基于邊緣計算的分布式能源信息接入技術研究

云南電網有限責任公司 盧欣辰 陳 飛 林 莉 葉 華 徐佳寧

電力市場化進度加快，新興分布式電源、充電樁等市場發展迅速。海量終端接入電網卻未能有效進行實時運行監控，存在較大運行風險。隨著分布式電源、用電負荷市場進一步放開，與分布式能源相關的業務和需求將會大量爆發。但分布式新型電網參與者不具備傳統電網運行數據觀測條件，導致當前調度對于此類數據仍然處于盲區。通過電網營銷部門獲取數據的探索中，由于營銷部門對數據實時性需求不強，導致當前調度獲取數據僅能隔天獲取，且數據顆粒度很大，無法滿足要求。所以需要開發一種新型邊緣計算智能終端，實現對分布式能源實時觀測。做到對新興電網成員“可觀、可測、可控”，進一步配合云邊融合平臺整體發展服務調度工作。將新型電網有效納入調度管控范疇，探索電網低備運行方式，提高電網運行控制能力，增強電網穩定性，提高電網效益。

1 能源互聯網現狀分析

傳統電網中新能源成分占比提升，原有電網調度模式遇到挑戰。由于分布式新型電網參與者不具備傳統電網運行數據觀測條件，導致當前對此類數據的調度仍然處于盲區。在電網營銷部門獲取數據的探索中，營銷部門對數據實時性需求不強，導致當前調度獲取數據僅能達到隔天獲取，且數據顆粒度很大，無法滿足要求。

我國已將“雙碳”目標列為國家戰略目標，以新能源為主體的新型電力系統成為發展趨勢。隨著分布式新能源裝機規模高速發展，低壓并網比重提升顯著，主網調度工作面臨著以下問題。

大量電力電子設備并網導致系統無功支撐能力與轉動慣量下降，電網暫態電壓水平及頻率穩定性降低；局部高比例分布式接入地區，有源線路占比提高，不僅低頻減載負荷控制率逐步降低，分布式光伏使線路功率潮汐發生變化，造成裝置動作行為不合理；分布式光伏的隨機性和波動性影響功率預測及負荷預測精度，要求預留更多的正負備用容量來應對電網調峰問題；分布式光伏與多直流饋入、冬季供暖、集中式光伏、風電等多重因素相互疊加，調峰難度逐年增加；分布式電源并網技術要求偏低，故障后可能無序脫網引發連鎖反應，造成故障擴大。

2 基于邊緣計算的分布式能源信息接入技術

應用具備邊緣計算功能的智能終端設備，可以解決當前分布式光伏無序并網帶來的潛在風險。終端可安裝于分布式光伏逆變器并網點，其交采功能可快速獲取并網處實時電能參數，通過高速網絡將實時數據上傳到云平臺主站，實現光伏運行狀態實時監控；進一步應用大數據技術和人工智能算法，結合天氣預報數據可對分布式光伏發電作出更精準預測，降低光伏隨機性和波動性對電網帶來的影響；終端內邊緣計算應用按照云平臺主站下發的控制策略，快速處理異常運行狀態，積極參與二次調頻，提高主網安全系數。

在分布式能源和充電樁接入的基礎上，海量的負荷主體產生的海量運行數據，通過一般的主站系統和平臺難以支撐。邊緣節點接入調度云平臺的技術仍未實現，海量邊緣節點接入調度云平臺的技術處于空白。

本文進一步結合邊緣計算概念，從統一建模和信息交互、分布式能源運行數據遠程采集及邊緣節點在云端的即插即用等方面開展研究，可以有效解決分布式能源運行數據接入迫切需要和實現在數據源端對數據進行計算分析并上傳有效數據的目標。

2.1 云邊統一信息交互模型技術研究

考慮到大量邊緣節點的接入，研究云端、邊緣端的統一全景建模技術，對各個數據點進行唯一編碼，邊緣端模型和數據唯一匹配云端模型，實現電網運行數據和模型的標準整合。

綜合分析不同類型邊緣節點的業務需求，統籌考慮不同需求對信息交互的共性和差異性，探索建立云邊統一的標準信息交互模型，研究適配典型邊緣節點的信息交互技術。

在全景建模技術規范基礎上，研究適配典型類型邊緣節點的全景建模技術，對各個邊緣節點和數據進行唯一編碼，形成規范的平臺編碼，輸出云邊融合平臺編碼方案。基于邊緣計算節點構建標準平臺分布式節點數據模型，采用標準JSON 格式實現標準化、多平臺適用的先進模型，并將其融于云端，構建完整統一電網模型[1]。

充分考慮各類通信技術特點和邊緣節點的差異性、多樣信息的兼容性，通過邊緣節點終端的多種類型通信接口，支持包括Modbus、OpenCAN 等非電業常用規約，研究各規約異同之處，構建信息交互統一模型，采用成熟的通用通信技術實現云邊統一信息交互[2]。

2.2 基于邊緣計算的分布式能源并網運行數據遠程采集技術研究

分布式能源數量多、信息量大，將全部過程數據集中存儲分析在技術上無法有效解決，可以通過引入邊緣計算理念，研究基于邊緣計算的分布式能源并網運行數據自主分析和遠程采集技術，基于邊緣計算常用的通信協議（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議。通過邊緣計算實現就地集成和對分布式能源產生的相關實時數據的高頻采集。

研究遠程通信傳輸方式，遠程通信支持以太網、4G 公網及微功率無線的通信方式將數據分別上送配電主站和用采主站，下行通過電力線載波、RS-485與電能表及一次設備進行通信，支持遠程升級，外圍功能模塊采用專用通信、采集、計量、控制等芯片，配合低功耗 MCU 實現無線通信、電力線載波通信、狀態量采集和控制等功能。

試制電網二次信號實時量測模塊，可滿足邊緣計量裝置所需的分布式能源并網運行數據采集，支持接入標準110V/5A 規格二次信號。可對信號的電壓、電流有效值，有功、無功功率值，電壓頻率值，各相角值，多次諧波參量值等運行數據實時量測。

立足于電網現有規約、JMS 等相關實時數據采集技術基礎，對分布式能源的實時數據借助邊緣計算進行整合處理，適配云端對數據采集點的配置規約和指令，將需要的數據上傳到云端。應用高精度動態量測技術對新能源場站電能質量進行分析，對電壓、電流、頻率、有功、無功等重要參數進行實時交采，通過邊緣計算應用在本地進行處理分析記錄。

2.3 邊緣節點在云端的即插即用技術研究

開展邊緣節點接入云端網絡接口技術和“即插即用”功能規范研究，在邊緣節點投運后，云端通過唯一身份編碼識別邊緣節點身份和類型特征，明確使用的協議和配置進行遠程下裝，邊緣節點應支持采用Docker、LXC 等容器技術，云端可根據運行需要對邊緣節點進行投退、業務遠程下裝和更新等操作。

充分考慮典型類型邊緣節點特征，兼顧軟件認證、工程配置管理和運維操作審計需要，制定云端平臺即插即用技術方案，研究邊緣節點在云端即插即用的可行性，通過模擬方式進行驗證。

3 分布式能源信息接入技術的應用

3.1 研究路線

制定云邊統一的電網建模和信息交互技術規范，開展云邊統一信息交互模型研究，制定統一的通信規約和模型規范，實現不同分布式能源邊緣節點標準化地接入云端，解決分布式能源邊緣節點數量眾多、設備類型多、數據結構和通信規約不統一等特點帶來的接入工作量大等問題。

制定分布式新能源并網數據采集規范并研制邊緣計算智能終端，研究基于邊緣計算的分布式能源并網運行數據采集技術，包括適配的通信方式和通信協議，實現分布式能源并網運行數據自主分析和遠程采集。

完成電網邊緣節點在云端的即插即用技術，開展邊緣節點在云端的即插即用技術研究，滿足由云端自動發現投運后連接的邊緣節點，并對其進行自動識別、鑒權受理、協議適配和指令下發，實現邊緣節點在云端的即插即用，提高云端接入邊緣節點的有效性和便捷性[3]。應用研究路線如圖2所示。

圖2 分布式能源信息接入應用研究路線

3.2 接入設備

接入設備主要有互感器單元、高精度量測單元與處理控制通信單元組成。互感器單元承擔將分布式能源場站交流總線或并網點開關處一次電氣量按照比例轉換為二次電信號的功能，要求在測量范圍內具有良好的線性度。試制過程中，采用0.5級互感器保證電氣測量精度；高精度量測單元由模擬前端、主控芯片、緩存芯片和計量芯片構成，模擬前端負責將上一級模塊的二次電信號進行預處理，在合適量程下，放大信號，以便提高測量精度。計量芯片主要對電壓、電流、有功無功、電量等表計數據進行量測，主控芯片主要負責量測電壓、電流波形，含諧波量和故障錄波等功能。量測數據在主控芯片控制下存儲于內部緩存；處理控制通信單元采用具備邊緣計算能力的CU1000模塊作為系統核心，核心CU1000具備1GHz 處理能力，存儲大于8GB。通過與高精度量測單元進行網絡通信，獲取量測數據。其同時經無線網卡或有線網絡，同云端主站進行通信，將分布式場站運行數據在本地預處理后，上送至云端平臺。

裝置試制過程中的主要關鍵在于互感器單元的轉換精度、高精度量測單元的測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換精度問題，除選擇0.1%精度電阻外，還可在互感器次級線圈加入阻抗變換電路，將互感器高阻抗信號變換為低阻抗輸出，提高輸入模擬前端的信號質量。高精度量測單元測量精度則通過兩個方面實現：首先，計量芯片的時鐘周期直接影響電量積分準確度，所以在系統設計過程中，采用高精度TXCO 來進行保障；其次，在系統設計中，主控芯片內程序會對計量電路與波形采集的參考零點基線應用卡爾曼濾波KLF 算法進行動態調整，避免系統因長時間運行造成的參數偏移現象；最后，處理控制單元程序采用容器化技術，邊緣計算App 同系統運行空間實現邏輯分離，可大大提高邊緣智能設備的系統健壯性，從根本避免系統死機或程序卡死。

邊緣計算適配能源互聯網分布式、智能化的發展趨勢，在實現能源互聯網“Energy on Demand”目標，以及提升電網企業運營效率方面具有重要的意義[4]。同時分布式能源信息接入技術的研究與應用符合當前構建以新能源為主體的新型電力系統戰略目標，利于國家“3060”雙碳戰略目標的落地，能夠有效解決分布式能源接入數量大、種類多、參數差異大、接入協議不統一導致低壓側海量分布式能源節點難以實現全景可測、可觀的難題。