基于云边协同的无功电压仿真系统和控制方法与流程

1.本技术涉及配电网仿真技术领域，尤其涉及基于云边协同的无功电压仿真系统和控制方法。


背景技术：

2.随着时代的发展，配电网被接入了大量的各类负载，导致配电网中无功电压问题日益显著，线损的增大、供电质量的降低等问题发生的频率越来越高，需要进行无功电压控制的频率亦是越来越高，这对配电网无功电压的平衡造成了巨大的破坏。
3.随着用户对供电质量要求的日益提高，保证用户电压与额定值的偏移不超过规定的数值成为电力系统运行调整的基本任务之一。当前无功电压所采用的都是具有中心化的控制方式，但存在数据传输时延高、远程通讯难、线损大、供电质量低等缺点，因此，针对去中心化的无功电压控制将是未来的发展趋势，云边协同是去中心化的重要发展趋势之一，但目前针对云边协同控制尚缺乏有效的仿真验证方法。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，本技术提出了基于云边协同的无功电压仿真系统和控制方法，可以有效验证云边协同算法的有效性，促进无功电压优化系统的发展。
5.第一方面，本技术提供了一种基于云边协同的无功电压仿真系统，用于对云端服务器、边缘端服务器和边缘节点组成的配电网系统进行仿真，仿真系统包括：
6.数据生成模块、协议转换模块、云边协同模块和控制输出模块；
7.数据生成模块用于：根据边缘端服务器的输出指令，对配电网仿真模型中的负载信息进行集中性、规范性输出，并对负载信息进行格式转换，其中配电网仿真模型用于仿真模拟实际配电网的运行状况；
8.云边协同模块用于：将负载信息由边缘节点传输至边缘端服务器中，并将由边缘端服务器优化后的负载信息上传至云端服务器；
9.协议转换模块用于：将控制命令从云端服务器传输至边缘端服务器，其中控制命令是云端服务器根据边缘端服务器上传的负载信息生成；
10.控制输出模块用于：根据控制命令调控边缘节点中的传感器进行电容器的投切和变压器档位的调节，实现整个配电网的无功电压平衡。
11.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，负载信息是真实反应到实际配电网运行状况，对应实际配电网中各个负载、变压器和电容器的设备属性信息。
12.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，设备属性信息包括以下至少一种参数：电压、电流、或功率因数。
13.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，协议转换模块是基于消息队列遥感传输mqtt协议实现，其中mqtt协议用于云端服务器根据边缘端服务器的订阅请求，向边缘端服务器发送调控命令。
14.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，协议转换模块还用于执行以下操作：
15.在云端服务器的控制下，协议转换模块基于mqtt协议向边缘端服务器发送请求订阅请求，其中协议转换模块的ip地址用于映射云端服务器的云端地址与边缘端服务器的边缘端地址之间的对应关系；
16.协议转换模块接收边缘端服务器发送的订阅请求，其中订阅请求是边缘端服务器根据请求订阅请求生成的；
17.协议转换模块根据订阅请求向边缘端服务器发送控制命令。
18.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，边缘节点输出的负载信息的数据格式包括指令(command)信息和规则(threshold)信息，其中指令格式用于指示边缘端服务器对设备数据进行范围界定，规则格式用于指示数据触发零界点直接进行调控。
19.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，边缘端服务器为边缘计算edgex foudry服务器，edgex foudry服务器用于启动规则引擎对负载信息进行优化。
20.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，edgex foudry服务器还用于对负载信息进行分层处理。
21.可选的，在第一方面的一种可能的实现方式中，控制命令是云端服务器将优化结果通过应用程序编程api接口调用控制算法生成，优化结果为云端服务器对边缘端服务器上传的负载信息进行整体优化后得到。
22.第二方面，本技术提供了一种控制方法，用于控制基于云边协同的无功电压仿真系统，仿真系统用于对云端服务器、边缘端服务器和边缘节点组成的配电网系统进行仿真，仿真系统包括：数据生成模块、协议转换模块、云边协同模块和控制输出模，控制方法包括：
23.控制数据生成模块通过仿真模拟实际配电网运行状况得到负载信息，并对负载信息进行格式转换，其中负载信息是由边缘节点通过边缘端服务器的指令进行集中性、规范性输出；
24.控制云边协同模块将负载信息由边缘节点传输至边缘端服务器中，并将由边缘端服务器优化后的负载信息上传至云端服务器；
25.控制协议转换模块将控制命令从云端服务器传输至边缘端服务器，其中控制命令是云端服务器根据边缘端服务器上传的负载信息生成；
26.控制控制输出模块根据控制命令调控边缘节点中的传感器进行电容器的投切和变压器档位的调节，实现整个配电网的无功电压平衡。
27.本技术提供的技术方案至少具有以下有益效果：
28.通过由数据生成模块、协议转换模块、云边协同模块和控制输出模块组成仿真系统，该仿真系统是基于协议转换、云边协同环境部署以及数字指令输出模块构成，通过云边协同技术控制调节制定出调整各主变调压档位及投退电容器的方案，可以有效验证云边协同算法的有效性。对于促进无功电压优化系统的发展，将是一个最为快捷、精确、方便、有效的途径。
29.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
30.通过结合附图对本技术示例性实施方式进行更详细的描述，本技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
31.图1为本技术实施例中一个云边协同框架图；
32.图2为本技术实施例中一种基于云边协同的无功电压仿真系统的一个结构示意图；
33.图3为本技术实施例中控制方法的一个实施流程示意图。
具体实施方式
34.下面将参照附图更详细地描述本技术的实施方式。虽然附图中显示了本技术的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本技术更加透彻和完整，并且能够将本技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。
35.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
36.应当理解，尽管在本技术可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.本技术实施例中的基于云边协同的无功电压仿真系统，在仿真模拟过程中实现了云边协同控制调节各主变调压档位及投切电容器方案，解决了配电网无功电压平衡的问题。
38.为了便于了解本技术实施例中的技术方案，下面先结合附图对云边协同进行详细说明，具体如下：
39.图1为本技术实施例中云边协同的一个框架结构图。
40.如图1所示，图1为本技术实施例中云边协同框架中包括：云端服务器、边缘端服务器、边缘节点和配电网仿真模型，其中配电网仿真模型由一条10kv的母线和4条支线(支线1、支线2、支线3和支线4)组成，母线和各支线处都设有电容器和变压器。
41.云边协同是基于云平台、边缘系统和物理系统之间相互协同，达到整体优化等目标，如图1所示，云边协同具体是云端服务器、边缘端服务器、边缘节点和配电网仿真系统之间的相互协同。
42.为了在仿真模拟过程中实现云边协同控制调节各主变调压档位及投切电容器方案，解决了配电网无功电压平衡的问题。基于上述图1中所示的云边协同框架，本技术实施例中提出了一种基于云边协同的无功电压仿真系统。
43.图2为本技术实施例中一种基于云边协同的无功电压仿真系统的一个结构示意图。
44.如图2所示，本技术实施例中基于云边协同的无功电压仿真系统20包括：数据生成模块201、协议转换模块202、云边协同模块203和控制输出模块204；
45.数据生成模块201用于：根据边缘端服务器的输出指令，对配电网仿真模型中的负载信息进行集中性、规范性输出，并对负载信息进行格式转换，其中配电网仿真模型用于仿真模拟实际配电网的运行状况；
46.云边协同模块203用于：将负载信息由边缘节点传输至边缘端服务器中，并将由边缘端服务器优化后的负载信息上传至云端服务器；
47.协议转换模块202用于：将控制命令从云端服务器传输至边缘端服务器，其中控制命令是云端服务器根据边缘端服务器上传的负载信息生成；
48.控制输出模块204用于：根据控制命令调控边缘节点中的传感器进行电容器的投切和变压器挡位的调节，实现整个配电网的无功电压平衡。
49.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，负载信息是真实反应到实际配电网运行状况，对应实际配电网中各个负载、变压器和电容器的设备属性信息。应理解，将设备属性信息进行数据格式转换，便于边缘节点与边缘端服务器的数据传输。
50.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，设备属性信息包括以下至少一种参数：电压、电流、或功率因数。
51.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，协议转换模块是基于消息队列遥感传输(message queuing telemetry transport，mqtt)协议实现，其中mqtt协议用于云端服务器根据边缘端服务器的订阅请求，向边缘端服务器发送调控命令。
52.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，协议转换模块还用于执行以下操作：
53.在云端服务器的控制下，协议转换模块基于mqtt协议向边缘端服务器发送请求订阅请求，其中协议转换模块的ip地址用于映射云端服务器的云端地址与边缘端服务器的边缘端地址之间的对应关系；
54.协议转换模块接收边缘端服务器发送的订阅请求，其中订阅请求是边缘端服务器根据请求订阅请求生成的；
55.协议转换模块根据订阅请求向边缘端服务器发送控制命令。
56.应理解，协议转换模块使边缘端服务器和云端服务器互相发送订阅请求，云端服务器通过mqtt协议(即mqtt服务器)接收订阅请求并向边缘端发送数据；云边协同模块通过mqtt协议打通数据传输通道至边缘端服务器，边缘端通过建立流设立规则对传输来的数据进行判断并生成控制指令；控制输出模块通过判断生成的控制命令对边缘节点进行调节来控制无功电压。
57.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，边缘节点输出的负载信息的数据格式包括指令(command)信息和规则(threshold)信息，其中指令格式用于指示边缘端服务器对设备数据进行范围界定，规则格式用于指示数据触发零界点直接进行调控。
58.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，边缘端服务器为边缘计算edgex foudry服务器，edgex foudry服务器用于启动规则引擎对负载信息进行优化。
59.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，edgex foudry服务器还用于对负载
信息进行分层处理。
60.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，控制命令是云端服务器将优化结果通过应用程序编程api接口调用控制算法生成，优化结果为云端服务器对边缘端服务器上传的负载信息进行整体优化后得到。
61.综上所述，本技术将数据生成模块、协议转换模块、云边协同模块以及控制输出模块顺讯连接，将四个模块有机结合起来，终端就地实现调节档位的技术方案。通过边缘端服务器设立流、建立规则对边缘节点采集的数据进行优化，产生的控制指令直接被边缘节点的传感器采集，实时实现设备的调节；云端服务器通过针对各边缘节点优化后的数据进行整体优化控制，反馈给边缘端服务器对边缘节点进行调控。在仿真模拟过程中实现了云边协同控制调节各主变调压档位及投退电容器方案，解决了配电网无功电压平衡的问题。
62.本技术实施例中云边协同整体流程包括如下步骤1至步骤6中所述的操作：
63.步骤1：感知仿真数据规范数据格式。
64.其中仿真数据即通过仿真模拟得到的负载信息，其对应规范数据格式即为边缘节点输出的负载信息的数据格式，具体可以包括指令(command)信息和规则(threshold)信息。
65.步骤2：通过mqtt协议建立边缘节点与边缘edgex foudry服务器之间的数据传输通道。
66.步骤3：将负载信息存储到边缘端数据存储单元。
67.步骤4：边缘端通过建立流、设立规则对负载信息进行优化。
68.步骤5：云端服务器通过控制算法发送控制命令。
69.步骤6：边缘节点根据控制命令调节电容器的投切和变压器的调挡，实现整个配电网的无功电压平衡。
70.需要说明的是，上述步骤1-步骤6的详细描述可参阅上述仿真系统对应实施例中相关部分的描述，此处不再赘述。
71.在上述步骤1至步骤6中，本发明仿真系统感知配电网中负载的数据(即负载信息)，通过边缘端控制指令将配电网仿真模型中各负载数据进行集中性、规范性导出，存储到边缘端设备存储单元中，并将数据进行格式转换后准备进行传输边缘端服务器；边缘节点将数据发送给边缘端服务器之前，协议转换模块的ip地址与云端地址相对应，使其与边缘端建立联系；边缘端启动edgex foudry服务中心接收mqtt发送的请阅请求，接收请求后自主通过控制算法对mqtt服务器发送订阅请求，这样，边缘端通过mqtt协议与edgex foudry服务中心相互订阅主题，打通边缘节点与边缘端服务器数据传输通道，将准备的数据传输边端；边缘端服务器对设备存储单元发送命令进行存储数据，边缘端服务器通过建立流、设立规则启动规则引擎对负载信息进行优化筛选，得到最优优化数据，通过控制输出模块发送最优调控至边缘节点，边缘节点通过控制指令进行调节电容器的投切和变压器的调档，最终实现配电网无功电压平衡。
72.本技术实施例中仿真数据优化逻辑如下步骤7至步骤中所示：
73.步骤7：边缘端服务器接收仿真数据，并根据规则范围对仿真数据进行界定。
74.其中数据范围是根据边缘节点输出的负载信息的数据格式确定的，其中该数据格式包括指令格式和规则格式，其中所述指令格式用于指示所述边缘端服务器对设备数据进
行范围界定，所述规则格式用于指示数据触发零界点直接进行调控。
75.步骤8：若仿真数据在规则范围内，边缘端服务器对仿真数据依次优化。
76.步骤9：若仿真数据不在规则范围内，将仿真数据上传至云端服务器，云端服务器对仿真数据进行整体优化。
77.步骤10：控制输出模块根据优化后的仿真数据生成控制命令，并发送该控制命令至边缘节点。
78.步骤11：在控制命令的控制下，边缘节点控制相应的传感器进行电容器的投切和变压器的调挡，实现整个配电网的无功电压平衡
79.需要说明的是，上述步骤7-步骤11的详细描述可参阅上述仿真系统对应实施例中相关部分的描述，此处不再赘述。
80.在上述步骤7至步骤11中，数据范围界定是对数据在规则范围内进行判断，当仿真电压数据过高或者过低时，触发已设置的规则，依次对数据进行优化并赋值为档位1、档位2、档位3，赋值后直接反馈给边缘节点，缓解云端计算压力，释放了云端“海量”数据压力，边缘端edgex foudry服务器生成控制命令，通过控制输出模块来调节电容器的投切和变压器的调档，使感知的数据处于规定范围之内。当仿真数据不在规则范围之内的时候，边缘端将数据进行分层处理上传至云端，云云端对边缘数据进行整体优化，将优化后的结果通过接口api调用控制算法生成控制命令返回到边缘端，边缘端通过控制输出模块发送云端下传的最优指令，边缘节点通过控制指令进行调节电容器的投切和变压器的调档，最终实现配电网无功电压平衡。
81.本技术实施例中还提供了一种控制方法，用于控制基于云边协同的无功电压仿真系统。
82.图3为本技术实施例中控制方法的一个实施流程示意图。
83.如图3所示，本技术实施例中控制方法包括：
84.301、控制数据生成模块通过仿真模拟实际配电网运行状况得到负载信息，并对负载信息进行格式转换。
85.其中负载信息是由边缘节点通过边缘端服务器的指令进行集中性、规范性输出。
86.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，负载信息是真实反应到实际配电网运行状况，对应实际配电网中各个负载、变压器和电容器的设备属性信息。应理解，将设备属性信息进行数据格式转换，便于边缘节点与边缘端服务器的数据传输。
87.进一步可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，设备属性信息包括以下至少一种参数：电压、电流、或功率因数。
88.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，边缘节点输出的负载信息的数据格式包括指令(command)信息和规则(threshold)信息，其中指令格式用于指示边缘端服务器对设备数据进行范围界定，规则格式用于指示数据触发零界点直接进行调控。
89.302、控制云边协同模块将负载信息由边缘节点传输至边缘端服务器中，并将由边缘端服务器优化后的负载信息上传至云端服务器。
90.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，边缘端服务器为边缘计算edgex foudry服务器，edgex foudry服务器用于启动规则引擎对负载信息进行优化。
91.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，edgex foudry服务器还用于对负载
信息进行分层处理。
92.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，控制命令是云端服务器将优化结果通过应用程序编程api接口调用控制算法生成，优化结果为云端服务器对边缘端服务器上传的负载信息进行整体优化后得到。
93.303、控制协议转换模块将控制命令从云端服务器传输至边缘端服务器。
94.其中控制命令是云端服务器根据边缘端服务器上传的负载信息生成。
95.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，协议转换模块是基于消息队列遥感传输(message queuing telemetry transport，mqtt)协议实现，其中mqtt协议用于云端服务器根据边缘端服务器的订阅请求，向边缘端服务器发送调控命令。
96.可选的，在本技术实施例的一种实施方式中，控制方法还包括：控制协议转换模块执行以下操作：
97.控制协议转换模块基于mqtt协议向边缘端服务器发送请求订阅请求，其中协议转换模块的ip地址用于映射云端服务器的云端地址与边缘端服务器的边缘端地址之间的对应关系；
98.控制协议转换模块接收边缘端服务器发送的订阅请求，其中订阅请求是边缘端服务器根据请求订阅请求生成的；
99.控制协议转换模块根据订阅请求向边缘端服务器发送控制命令。
100.304、控制控制输出模块根据控制命令调控边缘节点中的传感器进行电容器的投切和变压器挡位的调节，实现整个配电网的无功电压平衡。
101.关于上述实施例中的控制方法的具体操作，已经在有关该方法对应的基于云边协同的无功电压仿真系统中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。
102.本领域技术人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应该认为超出本技术的范围。
103.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
104.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系属于仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语包括、包含或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
105.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
106.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
107.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
108.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
109.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。