羅 棋 勞永釗 薛藝為 許 健 李智敏 周亞明

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局 2.威勝信息技術股份有限公司）

0 引言

當今社會對可再生能源的需求增加，光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式得到了廣泛關注［1］。然而，光發(fā)電系統(tǒng)存在著強隨機性、強波動性和弱支撐性等顯著特點，導致正負極之間實時功率不平衡的問題。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種將多個光伏單元連接在一起，形成一個集中式或離散式發(fā)電網(wǎng)絡的系統(tǒng)［2］。然而，在運行過程中，該系統(tǒng)很容易受到外部自然條件波動或內(nèi)部故障的影響，導致光伏單元的功率不平衡。這種功率不平衡可能會導致系統(tǒng)效率降低、電網(wǎng)穩(wěn)定性下降甚至設備損壞等問題。光伏雙極故障是指光伏系統(tǒng)中光伏陣列的正負極之間發(fā)生故障或短路的情況［3］。在光伏電池板的正面和背面分別連接有逆變器的正負極，正常情況下，這兩個極之間應當保持絕緣狀態(tài)［4-5］。

為解決分布式光伏雙極故障的問題，研究了一種基于邊緣計算的主動防護技術。邊緣計算是一種將計算和數(shù)據(jù)處理推向離數(shù)據(jù)源較近的邊緣設備的計算模式。在分布式光伏系統(tǒng)中，通過將故障檢測、識別和響應的計算任務移至光伏單元或其附近的邊緣設備上，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測并快速響應功率不平衡故障。這種基于邊緣計算的技術能夠提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和效率。

2 基于邊緣計算的分布式光伏發(fā)電雙極故障主動防護

2.1 邊緣計算的應用

邊緣計算是一種新興的計算架構，將計算和數(shù)據(jù)處理功能分布到接近數(shù)據(jù)源的邊緣設備上，以提供即時響應和低延遲的計算能力。在布式光伏發(fā)電管理中，邊緣計算技術能夠提供許多重要的應用［6-7］。邊緣計算可以實現(xiàn)對光伏發(fā)電設備的實時監(jiān)測和控制。通過在光伏陣列中部署邊緣設備，可以收集并處理光伏設備的運行數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、溫度等參數(shù)，從而實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時監(jiān)控。這有助于及時發(fā)現(xiàn)設備故障和異常，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。邊緣計算可以實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化。通過在邊緣設備上運行數(shù)據(jù)分析算法，可以對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，提取出有價值的信息并進行智能決策［8］。例如，基于邊緣計算的優(yōu)化算法可以根據(jù)當前的天氣狀況和用電需求，實時調(diào)整光伏陣列的工作狀態(tài)，最大化能源產(chǎn)出和效率。

邊緣計算在布式光伏發(fā)電管理中的應用框架由以下部分組成：

1）邊緣設備

邊緣設備是邊緣計算的核心組成部分，通常位于光伏陣列或光伏發(fā)電系統(tǒng)附近。邊緣設備具備計算、存儲和通信能力，可以實時收集、處理和分析光伏發(fā)電設備的運行數(shù)據(jù)，以及與其他邊緣設備進行通信和協(xié)同［9］。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，各個光伏發(fā)電設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要通過傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置進行收集，并通過邊緣設備進行傳輸。數(shù)據(jù)采集與傳輸技術可以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制，以及數(shù)據(jù)的可靠傳輸和存儲。

3）數(shù)據(jù)處理與分析

邊緣設備上的數(shù)據(jù)處理和分析模塊基于實時收集的光伏發(fā)電設備數(shù)據(jù)，運行各種算法和模型，提取出有價值的信息，并進行智能決策。這包括實時監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)、預測和優(yōu)化光伏能源產(chǎn)出，以及識別和應對潛在的問題和故障。

4）實時監(jiān)控與控制

邊緣計算在布式光伏發(fā)電管理中的一個重要應用是實時監(jiān)控和控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行。通過邊緣設備，可以對光伏發(fā)電設備的電流、電壓、溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設備故障和異常，并做出相應的控制和調(diào)整。

5）安全監(jiān)控與威脅防御

光伏發(fā)電系統(tǒng)是關鍵的能源基礎設施，需要進行安全監(jiān)控和威脅防御。邊緣計算技術可以在邊緣設備上運行安全檢測和防御機制，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行實時的安全監(jiān)控，并及時識別和應對潛在的威脅和攻擊。

邊緣計算設備中的處理模塊結構圖見圖1。

圖1 邊緣計算設備處理模塊結構圖

邊緣計算設備中的處理模塊結構通常使用微處理器進行計算和數(shù)據(jù)處理。該處理模塊內(nèi)的雙微處理器為Ⅰntеl Corе系列和NVⅠDⅠA Jеtson系列。Ⅰntеl Corе系列是英特爾公司推出的一系列高性能微處理器，可用于邊緣計算設備。不同型號的Ⅰntеl Corе處理器具有不同的核心數(shù)量和頻率，以及緩存大小。這些處理器具有強大的計算能力和多線程處理能力，適用于高性能計算和數(shù)據(jù)密集型任務。NVⅠDⅠA Jеtson系列是專為邊緣計算和人工智能應用而設計的嵌入式平臺。Jеtson系列產(chǎn)品配備了NVⅠDⅠA的GPU，具有強大的圖形處理和計算能力。它們適用于對圖形處理和深度學習計算要求較高的邊緣計算應用。

邊緣計算運算模塊結構圖如圖2所示。

圖2 邊緣計算運算模塊結構圖

邊緣計算運算模塊的結構包括處理器、內(nèi)存、存儲器和其他外圍設備。處理器是其中最重要的組成部分，它負責執(zhí)行計算任務。

2.3 分布式光伏發(fā)電雙極故障主動防護模型

分布式光伏發(fā)電雙極故障是指在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列發(fā)生故障時形成的一種場景，可以導致光伏系統(tǒng)的整體效率下降或甚至系統(tǒng)停運［10］。為了保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要采取雙極故障主動防護措施。雙極故障主動防護是指通過對故障檢測、故障定位和故障隔離等措施的采用，及時發(fā)現(xiàn)并緩解光伏發(fā)電系統(tǒng)中的雙極故障，以保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。通過上節(jié)內(nèi)容，利用邊緣設備部署在光伏陣列中可以實時采集和監(jiān)測光伏發(fā)電設備的運行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率等。這些數(shù)據(jù)可以用來識別光伏發(fā)電系統(tǒng)中的異常和潛在故障，例如電壓異?；蚬β氏陆?，從而實現(xiàn)故障的早期檢測。利用邊緣設備上的數(shù)據(jù)處理和分析模塊，可以對光伏發(fā)電設備數(shù)據(jù)進行實時處理和分析。通過運行故障預測算法，可以基于歷史數(shù)據(jù)和規(guī)則模型，識別出光伏系統(tǒng)中發(fā)生故障的可能性和位置，提前預測并預防雙極故障的發(fā)生。

基于此，為了為雙極故障實現(xiàn)主動防護，本研究以故障檢測和響應作為目標，將主動管理考慮在內(nèi)，建立雙目標分布式光伏發(fā)電雙極故障主動防護模型。

目標函數(shù)1：故障檢測目標函數(shù)。故障檢測是指通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)雙極故障的發(fā)生。故障檢測的目標函數(shù)通常是最小化故障檢測的誤報率和漏報率。具體而言，目標是將正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)區(qū)分開來，盡量降低誤報（將正常狀態(tài)誤判為故障）和漏報（故障狀態(tài)未被發(fā)現(xiàn)）的概率。通過優(yōu)化故障檢測目標函數(shù)，可以提高雙極故障主動防護系統(tǒng)對故障的準確率和可靠性。則目標函數(shù)方程為：

式中，N為分布式光伏發(fā)電內(nèi)分布式電源不確定出力所劃分出的數(shù)個場景數(shù)量；χn和γn，min表示任意場景的發(fā)生概率與此場景下的最低線路網(wǎng)損。

目標函數(shù)2：故障響應目標目標函數(shù)。故障響應是指在檢測到故障后，及時采取相應的措施進行故障隔離和修復。故障響應的目標函數(shù)通常是最小化故障的影響范圍和持續(xù)時間。具體而言，目標是盡快將故障設備或區(qū)域與其他正常設備或區(qū)域隔離開，并及時修復故障，以最小化故障對整個系統(tǒng)的影響。通過優(yōu)化故障響應目標函數(shù)，可以提高雙極故障主動防護系統(tǒng)的反應速度和故障處理能力。其式為：

式中，線路網(wǎng)損以ΔY表示；Pn表示線路的電阻；Qn表示阻抗。

約束1：資源約束

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際運行中有一定的資源限制。例如，系統(tǒng)可能具有固定的功率容量或電流容量，配電網(wǎng)絡可能存在輸電能力的限制等。因此，在設計雙極故障主動防護策略時，需要考慮這些資源的限制，并確保所采取的措施不會超過系統(tǒng)的可承受范圍。

約束2：電網(wǎng)運行約束

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)之間存在相互影響和耦合關系，因此在雙極故障主動防護中需要考慮電網(wǎng)運行的特殊約束。例如，系統(tǒng)需遵循電壓和頻率的穩(wěn)定性要求，以及電流在導線和設備中的合理分配。為了保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和可靠運行，在設計雙極故障主動防護策略時需要滿足這些電網(wǎng)運行約束。

3 實驗結果分析

為了驗證分布式光伏雙極故障的主動防護技術的有效性，以ⅠEEE33節(jié)點分布式光伏發(fā)電場景作為實驗場景，ⅠEEE33節(jié)點系統(tǒng)是一種代表性的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，包含了變電站、配電變壓器和多種類型的負荷設備。該系統(tǒng)模型涵蓋了大部分分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際應用中遇到的情況，比較全面地描述了分布式電源和傳統(tǒng)載荷之間的復雜互動關系。在ⅠEEE33節(jié)點分布式光伏發(fā)電場景中，通過在模型中引入分布式光伏發(fā)電裝置，將其與傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的負荷、變壓器進行連接，并考慮了傳輸線路和節(jié)點之間的復雜關系。這樣可以模擬分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入到真實配電網(wǎng)中的情況。其架構見圖3。

圖3 實驗配電網(wǎng)架構圖

奇異熵是一種用于分析時序數(shù)據(jù)的指標，可以用來度量數(shù)據(jù)的不確定性和復雜性。奇異熵可以用于對光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的異常檢測。當系統(tǒng)發(fā)生雙極故障時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)會發(fā)生明顯的變化，反映在數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)異常的模式或模式的突變。通過對奇異熵值的監(jiān)測和分析，可以捕捉到這些異常的變化模式。因此，奇異熵的變化情況可以作為分布式光伏雙極故障主動防護技術效果的指標。在研究中，奇異熵值的變化情況可以反映分布式光伏雙極故障主動防護技術的性能優(yōu)劣，不同種類雙極故障發(fā)生時，本研究提出的防護方法的奇異熵值變化情況如圖4所示，其中，雙極故障發(fā)生的實際時刻用綠色豎線表示。

圖4 不同方法不同雙極故障種類的奇異熵結果

由圖4可以看出，本文方法能在雙極故障發(fā)生的第一時間就完成防護。

4 結束語

本研究通過將邊緣計算技術應用于分布式光伏發(fā)電管理中，提出了一種基于邊緣計算的分布式光伏雙極故障主動防護技術。該技術實現(xiàn)了對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時、主動監(jiān)測，并利用邊緣計算設備中的處理模塊和運算模塊對光伏發(fā)電信息進行存儲和處理。通過基于歷史數(shù)據(jù)的分析，能夠識別可能發(fā)生故障的位置和預測雙極故障的可能性，提前實施預防措施。