柴真琦 李隆鋒 柯永省 胡 駿 翁洪康

（1.浙江浙能數(shù)字科技有限公司 2.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展背景下，虛擬電廠智慧運(yùn)行平臺(tái)的出現(xiàn)可顯著提升電廠內(nèi)部綜合管理能力，該技術(shù)的出現(xiàn)符合《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，將互聯(lián)網(wǎng)與能源行業(yè)之間高度整合在一起，符合智慧能源行業(yè)發(fā)展要求［1］。在這一背景下，推動(dòng)人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)與5G技術(shù)在電力行業(yè)上的應(yīng)用，成為智慧電廠建設(shè)的主要趨勢(shì)，值得關(guān)注。

1 虛擬電廠智慧運(yùn)行優(yōu)化管理一體化平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

在本次虛擬電廠智慧運(yùn)行階段，構(gòu)建管理一體化平臺(tái)可將數(shù)據(jù)整合、功能應(yīng)用等整合在一起，系統(tǒng)整體框架見表1。

表1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠所有功能的內(nèi)部管理，在平臺(tái)一體化管理中通過單目標(biāo)或者多目標(biāo)檢測(cè)方法，在識(shí)別數(shù)據(jù)檢測(cè)任務(wù)后，系統(tǒng)內(nèi)部可利用數(shù)據(jù)信息請(qǐng)求的方法提取系統(tǒng)中的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，并采用圖片形式在平臺(tái)上展示，方便相關(guān)工作人員識(shí)別異常情況，其整體平臺(tái)功能設(shè)定如圖所示。

圖 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)思路

該平臺(tái)利用監(jiān)視任務(wù)對(duì)虛擬電廠的運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，可了解感興趣的環(huán)境對(duì)象以及往返數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)上傳的最大時(shí)延等，可采用5G無線網(wǎng)絡(luò)方式隨時(shí)傳播關(guān)鍵操作指令，最后在設(shè)定項(xiàng)目參數(shù)后即可采集網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在采集系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)后利用傳感器節(jié)點(diǎn)感知周圍環(huán)境對(duì)象信息，并依托過濾規(guī)則將電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)上，配合數(shù)據(jù)采樣、封裝、本地節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、PC端串口等通信操作完成數(shù)據(jù)解析，根據(jù)解析結(jié)果即可評(píng)估虛擬電廠智慧運(yùn)行平臺(tái)［2］。

1.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本次虛擬電廠智慧運(yùn)行平臺(tái)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的PC端與內(nèi)部管控網(wǎng)絡(luò)組成，在數(shù)據(jù)傳輸中主要依靠PC端與Sink節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)串口完成信息交互。同時(shí)為保證本次系統(tǒng)功能的合理性，本次數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要分為普通節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)兩種類型，對(duì)其功能劃分結(jié)果見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集階段功能設(shè)計(jì)方案

為保證數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)傳輸中采用CTP匯聚樹協(xié)議，下行數(shù)據(jù)可由Sink節(jié)點(diǎn)廣播或者定向數(shù)據(jù)傳輸方法，所有數(shù)據(jù)采用消息包格式封裝。

1.4 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

1.4.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)方案

虛擬電廠智慧運(yùn)行優(yōu)化管理一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)中采用了中央處理器（型號(hào)：MSP430）、傳感器節(jié)點(diǎn)（型號(hào)：Octopus Ⅱ） 以及無線傳輸芯片 （型號(hào)：CC2420）。上述節(jié)點(diǎn)設(shè)定程序自帶溫度與濕度傳感器，并利用擴(kuò)充裝置與其他傳感器對(duì)接。

采用nesC語(yǔ)言編寫節(jié)點(diǎn)程序，其源代碼功能設(shè)定方案見表3。

表3 源代碼功能設(shè)定

在上述數(shù)據(jù)采集功能的基礎(chǔ)上可時(shí)刻監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)變化，該平臺(tái)利用數(shù)字轉(zhuǎn)換器與處理器、傳感器對(duì)接。其中在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，系統(tǒng)與定時(shí)器連接的接口設(shè)定為“Timer＜TMili＞”，定時(shí)器事件句柄設(shè)計(jì)中采用“Read＜unitl6＿t＞”接口方式讀取2位傳感器的采樣數(shù)據(jù)。利用上述方法可為數(shù)據(jù)交互提供雙向數(shù)據(jù)通道，在定時(shí)器功能觸發(fā)周期上，采用“read（）”方法采集傳感器關(guān)鍵采樣信息，此時(shí)若系統(tǒng)未識(shí)別異常數(shù)據(jù)即可將不同事件的賦值發(fā)送至對(duì)應(yīng)的管理項(xiàng)。

1.4.2 設(shè)定過濾機(jī)制

本系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中過濾機(jī)制可消除其他無關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程的影響，其目的是利用傳感器以協(xié)同的方式共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢?nèi)蝿?wù)。為強(qiáng)化系統(tǒng)功能，在本次設(shè)定中將設(shè)計(jì)一套過濾機(jī)制來應(yīng)對(duì)記錄不同數(shù)據(jù)流窗口的差異性，消除冗余數(shù)據(jù)上傳問題，提升關(guān)鍵數(shù)據(jù)響應(yīng)請(qǐng)求能力。

（1）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程。本次設(shè)計(jì)中將選定在單個(gè)時(shí)間周期內(nèi)分別完成網(wǎng)內(nèi)信息交互、感知數(shù)據(jù)采集、判定上傳數(shù)據(jù)等，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上形成數(shù)字信息，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部的比較判定結(jié)果是否需要上傳數(shù)據(jù)。

在確保數(shù)據(jù)處理效率的基礎(chǔ)上，應(yīng)在具體的時(shí)間設(shè)定規(guī)范基礎(chǔ)上額外增加清除過程中的數(shù)據(jù)操作，并且考慮到某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)無法滿足全局處理要求。同時(shí)若某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)無法滿足全局?jǐn)?shù)據(jù)處理要求，則應(yīng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元設(shè)定上增加緩存區(qū)域，在該數(shù)據(jù)區(qū)域可保存系統(tǒng)中不滿足當(dāng)前上傳條件但未失效的數(shù)據(jù)［3］。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理基本過程為：1）先剔除現(xiàn)有緩存區(qū)的過時(shí)數(shù)據(jù)，包括過濾器、候選集、支配圖等。2）判定當(dāng)前候選集中的數(shù)據(jù)是否滿足上傳條件，并依照虛擬電廠平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件判斷其是否滿足上傳條件，此時(shí)需先判斷首層集合地點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)判定該點(diǎn)可以上傳后，即可從候選集中調(diào)取與該點(diǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。3）采用深度優(yōu)先檢索的方法評(píng)估子集是否符合上傳條件。

（2）網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)處理。其數(shù)據(jù)處理功能主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，具體見表4。

表4 網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟

依照表4介紹的網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)處理內(nèi)容，本文將按照公式（1）計(jì)算冗余數(shù)據(jù)與定向過濾更新之間的能耗平衡關(guān)系。

式中，nCounter表示數(shù)據(jù)循環(huán)過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的冗余數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)；表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的單個(gè)數(shù)據(jù)包的跳數(shù)；｜NS｜表示定向更新節(jié)點(diǎn)集合的絕對(duì)值；｜FLsink｜表示數(shù)據(jù)更新下數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)FLsink的絕對(duì)值。

基于公式（1）的數(shù)據(jù)處理要求，在數(shù)據(jù)過濾中應(yīng)判定數(shù)據(jù)分析結(jié)果是否被納入解集采集過程中，堅(jiān)持從數(shù)據(jù)適應(yīng)性角度設(shè)定網(wǎng)關(guān)端數(shù)據(jù)的關(guān)鍵處理步驟，確保數(shù)據(jù)在查詢過程中可始終保持在數(shù)據(jù)有效時(shí)間的模型范圍中［4］。通過上述方法可隨時(shí)更新數(shù)據(jù)判定流程，利用網(wǎng)關(guān)端程序的結(jié)束時(shí)間與窗口模式執(zhí)行控制指令，確保平臺(tái)可對(duì)任一工作質(zhì)量作出反饋。

1.4.3 串口通信設(shè)定方案

為保證串口通信的相關(guān)功能，在系統(tǒng)感知功能設(shè)定中將通過數(shù)據(jù)返回、查詢以及信息過濾更新的方法設(shè)計(jì)PC端串口通信數(shù)據(jù)庫(kù)，在串口數(shù)據(jù)初始化后完成數(shù)據(jù)傳輸。

在數(shù)據(jù)傳輸中需要先檢測(cè)設(shè)備與PC端的數(shù)據(jù)連接穩(wěn)定性情況，若系統(tǒng)提示連接成功后，即可在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)留對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，并在Windows系統(tǒng)下檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)確定連接成功后，同時(shí)對(duì)應(yīng)波特率監(jiān)聽數(shù)據(jù)，本次設(shè)定的OctopusⅡ傳感器波特率為115200bps。

1.5 軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

本文平臺(tái)設(shè)計(jì)方案是在Myeclipse開發(fā)工具基礎(chǔ)上，采用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶互動(dòng)界面。

可提供系統(tǒng)人機(jī)交互的相關(guān)功能，包括設(shè)置面板與結(jié)果展示板兩個(gè)方面，其中設(shè)置面板中可提供節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置功能，包括參數(shù)設(shè)置、用戶興趣維度設(shè)定、窗口查詢、時(shí)間設(shè)定等；該系統(tǒng)也可保存系統(tǒng)地理位置信息、平臺(tái)日志。啟動(dòng)查詢功能后，向下調(diào)用串口send方法，將數(shù)據(jù)封裝后按照查詢數(shù)據(jù)包傳送，各節(jié)點(diǎn)采集查詢?nèi)蝿?wù)后由內(nèi)部響應(yīng)控制指令，在匯集網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)后即可通過展示板顯示數(shù)據(jù)或者操控指令的執(zhí)行狀態(tài)。

結(jié)果顯示界面上采用餅圖與列表兩種方式，其中列表數(shù)據(jù)展示中則以具體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可顯示不同集合中的數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID、數(shù)值采樣時(shí)間與其他重點(diǎn)信息。用戶也可在數(shù)據(jù)處理中詳細(xì)調(diào)整節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻次的排列方案，利用相關(guān)信息觀察重點(diǎn)數(shù)據(jù)信息是否存在安全隱患。餅狀圖數(shù)據(jù)處理中可利用不同顏色展示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，如不同層次數(shù)據(jù)分布以及節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生頻次等。利用餅狀圖數(shù)據(jù)處理方法了解哪個(gè)節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)的事件占比最高。

整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行過程中采用線性方程的方法可周期性刷新關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，用于判斷電廠運(yùn)行安全性情況。

2 平臺(tái)測(cè)試方案

2.1 平臺(tái)測(cè)試基本思路

將編輯完成的系統(tǒng)程序錄至10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)編號(hào)分別為0～9，其中0號(hào)節(jié)點(diǎn)為Sink節(jié)點(diǎn)，其他9個(gè)節(jié)點(diǎn)均為感知節(jié)點(diǎn)用于收集電廠運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。在本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中計(jì)劃通過虛擬電廠智慧運(yùn)行優(yōu)化管理一體化平臺(tái)提升電廠安全管理水平，所以在前節(jié)點(diǎn)傳感器中分別采集電廠現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度與煙霧濃度。再將節(jié)點(diǎn)部署在電廠的實(shí)測(cè)環(huán)境中后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與查詢內(nèi)容顯示平臺(tái)功能。

2.2 一體化平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)信息采樣

本次設(shè)計(jì)中選擇Ubuntu平臺(tái)下的TinyOS 2.11軟件環(huán)境，布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方案后，在終點(diǎn)位置上驅(qū)動(dòng)監(jiān)聽進(jìn)程。

測(cè)試開始后設(shè)定數(shù)據(jù)為默認(rèn)狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)均可以采集電廠現(xiàn)場(chǎng)的感知數(shù)據(jù)，其封裝數(shù)據(jù)均采用“AM”消息包裝格式，設(shè)定的數(shù)據(jù)感知方案為：溫度感知數(shù)據(jù)為185A，按照標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換方式將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)6234，再將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入到使用說明中之后，統(tǒng)一采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度值。

根據(jù)該系統(tǒng)在電廠的測(cè)試后，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示廠房?jī)?nèi)環(huán)境溫度集中在21.5℃～23.1℃之間，滿足安全生產(chǎn)要求。該結(jié)果說明，虛擬電廠智慧運(yùn)行優(yōu)化管理一體化平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與分析功能正常，功能節(jié)點(diǎn)可利用串口通信將關(guān)鍵功能網(wǎng)內(nèi)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳回PC端中。

2.3 查詢結(jié)果返回

在上文相同的測(cè)試環(huán)境下利用功能節(jié)點(diǎn)測(cè)試室內(nèi)環(huán)境，并隨機(jī)選擇3個(gè)節(jié)點(diǎn)做人工加濕與加溫，并用餅狀圖的形式顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度與濕度變化。

測(cè)試結(jié)果顯示，該平臺(tái)的功能滿意，在保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)穩(wěn)定的情況下網(wǎng)關(guān)端可識(shí)別人工處理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中在人工加濕、加溫后，一體化管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度與濕度發(fā)生改變，平臺(tái)產(chǎn)生報(bào)警信息。通過對(duì)功能平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)2的濕度變化最明顯，這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所設(shè)置的條件是相同的，證明該平臺(tái)在電廠環(huán)境信息監(jiān)測(cè)中具有先進(jìn)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的虛擬電廠智慧運(yùn)行優(yōu)化管理一體化平臺(tái)在技術(shù)上具有可行性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知，該平臺(tái)可滿足電廠環(huán)境檢測(cè)要求，對(duì)于電廠內(nèi)部環(huán)境信息變化可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，對(duì)于提升電廠安全管理水平、消除潛在安全因素的意義重大，符合智慧電廠建設(shè)要求，可以顯著提升電廠管理效率，具有推廣價(jià)值。