新型配电网中的软件定义技术理念及特征
新型配电网中的软件定义技术理念及特征
面向我国“双碳”重大战略部署以及社会经济高质量发展新要求，构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统，已成为电力领域面临的重点任务。配电网作为直接面向用户的电力系统关键组成部分，近年来新装备、新技术、新模式不断涌现，已成为新型电力系统建设中最具活力和发展潜力的一环。本文立足于配电网柔性化、数字化、智能化发展成果，提出新型配电网的软件定义技术构想，旨在从系统层面为配电网海量、分散灵活资源的协调利用提供解决方案，支撑整体配电网运行水平的进一步提升。
研究背景
以新型电力系统重大需求为引领，配电网的形态正在经历巨大变革。电源侧，在我国“集中式与分布式并举”、“分布式光伏整县接入”等政策激励下，配网分布式电源接入规模大幅增长，发展速度举世瞩目，引发的电压越限、设备过载等问题也更加突出。负荷侧，电动汽车等技术被作为终端能源消费清洁化的重要手段加以推广，其随机充电行为将对配电网运行安全造成巨大隐患。面向上述需求，配电网发展的关注点正逐渐从供电能力的充裕性转移到电网运行的灵活性上来。但各种电力电子化装备与传统配电网控制手段差异显著，传统技术难以有效解决其大规模协同运行问题；配电网数据、算力资源丰富，但统筹利用能力不足，限制了系统运行水平提升；配电网运行方式固化，对时变运行场景的主动适应能力弱；电力“产销者”大量出现，配电网将从承载“电力供应”转变为承载“电力交换”，现有技术尚不足以支撑功能定位的巨大变化。这些问题对配电网的运行控制架构与技术的发展提出了新的要求。
研究意义
本文立足于配电网在柔性化、数字化、智能化方面发展基础，提出了新型配电网的软件定义技术构想。分析了其技术思想起源与在配电网中的应用条件，建立了配电网软件定义技术的三层式架构，分析了软件定义灵活性的来源和表现形态，梳理了配电网软件定义技术面临的挑战性问题，初步探讨了在其构建与应用中可能涉及的关键技术。最后，对配电网软件定义技术的未来发展进行了总结与展望。
重点内容
配电网软件定义技术理念
1）软件定义的整体思路：
将底层差异化装备与上层控制功能分离
复杂时变场景下按需灵活定义运行规则
2）配电网软件定义的实施基础：
一次电气系统的源-网-荷柔性化新形态
二次信息系统的云-边-端数字化新体系
配电网软件定义的形态架构
1）配电网软件定义的分层形态：
基础层：由配电网基础的物理资源构成，其中包括一次电气装备和二次感知装置、通信链路与数据资源，是配电网能量流与信息流的真实载体。
抽象层：从基础层资源聚合抽象而来的节点和路径，反映基础层各聚合体灵活运行与能量信息交互能力，作为以统一形态描述的软件定义控制界面。
应用层：按需完成抽象层节点与路径定义，实现电压控制、能效优化、网络降损、故障恢复等运行功能。
图1 新型配电网的软件定义技术形态架构2）配电网软件定义技术价值与意义：
在运行层面消除各种分散灵活资源的物理差异
融合配电网中各种信息化与数字化技术价值
发挥配电网电气和信息层面的灵活协同潜力
促进配电网边缘控制基础平台和环境的通用化
配电网软件定义的技术特征
1）能量流的软件定义特征：
抽象节点(集群聚合体)静态运行状态的定义
抽象节点(集群聚合体)动态响应特性的定义
抽象节点(集群聚合体)间能流路径的定义
2）信息流的软件定义特征：
抽象节点(集群聚合体)运行功能的定义
抽象节点(集群聚合体)计算任务的定义
抽象节点(集群聚合体)间数据路径的定义
3）业务流的软件定义特征：
根据运行目标优化抽象层定义策略
动态激活节点功能协调完成复杂任务
灵活修改抽象层定义策略适应时变场景
挑战问题与关键技术
1）挑战性问题：
面向新型配电网多类型主体的软件定义形态架构还有待建立
实现配电网物理层多元要素的有效聚合与抽象表征面临挑战
信息环节的约束在抽象层节点和路径的表征中不可忽视
基于软件定义架构的多类型业务应用实现方法仍需探索
2）关键支撑技术举例：
配电网差异化要素的聚合与多维表征技术
以边缘计算节点为核心统筹分散资源，采用统一模型进行整体描述，以之反映抽象节点的多维属性，并形成面向业务应用的通用化控制界面。对此，需要研究配电网多元复杂物理约束的统一融合建模方法，信息与物理特征融合的全属性特征提取与量化方法，以及考虑时变性和不确定性的聚合能力概率化、动态化计算与预测方法等。面向功能与性能定义的边缘就地资源组织与控制技术
由边缘计算装置作为抽象节点的物理载体，按照上层给出的功能、性能定义，按需组织本地资源，并将定义优化分解为物理设备控制指令。对此，需要研究分散资源的集群优化组织方法、多维属性目标定义下的就地协调控制方法，计及信息与算力约束的就地优化决策方法，以及数据驱动的轻量化、智能化就地控制方法等。能量流和信息流协同的软件定义运行技术
以抽象层为统一界面，按需配置不同抽象节点功能、性能等属性特征，定义节点间连接路径拓扑和属性，以此支撑配电网运行控制目标优化实现。对此，相关研究包括面向不同控制目标的抽象节点功能-性能协调定义方法、信息物理融合的配电网运行控制方法、边缘分布式组网与优化决策方法等。基于软件定义的配电网多元业务应用与实用化技术。
协调利用配电网软件定义技术提供的能量流、信息流、业务流灵活定义能力，支撑配电网潮流优化、电压控制、新能源消纳等业务功能实现。对此，可开展的研究包括面向多元业务应用的多维度协同定义实现方法、复杂时变场景下多模式运行优化方法、事件驱动的自适应优化方法等。
结论
本文提出了面向新型配电网的软件定义技术理念，其核心目的之一就是消除众多新技术、新装备之间的物理差异，为配电网运行提供具有通用性、一致化的控制界面，降低在调控人员和上层应用视角下的系统复杂性，同时为更加智能化的运行优化和控制方法应用创造条件。主要结论包括：
- 在物理层和应用层之间增加一个具有承上启下功能的抽象层，将是实现配电网软件定义的关键，也是整个技术思路实现的最大难点，将是未来值得探索的一个方向；
- 从上层应用来看，以抽象层控制界面取代传统的物理系统界面之后，将给系统整体的运行控制体验带来比较大的变化，特别是对于区域运行功能的协调定义目前考虑较少，相关方法还有待进一步完善；
- 由于上层调控将更加关注不同区域间的协调以及整个系统的运行表现，物理层设备控制将由抽象层自主完成，这一方面强调了边缘计算在系统中的重要作用，同时也对更加先进的区域性、集群化、就地化协调控制方法提出了需求。
作者介绍
王成山（1962），男，教授，中国工程院院士，主要从事智能配电系统研究，cswang@tju.edu.cn；
于浩（1988），男，博士，副教授，通信作者，主要从事智能配电系统运行分析与控制技术研究，tjuyh@tju.edu.cn；
李鹏（1981），男，博士，教授，主要从事智能配电系统仿真分析与运行控制技术研究，lip@tju.edu.cn；
冀浩然（1991），男，博士，副教授，主要从事智能配电系统运行分析与控制技术研究，jihaoran@tju.edu.cn。
本文原文来自《新型电力系统》期刊，2024年2月第1期，作者为天津大学智能电网教育部重点实验室的王成山、于浩、李鹏、冀浩然。