5G在可調節負荷互動領域的應用研究

程紫運，田云飛，徐慧慧，楊德州

（1.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，蘭州 730050；2.國網甘肅省電力公司，蘭州 730000）

0 引言

隨著信息化水平的提升，電網企業對于需求側可調節負荷資源的重視程度越來越高[1]。國外可調節負荷互動領域的研究起步較早，美國加州公用事業委員會在2018 年已經提出禁止化石燃料備用發電機組參與需求響應（Demand Response，DR）項目，并根據DR 競價試點情況，引導電網企業逐步退出市場，完全通過競價等市場化機制解決需求響應的利益和資金分配問題。我國電力需求響應的先期試點建設項目已基本順利驗收，而且也完成了典型行業的需求響應潛力的初步測算。目前幾個試點地區都成功完成了既定的目標削減量，但大多還是依賴半行政化手段或者人工方式[2]。已經投運的DR自動化控制系統，建設成本較高，難以大規模推廣復制[3]。我國在2020年陸續開展了電力需求響應的深化工作，浙江省提出了參與DR 項目的用戶響應能力、啟動條件、響應時段要求，分別針對削峰和填谷兩種典型DR場景，構建了4 GW和1500 MW的資源池，并在浙發改能源[2020]221 號文中明確了4元/kWh 的固定補貼單價。天津工業和信息化委員會、電力公司以及40 余家電力大用戶，針對電網低負荷影響熱電聯產機組的問題簽署了多方協議，制訂了冬季DR 保障方案，用于緩解供電、供熱矛盾，構建了谷段負荷資源池500 MW。在目前正在推進的現貨市場中，也有學者提出通過DR 資源實現旋轉/非旋轉備用、頻率調節等高級應用的思路。

M2M通信和移動邊緣計算技術的發展，為未來可調節負荷的分布式監測和控制任務提供了適當環境。5G 技術的發展使移動蜂窩網絡正逐漸發展成為一個強大的平臺，用于支撐大規模可調節負荷的信息采集、通信、存儲和處理[4]。5G將為電力需求響應業務數據傳輸提供優質的傳輸服務。隨著大量分布式物聯設備信息接入，會對現有的通信網絡產生一定的沖擊，5G廣連服務將為海量終端接入提供必要的支撐條件。對于同時需要極低延遲和極高可靠性的智能量測和控制設備，需要使用超可靠的低延遲通信服務。在具體的業務信息處理方面，諸如移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等新的架構概念將是部署分布式方案的關鍵[5-7]。本文重點針對5G 在可調節負荷互動的適用性關鍵技術開展相關研究，并嘗試提出未來基于5G的可調節負荷互動方案。

1 5G 在可調節負荷互動領域的應用適用性分析

1.1 可調節負荷互動業務需求

已有的研究過多地關注可調節負荷互動的執行效率和精確性，采用了復雜的控制和監控策略，通常依賴于強大、高性能的通信網絡。小型可調節負荷資源可以看作是具有不同需求的分布式系統，單個網絡的部署往往過于昂貴和費時[8-10]。此外，網絡規模過大也會導致端到端延遲過高，從而影響可調節負荷互動的實時性。公共和專用網絡以及傳統信息和通信技術（Information and Communica?tion，ICT）的融合被認為是應對這些挑戰的關鍵。因此，可基于分片5G 網絡中軟件定義網絡（Soft?ware Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）驅動的邊緣云，將計算資源從主干網絡或系統主站轉移到網絡的接入端，通過在邊緣側部署智能計算終端減少延遲[11]。此外，由于數據可以保存在本地，即靠近用戶端，通信基礎設施的流量負載會相應減少，可以通過將業務程序從中心云轉移到邊緣來實現。可調節負荷互動服務將逐步轉移至靠近邊緣的位置，邊緣智能計算資源的部署需要在動態數據回程傳輸和本地數據計算中進行折中考慮。

以智能樓宇參與自動需求響應項目場景為例，在每棟樓宇內部署的ADR 網關與樓宇建設管理系統（Building Management System, BMS）進行通信，并在終端內嵌入參與各類需求響應項目的互動策略，當發生DR 事件時ADR 網關能夠自動執行預置的控制策略。本地網匯聚智能用電設備、計量系統數據、DR控制器等，通過5G網絡上傳至可調節負荷互動平臺與電網側管理主站，如圖1 所示。目前普遍關注的互動策略大多是用能成本最低或者用能影響最小，采用的手段包括調節空調機組的頻率、關閉非占用房間的照明、關閉觀賞湖水泵系統等。通過良好的底層系統設計，可以有效解決測控信號的傳輸瓶頸，從而滿足DR 業務的實時性需求。此外，在極端條件下需要調整末端消費能力時，良好的交互也可以減少由于限電和停電所引發的問題。

圖1 基于5G的可調節負荷互動架構

1.2 面向可調節負荷互動的5G承載方案

5G通信網絡提供了3種不同的切片傳輸方式，分別為增強型移動寬帶（Enhance Mobile Broad?band，eMBB）、海 量 機 器 通 信（Massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低時延通信(Ultra-reliable & Low Latency Communication，uRLLC)，其中eMBB主要適用于大容量業務傳輸，可以用于可調節負荷互動過程中的歷史數據更新和檔案同步，mMTC則主要適用于海量終端接入，適合大量分散式的采集器、傳感器和控制器的接入，uRLLC則主要適用于低時延數據的傳輸需求，可以用于作為可調節負荷的實時控制信號傳輸[12-13]。

5G 網絡的不同傳輸模式可以實現海量終端的接入、毫秒級的延時以及大容量高速率傳輸，可滿足可調節負荷互動過程中的各類需求。但是在選擇切片類型、切片方式方面還沒有達成共識。目前普遍認為可調節負荷互動領域的傳輸需求應當根據業務的緊急程度進行劃分[14-15]，比如：建議配電自動化系統采用uRLLC 切片方式，電動汽車充電運營、可調節負荷互動由于數量眾多，建議上行采用mMTC 方式，下行采用uRLLC 方式。可調節負荷互動業務由于涉及毫秒級精準負荷控制和常規秒級互動，相對比較特殊，對于毫秒級系統上行采用uRLLC，而秒級系統上行采用mMTC 即可。通過不同的切片方式，實現對于不同電力業務的細分管理，具體的切片對應關系如圖2所示。

圖2 面向差異化可調節負荷互動的切片技術

2 基于5G的可調節負荷互動關鍵技術分析

2.1 基于CIM的標準的信息服務

目前，公共信息模型（Common Information Model，CIM）已經成為電力行業信息標準化的主流技術，IEC 相關組織也開發了對應智能電網不同環節的業務接口模型。在制定可調節負荷互動的信息模型過程中，應當重點參考已有的CIM模型。國家電網公司結合營銷2.0業務需求，計劃以SG-CIM為基礎豐富關于需求側的公共信息模型。在未來大規模可調節負荷接入后，需要統一接入資源的信息模型，在邊緣側對數據進行抽象、整合、編排數據類型，設計規范多源異構資源接入的統一模型，降低數據冗余[16-17]。EMIX 可應用于所有類型的電力市場，包括區域電力市場、跨區市場、被監管的市場、被監管的電力零售價格、開放的電力市場、批發和零售雙邊交易市場。雖然所形成電價的市場模式不同，但所有市場都可以從價格和產品信息互操作中受益。為了支持需求響應系統的標準實現方式，通常可將EMIX 轉換為統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）形式，其EA模型如圖3所示。其中，XSDdatatype 包表示的是XSD 的數據類型，其他8個包都是依次按照EMIX規則進行轉換的結果。

在5G 通信場景中可以采用基于分布式優化的計算模型，通過本地集成分布式算法到邊緣計算MEC 框架中，通過5G 的mMTC 服務獲取測量數據，并進行本地實時計算[18]。openADR2.0a 定義的功能相對較為簡單，openADR2.0b 則具備了較為完備的服務功能集，也是目前應用的主流需求側互動協議，已經定義了注冊類、報告類、參與服務類、輪詢類、事件類5類公共服務，并定義了支撐可調節負荷互動的具體服務模型，如表1所示。

2.2 可調節負荷互動的信息模型及互動消息傳遞

可調節負荷互動過程中通常涉及需求響應控制 中 心（Demand Response Automation Server，DRAS）、聚合商DRAS 以及需求側BEMS 網關等實體，在電網側IEC 61850應用較為廣泛，而用戶側也具有專用通信協議，因此需要進行協議模型轉換[19-20]。IEC 61850的信息模型數據屬性包括了OpenADR2.0b定義的全部信息，根據IEC 61850 的信息模型創建應用數據庫。應用程序可以將其數據從數據庫中存入、取出而無需考慮具體的通信標準。在OpenADR2.0b 中，數據對象實例是通過每個服務類定義的XML Schema 實現的，聚合對象是通過元數據的XML Schema 聲明的。很多情況下，受限于企業信息化系統的安全性限制，負荷聚合商無法發起能夠有效穿越防火墻的入站連接。聚合商在其應用服務器上設定功率削減指令，并等待每個能源管理網關連接進行探詢。根據經驗，BEMS 可以通過1 min周期進行輪詢的方式獲取削減指令，并報告當前的實際電功率使用情況。

表1 支撐可調節負荷互動的openADR2.0b的公共服務模型

傳統的DR業務通常被認為在半小時或者更長時間內實現，不需要DRAS 能夠快速通告數據的變化，可以采用5G 的eMTC 切片方式，利用OpenADR中的PULL 信息交互方式進行周期性交互[21]。圖4分別給出了DRAS VTN 服務器與DRAS VEN 客戶端在不同類型DR業務中的業務交互時序關系。

圖4 基于5G差異化切片的DR資源群互動消息傳遞方式

由于網絡安全性限制，ADR中心大多無法主動建立與需求響應控制器之間的連接，需要聚合商DRAS采用周期性的PULL方式獲取數據，如果聚合商DRAS客戶端在剛剛執行事件獲取操作后發生新的事件，則該事件需要經歷較大的時延，最壞情況下事件的時延周期為PULL的輪詢周期。

3 結語

本文針對基于5G 的可調節負荷互動應用開展了相應分析，可調節負荷互動是電網企業重點關注的領域，參與調度的可調節資源應當具備良好的互動能力，作為電網備用資源，其調節和控制對通信網絡具有更高的技術需求，控制及遙測信號需要更快速的信息通信網絡支撐，5G網絡作為可調節負荷互動的重要通信支撐技術，能夠保障可調節負荷互動業務的可靠性和實時性。隨著信息化技術水平的進一步提升，未來可以實現對于需求側資源更加精細化的深度感知，同時在滿足用戶意愿的前提下，能夠讓更多的需求側資源參與到電網的友好互動過程中，從而提升電網的運行質量。