云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 盧欣辰 陳 飛 林 莉 葉 華 徐佳寧

電力市場(chǎng)化進(jìn)度加快，新興分布式電源、充電樁等市場(chǎng)發(fā)展迅速。海量終端接入電網(wǎng)卻未能有效進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控，存在較大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。隨著分布式電源、用電負(fù)荷市場(chǎng)進(jìn)一步放開(kāi)，與分布式能源相關(guān)的業(yè)務(wù)和需求將會(huì)大量爆發(fā)。但分布式新型電網(wǎng)參與者不具備傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)條件，導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)度對(duì)于此類(lèi)數(shù)據(jù)仍然處于盲區(qū)。通過(guò)電網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)獲取數(shù)據(jù)的探索中，由于營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求不強(qiáng)，導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)度獲取數(shù)據(jù)僅能隔天獲取，且數(shù)據(jù)顆粒度很大，無(wú)法滿足要求。所以需要開(kāi)發(fā)一種新型邊緣計(jì)算智能終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源實(shí)時(shí)觀測(cè)。做到對(duì)新興電網(wǎng)成員“可觀、可測(cè)、可控”，進(jìn)一步配合云邊融合平臺(tái)整體發(fā)展服務(wù)調(diào)度工作。將新型電網(wǎng)有效納入調(diào)度管控范疇，探索電網(wǎng)低備運(yùn)行方式，提高電網(wǎng)運(yùn)行控制能力，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)效益。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)電網(wǎng)中新能源成分占比提升，原有電網(wǎng)調(diào)度模式遇到挑戰(zhàn)。由于分布式新型電網(wǎng)參與者不具備傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)條件，導(dǎo)致當(dāng)前對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)的調(diào)度仍然處于盲區(qū)。在電網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)獲取數(shù)據(jù)的探索中，營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求不強(qiáng)，導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)度獲取數(shù)據(jù)僅能達(dá)到隔天獲取，且數(shù)據(jù)顆粒度很大，無(wú)法滿足要求。

我國(guó)已將“雙碳”目標(biāo)列為國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢(shì)。隨著分布式新能源裝機(jī)規(guī)模高速發(fā)展，低壓并網(wǎng)比重提升顯著，主網(wǎng)調(diào)度工作面臨著以下問(wèn)題。

大量電力電子設(shè)備并網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功支撐能力與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，電網(wǎng)暫態(tài)電壓水平及頻率穩(wěn)定性降低；局部高比例分布式接入地區(qū)，有源線路占比提高，不僅低頻減載負(fù)荷控制率逐步降低，分布式光伏使線路功率潮汐發(fā)生變化，造成裝置動(dòng)作行為不合理；分布式光伏的隨機(jī)性和波動(dòng)性影響功率預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，要求預(yù)留更多的正負(fù)備用容量來(lái)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題；分布式光伏與多直流饋入、冬季供暖、集中式光伏、風(fēng)電等多重因素相互疊加，調(diào)峰難度逐年增加；分布式電源并網(wǎng)技術(shù)要求偏低，故障后可能無(wú)序脫網(wǎng)引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成故障擴(kuò)大。

2 基于邊緣計(jì)算的分布式能源信息接入技術(shù)

應(yīng)用具備邊緣計(jì)算功能的智能終端設(shè)備，可以解決當(dāng)前分布式光伏無(wú)序并網(wǎng)帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。終端可安裝于分布式光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)，其交采功能可快速獲取并網(wǎng)處實(shí)時(shí)電能參數(shù)，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)主站，實(shí)現(xiàn)光伏運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控；進(jìn)一步應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可對(duì)分布式光伏發(fā)電作出更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，降低光伏隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響；終端內(nèi)邊緣計(jì)算應(yīng)用按照云平臺(tái)主站下發(fā)的控制策略，快速處理異常運(yùn)行狀態(tài)，積極參與二次調(diào)頻，提高主網(wǎng)安全系數(shù)。

在分布式能源和充電樁接入的基礎(chǔ)上，海量的負(fù)荷主體產(chǎn)生的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)一般的主站系統(tǒng)和平臺(tái)難以支撐。邊緣節(jié)點(diǎn)接入調(diào)度云平臺(tái)的技術(shù)仍未實(shí)現(xiàn)，海量邊緣節(jié)點(diǎn)接入調(diào)度云平臺(tái)的技術(shù)處于空白。

本文進(jìn)一步結(jié)合邊緣計(jì)算概念，從統(tǒng)一建模和信息交互、分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集及邊緣節(jié)點(diǎn)在云端的即插即用等方面開(kāi)展研究，可以有效解決分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)接入迫切需要和實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)源端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析并上傳有效數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

2.1 云邊統(tǒng)一信息交互模型技術(shù)研究

考慮到大量邊緣節(jié)點(diǎn)的接入，研究云端、邊緣端的統(tǒng)一全景建模技術(shù)，對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行唯一編碼，邊緣端模型和數(shù)據(jù)唯一匹配云端模型，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和模型的標(biāo)準(zhǔn)整合。

綜合分析不同類(lèi)型邊緣節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求，統(tǒng)籌考慮不同需求對(duì)信息交互的共性和差異性，探索建立云邊統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信息交互模型，研究適配典型邊緣節(jié)點(diǎn)的信息交互技術(shù)。

在全景建模技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，研究適配典型類(lèi)型邊緣節(jié)點(diǎn)的全景建模技術(shù)，對(duì)各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行唯一編碼，形成規(guī)范的平臺(tái)編碼，輸出云邊融合平臺(tái)編碼方案?；谶吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)JSON 格式實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、多平臺(tái)適用的先進(jìn)模型，并將其融于云端，構(gòu)建完整統(tǒng)一電網(wǎng)模型[1]。

充分考慮各類(lèi)通信技術(shù)特點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)的差異性、多樣信息的兼容性，通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)終端的多種類(lèi)型通信接口，支持包括Modbus、OpenCAN 等非電業(yè)常用規(guī)約，研究各規(guī)約異同之處，構(gòu)建信息交互統(tǒng)一模型，采用成熟的通用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)云邊統(tǒng)一信息交互[2]。

2.2 基于邊緣計(jì)算的分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集技術(shù)研究

分布式能源數(shù)量多、信息量大，將全部過(guò)程數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)分析在技術(shù)上無(wú)法有效解決，可以通過(guò)引入邊緣計(jì)算理念，研究基于邊緣計(jì)算的分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)自主分析和遠(yuǎn)程采集技術(shù)，基于邊緣計(jì)算常用的通信協(xié)議（如MQTT 等）和通信方式（4G/5G 等），研究適用于分布式能源的通信方式和通信協(xié)議。通過(guò)邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)就地集成和對(duì)分布式能源產(chǎn)生的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高頻采集。

研究遠(yuǎn)程通信傳輸方式，遠(yuǎn)程通信支持以太網(wǎng)、4G 公網(wǎng)及微功率無(wú)線的通信方式將數(shù)據(jù)分別上送配電主站和用采主站，下行通過(guò)電力線載波、RS-485與電能表及一次設(shè)備進(jìn)行通信，支持遠(yuǎn)程升級(jí)，外圍功能模塊采用專用通信、采集、計(jì)量、控制等芯片，配合低功耗 MCU 實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信、電力線載波通信、狀態(tài)量采集和控制等功能。

試制電網(wǎng)二次信號(hào)實(shí)時(shí)量測(cè)模塊，可滿足邊緣計(jì)量裝置所需的分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，支持接入標(biāo)準(zhǔn)110V/5A 規(guī)格二次信號(hào)。可對(duì)信號(hào)的電壓、電流有效值，有功、無(wú)功功率值，電壓頻率值，各相角值，多次諧波參量值等運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)量測(cè)。

立足于電網(wǎng)現(xiàn)有規(guī)約、JMS 等相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)分布式能源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)借助邊緣計(jì)算進(jìn)行整合處理，適配云端對(duì)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的配置規(guī)約和指令，將需要的數(shù)據(jù)上傳到云端。應(yīng)用高精度動(dòng)態(tài)量測(cè)技術(shù)對(duì)新能源場(chǎng)站電能質(zhì)量進(jìn)行分析，對(duì)電壓、電流、頻率、有功、無(wú)功等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交采，通過(guò)邊緣計(jì)算應(yīng)用在本地進(jìn)行處理分析記錄。

2.3 邊緣節(jié)點(diǎn)在云端的即插即用技術(shù)研究

開(kāi)展邊緣節(jié)點(diǎn)接入云端網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)和“即插即用”功能規(guī)范研究，在邊緣節(jié)點(diǎn)投運(yùn)后，云端通過(guò)唯一身份編碼識(shí)別邊緣節(jié)點(diǎn)身份和類(lèi)型特征，明確使用的協(xié)議和配置進(jìn)行遠(yuǎn)程下裝，邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持采用Docker、LXC 等容器技術(shù)，云端可根據(jù)運(yùn)行需要對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投退、業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程下裝和更新等操作。

充分考慮典型類(lèi)型邊緣節(jié)點(diǎn)特征，兼顧軟件認(rèn)證、工程配置管理和運(yùn)維操作審計(jì)需要，制定云端平臺(tái)即插即用技術(shù)方案，研究邊緣節(jié)點(diǎn)在云端即插即用的可行性，通過(guò)模擬方式進(jìn)行驗(yàn)證。

3 分布式能源信息接入技術(shù)的應(yīng)用

3.1 研究路線

制定云邊統(tǒng)一的電網(wǎng)建模和信息交互技術(shù)規(guī)范，開(kāi)展云邊統(tǒng)一信息交互模型研究，制定統(tǒng)一的通信規(guī)約和模型規(guī)范，實(shí)現(xiàn)不同分布式能源邊緣節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化地接入云端，解決分布式能源邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、設(shè)備類(lèi)型多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信規(guī)約不統(tǒng)一等特點(diǎn)帶來(lái)的接入工作量大等問(wèn)題。

制定分布式新能源并網(wǎng)數(shù)據(jù)采集規(guī)范并研制邊緣計(jì)算智能終端，研究基于邊緣計(jì)算的分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集技術(shù)，包括適配的通信方式和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)自主分析和遠(yuǎn)程采集。

完成電網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)在云端的即插即用技術(shù)，開(kāi)展邊緣節(jié)點(diǎn)在云端的即插即用技術(shù)研究，滿足由云端自動(dòng)發(fā)現(xiàn)投運(yùn)后連接的邊緣節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、鑒權(quán)受理、協(xié)議適配和指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)在云端的即插即用，提高云端接入邊緣節(jié)點(diǎn)的有效性和便捷性[3]。應(yīng)用研究路線如圖2所示。

圖2 分布式能源信息接入應(yīng)用研究路線

3.2 接入設(shè)備

接入設(shè)備主要有互感器單元、高精度量測(cè)單元與處理控制通信單元組成。互感器單元承擔(dān)將分布式能源場(chǎng)站交流總線或并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)處一次電氣量按照比例轉(zhuǎn)換為二次電信號(hào)的功能，要求在測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性度。試制過(guò)程中，采用0.5級(jí)互感器保證電氣測(cè)量精度；高精度量測(cè)單元由模擬前端、主控芯片、緩存芯片和計(jì)量芯片構(gòu)成，模擬前端負(fù)責(zé)將上一級(jí)模塊的二次電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，在合適量程下，放大信號(hào)，以便提高測(cè)量精度。計(jì)量芯片主要對(duì)電壓、電流、有功無(wú)功、電量等表計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量測(cè)，主控芯片主要負(fù)責(zé)量測(cè)電壓、電流波形，含諧波量和故障錄波等功能。量測(cè)數(shù)據(jù)在主控芯片控制下存儲(chǔ)于內(nèi)部緩存；處理控制通信單元采用具備邊緣計(jì)算能力的CU1000模塊作為系統(tǒng)核心，核心CU1000具備1GHz 處理能力，存儲(chǔ)大于8GB。通過(guò)與高精度量測(cè)單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，獲取量測(cè)數(shù)據(jù)。其同時(shí)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)卡或有線網(wǎng)絡(luò)，同云端主站進(jìn)行通信，將分布式場(chǎng)站運(yùn)行數(shù)據(jù)在本地預(yù)處理后，上送至云端平臺(tái)。

裝置試制過(guò)程中的主要關(guān)鍵在于互感器單元的轉(zhuǎn)換精度、高精度量測(cè)單元的測(cè)量精度與處理控制單元的程序高效程度。要解決互感器單元轉(zhuǎn)換精度問(wèn)題，除選擇0.1%精度電阻外，還可在互感器次級(jí)線圈加入阻抗變換電路，將互感器高阻抗信號(hào)變換為低阻抗輸出，提高輸入模擬前端的信號(hào)質(zhì)量。高精度量測(cè)單元測(cè)量精度則通過(guò)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：首先，計(jì)量芯片的時(shí)鐘周期直接影響電量積分準(zhǔn)確度，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用高精度TXCO 來(lái)進(jìn)行保障；其次，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主控芯片內(nèi)程序會(huì)對(duì)計(jì)量電路與波形采集的參考零點(diǎn)基線應(yīng)用卡爾曼濾波KLF 算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，避免系統(tǒng)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成的參數(shù)偏移現(xiàn)象；最后，處理控制單元程序采用容器化技術(shù)，邊緣計(jì)算App 同系統(tǒng)運(yùn)行空間實(shí)現(xiàn)邏輯分離，可大大提高邊緣智能設(shè)備的系統(tǒng)健壯性，從根本避免系統(tǒng)死機(jī)或程序卡死。

邊緣計(jì)算適配能源互聯(lián)網(wǎng)分布式、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)“Energy on Demand”目標(biāo)，以及提升電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率方面具有重要的意義[4]。同時(shí)分布式能源信息接入技術(shù)的研究與應(yīng)用符合當(dāng)前構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)，利于國(guó)家“3060”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的落地，能夠有效解決分布式能源接入數(shù)量大、種類(lèi)多、參數(shù)差異大、接入?yún)f(xié)議不統(tǒng)一導(dǎo)致低壓側(cè)海量分布式能源節(jié)點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)全景可測(cè)、可觀的難題。