一种基于边缘计算技术的配电网终端自主组网协调控制的方法与流程

1.本发明涉及一种基于边缘计算技术的配电网终端自主组网协调控制的方法，属于电力系统配电网测控技术技术领域。


背景技术：

2.随着分布式新能源、分布式储能对电网的渗透率逐年增高，对配电网的稳定运行提出更高要求。分布在电网全域的新能源电站和分布式储能系统一般情况下是由电网调度系统统一管理统一调度的，根据电网运行的预测情况，调度会给各分布式新能源电站和分布式储能系统给出24小时的出力曲线，每个15分钟一个数据，全天一共96个数据，每个数据规定了分布式新能源电站需要发出的有功功率、无功功率、功率方向、以及电压和频率等参数要求，以及分布式储能系统的充电曲线和放电曲线数据。分布式新能源电站和分布式储能系统必须严格按照这个曲线调整输出参数，否则会对电网稳定运行带来不可预测的问题。要满足这个要求，就必须保证调度主站和分布式新能源子站、分布式储能系统子站保持通信通道的畅通并且主站和子站设备通讯正常，传递数据无误。
3.当前分布式新能源子站终端设备、分布式储能系统子站与调度主站的通讯一般都采用无线4g，少数采用光纤通信，造成通讯质量差，且经常通讯中断的情况。当调度主站和子站的通信中断后，子站将按照当前收到的出力曲线来运行。在这种情况下，电网运行方式变化、电网故障、负荷变化等情况时，分布式新能源站、分布式储能系统子站就不能及时调整出力，对电网的稳定造成更大影响。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于边缘计算技术的配电网终端自主组网协调控制的方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
5.本发明采取的技术方案为：一种基于边缘计算技术的配电网终端自主组网协调控制的方法，该方法包括以下步骤：（1）数据汇集中心将各app将自身采集或生产的数据存储至数据中心；各app根据数据中心的调用接口获取各种类型的数据；数据中心根据特定的规则管理数据；（2）当调度主站和各子站的通信正常时，子站将数据按照时间顺序上送到调度主站，主站进行计算分析处理，来控制配电网稳定协调运行；当调度主站和各子站的通信中断后，相邻的子站，包括分布式新能源、分布式储能系统、用户负荷、电网变电站的子站设备通过无线4g公网、电力载波通讯、光纤通讯网络在嵌入式测控终端上创新应用网络路由协议搜索相邻的子站终端设备网络路径和建立网络路由表，重新建立设备通讯局域网络，进行局部网络数据交互；（3）在数据汇集的过程中对原始数据进行数据预处理后形成边缘数据平台；（4）根据区域电网协调控制的逻辑，子站终端确定发布/订阅数据集合开始进行数
据信息交互；数据信息发布订阅模式采用dds（data distribution service）以ip化的plc方式进行数据交互，或者数据信息以mqtt方式以lora方式进行数据交互，数据分发和策略执行，基于预定义规则和数据分析结果, 在本地进行策略执行；或者将数据发布给其他子站设备节点进行处理；子站设备边缘计算系统的所有应用程序都依据统一的数据模型，边缘数据平台支持数据发布订阅的数据交换模式，也由数据库接口直接访问；发布订阅的策略一般情况下通过配置文件预先设定，或在应用中临时设定发布订阅的数据内容；（5）对于不同类型的数据采用对应（对于模拟量数据和开关量数据可以采用统计和数学模型运算、对于接收到的各种告警报文，可以采用复杂事件处理的方式来得到综合告警信息，以便最终消除告警）的数据分析处理方法进行分析，一般情况下，可以数据分析处理方法包括统计、数学模型运算、以及复杂事件的处理方式（复杂事件处理（cep，complex event processing）是一种基于动态环境中事件流的分析技术，事件在这里通常是有意义的状态变化，通过分析事件间的关系，利用过滤、关联、聚合等技术，根据事件间的时序关系和聚合关系制定检测规则，持续地从事件流中查询出符合要求的事件序列，最终分析得到更复杂的复合事件）；（6）数据可视化和存储：采用时序数据库存储，利用ar、vr的交互技术逼真呈现。
6.数据中心内部分为实时库和冻结库两种，实时库采用fastdb，冻结库采用sqlite3。
7.数据中心通信方式全部采用mqtt协议。
8.数据中心接口中组织数据的结构采用json语法。
9.数据中心采用物模型的概念，数据按设备进行分类存储，设备采用模型进行抽象，物模型包括实时模型、历史模型、参数模型和服务模型，物模型是基于物联网协议的一种面向设备的数据模型，是物联网通用建模方式。可以用手动建模或者采用华为、阿里、腾讯物联网云平台建模工具。
10.步骤（2）的具体实现方法包括以下步骤：1)应用邻居发现协议ndp（neighbor discovery protocol）发现直接相连的邻居信息，ndp运行在数据链路层，因此可以支持不同的网络层协议，包括邻接设备的设备名称、软/硬件版本、连接端口等，另外还可提供设备的id、端口地址、硬件平台等信息。支持ndp设备都维护ndp邻居信息表，邻居信息表中的每一表项都是可以老化的，一旦老化时间到，ndp自动删除相应的邻居表项，同时，用户能够清除当前的ndp信息以重新收集邻接信息；2)应用邻居拓扑发现协议ntdp（neighbortopology discovery protocol）收集网络拓扑信息，ntdp 为集群管理提供可加入集群的设备信息，收集指定跳数内的交换机的拓扑信息，ndp 为ntdp 提供邻接表信息，ntdp 根据邻接信息发送和转发ntdp 拓扑收集请求，收集设定网络范围内每个设备的ndp 信息和它与所有邻居的连接信息，收集完这些信息后，管理设备或者网管根据需要使用这些信息，完成所需的功能，当成员设备上的ndp 发现邻居有变化时，通过握手报文将邻居改变的消息通知管理设备，管理设备启动ntdp 进行指定拓扑收集，从而使ntdp 能够及时反映网络拓扑的变化；3）应用rstp快速生成树协议（rapid spanning tree protocol），支持任意网络拓扑的组网方式，该协议应用于环路网络，通过设定的算法（路径搜索算法，算法标准为ieee 802.1d 2004）实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在
环路网络中的增生和无限循环；4）通过步骤1）
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3），设备会重新建立网络通讯路由表，组成局域网，实现数据交互。
11.步骤3）中数据预处理方法为：对原始数据进行过滤、清洗、聚合、质量优化 ( 剔除坏数据等) 和语义解析。
12.数据预处理具体方法为：对原始数据进行一致性检查，核对每个数据的合理取值范围与相关数据的相互关系，将超出正常取值范围的数据或者逻辑不一致的数据过滤清洗，并进行插值补充；把重复的原始数据进行聚合，采用平均值或者直接替代的方法进行合并处理；最后将符合要求的高质量数据按照统一模型存放到时序数据库形成边缘数据平台。
13.本发明对配电网分布式能源子站、分布式储能子站、用户负荷子站、变电站数据按照统一建模，并在与调度主站通讯中断的情况下，进行相邻子站的数据交互和协调控制的一整套交互和数据处理流程和方法。
14.本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在分布式新能源子站、分布式储能系统子站与调度主站通讯中断后可以就近将相邻的子站形成区域协调网络，通过发布订阅运行参数信息，达到自主协调控制的目的，实现区域电网协调稳定运行，可以有效提高配电网稳定运行和优化协调的能力，功能方面，可实现面向区域电网的源网荷储子站的协调控制，实现配电网系统运行的智能管理，满足可靠性、经济性、扩展性、标准化、智能化等方面主要要求；在智能化方面，子站终端实现与主站实现边云协同控制，扩展配网智能化管控的覆盖范围，通过区域协调网络可以实现在分布式电源、分布式储能、重要负荷各个子站与调度失联后，相邻的子站可以自动组网进行协调控制，把对电网稳定运行的影响降到最小。
附图说明
15.图1为物模型示意图；图2为交流采集对象实例图；图3为应用邻居拓扑发现协议流程图；图4为子站设备数据交互流程图；图5为设备软件架构图。
具体实施方式
16.下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
17.本发明在配电网分布式电源子站、分布式储能系统子站以及重要负荷子站的控制终端中运用了边缘计算技术，边缘计算是一种将主要处理和数据存储放在网络的边缘节点的分布式计算形式，是指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，处理网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁, 使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。
18.配电网中的分布式新能源、分布式储能系统、重要负荷是配电网运行协调控制的目标。分布式新能源子站、分布式储能系统子站、重要负荷子站等安装的控制终端装置可称之为边缘计算终端。配电网运行数据就是是在配电网网络边缘侧产生的, 包括变电站运行
数据、输电线路数据、用户负荷数据、分布式新能源数据、分布式储能系统数据、环境数据以及信息系统数据等, 具有高通量 ( 瞬间流量大 ) 、流动速度快、类型多样、关联性强、分析处理实时性要求高等特点。配电网测控数据处理可以通过业务编排层定义数据的业务逻辑, 包括指定数据分析算法等，通过功能领域优化数据服务的部署和运行, 满足业务实时性等要求。
19.子站设备的硬件系统具备多种通讯方式，上行支持4g/5g、xpon、ge；，下行通讯支持plc 、lora，边缘计算系统采用轻量化的linux系统和容器技术。其中基础通讯模块支持无线局域网和有线局域网交互数据，具体实现步骤如下：第一步，数据汇集中心将各app（具有本地控制策略功能、配变检测功能、无功补偿控制功能、用电信息监测功能、三相不平衡监测功能等的app软件，一般情况下预装在终端设备）将自身采集或生产的数据存储至数据中心；各app可根据数据中心的调用接口获取各种类型的数据；数据中心可根据特定的规则管理数据，保证数据的有效性和安全性。数据中心有其自身的特点：1）数据中心内部分为实时库和冻结库两种，实时库采用fastdb,冻结库采用sqlite3；2）数据中心通信方式全部采用mqtt协议；3）数据中心接口中组织数据的结构采用json语法。
20.数据中心采用了物模型的概念，数据按设备进行分类存储，设备采用模型进行抽象。数据中心接口都是围绕着物模型的相关信息，以灵活、方便为原则设计，例如，实时数据读写接口、冻结数据读写接口、模型读写接口、定值读写接口；此外数据中心还增加了许多非设备信息的读写接口，如，档案读写接口、方案读写接口等。
21.数据中心设备物模型由实时模型、历史模型、参数模型和服务模型组成，其中参数模型较特殊，在数据中心中可不进行模型注册。举例说明：交流采集，抽象模型为实时模型和参数模型，实时模型名称为adc，phv_phsa表示交采a相电压，pwroffalmb表示停电事件；参数模型名称暂未使用可不进行定义，load表示台区配变容量，artg表示ct一次值，交采app通过实时数据写接口将实时数据存储至数据中心，调用定值参数操作接口读取定值。
22.数据中心调用需了解模型、属性、设备guid几个概念，数据中心的接口全部会用到上述几个量，模型、属性上文已经进行了详细的解释，设备guid是调用数据中心注册设备接口后生成的设备信息，该信息代表设备在数据中心中的唯一标识。
23.第二步，当调度主站和各子站的通信正常时，子站将数据按照时间顺序上送到调度主站，主站进行计算分析处理，来控制配电网稳定协调运行。当调度主站和各子站的通信中断后，相邻的子站，包括分布式新能源、分布式储能系统、用户负荷、电网变电站等子站设备通过无线4g公网、电力载波通讯、光纤通讯网络在嵌入式测控终端上创新应用网络路由协议搜索相邻的子站终端设备网络路径和建立网络路由表，重新建立设备通讯局域网络，进行局部网络数据交互（正常情况下，本地应用app主要是数据监测、运算分析以及逻辑控制，通讯及通讯监测模块是设备的基础功能，与应用解耦）。
24.具体实现方式如下：应用邻居发现协议ndp（neighbor discovery protocol）发现直接相连的邻居信息。ndp运行在数据链路层，因此可以支持不同的网络层协议，包括邻接设备的设备名称、
软/硬件版本、连接端口等，另外还可提供设备的id、端口地址、硬件平台等信息。支持ndp设备都维护ndp邻居信息表，邻居信息表中的每一表项都是可以老化的，一旦老化时间到，ndp自动删除相应的邻居表项。同时，用户可以清除当前的ndp信息以重新收集邻接信息。
25.1)应用邻居拓扑发现协议ntdp（neighbortopology discovery protocol）收集网络拓扑信息。ntdp 为集群管理提供可加入集群的设备信息，收集指定跳数内的交换机的拓扑信息。ndp 为ntdp 提供邻接表信息，ntdp 根据邻接信息发送和转发ntdp 拓扑收集请求，收集一定网络范围内每个设备的ndp 信息和它与所有邻居的连接信息。收集完这些信息后，管理设备或者网管可以根据需要使用这些信息，完成所需的功能。当成员设备上的ndp 发现邻居有变化时，通过握手报文将邻居改变的消息通知管理设备，管理设备可以启动ntdp 进行指定拓扑收集，从而使ntdp 能够及时反映网络拓扑的变化。
26.2)应用rstp快速生成树协议（rapid spanning tree protocol）协议，支持任意网络拓扑的组网方式。该协议可应用于环路网络，通过一定的算法（路径搜索算法，算法标准为ieee 802.1d 2004）实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。在任意网络拓扑中，主要解决以下三个问题：a) 防止成环：交换机连接成环导致网络中断、瘫痪；b) 冗余路径：路径冗余i/o(multipath i/o)是指设备间用于通信的物理路径有多条，当其中一条物理路径的i/o出现故障时，能够转移到其他正常的物理路径上面,应用程序不会觉察到这种改变，从而提高系统的可用性。多路径冗余i/o也可以实现i/o的负载均衡，提高系统性能，但主要还是一种容错机制。
27.c) 路径倒换：当网络拓扑发生变化时，能够快速的切换路径。
28.3)通过以上几个步骤，设备会重新建立网络通讯路由表，组成局域网，实现数据交互。
29.第三步，在数据汇集的过程中会对原始数据进行数据预处理。对原始数据进行过滤、清洗、聚合、质量优化 ( 剔除坏数据等) 和语义解析。对原始数据进行一致性检查，核对每个数据的合理取值范围与相关数据的相互关系，将超出正常取值范围的数据或者逻辑不一致的数据过滤清洗，并进行插值补充；把重复的原始数据进行聚合，采用平均值或者直接替代的方法进行合并处理；最后将符合要求的高质量数据按照统一模型存放到时序数据库形成边缘数据平台。
30.第四步，根据区域电网协调控制的逻辑，子站终端确定发布/订阅数据集合开始进行数据信息交互。数据信息发布订阅模式采用dds（data distribution service）以ip化的plc方式进行数据交互。或者数据信息以mqtt方式以lora方式进行数据交互。数据分发和策略（（策略为：按照给定的输出功率曲线控制光伏发电、风力发电的有功、无功输出，或者储能系统的充放电控制，或者重要负荷的电源切换等策略和逻辑））执行，基于预定义规则和数据分析结果, 在本地进行策略执行。或者将数据发布给其他子站设备节点进行处理。子站设备边缘计算系统的所有应用程序都依据统一的数据模型，边缘数据平台支持数据发布订阅的数据交换模式，也可以由数据库接口直接访问。发布订阅的策略一般情况下可以预先设定，也可以在应用中临时设定发布订阅的数据内容。
31.第五步，对于不同类型的数据采用合适（对于模拟量数据和开关量数据可以采用统计和数学模型运算、对于接收到的各种告警报文，可以采用复杂事件处理的方式来得到
综合告警信息，以便最终消除告警）的数据分析处理方法进行分析，一般情况下，可以数据分析处理方法包括统计、数学模型运算、以及复杂事件的处理方式（复杂事件处理（cep，complex event processing）是一种基于动态环境中事件流的分析技术，事件在这里通常是有意义的状态变化，通过分析事件间的关系，利用过滤、关联、聚合等技术，根据事件间的时序关系和聚合关系制定检测规则，持续地从事件流中查询出符合要求的事件序列，最终分析得到更复杂的复合事件）。
32.最后，数据可视化和存储：采用时序数据库等技术可以大大节省存储空间并满足高速的读写操作需求。利用ar、vr等新一代交互技术逼真呈现。
33.如图5所示，在低压配电测控设备的研制过程中，应用了边缘计算的思想概念和整套多源数据处理方法流程。低压配电测控设备采用统一架构设计。硬件平台化和模块化，软件容器化和 app 化。设备具备边缘计算和智能化分析能力，业务数据可就地和端云协同分析处理。终端接口丰富，灵活扩展，易维护，可互换，支撑实现台区设备、分布式电源、充电桩等各类设备、传感器的便捷快速接入、精益远程管理。
34.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。