盧偉輝，和識(shí)之，王皓懷，宋興光

（中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510623）

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)的逐步推進(jìn)，電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組參與自動(dòng)發(fā)電控制AGC（automatic generation control）提出了更高要求，與之相應(yīng)的電網(wǎng)公司對(duì)發(fā)電廠AGC機(jī)組的二次調(diào)頻輔助服務(wù)考核的準(zhǔn)確性與可靠性需求也隨之愈加迫切[1]。根據(jù)兩個(gè)細(xì)則，目前發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)已經(jīng)形成了包含可用率、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系[2-3]。傳統(tǒng)的AGC考核方式是發(fā)電廠機(jī)組將遠(yuǎn)控終端采集到的海量數(shù)據(jù)傳送至電網(wǎng)公司主站，通過(guò)電網(wǎng)公司主站集中運(yùn)算得到發(fā)電廠機(jī)組的AGC考核結(jié)果。目前，電網(wǎng)調(diào)度中心已有比較成熟的AGC考核服務(wù)云平臺(tái)投入使用，但隨著發(fā)電廠的智能化改造，分布式智能采集終端設(shè)備的數(shù)量、種類與日俱增，如果海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)诫娋W(wǎng)公司云端，一方面會(huì)造成主站計(jì)算與存儲(chǔ)壓力過(guò)大，另一方面會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶寬資源帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)，容易造成數(shù)據(jù)傳輸通道的堵塞[4]，而邊緣計(jì)算技術(shù)的興起正好為解決這些問(wèn)題提供了有效思路。

邊緣計(jì)算是將靠近產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源頭看作網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，在融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等能力的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)就近向用戶提供服務(wù)，對(duì)于具有海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)特征的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、安全與隱私保護(hù)業(yè)務(wù)有很好的應(yīng)用場(chǎng)景[5-7]。2017年邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC（edge computing consortium）聯(lián)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 AII（alliance of industrial internet）更新了初代的邊緣計(jì)算參考框架，并給出了邊緣計(jì)算架構(gòu)每層的具體功能設(shè)計(jì)[8]。在我國(guó)“十三五”規(guī)劃中也明確指出了信息通信技術(shù)的未來(lái)方向之一是邊緣計(jì)算技術(shù)[9]。隨著集中式云計(jì)算的弊端逐漸顯露，許多學(xué)者都針對(duì)邊緣計(jì)算開(kāi)展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)地介紹了邊緣計(jì)算的概念，并通過(guò)對(duì)云計(jì)算任務(wù)遷移、視頻分析等現(xiàn)有研究工作的介紹具體地分析了邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。在邊緣計(jì)算的應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[11]將網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算融合，提出了基于邊緣計(jì)算的接入網(wǎng)絡(luò)切片，分析了邊緣計(jì)算可以用于滿足5G中的商業(yè)模型；文獻(xiàn)[9]將邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)的自動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)，分析了自動(dòng)需求響應(yīng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分層架構(gòu)模型相較于云計(jì)算自動(dòng)需求響應(yīng)模型的優(yōu)勢(shì)。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)在電廠AGC考核系統(tǒng)中的應(yīng)用尚鮮見(jiàn)報(bào)道。本文研究了邊緣計(jì)算在電廠AGC考核中的應(yīng)用方法。首先，根據(jù)邊緣計(jì)算與AGC考核的融合模式分析，構(gòu)建了基于邊緣計(jì)算的電廠AGC考核系統(tǒng)框架模型；在此基礎(chǔ)上，提出了調(diào)度中心云端、電廠邊緣、機(jī)組邊緣和終端設(shè)備層次化部署方法，然后探討了考核中數(shù)據(jù)管理和異常數(shù)據(jù)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)；最后通過(guò)實(shí)際電廠AGC考核算例驗(yàn)證了應(yīng)用邊緣計(jì)算在減小數(shù)據(jù)處理量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間方面的優(yōu)越性。

1 邊緣計(jì)算與AGC考核系統(tǒng)

1.1 邊緣計(jì)算

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，云計(jì)算難以保證數(shù)據(jù)分析、處理與響應(yīng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信息流處理的延時(shí)性與不準(zhǔn)確性可能會(huì)影響到電網(wǎng)能量流的穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)的可靠性[12]。此外，隨著在云端運(yùn)行的應(yīng)用程序越來(lái)越多，云端的計(jì)算需求越來(lái)越大，造成的能耗需求也會(huì)越來(lái)越高[10]。在云計(jì)算中心的能耗優(yōu)化方面，目前的研究?jī)?nèi)容主要集中在海量數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸過(guò)來(lái)的情況下如何提高能源使用效率方面，以達(dá)到節(jié)省能耗的目的[13]。

為了解決這些難題，邊緣計(jì)算模型提出將原有云計(jì)算中心上運(yùn)行的一些任務(wù)進(jìn)行分解，然后將部分任務(wù)遷移到邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算處理[14]，以此達(dá)到降低云計(jì)算中心的計(jì)算與存儲(chǔ)壓力，降低云計(jì)算中心能耗的目的。邊緣計(jì)算示意如圖1所示。同時(shí)，邊緣計(jì)算充分利用本地的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等能力，在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，既提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又降低系統(tǒng)傳輸?shù)膸拤毫Γ约霸贫斯?jié)點(diǎn)成為性能瓶頸節(jié)點(diǎn)或者潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的可能性。邊緣計(jì)算可協(xié)同當(dāng)前集中式云計(jì)算為用戶更好地服務(wù)。

圖1 邊緣計(jì)算示意Fig.1 Schematic of edge computing

1.2AGC考核系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)由調(diào)度側(cè)和電廠側(cè)兩部分構(gòu)成，通過(guò)將電廠側(cè)遠(yuǎn)控終端RTU（re?mote terminal unit）和同步向量測(cè)量單元PMU（pha?sor measurement unit）采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度側(cè)，完成AGC相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和考核統(tǒng)計(jì)功能[2]。發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 AGC考核系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of AGC assessment system

圖2中，電廠側(cè)RTU執(zhí)行調(diào)度側(cè)下發(fā)的AGC遙調(diào)指令，機(jī)組運(yùn)行在AGC模式。同時(shí)，RTU上送電廠各機(jī)組的出力等信息至調(diào)度側(cè)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)SCADA（supervisory control and data acquisi?tion）；PMU則實(shí)時(shí)采集電廠側(cè)的相位等信息，存儲(chǔ)在時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)中并上送至調(diào)度側(cè)的廣域相量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WAMS（wide area measurement system）。調(diào)度側(cè)的主站接收和處理電廠側(cè)RTU、PMU傳輸?shù)臋C(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算電廠各機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并在第2個(gè)月下發(fā)給各發(fā)電廠。

根據(jù)兩個(gè)細(xì)則，AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)一般包括調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間。

（1）調(diào)節(jié)速率是發(fā)電廠AGC機(jī)組響應(yīng)主站下發(fā)的設(shè)點(diǎn)指令的速率，按調(diào)節(jié)方向可分為上升速率和下降速率[15]。調(diào)節(jié)速率指標(biāo)的計(jì)算公式為

式中：i表示機(jī)組編號(hào)；j表示AGC指令編號(hào)；Vi,j為機(jī)組i在響應(yīng)第j次設(shè)點(diǎn)指令時(shí)的實(shí)際調(diào)節(jié)速率；PE,i,j為調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)的機(jī)組輸出功率；PS,i,j為調(diào)節(jié)過(guò)程開(kāi)始時(shí)的機(jī)組輸出功率；TE,i,j、TS,i,j分別為AGC調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束和開(kāi)始的時(shí)刻；Pd,i,j為AGC調(diào)節(jié)過(guò)程中可能到達(dá)的機(jī)組啟停磨臨界點(diǎn)功率；Td,i,j為啟停磨過(guò)程消耗的時(shí)間；VN,i為事先規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率；Ki,j1為AGC考核的調(diào)節(jié)速率指標(biāo)，由機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)速率與標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率的比值得到。

（2）調(diào)節(jié)精度是機(jī)組在響應(yīng)AGC指令過(guò)程中輸出功率穩(wěn)定后機(jī)組出力和主站設(shè)點(diǎn)出力之間的差值[15]。調(diào)節(jié)精度指標(biāo)的計(jì)算公式為

（3）響應(yīng)時(shí)間是電網(wǎng)公司主站向電廠發(fā)出AGC指令之后，機(jī)組出力跨出與AGC調(diào)節(jié)方向相同的調(diào)節(jié)死區(qū)所花費(fèi)的時(shí)間[15]。響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)的計(jì)算公式為

式中：ti,j為機(jī)組跨出調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間；tST為結(jié)合機(jī)組類型事先規(guī)定好的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間；Ki,j3為AGC考核的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)，與機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間占標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間的比值有關(guān)，設(shè)定若Ki,j3小于0.1，則取0.1[15]。

因此，當(dāng)電網(wǎng)公司主站計(jì)算機(jī)組響應(yīng)AGC指令時(shí)，AGC綜合調(diào)節(jié)性能Ki,jp的計(jì)算公式為

1.3 邊緣計(jì)算與AGC考核系統(tǒng)的關(guān)系

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，發(fā)電廠和機(jī)組端將逐漸接入大量的智能數(shù)據(jù)采集裝置，發(fā)電廠AGC考核相關(guān)數(shù)據(jù)也將急劇增長(zhǎng)，受網(wǎng)絡(luò)帶寬與電網(wǎng)公司主站計(jì)算、存儲(chǔ)能力的限制，以往主站基于云計(jì)算的集中式數(shù)據(jù)處理模式將不適應(yīng)電力物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中發(fā)電廠AGC考核的要求。此外，發(fā)電廠將未經(jīng)處理的與AGC考核相關(guān)的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)诫娋W(wǎng)公司主站，風(fēng)險(xiǎn)性會(huì)增大，諸如通訊中斷、服務(wù)宕機(jī)等故障可能會(huì)使電網(wǎng)公司主站失去AGC機(jī)組的實(shí)際功率等遙測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致AGC考核結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響發(fā)電廠參與AGC的積極性。

根據(jù)邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)公司主站基于云計(jì)算的集中式數(shù)據(jù)處理模式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，將主站的部分AGC調(diào)節(jié)性能計(jì)算任務(wù)遷移到發(fā)電廠邊緣可計(jì)算設(shè)備上，可以在減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力、減小主站的計(jì)算和存儲(chǔ)壓力的同時(shí)，降低了由于主站或傳輸通道的性能限制導(dǎo)致電網(wǎng)公司主站成為性能瓶頸節(jié)點(diǎn)或者潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的可能性，從而滿足未來(lái)發(fā)電廠AGC考核的需求。因此，可基于邊緣計(jì)算參考架構(gòu)定義的4個(gè)域——設(shè)備域、網(wǎng)絡(luò)域、數(shù)據(jù)域與應(yīng)用域，結(jié)合現(xiàn)有發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行兩者的融合分析，其融合應(yīng)用模式及關(guān)系如圖3所示。

圖3 邊緣計(jì)算與AGC考核系統(tǒng)的關(guān)系Fig.3 Relationship between edge computing and AGC assessment system

2 基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核架構(gòu)

為應(yīng)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)背景下發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的異構(gòu)聯(lián)接、電網(wǎng)公司主站計(jì)算和存儲(chǔ)壓力過(guò)大、網(wǎng)絡(luò)帶寬受限等問(wèn)題，需要建立基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)框架。通過(guò)將電網(wǎng)公司主站基于云計(jì)算的部分AGC調(diào)節(jié)性能計(jì)算任務(wù)遷移到發(fā)電廠和機(jī)組邊緣節(jié)點(diǎn)的可計(jì)算設(shè)備上，減小電網(wǎng)公司主站計(jì)算和存儲(chǔ)壓力，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，從而高效靈活地服務(wù)于電力物聯(lián)網(wǎng)背景下發(fā)電廠的AGC考核應(yīng)用。

本文結(jié)合邊緣計(jì)算的概念和發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)的特點(diǎn)，從計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)3部分提出基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)架構(gòu)模型，融合計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)電網(wǎng)公司主站-發(fā)電廠邊緣-機(jī)組邊緣-終端設(shè)備進(jìn)行了層次化部署，如圖4所示。

圖4 基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Framework of AGC assessment system for power plant based on edge computing

圖4中，最下面一層為邊緣終端設(shè)備，對(duì)應(yīng)于發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中的采集機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的各類終端設(shè)備，具備了可感知、可交互、可延展的功能[16]。邊緣終端設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)信息上傳到上一級(jí)機(jī)組邊緣進(jìn)行邊緣計(jì)算。

中間兩層為數(shù)據(jù)預(yù)處理功能與匯聚、轉(zhuǎn)發(fā)功能的轉(zhuǎn)發(fā)層，對(duì)應(yīng)于發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中的機(jī)組邊緣代理和發(fā)電廠邊緣代理。機(jī)組邊緣代理主要實(shí)現(xiàn)本臺(tái)機(jī)組的邊緣終端設(shè)備的數(shù)據(jù)匯集、處理和通信監(jiān)視等功能，計(jì)算每次AGC動(dòng)作時(shí)本臺(tái)機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)性能，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)給上一級(jí)發(fā)電廠邊緣。發(fā)電廠邊緣代理主要實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠范圍內(nèi)的機(jī)組邊緣代理的數(shù)據(jù)匯集、處理和通信監(jiān)視等功能，計(jì)算廠級(jí)AGC調(diào)節(jié)性能，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度中心云端。機(jī)組邊緣與發(fā)電廠邊緣需要相應(yīng)的邊緣計(jì)算設(shè)備，設(shè)備應(yīng)包含邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集、智能運(yùn)算，決策反饋等功能。邊緣計(jì)算設(shè)備在未來(lái)的普及需要高性能的數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)、模塊化的IO接口和開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)等技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將設(shè)備連接至任意種類的傳感設(shè)備、執(zhí)行器及第3方系統(tǒng)。

頂層相當(dāng)于核心的云計(jì)算中心，對(duì)應(yīng)于發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中的電網(wǎng)公司主站，在AGC考核全局范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息全面感知、深度分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行[17]。電網(wǎng)公司主站接收通過(guò)發(fā)電廠邊緣代理轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的廠級(jí)AGC調(diào)節(jié)性能數(shù)據(jù)，利用這些信息進(jìn)行區(qū)域內(nèi)各發(fā)電廠AGC調(diào)節(jié)性能考核的結(jié)算，將計(jì)算結(jié)果存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并下發(fā)給各發(fā)電廠。具體數(shù)據(jù)交互過(guò)程如下。

步驟1邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備根據(jù)配置的AGC考核規(guī)則收發(fā)數(shù)據(jù)，若為本地處理數(shù)據(jù)，則直接交由邊緣代理上的應(yīng)用APP（application）處理；若需要上報(bào)電網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，則上報(bào)云平臺(tái)；若需要下發(fā)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，則下發(fā)給終端設(shè)備。

步驟2電網(wǎng)云平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后，更新終端設(shè)備信息，并根據(jù)AGC考核規(guī)則進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算。

步驟3邊緣代理本地APP接收數(shù)據(jù)，解析并開(kāi)展應(yīng)用處置。數(shù)據(jù)處理完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，或者將處理結(jié)果反饋給終端或電網(wǎng)云平臺(tái)。

3 基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核關(guān)鍵技術(shù)

從第2節(jié)基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，邊緣計(jì)算具有主站、發(fā)電廠邊緣、機(jī)組邊緣、終端設(shè)備層次化部署的特性，其中多級(jí)邊緣的海量多源異構(gòu)性數(shù)據(jù)的管理與處理顯得尤為重要，關(guān)系到AGC考核系統(tǒng)的高效性與考核結(jié)果的精確與否。本節(jié)介紹基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理與異常數(shù)據(jù)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，為邊緣計(jì)算在發(fā)電廠AGC考核中的應(yīng)用提供技術(shù)思路。

3.1 數(shù)據(jù)管理

為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)公司主站及發(fā)電廠邊緣、發(fā)電機(jī)組端的異構(gòu)性及軟件服務(wù)數(shù)據(jù)的多樣性等問(wèn)題，可以采用公共信息模型CIM（common information model）標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，在數(shù)據(jù)定義、傳輸語(yǔ)法模型中采用過(guò)程控制對(duì)象鏈接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)OPC-UA（OLE for process control-unified architecture）的面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)。在邊緣端、云端、發(fā)電機(jī)組端3個(gè)層面，管理包括機(jī)組模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)考核和歷史考核數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，通過(guò)OPC-UA獨(dú)特的安全訪問(wèn)機(jī)制提升數(shù)據(jù)獲取安全性與可靠性。此外，OPC-UA由于支持多編碼和多協(xié)議能夠進(jìn)行高效、便捷的數(shù)據(jù)傳輸[18]。OPC-UA從標(biāo)準(zhǔn)層面為發(fā)電廠AGC考核過(guò)程中安全、高效、便捷、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供良好的支撐。

通過(guò)安全的數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)糾錯(cuò)和故障后及時(shí)自動(dòng)恢復(fù)等技術(shù)，基于OPC-UA的發(fā)電廠AGC考核邊緣計(jì)算架構(gòu)具有模型統(tǒng)一管控、數(shù)據(jù)可靠傳輸、客戶訪問(wèn)便捷、平臺(tái)擴(kuò)展性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[19]。發(fā)電廠AGC考核數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的OPC-UA服務(wù)器采用如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)OPC-UA分層應(yīng)用架構(gòu)，其中，數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)應(yīng)用程序接口API（application programming interface）表示發(fā)電廠AGC考核相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)程序編程接口。將符合CIM標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)規(guī)范的發(fā)電廠AGC考核機(jī)組模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)考核和歷史考核數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，按規(guī)則映射到OPC-UA地址空間后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，并以O(shè)PC-UA服務(wù)發(fā)布，經(jīng)由OPCUA通信棧同時(shí)向電網(wǎng)公司主站和發(fā)電廠提供安全可靠的OPC-UA應(yīng)用服務(wù)支持。

圖5 AGC考核數(shù)據(jù)OPC-UA平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)Fig.5 Application architecture of OPC-UA platform for AGC assessment data

由于OPC-UA并非專門針對(duì)發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，原本所使用的地址空間映射模型強(qiáng)調(diào)云端數(shù)據(jù)訪問(wèn)的通用性，與直接應(yīng)用發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)所要采用的CIM可能存在一些差異。因此，在OPC-UA實(shí)現(xiàn)中建立的CIM與OPCUA地址空間模型之間的映射，需要實(shí)現(xiàn)AGC考核發(fā)電機(jī)組模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)考核和歷史考核數(shù)據(jù)的OPC-UA地址空間標(biāo)準(zhǔn)化管理，并基于此通過(guò)OPCUA服務(wù)與電網(wǎng)公司主站和發(fā)電廠交換符合CIM規(guī)范的AGC考核相關(guān)數(shù)據(jù)。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

步驟1OPC-UA服務(wù)部署在中心云上，負(fù)責(zé)向邊、端發(fā)布數(shù)據(jù)交互接口。

步驟2電網(wǎng)應(yīng)用將電網(wǎng)考核指令或者需要收集的數(shù)據(jù)告知OPC-UA服務(wù)，OPC-UA服務(wù)通過(guò)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸MQTT（message queuing telemetry transport）等協(xié)議，以JavaScript對(duì)象簡(jiǎn)譜JSON（Ja?vaScript object notation）或可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML（ex?tensible markup language）格式，經(jīng)加密后進(jìn)行發(fā)布。

步驟3邊緣云上的應(yīng)用APP調(diào)用OPC-UA解密組件，獲得原有指令格式后發(fā)送給終端。

步驟4終端設(shè)備接受指令后，執(zhí)行指令，完成數(shù)據(jù)交互。

3.2 數(shù)據(jù)異常檢測(cè)

在發(fā)電廠AGC調(diào)節(jié)性能考核場(chǎng)景中，機(jī)組邊緣中的遠(yuǎn)動(dòng)裝置在機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸以及邊緣代理在AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)傳輸?shù)倪^(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的異常數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，量測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方式主要是利用云計(jì)算模型將各種量測(cè)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街髡具M(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并利用主站的計(jì)算能力完成數(shù)據(jù)異常檢測(cè)工作[20]。但是隨著發(fā)電廠以及發(fā)電廠機(jī)組智能數(shù)據(jù)采集裝置的增多，AGC考核相關(guān)數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，電網(wǎng)公司主站的異常數(shù)據(jù)檢測(cè)壓力過(guò)大。因此，可以通過(guò)發(fā)電廠邊緣和機(jī)組邊緣部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對(duì)終端采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)來(lái)保證AGC考核相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可有效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)爆炸，降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬及主站計(jì)算處理壓力，為后續(xù)的AGC考核數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)工作提供高質(zhì)量的來(lái)源數(shù)據(jù)。

在發(fā)電機(jī)組邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的部署基于Storm的流數(shù)據(jù)異常處理結(jié)構(gòu)，在接收機(jī)組邊緣終端設(shè)備采集的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)。從數(shù)據(jù)時(shí)序連續(xù)性檢測(cè)TCD（temporal conti?nuity detection）和數(shù)據(jù)相關(guān)性檢測(cè)DCD（data corre?lation detection）兩個(gè)方面[21]，對(duì)AGC模式下發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的異常進(jìn)行發(fā)電機(jī)組邊緣層級(jí)的檢測(cè)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6中，數(shù)據(jù)源流組件用于接收發(fā)電機(jī)組邊緣量測(cè)終端采集到的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)；TCD組件用于接收數(shù)據(jù)源流組件發(fā)送的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)序連續(xù)性檢測(cè)，如果接收到的數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)類型繁多，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的劃分，例如可以對(duì)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率、機(jī)組調(diào)節(jié)工況、AGC指令、一次調(diào)頻指令等不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，分別進(jìn)行時(shí)序連續(xù)性檢測(cè)；數(shù)據(jù)關(guān)系集組件用于產(chǎn)生不同類型采集數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型集，然后將其發(fā)送給DCD組件，并對(duì)經(jīng)過(guò)TCD組件時(shí)序連續(xù)性檢測(cè)的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行檢測(cè)；融合組件對(duì)數(shù)據(jù)本身時(shí)序連續(xù)性檢查結(jié)果和數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合，完成最終的機(jī)組終端設(shè)備量測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)；查詢請(qǐng)求組件接受發(fā)電廠和電網(wǎng)公司主站的結(jié)果查詢需求。

圖6 基于流的異常數(shù)據(jù)檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of storm-based abnormal data detection

4 算例研究

在邊緣計(jì)算框架下，發(fā)電廠AGC考核的相關(guān)數(shù)據(jù)在本地機(jī)組端進(jìn)行處理計(jì)算，在發(fā)電廠邊緣處匯集并將必要數(shù)據(jù)上送給電網(wǎng)公司主站。下面以內(nèi)蒙古某地區(qū)燃煤發(fā)電廠單臺(tái)機(jī)組2018年5月的實(shí)際AGC考核處理數(shù)據(jù)為例，對(duì)基于邊緣計(jì)算的發(fā)電廠AGC考核的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證。該燃煤發(fā)電廠AGC考核的結(jié)果按月度結(jié)算，機(jī)組為鍋爐型一次再熱式機(jī)組，機(jī)組容量為300 MW，機(jī)組DCS系統(tǒng)接收調(diào)度中心下發(fā)的AGC指令周期為5 s，具體指令情況如圖7（a）所示。機(jī)組RTU向調(diào)度中心主站上送機(jī)組出力數(shù)據(jù)的周期也是5 s，具體機(jī)組出力情況如圖7（b）所示。統(tǒng)計(jì)該電廠AGC考核的月度數(shù)據(jù)量如表1所示。

圖7 AGC指令曲線和機(jī)組出力曲線Fig.7 Curves of AGC command and unit output

電網(wǎng)公司主站根據(jù)機(jī)組上送的出力數(shù)據(jù)計(jì)算每次AGC指令變化時(shí)機(jī)組的調(diào)頻性能指標(biāo)，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)計(jì)算方式與邊緣計(jì)算方式下機(jī)組上送電網(wǎng)公司主站的數(shù)據(jù)傳輸量與所占磁盤空間如表2所示。

由表1可知，相比于月度AGC指令數(shù)據(jù)量，AGC指令變化次數(shù)只占其中很少的一部分。傳統(tǒng)的AGC考核計(jì)算方式需要將每個(gè)指令周期的機(jī)組出力數(shù)據(jù)全部傳輸給電網(wǎng)公司主站，數(shù)據(jù)量龐大，而在邊緣計(jì)算框架下，利用機(jī)組本地邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在每次AGC指令變化時(shí)計(jì)算出機(jī)組響應(yīng)該次AGC指令的3個(gè)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，并只將每次AGC指令變化時(shí)的調(diào)頻性能指標(biāo)值傳輸給電網(wǎng)公司主站。由表2可知，邊緣計(jì)算方式只在每次AGC指令變化時(shí)向主站傳輸3個(gè)調(diào)頻性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)傳輸量等于AGC指令變化次數(shù)的3倍，機(jī)組傳輸給電網(wǎng)公司主站的數(shù)據(jù)量減少了72%，間接地節(jié)省了傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；同時(shí)發(fā)電廠AGC考核數(shù)據(jù)量的減少意味著電網(wǎng)公司主站的計(jì)算和存儲(chǔ)壓力更小，在本地計(jì)算機(jī)上模擬考核數(shù)據(jù)的磁盤存儲(chǔ)空間大小變化情況，其中機(jī)組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在電網(wǎng)公司主站占據(jù)的磁盤存儲(chǔ)空間減少了67%，有利于減輕主站服務(wù)器的擴(kuò)建負(fù)擔(dān)。

表1 機(jī)組AGC考核數(shù)據(jù)量Tab.1 Data volume of AGC assessment on unit

表2 邊緣計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算對(duì)比Tab.2 Comparison between edge computing and traditional computing

5 結(jié)論

針對(duì)發(fā)電廠AGC考核中電網(wǎng)公司主站計(jì)算和存儲(chǔ)壓力過(guò)大、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、海量數(shù)據(jù)的異構(gòu)聯(lián)接等問(wèn)題，本文研究了邊緣計(jì)算在電廠自動(dòng)發(fā)電控制考核中的應(yīng)用方法，有以下結(jié)論：

（1）基于邊緣計(jì)算參考架構(gòu)定義的設(shè)備域、網(wǎng)絡(luò)域、數(shù)據(jù)域與應(yīng)用域，層次化部署電網(wǎng)公司主站、發(fā)電廠邊緣、機(jī)組邊緣和終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)邊緣計(jì)算框架模型的構(gòu)建；

（2）提出了邊緣計(jì)算架構(gòu)下AGC考核中數(shù)據(jù)管理和異常數(shù)據(jù)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，算例表明機(jī)組傳輸給電網(wǎng)公司主站的數(shù)據(jù)量能減少72%，數(shù)據(jù)所占磁盤存儲(chǔ)空間能減少67%，有效緩解了傳統(tǒng)AGC考核過(guò)程中集中式云計(jì)算的弊端。

隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的不斷成熟，在發(fā)電廠AGC考核系統(tǒng)中如何大規(guī)模、高效地部署邊緣節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力等問(wèn)題是以后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。