在过去的50年中,电网的自动化水平有很大的提高,但相比于智能电网仍存在巨大的差距。现有的电网不能很好地应对主动供配电、分布式能源、能源互联以及新功能新业务等问题。
软件定义网络将计算机网络设备的控制平面和数据平面分离,通过逻辑上的集中控制构建开放可编程的网络体系结构,从而支持各种新型业务的创新。本文吸收了“软件定义”的理念,首次提出了软件定义电网(softwaredefinedgrid,SDG)。通过利用软件定义的概念和方法论,把传统刚性的电网变成更加柔性的逻辑电网,实现了电网信息的逻辑集中控制、电网数据和电网控制的分离以及抽象的电网模型,使得电网具备更强的适应性和灵活性。
1软件定义电网的概念
“软件定义”的概念最早在计算机网络中被提出并得到应用,即为人们所熟悉的软件定义网络。软件定义网络有三大特征,分别是:1)控制跟传输(计算机网络中的转发)分离;2)具备开放的编程接口;3)具备集中式的控制。软件定义的核心思想就是实现系统的运行、控制、管理三者部分或全部的分离。
图1是传统电网和软件定义电网的概念对比示意图。图1左侧是传统的电网,其各个专用应用系统从硬件到软件都紧密耦合在一起,其运行、控制与管理不可分割。当需要构建新功能或新业务时,从硬件到软件全都需要重新设计、实现和部署,这种方式极大地阻碍了电网的更新与发展。
图1右侧是软件定义电网,其余软件定义网络具有的特征,实际上是将软件定义的理念和方法运用于电网中,实现电网的运行、控制、管理三者部分或全部的分离。这种分离将极大改变传统电网的结构和运行方式,使得电网变得更加柔性。
图1传统电网和SDG的概念示意图
2软件定义电网的体系结构
图2是软件定义电网的分层结构图。从下而上,软件定义电网包括物理设备层(physicaldevicelayer,PDL)、运行控制层(operationcontrollerlayer,OCL)和应用定义层(applicationdefinitionlayer,ADL)三层;另外还包括两个接口,分别是运行控制层和物理设备层之间的南桥接口(south-bridgeinterface,SBI),以及运行控制层和应用定义层之间的北桥接口(north-bridgeinterface,NBI)。
1)软件定义电网的三个层次
物理设备层。物理设备层包括电网设备和通信设备,处于软件定义电网的最底层,接受来自控制层的指令,并完成相应的控制操作;同时物理设备层的设备主动向运行控制层报告其状态。
运行控制层。运行控制层包括电网操作系统(gridoperatingsystem,GOS)和广义电网状态数据。电网操作系统是整个软件定义电网的核心和中枢,汇集广义电网状态数据,同时实现了电网运行的核心服务模块,为上层应用提供服务,并分发控制指令给运行层设备。
应用定义层。应用定义层则包括各种为电网的功能和业务服务的应用。应用通过接口访问控制器,不仅可以访问、控制智能设备,还可以访问运行控制层的广义电网状态数据。得益于这种分层的架构,软件定义电网中可以在逻辑层面上,用“软方法”很便捷地开发新应用和新业务。
图2软件定义电网分层结构
2)软件定义电网的两个接口
软件定义电网包括南桥和北桥接口,这两个接口的层次和作用差异较大。南桥接口处于物理设备层和运行控制层之间,完成物理设备层和运行控制层之间的信息交互;南桥接口完成设备、控制器之间的双向信息流通,是一种低层次的接口协议。由于设备种类较多,因此需要利用多种方式来实现。北桥接口处于运行控制层和应用定义层之间,完成运行控制层和应用定义层之间的信息交互。北桥接口是一种高层次的接口协议,随着功能的增强和业务、应用的增加,其接口功能也将不断增加,接口的形式也会多样化。
3软件定义电网应用
接下来我们将探讨两个基于软件定义电网方法的应用示例,包括软件定义配电网以及虚拟电厂。我们可以参照这些方法拓展其他新功能和新业务。
3.1软件定义配电网
当前配电网正在发生深刻的变化,正在从被动配电网向主动配电网转变。
传统的配电网是被动的配电网,其运行、控制和管理模式都是被动的、静态的,对于大量分布式能源的接入有先天的缺陷。
主动配电网是具备组合控制各种分布式能源能力的配电网络,其目的是加大配电网对于可再生能源的接纳、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资,以提高用户的用电质量和供电可靠性。主动配电网有四个特征,一是具备一定分布式可控资源,二是有较为完善的可观可控水平,三是具有实现协调优化管理的管控中心,四是可灵活调节的网络拓扑结构。
软件定义配电网(softwaredefineddistributionnetwork,SDDN)作为一种技术手段,能够解决主动配电网中的若干难点问题,其中包括:二次设备和虚拟设备的自动配置;对配电网多种运行模式的支持;配电网主动性支持能力。
1)二次设备的自动配置
配网的智能化和自动化水平取决于二次设备的数量与质量,未来在配网中将有大量的二次设备。二次设备的网络化是当前发展的一个重要趋势。与智能电子设备一样,二次设备也需要接入软件定义配电网。但是由于其数量、种类繁多,因此依靠人工设置有太多的管理维护开销,而且容易出现差错,不太可行,软件定义电网可以实现设备的自动配置。
2)对配电网多种运行模式的支持
软件定义配电网结合前端的智能设备和控制层的强大计算功能,根据配电网运行方式目标优化算法,动态地平衡、分割配电网内部各个节点,同时通过软件定义配电网平台向相应的智能设备发送命令,动态改变配电网的拓扑结构,实现对配电网多种运行方式的支持。
3)配网主动性支持能力
在软件定义配电网的架构下,控制与运行是分离的。集中的控制层更像人的大脑,是整个配电网的中枢控制神经,其智能化程度直接决定了控制的水平与效率。控制层通过运行层的数据采集及南桥接口的辅助,集聚了大量的电网运行数据,同时结合各种外部数据源,例如气象、地理数据等,构成进行智能计算与控制的配用电大数据。
3.2虚拟电厂
虚拟发电厂(virtualpowerplant,VPP)扮演着介于发电单元和电网之间承上启下的角色,采用虚拟发电厂的方式将一组发电单元聚合为一个整体参与电网的运行和调度成为一种既安全又高效的方案。
虚拟电厂与传统电厂的典型区别在于地域分布的分散性与运行调度的协同性。从某种意义上讲,虚拟电厂是一种先进的区域性电能集中管理模式,该模式无需对电网进行结构改造就能有效整合区域内各种形态和特性的电源与用电负荷,对区域内的发电和用电单元实施经济高效的控制。
软件定义电网可以方便为虚拟电厂提供技术支撑,主要体现在以下几个方面:
1)软件定义电网可以支持虚拟发厂的各种控制结构
虚拟电厂的运行控制结构可以分为集中控制、层次控制和完全分布控制三类,而灵活多样的控制结构极大地增强了虚拟电厂的功能。软件定义电网作为一种技术平台,可以很好地支持虚拟电厂的各种控制结构。
2)软件定义电网可以支持分布式能源的动态消纳
使用软件定义电网可以很好地支持分布式能源的动态消纳。一个典型地能够动态进行分布式再生能源消纳的软件定义电网如图3所示。在软件定义电网平台上考虑分布式能源接入,通过智能电子设备、可控的逆变器以及软件定义电网上的分布式能源接入应用,动态地调整逆变器的输出功率和配电网的拓扑结构,实现用户负荷与能源之间的平衡关系,提高电网可靠性和电能质量。
使用软件定义电网进行分布式能源的动态消纳,具有如下的优势:
1)在设备运行层,把发电设备、用电设备、储能系统统一起来,通过统一规范的接口控制这些设备。
2)在运行控制层,充分利用天气数据和用户历史负荷数据,可以比较准确地预测用户日负荷数据;同时,结合煤电、水电的发电曲线,以及风电、太阳能的预测曲线,可以形成实际的发电储能调度策略。控制器把调度的结果通知到发电、储能设备,发电设备和储能设备按照指令进行相应的发电、储能操作。
3)在应用定义层,可以设置动态消纳的模型、参数,并评估动态消纳的效果。
图3利用软件定义电网进行分布式能源的消纳
4结语
在本文中,我们讨论了软件定义电网的概念、目标、架构以及应用。通过把电网分解为三个层次和两个接口,即物理设备层、运行控制层、应用定义层,以及南桥接口和北桥接口,我们把复杂的电力网络分解为结构简单、功能明确、接口清晰的框架模型。应用软件定义电网模型可以很好地解决配电网、虚拟电厂等电网中难以解决的问题。
主要作者及团队介绍
曹袖,硕士,复旦大学计算机科学技术学院,高级工程师,研究方向:分布式处理、智能电网、计算机网络等。
作者长期从事分布式处理、智能电网、计算机网络等方向的科研、应用工程和教学工作。20多年从事电力自动化、电网监控和智能电网等系统研发和相关产品研制,负责或参与完成的研究项目及应用工程共80余项;获发明专利10余项;获部级科技进步二等奖2项、三等奖2项,教学成果奖4项。发表核心及以上刊物论文20余篇。编写专著4本。
作者所属复旦大学网络与信息安全研究所,其前身计算机网络实验室创建于1977年,是中国高校中建立最早、规模最大的计算机网络与安全实验室之一。于1991年发展为复旦大学网络与信息工程中心。2008年复旦大学计算机科学技术学院成立后,设立网络与信息安全研究所。研究所在学术上提倡“早准深广巧”和软硬件结合,创造了十几项中国第一。包括第一台分组交换机、第一个基于网络的电力调度SCADA、第一个电力分组交换专网、第一个国际认可的一致性测试实验室等,同时为促进当年我国开放互联网、电力信息化以及国家职能机关实行互联网安全管理等做出了重大的贡献。
作者领衔的研究所是一个长期研发电网控制和电力信息化的团队,团队成员包括多名有海外、行业背景和博士学位的高级研究人员。多年来,在国家863计划、科技支撑计划、国家自然科学基金、省部委基金以及国家电网、华东电网、上海市电力公司等科技项目支持下,在科学研究和应用开发等方面取得了丰硕科研成果。团队获得各类科技奖20余项,发表论文100多篇,主编或编写著作10余本,申请发明专利20余项。主办和协办10多次国际学术会议,常年与国外高校和研究机构联合培养博士生和共同研究前沿课题。近年来,电网研究团队注重与国内外顶级研究机构、高校及企业合作,已共同承担了多项智能电网、电力大数据、能源互联网等前沿方向研究课题,并已实现多项科研成果产业化。
原标题：【观点】什么是软件定义电网?
