李芙蓉，易映萍，石 偉

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，能源問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電力體制改革的部署，使得大量配電設(shè)備和傳感器進(jìn)入配電網(wǎng)，并且產(chǎn)生海量異構(gòu)數(shù)據(jù)。高壓輸電系統(tǒng)已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Su?pervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和同步相量測(cè)量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU），并且通過(guò)光纖通信和各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本形成信息流、物理流互聯(lián)互通的泛在電力物聯(lián)［1］。

然而，傳統(tǒng)配電網(wǎng)通過(guò)各種終端采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，再將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)，信息流單一、能源消納能力弱［2］、網(wǎng)絡(luò)連接多樣、用戶設(shè)備數(shù)量龐大且電壓等級(jí)各異，沒(méi)有大范圍鋪設(shè)光纖，信息之間的交互不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣泛的設(shè)備低延時(shí)通信和用戶互動(dòng)。

隨著分布式電源、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等新型電力設(shè)備的不斷接入，整個(gè)配電網(wǎng)對(duì)象龐大、任務(wù)復(fù)雜，離散狀態(tài)和連續(xù)過(guò)程混合，能量和信息流混合。依托先進(jìn)的電力電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)［3］，未來(lái)配電網(wǎng)將逐步發(fā)展具有主動(dòng)調(diào)節(jié)能力的配電網(wǎng)。隨著需求響應(yīng)業(yè)務(wù)、電能質(zhì)量管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，主動(dòng)配電網(wǎng)面對(duì)數(shù)據(jù)異構(gòu)嚴(yán)重、數(shù)量龐大導(dǎo)致的配電數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算困難等問(wèn)題亟待解決。當(dāng)前，配電大數(shù)據(jù)的異構(gòu)化主要表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)類別、電壓等級(jí)不同，采樣點(diǎn)和采樣尺度差別巨大；數(shù)據(jù)缺失；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)不兼容。異構(gòu)配電大數(shù)據(jù)的集中采集計(jì)算給通信和存儲(chǔ)帶來(lái)?yè)矶拢贫颂幚硌舆t，不利于可再生能源發(fā)展，影響能源結(jié)構(gòu)改善進(jìn)度。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出通過(guò)邊緣計(jì)算（Edge Comput?ing）技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)提高數(shù)據(jù)處理速度，減小云端主站的通信、計(jì)算和存儲(chǔ)壓力。邊緣計(jì)算的定義最早由美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍松教授團(tuán)隊(duì)提出：邊緣計(jì)算指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作對(duì)象包括來(lái)自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來(lái)自于萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計(jì)算的邊緣指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心任意路徑之間的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源［4］。早在2003 年，CDN 服務(wù)商與IBM 合作推出邊緣計(jì)算；2015 年思科、微軟等科技巨頭與普林斯頓大學(xué)共同創(chuàng)辦OpenFog 霧計(jì)算項(xiàng)目［5］；次年華為舉辦邊緣計(jì)算頂級(jí)年會(huì)，由工業(yè)、信息通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域共同成立邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；經(jīng)過(guò)幾年的相關(guān)研究，如今邊緣計(jì)算已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的快速期。邊緣計(jì)算著重解決傳統(tǒng)云計(jì)算模式下高延遲、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定和低帶寬的問(wèn)題，目標(biāo)是在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬。邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算架構(gòu)，將應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)資料和服務(wù)運(yùn)算，由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)移向網(wǎng)絡(luò)邏輯的邊緣節(jié)點(diǎn)處理。邊緣計(jì)算更靠近數(shù)據(jù)源頭，可以加快數(shù)據(jù)處理、減小延遲、降低能耗、保護(hù)用戶隱私。

國(guó)內(nèi)外對(duì)邊緣計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［6］提出基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的邊緣計(jì)算框架，提出了自動(dòng)需求響應(yīng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分層物理模型，模型詳細(xì)定義了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的功能、信息和通信的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］詳細(xì)介紹了邊緣計(jì)算霧計(jì)算項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、功能，并對(duì)霧節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面定義，通過(guò)詳細(xì)場(chǎng)景提出了霧計(jì)算的架構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步深度研究了霧計(jì)算的適用性和具體應(yīng)用場(chǎng)景；文獻(xiàn)［9］融合了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和分布式智能電網(wǎng)，提出了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的移動(dòng)邊緣計(jì)算，建立了多維異構(gòu)信息物理高度融合模型，增強(qiáng)了電力物聯(lián)網(wǎng)體系的邊緣計(jì)算層級(jí)，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的協(xié)同自治和智能決策；文獻(xiàn)［10］引入邊緣計(jì)算技術(shù)，重新定義智能感知系統(tǒng)框架，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)辨識(shí)和分布式集群等幾個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了面向多參量的邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［11］提出了基于PTN 架構(gòu)的主動(dòng)配電網(wǎng)云邊協(xié)同模型，并通過(guò)算例驗(yàn)證模型實(shí)現(xiàn)了邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理；針對(duì)配電網(wǎng)信息物理模型提出了基于邊緣計(jì)算的CROSS 模型指標(biāo)體系，進(jìn)一步量化基于邊緣計(jì)算和主動(dòng)配電網(wǎng)傳輸架構(gòu)穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、融合性的評(píng)級(jí)指標(biāo)；文獻(xiàn)［12］構(gòu)建了基于邊緣計(jì)算的配網(wǎng)雷電過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的在線監(jiān)測(cè)，并采用數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)前端用戶界面展示了基于邊緣計(jì)算雷電過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和故障判定等功能。上述文獻(xiàn)表明，邊緣計(jì)算能夠在需求響應(yīng)、分布式智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能監(jiān)測(cè)中開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并取得了階段性成果，但是未將邊緣計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)配電網(wǎng)，結(jié)合配電網(wǎng)層次架構(gòu)進(jìn)行配網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互、云邊協(xié)同相關(guān)領(lǐng)域的研究需要進(jìn)一步深化。

本文提出一種基于邊緣計(jì)算的主動(dòng)配電網(wǎng)層次架構(gòu)模型，根據(jù)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架，概述了數(shù)據(jù)交互協(xié)議以及云邊協(xié)同方式，并設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)上針對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)在實(shí)際配電典型應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)方案，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、低能耗地實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、投運(yùn)環(huán)境、電氣量數(shù)據(jù)等配電數(shù)據(jù)的采集、交互和監(jiān)測(cè)功能。

1 邊緣計(jì)算框架

1.1 分層邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架是實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的關(guān)鍵，本文基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)邊緣計(jì)算框架，構(gòu)建了區(qū)別于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的分層邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架在功能架構(gòu)上共分為云平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)管理層、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備層。其中，網(wǎng)絡(luò)管理層包括設(shè)備管理、邊緣管理、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)安全等功能；邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)包括邊緣應(yīng)用層、邊緣軟件層和邊緣平臺(tái)層；終端設(shè)備層包括場(chǎng)景APP、分析APP、采集APP 等。云平臺(tái)是云化的主站，網(wǎng)絡(luò)管理層是端和云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架的核心，在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提供就近服務(wù)及APP 應(yīng)用。邊緣計(jì)算架構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Hierarchical edge computing node framework圖1 分層邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)框架

基于2018 年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同白皮書(shū)，邊緣計(jì)算具有以下特點(diǎn)：①連接功能，即需充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)研究域最新成果，且實(shí)現(xiàn)與工業(yè)物理域的關(guān)聯(lián)和共享操作；②數(shù)據(jù)橋梁，即邊緣計(jì)算式數(shù)據(jù)的首要關(guān)口，是大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的第一入口，位于邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)而言完整、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、多樣；③邊緣設(shè)備要適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件；④分布式計(jì)算，即分布性和融合性兼?zhèn)洹?/p>

基于以上特點(diǎn)，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)層根據(jù)配電物聯(lián)網(wǎng)云、管、邊、端四層架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了以邊緣計(jì)算為核心的分層式架構(gòu)。

邊緣平臺(tái)層是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)層，可以在移動(dòng)設(shè)備附近提供存儲(chǔ)和計(jì)算資源。邊緣存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)必要條件為：①邊緣設(shè)備處理能力強(qiáng)；②有成熟可行的技術(shù)方案與邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)資源有計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和虛擬化［13］，平臺(tái)層提供了數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模型存儲(chǔ)和設(shè)備控制等功能，包括開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Docker 平臺(tái)、銜接平臺(tái)、操作系統(tǒng)，提高了計(jì)算、存儲(chǔ)、通信能力。

邊緣容器層將客戶對(duì)象封裝成容器對(duì)象，通過(guò)容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活啟停服務(wù)，可以進(jìn)行擴(kuò)容和縮容操作，是虛擬化服務(wù)技術(shù)的代表。為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供強(qiáng)大的分析能力，將不同終端設(shè)備模型進(jìn)行規(guī)范性描述，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行效驗(yàn)和預(yù)處理、深度處理，形成高級(jí)應(yīng)用。

邊緣軟件層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和管理，包括數(shù)據(jù)中心、APP 管理和數(shù)據(jù)安全中心，提供數(shù)據(jù)分析與呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)聚合與互操作、數(shù)據(jù)安全等功能，實(shí)現(xiàn)即插即用式邊緣網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)中心是邊緣計(jì)算的重要組成部分；設(shè)計(jì)與配網(wǎng)完整實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)交互方式，可以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)互操作、協(xié)同控制、監(jiān)視與診斷等功能，提高邊緣計(jì)算資源利用率。

邊緣應(yīng)用層將采集數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用解耦，包括邊緣行業(yè)應(yīng)用和邊緣業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。

1.2 數(shù)據(jù)交互協(xié)議

數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互是基于標(biāo)準(zhǔn)化的交互服務(wù)，規(guī)范云與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的傳輸層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)交互協(xié)議內(nèi)容包括消息類別、消息序列、參數(shù)列表、響應(yīng)時(shí)序、設(shè)備激活、設(shè)備接入、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程配置、監(jiān)視物聯(lián)代理、物聯(lián)控制、應(yīng)用管理、子設(shè)備管理。

用基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議MQTT 消息總線的交互方式實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，以JavaScript 對(duì)象作為數(shù)據(jù)交互的信息格式；這種協(xié)議模式對(duì)框架依賴程度低、支持異步傳輸、輕量且靈活。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的MQTT 協(xié)議模型如圖2 所示。

Fig.2 MQTT protocol model of edge computing nodes圖2 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的MQTT 協(xié)議模型

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸以MQTT 為總線，管理控制靈活，實(shí)現(xiàn)控制邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部APP 之間的信息交互內(nèi)容。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部APP 按開(kāi)發(fā)類型分類主要有規(guī)則引擎開(kāi)發(fā)APP 和框架接入開(kāi)發(fā)APP 兩種，包括采集APP、控制指令A(yù)PP、分析APP、場(chǎng)景APP、高級(jí)APP 等微應(yīng)用。規(guī)則引擎開(kāi)發(fā)將業(yè)務(wù)決策從應(yīng)用程序代碼中分離出來(lái)，并使用預(yù)定義語(yǔ)義模塊編寫(xiě)業(yè)務(wù)決策，多為場(chǎng)景APP和高級(jí)APP；其中高級(jí)APP 可以通過(guò)總線訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心，對(duì)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，是邊緣計(jì)算的核心部分。APP 在主題范圍內(nèi)發(fā)布讀數(shù)，并進(jìn)行主題訂閱設(shè)置更改。將APP 數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)中心，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類，并統(tǒng)一至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理［14］，同時(shí)數(shù)據(jù)中心會(huì)訂閱信息主題。管理控制臺(tái)接收管理平臺(tái)的命令以調(diào)整邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)配置，數(shù)據(jù)代理將訂閱設(shè)置更改發(fā)布到相關(guān)端設(shè)備APP，實(shí)現(xiàn)相關(guān)主題消息的更改。由于MQTT 傳輸協(xié)議是輕量型協(xié)議，協(xié)議包含的基本參數(shù)只有3 個(gè)：消息類型、文本主題和任意二進(jìn)制的有效負(fù)載。本文采取JSON 作為有效負(fù)載即數(shù)據(jù)交互的信息格式。

多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互由數(shù)據(jù)代理和云主站實(shí)現(xiàn)，一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)獲取另一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要先向云主站發(fā)布數(shù)據(jù)請(qǐng)求，云主站根據(jù)DNS 解析判斷域名部署的具體邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)響應(yīng)后將數(shù)據(jù)通過(guò)主站傳輸給該邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互過(guò)程如圖3 所示。

Fig.3 Data exchange among edge computing nodes圖3 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互即邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中各APP 與端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，交互方式與邊緣節(jié)點(diǎn)與云主站之間類似；APP 控制命令下發(fā)端設(shè)備，端設(shè)備進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分布式一致性管理機(jī)制和數(shù)據(jù)雙向交互。

1.3 云邊協(xié)同

邊緣計(jì)算與云計(jì)算不是替代關(guān)系，邊緣計(jì)算緊密結(jié)合云計(jì)算才能使系統(tǒng)環(huán)境更安全高效。邊緣計(jì)算的應(yīng)用分為自頂向下的應(yīng)用模式和自底向上的應(yīng)用模式。自頂向下的邊緣側(cè)應(yīng)用將云中構(gòu)建和訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行壓縮、降維等操作后，在邊緣側(cè)預(yù)測(cè)和執(zhí)行小樣本機(jī)器學(xué)習(xí)。這種互動(dòng)方式下，邊緣側(cè)和云平臺(tái)都有各自的技術(shù)參數(shù)、資源調(diào)度方式；云部署并下發(fā)模型，可以實(shí)現(xiàn)群智能和提高數(shù)據(jù)利用率。自底向上的邊緣側(cè)應(yīng)用重新定義面向邊緣側(cè)的算法架構(gòu)，再嵌入系統(tǒng)環(huán)境。這種互動(dòng)方式下，邊緣側(cè)利用自身硬件資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算和數(shù)據(jù)整合，降低云資源消耗。邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同模型如圖4所示。

Fig.4 Cloud edge collaboration model圖4 云邊協(xié)同模型

傳統(tǒng)的配電數(shù)據(jù)主要通過(guò)RS485 等通信方式上傳到云端之后集中處理，但是隨著用戶數(shù)量激增和大量異構(gòu)多樣數(shù)據(jù)涌入，從終端直接傳輸數(shù)據(jù)到配電通信壓力大、延時(shí)多，不能完成實(shí)時(shí)交互相關(guān)服務(wù)。因此，引入邊緣計(jì)算和本地處理模式，解決當(dāng)下主動(dòng)配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理問(wèn)題至關(guān)重要，將大量端設(shè)備進(jìn)行邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)分配，實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)處理和云端數(shù)據(jù)處理協(xié)同高效工作。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)層次架構(gòu)模型

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的架構(gòu)為配電主站、配電子站和配電終端三層架構(gòu)形式，主動(dòng)配電網(wǎng)和傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比擴(kuò)展了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的構(gòu)成，具有大規(guī)模、多目標(biāo)、多約束、連續(xù)和離散混合、規(guī)劃運(yùn)行和設(shè)計(jì)強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，是個(gè)典型的信息物理系統(tǒng)［15］。基于信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）設(shè)計(jì)主動(dòng)配電網(wǎng)層次架構(gòu)模型時(shí)需要充分考慮以下特點(diǎn)：①各種新型設(shè)備的接入，使得主動(dòng)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式多變，需要充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)工況的影響；②分布式能源和需求側(cè)管理帶來(lái)不確定性，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)與規(guī)劃設(shè)計(jì)難度增大；③除基本的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠目標(biāo)外，還需考慮綜合能源利用效率和環(huán)境污染最小化；④控制模型采用融合模型時(shí)，需考慮物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；⑤考慮采用分層的控制架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的統(tǒng)一控制，使得配電系統(tǒng)完成高級(jí)測(cè)量、快速分析和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)靈活控制。

結(jié)合以上要點(diǎn)，構(gòu)建基于邊緣計(jì)算的主動(dòng)配電網(wǎng)高度融合的信息物理系統(tǒng)如圖5 所示。

Fig.5 Edge computing hierarchical architecture model of active distribution network圖5 主動(dòng)配電網(wǎng)的邊緣計(jì)算層次架構(gòu)模型

基于邊緣計(jì)算的主動(dòng)配電網(wǎng)模型，充分融合了配電網(wǎng)的層次架構(gòu)、物理信息網(wǎng)絡(luò)的單元級(jí)—系統(tǒng)級(jí)—SoS 級(jí)層次結(jié)構(gòu)和邊緣計(jì)算的各個(gè)域，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象模型的實(shí)時(shí)控制和更新操作。主動(dòng)配電網(wǎng)的邊緣計(jì)算層次架構(gòu)主要由物理系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3 個(gè)層次結(jié)構(gòu)組成：①主動(dòng)配電網(wǎng)中的物理系統(tǒng)主要指各種電力設(shè)備，其中較傳統(tǒng)電網(wǎng)不同的是大量微電網(wǎng)、分布式電源、儲(chǔ)能裝置、柔性負(fù)荷，物理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)各傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)至CPS 局域網(wǎng)，可對(duì)實(shí)時(shí)采集的信息和局部中心下發(fā)的控制立即執(zhí)行；②CPS 局域網(wǎng)和CPS 網(wǎng)絡(luò)形成信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支撐了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分布式計(jì)算、云主站計(jì)算中心的集中式計(jì)算和控制中心的控制；③配網(wǎng)可以劃分為多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的控制區(qū)域，通過(guò)不同邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與整體配電系統(tǒng)進(jìn)行雙向信息通信和物理控制，實(shí)現(xiàn)既可以通過(guò)云主站進(jìn)行集中控制、計(jì)算，也可以通過(guò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分散控制、計(jì)算的分層協(xié)調(diào)方式。

該模型引入信息物理系統(tǒng)技術(shù)，將主動(dòng)配電網(wǎng)強(qiáng)耦合的信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進(jìn)行解耦、融合，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)配電網(wǎng)信息感知和控制的快速模擬與仿真，各層間的開(kāi)放式通信協(xié)議如表1 所示。

Table 1 Communication protocol of each layer表1 各層通信規(guī)約

主站與子站之間的信息交換是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)監(jiān)視和控制、故障定位等配網(wǎng)管理和監(jiān)控的中心，存在大量數(shù)據(jù)交換，對(duì)通信接口和傳輸速率要求較高，一般使用光纖傳輸，通信可以采用IEC 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中的MMS 報(bào)文。

主站與饋線層之間的通信為了實(shí)現(xiàn)一些快速保護(hù)功能，采用面向通用對(duì)象的變電事件GOOSE 服務(wù)進(jìn)行通信［16］，通過(guò)光纖專網(wǎng)、無(wú)線專網(wǎng)或公網(wǎng)、載波等實(shí)現(xiàn)局部信息采集處理和監(jiān)視。

終端設(shè)備之間存在多種通訊方式，接入層設(shè)備和環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，本文主要考慮的終端設(shè)備包括開(kāi)閉所DTU、柱上開(kāi)關(guān)FTU、集中器、變壓器、TTU、智能電表等自動(dòng)化設(shè)備，完成數(shù)據(jù)的測(cè)量采集、故障檢測(cè)、開(kāi)關(guān)控制、充電管理、配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、負(fù)荷預(yù)測(cè)等功能。

3 面向配電大數(shù)據(jù)的嵌入式邊緣計(jì)算系統(tǒng)

配電大數(shù)據(jù)技術(shù)［17］為云平臺(tái)提供了技術(shù)支撐，大數(shù)據(jù)處理模式可以分為流處理方式和批處理方式。流處理模式指直接處理，其中具有代表性的框架為Storm 分布式實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)；該系統(tǒng)可以進(jìn)行全內(nèi)存計(jì)算，可滿足實(shí)時(shí)要求，主要用于實(shí)時(shí)分析、在線機(jī)器學(xué)習(xí)等。批處理模式指先存儲(chǔ)后處理，其中常用的框架為Map-Reduce 大數(shù)據(jù)并行計(jì)算軟件框架［18］，該框架主要用于大規(guī)模離線計(jì)算及數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析主要分為數(shù)據(jù)挖掘方法、統(tǒng)計(jì)分析方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法。在相關(guān)配電網(wǎng)的研究中，數(shù)據(jù)挖掘方法最常用，數(shù)據(jù)挖掘方法分類、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、聚類、異常監(jiān)測(cè)。配電大數(shù)據(jù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、清潔可持續(xù)、開(kāi)放共享的發(fā)展需求。基于此，建立集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和分析的配網(wǎng)大數(shù)據(jù)嵌入式邊緣計(jì)算系統(tǒng)尤為重要。

結(jié)合配用電業(yè)務(wù)需求，對(duì)智能邊緣計(jì)算配電大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行用戶行為分析，基于邊緣計(jì)算和智能電表的區(qū)域用電用戶行為分析方案如圖6 所示。

Fig.6 User behavior analysis solution based on edge computing圖6 基于邊緣計(jì)算的用戶行為分析方案

考慮到配電和用電的采集耦合度高，對(duì)城市臺(tái)區(qū)進(jìn)行邊和端的分離，用物聯(lián)代理實(shí)現(xiàn)了一個(gè)配電房一個(gè)邊的理念，滿足了不同的專業(yè)數(shù)據(jù)需求。

上述用戶用電行為方案中，采用帶有增加存儲(chǔ)模塊的智能電表作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、預(yù)先采集、異步應(yīng)答，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。采集器聚合了用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)、營(yíng)銷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電費(fèi)臺(tái)賬等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)高壓液相色譜HPLC 載波［19］實(shí)現(xiàn)集中器側(cè)多表多數(shù)據(jù)項(xiàng)的單次采集。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)支持臺(tái)區(qū)的狀態(tài)感知，拓展了云主站的計(jì)算能力，在提升用戶用電舒適度的同時(shí)，保持高效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于主動(dòng)配電網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)框架，深度解析了數(shù)據(jù)交互方式和邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)方式，提出了基于主動(dòng)配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的邊緣計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)含有大量分散智能終端的配電快速自動(dòng)化業(yè)務(wù)。然而，本文雖然基于國(guó)際IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)給出了通訊協(xié)議框架，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未解決。此外，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源擴(kuò)容、數(shù)據(jù)安全、卸載機(jī)制、智能管理等問(wèn)題還需作進(jìn)一步研究。