基于邊緣計算的配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵問題分析與展望

李 鵬，習(xí) 偉，，李 鵬，于 浩，王成山

（1.南方電網(wǎng)新型電力系統(tǒng)（北京）研究院有限公司，北京市 102209；2.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

推動可再生能源的開發(fā)利用，建立安全、可靠、清潔、高效的新型電力能源生產(chǎn)消費體系，已成為中國電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的重點任務(wù)［1-2］。其中，配電網(wǎng)是分布式可再生能源消納的核心平臺，同時也是滿足電動汽車等新型負(fù)荷接入服務(wù)、用戶定制化與互動化用電用能等新需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，中國分布式光伏裝機容量已突破100 GW［3］，電能替代水平快速提升，源、荷形態(tài)正發(fā)生劇變，波動性、峰谷差將不斷增大，給新型配電網(wǎng)的建設(shè)與運行帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，亟須突破傳統(tǒng)配電網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，建立從元件、裝備到系統(tǒng)的全鏈條創(chuàng)新解決方案，為中國新型電力供應(yīng)與消費體系的構(gòu)建提供支撐。

針對配電網(wǎng)的發(fā)展路徑問題，國內(nèi)外都開展了廣泛的研究探索，長期以來形成了眾多發(fā)展理念與技術(shù)模式。例如，以信息和通信技術(shù)（information and communication technology，ICT）、高級量測體系（advanced metering infrastructure，AMI）等先進信息技術(shù)為基礎(chǔ)的智能配電網(wǎng)［4］，強調(diào)通過配電網(wǎng)的信息化支撐其智能化；有源配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)等技術(shù)理念強調(diào)綜合利用配電側(cè)可控裝備和手段，實現(xiàn)對高滲透率分布式能源的有效管理和消納利用［5］；微電網(wǎng)等技術(shù)強調(diào)局部源、荷、儲資源的有效組織，可實現(xiàn)分布式能源的就地消納［6］；虛擬電廠、虛擬儲能等技術(shù)強調(diào)大量分散資源的聚合響應(yīng)［7-8］，豐富了配電網(wǎng)的調(diào)度資源，增強了系統(tǒng)運行控制能力。這些發(fā)展理念在整體上相互關(guān)聯(lián)，在應(yīng)用場景和實施路徑上各有側(cè)重，共同推動了新型配電技術(shù)的發(fā)展。

隨著配電網(wǎng)中靈活可控資源的日趨豐富，柔性化成為新型配電網(wǎng)典型特征之一［9］。在電源側(cè)，高比例分布式能源通過電力電子裝置并網(wǎng)，在完成電能形式轉(zhuǎn)換的同時，還可以提供功率控制、無功補償、電壓調(diào)節(jié)、構(gòu)網(wǎng)支撐等功能；在用戶側(cè)，電動汽車、數(shù)據(jù)中心等新型負(fù)荷聚集形成柔性需求響應(yīng)能力，將成為配電網(wǎng)運行的重要靈活性資源；在電網(wǎng)側(cè)，電力電子變壓器、智能軟開關(guān)（soft open point，SOP）等新型裝備開始取代傳統(tǒng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、精細(xì)、連續(xù)的功率和電壓調(diào)節(jié)，促進配電網(wǎng)從開環(huán)放射網(wǎng)絡(luò)向柔性多環(huán)網(wǎng)絡(luò)的演化［10］。這些新要素雖增強了配電系統(tǒng)在物理層面的靈活性，但可控資源數(shù)量龐大、空間分散、特性差異顯著、利益主體歸屬多樣，系統(tǒng)層面多時間尺度、強不確定性、強時變性要素混雜，形成了傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的復(fù)雜大規(guī)模協(xié)調(diào)運行調(diào)控問題。

針對以上問題，運用先進數(shù)字化技術(shù)準(zhǔn)確、精細(xì)地感知電網(wǎng)狀態(tài)，快速生成有效的運行控制方案，成為支撐大量柔性資源協(xié)調(diào)運行的重要手段。同時，也為電網(wǎng)整體的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了契機［11］。近年來，小微傳感、移動通信、大數(shù)據(jù)、人工智能、高性能計算等數(shù)字化技術(shù)在各自領(lǐng)域不斷取得突破，在配電網(wǎng)數(shù)字化中的應(yīng)用也越發(fā)廣泛。以數(shù)字化技術(shù)為支撐將逐漸成為新型數(shù)字化電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征之一［12］。例如，海量數(shù)據(jù)的采集和處理是配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，有助于解決“可觀性”這一配電網(wǎng)長期面臨的難點和痛點問題。在數(shù)字配電網(wǎng)中，小微傳感裝置和先進量測技術(shù)體系的廣泛部署將使配電網(wǎng)數(shù)據(jù)資源在時間、空間、數(shù)據(jù)類型等多維度上顯著擴展。例如，微型同步相量測量裝置（μPMU）可提供每秒30 至60 個采樣點的高頻次電氣量測數(shù)據(jù)；用戶側(cè)AMI 智能計量裝備覆蓋率已接近100%；微氣象等環(huán)境信息采集能力正逐步增強；無人巡檢設(shè)備收集的視頻、圖像數(shù)據(jù)愈發(fā)豐富。在大規(guī)模分布式能源接入背景下，數(shù)據(jù)作為傳統(tǒng)機理模型的重要補充，能夠在配電系統(tǒng)的狀態(tài)感知、特性認(rèn)知和運行控制中發(fā)揮更關(guān)鍵的作用。但與此同時，海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和利用也將給配電網(wǎng)帶來巨大壓力。

邊緣計算作為解決大量終端接入、海量數(shù)據(jù)處理的一種有效解決方案，在提升響應(yīng)速度和時效性、優(yōu)化業(yè)務(wù)服務(wù)效率等方面具有優(yōu)勢，已經(jīng)逐步成為復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的共性支撐技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、智能家居、智能交通、智慧城市等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。在配電網(wǎng)中，邊緣計算裝置貼近數(shù)據(jù)源部署，提供配電網(wǎng)多類型傳感量測接入、就地數(shù)據(jù)處理和控制決策等關(guān)鍵功能［13］；同時，邊緣計算將具備軟件定義實現(xiàn)功能變換的能力［14］，可為區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)提供分布式部署平臺，構(gòu)成智能終端與云計算設(shè)施之間的連接紐帶。依托邊緣計算技術(shù)，能夠使配電網(wǎng)業(yè)務(wù)功能從主站側(cè)向邊緣側(cè)轉(zhuǎn)移，從中高壓側(cè)向中低壓側(cè)延伸，從而形成上下游一體化的業(yè)務(wù)體系，給傳統(tǒng)配電網(wǎng)的集中式運行架構(gòu)帶來顛覆性變化。當(dāng)前，一些傳統(tǒng)裝備已經(jīng)開始結(jié)合數(shù)字化新技術(shù)，初步具備了就地分析計算功能，帶有了邊緣計算特征，但其主要面向電網(wǎng)特定業(yè)務(wù)類型，各業(yè)務(wù)之間缺乏協(xié)調(diào)，難以從整體上支撐數(shù)字配電網(wǎng)的形態(tài)構(gòu)建。針對更加集成化、通用化和智能化的配電網(wǎng)邊緣計算技術(shù)的研究正廣泛開展，在裝置研發(fā)、軟件部署、資源調(diào)度、運行應(yīng)用等方面取得了進展；在國家重點研發(fā)計劃“數(shù)字電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”中，也圍繞多業(yè)務(wù)協(xié)同的邊緣計算控制技術(shù)與裝置進行了專門布局。

邊緣計算將成為配電網(wǎng)新型運行控制體系的重要基礎(chǔ)。本文圍繞基于邊緣計算的配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵問題，從電力邊緣計算裝置需求分析出發(fā)，梳理了邊緣計算支撐下的數(shù)字配電網(wǎng)基本架構(gòu)和特征，針對新架構(gòu)下的就地自治、邊-邊協(xié)調(diào)、云-邊協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進行了分析與探討。希望能夠厘清邊緣計算在數(shù)字配電網(wǎng)中的系統(tǒng)性應(yīng)用模式，為相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考，為中國數(shù)字配電網(wǎng)的科學(xué)發(fā)展與建設(shè)推進提供思路借鑒。

1 配電網(wǎng)邊緣計算裝置技術(shù)

從部署成本、空間占用、應(yīng)用便捷性和運維工作量等角度考慮，配電網(wǎng)邊緣計算裝置將是小型化、集成化、模塊化、智能化的綜合性裝置。單一裝置將能夠取代現(xiàn)有獨立功能性裝置，實現(xiàn)邊緣側(cè)監(jiān)測、保護、控制、計量等多業(yè)務(wù)的靈活部署和協(xié)同運行。此時，由于各類業(yè)務(wù)的算力需求存在差異，需要依賴于邊緣側(cè)高精度計算、實時控制響應(yīng)、高速率數(shù)據(jù)接入、人工智能推理等多樣化計算能力，要求邊緣計算裝置在有限資源下兼顧實時/非實時、多時間尺度、不同數(shù)值精度的各類計算任務(wù)協(xié)調(diào)。同時，電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用安全性需求突出，而邊緣計算裝置難以為多業(yè)務(wù)提供有效的物理隔離環(huán)境，必須為各類電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供可靠的邏輯隔離與分區(qū)管控能力。這些電網(wǎng)邊緣計算的特殊需求無法通過常規(guī)通用化裝置來滿足，必須研究專用化、定制化裝置技術(shù)。

1.1 研究基礎(chǔ)

目前，在配電網(wǎng)邊緣計算裝置方面，相關(guān)研究主要集中在高性能、高集成、高可靠、智能化的邊緣計算軟硬件系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。在操作系統(tǒng)方面，國內(nèi)外普遍采用基于開源Linux 的非實時操作系統(tǒng)或μCOS、Vxworks 等國外實時操作系統(tǒng)［15］，國產(chǎn)操作系統(tǒng)相對匱乏，難以滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境的自主可控需求。在硬件系統(tǒng)方面，通用電氣、西門子、伊頓電氣等國外企業(yè)研發(fā)了面向變電站的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備，集成了邊緣側(cè)監(jiān)測、量測、數(shù)據(jù)匯集、人機交互等功能，但在配電網(wǎng)的實時控制類業(yè)務(wù)方面尚不完備；國內(nèi)企業(yè)在智能融合終端和配電智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備領(lǐng)域也取得了顯著進展，實現(xiàn)了電網(wǎng)邊緣側(cè)信息采集、環(huán)境監(jiān)測、通信組網(wǎng)等功能，但在邊緣側(cè)高性能人工智能應(yīng)用、保護控制等實時類業(yè)務(wù)部署、復(fù)雜場景適用性和可靠性以及多業(yè)務(wù)協(xié)同運行潛力挖掘等方面還有進一步提升空間。

1.2 配電網(wǎng)邊緣計算裝置關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)展電力專用邊緣計算裝置技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字配電網(wǎng)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)之一，需要突破邊緣計算裝置架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)研發(fā)、資源調(diào)度、可靠運行、安全防護等核心技術(shù)難題，如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)邊緣計算裝置關(guān)鍵技術(shù)需求Fig.1 Key technical requirements for edge computing devices of distribution network

1）硬件架構(gòu)設(shè)計。硬件架構(gòu)是實現(xiàn)單一裝置下多業(yè)務(wù)集成、融合和協(xié)同運行的物理基礎(chǔ)。對此，需要研究基于電力專用芯片的邊緣計算硬件架構(gòu)設(shè)計方法，構(gòu)建支撐電網(wǎng)多業(yè)務(wù)融合應(yīng)用的邊緣計算控制裝置基礎(chǔ)硬件平臺；設(shè)計開發(fā)靈活可擴展的物理外設(shè)接口，支撐單裝置下多類型業(yè)務(wù)終端的靈活接入；設(shè)計模塊化的邊緣計算控制裝置硬件架構(gòu)方案，實現(xiàn)功能配置靈活、易于規(guī)?；渴?、多業(yè)務(wù)功能一體化協(xié)同的邊緣計算控制裝置。

2）操作系統(tǒng)技術(shù)。安全高效的操作系統(tǒng)是邊緣側(cè)業(yè)務(wù)可靠運行的環(huán)境保障。針對電力業(yè)務(wù)特征，開發(fā)適配多核CPU 架構(gòu)的內(nèi)嵌式多操作系統(tǒng)［16］以滿足電網(wǎng)實時/非實時業(yè)務(wù)的計算需求；基于電網(wǎng)邊緣業(yè)務(wù)典型邏輯特征，構(gòu)建硬件架構(gòu)與嵌入式操作系統(tǒng)相協(xié)調(diào)的實時中斷管理與優(yōu)化機制，實現(xiàn)高實時中斷響應(yīng)；突破面向電網(wǎng)邊緣計算的高可靠文件系統(tǒng)技術(shù)，降低邊緣環(huán)境不確定性帶來的數(shù)據(jù)損失與應(yīng)用崩潰風(fēng)險。

3）資源調(diào)度技術(shù)。邊緣計算裝置資源約束強，業(yè)務(wù)計算需求特征復(fù)雜，需要通過有效的資源調(diào)度技術(shù)來實現(xiàn)計算、存儲資源的最有效利用［17］。對此，需要研究實時/非實時計算任務(wù)映射、線程協(xié)調(diào)管理與計算資源調(diào)度方法，滿足電網(wǎng)邊緣高精度數(shù)值計算、高實時控制響應(yīng)、高速率數(shù)據(jù)流處理等業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；研究面向電網(wǎng)多業(yè)務(wù)類型的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)共享方法，支撐單一裝置上多源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的多速率靈活交互與跨業(yè)務(wù)融合共享。

4）可靠容器技術(shù)。容器技術(shù)將為邊緣裝置上不同類型業(yè)務(wù)提供部署靈活、運行安全的定制化運行環(huán)境［18］。對此，需要重點突破面向電力業(yè)務(wù)的輕量級容器技術(shù)，實現(xiàn)多類型業(yè)務(wù)應(yīng)用差異化運行環(huán)境的靈活配置與邊緣承載；研究面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)的容器級快速管理與服務(wù)方法，實現(xiàn)云-邊協(xié)同架構(gòu)下邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效部署、快速配置與靈活遷移；研究容器級高可靠運行技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)邊緣側(cè)復(fù)雜環(huán)境下的多業(yè)務(wù)可靠協(xié)同運行。

5）安全防護技術(shù)。邊緣計算裝置必須滿足電網(wǎng)的安全性要求，特別是考慮到多種業(yè)務(wù)功能的集成問題，必須建立有效的安全防護機制和方法，確保多業(yè)務(wù)在運行和交互中的安全性［19］。對此，需要研究面向電網(wǎng)邊緣計算的資源虛擬與分區(qū)隔離技術(shù)，構(gòu)建硬件層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層多級多任務(wù)安全隔離策略，滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)分區(qū)防護要求，實現(xiàn)邊緣計算環(huán)境下的多業(yè)務(wù)安全協(xié)同；研究基于行為策略及算法加密的邊緣計算安全架構(gòu)與數(shù)據(jù)交互方法，構(gòu)建邊緣計算控制裝置與終端及主站的安全交互方案，兼顧電網(wǎng)邊緣計算性能和業(yè)務(wù)執(zhí)行安全性的需求。

2 基于邊緣計算的數(shù)字配電網(wǎng)架構(gòu)

邊緣計算裝置的應(yīng)用將給配電網(wǎng)運行控制架構(gòu)帶來顛覆性變化，是配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動力之一。依托遍布全網(wǎng)的邊緣計算資源，數(shù)字配電網(wǎng)的整體運行特征也將發(fā)生巨大變化，本章將重點圍繞相關(guān)問題進行分析。

2.1 邊緣計算的技術(shù)定位

邊緣計算裝置將有效連接配電網(wǎng)主站與中低壓側(cè)分散資源，在數(shù)字配電網(wǎng)中發(fā)揮承上啟下的關(guān)鍵作用。從配電網(wǎng)運行角度出發(fā)，邊緣計算的功能定位和技術(shù)優(yōu)勢如圖2 所示。

圖2 配電網(wǎng)邊緣計算的功能定位與技術(shù)優(yōu)勢Fig.2 Functional localization and technical advantages for edge computing of distribution network

1）控制資源拓展。受技術(shù)性能制約，傳統(tǒng)配電網(wǎng)中大量中低壓網(wǎng)絡(luò)資源存在不可觀、不可控問題。而通過在配電房、配電臺區(qū)等中低壓層面廣泛部署邊緣計算裝置，能夠使配電網(wǎng)的感知控制能力進一步延伸到傳統(tǒng)配電網(wǎng)主站難以觸及的低壓側(cè)。供給側(cè)與電網(wǎng)側(cè)對分布式資源的建設(shè)與利用給予了高度關(guān)注，將分布式能源、以電動汽車為主體的新型負(fù)荷等都納入配電網(wǎng)運行控制，實現(xiàn)靈活性資源的有效拓展和低成本拓展，提升電力系統(tǒng)的靈活性［20］。

2）響應(yīng)速度提升。邊緣計算裝置在空間上與終端資源更加貼近，信息量測更精細(xì)，受通信環(huán)節(jié)制約更小，能夠更加快速、準(zhǔn)確地感知源荷波動并就地完成控制決策；在故障等場景下，能夠通過邊-邊協(xié)同的方式快速完成分布式故障恢復(fù)。整體運行控制時效性顯著提升，有助于實現(xiàn)對源荷波動、突發(fā)故障等擾動因素的快速響應(yīng)。

3）數(shù)據(jù)與信息集散。邊緣計算裝置可用于收集本地小微傳感量測裝置獲取到的數(shù)據(jù)，并就地服務(wù)于裝置上各類業(yè)務(wù)應(yīng)用。借助邊緣計算裝置的數(shù)據(jù)分析能力，還能夠從本地數(shù)據(jù)中發(fā)掘出最有價值的關(guān)鍵特征信息或重要事件信息，主動或被動地將信息上送。例如，利用臺區(qū)計量數(shù)據(jù)發(fā)掘用戶竊電信息，將檢測結(jié)果與云端共享［21］，從而在通信資源約束下盡可能幫助提升主站側(cè)業(yè)務(wù)的精細(xì)化水平。

4）多元業(yè)務(wù)協(xié)同。邊緣計算裝置將統(tǒng)籌局部配電網(wǎng)的運行功能，具有監(jiān)測、保護、控制等多種業(yè)務(wù)高度集成的特征，這為各類業(yè)務(wù)之間的協(xié)同工作提供了可能。例如，在監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常狀況時，能夠前瞻性地完成控制策略調(diào)整；在不斷感知系統(tǒng)安全運行態(tài)勢時，能夠協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)部與外部多種業(yè)務(wù)，對各類故障事件或擾動做出自適應(yīng)響應(yīng)，盡快生成并實施緊急控制策略恢復(fù)供電［22］。這種協(xié)同式的邊緣側(cè)業(yè)務(wù)執(zhí)行模式將顯著提升配電網(wǎng)的運行控制水平。

5）服務(wù)模式創(chuàng)新。邊緣計算裝置貼近用戶側(cè)，能夠更加具體地掌握用戶用電行為特征。同時，有助于拓展電網(wǎng)與個體用戶的交互途徑，為用電行為優(yōu)化、電動汽車有序充電等一些面向用戶的潛在服務(wù)應(yīng)用提供了可能，也為用戶點對點能量交易、虛擬電廠輔助服務(wù)、負(fù)荷需求響應(yīng)等未來服務(wù)場景提供了靈活的按需部署平臺。

2.2 數(shù)字配電網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

以邊緣計算為核心，“云-管-邊-端”的分層技術(shù)架構(gòu)已成為目前數(shù)字配電網(wǎng)發(fā)展中廣受認(rèn)可的技術(shù)模式［11］。其中，端側(cè)重點解決萬物感知的問題，將利用較大規(guī)模部署的傳感器件和裝置，廣泛采集配電系統(tǒng)相關(guān)的電氣和非電氣信息，解決電力系統(tǒng)的實時準(zhǔn)確感知問題；邊側(cè)面向低延遲業(yè)務(wù)場景，重點解決信息匯集、就地功能集成和輕量級決策等問題，將逐步采用高性能、高可靠性、低成本和低維護要求的邊緣計算裝置替代傳統(tǒng)的配電終端單元（distribution terminal unit，DTU）、集中器等功能型裝置，使配電網(wǎng)邊緣側(cè)的就地分析決策能力大大增強；在管側(cè)，5G 等各種新型通信技術(shù)為電力數(shù)據(jù)傳輸搭建起安全高效的數(shù)據(jù)管道；在云側(cè)，強大的處理能力、存儲空間、應(yīng)用程序?qū)⒅卧朴嬎?、大?shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化基礎(chǔ)技術(shù)在配電網(wǎng)主站層面的運用，衍生出智能分析和決策支持等數(shù)字配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)涵，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字配電網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Technical structure of digital distribution network

借助數(shù)字技術(shù)的全面應(yīng)用，能夠幫助配電網(wǎng)運行人員突破長期以來面臨的模型和參數(shù)不完備、運行調(diào)控依賴經(jīng)驗的困境，能夠不完全依靠電網(wǎng)模型，在海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)和先進計算技術(shù)，透過數(shù)據(jù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行規(guī)律，推動配電網(wǎng)的智能運行。同時，配用電各環(huán)節(jié)傳統(tǒng)的電能交互界面將被拓展為能源、信息與數(shù)據(jù)的全方位交互界面，利用數(shù)字空間中的算力、算法和數(shù)據(jù)資源，解決物理電網(wǎng)復(fù)雜的大規(guī)模協(xié)調(diào)控制問題，引導(dǎo)物理電網(wǎng)中能量、數(shù)據(jù)、服務(wù)的有序流動，實現(xiàn)從物理世界到數(shù)字空間，最終再回饋到物理世界的閉環(huán)，形成配用電層面的“軟件定義能源”。

2.3 邊緣計算賦能的運行新特征

以廣泛部署的邊緣計算裝置為基礎(chǔ)，配電網(wǎng)將從傳統(tǒng)的集中式運行模式向分布式轉(zhuǎn)型，為應(yīng)對高比例分布式能源接入、多元化分散靈活性資源利用等問題提供了有效手段。具體來說，數(shù)字配電網(wǎng)將呈現(xiàn)出幾個典型的新特征:

1）集群化［23］。集群化是指將配電網(wǎng)中大量分散的分布式能源和可控資源進行分區(qū)聚合，由邊緣計算裝置完成對本集群的統(tǒng)籌控制，主站則側(cè)重于對多集群的全局管理和協(xié)調(diào)調(diào)控。從整體配電系統(tǒng)來看，集群化運行是“分層+分區(qū)”運行思想的延續(xù)，避免了海量信息向配電網(wǎng)主站匯集帶來的信息傳輸壓力，集中求解全局優(yōu)化問題面臨的計算壓力，以及大規(guī)?；祀s調(diào)控問題的求解難度高和效率低下等問題。在集群內(nèi)部，風(fēng)機、光伏、儲能等差異化的分布式能源可以被就地統(tǒng)籌聚合，形成集群整體的靈活調(diào)控能力，可由等值模型來量化刻畫，以滿足多集群在系統(tǒng)層面更加精準(zhǔn)的協(xié)同調(diào)控需求。

2）分布式［24］。邊緣計算裝置將形成遍布全網(wǎng)的分散算力，并具備邊-邊之間的通信能力，這意味著不同邊緣計算裝置之間能夠構(gòu)成分布式計算架構(gòu)，這樣求解源荷快速波動性下的大規(guī)模系統(tǒng)控制問題往往更為高效。在基于邊緣計算的分布式架構(gòu)下，相鄰區(qū)域間既可以通過邊界信息交互完成分布式優(yōu)化決策，又可以通過區(qū)域邊界的協(xié)商調(diào)整實現(xiàn)靈活性資源的集群化自組織，從而使各區(qū)域具備主動協(xié)同并支撐配電網(wǎng)全局運行優(yōu)化的能力。

3）靈活定義。依托邊緣計算平臺，各種運行控制策略可以通過APP 化業(yè)務(wù)應(yīng)用的形式進行快速遠(yuǎn)程部署，各區(qū)域運行功能、控制參數(shù)等可由云端靈活調(diào)整，從而實現(xiàn)“軟件定義”的配電系統(tǒng)形態(tài)。一方面，這種軟件定義能力可以使配電網(wǎng)具備更強的可控能力，更有效地適應(yīng)源荷波動和場景變化，更好地滿足分布式能源的即插即用要求；另一方面，在完成基本控制功能的同時，還能夠更容易地對運行策略進行拓展，完成邊緣側(cè)虛擬電廠、點對點市場交易等更加復(fù)雜的功能定義和應(yīng)用。

在以上特征基礎(chǔ)上，數(shù)字配電網(wǎng)能夠形成如圖4 所示的集群化運行控制架構(gòu)，并演化出就地自治、邊-邊協(xié)調(diào)、云-邊協(xié)同等新的運行模式，資源組織和場景適用能力大大增強。同時，架構(gòu)也對配電網(wǎng)運行控制技術(shù)的創(chuàng)新提出了迫切需求。

圖4 數(shù)字配電網(wǎng)的集群化運行架構(gòu)Fig.4 Cluster operation architecture of digital distribution network

3 邊緣側(cè)集群自治運行技術(shù)

配電網(wǎng)邊緣計算的首要功能是統(tǒng)籌本地靈活性資源，完成集群內(nèi)的自治運行控制，實現(xiàn)源荷就地協(xié)調(diào)、分布式能源就地消納等運行目標(biāo)。當(dāng)配電網(wǎng)主站具有對邊緣側(cè)集群的調(diào)控需求時，其所下發(fā)的調(diào)控指令需要由邊緣計算裝置分解下發(fā)到集群中各種可控資源，支撐整體系統(tǒng)優(yōu)化運行。本章將重點圍繞邊緣側(cè)集群就地自治運行的關(guān)鍵技術(shù)問題和未來研究方向進行分析。

3.1 邊緣側(cè)自治技術(shù)研究進展

目前，配電網(wǎng)的區(qū)域或集群自治控制方法主要可分為機理模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)模型驅(qū)動兩種方式。

基于機理模型優(yōu)化的自治控制依賴于對配電網(wǎng)及相關(guān)設(shè)備的精確或等值建模，在此基礎(chǔ)上結(jié)合就地量測等信息制定優(yōu)化策略。例如，文獻［25］基于電壓-功率靈敏度刻畫節(jié)點電壓與注入功率的關(guān)系，據(jù)此制定群內(nèi)可調(diào)節(jié)資源出力策略；文獻［26］在系統(tǒng)不完全量測下，根據(jù)實時電壓靈敏度估計選擇無功補償節(jié)點，實現(xiàn)電壓控制。此外，還可以在日前階段采用機理模型整定集群內(nèi)可調(diào)設(shè)備的控制曲線參數(shù)并下發(fā)，日內(nèi)僅根據(jù)并網(wǎng)點量測信息，基于控制曲線動態(tài)調(diào)整設(shè)備出力，從而實現(xiàn)就地化快速調(diào)控。例如:文獻［27］提出分布式能源無功功率-電壓（QV）與有功削減-電壓（Pcurt-V）典型就地控制曲線參數(shù)優(yōu)化整定方法，日內(nèi)根據(jù)整定曲線實時響應(yīng)并網(wǎng)點電壓波動，達(dá)到了近似全局最優(yōu)的控制效果；文獻［28］進一步采用模型預(yù)測控制滾動優(yōu)化分布式能源集群就地控制曲線，提高對分布式能源強不確定性的適應(yīng)性。

數(shù)據(jù)驅(qū)動方法不依賴被控系統(tǒng)的詳細(xì)機理參數(shù)，可以作為機理模型的重要補充，以增強對復(fù)雜多變系統(tǒng)和運行場景的適應(yīng)性。其中，一方面強調(diào)對歷史數(shù)據(jù)的挖掘利用，以掌握系統(tǒng)運行機理。例如，文獻［29］對歷史數(shù)據(jù)進行大量重復(fù)訓(xùn)練，獲得了光伏逆變器的就地電壓控制策略，提升了配電系統(tǒng)優(yōu)化運行水平；文獻［30］基于深度學(xué)習(xí)理論提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的多級自適應(yīng)魯棒優(yōu)化框架，以解決分布式能源高滲透率接入配電網(wǎng)帶來的不確定性問題；文獻［31］基于對抗生成網(wǎng)絡(luò)，對部分節(jié)點量測數(shù)據(jù)進行補全，從而得到完整量測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了非實時觀測下的電壓優(yōu)化策略。另一方面，強調(diào)對實時量測數(shù)據(jù)的利用，以快速響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)變化。例如，文獻［32］提出一種基于多智能體深度強化學(xué)習(xí)的分布式能源就地控制方法，通過將多智能體與邊緣計算分布式架構(gòu)耦合以及訓(xùn)練過程轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)邊緣側(cè)快速自適應(yīng)控制；文獻［33］基于量測數(shù)據(jù)的實時交互，實現(xiàn)了智能軟開關(guān)自適應(yīng)優(yōu)化控制；文獻［34］考慮量測數(shù)據(jù)質(zhì)量，采用壞數(shù)據(jù)辨識和量測擾動抑制方法對量測數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了智能儲能軟開關(guān)自適應(yīng)優(yōu)化控制。

3.2 邊緣側(cè)自治關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)

首先，配電網(wǎng)邊緣側(cè)的構(gòu)成要素多樣、模型參數(shù)復(fù)雜、完全量測獲取困難，實時協(xié)調(diào)控制與集群管理面臨挑戰(zhàn)［35］。各種分布式能源、新型用戶可控負(fù)荷等帶來連續(xù)/離散、確定性/不確定性、線性/非線性混雜特征，導(dǎo)致控制問題的準(zhǔn)確模型數(shù)學(xué)本質(zhì)復(fù)雜，集群內(nèi)分散異質(zhì)資源的協(xié)調(diào)控制策略求解難度大。同時，邊緣側(cè)源荷要素與外部環(huán)境的耦合關(guān)聯(lián)緊密，受氣象、社會、用戶行為等多方面因素影響［36］，準(zhǔn)確的機理模型難以獲??；大量可控資源從配電網(wǎng)低壓側(cè)接入，面臨量測不足、接入隨機、參數(shù)不準(zhǔn)確、拓?fù)洳幻鞔_等問題，進一步增加了協(xié)調(diào)控制的難度。這些問題要求邊緣側(cè)控制方法能夠盡可能擺脫對精確參數(shù)和完全量測等條件的依賴，解決區(qū)域內(nèi)控制任務(wù)分解和多類型可控資源互補利用等問題。同時，對不同類型的柔性要素進行聚合后［36］，如何有效降低邊緣側(cè)模型維度、準(zhǔn)確描述聚合特征，也是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

其次，在邊緣側(cè)通信與算力資源約束下［37］，完成集群內(nèi)就地化的高水平智能控制面臨挑戰(zhàn)。集群內(nèi)優(yōu)化控制需全部依賴邊緣算力完成。但邊緣側(cè)靈活性資源接入量大、空間分散、不確定性強，而邊緣側(cè)可用計算資源相對有限。一些大規(guī)模優(yōu)化問題求解和人工智能控制決策方法由于計算量較大而無法實施，必須通過輕量級的控制策略設(shè)計和計算資源配置方法來滿足邊緣側(cè)算力約束［38］。在與主站的交互過程中，邊緣側(cè)往往面臨弱通信條件，即存在配電系統(tǒng)調(diào)控指令下發(fā)延遲/失效、通信中斷等問題。此時，邊緣側(cè)無法獲知整體系統(tǒng)的運行需求，必須充分利用就地歷史運行數(shù)據(jù)和規(guī)律完成智能化的就地控制，這又使控制策略的復(fù)雜性提升。如何解決算力資源有限性與控制策略復(fù)雜性之間的矛盾，成為邊緣集群自治中迫切需要解決的問題。

3.3 邊緣自治技術(shù)研究展望

針對集群就地自治運行面臨的上述挑戰(zhàn)性問題，需要重點在如圖5 所示的技術(shù)方向上取得突破。

圖5 集群就地自治運行關(guān)鍵技術(shù)問題Fig.5 Key technical issues of local autonomous operation for cluster

1）基于軟件定義的邊緣側(cè)集群管理技術(shù)［39］。研究邊緣側(cè)設(shè)備自組網(wǎng)技術(shù)［40］，建立邊緣側(cè)彈性集群網(wǎng)絡(luò)，通過組網(wǎng)協(xié)議賦予設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)、自動連接、自主協(xié)調(diào)的能力；研究軟件定義的邊緣側(cè)集群管理模型，突破傳統(tǒng)物理約束限制，基于通用高級應(yīng)用接口從頂層實現(xiàn)對集群的有效管理；研究邊緣側(cè)集群通用軟件部署技術(shù)，基于高級應(yīng)用接口，開放集群屬性與控制能力，通過通用軟件實現(xiàn)多場景、多類型靈活控制。

2）弱通信條件下基于輕量級邊緣智能的集群就地控制技術(shù)。研究弱通信條件下集群邊緣智能控制框架，利用邊緣側(cè)歷史運行數(shù)據(jù)提取配電系統(tǒng)的運行規(guī)律和特征，提高弱通信環(huán)境下邊緣集群對整體配電系統(tǒng)狀態(tài)的感知能力；研究基于代理智能體的集群就地控制決策技術(shù)，通過智能體控制決策與配電網(wǎng)運行狀態(tài)模擬的迭代交互實現(xiàn)策略優(yōu)化，從而能夠完成基于就地信息的自主決策；研究面向邊緣計算的輕量化人工智能推理決策技術(shù)，支撐實現(xiàn)在邊緣計算資源限制環(huán)境下的集群快速控制決策。

3）不完全量測下多源數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的集群自適應(yīng)控制技術(shù)。研究配電網(wǎng)關(guān)鍵量測配置方法，降低對精確、完備量測信息的依賴，支撐基于就地信息的集群自適應(yīng)控制實現(xiàn)；研究不完全量測下的集群自適應(yīng)運行控制方法，以實時量測信息作為控制策略的實施反饋，自主完成控制效果評價與優(yōu)化，滿足源荷強波動場景下的集群自適應(yīng)控制需求；研究復(fù)雜集群的多源數(shù)據(jù)融合驅(qū)動運行控制方法，通過自適應(yīng)預(yù)測控制建立時序數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實現(xiàn)不完全量測下復(fù)雜集群的高水平運行控制。

4 邊-邊協(xié)調(diào)運行技術(shù)

以邊緣側(cè)集群自治控制能力為基礎(chǔ)，多個邊緣計算裝置之間可以相互交互邊界信息，實現(xiàn)大規(guī)模運行優(yōu)化問題分布式求解，避免海量數(shù)據(jù)匯集造成的通信壓力，提高源荷波動下的決策效率。本章將重點圍繞邊-邊多集群分布式協(xié)調(diào)運行中的關(guān)鍵技術(shù)問題和未來研究方向進行分析。

4.1 邊-邊協(xié)調(diào)運行技術(shù)研究進展

隨著新的高性能設(shè)備引入與通信網(wǎng)絡(luò)不斷完善，邊緣側(cè)多集群協(xié)作運行模式成為提升配電系統(tǒng)靈活運行的重要手段，相關(guān)研究工作的進展主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）在多集群的邊-邊自組織與自協(xié)調(diào)方面，目前主要有基于圖論和啟發(fā)式算法的多集群自組織建模兩類。例如，文獻［41］基于圖理論提出一種了面向大規(guī)模多區(qū)域電力系統(tǒng)容量效益裕度評估方法，有效提升弱連接集群的計算準(zhǔn)確性；文獻［42］設(shè)計了一種基于圖論的交直流配電系統(tǒng)分布式光伏臺區(qū)控制策略，實現(xiàn)了光伏功率的跨區(qū)域互濟消納；文獻［43］利用遺傳算法對分布式能源控制集群進行劃分，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對配電網(wǎng)靈活性資源的日內(nèi)分布式優(yōu)化調(diào)度；文獻［44］結(jié)合粒子群優(yōu)化算法對微電網(wǎng)進行自組織優(yōu)化，采用分布式架構(gòu)實現(xiàn)各集群間的能量協(xié)同；文獻［45］基于集群聯(lián)邦學(xué)習(xí)分割訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提升了分布式集群的靈活性與數(shù)據(jù)隱私性等。

2）在多集群邊-邊分布式優(yōu)化控制方面，現(xiàn)有分布式控制算法主要分為拉格朗日乘子類協(xié)調(diào)優(yōu)化算法以及最優(yōu)條件分解類優(yōu)化算法。文獻［46］提出了完全分布式原始-對偶次梯度算法，實現(xiàn)分布式經(jīng)濟調(diào)度問題的求解；文獻［47］提出了基于交替方向乘子法的分布式有功和無功功率控制策略，通過分解大規(guī)模強耦合優(yōu)化問題，在不損失全局最優(yōu)性的前提下實現(xiàn)并行求解；文獻［21］提出了基于近似牛頓法的無功優(yōu)化解耦算法，以非線性原對偶內(nèi)點法為基礎(chǔ)，在迭代計算過程中構(gòu)造近似牛頓方向，以解決多區(qū)域電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題。另外，針對各集群求解規(guī)模不一致的問題，已有研究考慮邊緣計算資源［48］和延時的限制［49］，初步探索了邊緣計算集群上的負(fù)載均衡方法。

4.2 邊-邊協(xié)調(diào)運行技術(shù)關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)

邊緣側(cè)集群的協(xié)同運行調(diào)控依賴于各集群自組織靈活劃分與自適應(yīng)多方協(xié)調(diào)。然而，多集群的異構(gòu)性導(dǎo)致分布式控制與協(xié)調(diào)更加復(fù)雜。亟須可靠的集群協(xié)作與邊-邊分布式控制新方法。

首先，多集群間在電氣層面相互連接，雖然各自內(nèi)部控制策略相對獨立，但其對整體配電系統(tǒng)運行的影響緊密耦合，必須對差異化的集群進行充分協(xié)調(diào)，以支撐系統(tǒng)全局的優(yōu)化目標(biāo)。但各集群構(gòu)成要素、運行特性各不相同，時變性強，需要首先解決強不確定性場景下多集群的自組織與能量自趨優(yōu)問題。集群內(nèi)的運行控制需要充分考慮各種分布式能源的響應(yīng)能力、各種控制手段的差異化控制特性、信息網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面和連通性等因素，這給靈活、開放、兼容、多場景適用的邊-邊協(xié)同控制方法提出了需求和挑戰(zhàn)。進一步，需要通過相鄰集群之間信息交互靈活調(diào)整集群邊界，并實現(xiàn)可控資源根據(jù)不同集群的運行需求進行靈活轉(zhuǎn)移與集群的自組織。然而，缺乏有效的量化指標(biāo)，無法準(zhǔn)確刻畫各集群對配電網(wǎng)整體運行的影響以及集群整體層面聚合而成的調(diào)控響應(yīng)能力。

其次，需要解決基于有限、有序信息交互的多集群主體分布式業(yè)務(wù)協(xié)作問題。由于信息通信網(wǎng)絡(luò)的限制，多集群間的通信連通性、信息交互頻次和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)模都將受到約束，這些因素導(dǎo)致了多集群之間的通信壁壘，限制了分布式優(yōu)化策略的實施和集群互補潛力的釋放。而在面向配電網(wǎng)多集群主體的分布式業(yè)務(wù)協(xié)作問題上，則需要在特定的通信條件約束下，考慮感知、控制、能量管理等不同的集群業(yè)務(wù)需求，把信息與數(shù)據(jù)作為集群之間可交換、可共享、具有價值屬性的新型資源，把信息網(wǎng)絡(luò)的時延、速率、帶寬等作為分布式控制實現(xiàn)的附加影響因素，最終建立集群間的有限、有序信息交互模式，有效提高多集群間分布式優(yōu)化控制水平。

4.3 邊-邊協(xié)調(diào)運行技術(shù)研究展望

針對邊-邊多集群分布式協(xié)調(diào)運行中的挑戰(zhàn)性問題，需要重點在圖6 所示的技術(shù)方向上取得突破。

圖6 多集群邊-邊協(xié)調(diào)運行關(guān)鍵技術(shù)問題Fig.6 Key technical issues of edge-edge coordinated operation for multiple clusters

1）復(fù)雜不確定場景下的多集群主體自組織與協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù):研究基于分布式架構(gòu)的多集群自組織優(yōu)化調(diào)控方法，考慮不同集群的運行特征和運行場景的變化；基于多集群的點對點協(xié)商完成集群間可控資源的協(xié)調(diào)分配，通過集群間特定信息交互、多集群控制策略迭代優(yōu)化，實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)多集群控制策略的有效協(xié)調(diào)，共同協(xié)作達(dá)成系統(tǒng)全局運行目標(biāo)；研究復(fù)雜不確定性場景下多集群分布魯棒協(xié)調(diào)控制方法，通過各集群控制策略的調(diào)整來改變集群對外呈現(xiàn)的控制特性，在降低集群不確定性水平的同時釋放多集群之間的協(xié)調(diào)互補潛力。

2）有限通信條件下異構(gòu)多集群分布式交互與智能控制技術(shù):研究異構(gòu)集群運行特征互補分析與等值建模方法，利用集群間邊界信息及相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，利用機理建模和數(shù)據(jù)擬合手段刻畫相鄰集群運行特性，為有限通信條件下的集群間協(xié)調(diào)控制提供模型支撐；研究基于深度學(xué)習(xí)智能體的多集群間優(yōu)化控制方法，克服集群間通信與數(shù)據(jù)壁壘帶來的模型和參數(shù)不準(zhǔn)確問題，各智能體通過自身策略構(gòu)建以及與其他智能體的協(xié)調(diào)策略推理，實現(xiàn)集群的快速功率調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)控制。

3）模型與數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的多集群協(xié)作自適應(yīng)控制技術(shù):研究多源數(shù)據(jù)驅(qū)動的集群間多時間尺度協(xié)調(diào)控制方法，通過多源數(shù)據(jù)的融合充分釋放數(shù)據(jù)價值，克服機理模型差異化和運行狀態(tài)頻繁波動帶來的挑戰(zhàn)，通過集群間離散、連續(xù)調(diào)控特性在多時間尺度上協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)集群出力控制的協(xié)同優(yōu)化；研究數(shù)據(jù)-物理模型融合驅(qū)動的多集群協(xié)作自適應(yīng)控制方法，通過量測數(shù)據(jù)反饋克服配電網(wǎng)準(zhǔn)確參數(shù)難以獲取的問題，提高對多集群運行狀態(tài)和特征的感知與認(rèn)知能力，實現(xiàn)場景變化下多集群自適應(yīng)運行調(diào)控。

5 云-邊協(xié)同運行技術(shù)

云-邊協(xié)同運行技術(shù)旨在考慮不同集群的控制特性、配電網(wǎng)不同區(qū)域的資源分布等特征，從全局角度對各集群運行控制策略進行統(tǒng)一的優(yōu)化協(xié)調(diào)，從而達(dá)成全局運行目標(biāo)。本章將重點圍繞云-邊協(xié)同運行中的關(guān)鍵技術(shù)問題和未來研究方向進行分析。

5.1 云-邊協(xié)同運行技術(shù)研究進展

配電網(wǎng)邊緣側(cè)分散資源混雜、運行態(tài)勢多變，邊緣側(cè)自治策略沖突問題顯著，需要對各邊緣側(cè)運行控制策略進行有效協(xié)調(diào)。云-邊協(xié)同架構(gòu)充分利用了數(shù)字配電網(wǎng)的集群化、分布式運行特征，可有效支撐復(fù)雜通信條件、有限計算能力下多邊緣集群協(xié)同運行。例如，文獻［50］提出一種計及不確定性影響的配電網(wǎng)云-邊協(xié)同調(diào)度方法，有效緩解光伏不確定性出力對配電網(wǎng)造成的影響，提高配電網(wǎng)運行安全性與經(jīng)濟性；文獻［51］提出一種基于云-邊協(xié)同框架的配電網(wǎng)分布式能源控制方法，以云-邊模型參數(shù)傳遞取代隱私數(shù)據(jù)傳遞，在考慮數(shù)據(jù)隱私保護的前提下實現(xiàn)了多邊緣側(cè)集群控制策略協(xié)調(diào)；文獻［52］提出一種基于云-邊協(xié)同架構(gòu)的配電網(wǎng)分布式能源頻率調(diào)節(jié)模型，有效減少系統(tǒng)的計算負(fù)載和有線通信需求，提升配電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)能力。

信息和物理的耦合特征是數(shù)字配電網(wǎng)調(diào)控中的另一熱點問題。例如，文獻［53］提出了一種信息物理耦合電網(wǎng)的分布式能源優(yōu)化配置方法，有效降低了分布式能源不確定性影響，提升電網(wǎng)供需匹配能力；文獻［54］提出了面向信息物理耦合配電網(wǎng)的信息鏈路多層模型，實現(xiàn)對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障影響的量化分析，有效解決配電網(wǎng)故障分析問題；文獻［55］面向信息物理耦合配電系統(tǒng)，提出一種考慮電力/通信節(jié)點和線路雙重結(jié)構(gòu)耦合的電網(wǎng)脆弱性分析方法，有效提升了電力系統(tǒng)供電韌性。

5.2 云-邊協(xié)同運行技術(shù)關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)

首先，針對網(wǎng)絡(luò)化的邊緣計算裝置，需要在云端解決各裝置的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)部署和業(yè)務(wù)功能定義問題。邊緣計算的價值不僅在于提高邊緣側(cè)的控制能力，還在于為配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)部署提供了通用化的平臺環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)化邊緣計算裝置能夠靈活部署數(shù)據(jù)采集、運行感知、優(yōu)化控制等多類型業(yè)務(wù)應(yīng)用；不同邊緣裝置在信息上相互聯(lián)通，在業(yè)務(wù)功能上能夠相互協(xié)同［56］；邊緣和云端的算力資源可通過計算任務(wù)卸載等方式相互支撐［57］。此時，需要在邊緣側(cè)有限計算資源約束下，面向不同場景需求完成業(yè)務(wù)功能在不同邊緣裝置上的協(xié)同部署，并在運行中充分協(xié)調(diào)計算任務(wù)在云-邊及邊-邊之間的動態(tài)分配，實現(xiàn)最佳的業(yè)務(wù)功能和計算資源的最充分利用，滿足海量復(fù)雜要素、強不確定性環(huán)境下的高水平集群控制應(yīng)用需求。

其次，需要解決考慮邊緣側(cè)多主體數(shù)據(jù)隱私保護的云-邊協(xié)同優(yōu)化調(diào)控問題。邊緣側(cè)對集群的控制實現(xiàn)了海量可控資源的聚合利用，但考慮到集群內(nèi)可控資源以及集群整體利益歸屬可能各有不同，在運行中存在隱私保護需求。此時，集群底層可控資源的信息往往無法全部在系統(tǒng)層面獲知，集群之間的運行控制信息也不會向其他集群完全公開，整體配電系統(tǒng)的模型和參數(shù)也無法直接下放到集群本地，形成云-邊-物多層級信息壁壘。而在集群控制架構(gòu)下，無論是集群間的分布式協(xié)同控制，還是系統(tǒng)層面的云-邊協(xié)同控制，都依賴更加開放共享的數(shù)據(jù)環(huán)境來提升運行控制水平。此時，既要保證多集群間的有效信息傳遞，又要避免隱私數(shù)據(jù)的公開或泄露，形成了復(fù)雜的多方隱私保護問題。

5.3 云-邊協(xié)同運行技術(shù)研究展望

針對云-邊協(xié)同運行中的挑戰(zhàn)性問題，需要重點在圖7 所示的技術(shù)方向上取得突破。

圖7 配電網(wǎng)云-邊協(xié)同運行關(guān)鍵技術(shù)問題Fig.7 Key technical issues for cloud-edge coordinated operation of distribution network

1）考慮時空轉(zhuǎn)移特性和邊緣計算資源有限性的集群控制任務(wù)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。研究集群邊緣計算資源虛擬化方法，根據(jù)集群控制的不同計算任務(wù)的需求特征，從運算、存儲等不同環(huán)節(jié)對集群計算資源進行屬性抽象和量化表達(dá)，為計算任務(wù)的協(xié)調(diào)分配提供模型基礎(chǔ)；研究邊緣計算有限資源約束下的集群控制計算任務(wù)優(yōu)化調(diào)度方法，以任務(wù)時序邏輯為基礎(chǔ)［58］，通過可延遲、可中斷計算任務(wù)的優(yōu)化組合，實現(xiàn)有限計算資源下的高效業(yè)務(wù)處理；研究考慮時間-空間轉(zhuǎn)移特性的集群控制任務(wù)調(diào)度方法，在單一集群計算資源無法滿足需求的情況下，通過邊-邊、云-邊計算任務(wù)卸載，實現(xiàn)集群控制業(yè)務(wù)的時空轉(zhuǎn)移和高效處理。

2）復(fù)雜多變場景下集群控制業(yè)務(wù)應(yīng)用的動態(tài)優(yōu)化部署技術(shù)。研究多類型業(yè)務(wù)功能優(yōu)化部署架構(gòu)，通過業(yè)務(wù)應(yīng)用在不同集群的靈活配置，支撐系統(tǒng)層面運行感知和協(xié)同控制等全局功能的高品質(zhì)實現(xiàn)；研究考慮數(shù)據(jù)保護與安全的集群控制業(yè)務(wù)快速更新方法，通過云端完成的控制功能、策略與參數(shù)的靈活調(diào)整，支撐云-邊協(xié)同優(yōu)化調(diào)控的實現(xiàn)；研究差異化邊緣計算業(yè)務(wù)的協(xié)同交互方法，動態(tài)協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)功能在不同集群之間的部署分配，實現(xiàn)集群計算與通信資源的最大化利用。

3）考慮數(shù)據(jù)隱私保護的大規(guī)模配電系統(tǒng)多層級協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)。研究考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)隱私保護的配電網(wǎng)物理特性模擬方法，利用歷史運行數(shù)據(jù)和人工智能方法相結(jié)合，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬完整配電系統(tǒng)的運行特征；基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)、多方安全計算等技術(shù)，研究覆蓋云端、邊緣、終端等多維度的協(xié)同調(diào)控方法，以多層級、多主體之間的黑箱模型傳遞代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運行狀態(tài)與參數(shù)傳遞，實現(xiàn)協(xié)同控制中的多方隱私保護；研究考慮用戶行為隱私保護的配電系統(tǒng)多手段協(xié)同控制方法，采用代理子模型模擬用戶行為特征，并通過與電網(wǎng)模型的交替迭代模擬出多元要素的耦合交互影響，支撐完整云-邊協(xié)同控制策略的實現(xiàn)。

6 結(jié)語

邊緣計算技術(shù)是當(dāng)前先進信息技術(shù)的典型代表，也是配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中重要的支撐性技術(shù)，在海量數(shù)據(jù)的發(fā)掘利用、分散資源的統(tǒng)籌調(diào)控、源荷波動下的快速響應(yīng)等方面具有重要意義。未來，邊緣計算裝置將是配電網(wǎng)中多類型業(yè)務(wù)的通用性部署平臺，需要具備監(jiān)測、保護、控制、計量等多類型業(yè)務(wù)的融合部署與協(xié)同運行能力，能夠顯著降低部署成本和運維工作量。以廣泛部署的邊緣計算裝置為依托，數(shù)字配電網(wǎng)將具有集群化、分布式和靈活定義等新的運行特征，形成邊緣自治、邊-邊協(xié)調(diào)、云-邊協(xié)同等多種典型的運行控制模式，這些方向還存在著眾多技術(shù)問題有待突破，相關(guān)研究亟待開展。在未來，隨著邊緣計算技術(shù)與裝備的進一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將形成邊緣“測-算-控”一體化平臺裝置，能夠為數(shù)字配電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)利用、全景運行分析、智能控制決策等功能實現(xiàn)提供更加完備的部署平臺，提升數(shù)字配電網(wǎng)效率、可靠性和可持續(xù)性，支撐構(gòu)建電網(wǎng)應(yīng)用生態(tài)圈，對配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)成果的推廣和技術(shù)價值的釋放具有重要意義。