基于边缘计算的分布式能源信息接入技术研究

云南电网有限责任公司 卢欣辰 陈 飞 林 莉 叶 华 徐佳宁

电力市场化进度加快，新兴分布式电源、充电桩等市场发展迅速。海量终端接入电网却未能有效进行实时运行监控，存在较大运行风险。随着分布式电源、用电负荷市场进一步放开，与分布式能源相关的业务和需求将会大量爆发。但分布式新型电网参与者不具备传统电网运行数据观测条件，导致当前调度对于此类数据仍然处于盲区。通过电网营销部门获取数据的探索中，由于营销部门对数据实时性需求不强，导致当前调度获取数据仅能隔天获取，且数据颗粒度很大，无法满足要求。所以需要开发一种新型边缘计算智能终端，实现对分布式能源实时观测。做到对新兴电网成员“可观、可测、可控”，进一步配合云边融合平台整体发展服务调度工作。将新型电网有效纳入调度管控范畴，探索电网低备运行方式，提高电网运行控制能力，增强电网稳定性，提高电网效益。

1 能源互联网现状分析

传统电网中新能源成分占比提升，原有电网调度模式遇到挑战。由于分布式新型电网参与者不具备传统电网运行数据观测条件，导致当前对此类数据的调度仍然处于盲区。在电网营销部门获取数据的探索中，营销部门对数据实时性需求不强，导致当前调度获取数据仅能达到隔天获取，且数据颗粒度很大，无法满足要求。

我国已将“双碳”目标列为国家战略目标，以新能源为主体的新型电力系统成为发展趋势。随着分布式新能源装机规模高速发展，低压并网比重提升显著，主网调度工作面临着以下问题。

大量电力电子设备并网导致系统无功支撑能力与转动惯量下降，电网暂态电压水平及频率稳定性降低；局部高比例分布式接入地区，有源线路占比提高，不仅低频减载负荷控制率逐步降低，分布式光伏使线路功率潮汐发生变化，造成装置动作行为不合理；分布式光伏的随机性和波动性影响功率预测及负荷预测精度，要求预留更多的正负备用容量来应对电网调峰问题；分布式光伏与多直流馈入、冬季供暖、集中式光伏、风电等多重因素相互叠加，调峰难度逐年增加；分布式电源并网技术要求偏低，故障后可能无序脱网引发连锁反应，造成故障扩大。

2 基于边缘计算的分布式能源信息接入技术

应用具备边缘计算功能的智能终端设备，可以解决当前分布式光伏无序并网带来的潜在风险。终端可安装于分布式光伏逆变器并网点，其交采功能可快速获取并网处实时电能参数，通过高速网络将实时数据上传到云平台主站，实现光伏运行状态实时监控；进一步应用大数据技术和人工智能算法，结合天气预报数据可对分布式光伏发电作出更精准预测，降低光伏随机性和波动性对电网带来的影响；终端内边缘计算应用按照云平台主站下发的控制策略，快速处理异常运行状态，积极参与二次调频，提高主网安全系数。

在分布式能源和充电桩接入的基础上，海量的负荷主体产生的海量运行数据，通过一般的主站系统和平台难以支撑。边缘节点接入调度云平台的技术仍未实现，海量边缘节点接入调度云平台的技术处于空白。

本文进一步结合边缘计算概念，从统一建模和信息交互、分布式能源运行数据远程采集及边缘节点在云端的即插即用等方面开展研究，可以有效解决分布式能源运行数据接入迫切需要和实现在数据源端对数据进行计算分析并上传有效数据的目标。

2.1 云边统一信息交互模型技术研究

考虑到大量边缘节点的接入，研究云端、边缘端的统一全景建模技术，对各个数据点进行唯一编码，边缘端模型和数据唯一匹配云端模型，实现电网运行数据和模型的标准整合。

综合分析不同类型边缘节点的业务需求，统筹考虑不同需求对信息交互的共性和差异性，探索建立云边统一的标准信息交互模型，研究适配典型边缘节点的信息交互技术。

在全景建模技术规范基础上，研究适配典型类型边缘节点的全景建模技术，对各个边缘节点和数据进行唯一编码，形成规范的平台编码，输出云边融合平台编码方案。基于边缘计算节点构建标准平台分布式节点数据模型，采用标准JSON 格式实现标准化、多平台适用的先进模型，并将其融于云端，构建完整统一电网模型[1]。

充分考虑各类通信技术特点和边缘节点的差异性、多样信息的兼容性，通过边缘节点终端的多种类型通信接口，支持包括Modbus、OpenCAN 等非电业常用规约，研究各规约异同之处，构建信息交互统一模型，采用成熟的通用通信技术实现云边统一信息交互[2]。

2.2 基于边缘计算的分布式能源并网运行数据远程采集技术研究

分布式能源数量多、信息量大，将全部过程数据集中存储分析在技术上无法有效解决，可以通过引入边缘计算理念，研究基于边缘计算的分布式能源并网运行数据自主分析和远程采集技术，基于边缘计算常用的通信协议（如MQTT 等）和通信方式（4G/5G 等），研究适用于分布式能源的通信方式和通信协议。通过边缘计算实现就地集成和对分布式能源产生的相关实时数据的高频采集。

研究远程通信传输方式，远程通信支持以太网、4G 公网及微功率无线的通信方式将数据分别上送配电主站和用采主站，下行通过电力线载波、RS-485与电能表及一次设备进行通信，支持远程升级，外围功能模块采用专用通信、采集、计量、控制等芯片，配合低功耗 MCU 实现无线通信、电力线载波通信、状态量采集和控制等功能。

试制电网二次信号实时量测模块，可满足边缘计量装置所需的分布式能源并网运行数据采集，支持接入标准110V/5A 规格二次信号。可对信号的电压、电流有效值，有功、无功功率值，电压频率值，各相角值，多次谐波参量值等运行数据实时量测。

立足于电网现有规约、JMS 等相关实时数据采集技术基础，对分布式能源的实时数据借助边缘计算进行整合处理，适配云端对数据采集点的配置规约和指令，将需要的数据上传到云端。应用高精度动态量测技术对新能源场站电能质量进行分析，对电压、电流、频率、有功、无功等重要参数进行实时交采，通过边缘计算应用在本地进行处理分析记录。

2.3 边缘节点在云端的即插即用技术研究

开展边缘节点接入云端网络接口技术和“即插即用”功能规范研究，在边缘节点投运后，云端通过唯一身份编码识别边缘节点身份和类型特征，明确使用的协议和配置进行远程下装，边缘节点应支持采用Docker、LXC 等容器技术，云端可根据运行需要对边缘节点进行投退、业务远程下装和更新等操作。

充分考虑典型类型边缘节点特征，兼顾软件认证、工程配置管理和运维操作审计需要，制定云端平台即插即用技术方案，研究边缘节点在云端即插即用的可行性，通过模拟方式进行验证。

3 分布式能源信息接入技术的应用

3.1 研究路线

制定云边统一的电网建模和信息交互技术规范，开展云边统一信息交互模型研究，制定统一的通信规约和模型规范，实现不同分布式能源边缘节点标准化地接入云端，解决分布式能源边缘节点数量众多、设备类型多、数据结构和通信规约不统一等特点带来的接入工作量大等问题。

制定分布式新能源并网数据采集规范并研制边缘计算智能终端，研究基于边缘计算的分布式能源并网运行数据采集技术，包括适配的通信方式和通信协议，实现分布式能源并网运行数据自主分析和远程采集。

完成电网边缘节点在云端的即插即用技术，开展边缘节点在云端的即插即用技术研究，满足由云端自动发现投运后连接的边缘节点，并对其进行自动识别、鉴权受理、协议适配和指令下发，实现边缘节点在云端的即插即用，提高云端接入边缘节点的有效性和便捷性[3]。应用研究路线如图2所示。

图2 分布式能源信息接入应用研究路线

3.2 接入设备

接入设备主要有互感器单元、高精度量测单元与处理控制通信单元组成。互感器单元承担将分布式能源场站交流总线或并网点开关处一次电气量按照比例转换为二次电信号的功能，要求在测量范围内具有良好的线性度。试制过程中，采用0.5级互感器保证电气测量精度；高精度量测单元由模拟前端、主控芯片、缓存芯片和计量芯片构成，模拟前端负责将上一级模块的二次电信号进行预处理，在合适量程下，放大信号，以便提高测量精度。计量芯片主要对电压、电流、有功无功、电量等表计数据进行量测，主控芯片主要负责量测电压、电流波形，含谐波量和故障录波等功能。量测数据在主控芯片控制下存储于内部缓存；处理控制通信单元采用具备边缘计算能力的CU1000模块作为系统核心，核心CU1000具备1GHz 处理能力，存储大于8GB。通过与高精度量测单元进行网络通信，获取量测数据。其同时经无线网卡或有线网络，同云端主站进行通信，将分布式场站运行数据在本地预处理后，上送至云端平台。

装置试制过程中的主要关键在于互感器单元的转换精度、高精度量测单元的测量精度与处理控制单元的程序高效程度。要解决互感器单元转换精度问题，除选择0.1%精度电阻外，还可在互感器次级线圈加入阻抗变换电路，将互感器高阻抗信号变换为低阻抗输出，提高输入模拟前端的信号质量。高精度量测单元测量精度则通过两个方面实现：首先，计量芯片的时钟周期直接影响电量积分准确度，所以在系统设计过程中，采用高精度TXCO 来进行保障；其次，在系统设计中，主控芯片内程序会对计量电路与波形采集的参考零点基线应用卡尔曼滤波KLF 算法进行动态调整，避免系统因长时间运行造成的参数偏移现象；最后，处理控制单元程序采用容器化技术，边缘计算App 同系统运行空间实现逻辑分离，可大大提高边缘智能设备的系统健壮性，从根本避免系统死机或程序卡死。

边缘计算适配能源互联网分布式、智能化的发展趋势，在实现能源互联网“Energy on Demand”目标，以及提升电网企业运营效率方面具有重要的意义[4]。同时分布式能源信息接入技术的研究与应用符合当前构建以新能源为主体的新型电力系统战略目标，利于国家“3060”双碳战略目标的落地，能够有效解决分布式能源接入数量大、种类多、参数差异大、接入协议不统一导致低压侧海量分布式能源节点难以实现全景可测、可观的难题。