基于邊緣計(jì)算技術(shù)的多元負(fù)荷管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳鵬, 夏峰

(1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇, 南京 211106;2.國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇, 南京 211106)

0 引言

近年來我國的電力能源總量逐步增加,能源結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化,截止到2021年我國全年發(fā)電量超過75 030億千瓦,從裝機(jī)容量角度來看,發(fā)電裝機(jī)累積容量超過20億千瓦[1],當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中火電仍為電力的主要能源,但清潔能源的發(fā)電量逐漸增加。光伏、風(fēng)能發(fā)電組件等分布式清潔能源的接入可能會影響大電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,給能源協(xié)調(diào)控制優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)[2]。

在當(dāng)前研究中,文獻(xiàn)[3]方法利用均勻分布概率模型表示電力負(fù)荷的不確定性,計(jì)算光伏電站的出力曲線。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)將風(fēng)電出力表示為魯棒區(qū)間模型,考慮到了風(fēng)電出力波動場景下發(fā)電機(jī)組的組合優(yōu)化調(diào)度問題。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)中對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn),對氣溫因素、負(fù)荷特性之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。現(xiàn)有文獻(xiàn)中存在的技術(shù)雖然提高了電力負(fù)荷批量控制能力,但具體采用的技術(shù)方案薄弱,電力負(fù)荷控制管理終端運(yùn)行過程中多元負(fù)荷調(diào)度能力較差,數(shù)據(jù)信息分析能力弱。

1 多元負(fù)荷管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行多元負(fù)荷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),對電力負(fù)荷進(jìn)行研究,根據(jù)不同類型負(fù)荷的特性對主要負(fù)荷進(jìn)行分類和管理,解決電力供需不平衡的問題。通過系統(tǒng)完成電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)、空間資源數(shù)據(jù)、電力負(fù)荷歷史使用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換和共享[6-7],使各個(gè)區(qū)域內(nèi)的電力負(fù)荷管理中心互通互聯(lián),開展電網(wǎng)資源調(diào)度工作,提高了業(yè)務(wù)辦理效率。

多元負(fù)荷管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多元負(fù)荷管理系統(tǒng)架構(gòu)

本文系統(tǒng)從整體上可分為3層架構(gòu):計(jì)算層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層,計(jì)算層中具有多個(gè)邊緣計(jì)算服務(wù)器作為邊緣節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)地區(qū),用戶可以將大多數(shù)計(jì)算任務(wù)和存儲需求卸載到距離較近的邊緣服務(wù)器上處理,在執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)具有較好的實(shí)時(shí)性,減少了網(wǎng)路中的數(shù)據(jù)延遲。計(jì)算層通過邊緣緩存提高網(wǎng)絡(luò)帶寬效率,將電力負(fù)荷管理中心的數(shù)據(jù)緩存到邊緣節(jié)點(diǎn)交換網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源。數(shù)據(jù)層中用來存儲歷史電力負(fù)荷、電網(wǎng)設(shè)備、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、資源屬性等數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)框架中的MAPREDECE模塊將過濾的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為另一種格式,再將映射過程中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)組合起來。應(yīng)用層給電力企業(yè)的管理人員提供多個(gè)模塊的應(yīng)用服務(wù),有利于進(jìn)行電力資源調(diào)度[8]。為保證系統(tǒng)中各應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)的一致性,采用MULTI-RAFT協(xié)議解決分布式事務(wù)日志的同步問題,通過QUORUM機(jī)制保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢、電力負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、電力空間數(shù)據(jù)計(jì)算等服務(wù)的高可用性。

2 多元負(fù)荷管理模塊硬件設(shè)計(jì)

多元負(fù)荷管理模塊具有集中器中繼的功能,可連接多個(gè)電力負(fù)荷采集設(shè)備。計(jì)量模塊采用高集成度、高精度、低功耗的SOC RN2026A64芯片,并集成ARMCortex-M0微處理器、多路復(fù)用ASRADC、獨(dú)立供電硬件溫補(bǔ)RTC,具有多路閃存,支持計(jì)量測量、精度自檢、事件上報(bào)等多種功能,保證測量精度的電壓范圍為2.8～5.5 V。多元負(fù)荷管理模塊主要由供電電源模塊、計(jì)量模塊、管理模塊、接線端口、同步采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等組成,多元負(fù)荷管理模塊整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多元負(fù)荷管理模塊整體結(jié)構(gòu)

多元負(fù)荷管理模塊中加入了數(shù)據(jù)隔離模塊,使用增強(qiáng)型高速四通道隔離芯片ISO7742FDW,工作電壓為2.25～5.5 V,傳輸速率高達(dá)100 Mbs,具有較好的隔離效果,傳播時(shí)延低至10.7 ns。AVCC1作為負(fù)荷計(jì)量模塊的電源輸入,使用10 Ω的電阻與AVCC2進(jìn)行隔離,并外接一個(gè)1 μF的電容并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容去耦。電流采集通道為IAN-ICN和IAP-ICP,電壓采集通道為UAN-UCN和UAP-UCP,采用完全差分輸入方式作為負(fù)荷計(jì)量芯片的輸入,直接與多路電流、電壓采樣電路連接。計(jì)量單元中具有7路ADC瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)寄存器,放大倍數(shù)可配置,內(nèi)置1.25 V±1%ADC基準(zhǔn)電壓。負(fù)荷采集模塊采用多路高精度同步采樣的方式,采集同一條線路多個(gè)支路的電壓、電流信號,具有更多的負(fù)荷參量采集通道,負(fù)荷采樣電路如圖3所示。

圖3 負(fù)荷采樣電路

電路中使用了AIT300-5V高精度電流傳感器,將直流大電流轉(zhuǎn)換為5 V的直流小電壓,通過9個(gè)電阻串聯(lián)的方式,將輸入的大電壓信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號,電阻阻值設(shè)為300 kΩ。接收到系統(tǒng)發(fā)生的采集任務(wù)時(shí),多元負(fù)荷管理模塊將啟動AD數(shù)據(jù)采集的時(shí)間信號轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)量模塊,計(jì)量模塊接收到時(shí)間信號后開始倒計(jì)時(shí),倒計(jì)時(shí)接收啟動DMA中斷,并保存開始時(shí)刻對應(yīng)的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。計(jì)量模塊存儲完一個(gè)周波的數(shù)據(jù)后,使用外部引腳通知管理模塊,管理模塊通過SPI讀取已經(jīng)緩存好的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

3 多元負(fù)荷調(diào)度優(yōu)化

多元負(fù)荷構(gòu)成較為復(fù)雜,在普通建筑型負(fù)荷的應(yīng)用場景下可分為:照明負(fù)荷、辦公負(fù)荷、生活負(fù)荷等,在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用中電機(jī)負(fù)荷的成分較高。在對電力負(fù)荷特性進(jìn)行分析時(shí),要考慮到自身用電量的變化規(guī)律,和天氣條件、工作日等外界因素引起的負(fù)荷變化、電價(jià)政策等因素造成負(fù)荷波動的情況。對一個(gè)地區(qū)的電力負(fù)荷進(jìn)行分析能夠得出當(dāng)?shù)刎?fù)荷在不同周期內(nèi)的發(fā)展情況,了解實(shí)際用電情況,從各角度各時(shí)段內(nèi)表示負(fù)荷變化情況。本研究對電網(wǎng)各模塊進(jìn)行優(yōu)化,保證電網(wǎng)以更高效率、更安全的方式運(yùn)行。具體步驟如下。

步驟一:輸出不同的數(shù)據(jù)信息,電網(wǎng)分布式電源中,光伏發(fā)電的發(fā)電功能受溫度、輻射條件等多個(gè)因素的影響,輸出功率可表示為

(1)

式(1)中,Ppv表示光伏發(fā)電功率,Pstc表示最大輸出功率,Gac表示輻射強(qiáng)度,Gstc表示最大輻射強(qiáng)度,K表示溫度系數(shù),Tc、Tr表示光伏電池溫度。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率受到風(fēng)速影響,具有不確定性,可表示為

(2)

步驟二:儲能單元的電荷狀態(tài)分析,當(dāng)風(fēng)速超過一定閾值后,風(fēng)電機(jī)組開始運(yùn)行,使用控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組保證機(jī)組以最大功率運(yùn)行,使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到較高的水平。在電網(wǎng)中的儲能單元能夠有效抵消負(fù)荷與其他能源出力的波動,保證電網(wǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)現(xiàn)電力能源的跨時(shí)段轉(zhuǎn)移,解決電力負(fù)荷的供需不平衡問題。儲能單元的電荷狀態(tài)可表示為

SOC(t)=SOC(t-1)+Pcsb(t)ηc-Pdcsb(t)/ηd

(3)

式(3)中,SOC(t)表示電荷狀態(tài),Pcsb表示充電能力,Pdcsb表示放電能量,ηc表示充電效率,ηd表示放電效率。多元負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 多元負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型

步驟三:劃分負(fù)荷調(diào)度時(shí)段,電力需求側(cè)負(fù)荷單元集合為U={1,2,…,N},電力負(fù)荷優(yōu)化需要對每個(gè)負(fù)荷單元進(jìn)行有效的控制,在每個(gè)調(diào)度時(shí)間段內(nèi)工作狀態(tài)的集合與售電功率的集合可表示為

(4)

式(4)中,Li(t)表示負(fù)荷單元完成工作的標(biāo)志,Psell(t)表示售電功率,T表示調(diào)度周期劃分的時(shí)段數(shù),N表示電力負(fù)荷單元總數(shù)。優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為在確保電力負(fù)荷單元滿足的情況下,通過調(diào)度可控單元制定合理的工作計(jì)算,調(diào)度分布式電源和儲能單元使運(yùn)行成本最低,目標(biāo)函數(shù)可表示為

(5)

式(5)中,M表示分布式電源數(shù)量,PGi(t)表示分布式電源的輸出功率,BGi(t)表示電量報(bào)價(jià),Pb(t)表示買入的功率,Bb(t)表示購電價(jià)格,Ps(t)表示出售的功率,Bs(t)表示出售電價(jià)。當(dāng)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的輸出功率超過電力負(fù)荷單元的總功率時(shí),把超出的功率輸送給電網(wǎng),同時(shí)儲能單元向電網(wǎng)供電,在滿足電力負(fù)荷需求的同時(shí),出售多余的電能,并緩解了電網(wǎng)高峰時(shí)段的用電壓力。

步驟四:當(dāng)電力負(fù)荷需求小于中輸出功率時(shí),在判斷當(dāng)前時(shí)段是否為電價(jià)高峰,當(dāng)是電價(jià)高峰時(shí),再判斷儲能單元是否達(dá)到放電功率最小值,當(dāng)未達(dá)到電價(jià)高峰時(shí),再判斷儲能單元是否充滿電。當(dāng)儲能單元達(dá)到放電功率最小值,智能電源與剩余電源供給電網(wǎng),當(dāng)儲能單元未達(dá)到放電功率最小值,將多余輸出功率供給電網(wǎng)。當(dāng)儲能單元充滿時(shí),也可以將多余輸出功率供給電網(wǎng),當(dāng)儲能單元未充滿電時(shí),像儲能單元充電。

4 應(yīng)用測試

系統(tǒng)終端與基站通過無線網(wǎng)絡(luò)連接,系統(tǒng)終端產(chǎn)生的業(yè)務(wù)請求和負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)通過基站到達(dá)邊緣計(jì)算服務(wù)器中進(jìn)行處理。邊緣計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

圖5 邊緣計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境

由于實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)終端產(chǎn)生的任務(wù)大多數(shù)為電力負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算任務(wù),計(jì)算量較大且數(shù)據(jù)量較小,每次計(jì)算任務(wù)的數(shù)據(jù)量范圍為1～5 MB,設(shè)定邊緣計(jì)算資源的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 邊緣計(jì)算資源的仿真參數(shù)

邊緣計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境中系統(tǒng)終端為計(jì)算機(jī)客戶端,操作系統(tǒng)使用Windows 10,處理器使用Intel i5 10400F,內(nèi)存使用XPG-ZI 16GB DDR4 2666,顯卡使用GTX 1660Ti GA OC6G。實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)上有HBase、Flume、Kafka等組件,安裝有JDK1.8并完成環(huán)境變量的配置。

本文進(jìn)行應(yīng)用測試使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某建筑工作日和節(jié)假日產(chǎn)生的用電負(fù)荷數(shù)據(jù),通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和疊加后,得到實(shí)際數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)分布式能源的用電實(shí)際負(fù)荷。電力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證本研究系統(tǒng)的計(jì)算能力,模擬不同業(yè)務(wù)請求與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對業(yè)務(wù)請求完成時(shí)間的影響,設(shè)定每個(gè)任務(wù)所需的計(jì)算量為0.02FLOPS,任務(wù)達(dá)到率為2個(gè)/s,最大容忍時(shí)延設(shè)為0.5～1.5 s,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作為對比,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)采用電力負(fù)荷批量控制的方法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷批量控制,通過設(shè)置控制中心,實(shí)現(xiàn)對電力終端的管控,通過功率控制實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷控制,文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)通過負(fù)荷控制,該系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程抄表的方式實(shí)現(xiàn)電力營銷管理分析。在實(shí)現(xiàn)與不同文獻(xiàn)進(jìn)行對比分析時(shí),每個(gè)業(yè)務(wù)請求下的平均完成時(shí)間如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)請求完成時(shí)間

圖6中描述了系統(tǒng)在不同最大容忍時(shí)延的情況下,業(yè)務(wù)請求的平均完成時(shí)間變化情況,在最大容忍時(shí)延低于0.5 s時(shí),系統(tǒng)的業(yè)務(wù)請求完成時(shí)間普遍較小。當(dāng)最大容忍時(shí)延增加到0.9以上時(shí),文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對每個(gè)業(yè)務(wù)請求的完成時(shí)間增加到0.6 s以上,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的最大平均完成時(shí)間高達(dá)0.92 s,文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的最大平均完成時(shí)間為0.84 s。

進(jìn)行電力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度測試時(shí),以24 h為一個(gè)優(yōu)化調(diào)度周期,分為96個(gè)時(shí)間段,每個(gè)時(shí)段的時(shí)長為15 min。其中電燈、冰箱等用電器作為基礎(chǔ)負(fù)荷、空調(diào)等用電器作為可中斷負(fù)荷,其他用電器作為連續(xù)負(fù)荷。隨機(jī)狀態(tài)下的電力負(fù)荷曲線作為優(yōu)化前的數(shù)據(jù),優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化結(jié)果

對比優(yōu)化前后的電力負(fù)荷變化曲線可知,本研究系統(tǒng)能夠有效優(yōu)化電力負(fù)荷,在滿足各個(gè)負(fù)荷單元運(yùn)行的同事,降低了負(fù)荷水平。在8～10 h用電高峰時(shí)段,優(yōu)化前的電力負(fù)荷最高達(dá)到9.6 kW,并且此時(shí)電價(jià)較高,16～18 h時(shí)間段和20～22 h時(shí)間段內(nèi),電力負(fù)荷最高達(dá)到4 kW左右,不可中斷負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)段都為連續(xù)時(shí)段。經(jīng)過優(yōu)化后,在0～8 h電力負(fù)荷水平明顯降低,18～22 h負(fù)荷水平有所增加,負(fù)荷從電價(jià)較高時(shí)段向較低時(shí)段轉(zhuǎn)移,降低了家庭用電負(fù)荷使用的電力費(fèi)用。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)出多元負(fù)荷管理系統(tǒng),并應(yīng)用了邊緣計(jì)算提高了系統(tǒng)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲能力,在進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算和優(yōu)化調(diào)度任務(wù)中能夠?qū)⒂?jì)算任務(wù)發(fā)送到邊緣節(jié)點(diǎn)中處理,有效地滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)或延遲敏感應(yīng)用程序的需求。本文在電力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度研究中,不同類型電力負(fù)荷的運(yùn)行受到人為因素影響,不同地區(qū)的用電行為存在較大的差異,還需采集用電大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。