在過(guò)去的50年中, 電網(wǎng)的自動(dòng)化水平有很大的提高, 但相比于智能電網(wǎng)仍存在巨大的差距。現(xiàn)有的電網(wǎng)不能很好地應(yīng)對(duì)主動(dòng)供配電、分布式能源、能源互聯(lián)以及新功能新業(yè)務(wù)等問(wèn)題。

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面和數(shù)據(jù)平面分離, 通過(guò)邏輯上的集中控制構(gòu)建開(kāi)放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu), 從而支持各種新型業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。本文吸收了“軟件定義”的理念, 首次提出了軟件定義電網(wǎng)(software defined grid, SDG)。通過(guò)利用軟件定義的概念和方法論, 把傳統(tǒng)剛性的電網(wǎng)變成更加柔性的邏輯電網(wǎng), 實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)信息的邏輯集中控制、電網(wǎng)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)控制的分離以及抽象的電網(wǎng)模型, 使得電網(wǎng)具備更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。

　　軟件定義電網(wǎng)的概念

　　“軟件定義”的概念最早在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中被提出并得到應(yīng)用, 即為人們所熟悉的軟件定義網(wǎng)絡(luò)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)有三大特征, 分別是: 1) 控制跟傳輸(計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā))分離; 2) 具備開(kāi)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制、管理三者部分或全部的分離。

　　圖1是傳統(tǒng)電網(wǎng)和軟件定義電網(wǎng)的概念對(duì)比示意圖。圖1左側(cè)是傳統(tǒng)的電網(wǎng), 其各個(gè)專用應(yīng)用系統(tǒng)從硬件到軟件都緊密耦合在一起, 其運(yùn)行、控制與管理不可分割。當(dāng)需要構(gòu)建新功能或新業(yè)務(wù)時(shí), 從硬件到軟件全都需要重新設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和部署, 這種方式極大地阻礙了電網(wǎng)的更新與發(fā)展。

　　圖1右側(cè)是軟件定義電網(wǎng), 其余軟件定義網(wǎng)絡(luò)具有的特征, 實(shí)際上是將軟件定義的理念和方法運(yùn)用于電網(wǎng)中, 實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的運(yùn)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(tǒng)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式, 使得電網(wǎng)變得更加柔性。

　　圖1 傳統(tǒng)電網(wǎng)和SDG的概念示意圖

　　軟件定義電網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

　　圖2是軟件定義電網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)圖。從下而上, 軟件定義電網(wǎng)包括物理設(shè)備層(physical device layer, PDL)、運(yùn)行控制層(operation controller layer, OCL)和應(yīng)用定義層(application definition layer, ADL)三層; 另外還包括兩個(gè)接口, 分別是運(yùn)行控制層和物理設(shè)備層之間的南橋接口(south-bridge interface, SBI), 以及運(yùn)行控制層和應(yīng)用定義層之間的北橋接口(north-bridge interface, NBI)。

　　1) 軟件定義電網(wǎng)的三個(gè)層次

　　物理設(shè)備層。物理設(shè)備層包括電網(wǎng)設(shè)備和通信設(shè)備, 處于軟件定義電網(wǎng)的最底層, 接受來(lái)自控制層的指令, 并完成相應(yīng)的控制操作; 同時(shí)物理設(shè)備層的設(shè)備主動(dòng)向運(yùn)行控制層報(bào)告其狀態(tài)。

　　運(yùn)行控制層。運(yùn)行控制層包括電網(wǎng)操作系統(tǒng)(grid operating system, GOS)和廣義電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。電網(wǎng)操作系統(tǒng)是整個(gè)軟件定義電網(wǎng)的核心和中樞, 匯集廣義電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行的核心服務(wù)模塊, 為上層應(yīng)用提供服務(wù), 并分發(fā)控制指令給運(yùn)行層設(shè)備。

　　應(yīng)用定義層。應(yīng)用定義層則包括各種為電網(wǎng)的功能和業(yè)務(wù)服務(wù)的應(yīng)用。應(yīng)用通過(guò)接口訪問(wèn)控制器, 不僅可以訪問(wèn)、控制智能設(shè)備, 還可以訪問(wèn)運(yùn)行控制層的廣義電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。得益于這種分層的架構(gòu), 軟件定義電網(wǎng)中可以在邏輯層面上, 用“軟方法”很便捷地開(kāi)發(fā)新應(yīng)用和新業(yè)務(wù)。

　　圖2 軟件定義電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

　　2) 軟件定義電網(wǎng)的兩個(gè)接口

　　軟件定義電網(wǎng)包括南橋和北橋接口, 這兩個(gè)接口的層次和作用差異較大。南橋接口處于物理設(shè)備層和運(yùn)行控制層之間, 完成物理設(shè)備層和運(yùn)行控制層之間的信息交互; 南橋接口完成設(shè)備、控制器之間的雙向信息流通, 是一種低層次的接口協(xié)議。由于設(shè)備種類較多, 因此需要利用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。北橋接口處于運(yùn)行控制層和應(yīng)用定義層之間, 完成運(yùn)行控制層和應(yīng)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(xié)議, 隨著功能的增強(qiáng)和業(yè)務(wù)、應(yīng)用的增加, 其接口功能也將不斷增加, 接口的形式也會(huì)多樣化。

　　軟件定義電網(wǎng)應(yīng)用

　　接下來(lái)我們將探討兩個(gè)基于軟件定義電網(wǎng)方法的應(yīng)用示例, 包括軟件定義配電網(wǎng)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(yè)務(wù)。

　　3.1軟件定義配電網(wǎng)

　　當(dāng)前配電網(wǎng)正在發(fā)生深刻的變化, 正在從被動(dòng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。

　　傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是被動(dòng)的配電網(wǎng), 其運(yùn)行、控制和管理模式都是被動(dòng)的、靜態(tài)的, 對(duì)于大量分布式能源的接入有先天的缺陷。

　　主動(dòng)配電網(wǎng)是具備組合控制各種分布式能源能力的配電網(wǎng)絡(luò), 其目的是加大配電網(wǎng)對(duì)于可再生能源的接納、提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)的升級(jí)投資, 以提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性。主動(dòng)配電網(wǎng)有四個(gè)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(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的管控中心, 四是可靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　軟件定義配電網(wǎng)(software defined distribution network, SDDN)作為一種技術(shù)手段, 能夠解決主動(dòng)配電網(wǎng)中的若干難點(diǎn)問(wèn)題, 其中包括: 二次設(shè)備和虛擬設(shè)備的自動(dòng)配置; 對(duì)配電網(wǎng)多種運(yùn)行模式的支持; 配電網(wǎng)主動(dòng)性支持能力。

　　1) 二次設(shè)備的自動(dòng)配置

　　配網(wǎng)的智能化和自動(dòng)化水平取決于二次設(shè)備的數(shù)量與質(zhì)量, 未來(lái)在配網(wǎng)中將有大量的二次設(shè)備。二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。與智能電子設(shè)備一樣, 二次設(shè)備也需要接入軟件定義配電網(wǎng)。但是由于其數(shù)量、種類繁多, 因此依靠人工設(shè)置有太多的管理維護(hù)開(kāi)銷(xiāo), 而且容易出現(xiàn)差錯(cuò), 不太可行, 軟件定義電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)配置。

　　2) 對(duì)配電網(wǎng)多種運(yùn)行模式的支持

　　軟件定義配電網(wǎng)結(jié)合前端的智能設(shè)備和控制層的強(qiáng)大計(jì)算功能, 根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行方式目標(biāo)優(yōu)化算法, 動(dòng)態(tài)地平衡、分割配電網(wǎng)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn), 同時(shí)通過(guò)軟件定義配電網(wǎng)平臺(tái)向相應(yīng)的智能設(shè)備發(fā)送命令, 動(dòng)態(tài)改變配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)多種運(yùn)行方式的支持。

　　3) 配網(wǎng)主動(dòng)性支持能力

　　在軟件定義配電網(wǎng)的架構(gòu)下, 控制與運(yùn)行是分離的。集中的控制層更像人的大腦, 是整個(gè)配電網(wǎng)的中樞控制神經(jīng), 其智能化程度直接決定了控制的水平與效率?？刂茖油ㄟ^(guò)運(yùn)行層的數(shù)據(jù)采集及南橋接口的輔助, 集聚了大量的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù), 同時(shí)結(jié)合各種外部數(shù)據(jù)源, 例如氣象、地理數(shù)據(jù)等, 構(gòu)成進(jìn)行智能計(jì)算與控制的配用電大數(shù)據(jù)。

　　3.2虛擬電廠

　　虛擬發(fā)電廠(virtual power plant, VPP)扮演著介于發(fā)電單元和電網(wǎng)之間承上啟下的角色, 采用虛擬發(fā)電廠的方式將一組發(fā)電單元聚合為一個(gè)整體參與電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度成為一種既安全又高效的方案。

　　虛擬電廠與傳統(tǒng)電廠的典型區(qū)別在于地域分布的分散性與運(yùn)行調(diào)度的協(xié)同性。從某種意義上講, 虛擬電廠是一種先進(jìn)的區(qū)域性電能集中管理模式, 該模式無(wú)需對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造就能有效整合區(qū)域內(nèi)各種形態(tài)和特性的電源與用電負(fù)荷, 對(duì)區(qū)域內(nèi)的發(fā)電和用電單元實(shí)施經(jīng)濟(jì)高效的控制。

　　軟件定義電網(wǎng)可以方便為虛擬電廠提供技術(shù)支撐, 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

　　1) 軟件定義電網(wǎng)可以支持虛擬發(fā)廠的各種控制結(jié)構(gòu)

　　虛擬電廠的運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)極大地增強(qiáng)了虛擬電廠的功能。軟件定義電網(wǎng)作為一種技術(shù)平臺(tái), 可以很好地支持虛擬電廠的各種控制結(jié)構(gòu)。

　　2) 軟件定義電網(wǎng)可以支持分布式能源的動(dòng)態(tài)消納

　　使用軟件定義電網(wǎng)可以很好地支持分布式能源的動(dòng)態(tài)消納。一個(gè)典型地能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行分布式再生能源消納的軟件定義電網(wǎng)如圖3所示。在軟件定義電網(wǎng)平臺(tái)上考慮分布式能源接入, 通過(guò)智能電子設(shè)備、可控的逆變器以及軟件定義電網(wǎng)上的分布式能源接入應(yīng)用, 動(dòng)態(tài)地調(diào)整逆變器的輸出功率和配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷與能源之間的平衡關(guān)系, 提高電網(wǎng)可靠性和電能質(zhì)量。

　　使用軟件定義電網(wǎng)進(jìn)行分布式能源的動(dòng)態(tài)消納, 具有如下的優(yōu)勢(shì):

　　1) 在設(shè)備運(yùn)行層, 把發(fā)電設(shè)備、用電設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)一起來(lái), 通過(guò)統(tǒng)一規(guī)范的接口控制這些設(shè)備。

　　2) 在運(yùn)行控制層, 充分利用天氣數(shù)據(jù)和用戶歷史負(fù)荷數(shù)據(jù), 可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)用戶日負(fù)荷數(shù)據(jù); 同時(shí), 結(jié)合煤電、水電的發(fā)電曲線, 以及風(fēng)電、太陽(yáng)能的預(yù)測(cè)曲線, 可以形成實(shí)際的發(fā)電儲(chǔ)能調(diào)度策略。控制器把調(diào)度的結(jié)果通知到發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備, 發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備按照指令進(jìn)行相應(yīng)的發(fā)電、儲(chǔ)能操作。

　　3) 在應(yīng)用定義層, 可以設(shè)置動(dòng)態(tài)消納的模型、參數(shù), 并評(píng)估動(dòng)態(tài)消納的效果。

　　圖3 利用軟件定義電網(wǎng)進(jìn)行分布式能源的消納

　　結(jié)語(yǔ)

　　在本文中, 我們討論了軟件定義電網(wǎng)的概念、目標(biāo)、架構(gòu)以及應(yīng)用。通過(guò)把電網(wǎng)分解為三個(gè)層次和兩個(gè)接口, 即物理設(shè)備層、運(yùn)行控制層、應(yīng)用定義層, 以及南橋接口和北橋接口, 我們把復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)分解為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能明確、接口清晰的框架模型。應(yīng)用軟件定義電網(wǎng)模型可以很好地解決配電網(wǎng)、虛擬電廠等電網(wǎng)中難以解決的問(wèn)題。