基于邊緣計(jì)算的智能分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司 何 峰 王巍俊 魏光明

配電網(wǎng)位于輸電的末端、直接面向終端用戶，是服務(wù)民生的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，不僅需要安全可靠、快速自愈，還面臨新能源大規(guī)模消納、電力電子器件高比例接入、潮流雙向等能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要。配電網(wǎng)的智能化是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，智能配電網(wǎng)需具備故障隔離、供電恢復(fù)、電力設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、支持DER的接入和用戶互動(dòng)等功能。這些功能都要求配電網(wǎng)能夠采集大量的數(shù)據(jù)，并及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)處理，但傳統(tǒng)的配電網(wǎng)單純依靠長(zhǎng)距離傳輸。集中處理的模式已不能滿足大量數(shù)據(jù)傳輸處理以及即時(shí)性的需要。近年來(lái)為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)面臨的新挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算、5G通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)正逐步在電網(wǎng)領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]。

邊緣計(jì)算由于其具有互操作性和分布式等特性，以及與云端的協(xié)同，可將電力云中心的服務(wù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，實(shí)現(xiàn)電力信息有效感知和及時(shí)處理，滿足行業(yè)應(yīng)用對(duì)算力的下沉部署和按需提供服務(wù)，已成為能源互聯(lián)網(wǎng)研究的重要方向[2]。對(duì)配電網(wǎng)而言，邊緣計(jì)算技術(shù)取得突破，意味著眾多的配電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制措施將通過(guò)本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)而無(wú)需交由云端處理反饋，其處理過(guò)程將在本地邊緣計(jì)算層完成。這將處理速度從分鐘縮短到毫秒，以便更快地做出關(guān)鍵和時(shí)間敏感的決定，同時(shí)大大減輕云端的運(yùn)算量，從而獲得更好的擴(kuò)展性、靈活性和成本彈性，并由于更加靠近用戶，還可為用戶提供更快的響應(yīng)，改善用戶體驗(yàn)。針對(duì)配電自動(dòng)化，文獻(xiàn)[3]提出了云計(jì)算架構(gòu)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]提出了邊緣計(jì)算的配電故障處理系統(tǒng)，都對(duì)邊緣計(jì)算在配電自動(dòng)化和故障隔離方面進(jìn)行了有益探索。

1 智能分布式配電自動(dòng)化的邊緣計(jì)算架構(gòu)

1.1 配電自動(dòng)化建設(shè)需求

配電自動(dòng)化涉及到開關(guān)一次設(shè)備的改造、饋線出口保護(hù)配置、配電自動(dòng)化終端及通信裝置的選型、通信系統(tǒng)的構(gòu)建及主站功能模式等系統(tǒng)性的內(nèi)容，以數(shù)據(jù)、信號(hào)、計(jì)算、控制為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和快速故障隔離，為配電管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)配電自動(dòng)化采用集中控制模式，主站/子站與終端構(gòu)建星型連接為主，通過(guò)配電主站和配電終端的配合，基于對(duì)信號(hào)的控制判斷故障并遙控隔離故障、恢復(fù)非故障區(qū)的供電，通信時(shí)延基本在秒級(jí)。而智能分布式就是去中心化，無(wú)需主站干預(yù)，由各個(gè)環(huán)網(wǎng)開關(guān)的智能終端決策，協(xié)同完成配電線路故障定位、隔離以及恢復(fù)供電，時(shí)延可降低到毫秒級(jí)，基于拓?fù)溥壿嬓盘?hào)判定的方式已得到了一定應(yīng)用。這一模式變化必然使得計(jì)算資源下沉部署，驅(qū)動(dòng)邊緣計(jì)算得到應(yīng)用，能源互聯(lián)網(wǎng)“云-網(wǎng)-邊-端-芯”中的“邊”就是指部署邊緣計(jì)算裝置，構(gòu)建電網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)中心，提升整體的配電網(wǎng)自愈能力和適應(yīng)能力。

1.2 配電自動(dòng)化邊緣計(jì)算總體架構(gòu)

文獻(xiàn)[5]提出邊緣計(jì)算是相對(duì)于云計(jì)算而言的，是一種分布式計(jì)算框架，使應(yīng)用程序靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生和操作執(zhí)行的位置，是在智能設(shè)備增加、海量數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的帶寬不足、時(shí)間延遲等問(wèn)題下發(fā)展而來(lái)的技術(shù)。特點(diǎn)一是能通過(guò)減少傳輸?shù)街行募€器的數(shù)據(jù)和漏洞，改進(jìn)數(shù)據(jù)控制并降低成本；二是能通過(guò)接入更多數(shù)據(jù)源并在邊緣處理該數(shù)據(jù)來(lái)更快地獲得洞察力并采取行動(dòng)；三是能讓系統(tǒng)自主運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，減少中斷。

智能分布式配電自動(dòng)化吸納了邊緣計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了區(qū)別于傳統(tǒng)的三層集中式架構(gòu)，構(gòu)建了以邊緣節(jié)點(diǎn)為核心的“云、管、邊、端”四層架構(gòu)，由信號(hào)和邏輯控制轉(zhuǎn)變以數(shù)據(jù)計(jì)算為基礎(chǔ)的信息控制。其中，“云”是指云化的主站平臺(tái)，在云上部署有多種微服務(wù)；“管”是指網(wǎng)絡(luò)管理，是端和云之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，也即通信方式；“邊”是指邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，把算法送到靠近終端側(cè)設(shè)備，就近提供智能服務(wù)，計(jì)算過(guò)程在智能設(shè)備或邊緣設(shè)備的分布式中心執(zhí)行；“端”是配電網(wǎng)架構(gòu)中的狀態(tài)感知和執(zhí)行控制主體，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、電氣量信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、感知。

邊緣計(jì)算是對(duì)云計(jì)算的補(bǔ)充和延伸，可為配電網(wǎng)中的終端設(shè)備提供更快速、更高效的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理。相比傳統(tǒng)方式，邊緣計(jì)算架構(gòu)下的配電自動(dòng)化具有以下優(yōu)勢(shì)。

自愈性：邊緣設(shè)備檢測(cè)到異常后，能迅速對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行孤島控制，并在隔離故障后運(yùn)用調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)自動(dòng)轉(zhuǎn)供，整個(gè)故障識(shí)別和切除過(guò)程不需人員介入操控，故障處理過(guò)程由本地設(shè)備計(jì)算實(shí)現(xiàn)，不依賴于主站的運(yùn)算控制，即使某主站故障或與主站的網(wǎng)絡(luò)故障，邊緣設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的處理也能就地實(shí)現(xiàn)故障隔離，保證用戶的正常使用；低時(shí)延：邊緣計(jì)算平臺(tái)采用分布式計(jì)算在數(shù)據(jù)源頭處理計(jì)算任務(wù)，數(shù)據(jù)處理更即時(shí)，供電恢復(fù)時(shí)間可壓縮至毫秒級(jí)。

低能耗：依托靠近端側(cè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)空間和計(jì)算資源，在邊緣節(jié)點(diǎn)處對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，減少存儲(chǔ)和傳輸?shù)挠昧?，繼而降低數(shù)據(jù)處理成本、網(wǎng)絡(luò)帶寬要求以及云端規(guī)模，整體降低設(shè)備能耗；安全性：邊緣計(jì)算的離線自治功能在數(shù)據(jù)的私密性、隔離性以及共享程度和范圍上配置更加靈活多樣，能夠在與云端斷連后維持本地系統(tǒng)正常運(yùn)行，排除了大量傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患；交互性：邊緣設(shè)備更加貼近用戶，可高效就地接入風(fēng)力、太陽(yáng)能等清潔能源以及電采暖、充電樁等多元化負(fù)荷，并優(yōu)先進(jìn)行就地的資源有序調(diào)度，平衡能源負(fù)荷。

2 數(shù)據(jù)交互協(xié)同機(jī)制

邊緣計(jì)算與云計(jì)算各有所長(zhǎng)，云計(jì)算擅長(zhǎng)全局性、非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期的大數(shù)據(jù)處理與分析，能夠在長(zhǎng)周期維護(hù)、業(yè)務(wù)決策支撐等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)；邊緣計(jì)算更適用局部性、實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的處理與分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化決策與執(zhí)行。邊緣計(jì)算與云計(jì)算之間不是替代關(guān)系而是互補(bǔ)協(xié)同關(guān)系，邊-邊交互、邊-云協(xié)同的數(shù)據(jù)交互可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多向流動(dòng)和數(shù)據(jù)共享，滿足配電自動(dòng)化控制需求、運(yùn)維業(yè)務(wù)需求和用電服務(wù)需求等提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)數(shù)據(jù)交互過(guò)程應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備信息模型。

2.1 邊-邊交互機(jī)制

邊-邊交互即2個(gè)或多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互流程，主要是為解決IT成本和用戶體驗(yàn)兩個(gè)問(wèn)題，平衡應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量和隱私保護(hù)，形成邊緣局部閉環(huán)自治，邊邊數(shù)據(jù)交互由數(shù)據(jù)代理模塊實(shí)現(xiàn)。邊邊協(xié)同有三種模式:邊邊計(jì)算協(xié)同。云端的管理面將開發(fā)的應(yīng)用通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程部署到各邊緣節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)邊緣計(jì)算服務(wù)器在既定的框架下只執(zhí)行一部分算法，最終通過(guò)協(xié)同的方式完成應(yīng)用任務(wù)；邊邊分布式協(xié)同。邊緣計(jì)算平臺(tái)有完整的模型和算法，具備開放各種應(yīng)用部署和調(diào)度能力，可根據(jù)需求計(jì)算形成調(diào)度策略和相關(guān)參數(shù)并將信息回傳至云端，最終得到完整模型；邊邊聯(lián)邦學(xué)習(xí)協(xié)同。介于前述兩者之間，選取某個(gè)邊緣保存完整的模型和算法，其他邊緣節(jié)點(diǎn)只執(zhí)行其中的一部分算法，并向該節(jié)點(diǎn)上傳模型參數(shù)，通過(guò)邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)聯(lián)合訓(xùn)練得到一個(gè)模型。

2.2 邊-云協(xié)同機(jī)制

電力系統(tǒng)的任務(wù)往往具有復(fù)雜多樣性，需借助多源數(shù)據(jù)和多種算法才能完成。在云邊協(xié)同中，云端負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)分析、模型訓(xùn)練、算法更新等任務(wù)，邊緣端負(fù)責(zé)基于就地信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸。邊緣計(jì)算不是單一的部件、也不是單一的層次，而是涉及到EC-IaaS、EC-PaaS、EC-SaaS的端到端開放平臺(tái)。邊緣計(jì)算靠近執(zhí)行單元，可將決策結(jié)果以應(yīng)用交互的方式調(diào)作用于配網(wǎng)設(shè)備，同時(shí)它也是云端所需高價(jià)值數(shù)據(jù)的采集和初步處理單元，可以更好地支撐云端應(yīng)用；反之，云計(jì)算通過(guò)大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的數(shù)字化建模、認(rèn)知、決策，輸出的業(yè)務(wù)規(guī)則或模型可以下發(fā)到邊緣側(cè)，邊緣計(jì)算基于新的業(yè)務(wù)模型運(yùn)行。

邊云協(xié)同的能力與內(nèi)涵，涉及IaaS、PaaS、SaaS各層面的全面協(xié)同；邊緣計(jì)算EC-IaaS與云端IaaS協(xié)同，一是可通過(guò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的本地調(diào)度管理，減少云主站的設(shè)備調(diào)度的控制量，實(shí)現(xiàn)其資源協(xié)同，二是可由邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)結(jié)合云主站下發(fā)的訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)分布式智能控制的智能協(xié)同；邊緣計(jì)算EC-PaaS與云端PaaS協(xié)同，一是依托邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)的能服務(wù)，減少云主站的數(shù)據(jù)處理量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同，二是還能實(shí)現(xiàn)服務(wù)管理協(xié)同和業(yè)務(wù)管理協(xié)同；邊緣計(jì)算ECSaaS與云端SaaS協(xié)同，可按照云主站策略執(zhí)行部分EC-SaaS服務(wù)，并以主動(dòng)執(zhí)行應(yīng)用服務(wù)分布策略、被動(dòng)接受云主站下發(fā)應(yīng)用服務(wù)策略的方式實(shí)現(xiàn)云主站側(cè)SaaS服務(wù)的能力，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)協(xié)同。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

在供電可靠性要求不斷提高的背景下，尤其是針對(duì)毫秒級(jí)故障隔離及非故障段快速恢復(fù)的應(yīng)用場(chǎng)景，傳統(tǒng)的配電自動(dòng)化已較難滿足其及時(shí)性和準(zhǔn)確性的需求?；谶吘売?jì)算架構(gòu)，從硬件、軟件兩方面給出系統(tǒng)的分布式自動(dòng)化解決方案。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

以配電自動(dòng)化終端DTU為載體，將其設(shè)為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，為其配置解析模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、儲(chǔ)能模塊。其中DTU本身可精確采集饋線的電流、電壓等信息，并具備故障檢測(cè)，可產(chǎn)生故障告警信號(hào)；解析模塊用于解析配置信息，得到本地設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取方式以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式；數(shù)據(jù)獲取模塊用于根據(jù)物理結(jié)構(gòu)、協(xié)議類型等配置信息采集本地設(shè)備的的模擬量信息和數(shù)字量IO信息等原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?shù)據(jù)，后由網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送至各邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并提取部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送至主站服務(wù)器；裝置配備儲(chǔ)能模塊在失去電源的情況下可短時(shí)應(yīng)急供電，以確保裝置能傳送信息至各邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用嵌入式工控機(jī)，部署了局部配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型、故障處理應(yīng)用以及事件處理規(guī)則，并與感知設(shè)備、其他邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)以及主站形成互聯(lián)，通過(guò)獲取相鄰線路配電終端的數(shù)據(jù)信息和動(dòng)作情況，綜合判斷是否需要保護(hù)出口動(dòng)作。該設(shè)計(jì)方案遵循了配電自動(dòng)化的快速運(yùn)算、動(dòng)作可靠的建設(shè)原則，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的鏡像模型與主站平臺(tái)保持一致，兩者形成了互備機(jī)制。

3.2 軟件系統(tǒng)

中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障大致分為主變故障、母線故障、出線故障、線間故障、支線故障等類型，分布式配電自動(dòng)化在處理這類故障時(shí)本身動(dòng)作邏輯較為復(fù)雜，在不依賴主站分析的條件下，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用大循環(huán)嵌套中斷的運(yùn)行方式。設(shè)計(jì)中在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署中壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ图肮收隙ㄎ环治鰬?yīng)用，并與主站云建立同步機(jī)制。以環(huán)網(wǎng)設(shè)備為節(jié)點(diǎn)將線路分成若干分段，每個(gè)分段由一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集感知設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合組網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的信息，就地完成拓?fù)鋵?shí)時(shí)分析和故障監(jiān)測(cè)、定位分析，并通過(guò)波形數(shù)據(jù)驗(yàn)證故障研判的可行性后發(fā)出控制指令，由終端控制故障的隔離和非故障段恢復(fù)供電的開關(guān)動(dòng)作，并將故障處理結(jié)果上傳主站云。

在這一模式下可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的故障隔離和非故障段的供電恢復(fù)，并可有效減少配電主站云故障處理的資源占用，提高配電主站故障定位效率。能分布式饋線自動(dòng)化故障隔離時(shí)限如下：故障檢測(cè)在0～20ms區(qū)間,故障信息生成及報(bào)文組裝在20～40ms區(qū)間，信息交互在40～60ms區(qū)間，分布決策在60～100ms區(qū)間，故障上游跳閘在100～200ms區(qū)間，至此故障上游隔離完成、共用時(shí)200ms，整個(gè)故障處理時(shí)間（變電站出口斷路器保護(hù)延時(shí)時(shí)間）總計(jì)300ms。

綜上，在未來(lái)數(shù)字型智能電網(wǎng)的建設(shè)中，尤其是隨著5G與MEC的結(jié)合將產(chǎn)生更快更全面的數(shù)據(jù)分析、更深入的洞察力、更快的響應(yīng)速度和更好的用戶體驗(yàn)，可進(jìn)一步研究邊緣計(jì)算的模型與算法設(shè)計(jì)，開展更多的配電網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用。