基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)功率自動補償方法

黃建業(yè)，劉冰倩，廖飛龍，劉恒旺，林 銳

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福建 福州 350007； 2.安徽繼遠檢驗檢測技術有限公司，安徽 合肥 230097)

配電網(wǎng)中逐漸被接入大量的可再生能源分布式電源，由此產(chǎn)生了有源主動配電網(wǎng)。對于主動配電網(wǎng)的控制而言，以整個配電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運行為前提，合理調控主動配電網(wǎng)中各種類別的設備與分布式電源，將整個配電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源消納水平提升，以此降低對主電網(wǎng)的干擾[1-2]。另外，當前供電量的上升幅度較大，而電網(wǎng)的建設效率并不高，導致主動配電網(wǎng)的網(wǎng)絡損耗現(xiàn)象越來越嚴重，因此有效減少網(wǎng)絡損耗、降低供電成本成為當前眾多學者的研究方向[3]。主動配電網(wǎng)功率補償是指以符合相應約束條件為前提，對各類功率補償設備實施調整，實現(xiàn)降低網(wǎng)絡損耗及供電成本等目的的一種調節(jié)方式[4]。在實際應用過程中，實時采集處理及運算主動配電網(wǎng)相關設備數(shù)據(jù)信息等是該調節(jié)方式的關鍵步驟，以往的功率補償調節(jié)方式大多只是安裝功率補償裝置，無法依據(jù)設備運行狀況自動實時調整，降低網(wǎng)絡損耗的能力有限[5-7]。

基于場景時域概率的主動配電網(wǎng)功率補償方法是通過聚類方法將配電網(wǎng)場景總量減少，并運算出場景的時域概率，在此基礎上，以最低網(wǎng)購電量為目標函數(shù)創(chuàng)建主動配電網(wǎng)功率補償優(yōu)化模型，實現(xiàn)對主動配電網(wǎng)的功率補償，該方法可適當降低主動配電網(wǎng)的網(wǎng)損[8]，但無法顯著提升分布式電源的消納能力，且運算過程中收斂速度慢、運算效率不高、整體效果不夠理想；基于凸松弛的主動配電網(wǎng)功率補償方法是將功率補償裝置安裝成本與網(wǎng)損成本等綜合作為目標，建立非凸非線性模型，實施凸松弛轉換，并實現(xiàn)功率補償，此方法可適當提高分布式電源的消納能力，運算效率與收斂速度較好[9]，但其運算精度稍低，且網(wǎng)損降低幅度較小。

邊緣計算為在物理層面與數(shù)據(jù)源頭相鄰的網(wǎng)絡邊緣側，其功能包括邊云協(xié)同、運算、存儲、應用支撐、采集等，屬于一種可就近供應邊緣智能服務執(zhí)行運算的新型運算模式[10-11]。其主要針對萬物互聯(lián)服務的上行數(shù)據(jù)及云服務的下行數(shù)據(jù)實施操作，可對主動配電網(wǎng)的運行及管理控制等實現(xiàn)較大幅度的改善[12]。

綜合以上分析，本文研究了一種基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)功率自動補償方法，通過融合邊緣計算與云計算技術，設計主動配電網(wǎng)自動管理平臺，運用邊云協(xié)作模式精準快速地存儲主動配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控設備的工作狀況，并在此基礎上建立主動配電網(wǎng)功率自動補償模型，通過邊緣計算對模型實施運算后，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)功率自動補償，降低主動配電網(wǎng)的總線路損耗，提升其運行的經(jīng)濟性及分布式電源的消納水平，為保障主動配電網(wǎng)的低成本、平穩(wěn)安全運行奠定基礎。

1 主動配電網(wǎng)功率自動補償

1.1 邊緣計算在主動配電網(wǎng)自動管理中的應用

通過邊緣計算技術可直接運算和分析本地主動配電網(wǎng)的信息數(shù)據(jù)，將此技術應用到主動配電網(wǎng)自動管理平臺中，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)功率自動補償。該平臺集云計算、信息化管理、邊緣計算及終端設備于一體，其中云計算是通過將數(shù)個云端微服務器設置于云端服務器中，接收主動配電網(wǎng)中與各設備端數(shù)據(jù)相鄰的數(shù)據(jù)；信息化管理是經(jīng)由數(shù)據(jù)通道達到云端服務器和邊緣設備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康腫13]；邊緣計算可實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與就近運算，可在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)源頭與電力設備的邊緣側支持邊緣設備的運行；終端設備可操控與檢測主動配電網(wǎng)中配電網(wǎng)設備的工作情況和管理數(shù)據(jù)[14]。為此，設計基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)自動管理平臺，該平臺主要由云計算層、信息管理層、邊緣計算層以及終端設備層構成，平臺整體架構如圖1所示。

圖1 主動配電網(wǎng)自動管理平臺Fig.1 Automatic management platform of active distribution network

將多類型的網(wǎng)絡節(jié)點設置在主動配電網(wǎng)自動管理平臺的終端設備層中，通過監(jiān)測采集配電網(wǎng)設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備管理、功率自動補償管理及配電網(wǎng)故障管理等[15-16]；邊緣計算層包括邊緣節(jié)點、邊緣設備與邊緣計算設備，其中邊緣計算設備主要由處理模塊與運算模塊構成，實現(xiàn)配電網(wǎng)信息的處理及運算；信息管理層主要由蜂窩網(wǎng)絡通信、WiFi通信、云端通信及通信通道等構成；云計算層主要包括云通信與數(shù)個云端微服務器，可實現(xiàn)主動配電網(wǎng)信息的邊緣計算。

邊緣計算層中邊緣計算設備中的處理模塊結構如圖2所示。

圖2 處理模塊結構Fig.2 Structure diagram of processing module

該處理模塊中的核心器件為TMEGA328P-PU型微處理器，其接口較多，主要包括通用異步收發(fā)傳輸器(uart)串口、負責單片機引腳輸入與輸出功能的16路gpio接口(即通用I/O端口)、8通道14位的TLC3548接口以及8路PWM接口等。

邊緣計算設備中的運算模塊結構如圖3所示。

圖3 運算模塊結構Fig.3 Structure diagram of computing module

該運算模塊中的處理器包括ARMv9核心板與嵌入式系統(tǒng)，可顯著提升數(shù)據(jù)處理運算的能力，其主要接口包括HDMI接口、USB接口及I/O接口等，其外部同藍牙、WiFi接口相連。

1.2 “邊云”協(xié)作模式

通過邊緣計算層與云計算層的相互協(xié)作，可精準快速地存儲主動配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控設備的工作狀況[17]，邊云協(xié)作模式如圖4所示。由邊緣計算層的邊緣節(jié)點獲取來自終端設備層所采集到的配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，經(jīng)由邊緣計算設備實施相應處理之后，通過信息管理層向云計算層傳送處理后信息數(shù)據(jù)；云端服務器運用所接收到的信息數(shù)據(jù)建立功率自動補償模型，同時向邊緣計算層傳送所建立模型及該模型所應用到的信息數(shù)據(jù)；由邊緣計算層運算接收到的模型后，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)功率自動補償。

圖4 邊緣計算和云計算協(xié)作模式Fig.4 Edge computing and cloud computing collaboration patterns

1.3 主動配電網(wǎng)功率自動補償模型

包含分布式電源的主動配電網(wǎng)中所能觸及到的自動管理方式包括可中斷負荷、分布式電源功率因素的調整與有功出力的削弱等[18-19]。針對主動配電網(wǎng)的自動管理中功率自動補償問題，應在確定功率補償?shù)臄?shù)量與安裝位置的同時，考量該配置下成本最低的運行措施。為此，應以最低主動配電網(wǎng)線路總網(wǎng)損為目標，考慮自動管理方式，建立雙層規(guī)劃模型作為主動配電網(wǎng)功率自動補償模型。

(1)第1層規(guī)劃模型：以最低主動配電網(wǎng)線路總網(wǎng)損作為此層的目標函數(shù)，則目標函數(shù)方程為：

(1)

式中，Mx為主動配電網(wǎng)中分布式電源不確定出力所劃分出的數(shù)個場景的集合；px和Ax，min分別為場景x的發(fā)生概率與此場景下的最低線路網(wǎng)損。

約束條件可表示為：

(2)

(2)第2層規(guī)劃模型：以單個場景線路網(wǎng)損最低為該層的目標函數(shù)，其表達式為：

(3)

式中，k為線路的支路編號；Mk為線路的支路集合；Ax為場景x下的線路網(wǎng)損以表示；Rk為線路的k支路電阻；Zk為線路的k支路阻抗；ΔUk，x為場景x下的k支路兩端電壓之差。

每個場景下的電網(wǎng)都應該符合的約束條件包括節(jié)點功率平衡約束、支路功率約束、分布式電源有功輸出極限約束及可中斷負荷中斷量約束等[20]。

①節(jié)點功率平衡約束條件表達式為：

(4)

式中，Pi，x為場景x下節(jié)點i位置所注入的有功功率，Wi，x為無功功率；Bij為節(jié)點i與節(jié)點j之間線路的電納；Gij為電導率；φij為節(jié)點i與節(jié)點j二者之間的相角差；Ui，x為場景x下節(jié)點i位置的電壓幅值；Uj，x為節(jié)點j位置的電壓幅值。

②支路功率約束條件可表示為：

(5)

③節(jié)點電壓約束條件可表示為：

Ui，min≤Ui，x≤Ui，max

(6)

式中，Ui，max與Ui，min分別為節(jié)點i位置的最高與最低準許電壓值。

④分布式電源有功輸出極限約束條件可表示為：

(7)

⑤可中斷負荷的中斷量約束條件可表示為：

0 ≤Pi，x，d≤Pi，d，max

(8)

式中，Pi，d，max為節(jié)點i的可中斷負荷中斷量最高值；Pi，x，d為該節(jié)點的可中斷負荷實際中斷量。

⑥分布式電源功率因數(shù)角約束條件為：

δmin≤δm，x≤δmax

(9)

式中，δmax為分布式電源的最高功率因數(shù)角；δmin為最低功率因數(shù)角；δm，x為場景x下第m臺分布式電源的實際功率因數(shù)角。

⑦有載調壓開關二次側電壓約束條件可表示為：

(10)

2 實例分析

以某地區(qū)含分布式能源的主動配電網(wǎng)為例，將本文方法運用于其中，檢驗本文方法的實際應用效果。實例配電網(wǎng)為IEEE33節(jié)點主動配電網(wǎng)，其架構如圖5所示。其中，5、16、21節(jié)點為功率補償?shù)拇x安裝節(jié)點，每臺功率補償裝置為11 kvar容量，每個節(jié)點的功率補償最高準許值均為110 kvar。

圖5 配電網(wǎng)架構Fig.5 Distribution network architecture

圖5所示的含分布式能源的主動配電網(wǎng)中的供電設備的可靠性指標見表1。

表1 設備的可靠性指標Tab.1 Reliability indicators of equipment

以圖5和表1為基礎，分別分析本文方法應用后該主動配電網(wǎng)的補償效果、運算效果。

2.1 補償效果分析

通過本文方法對配電網(wǎng)實施功率補償后，得到本文方法的最優(yōu)配置結果及總線路損耗(表2)。其中功率補償裝置的安裝數(shù)量與5、16、21節(jié)點的安裝數(shù)量相對應。

表2 最優(yōu)配置結果及總線路損耗情況Tab.2 Optimal configuration results and total line loss

分析表2可知，本文方法補償后的總線路損耗最低，較實際值降低了44.34 kW，原因是本文方法屬于一種自動補償方式，可根據(jù)配電網(wǎng)中不同設備運行狀況實施調整，降低配電網(wǎng)的功率缺額，有效解決配電網(wǎng)的功率不足問題，防止因節(jié)點電壓過低而造成的總線路網(wǎng)損升高，提升配電網(wǎng)設備運行的經(jīng)濟性。

本文方法功率補償后，配電網(wǎng)公共連接點全天的交換功率對比結果如圖6所示。

圖6 公共連接點交換功率分析Fig.6 Analysis of switching power at common connection point

由圖6可得出，經(jīng)本文方法實施功率補償后，配電網(wǎng)公共連接點的交換功率低于實際值，由此表明本文方法可以有效降低配電網(wǎng)公共連接點交換功率，能夠提升主動配電網(wǎng)中分布式電源的消納程度。

2.2 運算效果分析

檢驗本文方法獲得總線路網(wǎng)損最低值過程中的收斂性能，檢驗結果如圖7所示。

圖7 收斂速度分析Fig.7 Analysis of convergence rate

由圖7可知，配電網(wǎng)自身需要經(jīng)過7次迭代后其總線路網(wǎng)損最低值達到收斂，而本文方法只需經(jīng)過3次迭代即可達到總線路網(wǎng)損最低收斂值，由此可見本文方法的收斂速度更快，收斂性能更優(yōu)越。

通過程序運行本文方法，對比本文方法在8次循環(huán)運算中處理數(shù)據(jù)時的CPU消耗狀況，結果見表3。通過表3能夠得出，隨著所處理數(shù)據(jù)的增大，本文方法的CPU消耗量均呈現(xiàn)出上升趨勢，配電網(wǎng)自身補償過程中CPU消耗量的上升趨勢明顯，且CPU的消耗量高，由此可知本文方法的CPU消耗量最低，且上升幅度較小。

表3 處理數(shù)據(jù)的CPU消耗情況Tab.3 CPU consumption for processing data

3 結論

主動配電網(wǎng)的網(wǎng)損問題與經(jīng)濟性運行問題一直備受矚目，為降低主動配電網(wǎng)運行中的網(wǎng)損與成本，本文研究一種基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)功率自動補償方法。

(1)此次設計包含終端設備層、邊緣計算層、信息管理層與云計算層的主動配電網(wǎng)自動管理平臺，運用邊云協(xié)作模式采集、存儲及預處理主動配電網(wǎng)設備信息數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控設備的運行狀況，并將最低線路總網(wǎng)損作為目標函數(shù)，建立雙層規(guī)劃模型作為主動配電網(wǎng)功率自動補償模型，經(jīng)邊緣計算對該模型實施運算后，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的功率自動補償。

(2)實際應用結果表明，本文方法可顯著降低主動配電網(wǎng)的總線路損耗，提升其運行的經(jīng)濟性與分布式電源的消納水平，運算收斂性能較好，具有較高的運算精度與運算效率，處理數(shù)據(jù)過程中可節(jié)省CPU消耗量，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)越，可為主動配電網(wǎng)運行的低成本及安全穩(wěn)定提供有效保障。

(3)下一步研究中將該方法應用于更多類型的配電網(wǎng)功率補償中，進一步驗證此次研究的有效性。