CN113471996B - 一种基于边缘计算的台区电能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的台区电能控制方法，包括，利用边缘计算组织的、由分布式能源、电动汽车和负荷构建虚拟电站；基于TTU的边缘计算能力，向下对所述分布式能源和所述电动汽车进行就地化的控制，向上提供轻量化的台区运行数据，使得主站调度中心进行管理；分别对所述虚拟电站进行有功调控和无功调控，完成台区电能控制。本发明在完成就地消纳分布式能源的发电功率的同时，也使虚拟电站在峰值负荷时期保留跨台区供电的容量；同时，空闲态的电动汽车为本地台区提供无功功率补偿，实现就地支撑本地电网的功能。

Description

一种基于边缘计算的台区电能控制方法

技术领域

本发明涉及配电网能源调控的技术领域，尤其涉及一种基于边缘计算的台区电能控制方法。

背景技术

目前一部分研究采用储能系统快速平衡系统中的不平衡功率，提高电网安全稳定性，但随着分布式能源在低压台区中的渗透率不断攀升，难以实现在每个台区部署相当容量的储能系统；一些研究提出利用电动汽车进行有功功率调节、辅助电网进行削峰填谷，但电动汽车电池成本较高，且长期的深度充放电对电池寿命影响较大。

随着国家“碳达峰、碳中和”战略目标的推进，未来分布式能源和电动汽车将广泛接入配电网，逐步构成以新能源为主导的深度低碳新型电力系统，给传统电网的稳定控制带来重要挑战。城市配电网台区数量极大，随着分布式能源等在低压台区中的渗透率不断攀升，在每个台区部署相当容量的储能系统是不现实的，其所付出的成本将难以接受。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：解决台区智能终端与智能电表等端设备在接入配电物联网过程中存在人工接入工作量庞大、标准化程度不高、关联拓扑维护困难等问题；解决分布式电源和电动汽车负荷的随机性带来的能量供需不平衡问题，尽可能经济、高效的消纳广泛接入配电网的分布式能源。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，利用边缘计算组织的、由分布式能源、电动汽车和负荷构建虚拟电站；基于TTU的边缘计算能力，向下对所述分布式能源和所述电动汽车进行就地化的控制，向上提供轻量化的台区运行数据，使得主站调度中心进行管理；分别对所述虚拟电站进行有功调控和无功调控，完成台区电能控制。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：包括，利用所述TTU的边缘计算能力，在以边缘计算为核心的数据处理计算框架的组织下，将各台区变压器所辖的电力台区内聚合的所有负荷、电动汽车以及采用最大功率跟踪策略的分布式能源整体上等效为一个广义的负荷。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：利用Petri网描述所述边缘计算下的虚拟电站，包括，将现场执行数据采样的系统定义为采集源点，用S表示；S_i(i＝1,2,…,n)表示具体的数据来源；将采样数据上行至边缘计算网关应用层的通道定义为传输通道，用C_t表示；将边缘计算网关中执行决策的应用APP定义为决策点，用P_D表示；将边缘计算网关中应用APP向下发出的控制指令，下达各底层功率逆变器的通道定义为控制通道，用C_m表示；而各逆变器及与之连接的各设备、分布式能源、负荷、电动汽车等抽象为被控对象，用O表示；用t、ti(i＝1,2,…,n)表示瞬时变迁。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：包括，台区内分布式能源以MPPT策略发电，分布式能源发出的电扣除本台区含电动汽车在内的所有负荷消耗的有功功率，余电通过台区变压器向外输送；当分布式能源发出的电不足以满足本地负荷需求时，台区向外等效为一个负荷，从外部吸收有功功率；TTU将本台区作为源或者荷向外发出或者吸收的有功功率大小上报调度主站，调度主站根据TTU上报数据修正调度功率值。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：还包括，台区向外等效为发电厂或负荷，取决于电动汽车的并网工况；通过优化电动汽车的充电时段和充电数量，使虚拟电站在源与荷之间切换，完成本台区用电的最优经济性；区内的无功功率由处于空闲态的电动汽车来保持平衡；运用虚拟同步机技术，将电动汽车控制为虚拟的同步调相机，完成对本地电压的支撑。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：包括，设置每台电动汽车充电桩配置手动/自动选项开关，将用于有功调控的电动汽车定义如下，当且仅当前述的配置开关打到自动选项，且电动汽车的剩余电量SoC％≥50％且SoC％＜100％时，电动汽车可参与于有功调控；剩余电量低于20％的电动汽车被认为是需要立即充电的刚性负荷需求。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：包括，对于处于空闲态的电动汽车，若并网逆变器采用三相全控电压型逆变电路的话，则采用虚拟同步机技术，将其等效的控制为虚拟的同步调相机，用以支撑本地电网电压。

作为本发明所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的一种优选方案，其中：包括，当电动汽车处于空闲态时，有功功率和无功功率的设定值都等于0；当逆变器收到TTU发来的台区内无功功率平衡的使能信号时，开关S_q闭合，此时电动汽车与充电桩整体被控制等效为虚拟的同步调相机，对本地电压进行就地支撑，提供无功补偿。

本发明的有益效果：本发明提出的方法能够为接入大量分布式能源、电动汽车的配电网提供一种就地化的控制方案，在完成就地消纳分布式能源的发电功率的同时，也使虚拟电站在峰值负荷时期保留跨台区供电的容量；同时，空闲态的电动汽车为本地台区提供无功功率补偿，实现就地支撑本地电网的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例所述的基于边缘计算的台区电能控制方法的虚拟电站物联网控制系统petri网示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于边缘计算的台区电能控制方法，具体包括：

S1：利用边缘计算组织的、由分布式能源、电动汽车和负荷构建虚拟电站。其中需要说明的是：

利用TTU的边缘计算能力，在以边缘计算为核心的数据处理计算框架的组织下，将各台区变压器所辖的电力台区内聚合的所有负荷、电动汽车以及采用最大功率跟踪策略的分布式能源整体上等效为一个广义的负荷；

利用Petri网描述边缘计算下的虚拟电站，包括，

将现场执行数据采样的系统定义为采集源点，用S表示；

S_i(i＝1,2,…,n)表示具体的数据来源；

将采样数据上行至边缘计算网关应用层的通道定义为传输通道，用C_t表示；

将边缘计算网关中执行决策的应用APP定义为决策点，用P_D表示；

将边缘计算网关中应用APP向下发出的控制指令，下达各底层功率逆变器的通道定义为控制通道，用C_m表示；

而各逆变器及与之连接的各设备、分布式能源、负荷、电动汽车等抽象为被控对象，用O表示；

用t、ti(i＝1,2,…,n)表示瞬时变迁。

S2：基于TTU的边缘计算能力，向下对分布式能源和电动汽车进行就地化的控制，向上提供轻量化的台区运行数据，使得主站调度中心进行管理。本步骤需要说明的是：

台区内分布式能源以MPPT策略发电，分布式能源发出的电扣除本台区含电动汽车在内的所有负荷消耗的有功功率，余电通过台区变压器向外输送；

当分布式能源发出的电不足以满足本地负荷需求时，台区向外等效为一个负荷，从外部吸收有功功率；

TTU将本台区作为源或者荷向外发出或者吸收的有功功率大小上报调度主站，调度主站根据TTU上报数据修正调度功率值；

台区向外等效为发电厂或负荷，取决于电动汽车的并网工况；

通过优化电动汽车的充电时段和充电数量，使虚拟电站在源与荷之间切换，完成本台区用电的最优经济性；

区内的无功功率由处于空闲态的电动汽车来保持平衡；

运用虚拟同步机技术，将电动汽车控制为虚拟的同步调相机，完成对本地电压的支撑。

S3：分别对虚拟电站进行有功调控和无功调控，完成台区电能控制。其中还需要说明的是：

设置每台电动汽车充电桩配置手动/自动选项开关，将用于有功调控的电动汽车定义如下，当且仅当前述的配置开关打到自动选项，且电动汽车的剩余电量SoC％≥50％且SoC％＜100％时，电动汽车可参与于有功调控；

剩余电量低于20％的电动汽车被认为是需要立即充电的刚性负荷需求；

引入BOOL变量AT来描述是否允许电动汽车参与有功调控，

其中，SoCi％为第i辆电动汽车的剩余电量；

计算公式为

其中，B_i为第i辆电动汽车的电池容量；E_i,k为第i辆电动汽车在k时段的电量；

其计算方程为E_i,k＝(1-d_b)E_i,k-1+η_cP_i,k-1Δt

其中，d_b为电池自放电系数；η_c为充电效率；P_i,k为第i辆电动汽车在k-1时刻的充电功率；t为从t-1时刻到t时刻的时长。

根据有功调控的目标：(1)尽量消纳本台区分布式能源发出的有功；这意味着电动汽车的负荷容量应该依据分布式能源发电容量与台区负荷容量进行配置。

(2)从大电网宏观层面上，转移负荷尖峰；这意味着在某些时候，台区内的有功平衡不再是虚拟电站控制追求的目标，此时应尽量使虚拟电站对外表现为源，来满足高峰负荷。

将控制目标描述为：

其中，m、n为权重系数，由调度员对两个有功调控目标相互间的优先关系决定；优化变量为Ena(T)％，其为T时刻充电使能指令覆盖的电动汽车占本台区参与有功调控的电动汽车总数的百分比，取值空间为[0,100％]；T代表不同的小时，取每小时0分1秒的时间点为控制量计算的时间断面，取值范围为[0,23]；P_TA为T时刻TTU采集到的变压器二次侧有功功率的测量值；S_N为变压器额定容量；N为参与有功调控的电动汽车(充电桩)总数；P_EV为电动汽车充电桩的额定充电功率；γ(T)为电价系数，对应前一天T时刻P_EV功率大小的充电电价；为该台区前一天24h P_EV对应的电动汽车充电电价的平均值。

无功调控：(1)对于处于空闲态的电动汽车，若并网逆变器采用三相全控电压型逆变电路的话，则采用虚拟同步机技术，将其等效的控制为虚拟的同步调相机，用以支撑本地电网电压。

(2)当电动汽车处于空闲态时，有功功率和无功功率的设定值都等于0；

当逆变器收到TTU发来的台区内无功功率平衡的使能信号时，开关S_q闭合，此时电动汽车与充电桩整体被控制等效为虚拟的同步调相机，对本地电压进行就地支撑，提供无功补偿。

优选地，本实施例还需要说明的是，传统技术方案采用储能系统快速平衡系统中的不平衡功率，提高电网安全稳定性，但随着分布式能源在低压台区中的渗透率不断攀升，难以实现在每个台区部署相当容量的储能系统；一些研究提出利用电动汽车进行有功功率调节、辅助电网进行削峰填谷，但电动汽车电池极其昂贵，且长期的深度充放电对电池寿命影响较大。

而本发明方法通过TTU边缘计算组织，由分布式能源、电动汽车和负荷构成的虚拟电站的整体架构，提出了该架构下虚拟电站的运行模式：基于混沌优化算法，调节台区内电动汽车充电的数量，调节本地电网有功平衡、实现削峰填谷的；剩余的处于空闲态的电动汽车将其控制为虚拟同步调相机，来调节本地电网有功功率的电压。

实施例2

为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统的储能快速平衡系统控制方法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，验证本发明方法所具有的的真实效果。

传统的储能快速平衡系统控制方法经济成本过高，电池寿命使用较短，实用性不高，为验证本发明方法相较于传统方法具有更优良的经济性和实用性，本实施例中将采用传统方法和本发明方法分别对仿真平台的虚拟电站进行实时测量对比。

测试环境：将虚拟电站运行在仿真平台中模拟形式并分别模拟有功功率、无功功率下的电能控制场景，分别利用传统方法的研究操作进行用能测试并获得测试结果数据，采用本发明方法，则开启自动化测试设备，并运用MATLB实现本发明方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据，每种方法各测试100组数据，计算获得每组数据的电池寿命值，与仿真模拟输入的实际预测值进行误差对比计算，结果如下表所示。

表1：电池用能使用寿命对比表。

	电池使用前期	电池使用中期	电池使用后期
				传统方法	100％	76％	52％
本发明方法	100％	85％	71％

参照表1，能够直观的看出，相同的测试条件下，传统方法使用电池寿命折损率更大，以至于后期结束还能继续使用的电池寿命只剩下52％，而本发明方法则具有更好的实用性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于边缘计算的台区电能控制方法，其特征在于：包括，

利用边缘计算组织的、由分布式能源、电动汽车和负荷构建虚拟电站；

基于TTU的边缘计算能力，向下对所述分布式能源和所述电动汽车进行就地化的控制，向上提供轻量化的台区运行数据，使得主站调度中心进行管理；

分别对所述虚拟电站进行有功调控和无功调控，完成台区电能控制；

利用所述TTU的边缘计算能力，在以边缘计算为核心的数据处理计算框架的组织下，将各台区变压器所辖的电力台区内聚合的所有负荷、电动汽车以及采用最大功率跟踪策略的分布式能源整体上等效为一个广义的负荷；

利用Petri网描述所述边缘计算下的虚拟电站，包括，

将现场执行数据采样的系统定义为采集源点，用S表示；

S_i表示具体的数据来源，其中i＝1,2,…,n；

将采样数据上行至边缘计算网关应用层的通道定义为传输通道，用C_t表示；

将边缘计算网关中执行决策的应用APP定义为决策点，用P_D表示；

将边缘计算网关中应用APP向下发出的控制指令，下达各底层功率逆变器的通道定义为控制通道，用C_m表示；

而各逆变器及与之连接的各设备、分布式能源、负荷、电动汽车抽象为被控对象，用O表示；

用t、ti表示瞬时变迁，其中i＝1,2,…,n；

台区内分布式能源以MPPT策略发电，分布式能源发出的电扣除本台区含电动汽车在内的所有负荷消耗的有功功率，余电通过台区变压器向外输送；

当分布式能源发出的电不足以满足本地负荷需求时，台区向外等效为一个负荷，从外部吸收有功功率；

TTU将本台区作为源或者荷向外发出或者吸收的有功功率大小上报调度主站，调度主站根据TTU上报数据修正调度功率值。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的台区电能控制方法，其特征在于：还包括，

台区向外等效为发电厂或负荷，取决于电动汽车的并网工况；

通过优化电动汽车的充电时段和充电数量，使虚拟电站在源与荷之间切换，完成本台区用电的最优经济性；

区内的无功功率由处于空闲态的电动汽车来保持平衡；

运用虚拟同步机技术，将电动汽车控制为虚拟的同步调相机，完成对本地电压的支撑。

3.根据权利要求2所述的基于边缘计算的台区电能控制方法，其特征在于：包括，

设置每台电动汽车充电桩配置手动/自动选项开关，将用于有功调控的电动汽车定义如下，当且仅当前述的配置开关打到自动选项，且电动汽车的剩余电量SoC％≥50％且SoC％＜100％时，电动汽车可参与于有功调控；

剩余电量低于20％的电动汽车被认为是需要立即充电的刚性负荷需求。

4.根据权利要求3所述的基于边缘计算的台区电能控制方法，其特征在于：包括，

对于处于空闲态的电动汽车，若并网逆变器采用三相全控电压型逆变电路的话，则采用虚拟同步机技术，将其等效的控制为虚拟的同步调相机，用以支撑本地电网电压。

5.根据权利要求4所述的基于边缘计算的台区电能控制方法，其特征在于：包括，

当电动汽车处于空闲态时，有功功率和无功功率的设定值都等于0；

当逆变器收到TTU发来的台区内无功功率平衡的使能信号时，开关S_q闭合，此时电动汽车与充电桩整体被控制等效为虚拟的同步调相机，对本地电压进行就地支撑，提供无功补偿。

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