孫永凱，何飛躍，唐 黎，趙 澤

（中國水利水電科學研究院自動化所，北京 100038）

新能源發(fā)電由于存在波動性大、低慣量支撐、發(fā)電預測困難等弊端，給電網(wǎng)安全運行帶來風險，很難大規(guī)模直接并網(wǎng)運行，學者提出水光儲聯(lián)合運行的發(fā)電模式，提升了新能源發(fā)電的并網(wǎng)規(guī)模和經(jīng)濟效益[1-3]。水光儲聯(lián)合運行雖優(yōu)化了系統(tǒng)發(fā)電結(jié)構(gòu)，但其存在復雜的設備監(jiān)視和控制、海量的數(shù)據(jù)處理、算法運算等問題，給發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)運行管理和優(yōu)化調(diào)度帶來巨大困難。隨著計算機信息、云邊協(xié)同和自治控制等技術(shù)發(fā)展，新型綜合能源信息智慧管理系統(tǒng)（簡稱：智慧監(jiān)控系統(tǒng)）具有良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力、自治控制能力、超大的數(shù)據(jù)存儲容量、設備與視頻聯(lián)動能力和生產(chǎn)信息管理一體化的能力，并在大型數(shù)據(jù)計算與優(yōu)化方面獲得快速發(fā)展，智慧監(jiān)控平臺已然成為未來電力監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 智慧監(jiān)控平臺需求分析

智慧監(jiān)控平臺是面向水電、光伏發(fā)電并配置一定比例儲能容量的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，必須具有不同發(fā)電類型的設備管理邊界、設備信息標簽、數(shù)據(jù)信息融合和高等決策系統(tǒng)等功能需求。智慧監(jiān)控系統(tǒng)注重智能化、大規(guī)?；?、互補協(xié)同的理念，力爭減少監(jiān)盤人員的數(shù)量和工作量，達到場站側(cè)“無人值班”（少人值守）的監(jiān)控水平，提高設備的安全運行水平，提高組合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。具體目標如下：

（1）運行調(diào)度決策的智能化：水光儲智慧監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)機組實時運行狀態(tài)、約束條件和任務目標，自動決策并優(yōu)化經(jīng)濟效益最好的機組進行組合發(fā)電，涵蓋水電機組、光伏發(fā)電和必要的儲能設備。

（2）生產(chǎn)過程預警監(jiān)視的智能化：系統(tǒng)可具備高數(shù)量級的設備接入能力和對應點位的調(diào)控和監(jiān)視能力，數(shù)據(jù)上行至云數(shù)據(jù)中心可提供實時預測、事故預警和故障快速捕捉及定位的能力。

（3）數(shù)據(jù)信息融合交互的智能化：系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分布式存儲計算，靠近被控設備端并提供可靠的數(shù)據(jù)訪問和存儲服務，各類數(shù)據(jù)可根據(jù)訪問者權(quán)限被上層訪問分享。

（4）區(qū)域控制過程的智能化：水光儲聯(lián)合發(fā)電機組在控制劃分區(qū)域內(nèi)，可實現(xiàn)自治控制和傳統(tǒng)閉環(huán)控制兩種模式，控制方法向大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能算法方向發(fā)展。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

2.1 系統(tǒng)設計思路

部署方式。分布式能源電站多表現(xiàn)為地理位置分布廣、站點數(shù)量較多、監(jiān)控數(shù)據(jù)量大等特點，基于邊緣計算理論，將智慧監(jiān)控系統(tǒng)的計算、調(diào)控與數(shù)據(jù)存儲等服務，作為系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)中的一個邊緣節(jié)點，即靠近數(shù)據(jù)源頭側(cè)就地計算、存儲、控制的部署方式。為滿足電站之間的聯(lián)合運行與實時調(diào)控的需求，將一個電站作為一個邊緣節(jié)點，賦予計算調(diào)控與數(shù)據(jù)存儲能力。

控制模式。各電站作為系統(tǒng)的邊緣節(jié)點分散部署，提高系統(tǒng)整體的設備接納與數(shù)據(jù)處理能力，但系統(tǒng)上層數(shù)據(jù)獲取的實時性與數(shù)據(jù)融合能力受到嚴重影響。因此，將云邊協(xié)同與自治控制引入系統(tǒng)的總體設計之中，以數(shù)據(jù)驅(qū)動和自治控制的方式實現(xiàn)邊緣自動化、云端分析與優(yōu)化、數(shù)據(jù)交互融合目的[4]。邊緣自動化，一些指定的邊緣發(fā)電節(jié)點之間建立聯(lián)系，作為自治控制的一個劃分區(qū)域，添加控制目標與約束實現(xiàn)自動調(diào)控的功能。云端分析與優(yōu)化，利用高性能計算設備對數(shù)據(jù)進行分析優(yōu)化，為系統(tǒng)應用層智能化軟件開發(fā)提供平臺支撐。數(shù)據(jù)交互融合，不同電站的各類信息打包并上傳的機制，不同于傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)處理方式，該方式可提高數(shù)據(jù)的處理速度與處理能力。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

如圖1總體架構(gòu)設計示意圖，系統(tǒng)依據(jù)云邊協(xié)同控制理論主要分成4層分布式設計，即現(xiàn)場設備層、邊緣層、云數(shù)據(jù)中心、應用層。各層間在地理位置部署和提供服務功能等方面，依據(jù)需求承擔各自的設計標準，但通信和數(shù)據(jù)交互訪問方面，滿足從上至下的貫穿訪問以及同層數(shù)據(jù)交互的設計要求，只是在獲取時間和資源權(quán)限方面有所差異。

（1）現(xiàn)場設備層，在數(shù)據(jù)方面承擔數(shù)據(jù)采集、就地存儲、指令解析與執(zhí)行的任務，在通信方面可支持多種通信協(xié)議標準，并提供外部移動終端通信接口，降低硬件維護和調(diào)試的工作難度。

（2）邊緣層，一般代表所有電站即邊緣節(jié)點的集合，擁有全部的發(fā)電控制資源。在數(shù)據(jù)處理方面承擔數(shù)據(jù)預處理工作，例如數(shù)據(jù)標準化、數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)集成融合等，在控制方面部署有自治控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對控制區(qū)域劃分與實時控制功能，在通信方面承擔協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

（3）云數(shù)據(jù)中心，該層主要承擔各類數(shù)據(jù)提取、存儲功能和人機交互界面功能，以及為應用層提供API接口訪問功能和各類模型訓練發(fā)布的功能，部署大量的數(shù)據(jù)庫服務器和高性能運算服務器。另外，云邊協(xié)同管理組件服務為連接協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、任務協(xié)同、管理協(xié)同和安全協(xié)同提供保障。

（4）應用層，該層為工程師提供高級軟件開發(fā)平臺，可利用API接口獲取底層數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模和控制參數(shù)優(yōu)化，通過各層的通信直連控制服務將優(yōu)化模型參數(shù)寫入至對應的數(shù)據(jù)庫，達到二次開發(fā)優(yōu)化控制的目標。

圖1 總體架構(gòu)設計示意圖

3 技術(shù)實現(xiàn)與分析

如圖2水光儲智慧監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，初步表明各層間的通信方式、數(shù)據(jù)流向和控制拓撲。以下將從云邊協(xié)同部署、數(shù)據(jù)管理與控制方法進行技術(shù)分析探討：

圖2 水光儲智慧監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 云邊協(xié)同設計

水光儲智慧管理系統(tǒng)通過分層多網(wǎng)部署方式確保系統(tǒng)信息穩(wěn)定傳輸和安全存儲，將系統(tǒng)監(jiān)控信息云邊協(xié)同部署分為邊緣感知層、邊緣節(jié)點層、發(fā)電運行維護公司、調(diào)度數(shù)據(jù)中心。

邊緣感知層。邊緣層主要部署在電站內(nèi)部設備上，一般為最小的數(shù)據(jù)采集單元和命令控制單元，負責點表具體點位的采集與控制工作，例如現(xiàn)場的氣候條件、機組運行狀態(tài)、站內(nèi)視頻通話數(shù)據(jù)、報警與命令執(zhí)行記錄等。

邊緣節(jié)點層。邊緣節(jié)點層為某電站的數(shù)據(jù)集合，具備5G通信接入點、數(shù)據(jù)存儲、命令解析執(zhí)行、高性能數(shù)據(jù)計算處理，特別是自治控制系統(tǒng)的對象，邊緣節(jié)點層有且僅有唯一的識別編號，自治控制系統(tǒng)可在其上層進行不同邊緣節(jié)點的劃分聚合，使其成為一個可聯(lián)合發(fā)電運行的自治控制區(qū)。

發(fā)電運行維護公司。負責水光儲的互補自治控制相關(guān)的配置與管理工作，核實電站上傳數(shù)據(jù)與實際工況的真實性，維護自制控制數(shù)據(jù)庫，并可按照實際運行工況手動設置自治控制機組的劃分區(qū)，除此之外，接收調(diào)度下達的負荷任務。

調(diào)度數(shù)據(jù)中心。作為智慧監(jiān)控系統(tǒng)的頂層云平臺，一方面匯總上傳的各類數(shù)據(jù)，并寫入歷史數(shù)據(jù)庫供相應的大數(shù)據(jù)服務，為系統(tǒng)高級交互應用及開發(fā)提供強大的數(shù)據(jù)支撐，例如功率預測、自治控制方案優(yōu)化、經(jīng)濟計算、故障預測等。另一方面，將必要的控制信息匯總至實時數(shù)據(jù)庫，為給自治控制系統(tǒng)下發(fā)工作任務提供實時服務，同時兼顧事故追憶、報警、實時運行曲線等人機交互功能。

3.2 數(shù)據(jù)管理設計

邊緣層數(shù)據(jù)預處理有效提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，并壓縮降低數(shù)據(jù)規(guī)模，電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)多分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[5]。水光儲系統(tǒng)面向分布式能源發(fā)電系統(tǒng)，在區(qū)域負荷檢測、電能互補傳輸、安全巡檢等高級應用業(yè)務方面發(fā)展，涉及較多的文本信息、音頻信息等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)標簽化。將系統(tǒng)中的各類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行定義，建立統(tǒng)一標準的設備表述信息，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)生成唯一的設備ID使數(shù)據(jù)標準化。同時，針對各類數(shù)據(jù)需要進行標簽化，可通過機器學習等方法識別數(shù)據(jù)信息并自動設定相應標簽，方便對數(shù)據(jù)的分流傳輸和利用。

數(shù)據(jù)修正。智慧監(jiān)控系統(tǒng)底層硬件設備眾多，并且數(shù)據(jù)通信方式和采集方式繁雜，不可避免的造成錯誤值和缺失值，因此，根據(jù)離群點檢測技術(shù)剔除奇異值或者根據(jù)數(shù)據(jù)的標準范圍修改錯誤值，對于缺失數(shù)值可根據(jù)取平均插值法進行補充，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)集成與融合。隨著接入的檢測和控制設備的增多，數(shù)據(jù)信息量成指數(shù)型增長，因此數(shù)據(jù)的集成與融合技術(shù)，不僅可將數(shù)據(jù)根據(jù)需求進行打包處理提升可讀性，而且數(shù)據(jù)的特征提取有效壓縮了數(shù)據(jù)規(guī)模。常用的融合方法有數(shù)據(jù)級融合，即將多次測量值取平均或去一段數(shù)據(jù)的某值代替的方式；特征級融合，即利用深度學習、k-鄰近、聚合算法等進行數(shù)據(jù)特征提取的方式；決策級融合，即多信息量輸入到一個或幾個決策變量輸出的轉(zhuǎn)化，壓縮效果明顯。

水光儲平臺的數(shù)據(jù)流過程討論。數(shù)據(jù)協(xié)同原理圖如圖3所示。數(shù)據(jù)傳輸流由下至上傳輸，通過現(xiàn)場設備采集數(shù)據(jù)后，就地存儲和數(shù)據(jù)預處理計算，并將數(shù)據(jù)上行傳輸至邊緣層。邊緣層接收數(shù)據(jù)后，一方面，將自治控制數(shù)據(jù)庫內(nèi)的控制約束和負荷任務讀取至控制算法內(nèi)，根據(jù)自治劃分區(qū)域內(nèi)的可調(diào)用發(fā)電資源，算法做智能優(yōu)化調(diào)控運算，將計算的結(jié)果輸入至命令預處理模塊，而后轉(zhuǎn)化成控制調(diào)節(jié)命令下發(fā)至電站通信總線，循環(huán)往復進行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制；另一方面，根據(jù)數(shù)據(jù)平臺的控制指令，將所需的數(shù)據(jù)資源和命令記錄上傳至云端數(shù)據(jù)中心，供上層服務調(diào)用。

圖3 數(shù)據(jù)協(xié)同原理圖

3.3 控制管理設計

控制方面?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)控平臺具有AGC、AVC進行負荷分配和發(fā)電機組自動調(diào)控功能[6]。水光儲智慧平臺可在水電、光伏、儲能站三者之間任意組合聯(lián)合運行發(fā)電控制，相關(guān)的控制策略和優(yōu)化方法眾多，主要圍繞以集群發(fā)電經(jīng)濟性指標進行研究[7]。

本文著重討論基于動態(tài)分區(qū)的自治控制系統(tǒng)，如圖4自治控制區(qū)域劃分示意圖，將發(fā)電設備分為4個自治控制區(qū)域單元。水光儲智慧監(jiān)控系統(tǒng)邊緣層采用自治控制和直接控制兩種方式，直接控制較簡單不再進行贅述，自治控制的控制原則是在滿足約束條件的前提下，水光儲發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效益最高。

圖4 自治控制區(qū)域劃分示意圖

自治控制區(qū)域劃分。本文規(guī)定自治區(qū)域為：由選定的若干個發(fā)電設備至饋線端的邏輯總和均為一個自治單元。因此，自治控制區(qū)域劃分可從不同能源發(fā)電設備的種類和設備的數(shù)量兩個維度進行優(yōu)化選擇，保證水光儲發(fā)電能源互補聯(lián)合運行的安全性、經(jīng)濟型和協(xié)同控制性。

自治控制算法。系統(tǒng)算法模型構(gòu)建涉及數(shù)據(jù)調(diào)用、約束條件庫的配置、算法參數(shù)優(yōu)化、可靠性分析和參數(shù)調(diào)整。數(shù)據(jù)調(diào)用利用云端的API接口對歷史數(shù)據(jù)庫進行訪問，提取特定對象信息；約束條件庫配置采用線上與線下數(shù)據(jù)同步的方式，線下為一線工作人員，針對現(xiàn)場機組的運行與檢修狀況進行配置，線上為調(diào)度人員根據(jù)規(guī)劃進行相關(guān)數(shù)據(jù)配置；算法參數(shù)在云端高性能計算服務器的幫助下對模型求解；可靠性分析與參數(shù)調(diào)整，通過不同發(fā)電設備的性能指標進行模型評估。

水光儲平臺控制流過程討論?？刂品椒ㄓ蓚鹘y(tǒng)的集中控制，改為自治控制參與的分散區(qū)域自治控制。系統(tǒng)根據(jù)云端歷史庫數(shù)據(jù)進行模型訓練和定時發(fā)布，將模型寫入自治控制數(shù)據(jù)庫內(nèi)，此時，現(xiàn)地設備層各類數(shù)據(jù)就地進行標簽化、修正、集成和融合，而后數(shù)據(jù)通信傳輸至邊緣層，邊緣層接收數(shù)據(jù)并進行預處理分析，調(diào)用自治數(shù)據(jù)庫的模型進行計算得出控制信息，將控制信息下發(fā)回傳至現(xiàn)地設備層，并將記錄備份上傳云端數(shù)據(jù)庫，此時完成了一個控制周期。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有電力計算機監(jiān)控系統(tǒng)和相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)理論，本文給出了新能源互補聯(lián)合運行監(jiān)視系統(tǒng)的架構(gòu)設計和技術(shù)實現(xiàn)框架，并對關(guān)鍵技術(shù)進行探討。水光儲智慧監(jiān)控系統(tǒng)利用云邊協(xié)同和自治控制相關(guān)技術(shù)，力爭解決水光儲聯(lián)合經(jīng)濟運行過程中的統(tǒng)一監(jiān)控、數(shù)據(jù)融合、多設備接入、信息預測等安全生產(chǎn)方面的問題。探討了利用邊緣計算和云計算協(xié)同的方式提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理規(guī)模和多設備接入的問題，其滿足多模型訓練、多區(qū)域控制和其他高級應用開發(fā)的能力。討論了自治控制的關(guān)鍵技術(shù)，對自治控制區(qū)域劃分給出了明確的規(guī)范，同時也對控制算法進行相關(guān)的介紹，并簡單分析了系統(tǒng)的控制過程，為未來相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展提供了一種設計思路。