，阐述了关键技术，并开展众多分布负荷通信互动和在此基础上的新能源消纳、削峰填谷场景下的自动调控模拟。系统实现了细化到单个可调资源的自动调控，子站端接入资源数据点多量大且子站系统支持扩展，涵盖了站端到电网控制的全流程，方便从电网角度考虑可调资源参与聚合调节效果，支持模拟可调资源动态特性；另外系统集成了Web和APP访问技术，方便用户参与互动交互。该系统可用于柔性负荷聚合商控制策略研究和模拟培训。

1 系统结构

柔性负荷聚合商管理了数量众多地理分布的可调负荷资源，在电网调控和负荷资源之间着发挥着上传下达的作用。为了直观观测柔性负荷调控过程中电网潮流变化和负荷响应过程，本系统包含了电网潮流仿真系统、负荷监控系统、互联网用户互动信息系统等。为了实现前述功能，需要研究基于物联网技术的分布式用户侧可调资源的接入、多个系统之间的数据交互融合、典型负荷的调控模型特性、柔性负荷聚合和调控等。

柔性负荷聚合商能量管理系统的物理结构如图1所示，包括通信接入、数据采集与监控、配电网仿真及展示交互部分。为实现柔性负荷控制颗粒度从园区、工厂、大楼负荷细化到用电负荷，通过有线网络、Lora无线通信方式接入了充电桩、储能、空调等负荷资源。数据采集监控系统包括数据建模、负荷用电信息采集、存储、分析、监视控制以及高级应用等功能。通过对典型负荷数据的挖掘分析提取出关键影响因素，并对用电负荷行为特征进行聚类和识别画像。配电网仿真系统包含地区电网及配电网模型、分布在配电网节点上的负荷资源、在调控柔性负荷时能观测到配电网潮流变化。系统通过大屏、网页、移动终端、PC机等方式输出展示信息，柔性负荷资源调控参与各方可以查看用电信息、参与调节次数和调控的收益信息、可调节潜力、调控过程、调控执行情况等。

图1 柔性负荷聚合商能量管理系统物理结构

2 基于Redis订阅/发布的数据交互技术

2.1 Redis性能特点及应用

Redis是一款开源（BSD许可）的高性能非关系型内存数据库，支持丰富的数据结构（包括字符串、集合、列表、字典、哈希等），可实现快速访问。Redis具有以下特点：数据读写性能高，每秒可以处理超过10 万次读写操作，是已知性能最快的Key-Value 数据库；支持将更新的数据异步持久化到硬盘中，或者将执行过的修改操作写入日志文件中；客户端和服务端可实现多种类型的交互模式，包括原子化的批量请求/响应模式（事务）、发布/订阅模式等。

为了在监控系统、配电网仿真系统、用户信息交互系统等多个不同技术栈系统之间交换数据，本文基于Redis 的发布/订阅数据总线技术建立数据通道。系统模块结构和数据交互如图2所示。各系统之间的交互数据主要包括：SCADA（数据采采集与监控）系统中负荷运行监视数据、负荷模拟数据、配电网仿真系统的运行数据、Web 系统显示的负荷信息以及用户交互信息等。

图2 系统模块结构和数据交互

2.2 不同场景下的数据交互过程

基于Redis的数据总线建立了多个数据通道接口，实现了多个系统之间的数据交互。图3展示了主要的通信接口以及各功能场景的数据流详细过程。

图3 系统交互的数据流

场景1，配电网仿真系统交互数据流程：配电网仿真系统通过过程①②发送数据（例如联络线潮流信息等）给能量管理系统；在负荷调控过程中，配电网仿真系统通过过程①②③④⑤⑥⑪⑦与能量管理系统互动。

场景2，能量管理系统收到调节指令后，分解目标值并发送给柔性负荷，同时负荷量测值发送给配电网系统的数据流程：配电网仿真系统通过过程①②⑧⑨将信息推送至Web；Web 系统发起调控个别负荷时，通过数据流⑩④⑤⑥⑪⑦和⑩④⑤⑭过程，与监控系统和配电网仿真系统之间互动；能量管理系统通过过程⑫⑬⑪联动查看负荷所属配电网节点。

场景3，SCADA 系统数据发布过程：通过⑮⑯从SCADA系统向Web发布数据。

交互报文采用Json格式，示例如下：

3 柔性负荷聚合商参与电网调控技术

为了把柔性负荷纳入到电网滚动优化控制中，在考虑功率平衡、边界约束条件下进行经济调控，需进行负荷资源可调潜力预测计算和分配。

3.1 柔性负荷聚合商参与电网控制的步骤

系统模拟柔性负荷聚合商参与电网控制的步骤如下：

1）选取光伏站、风力发电厂典型日96 点发电曲线，并按照容量进行折算。

2）周期提取当前时刻点对应的光伏、风力发电出力数据，发送到仿真系统进行全网潮流分配。

3）设定用户侧可调资源基线数据、电动汽车日出行计划、室外温度曲线等数据，对电动汽车的充电状态、空调的启停状态作出判别，并刷新当前可调潜力。

4）柔性负荷聚合商根据可调潜力调节柔性负荷消纳新能源发电，调节策略包括启动储能、启动电动汽车充电。

5）柔性负荷聚合商进行电网移峰填谷控制，在用电高峰时段，启动储能资源放电、停止空调负荷、停止电动汽车充电等；在用电谷时段，启动储能充电、启动电动汽车充电等。

柔性负荷调控模块结构如图4所示。其中，电网仿真系统支持断路器和隔离开关变位、变压器遥调操作和故障设置、发电机出力调整、负荷调节，以及故障和事件的教案编辑生成，对培训仿真的初始化训练、暂停、中止等过程控制。

图4 柔性负荷调控模块结构

模拟程序支持定时传输多组序列化数据，例如光伏、风电出力时序数据，温度时序数据，峰谷时段的负荷时序数据；支持多组数据的初始化，例如柔性负荷基线数据等；支持柔性负荷的动态过程模拟，如温控负荷随气温变化按数学模型的启停状态，充电桩和储能系统随时间变化的SOC（荷电状态）。

调度潜力计算模块周期性计算刷新当前和未来可调度潜力。调控模块在接收到调度调控指令后，依据可调潜力分解目标值并分配调节各可调负荷，控制过程循环迭代直至达到稳定的调控结果。调节过程中的负荷量测值发送给配电网仿真系统，进行功率平衡校核。以上过程包含了负荷预测、负荷控制及电网功率平衡的过程。

3.2 可调潜力计算功能

负荷可调潜力聚合计算采用物理模型法。通过建立三类负荷物理模型，考虑储能充放电SOC上下限、温控负荷的人体舒适度范围、电动汽车的出行使用需求，假定负荷资源在满足约束条件下完全可控，对未来几个小时的潜力进行预测输出。计算时分层分类，先逐个计算单个负荷潜力，再按类型聚合求和。上述过程涉及的负荷模型参数见表1。

表1 柔性负荷模型参数

空调模型表达式如下：

电动汽车和储能在t时刻的电池电量计算公式如下：

式中：QSOC，t和QSOC，0分别为t和t0时刻的电量；PR为额定功率；Ce为充电效率；Qe为电池容量。

3.3 柔性负荷调控功能

负荷调控模块基于开放式的监控系统设计，平台层面接入负荷各种复杂通信规约，提供数据采集、存储、画面展示、告警、曲线、报表等功能。应用模块计及负荷优先级和可调潜力等因素合理分配目标值，通过并列下发指令以提高调节速度。调控程序包括指令监听函数、负荷闭锁和可调潜力检测函数、指令分配算法等。在接收到调度的调节指令后，结合负荷闭锁状态、边界条件和可调能力，按照分配算法分解指令值并发送给各负荷，周期性刷新负荷资源的可调能力，及时将可调资源投入调节、将达到边界条件的负荷退出调节。循环迭代上述过程直至达到控制目标。

4 系统应用情况

本文搭建了柔性负荷管理控制和仿真系统，主网选择某地区电网，配电网为主网的一条出线。其中包括5 座火力发电厂、1 座风电场、1 座光伏电站，有可调负荷点125 个、负荷联络线148 条。实际接入部分示范空调、电动汽车充电桩、储能设备，并模拟部分柔性负荷对象。文中阐述的电网结构、配电网线路、负荷节点的层次关系如图5所示。

图5 柔性负荷聚合商系统试点电网结构

文中柔性负荷聚合商系统模拟调控过程，如表2 所示，设定柔性负荷资源包括100 kW 储能、100 kW 空调、100 kW电动汽车，峰时段为09：00—11：00和19：00—21：00，谷时段为23：00—07：00，空调调节占空比为34%。09：00—11：00，储能、空调参与调节抑制尖峰负荷，总可调功率共计166 kW；19：00—21：00 期间，空调、电动汽车负荷参与调节抑制尖峰负荷，总可调功率共计266 kW；23：00—07：00，储能、电动汽车参与调节，消纳新能源发电功率，总可调功率最大共计200 kW。在负荷聚合调控过程中，能观测到连接线潮流和负荷资源的相应变化，直观展现负荷移峰填谷效果，以及谷时段的调节对于新能源发电吸纳的有益效果。

表2 柔性负荷聚合商系统模拟数据

5 结语

本文构建了柔性负荷聚合商能量管理及仿真系统，采用了基于Redis 订阅/发布的信息交换技术，运用物理数学模型的负荷可调潜力计算及快速控制方法，实现了柔性负荷的自动响应和分配控制。系统包含信息采集、数据模拟、潮流仿真、负荷预测以及负荷聚合分配控制等功能，既可在实验室用于控制策略的研究和仿真，也可为柔性负荷聚合商参与电网调控提供支撑。文中使用某地区电网节点和配电线路的断面数据，接入了实际负荷装置，在满足供需平衡的约束下，模拟了新能源消纳和电网削峰填谷的场景。系统已在试点运行，下一步将研究在接入可调资源容量较大时，考虑可调资源的分布特性，从所在各地区电网角度出发，结合电网架构、潮流约束整体，合理划分区域层次，从整体上探讨该约束优化问题。