面向用电负荷精细化调控的需求侧管理平台设计

白新雷，张 凯，冯 剑，张露露，陈 珂，宫飞翔

（1.国网河北省电力有限公司 营销服务中心，石家庄 050035；2.国网河北省电力有限公司，石家庄 050022；3.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；4.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

随着我国经济从高速增长转向高质量增长，工业、商业、居民用电比重不断上升，电力尖峰负荷波动明显。为有效控制尖峰负荷带来的不利影响，应统筹协电源建设和需求侧管理，保证电力系统供需平衡，减少电网损失和建设成本。电力需求侧管理（demand side management，DSM）是指利用现代科学技术，电力系统中各方参与者共同协作，改变用户侧用电效率和用电方式，有利于促进电力系统各方参与者良好互动，维护电力供需平衡。

随着工业、商业和居民用户的电力需求不断增长，全国区域性缺电问题凸显。河北南网季节性时段性缺电问题尤其突出，2019年夏季河北南网最高用电负荷超4 000万kW，同比2018年增长9.74%，亟需从用电侧入手进行需求侧资源精准高效调节，实现源-网-荷动态平衡。目前需求侧管理研究热点主要是需求侧管理策略和需求侧管理平台。文献［1］—文献［3］基于博弈论斯塔伯格博模型，求解用电用户的最优需求响应策略，优化调整用户用电任务。文献［4］提出了一种基于模糊逻辑改进的加权公平队列动态调度策略，满足需求响应业务服务质量需求。文献［5］提出一种基于逐级电网安全的有序用电策略和系统框架，以提高电网运行的安全性和经济性。文献［6］提出一种以客户用电需求为导向的台区有序用电管理策略。相关的需求侧管理策略算法研究已经比较成熟，但是目前的技术手段难以支撑精准、高效的电力需求侧资源调节。文献［7］介绍了广东省电力需求侧管理平台建设目标和建设架构，为广东地区开展电力需求侧管理提供了技术支撑。文献［8］介绍了山东省电力需求侧管理平台建设及应用，提升了电力需求侧管理工作水平。但是目前依然存在着调节资源多，用户手动调节及时性差、不确定性大、缺乏自动高效调节海量资源的模型、源-网-荷协调互动严重不足等问题。本文提出一种面向用电负荷精细化调控的需求侧管理平台，平台覆盖全省，满足省-市-县3级应用，可以对省内特定负荷实现负荷精准切除、调控，解决逐年加剧的用电缺口问题。

1 需求分析

本文提出的面向用电负荷精细化调控的需求侧管理平台针对河北南网用电负荷特点，以满足河北省电网用电高峰期的平稳安全运行需求、有效缓解电力供应紧缺矛盾为目标，通过电力需求侧管理对重点用电客户的用电负荷实行精细化灵活调控。

（1）功能需求：需求侧管理平台所具备的功能需求包括用户管理、运行管理、可中断执行、有序用电、考核评价、平台管理等。

（2）技术规格需求：需求侧管理平台所具备的技术规格需求包括性能需求、可靠性需求、可维护性需求、易用性需求、集成需求等。

（3）安全需求：需求侧管理平台所具备的安全需求包括用户身份鉴别、访问控制、应用安全审计、用户数据完整性保护、数据加密存储、平台间数据接口安全防护等。

2 平台架构设计

2.1 总体架构

需求侧管理平台的总体结构分为主站、通信信道、设备3层，如图1所示，主站通过通信信道与设备建立通信连接，对设备发送通信指令，获取设备采集的数据，对设备进行控制，切断可中断负荷，达到削峰填谷目的。

图1 需求侧管理平台总体架构Fig.1 Overall architecture of the demand side anagement platform

（1）设备层主要包括用电信息采集终端、负荷管理控制终端、需求响应终端及接入这些终端的计量电表、交采模块、采集器等。

（2）通信信道指主站与终端的通信信道，包括电力公司内部光纤网、无线专网、4G、GPRS等多种信道。

（3）主站主要实现数据采集层和业务功能应用层。数据采集层主要负责采集用户的用电负荷、电压、电流等数据，并对用户用电开关、用电设备进行控制。主站的业务应用层主要实现业务功能，包括通信组件、自动采集任务和需求侧管理平台。

2.2 业务架构

需求侧管理平台是实施需求响应、有序用电业务和开展对外宣传的技术支持平台。支持集中部署，具备独立运行能力，业务架构如图2所示。

由图2可知，需求侧管理平台用户包括省、市、县各级电力公司相关专业人员，平台的业务涵盖用户管理、终端的安装与调试、数据采集、终端控制、有序用电、考核评价、综合应用、平台运行维护。通过统一的接口规范，平台实现与用电信息采集平台等系统内业务应用平台连接。

图2 需求侧管理平台业务架构Fig.2 Business architecture of the demand-side management platform

2.3 应用架构

需求侧管理平台应用架构如图3所示，对需求侧管理平台进行功能域划分，平台应用架构分为用户管理、可中断执行、有序用电、考核评价、通信功能、自动任务、通信组件、运行维护、平台管理、平台接口10个功能域。

图3 需求侧管理平台应用架构Fig.3 Application architecture of the demand side management platform

2.4 技术架构

为了构建高效性、可复用性、高通用性、安全性的平台，主站软件采用JAVA Spring+MVC架构搭建，采用多层的分布式应用模型、组件再用、一致化的安全模型及灵活的事务控制，使平台具有更好的移植性，以适应平台将来的扩展的需要。

需求侧管理平台架构如图4所示，主站软件采用了多层的分布式结构，软件架构由表现层、应用层、服务层、数据层组成。

图4 需求侧管理平台技术架构Fig.4 Technical architecture of the demand side management platform

（1）表现层：采用HTML、JavaScript等技术，主要提供业务的操作界面和信息展示界面，是用户和平台之间交流的桥梁，是直接面向操作用户的部分。

（2）应用层：是平台的核心，主要实现具体业务逻辑，负责平台领域业务的处理，及逻辑性数据的生成、处理及转换。

（3）服务层：包括数据访问服务、消息服务、权限服务、报表服务以及平台需要的其他服务，提供全局通用组件服务支持，并实现本平台专用业务逻辑服务，为应用层提供技术支撑。

（4）数据层：实现海量数据的存储、访问和整理，为整个平台提供数据管理支持。数据层主要通过数据库实现。

3 需求侧管理平台关键技术研究

在需求侧管理平台的设计和建设中应该充分考虑到当前和未来的发展需求，采用合理的技术，选用先进设备，以便于最大限度满足当前需求侧管理平台的需要和电网公司及用电用户对平台的需求。

3.1 多级负载均衡技术

负载均衡（load balance，LB）技术，即一种在现有网络结构上扩展网络设备带宽，提高网络灵活性和可用性的技术。在需求侧管理平台中，平台将通过数据采集和平台对接接入海量数据，并且随着业务量的提升，服务器设备将承担极大的数据处理和计算压力，负载均衡技术通过相关算法扩展现有设备带宽，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。本文提出多级负载均衡技术。在前置环节，通过硬件F5均衡器完成终端上线均衡负载的需求。在任务调度环节，采用多任务器均衡方式进行在Web应用环节，通过硬件F5均衡器将客户端访问请求均匀分布到各应用服务，不仅可根据平台性能需求增加或收缩任务处理模块部署，降低单节点崩溃影响平台运行的风险，也可以在提高性能的同时提高平台运行可靠性。

3.2 MVC设计模式

MVC设计模式，M代表数据模型、V代表用户界面、C代表控制器。MVC设计模式将业务逻辑、数据、界面显示在代码层面分离，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。在需求侧管理平台中，数据模型由javaBean来实现，用户界面由JSP实现，控制器由Struts2实现。控制器接收请求并决定调用哪个数据模型去处理请求，然后确定用哪个视图来显示模型处理返回的数据。通过代码分离使得模型返回的数据格式与模型无关，模型代码可以被多个视图重用，大量减少代码的重复性。同时MVC分层也有利于需求侧管理平台的开发和管理，可以通过不同的开发人员同时推进不同方面的开发，也可以忽略其他方面的影响专注考虑一个方面的设计优化。

3.3 预处理技术

数据预处理，是指在主要的分析统计之前对数据进行处理。需求侧管理平台通过数据采集和其他业务系统获取海量原始数据，其中数据大体都是不完整、不一致的脏数据，数据质量无法满足需求侧管理平台的进一步数据挖掘和分析。对一些数据冗余、计算复杂的统计分析功能运用预处理技术，有利于提高需求侧管理平台查询统计信息的效率，促进数据挖掘、数据分析的质量，降低平台运行业务所需要的时间。

3.4 Kafka系统

Kafka是一种高吞吐量的分布式消息发布和订阅系统。在需求侧管理平台中，为了实现用电负荷的精细化调控，需要在主站和任务调度之间提供实时通信服务。但是，当主站发送下行报文给任务调度时，由于终端通讯的延时性，并不能立刻获取到上行报文。如果一直保持接口连接，会造成服务器的负载增加，造成资源浪费。需求侧管理平台采用Kafka系统后，主站和任务调度采用异步通讯，主站发送下行报文给任务调度，下行过程即已结束。当任务调度返回上行报文时，主站通过监听器获取Kafka消息并自动接收，既保证了实时性，又提高了服务器效率。

4 需求侧管理平台的应用

目前，需求侧管理平台已在河北省上线运行，范围覆盖河北南网全网6个城市，平台首页如图5所示。面向用电负荷精细化调控的需求侧管理平台可以实时监测各地基站、终端运行情况，在线显示当前时段的省市监测负荷和可控负荷变化趋势。

图5 需求侧管理平台首页Fig.5 Homepage of the demand side management platform

需求侧管理平台以需求响应为主，有序用电为辅，可实现削峰填谷，有效缓解电网高峰压力，弥补电网低谷运行负荷，保证电网安全稳定运行。

4.1 需求响应

（1）将平台接入的需求侧终端按照不同所属供电单位，分别编制可中断年度预案。

（2）在需求响应实施前，省公司将指标分解到地市公司，地市公司再分解到各个县公司。

（3）各供电单位根据自己分摊的指标，选择合适的可中断年度预案生成执行计划。

（4）计划执行前，可以通过批量下发中文信息的方式对可中断用户进行通知。

（5）计划执行时可以根据实际情况选择遥控或者功控的方式来实施可中断。

4.2 有序用电

（1）将参与有序用电用户导入平台之后，按照供电单位将指定的用户编制为年度预案。

（2）有序用电前，省公司通过指标分配功能，将有序用电指标分解到地市公司，地市公司再分解到各个县公司。

（3）各供电单位根据自己分摊的指标选择合适的年度预案生成执行计划。

（4）计划执行前，可以通过手机短信的方式对有序用电用户进行通知。

（5）计划执行期间，可以实时监测有序用电负荷，实现灵活调控用户用电负荷的目标。

5 结束语

针对河北省用电负荷特点，本文设计了面向用电负荷精细化调控的需求侧管理平台，开展了需求侧管理平台的需求分析，在此基础上进行了平台架构设计和关键技术研究，并分析了需求侧管理平台在河北南网的实际应用效果，发现对重点用电客户的用电负荷实行精细化灵活调控可有效缓解电力供应紧缺矛盾。但目前，平台与负荷聚合商平台、智能家电云平台等互联互通能力不足，尚未实现电力需求侧多元灵活资源的应用，未来平台在参与电网运行调控方面仍有较大的优化提升空间。D