基于云计算与边缘计算的配电系统实时自动化控制平台设计

2024-03-25余永杰

通信电源技术 2024年1期

关键词：边缘预处理配电

余永杰

（皖西卫生职业学院附属医院，安徽六安 237000）

0 引言

配电系统作为电网的重要组成部分，其自动化控制水平直接关系到电力系统的安全稳定运行和电能质量。传统的配电系统由于计算资源和处理能力有限，难以满足实时性能和智能化管理的需求。云计算和边缘计算作为新兴的计算模型，为解决以上问题提供了可能。

1 系统设计与架构

1.1 系统总体架构

配电系统实时自动化控制平台的总体架构是其设计的核心，该架构在满足高可用性和可扩展性的同时，还能确保系统的安全性和经济效益。在构建该架构时，采用分层设计思想，将整个平台分为物理层、通信层、处理层以及应用层。物理层主要包含各种配电网络硬件设施及其传感器，是数据采集的基础；通信层负责不同设备间的数据传输，保证信息在各层的高效流动；处理层是架构的核心，由云计算中心和边缘计算节点组成；应用层主要实现基于物理层和通信层数据的各种应用功能，包括实时监控、数据分析以及智能决策等。云计算中心负责大数据的存储与深度分析，而边缘计算节点则处理实时数据，保证控制指令的快速响应。

1.2 云计算层设计

在基于云计算与边缘计算的配电系统实时自动化控制平台设计中，云计算层主要负责处理和存储大量的配电网络数据，提供高性能的计算资源来支持复杂的数据分析、优化计算以及智能决策等。云计算层需要具备高效的数据处理能力来应对配电系统的实时数据流，例如，对于一个中等规模的城市配电网络，云平台可能需要处理每秒上千次的数据更新，包括电压、电流、功率等参数的变化。因此，设计时要求云平台能够支持至少每秒处理数千次数据更新的能力，确保系统的实时性和准确性。考虑到配电网络的不断扩展和升级，云计算层需要设计成高度可扩展的架构，使用Kubernetes等容器编排工具可以有效管理云资源，实现服务的快速扩展和缩减。例如，通过部署微服务架构，当系统负载增加时，可以自动扩展至数百个实例来分摊计算压力，保证系统性能。云计算层也需要设计高效、可靠的数据存储系统来存储历史数据和实时数据。采用分布式数据库技术，如Cassandra 或HBase，可以提供高可用性和灾难恢复能力。对于需要长期存储的数据量，可能达到每天数十TB 的规模，因此，数据存储设计需要支持PB级别的数据规模扩展。在云计算层设计中，采用多层安全策略，包括数据加密、访问控制、网络隔离和安全审计等措施，可以保障数据的安全和用户的隐私。

1.3 边缘计算层设计

边缘计算层主要负责在靠近数据源头的地方进行数据处理和分析，从而减轻云计算层的负担，降低数据传输延迟，并提高系统的实时响应能力。边缘计算层需要具备快速处理配电网实时数据的能力，支持快速决策和响应。在配电自动化控制场景中，边缘计算节点需在毫秒级别处理来自传感器的数据，如电流和电压变化，以实现故障检测和隔离。设计时，边缘节点应具备至少每秒处理数百至数千次数据更新的处理速度。边缘计算层的可靠性对于保障配电系统的稳定运行至关重要，因此在设计中，每个边缘计算节点应具备自我恢复的能力，确保在硬件故障或软件异常时能够快速恢复服务。

此外，边缘节点之间应采用冗余设计，当某个节点发生故障时，其他节点能够接管其任务，确保系统的持续运行。考虑到边缘计算节点的存储和计算资源相对有限，边缘计算层设计需要采用轻量级数据库系统，如SQLite，来存储必要的历史数据和配置信息。同时，对数据进行预处理和过滤，只将需要长期分析的数据或异常数据上传至云计算层，减少数据传输量。在边缘计算层，数据的安全性同样重要，因此在设计时应实施数据加密和安全认证机制，保护数据在传输和处理过程中的安全。例如，采用TLS/SSL 协议对数据传输进行加密，使用设备身份认证和访问控制策略来防止未授权访问。

2 关键技术与实现

2.1 数据采集与预处理

在自动化控制平台的关键技术实现中，数据采集与预处理环节占据重要地位。该环节由广泛分布于配电网络的多种类型传感器负责，包括但不限于电压传感器、电流传感器、频率传感器以及温度传感器，共同构成一个密集的监测网络。每个传感器均能以至少1 kHz 的频率采集数据，能够保证数据的高时效性和准确性。预处理则在边缘计算层完成，旨在降低后续传输和分析的负担。预处理过程包括滤波、去噪、归一化等步骤，能够确保传输至云计算层的数据质量和可用性。数据采集与预处理过程中的传感器相关内容如表1 所示，其中压缩比的设置考虑了信息丢失与传输效率的平衡。

表1 数据采集与预处理过程中的传感器相关内容

采用这样的预处理机制，确保大规模、高频率的原始数据在保留关键信息的同时，有效减少传输所需带宽，为云计算层的高效处理奠定基础。每个传感器的数据在边缘计算层经过初步分析后，仅将结果性的数据或异常的信号发送至云端，可以减轻网络压力，同时使平台能够对关键事件做出快速反应[3]。这种预处理策略的实施，不仅能提升整体配电网络的监控效率，也为实时数据分析和远程监控的实现提供保障。

2.2 实时监控与故障检测技术

在配电系统自动化控制平台中，基于先进的数据分析处理能力和实时响应机制，实现实时监控与故障检测。监控系统部署多个传感器网络，每分钟能够生成上万个数据点，保障对配电系统状态的连续监视。故障检测算法如异常检测和时间序列分析已集成到监控系统，以识别和预测潜在的系统异常。例如，时间序列分析能在数秒内处理并分析超过10 000个数据点，准确率可达98%，显著提高故障预测的精度。对于故障响应，系统具备毫秒级的处理速度。例如，当检测到电流或电压异常时，系统能在10 ms 内做出反应，迅速隔离故障区域，减少故障传播。通过这些技术，实时自动化控制平台能够确保系统的稳定性和高效性，显著降低因故障导致的损失，缩短停电时间，提高电网整体的可靠性和经济性[4]。

2.3 优化控制与智能决策算法

配电系统实时自动化控制平台的优化控制与智能决策算法模块依托强大的计算资源，实现高效能源管理和响应。该模块采用复杂的优化算法，如遗传算法和神经网络，优化电网运行参数，可以提高供电可靠性。通过这样的设计，该控制平台不仅确保了电力系统的实时响应与动态平衡，还能通过智能优化实现资源的经济性和环境的可持续性，为配电网络提供一种全面的自动化解决方案。

3 平台功能与操作界面

3.1 用户交互界面设计

配电系统实时自动化控制平台的用户交互界面设计以直观性和易用性为核心，实现了技术与用户友好性的平衡。系统界面布局合理，将复杂的数据和控制功能通过图形与图表的形式直观展现，极大地简化了操作流程。实时数据可视化面板显示关键性能指标，如电压、电流、功率等，更新频率达到每秒一次，可以保障运营人员及时获取电网状态。故障报警和通知系统设计了明确的等级和颜色编码，能够确保在紧急情况下迅速引起操作人员的注意。在用户操作便捷性方面，平台进行了用户行为分析，优化最常用功能的访问路径，测试显示操作时间也比传统系统减少40%。通过这些设计，控制平台的操作界面不仅能提供实时数据和系统状态，还能根据用户需求提供个性化服务，显著提高配电系统运维的效率和效果[5]。

3.2 实时数据展示与控制

在配电系统实时自动化控制平台中，实时数据展示与控制功能扮演着至关重要的角色，通过高效准确地呈现运行数据，能够确保操作人员迅速把握系统状况并做出决策。实时监控界面能够展现电网的各项关键指标，如频率波动、负荷变化等，保障了高质量的数据反馈。控制命令的响应时间在50 ms 以内，使远程控制操作近乎即时执行，提高了系统的响应能力和敏捷性。

4 性能评估与案例分析

4.1 性能评估指标与方法

在配电系统实时自动化控制平台的性能评估中，采用一系列指标和方法来分析评估的全面性与客观性。核心指标包括响应时间、系统稳定性、故障检测率、系统资源利用率以及能效比。性能评估指标如表2 所示。通过这些指标的综合评估，可以清晰看出平台的性能表现在多个方面都达到或超出行业标准，在实际应用中具有较好的高效性和可靠性。

表2 性能评估指标

4.2 仿真实验与结果分析

通过仿真实验与结果分析，确保配电系统自动化控制平台的高效运作。仿真实验设计包含多种负载和故障模拟场景，每项实验均能测试特定性能指标，如系统响应时间、数据处理速率以及故障恢复能力。实验性能评估结果如表3 所示。

表3 实验性能评估

根据表3，配电系统自动化控制平台具有较好的性能，能够为未来的优化奠定基础。

4.3 现场部署与实际应用案例

考察平台在真实环境中的表现，特别是在提高能效、降低运维成本以及提升电网稳定性方面的贡献，分析其设计的实用性和适用性。例如，在针对城市电网的部署中，该平台在6 个月的运行期内显著减少配电线路的损耗，线损率从平均7%降至4.5%，同时故障响应时间由1 h 缩短至15 min，极大地提高了电网的可靠性和服务质量。通过实际应用，平台的设计理念得到市场的认可，同时为其进一步改进和推广提供宝贵的反馈信息与经验积累。