一种基于边缘计算的微电网电能质量控制系统及方法与流程

本发明涉及新能源控制技术领域，尤其涉及一种基于边缘计算的微电网电能质量控制系统及方法。

背景技术：

传统微电网控制，为保证微电网稳定运行，通过分开控制逆变器(变流器)来调节频率和电压来保证微电网运行，对于电能质量调节，通过单独加装电能质量监测装置，进行离线数据分析，最后形成解决方案，并加装治理装置，方案可行性难以有效验证、治理效果单一，过程繁琐，而且实时控制效果不明显。本发明旨在传统控制的基础上，结合边缘计算技术和逆变器(变流器)复用原理，实现动态的电能质量采集、分析、就地控制与调节，减少了传统解决方案的繁琐过程，提高了电能质量调节效率，通过前期合理规划，节约了后期微电网投资，并整体提高了微电网的运行水平。

在能源互联网发展的背景下，随着大规模光伏、风电、潮汐电站、各类储能系统(电化学储能)、电动汽车、大功率充放电设施的出现和应用，供用电各个领域都面临能源互联网点对点服务带来电能质量扰动来源多样、关联复杂化等新问题。面临电能质量数据多元化、服务需求多样化等需求。建立一套数据采集设备灵活多样、边缘计算常规化、开放兼容的电能质量信息系统是未来的方向。

微电网的安全稳定运行，必须具备‘协调参与”和“自我治愈”两项基本功能，参与的分散安装的清洁能源(光伏、风能等)、可控负荷以及既是电源也是负荷的储能系统，都对电能质量有着自身的要求，如负荷对供电电压的连续性、稳定性和频率偏差都有要求；储能系统对频率、电压、电流都有要求，清洁能源的出力必须要对频率、相位、相角、电压加以严格限制，否则也会出现内部电能质量事故，通过控制电能质量协调参与是不可或缺的手段。

在微电网内部供电、并网或结合虚拟电厂参与电力交易过程中，供电质量同样受到指标要求；当在运行过程中发现电能质量问题，影响电力交易或者负荷运行时，实现自我治愈的功能是评估一个微电网可靠性的重要标准。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于边缘计算的微电网电能质量控制系统及方法，用以解决现有技术微电网系统分离电能质量采集、分析、控制过程造成的控制过程繁琐、控制难度大等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，公开了一种基于边缘计算的微电网电能质量控制系统，所述系统包括：

dsp采样控制器，用于采集微电网中各节点的电能质量数据，并经a/d转换后，传送至mcu分析模块及边缘计算模块；所述电能质量数据包括基本电能质量数据和综合电能质量数据；

所述mcu分析模块，用于判断经a/d转换后的各节点的基本电能质量数据是否偏离基准范围，若偏离，根据偏离程度生成控制逆变器的工作状态的控制指令；若不偏离，判断经a/d转换后的各节点的综合电能质量数据是否异常，若异常，将所述异常反馈至边缘计算模块；

所述边缘计算模块，用于接收所述mcu分析模块反馈的异常，并将所述异常发送至内置的模型，由内置的模型处理得到异常诊断结果，并根据所述异常诊断结果生成控制逆变器的工作状态的控制指令；

所述逆变器，用于接收所述控制逆变器的工作状态的控制指令，调整自身的工作状态。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述基本电能质量数据包括频率、电压，所述综合电能质量数据至少包括以下一种：暂态事件、谐波、三相不平衡指标数据、三相信号的相位角。

进一步，在所述mcu分析模块中，执行以下操作：

若某节点的频率值偏离频率基准范围，则根据所述频率值所处的实际频率范围，发出对应于所述实际频率范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令；

若某节点的频率值在频率基准范围内、且该节点的电压值偏离电压基准范围，则根据所述电压值所处的实际电压范围，发出对应于所述实际电压范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令。

进一步，在所述mcu分析模块中，还执行以下操作：

若某节点的频率值在频率基准范围内、电压值在电压基准范围内，则判断：

是否捕获暂态事件，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定暂态事件的干扰来源，并将所述暂态事件、所述暂态事件的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的暂态事件模型，由所述暂态事件模型处理得到暂态事件的异常诊断结果；

是否存在谐波超标，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定谐波超标的干扰来源，并将所述谐波超标、所述谐波超标的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的谐波治理模型，由所述谐波超标模型处理得到谐波超标的异常诊断结果；

是否存在三相不平衡超标，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定三相不平衡超标的干扰来源，并将所述三相不平衡超标、三相不平衡超标的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的三相不平衡模型，由所述三相不平衡模型处理得到三相不平衡超标的异常诊断结果；

是否存在三相信号的相位角不一致，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定三相信号的相位角不一致的干扰来源，并将所述三相信号的相位角、三相信号的相位角不一致的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的相位角调节模型，由所述相位角调节模型处理得到三相信号的相位角不一致的异常诊断结果。

进一步，所述若某节点的频率值偏离频率基准范围，则根据所述频率值所处的实际频率范围，发出对应于所述实际频率范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令，包括：

当所述某节点的频率值在fh2区域，则控制逆变器进行储能充电，并对其进行扰动监测，若扰动时长大于30min，则限制dg出力；

当所述某节点的频率值在fl2区域，则控制逆变器进行储能放电，并对其进行扰动监测，若扰动时长大于30min，则切除不重要负荷；

当所述某节点的频率值在fh3区域，则限制dg出力；

当所述某节点的频率值在fl3区域，则切除不重要负荷；

当所述某节点的频率值在fl4或fh4区域，则进行保护、故障隔离。

进一步，若某节点的频率值在频率基准范围内、且该节点的电压值偏离电压基准范围，则根据所述电压值所处的实际电压范围，发出对应于所述实际电压范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令，包括：

当所述某节点的电压值在ul2区域，则增加无功；

当所述某节点的电压值在uh2区域，则减少无功；

当所述某节点的电压值在ul3区域，则切除不重要负荷；

当所述某节点的电压值在uh3区域，则限制dg出力；

当所述某节点的电压值在ul4或uh4区域，则进行保护、故障隔离。

进一步，所述系统还包括储能控制器、光伏控制器；所述逆变器包括储能逆变器、光伏逆变器；其中，

所述储能控制器级联各储能逆变器，用于接收级联的各储能逆变器开关动作信号并发送至所述边缘计算模块；还用于接收所述mcu分析模块或所述边缘计算模块生成的控制逆变器工作状态的控制指令，并下发至相应的储能逆变器；

所述光伏逆变器级联各光伏逆变器，用于接收级联的各光伏逆变器开关动作信号并发送至所述边缘计算模块；还用于接收所述mcu分析模块或所述边缘计算模块生成的控制逆变器工作状态的控制指令，并下发至相应的光伏逆变器。

进一步，所述储能控制器，还用于级联各储能控制中的zigbee通信单元、各储能控制中的脉冲单元；其中，利用所述储能控制中的脉冲单元实现所述储能控制器与储能逆变器之间的电平信号交互；

所述光伏控制器，还用于级联各光伏控制中的zigbee通信单元、各光伏控制中的脉冲单元；其中，利用所述光伏控制中的脉冲单元实现所述光伏控制器与光伏逆变器之间的电平信号互动。

进一步，所述系统还包括dut集中器，用于汇集所述储能控制中的zigbee通信单元、光伏控制中的zigbee通信单元中信息，并将所述信息发送至云服务器。

另一方面，公开了一种基于边缘计算的微电网电能质量控制方法，，包括如下步骤：

通过dsp采样控制器，采集微电网中各节点的电能质量数据，并经a/d转换后，传送至mcu分析模块及边缘计算模块；所述电能质量数据包括基本电能质量数据和综合电能质量数据；

所述mcu分析模块判断经a/d转换后的各节点的基本电能质量数据是否偏离基准范围，若偏离，根据偏离程度生成控制逆变器的工作状态的控制指令；若不偏离，判断经a/d转换后的各节点的综合电能质量数据是否异常，若异常，将所述异常反馈至边缘计算模块；

所述边缘计算模块接收所述mcu分析模块反馈的异常，并将所述异常发送至内置的模型，由内置的模型处理得到异常诊断结果，并根据所述异常诊断结果生成控制逆变器的工作状态的控制指令；

所述逆变器接收所述控制逆变器的工作状态的控制指令，并基于所述控制逆变器的工作状态的控制指令调整自身的工作状态

本发明有益效果如下：

本发明提供的基于边缘计算的微电网电能质量控制系统及方法，在传统电能质量监测与微电网能量管理的基础上，通过软硬件改进和控制策略优化，将二者功能进行合并，并具备一定的边缘计算能力，将传统电能质量采集、分析、控制三个过程就地集成为一体，实现了微电网就地资源灵活控制。提高了光伏逆变器、储能变流器等的利用效率，使光伏发电、储能系统等新能源微电网领域电能质量达到可就地监测、就地分析、就地控制，大大提高了微电网的安全稳定经和经济效益。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中基于边缘计算的微电网电能质量控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例中mcu分析模块、边缘计算模块的控制过程示意图；

图3为本发明实施例中mcu分析模块某节点的频率值偏离频率基准范围时、电压值偏离电压基准范围时的分析流程示意图；

图4为本发明实施例中储能控制器与储能逆变器控制逻辑图；

图5为本发明实施例中基于边缘计算的微电网电能质量控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于边缘计算的微电网电能质量控制系统，结构示意图如图1所示，该系统包括：

dsp采样控制器，用于采集微电网中各节点的电能质量数据，并经a/d转换后，传送至mcu分析模块及边缘计算模块；所述电能质量数据包括基本电能质量数据和综合电能质量数据；所述mcu分析模块，用于判断经a/d转换后的各节点的基本电能质量数据是否偏离基准范围，若偏离，根据偏离程度生成控制逆变器的工作状态的控制指令；若不偏离，判断经a/d转换后的各节点的综合电能质量数据是否异常，若异常，将所述异常反馈至边缘计算模块；所述边缘计算模块(又称边缘计算框架)，用于接收所述mcu分析模块反馈的异常，并将所述异常发送至内置的模型，由内置的模型处理得到异常诊断结果，并根据所述异常诊断结果生成控制逆变器的工作状态的控制指令；所述逆变器，用于接收所述控制逆变器的工作状态的控制指令，调整自身的工作状态。

与现有技术相比，本实施例提供的基于边缘计算的微电网电能质量控制系统，通过集成电能质量数据的采集、分析、就地控制与调节，减少了传统解决方案的繁琐过程，提高了电能质量调节效率，保证了电能输出质量；同时，通过整合分析电能质量数据，有利于实现对微电网数据的整体控制，便于工作人员更加深入地了解整个系统的运营情况；本方案通过前期合理规划，节约了后期微电网投资，并整体提高了微电网的运行水平。

上述节点又称公共连接点(pointofcommoncoupling，pcc)，指电力系统中一个或以上的负荷连接处。

优选地，所述基本电能质量数据包括频率、电压，所述综合电能质量数据至少包括以下一种：暂态事件、谐波、三相不平衡指标数据、三相信号的相位角，同时，还可以根据微电网电能质量控制系统的实际控制需求，增加其他综合电能质量数据，例如，无功。

根据电压、频率、谐波、三相不平衡度的动态特性，对电压和频率稳定区域按照一定等级划分，如表1、表2所示：

表1频率等级划分表

表2频率等级划分表

优选地，在所述mcu分析模块中，执行以下操作，以实现对于基本电能质量数据的判断，该操作过程可参考图2和图3：

步骤s101：若某节点的频率值偏离频率基准范围，则根据所述频率值所处的实际频率范围，发出对应于所述实际频率范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令；

步骤s102：若某节点的频率值在频率基准范围内、且该节点的电压值偏离电压基准范围，则根据所述电压值所处的实际电压范围，发出对应于所述实际电压范围的、控制逆变器的工作状态的控制指令。

在步骤s101中，具体执行以下过程：

步骤s1011：当所述某节点的频率值在fh2区域，则控制逆变器进行储能充电，并对其进行扰动监测，若扰动时长大于30min，则限制dg(分布式发电)出力；

步骤s1012：当所述某节点的频率值在fl2区域，则控制逆变器进行储能放电，并对其进行扰动监测，若扰动时长大于30min，则切除不重要负荷；此处的不重要负荷指的是为影响微电网安全稳定运行的负荷，示例性地，可以包括出现以下情形的负荷：频率超出预计值；频率已经超出国标允许范围；电压下跌至设备工作允许范围；暂态事件引起故障；谐波干扰严重；严重三相不平衡。

步骤s1013：当所述某节点的频率值在fh3区域，则限制dg出力；

步骤s1014：当所述某节点的频率值在fl3区域，则切除不重要负荷；

步骤s1014：当所述某节点的频率值在fl4或fh4区域，则进行保护、故障隔离。

在步骤s102中，具体执行以下过程：

步骤s1021：当所述某节点的电压值在ul2区域，则增加无功；具体地，可以控制闲置光伏逆变器或者储能变流器发送无功，以达到增加无功的目的；

步骤s1022：当所述某节点的电压值在uh2区域，则减少无功；

步骤s1023：当所述某节点的电压值在ul3区域，则切除不重要负荷；

步骤s1024：当所述某节点的电压值在uh3区域，则限制dg出力；

步骤s1025：当所述某节点的电压值在ul4或uh4区域，则进行保护、故障隔离。

优选地，在所述mcu分析模块中，还执行以下操作，以实现对于综合电能质量数据的判断：

步骤s103：若某节点的频率值在频率基准范围内、电压值在电压基准范围内，则判断：

是否捕获暂态事件，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定暂态事件的干扰来源，并将所述暂态事件、所述暂态事件的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的暂态事件模型，由所述暂态事件模型处理得到暂态事件的异常诊断结果；

是否存在谐波超标，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定谐波超标的干扰来源，并将所述谐波超标、所述谐波超标的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的谐波治理模型，由所述谐波超标模型处理得到谐波超标的异常诊断结果；

是否存在三相不平衡超标，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定三相不平衡超标的干扰来源，并将所述三相不平衡超标、三相不平衡超标的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的三相不平衡模型，由所述三相不平衡模型处理得到三相不平衡超标的异常诊断结果；

是否存在三相信号的相位角不一致，若是，触发所述边缘计算模块，所述边缘计算模块通过接收逆变器开关动作信号确定三相信号的相位角不一致的干扰来源，并将所述三相信号的相位角、三相信号的相位角不一致的干扰来源发送至所述边缘计算模块中内置的相位角调节模型，由所述相位角调节模型处理得到三相信号的相位角不一致的异常诊断结果。

需要说明的是，在上述过程中，暂态事件、谐波超标、三相不平衡超标、三相信号的相位角不一致等事件的判断方式，均为本领域的公知常识，此处不再赘述。通过接收逆变器开关动作信号确定各干扰的来源，也是本领域的公知常识。以暂态事件的处理为例，通过接收逆变器开关动作信号，即可确定本地微电网中是否有三相不对称短路、变压器投运、重负荷启动等动作发生，有则是本地干扰，无则是外地干扰；暂态事件模型根据暂态事件的持续周波数、波形数据、幅值变化等数据，得到异常诊断结果，例如，对于外地干扰，可给出告警提示外部干扰严重，以便工作人员处理；对弈本地干扰，通过控制逆变器的工作状态，即可消除本地干扰，保证输出的电能质量。

优选地，所述系统还包括储能控制器、光伏控制器；所述逆变器包括储能逆变器、光伏逆变器；其中，所述储能控制器级联各储能逆变器，用于接收级联的各储能逆变器开关动作信号并发送至所述边缘计算模块；还用于接收所述mcu分析模块或所述边缘计算模块生成的控制逆变器工作状态的控制指令，并下发至相应的储能逆变器；所述光伏逆变器级联各光伏逆变器，用于接收级联的各光伏逆变器开关动作信号并发送至所述边缘计算模块；还用于接收所述mcu分析模块或所述边缘计算模块生成的控制逆变器工作状态的控制指令，并下发至相应的光伏逆变器。上述设置能够实现对于逆储能变器、光伏逆变器的集中控制，当微电网增加其他电能形式时，也可以按照上述级联的方式，实现对于相应逆变器的控制，便于在微电网增加储能逆变器、光伏逆变器或其他电能形式时，该系统仍然能够实现对于相应逆变器的控制。示例性地，储能控制器与储能逆变器控制逻辑如图4所示。

优选地，所述储能控制器，还用于级联各储能控制中的zigbee通信单元、各储能控制中的脉冲单元；其中，利用所述储能控制中的脉冲单元实现所述储能控制器与储能逆变器之间的电平信号交互；所述光伏控制器，还用于级联各光伏控制中的zigbee通信单元、各光伏控制中的脉冲单元；其中，利用所述光伏控制中的脉冲单元实现所述光伏控制器与光伏逆变器之间的电平信号互动。优选地，所述系统还包括dut集中器，用于汇集所述储能控制中的zigbee通信单元、光伏控制中的zigbee通信单元中信息，并将所述信息发送至云服务器。

优选地，储能变流器/光伏逆变器可选用三相全桥电压型pwm控制型，此种拓扑结构设备可以作为光伏逆变器、储能变流器、无功补偿、谐波治理等多种用途，只需通过程序可知调节即可，且此种模式经过反复试验比较可靠。

综上，本发明在传统电能质量监测与微电网能量管理的基础上，通过软硬件改进和控制策略优化，将二者功能进行合并，并具备一定的边缘计算能力，将传统电能质量采集、分析、控制三个过程就地集成为一体，实现了微电网就地资源灵活控制。提高了光伏逆变器、储能变流器等的利用效率，使光伏发电、储能系统等新能源微电网领域电能质量达到可就地监测、就地分析、就地控制，大大提高了微电网的安全稳定经和经济效益。

实施例2

在本发明的另一实施例中，提供了一种基于边缘计算的微电网电能质量控制方法，流程图如图5所示，包括如下步骤：

步骤s201：由dsp采样控制器，采集微电网中各节点的电能质量数据，并经a/d转换后，传送至mcu分析模块及边缘计算模块；所述电能质量数据包括基本电能质量数据和综合电能质量数据；

步骤s202：所述mcu分析模块判断经a/d转换后的各节点的基本电能质量数据是否偏离基准范围，若偏离，根据偏离程度生成控制逆变器的工作状态的控制指令；若不偏离，判断经a/d转换后的各节点的综合电能质量数据是否异常，若异常，将所述异常反馈至边缘计算模块；

步骤s203：所述边缘计算模块接收所述mcu分析模块反馈的异常，并将所述异常发送至内置的模型，由内置的模型处理得到异常诊断结果，并根据所述异常诊断结果生成控制逆变器的工作状态的控制指令；

步骤s204：所述逆变器接收所述控制逆变器的工作状态的控制指令，并基于所述控制逆变器的工作状态的控制指令调整自身的工作状态。

上述方法实施例和系统实施例，基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。