在過去的50年中, 電網的自動化水平有很大的提高, 但相比于智能電網仍存在巨大的差距?，F有的電網不能很好地應對主動供配電、分布式能源、能源互聯以及新功能新業務等問題。
軟件定義網絡將計算機網絡設備的控制平面和數據平面分離, 通過邏輯上的集中控制構建開放可編程的網絡體系結構, 從而支持各種新型業務的創新。本文吸收了“軟件定義”的理念, 首次提出了軟件定義電網(software defined grid, SDG)。通過利用軟件定義的概念和方法論, 把傳統剛性的電網變成更加柔性的邏輯電網, 實現了電網信息的邏輯集中控制、電網數據和電網控制的分離以及抽象的電網模型, 使得電網具備更強的適應性和靈活性。
軟件定義電網的概念
“軟件定義”的概念最早在計算機網絡中被提出并得到應用, 即為人們所熟悉的軟件定義網絡。軟件定義網絡有三大特征, 分別是: 1) 控制跟傳輸(計算機網絡中的轉發)分離; 2) 具備開放的編程接口; 3) 具備集中式的控制。軟件定義的核心思想就是實現系統的運行、控制、管理三者部分或全部的分離。
圖1是傳統電網和軟件定義電網的概念對比示意圖。圖1左側是傳統的電網, 其各個專用應用系統從硬件到軟件都緊密耦合在一起, 其運行、控制與管理不可分割。當需要構建新功能或新業務時, 從硬件到軟件全都需要重新設計、實現和部署, 這種方式極大地阻礙了電網的更新與發展。
圖1右側是軟件定義電網, 其余軟件定義網絡具有的特征, 實際上是將軟件定義的理念和方法運用于電網中, 實現電網的運行、控制、管理三者部分或全部的分離。這種分離將極大改變傳統電網的結構和運行方式, 使得電網變得更加柔性。
圖1 傳統電網和SDG的概念示意圖
軟件定義電網的體系結構
圖2是軟件定義電網的分層結構圖。從下而上, 軟件定義電網包括物理設備層(physical device layer, PDL)、運行控制層(operation controller layer, OCL)和應用定義層(application definition layer, ADL)三層; 另外還包括兩個接口, 分別是運行控制層和物理設備層之間的南橋接口(south-bridge interface, SBI), 以及運行控制層和應用定義層之間的北橋接口(north-bridge interface, NBI)。
1) 軟件定義電網的三個層次
物理設備層。物理設備層包括電網設備和通信設備, 處于軟件定義電網的最底層, 接受來自控制層的指令, 并完成相應的控制操作; 同時物理設備層的設備主動向運行控制層報告其狀態。
運行控制層。運行控制層包括電網操作系統(grid operating system, GOS)和廣義電網狀態數據。電網操作系統是整個軟件定義電網的核心和中樞, 匯集廣義電網狀態數據, 同時實現了電網運行的核心服務模塊, 為上層應用提供服務, 并分發控制指令給運行層設備。
應用定義層。應用定義層則包括各種為電網的功能和業務服務的應用。應用通過接口訪問控制器, 不僅可以訪問、控制智能設備, 還可以訪問運行控制層的廣義電網狀態數據。得益于這種分層的架構, 軟件定義電網中可以在邏輯層面上, 用“軟方法”很便捷地開發新應用和新業務。
圖2 軟件定義電網分層結構
2) 軟件定義電網的兩個接口
軟件定義電網包括南橋和北橋接口, 這兩個接口的層次和作用差異較大。南橋接口處于物理設備層和運行控制層之間, 完成物理設備層和運行控制層之間的信息交互; 南橋接口完成設備、控制器之間的雙向信息流通, 是一種低層次的接口協議。由于設備種類較多, 因此需要利用多種方式來實現。北橋接口處于運行控制層和應用定義層之間, 完成運行控制層和應用定義層之間的信息交互。北橋接口是一種高層次的接口協議, 隨著功能的增強和業務、應用的增加, 其接口功能也將不斷增加, 接口的形式也會多樣化。
軟件定義電網應用
接下來我們將探討兩個基于軟件定義電網方法的應用示例, 包括軟件定義配電網以及虛擬電廠。我們可以參照這些方法拓展其他新功能和新業務。
3.1軟件定義配電網
當前配電網正在發生深刻的變化, 正在從被動配電網向主動配電網轉變。
傳統的配電網是被動的配電網, 其運行、控制和管理模式都是被動的、靜態的, 對于大量分布式能源的接入有先天的缺陷。
主動配電網是具備組合控制各種分布式能源能力的配電網絡, 其目的是加大配電網對于可再生能源的接納、提升配電網資產的利用率、延緩配電網的升級投資, 以提高用戶的用電質量和供電可靠性。主動配電網有四個特征, 一是具備一定分布式可控資源, 二是有較為完善的可觀可控水平, 三是具有實現協調優化管理的管控中心, 四是可靈活調節的網絡拓撲結構。
軟件定義配電網(software defined distribution network, SDDN)作為一種技術手段, 能夠解決主動配電網中的若干難點問題, 其中包括: 二次設備和虛擬設備的自動配置; 對配電網多種運行模式的支持; 配電網主動性支持能力。
1) 二次設備的自動配置
配網的智能化和自動化水平取決于二次設備的數量與質量, 未來在配網中將有大量的二次設備。二次設備的網絡化是當前發展的一個重要趨勢。與智能電子設備一樣, 二次設備也需要接入軟件定義配電網。但是由于其數量、種類繁多, 因此依靠人工設置有太多的管理維護開銷, 而且容易出現差錯, 不太可行, 軟件定義電網可以實現設備的自動配置。
2) 對配電網多種運行模式的支持
軟件定義配電網結合前端的智能設備和控制層的強大計算功能, 根據配電網運行方式目標優化算法, 動態地平衡、分割配電網內部各個節點, 同時通過軟件定義配電網平臺向相應的智能設備發送命令, 動態改變配電網的拓撲結構, 實現對配電網多種運行方式的支持。
3) 配網主動性支持能力
在軟件定義配電網的架構下, 控制與運行是分離的。集中的控制層更像人的大腦, 是整個配電網的中樞控制神經, 其智能化程度直接決定了控制的水平與效率?？刂茖油ㄟ^運行層的數據采集及南橋接口的輔助, 集聚了大量的電網運行數據, 同時結合各種外部數據源, 例如氣象、地理數據等, 構成進行智能計算與控制的配用電大數據。
3.2虛擬電廠
虛擬發電廠(virtual power plant, VPP)扮演著介于發電單元和電網之間承上啟下的角色, 采用虛擬發電廠的方式將一組發電單元聚合為一個整體參與電網的運行和調度成為一種既安全又高效的方案。
虛擬電廠與傳統電廠的典型區別在于地域分布的分散性與運行調度的協同性。從某種意義上講, 虛擬電廠是一種先進的區域性電能集中管理模式, 該模式無需對電網進行結構改造就能有效整合區域內各種形態和特性的電源與用電負荷, 對區域內的發電和用電單元實施經濟高效的控制。
軟件定義電網可以方便為虛擬電廠提供技術支撐, 主要體現在以下幾個方面:
1) 軟件定義電網可以支持虛擬發廠的各種控制結構
虛擬電廠的運行控制結構可以分為集中控制、層次控制和完全分布控制三類, 而靈活多樣的控制結構極大地增強了虛擬電廠的功能。軟件定義電網作為一種技術平臺, 可以很好地支持虛擬電廠的各種控制結構。
2) 軟件定義電網可以支持分布式能源的動態消納
使用軟件定義電網可以很好地支持分布式能源的動態消納。一個典型地能夠動態進行分布式再生能源消納的軟件定義電網如圖3所示。在軟件定義電網平臺上考慮分布式能源接入, 通過智能電子設備、可控的逆變器以及軟件定義電網上的分布式能源接入應用, 動態地調整逆變器的輸出功率和配電網的拓撲結構, 實現用戶負荷與能源之間的平衡關系, 提高電網可靠性和電能質量。
使用軟件定義電網進行分布式能源的動態消納, 具有如下的優勢:
1) 在設備運行層, 把發電設備、用電設備、儲能系統統一起來, 通過統一規范的接口控制這些設備。
2) 在運行控制層, 充分利用天氣數據和用戶歷史負荷數據, 可以比較準確地預測用戶日負荷數據; 同時, 結合煤電、水電的發電曲線, 以及風電、太陽能的預測曲線, 可以形成實際的發電儲能調度策略。控制器把調度的結果通知到發電、儲能設備, 發電設備和儲能設備按照指令進行相應的發電、儲能操作。
3) 在應用定義層, 可以設置動態消納的模型、參數, 并評估動態消納的效果。
圖3 利用軟件定義電網進行分布式能源的消納
結語
在本文中, 我們討論了軟件定義電網的概念、目標、架構以及應用。通過把電網分解為三個層次和兩個接口, 即物理設備層、運行控制層、應用定義層, 以及南橋接口和北橋接口, 我們把復雜的電力網絡分解為結構簡單、功能明確、接口清晰的框架模型。應用軟件定義電網模型可以很好地解決配電網、虛擬電廠等電網中難以解決的問題。