一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互系统及方法与流程

本发明属于智能电网技术领域，具体涉及一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互系统及方法。

背景技术：

电力资源在国民生产和居民生活中的作用越来越重要，随着电网建设的不断发展，电网安全越来越受到关切。火电、风电、水电、太阳能、核电、分布式储能等多元电源并网，给电网带来源源不断电力资源的同时又给电网运行带来一定的影响。尤其在电力二次系统中，安全区i、ii、iii、ⅳ数据信息的收集、分析、处理、指令下发对整个电力系统安全起着至关重要的作用。

现有多元电网中的前端数据采集点即边缘节点，如电厂、变电站、换流站等，最初都只是成规模的才具有数据采集、传递的功能。随着电网信息化建设及智能电网的建设，智能电网调度技术系统安全ii区数据采集、数据存储、模型配置模块的开发与实施；智能电网调度技术系统安全iii区数据接收、数据存储、数据服务模块的开发与实施；发电厂数据接入技术服务；以及各种实时数据库、关系数据库混合数据存储管理环境搭建，尤其是d5000系统的运行，对于电网数据采集的广度和深度有了很大程度的提高。传统的规模小的电厂、变电站、换流站的数据采集能力大提高，其负荷数据在电网调度中变得越来越重要，需要一种新型的多元电网信息交互方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互系统及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的交互方法可减轻电网通信压力，可提高多元电网中心节点信息处理效率，可提高多元电网信息处理能力。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互系统，包括：数据中心系统、发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统和配电子站数据系统；数据中心系统设为中心节点，发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统和配电子站数据系统均设为边缘节点；中心节点与边缘节点相连接，能够进行数据传输。

进一步的，边缘节点包括：边缘服务器、数据采集模块、数据库模块、数据预处理模块、边缘网关和通信传输模块；数据采集模块的采集端用于采集数据，其输出端与边缘服务器的输入端相连接；边缘服务器的输出端分别与数据库模块和数据预处理模块的输入端相连接；数据预处理模块的输出端通过边缘网关与通信传输模块的输入端相连接，通信传输模块的输出端用于连接中心节点或其它边缘节点。

进一步的，还包括：安全模块；安全模块与边缘服务器相连接；安全模块用于进行系统监视、数据异常监测、通信网络安全监测和安全预警。

进一步的，数据库模块包括：历史数据库、实时数据库和关系数据库。

进一步的，每个火电厂、风电厂、水电厂、太阳能电厂和核电厂分别对应一个发电厂子站数据系统；发电厂子站数据系统设为一类边缘节点，用于对发电厂的数据信息进行监测、分析、处理和存储，并反馈电厂实时出力情况及预测预定时期内的电厂出力能力到中心节点。

进一步的，输变电子站数据系统设为二类边缘节点，用于监测电网安全运行情况，并反馈整个电网输送电力能力到中心节点。

进一步的，配电子站数据系统设为三类边缘节点，用于反馈用电负荷数据，区分区域用电负荷情况，区分工农业生产、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民用电负荷情况，对不同区域及不同用电行业的用电负荷进行短期预测，并向中心节点反馈数据。

进一步的，发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统和配电子站数据系统依次设为一类边缘节点、二类边缘节点和三类边缘节点；一类边缘节点的数量小于二类边缘节点的数量，且二类边缘节点的数量小于三类边缘节点的数量；中心节点的数量为一个。

一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法，包括以下步骤：

步骤1，按照多元电网数据信息的来源将多元电网分为数据中心系统、发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统和配电子站数据系统；

步骤2，将数据中心系统设为中心节点，将发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统和配电子站数据系统依次设为一类边缘节点、二类边缘节点和三类边缘节点；不同的一类边缘节点用p1,p2,…,pi表示，不同的二类边缘节点用q1,q2,…,qj表示，不同的三类边缘节点用s1,s2,…,sk表示，其中i＜j＜k；

步骤3，通过一类边缘节点对发电厂的数据信息进行监测、分析、处理和存储，并反馈发电厂实时出力情况及预测预定时期内的电厂出力能力至中心节点；通过二类边缘节点监测电网安全运行情况，并反馈整个电网输送电力能力和监测数据至中心节点；通过三类边缘节点反馈用电负荷数据，区分区域用电负荷情况，区分工农业生产、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民用电负荷情况，对不同区域及不同用电行业的用电负荷进行短期预测，并向中心节点反馈数据；

步骤4，通过中心节点向每个边缘节点发送指令信息，边缘节点根据接收的指令向中心节点反馈数据信息。

进一步的，步骤3中，通过一类边缘节点记录发电厂发电机组数据、控制数据和电气设备数据，根据存煤、水文、气象和调度情况对发电厂实时出力能力进行收集，并根据存煤、水文、气象和调度情况预测预定时期内的出力能力，向中心节点反馈电厂机组出力能力数据；

通过二类边缘节点监测多元电网输变电子站的电压、电流、频率以及输变电子站设备运行参数数据，预测电网线路区域预定时期内的气象情况，向中心节点反馈电网整体稳定运行状态数据；

通过三类边缘节点输出实时的工农业生产、商业、居民以及市政交通用电情况，并且根据季节、天气和节假日信息预测预定周期内不同用电领域的用电需求情况，并向中心节点反馈。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法把多元电网按照不同功能区分信息节点，将大量数据计算分散到每个节点，每个信息节点具备一定的信息处理能力，使每个节点能根据自己所担负的职责进行单独数据分析、处理，从而减轻电网通信压力，提高多元电网中心节点信息处理效率；并且将多元电网中任务处理能力在整个多元电网中进行平衡，在边缘设备无法满足处理需求时，通过中心节点可调配相邻边缘节点进行处理，解决了边缘计算架构下的边缘节点之间及边缘节点与中心节点在计算能力方面的交互、协商等统一管理问题，可提高多元电网信息处理能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法中电网数据系统示意框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法中节点示意框图；

图3为本发明实施例提供的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法中边缘节点示意框图；

图4为本发明实施例提供的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法中数据库模块示意框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图并通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法，多元电网中数据来源包括：火电厂、风电厂、水电厂、太阳能电厂、核电厂、分布式储能等发电系统，以及配套的输变电系统和配电系统。边缘计算是一种在地理上靠近数据生成的位置并处理数据的方法，各个节点对采集到的数据实现部分数据处理、以及处理结果输出的功能。也就是说，在多元电网中，每个节点都具备一定的数据处理能力，这样可以大大提高电网信息处理能力。

请参阅图1，按照多元电网数据信息来源将多元电网分为数据中心系统、发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统、配电子站数据系统。为了保证电网有效安全的运行，并且便于调度，对多元电网中电厂数据及输变电数据进行采集、存储、处理及通信传输。

每个火电厂、风电厂、水电厂、太阳能电厂、核电厂对应一个发电厂子站数据系统，负责对发电厂的数据信息进行监测、分析、处理、存储等，对于多元电网调度，能够反馈所在电厂实时出力情况及预测一定时期内的电厂出力能力，并且向数据中心系统反馈数据。

输变电子站数据系统主要反馈整个电网输送电力能力，并且能够监测电网安全运行情况，并且向数据中心系统反馈数据。

配电子站数据系统主要反馈用电负荷数据，区分区域用电负荷情况，区分工农业生产、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民用电等用电行业负荷情况，对不同区域及不同用电行业的用电负荷进行短期预测，并且向数据中心系统反馈数据。

请参阅图2，边缘节点分为三类，分别是：一类边缘节点、二类边缘节点、三类边缘节点。将发电厂子站数据系统设为一类边缘节点，不同的一类边缘节点用p1,p2,…,pi表示，输变电子站数据系统设为二类边缘节点，不同的二类边缘节点用q1,q2,…,qj表示，将配电子站数据系统设为三类边缘节点，不同的三类边缘节点用s1,s2,…,sk表示，其中i＜j＜k，一类边缘节点数量远小于二类边缘节点数量，二类边缘节点数量远小于三类边缘节点数量，所有边缘节点的数量远大于中心节点数量。并将数据中心系统设为中心节点，用o表示。多元电网中有且只有一个中心节点。

请参阅图3，每个边缘节点包括：边缘服务器、数据采集模块、数据库模块、数据预处理模块、边缘网关、通信传输模块和安全模块。边缘服务器为边缘节点的核心，对其他模块发送指令信息、接收中心节点指令信息、保证数据传输顺畅；数据采集模块采集边缘节点数据信息；数据库模块存储数据采集模块采集到边缘节点的实时、历史及关系数据；数据预处理模块对采集到的数据进行统计、分析、处理、比较，将本节点信息处理后上交给中心节点，也对中心节点的指令信息及其他边缘节点数据进行分析处理；边缘网关负责与中心节点、其他边缘节点进行网络连接；所述通信传输模块负责采集到数据传输及边缘节点与中心节点、其他边缘节点的通信传输；安全模块进行系统监视、数据异常监测、通信网络安全监测、安全预警。

在边缘节点工作过程中，边缘节点根据边缘服务器的指令进行工作，在边缘服务器的统一指令下，数据采集模块采集节点所在的电厂、输电、配电区域的数据，采集到的数据按照类型进行存储在数据库模块，并由数据预处理模块进行统计、分析、处理、比较，将处理结果存储于数据库模块的同时将结果处理结果由边缘网关及通信传输模块反馈给中心节点。中心节点及其他边缘节点的数据信息，通过通信传输模块及边缘网关交由数据预处理模块进行分析处理，并将分析处理结果反馈给边缘服务器，边缘服务器再分析处理结果生成新的任务指令信息，数据库模块存储收到的中收节点及其他边缘节点的数据信息。在边缘节点工作过程中，安全模块监测所在边缘节点的网络安全、通信安全、数据安全、硬件故障，边缘节点出现安全问题后，安全模块及时将安全问题反馈给边缘服务器并存储在数据库模块中，边缘服务器根据问题情况生成指令信息或者向中心节点进行反馈。

请参阅图4，数据库模块包括：历史数据库、实时数据库、关系数据库和指令数据库。历史数据库存储各类边缘节点历史数据；实时数据库存储边缘节点存储生产实时数据，便于实时数据通信传输、数据存储、数据检索、数据访问、数据处理、数据展示，为构建基于大容量历史数据之上的分析应用提供了便捷稳定的数据支撑，为采集到的数据能够进行统计、分析、展示提供的数据支撑；关系数据库记录中心节点与各类边缘节点之间、各边缘节点之间的交互信息；指令数据库用于存储边缘节点接收到的中心节点的指令信息及自己生成的指令信息。

本发明中，对于整个多元电网而言，在多元电网中一类边缘节点、二类边缘节点和三类边缘节点对中心节点负责，每个边缘节点，同一类边缘节点之间进行数据交互，数据交互信息记录在数据库模块的关系数据库中。每一个边缘节点负责本节点数据安全，每个边缘节点将节点数据预处理结果交给中心节点，中心节点也可以调用每一个边缘节点的数据。每个边缘节点预处理后的数据交给中心节点，中心节点总数据中心处理所有边缘节点交的数据，中心节点对整个多元电网负责。

每一个边缘节点对自己收集到的数据进行存储、分析和处理，并不需要将收集到的数据实时传输给中心节点，只是将自己分析、处理后的结果反馈给中心节点，减轻电网通信网络压力。每一个边缘节点都有数据存储、分析、处理能力，每个边缘节点将自己收集到的数据进行分析、处理后的结果反馈给中心节点，中心节点只对自己收集到的每个边缘节点反馈的结果进行分析处理，减少中心节点数据计算量，提高中心节点数据分析处理的能力。每个边缘节点存储自己收集到的所有数据，中心节点根据不同的需要从边缘节点调取数据，以减少中心节点存储数据量。每个边缘节点中通信传输模块可以转发其他边缘节点的数据信息，但不做任何处理。

边缘节点之间信息交互，由中心节点来转发。多元电网中各边缘节点数据处理能力在整个多元电网中进行平衡，中心节点监测多元电网中每个边缘节点的数据处理能力及硬件资源占用统计，当某一个边缘节点设备无法满足数据处理需求时，即某一个边缘节点在一定时间内需要处理的数据量超过一定的阈值并且硬件资源占用超过一定的门限，中心节点可以调配相邻数据处理能力充足的边缘节点进行处理，所调配的边缘节点为同一类边缘节点。

每个边缘节点可以请求中心节点，中心节点根据需求在整个系统中协调。一类边缘节点、二类边缘节点和三类边缘节点分别对发电、输电、配电数据进行处理，且同一类边缘节点的特性、区域、能力不同，所以每个边缘节点数据处理输出不同，反馈给中心节点的数据不同。

在多元电网工作过程中，生成指令任务后，中心节点向每个边缘节点发指令信息，边缘节点根据指令向中心节点反馈数据信息。对于第一类边缘节点，记录电厂发电机组数据、控制数据、电气设备数据外，根据存煤、水文、气象、调度等情况对发电厂实时出力能力进行收集，第一类边缘节点的数据预处理模块根据所在电厂的存煤、水文、气象、调度等情况进行分析计算，预测一定时期内的出力能力，主要向中心节点反馈电厂机组出力能力数据；对于第二类边缘节点监测多元电网输变电子站的电压、电流、频率、输变电子站设备运行参数等数据，第二类边缘节点的数据预处理模块根据多元电网输变电子站的电压、电流、频率、输变电子站设备运行参数等数据及电网线路区域一定时期内的气象情况，电网一定时期内的电力输送能力，主要向中心节点反馈电网整体稳定运行状态数据；对于第三类边缘节点输出实时的工农业生产、商业、居民、市政交通等用电情况，第三类边缘节点的数据预处理模块根据季节、天气、节假日等数据信息预测工农业生产、商业、居民、市政交通等领域一定周期内的用电需求情况；第一类边缘节点向中心节点反馈电厂机组出力能力数据，第二类边缘节点向中心节点反馈电网整体稳定运行状态数据，第三类边缘节点向中心节点反馈工农业生产、商业、居民、市政交通等领域一定周期内的用电需求情况。

工作原理

在多元电网有工作任务时，中心节点生成任务指令信息，收到指令信息的边缘节点根据中心节点指令，按照指令信息，将自己所在子站信息分析处理结果反馈给中心结点。所有边缘节点以一定的时间周期，将自己子站监测信息分析处理结果反馈给中心节点。对于任何一个边缘节点，当边缘节点所在的子站发生故障时，边缘节点优先将故障信息反馈给中心节点。中心节点对接收到的边缘节点反馈的数据进行分析处理，根据每个边缘节点反馈的信息，在整个多元电网进行电力资料调度。中心节点根据边缘节点反馈的信息，评估发电厂子站负荷的出力能力、输变电子站的输送能力及配电子站负荷的需求能力。中心节点收到每个边缘节点反馈的当前监测信息和预测信息后，对整个多元电网运行情况进行实时监测。边缘节点可以向中心节点发出请求，请求包括断电检修、停机检修、电网调度等信息，中心节点根据请求信息向整个多元电网其他边缘节点发出指令信息。

综上，本发明的一种基于边缘计算架构的多元电网信息交互方法，按照多元电网数据信息来源将多元电网分为数据中心系统、发电厂子站数据系统、输变电子站数据系统、配电子站数据系统。根据数据系统，将边缘节点分为三类分别是：一类边缘节点、二类边缘节点、三类边缘节点，并将数据中心系统设为中心节点。每个边缘节点包括边缘服务器、数据采集模块、数据库模块、数据预处理模块、边缘网关、通信传输模块和安全模块。边缘节点对本节点采集到的数据进行计算、分析、处理，并将结果反馈给中心节点。中心节点对整个多元电网负责，负责全网信息的计算、分析、处理，并对各边缘节点发出指令。本公开减少中心节点数据计算，提高整个多元电网数据处理能力。

本发明通过把多元电网按照不同功能区分信息节点，将大量数据计算分散到每个节点，每个信息节点具备一定的信息处理能力，使每个节点能根据自己所担负的职责进行单独数据分析、处理，从而减轻电网通信压力，提高多元电网中心节点信息处理效率。并且将多元电网中任务处理能力在整个多元电网中进行平衡，在边缘设备无法满足处理需求时，调配相邻边缘节点进行处理，解决了边缘计算架构下的边缘节点之间及边缘节点与中心节点在计算能力方面的交互、协商等统一管理问题，提高多元电网信息处理能力。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。