新型电力负荷管理系统的关键技术与发展

四川中电启明星信息技术有限公司 陈启元 张 强 欧 渊 左发先 邱星潼

双碳战略下，能源的低碳绿色转型已经成为我国推行绿色发展的一大重点话题。在此背景下，新能源发电占比持续提升，对于整个电力系统运行的安全性与稳定性要求不断提高。为有效解决电力供需暴露出的矛盾问题，加强对构建新型电力系统的支持，《关于推进新型电力负荷管理系统建设工作的意见（2022年）》明确指出，要加快推进我国新型电力负荷管理系统的建设，推广应用智慧能源单元。但新型电力负荷管理系统在建设过程中面临着组网调控回路不充分，灵活性不足；终端硬件单元智能化程度不足；不同场景下电力负荷管理系统调控的经济性与适应性不足等诸多问题[1]。基于此，为实现电力系统广域资源快速响应能力的提升，有必要构建新型电力负荷管理系统，保证系统具有分级调节、精准调控的功能。由此针对新型电力负荷管理系统构建过程中应用的关键技术展开研究具有重要意义。

1 新型电力负荷管理系统及功能

1.1 新型电力负荷管理系统架构

为更好地适应新型电力系统的发展需求，在坚持需求响应优先的基础上，确保充分利用需求侧资源对图1所示的新型电力负荷管理系统进行构建。该系统依托计算机技术、自动化控制技术、智能通信技术等，以实现对电力负荷数据的采集、监控和分析处理，基于动态聚合提高电力负荷资源调控的灵活性。而构建的新型电力负荷管理系统则能在负荷管理过程中，提高用户的参与程度，在保证供电质量的前提下，进一步提高对电力负荷资源的利用程度，促进资源的最大化利用，促进“双碳”目标的实现。

图1 新型电力负荷管理系统

新型电力负荷管理系统中，由数据采集模块收集终端负荷信息，再将负荷信息数据传递至数据管理系统进行转换，并存储在应用数据库来提高负荷管理的安全性。同时，电费管理、防窃电，以及电能质量监测系统凭借数据访问接口即可实现电压监测、电费管理、功率查询等功能。此外，新型电力负荷管理系统还通过对大数据、云计算、人工智能等先进技术的应用，实现对负荷数据的深入分析，为负荷资源调控策略的灵活制定提供有力支持。

1.2 新型电力负荷管理系统功能

新型电力负荷管理系统主要具备以下功能。

第一，电力营销管理。系统凭借远程自动抄表功能实时采集、存储、传输用户用电数据，可以在第一时间发送欠费和缴费通知。由于新型电力负荷管理系统包含众多分布式负荷资源，且在地理层面上表现出较高的分散程度。因此，可以借助区块链和智能合约技术完善电力营销管理，以解决传统营销交易周期长、响应缓慢、虚假交易等问题，进而为电网系统和用电用户提供安全保障，进一步提高新型电力负荷管理系统的安全性、稳定性及效率性。

第二，数据监测。系统具备实时监测功能，通过对各时段用电数据的采集、统计和分析，绘制负荷曲线，生成电能质量报告，便于后续负荷预测工作的开展。同时系统还具有防窃电功能，可通过用电异常数据分析实现对窃电行为的有效监测，无论是效率还是准确性均得到显著提高，有利于有序用电。

第三，负荷调控。负荷调控是新型电力负荷管理系统的核心功能，系统依据预测得到的用电计划结果，灵活、科学地制定用电负荷调控策略，以通过对电力负荷资源的动态聚合，实现对资源的精细化调控，从而促进负荷资源利用率的提升。

2 新型电力负荷管理系统关键技术分析

2.1 多模态灵活组网技术

新型电力负荷管理系统需要综合考虑不同业务场景下电网侧及需求侧之间的互动需求，根据各类终端接入方法及流量需求对网络拓扑结构进行差异化设计。同时也需要对网络结构升级和业务发展过程中暴露的均衡性、安全性等问题进行考量，对传统电力负荷管理系统的网络拓扑予以改造，重构网络连接逻辑关系，以此实现新型电力负荷管理系统的承载性能。

新型电力负荷管理系统本地通信方面，基于RS-485协议，利用远距离无线电、高速电力线载波通信等技术，实现用户负荷资源在智慧能源单元中的接入，并依照业务类型差异，对管理大区进行适应性选择。不同类型业务需求差异，合理选择管理大区接入。通常情况下，远程通信的调控类负荷业务主要采取无线专网、光纤专网或5G 硬切片等方式接入。针对重点用户或高要求的调控负荷，需建立备用的通信冗余通道，以确保系统的多回路控制具备冗余性。对于监测类负荷，系统接入通常依赖于无线专网。当前，新型电力负荷管理系统在不同的接入控制模式下，面临负荷流量特征不明确的挑战，要求建立物理和数据两种模型。在通信网络资源配置方面，建议采用“主站—终端—控制回路”的层级式拓扑结构，根据业务的实时传输需求，制定动态的网络资源配置策略，以快速响应负荷调控业务，确保电力负荷管理系统在各种场景下的安全性、可靠性，保证负载均衡[2]。此外，针对虚拟用电权交易或P2P 分布式交易等业务，需要重新构建负荷控制层次之间的拓扑关系，并采用图2所示的自适应调优的动态组网方式。在用户侧，各类需求侧资源组网可采用RS-485或无线传感网等本地通信技术，以连接路由控制节点和末端控制设备，实现二者之间的有效通信。对于不同区域或级别的聚合系统，通过直联链路实现远程通信，并依照业务的逻辑关系调整聚合层级，从而提高新型电力负荷管理系统的调控灵活性。

图2 新型电力负荷管理系统多模态组网

2.2 实时控制仿真推演技术

新型电力负荷管理系统应用实时控制仿真推演技术，基于多模态数据感知提取电力负荷状态数据，实现对负荷调节态势和发展规律的分析。考虑限制条件下，对高并发实时控制场景中新型电力负荷管理系统因通信节点资源和链路资源不足造成的网络阻塞情况进行精准识别，并构建业务专用的半实物仿真内核，开展实时控制仿真推演，进一步提高对需求侧调节资源响应能力的精准程度。

基于此，利用多模态数据感知及融合技术，对不同负荷组态和运行模式下的系统仿真量测特征参数进行提取，优化仿真新信号的流转方式，基于系统网络架构和分层协议栈建模进行仿真映射的模拟，对新型电力负荷管理系统组网的半实物实时仿真内核予以构建。应用实时控制仿真推演技术能够在数据驱动下，结合物理建模方式对新型电力负荷管理系统的实时推演模型进行构建，推演中充分考虑不同电网应用场景，捕获系统实时态势数据和相关指标建立知识库。对于业务实时推演场景的动态生成而言，应依照动态实例对系统多实体仿真模型进行修正，匹配实时态势特征数据与实体模型，搭建二者之间的联结。为充分发挥出实时控制仿真推演技术的作用，借助多分支模拟的方式对外部输入的环境测量数据、推演计算二次指标、用电负荷曲线进行综合计算。同时，针对重点应用场景或重点用户的仿真推演而言，需要对电力负荷多种互动场景中存在的潜在分支畸形充分考虑，从而为主站制定决策提供有力的数据支持。此外，新型电力负荷管理系统的实时控制仿真推演还需要在仿真侧和实物侧的节点之间对控制指令和闭环反馈机制进行完善地构建，并在仿真侧和实物侧之间信息交互感知的基础上，对实时控制推演的结果进行分析，以此实现对新型电力负荷管理系统控制策略的动态、灵活调控[3]。

2.3 5G 通信技术

相较于传统通信技术，5G 通信技术具有更高的速率、更大的容量、更低的时延以及更小的功耗，这使其成为新型电力负荷管理系统理想中的通信技术应用，能够使系统灵活调控海量的负荷资源。鉴于新型电力负荷管理系统需对接多种业务类型，如负荷预测、资源调控、智能抄表、需求侧管理等，不同业务在通信方面的需求各不相同。因此，引入5G 网络切片技术，按业务需求划分多个虚拟通信网络，以提高系统的灵活性和可靠性。虚拟网络在逻辑上相互独立，专门服务于特定的业务场景，且某一网络切片的故障不会影响其他业务通信。此外，基于5G 通信，可以开发轻量化通信终端，由国网信通产业集团自主研发，旨在降低设备的功耗和成本。轻量化通信终端通过减少传输带宽、天线数量，以及简化调制阶数等措施，继承了5G 通信的高连接性和低时延特性，不仅能够有效支持支持电力行业中的5G 应用，还为其在电力行业的规模化和高质量部署奠定了坚实基础。现场应用结果表明，在满足业务低时延、高可靠性通信需求的前提下，5G 轻量化通信终端功耗与替换升级前相比降低了50%。应用5G 轻量化通信终端后，用电负荷数据采集成功率达100%，响应时间级别由分钟级提升为毫秒级，有助于全面提升负荷精细化管理水平。

3 新型电力负荷管理系统的发展

在“双碳”目标的持续推进下，新型电力负荷管理系统面临着负荷结构多元化、负荷资源特性复杂化、业务互动深入化等诸多挑战，使新型电力负荷管理系统暴露出网络资源受限、待处理数据爆炸式增长、安全性有待提高等问题。基于此，“双碳”目标下新型电力负荷管理系统的发展应从以下几个方面入手。

第一，正确认识新型电力负荷管理系统发挥的重要意义。加快推进新型电力负荷管理系统建设，相关部门应对新型电力负荷管理系统的标准体系进行构建研究，并执行相应的支撑政策，进一步完善系统相关标准，从而提出基本的政策和技术支持。同时还要积极引导用户响应新型电力负荷管理中的需求，以此保证电力保供的安全底线。

第二，全力做好市场化需求响应能力建设。积极发动用户和发电厂协同参与电力调节。使用户主动对近期生产计划进行优化处理，尽可能错开高峰时段用电，从而在保证用户效益的同时，尽量缓解供电压力，以此形成双赢局面。

第三，加强电力负荷管理工作各部门的协调配合，全力推进新型电力负荷管理系统建设。确保各部门之间紧密合作，形成全面布置，共同推进的新型电力负荷管理系统建设局面，保障电力安全稳定。

4 结语

在新能源发电占比持续提高的背景下，源、荷两侧随机性致使电网供需平衡面临较大压力，成本不断提升。构建新型电力负荷管理系统有助于强化电力系统的灵活性，提高“源—网—荷”之间的互动能力，推进新能源消纳，实现对能源消费和碳排放的高效管理。由此，在介绍新型电力负荷管理系统及其功能的基础上，深度分析新型电力负荷管理系统构建过程中应用的关键技术，为我国新型电力负荷管理系统的进一步发展提供参考。