面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)在華南南海某海島上的應(yīng)用實(shí)踐,電力論文

面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)在華南南海某海島上的應(yīng)用實(shí)踐,電力論文面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)在華南南海某海島上的應(yīng)用實(shí)踐分布式發(fā)電論文范文：面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)在華南南海某海島上的應(yīng)用實(shí)踐中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海南綠色能源與環(huán)境工程技術(shù)研究院內(nèi)容摘要：隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但尚未應(yīng)用于分布式發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制中。本文首先提出了一種面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)，并介紹了邊云協(xié)同的主要功能，其次闡述了該架構(gòu)的構(gòu)建方案，包括數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信及安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，最后介紹了該架構(gòu)在華南南海某海島上的應(yīng)用實(shí)踐。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：微電網(wǎng)；邊緣計(jì)算；邊云協(xié)同：作者簡(jiǎn)介：徐楚軻〔1997-〕，男，助理工程師，主要從事能源信息物理融合系統(tǒng)研究。；吳昌宏〔1982-〕，男，碩士，工程師，主要從事分布式能源系統(tǒng)電力電子裝置研發(fā)。；*舒杰〔1969-〕，男，博士，研究員，主要從事分布式可再生能源及微電網(wǎng)技術(shù)研究。E-mail:shujie@;基金：海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目〔ZDYF2021003〕；廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目〔GDNRC[2020]020〕；Abstract:Withtherapiddevelopmentofedgecomputing,itsapplicationinsmartgridhasbeenincreasinglyprevalent,butnotbeenappliedintheoperationcontrolofdistributedgenerationmicrogridsystem.Inthiswork,anarchitectureofedgecomputinginmicrogridwasproposed,andmainfunctionsofthecollaborationofedgeandcloudwereintroduced.Then,theschemeofthearchitecturewasdescribed,includingdataprocessing,communicationandsecuritymechanism.Finally,apracticebasedonthearchitectureinanislandintheSouthChinaSeawasintroduced.Keyword:microgrid;edgecomputing;edgecloudcollaboration;0引言微電網(wǎng)是分布式能源系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用形式，由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控保衛(wèi)裝置及負(fù)荷組成，可在并網(wǎng)和孤島兩種狀態(tài)間平滑過(guò)渡，高效、可靠地對(duì)分布式能源進(jìn)行管理[1].隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，可將云計(jì)算、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于分布式微電網(wǎng)，進(jìn)而解決實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度控制、智能運(yùn)維等問(wèn)題，以提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。集中式的云計(jì)算模型作為大數(shù)據(jù)的載體，對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)資源進(jìn)行彈性管理，時(shí)間、空間靈敏性高，可知足中長(zhǎng)期的大數(shù)據(jù)計(jì)算需求[2].各類(lèi)分布式終端設(shè)備采集大量數(shù)據(jù)并傳輸至對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)，通過(guò)中心化的集中運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[3].但在云計(jì)算模型中，設(shè)備與云端之間的數(shù)據(jù)傳輸回路較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性缺乏，因而邊緣計(jì)算模型應(yīng)運(yùn)而生。邊緣計(jì)算是指在靠近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，操作對(duì)象包括來(lái)自云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)及來(lái)自萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，具有時(shí)延低、通信成本低、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4,5].基于邊緣計(jì)算技術(shù)可將計(jì)算、分析與控制本地化，為用戶(hù)提供更快的響應(yīng)，不再將全部數(shù)據(jù)上傳至云端，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)處理效率，并減輕云端數(shù)據(jù)處理負(fù)荷[6].當(dāng)前已有在電力物聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)領(lǐng)域中針對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[7]提出了一種用于電力物聯(lián)網(wǎng)的集中-分布聯(lián)合控制式電力信息物理系統(tǒng)模型，建立了云邊協(xié)同的計(jì)算模型，并通過(guò)虛擬電廠的算例驗(yàn)證了模型靈敏性和計(jì)算快速性。文獻(xiàn)[8]提出了一種適用于基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)中的邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，并提出了基于邊緣計(jì)算的隱私保衛(wèi)、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及任務(wù)排序策略。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了一種用于配電網(wǎng)、以邊緣計(jì)算為核心的云-管-邊-端四層架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的三層架構(gòu)，可提升配電網(wǎng)管理效益和決策能力。邊緣計(jì)算技術(shù)還被用于家庭能源管理[10]、可再生能源管理[11]以及分布式配電故障處理[12].邊緣計(jì)算設(shè)備在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件上采用軟件容器及其編排技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，并可包容各類(lèi)功能的獨(dú)立拓展[13,14].邊緣計(jì)算架構(gòu)也面臨著新的安全威脅，需制定有效的安全防護(hù)策略[15].上述研究表示清楚，應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)領(lǐng)域的邊緣計(jì)算技術(shù)在數(shù)據(jù)快速處理、設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)度控制等方面均有較好表現(xiàn)。邊緣計(jì)算技術(shù)也適用于微電網(wǎng)。微電網(wǎng)對(duì)底層調(diào)度控制的實(shí)時(shí)性要求高，尤其是用于海島等偏僻地區(qū)的離網(wǎng)型微電網(wǎng)，其系統(tǒng)慣性較小，受負(fù)荷波動(dòng)的影響較大，若系統(tǒng)瞬時(shí)波動(dòng)過(guò)大將導(dǎo)致整體電能質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致微電網(wǎng)停止運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行低時(shí)延調(diào)度控制，在可再生能源出力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)及儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)調(diào)度等方面均需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。邊緣計(jì)算技術(shù)恰好能夠知足這些需求，但當(dāng)前針對(duì)微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)研究及應(yīng)用有限。基于此，本文提出一種面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)，同時(shí)介紹在該架構(gòu)下邊云協(xié)同的詳細(xì)功能，并闡述該架構(gòu)的構(gòu)建方案，包括數(shù)據(jù)處理流程、網(wǎng)絡(luò)通信及安全機(jī)制，最后介紹該架構(gòu)在華南某海島上的應(yīng)用實(shí)踐。1架構(gòu)面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)如此圖1所示。該架構(gòu)由設(shè)備層、邊緣層與云層三個(gè)層級(jí)組成，云層以云平臺(tái)為核心，提供各類(lèi)云端服務(wù)。針對(duì)不同的微電網(wǎng)規(guī)模，可選擇部署公有云、私有云或混合云；設(shè)備層則由微電網(wǎng)的各類(lèi)電力設(shè)備組成，包括光伏、風(fēng)機(jī)等不可控分布式電源、柴油發(fā)電機(jī)等可控分布式電源、逆變器等電能轉(zhuǎn)換裝置、蓄電池等儲(chǔ)能裝置及各類(lèi)負(fù)荷。邊緣層是整個(gè)架構(gòu)的核心，由邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣平臺(tái)及邊緣服務(wù)組成，在靠近設(shè)備數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)提供計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用部署等功能。圖1面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)Fig.1Edgecomputingarchitectureofthemicrogrid邊緣網(wǎng)關(guān)是邊緣計(jì)算架構(gòu)中的核心設(shè)備，通常部署在波動(dòng)較大的可再生能源發(fā)電設(shè)備、可實(shí)時(shí)調(diào)度的發(fā)電設(shè)備或電能轉(zhuǎn)換裝置、可實(shí)時(shí)調(diào)度的儲(chǔ)能裝置以及不穩(wěn)定負(fù)荷附近。鄰近的電力設(shè)備共用一臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)各類(lèi)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。邊緣網(wǎng)關(guān)由異構(gòu)計(jì)算單元〔FPGA和ARM架構(gòu)下的CPU〕、存儲(chǔ)單元、設(shè)備交互模塊及通信模塊組成，具有數(shù)據(jù)采集與傳輸、設(shè)備控制執(zhí)行等功能，支持CAN、RS485、Modbus、WIFI、ZigBee、4G等通信協(xié)議及、MQTT等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。各邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集分布式電源、負(fù)荷、電能轉(zhuǎn)換裝置及儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳至邊緣平臺(tái)。在邊緣平臺(tái)的協(xié)調(diào)下，各邊緣網(wǎng)關(guān)執(zhí)行邊緣側(cè)根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出的控制指令，對(duì)可調(diào)度的電力設(shè)備進(jìn)行控制。邊緣平臺(tái)是由各邊緣網(wǎng)關(guān)以分布式架構(gòu)共同運(yùn)行的軟件平臺(tái)，支持Python、Java、C等高級(jí)編程語(yǔ)言的編譯及運(yùn)行，在開(kāi)源邊緣計(jì)算開(kāi)放平臺(tái)〔KubeEdge、EdgeXFoundry等〕的基礎(chǔ)上運(yùn)行各類(lèi)面向微電網(wǎng)的管理及業(yè)務(wù)應(yīng)用和微服務(wù)。邊緣平臺(tái)匯總從各邊緣網(wǎng)關(guān)采集并上傳的設(shè)備數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)預(yù)處理后向云平臺(tái)上傳用于數(shù)據(jù)分析的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，同時(shí)接受云平臺(tái)管理。在經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)模型推理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)邏輯判定后，向相應(yīng)的邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制指令，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行形式、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行控制。為確保微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，在微電網(wǎng)中布置一臺(tái)與邊緣網(wǎng)關(guān)配置一樣的邊緣主網(wǎng)關(guān)作為運(yùn)行邊緣平臺(tái)的主設(shè)備，并在這里設(shè)備中對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行本地可視化。邊緣服務(wù)是邊緣層所有設(shè)備資源的集合。邊緣服務(wù)通過(guò)邊云協(xié)同使邊緣資源與云端資源合作，最大化邊緣計(jì)算架構(gòu)的計(jì)算、存儲(chǔ)能力。邊緣服務(wù)分為三層：基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和軟件層，分別與云服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層〔infrastructureasaservice,IaaS〕、平臺(tái)即服務(wù)層〔platformasaservice,PaaS〕和軟件即服務(wù)〔softwareasaservice,SaaS〕層相對(duì)應(yīng)，并在資源、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、服務(wù)四個(gè)方面協(xié)同工作，協(xié)同功能如此圖2所示。圖2邊云協(xié)同F(xiàn)ig.2Collaborationofedgeandcloud邊緣基礎(chǔ)設(shè)施層包括邊緣層的各類(lèi)計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)硬件。邊緣平臺(tái)對(duì)該層資源進(jìn)行統(tǒng)一的底層調(diào)度管理，為邊緣計(jì)算在微電網(wǎng)中的運(yùn)用提供了統(tǒng)一的底層服務(wù)。該層與云IaaS層在資源管理方面協(xié)同工作，邊緣側(cè)定期更新云端提供的資源生命周期管理策略，并實(shí)時(shí)接受云端的資源調(diào)度，進(jìn)而對(duì)邊緣設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接、計(jì)算存儲(chǔ)資源進(jìn)行本地化管理，減輕云端的計(jì)算與管理負(fù)擔(dān)。邊緣平臺(tái)層提供了承載各類(lèi)邊緣智能應(yīng)用及微服務(wù)的框架或中間件。借助容器及相關(guān)編排技術(shù)如Docker、Kubernetes等，邊緣平臺(tái)層為應(yīng)用及微服務(wù)提供了統(tǒng)一的部署環(huán)境，并在平臺(tái)層面提供給用及微服務(wù)的調(diào)度管理功能。同時(shí)，該層也承載了數(shù)據(jù)管理的功能，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)服務(wù)。該層與云PaaS層在數(shù)據(jù)方面協(xié)同工作，邊緣側(cè)主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與上傳，云端則主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，并將所得模型或業(yè)務(wù)邏輯下放至邊緣側(cè)執(zhí)行。同時(shí)，該層也與云PaaS層在應(yīng)用方面協(xié)同，云端提供給用或微服務(wù)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試環(huán)境，邊緣側(cè)則提供給用或微服務(wù)部署環(huán)境，并配合云端的應(yīng)用或微服務(wù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。邊緣軟件層可根據(jù)不同需求部署設(shè)備與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及告警、實(shí)時(shí)控制策略執(zhí)行等微服務(wù)，知足微電網(wǎng)不斷增加的各類(lèi)異構(gòu)設(shè)備管理需求。相較于應(yīng)用程序APP,微服務(wù)愈加輕量化，更合適運(yùn)行于資源有限的邊緣設(shè)備中。該層與云SaaS層在服務(wù)方面協(xié)同工作，云端提供長(zhǎng)期性服務(wù)，并制定云端與邊緣側(cè)的服務(wù)分配策略；邊緣側(cè)則在云端的分配下，通過(guò)與云端服務(wù)的協(xié)同提供實(shí)時(shí)性服務(wù)。2構(gòu)建方案2.1數(shù)據(jù)流程數(shù)據(jù)處理是微電網(wǎng)邊緣計(jì)算架構(gòu)的核心，其全流程如此圖3所示。邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)采自各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、解析等預(yù)處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于控制邏輯判定及預(yù)測(cè)模型對(duì)照，并根據(jù)處理結(jié)果執(zhí)行預(yù)設(shè)控制策略。同時(shí)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于本地可視化并存儲(chǔ)在本地時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。用于功率預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)及微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)則在加密后上傳至云端，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化處理，并將上行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。云端完成數(shù)據(jù)挖掘后，定期將訓(xùn)練所得的預(yù)測(cè)模型更新至邊緣側(cè)。相較于數(shù)據(jù)完全本地存儲(chǔ)的傳統(tǒng)能量管理形式及將所有數(shù)據(jù)上傳至云端的云-端兩層管理形式，該流程既保證了數(shù)據(jù)處理的安全性與實(shí)時(shí)性，同時(shí)也通過(guò)數(shù)據(jù)的本地化處理及分層存儲(chǔ)降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。圖3數(shù)據(jù)處理流程Fig.3Dataprocessing數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全三方面。數(shù)據(jù)安全部分在2.3中介紹。2.1.1數(shù)據(jù)計(jì)算為在邊緣網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)處理及機(jī)器學(xué)習(xí)模型推理等計(jì)算功能，采用異構(gòu)計(jì)算〔heterogeneouscomputing,HC〕作為邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件架構(gòu)，即在邊緣網(wǎng)關(guān)中集成體系構(gòu)造不同的計(jì)算單元，如CPU、FPGA等，進(jìn)而提供傾向性不同的計(jì)算資源。CPU通用性強(qiáng)，合適處理不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，可知足微電網(wǎng)各類(lèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理需求。FPGA執(zhí)行速度快、并行工作能力強(qiáng)，是最合適用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型推理的計(jì)算器件。深度學(xué)習(xí)及其別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方式方法當(dāng)前正被廣泛運(yùn)用于微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制、能量管理、優(yōu)化調(diào)度等領(lǐng)域，如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制[16]、負(fù)荷預(yù)測(cè)[17]以及基于深度學(xué)習(xí)的功率預(yù)測(cè)[18,19]、孤島檢測(cè)[20]、儲(chǔ)能調(diào)度[21]等。在基于邊云協(xié)同的邊緣計(jì)算架構(gòu)中，深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練在云端進(jìn)行，模型推理則在邊緣網(wǎng)關(guān)中基于按需加速框架運(yùn)行[22].2.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不同于云-端架構(gòu)下將所有設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分層存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及無(wú)分析價(jià)值的備份數(shù)據(jù)保存在邊緣網(wǎng)關(guān)的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中，僅將有分析價(jià)值的數(shù)據(jù)及必要設(shè)備狀態(tài)信息上傳至云端。通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)用接口，云端管理員可實(shí)時(shí)從邊緣網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)中上傳臨時(shí)需要查看的數(shù)據(jù)，節(jié)省常態(tài)化數(shù)據(jù)傳輸流量。在數(shù)據(jù)庫(kù)選擇方面，由于微電網(wǎng)的各設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有明顯的時(shí)序性，無(wú)論是負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)或其他預(yù)測(cè)性運(yùn)維業(yè)務(wù)均需要大量按時(shí)間序列存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，因而，在邊緣網(wǎng)關(guān)中部署輕量級(jí)的RedisEdge多模型數(shù)據(jù)庫(kù)，其集成了時(shí)序〔RedisTimeSeries〕模塊，可在云服務(wù)中斷時(shí)將需要上傳的待分析數(shù)據(jù)按時(shí)間序列保存在邊緣側(cè)，并支持對(duì)保存在本地的設(shè)備時(shí)序數(shù)據(jù)的快速檢索與處理。同時(shí)，RedisEdge支持集合〔set〕、列表〔list〕、哈希表〔Hash〕等常見(jiàn)數(shù)據(jù)構(gòu)造，可用于存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?；赗edisEdge的可拓展性，還可針對(duì)不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，在邊緣設(shè)備中部署特定的Redis模塊，用于存儲(chǔ)構(gòu)造化或非構(gòu)造化數(shù)據(jù)。2.2網(wǎng)絡(luò)通信在面向微電網(wǎng)的邊緣架構(gòu)中，通信主要包含三個(gè)部分：電力設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)之間的通信、邊緣網(wǎng)關(guān)之間的通信以及邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間的通信。邊緣網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)一定范圍內(nèi)各電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，因而電力設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)之間視物理距離的不同，采用RS485、Modbus等有線(xiàn)通信或ZigBee等無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各邊緣網(wǎng)關(guān)之間相距較遠(yuǎn)，且存在計(jì)算資源、控制策略的協(xié)同，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求高，因而視微電網(wǎng)的規(guī)模大小不同而采用光纖或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。由于云端需對(duì)若干個(gè)分布式微電網(wǎng)進(jìn)行管理，且微電網(wǎng)可能部署在海島等偏僻地區(qū)，因而邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間統(tǒng)一采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并通過(guò)或MQTT等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)不同設(shè)備數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，邊緣網(wǎng)關(guān)之間以及邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間的所有數(shù)據(jù)均可通過(guò)輕量級(jí)的JSON格式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸、解析速度快。2.3安全機(jī)制固然邊緣計(jì)算架構(gòu)減少了由設(shè)備層至云端的數(shù)據(jù)傳輸量，但架構(gòu)復(fù)雜性高于云-端架構(gòu)。微電網(wǎng)的各類(lèi)優(yōu)化控制均建立在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，因而需要保證邊緣計(jì)算架構(gòu)的全流程安全，包括基礎(chǔ)設(shè)施安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全等四個(gè)方面，詳細(xì)措施或功能如此圖4所示?；A(chǔ)設(shè)施安全要求包括訪(fǎng)問(wèn)認(rèn)證、可靠遠(yuǎn)程升級(jí)及設(shè)備身份標(biāo)識(shí)。微電網(wǎng)在實(shí)際中常處于無(wú)人值守狀態(tài)，因而遠(yuǎn)程的系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)安全性至關(guān)重要。采用基于身份標(biāo)識(shí)的密碼系統(tǒng)〔identity-basedcryptograph,IBC〕來(lái)對(duì)邊緣設(shè)備身份進(jìn)行認(rèn)證，云端統(tǒng)一管理邊緣設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)碼，邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)數(shù)學(xué)方式離線(xiàn)生成私鑰并存儲(chǔ)在本地，無(wú)須部署安全證書(shū)。當(dāng)云端有維護(hù)升級(jí)需求或邊緣網(wǎng)關(guān)間有訪(fǎng)問(wèn)需求時(shí)，只需交換唯一標(biāo)識(shí)碼即可進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)認(rèn)證，在低通信開(kāi)銷(xiāo)的前提下保證了基礎(chǔ)設(shè)施的訪(fǎng)問(wèn)安全。圖4安全機(jī)制Fig.4Securitymechanism網(wǎng)絡(luò)安全包括安全協(xié)議、入侵檢測(cè)及網(wǎng)絡(luò)攻擊防護(hù)。在牽涉敏感區(qū)域或設(shè)施的微電網(wǎng)中，邊緣層與云層間的通信可在普通傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)SSL、TLS、VPN等網(wǎng)絡(luò)安全通道進(jìn)行數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)絡(luò)傳輸，防止數(shù)據(jù)泄漏。為防護(hù)網(wǎng)絡(luò)攻擊，在邊緣網(wǎng)關(guān)中部署入侵檢測(cè)系統(tǒng)〔intrusionpreventionsystem,IPS〕，對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)中的可疑流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)日志定期上傳至云端。云端則根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)日志的分析，定期更新攻擊防護(hù)規(guī)則并下放至邊緣側(cè)。數(shù)據(jù)安全包括傳輸加密、存儲(chǔ)加密及數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)控制。邊緣設(shè)備的計(jì)算資源較為有限，因而可采用基于密文策略的屬性加密〔CP-ABE〕[23]或同態(tài)加密算法〔LHE〕[24]等輕量級(jí)數(shù)據(jù)加密算法，可以采用與IBC一樣的加密算法，保障存儲(chǔ)、傳輸經(jīng)過(guò)中的數(shù)據(jù)安全；通過(guò)邊云協(xié)同的權(quán)限管理確定邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，并對(duì)請(qǐng)求敏感數(shù)據(jù)的行為進(jìn)行監(jiān)控。應(yīng)用安全包括應(yīng)用隔離、應(yīng)用監(jiān)控及應(yīng)用權(quán)限控制。在底層硬件上配置可信執(zhí)行環(huán)境[25],并采用虛擬機(jī)及容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用間互相隔離。對(duì)部署在邊緣網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)控，在監(jiān)視應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)分析應(yīng)用日志，進(jìn)而對(duì)應(yīng)用長(zhǎng)期行為進(jìn)行監(jiān)控，防備惡意代碼注入。通過(guò)白名單、角色管理等方式方法對(duì)應(yīng)用在測(cè)試及運(yùn)行階段的權(quán)限進(jìn)行控制。3應(yīng)用實(shí)踐以華南南海某海島已建成的微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，介紹面向微電網(wǎng)的邊緣架構(gòu)在實(shí)際項(xiàng)目中的布局及運(yùn)作方式。基于邊緣計(jì)算的海島微電網(wǎng)構(gòu)造如此圖5所示。該海島上分布著光伏、風(fēng)機(jī)等不可調(diào)節(jié)的可再生能源發(fā)電設(shè)備、柴油發(fā)電機(jī)組等可調(diào)節(jié)的發(fā)電設(shè)備及蓄電池組等儲(chǔ)能設(shè)備，同時(shí)分布著商業(yè)用電子網(wǎng)、居民用電子網(wǎng)、海水源熱泵等用電負(fù)荷。發(fā)電側(cè)通過(guò)主變壓器將電能輸送至10kV高壓網(wǎng)，并通過(guò)各配電變壓器向各用電子網(wǎng)供電。3.1邊緣網(wǎng)關(guān)選址及通信實(shí)現(xiàn)以空間上聚集的電力設(shè)備分享一臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)為原則，在海島微電網(wǎng)各設(shè)備附近共布置9臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)，包括布置在本地微電網(wǎng)監(jiān)控中心的1臺(tái)邊緣主網(wǎng)關(guān)。4臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)布置在發(fā)電側(cè)，華而不實(shí)2臺(tái)通過(guò)RS485及CAN總線(xiàn)接入光伏、風(fēng)機(jī)等不可控電源及變流器、逆變器等電能轉(zhuǎn)換裝置，2臺(tái)通過(guò)CAN總線(xiàn)接入蓄電池組的電池管理系統(tǒng)及三個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組。4臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)布置在負(fù)荷側(cè)，2臺(tái)通過(guò)RS485接入商業(yè)及居民用電子網(wǎng)的終端控制器，2臺(tái)通過(guò)RS485接入海水源熱泵及水廠用電負(fù)荷的控制器。通過(guò)RS485接入的設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而通過(guò)CAN總線(xiàn)接入的設(shè)備則與邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)CANOpen協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)關(guān)間通信，在各邊緣網(wǎng)關(guān)間架設(shè)以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)〔ethernetpassiveopticalnetwork,EPON〕，沿380V及10kV電纜線(xiàn)路敷設(shè)光纜，為邊緣平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行及微電網(wǎng)的控制策略執(zhí)行提供穩(wěn)定的光纖網(wǎng)絡(luò)支撐。邊緣平臺(tái)采用KubeEdge開(kāi)源平臺(tái)，與云平臺(tái)通過(guò)4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，并以邊緣主網(wǎng)關(guān)作為邊云通信主設(shè)備。在海島實(shí)現(xiàn)5G基站覆蓋后，邊緣平臺(tái)與云平臺(tái)可通過(guò)傳輸速率更高層次的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。3.2邊云協(xié)同功能實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算架構(gòu)中的云服務(wù)運(yùn)行在遠(yuǎn)離海島的遠(yuǎn)程微電網(wǎng)監(jiān)控中心的私有云中，云平臺(tái)則運(yùn)行在私有云的主服務(wù)器中。私有云具有可拓展的計(jì)算、存儲(chǔ)資源，具有批量分布式微電網(wǎng)接入能力，可對(duì)所有接入的微電網(wǎng)進(jìn)行云監(jiān)控，并通過(guò)制定、更新邊緣層的資源管理策略實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣資源的協(xié)同管理。在應(yīng)用協(xié)同及服務(wù)協(xié)同方面，在云端進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)且在邊緣平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試后，于邊緣軟件層中部署數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、預(yù)測(cè)模型推理、設(shè)備監(jiān)控及設(shè)備調(diào)度等微服務(wù)，并于云SaaS層中部署預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練、可視化監(jiān)控等應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集微服務(wù)實(shí)時(shí)采集發(fā)電設(shè)備〔光伏、風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等〕、電能轉(zhuǎn)換設(shè)備〔變流器、逆變器等〕、蓄電池組、負(fù)荷〔各子網(wǎng)等〕的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以及JSON格式轉(zhuǎn)換后上傳至邊緣平臺(tái)。設(shè)備監(jiān)控微服務(wù)根據(jù)存儲(chǔ)在本地的設(shè)備狀態(tài)告警邏輯及預(yù)測(cè)性維護(hù)模型對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、判定，并將告警及維護(hù)信息在邊緣主網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行可視化。預(yù)測(cè)模型推理微服務(wù)根據(jù)部署在本地的負(fù)荷及發(fā)電預(yù)測(cè)模型對(duì)光伏、風(fēng)機(jī)等可再生能源的出力〔電壓、電流、功率等〕及負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。設(shè)備調(diào)度微服務(wù)結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)控制策略，向柴油發(fā)電機(jī)組及蓄電池組發(fā)出控制指令，對(duì)發(fā)電機(jī)組的出力及蓄電池組的充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)管理微服務(wù)將運(yùn)行數(shù)據(jù)備份于各邊緣網(wǎng)關(guān)的RedisEdge數(shù)據(jù)庫(kù)中，將光伏、風(fēng)機(jī)的出力和各負(fù)荷的實(shí)時(shí)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)信息通過(guò)邊緣主網(wǎng)關(guān)加密上傳至云平臺(tái)。云端的預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練應(yīng)用調(diào)用TensorFlow、Caffe等機(jī)器學(xué)習(xí)框架，根據(jù)上傳數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型以及各光伏、風(fēng)機(jī)的發(fā)電預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更新訓(xùn)練，并定期將更新后的模型下放至邊緣主網(wǎng)關(guān)中，再由數(shù)據(jù)管理微服務(wù)將預(yù)測(cè)模型分配至相應(yīng)的邊緣網(wǎng)關(guān)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同?？梢暬O(jiān)控應(yīng)用將上傳的設(shè)備狀態(tài)信息在Web端及移動(dòng)端進(jìn)行可視化，管理員可隨時(shí)隨地把握微電網(wǎng)運(yùn)行狀況。圖5基于邊緣計(jì)算的華南南海某海島微電網(wǎng)構(gòu)造Fig.5ArchitectureofthemicrogridbasedonedgecomputinginanislandintheSouthChinaSea3.3安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施安全及數(shù)據(jù)安全方面，云平臺(tái)根據(jù)海島所在地區(qū)及各邊緣網(wǎng)關(guān)的MAC地址，為每個(gè)邊緣網(wǎng)關(guān)分配唯一的設(shè)備身份標(biāo)識(shí)ID,并通過(guò)SM9標(biāo)識(shí)密碼算法[26]進(jìn)行密鑰封裝解封及數(shù)據(jù)加密解密，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)關(guān)及云平臺(tái)之間的訪(fǎng)問(wèn)安全及數(shù)據(jù)傳輸安全。同時(shí)，云平臺(tái)對(duì)各邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)最小受權(quán)原則進(jìn)行權(quán)限管理，邊緣網(wǎng)關(guān)則對(duì)所有嘗試訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求進(jìn)行SM9密鑰驗(yàn)證及權(quán)限驗(yàn)證。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，邊緣軟件層中部署了流量監(jiān)控微服務(wù)，根據(jù)安全策略對(duì)邊緣網(wǎng)關(guān)的上傳、下載流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將異常日志反應(yīng)至云平臺(tái)，云平臺(tái)通過(guò)部署在云SaaS層中的異常分析應(yīng)用對(duì)異常日志進(jìn)行分析后更新并下放安全策略。在應(yīng)用安全方面，基于KubeEdge的邊緣平臺(tái)對(duì)容器以及容器內(nèi)的應(yīng)用和微服務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)用或微服務(wù)行為后立即對(duì)異常應(yīng)用或微服務(wù)進(jìn)行沙箱隔離，并將異常信息在邊緣側(cè)及云平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。4結(jié)束語(yǔ)面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)測(cè)及控制，在保證負(fù)荷正常運(yùn)行的同時(shí)有效提高光伏、風(fēng)能等可再生能源的利用效率，進(jìn)而提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性；而當(dāng)與云端網(wǎng)絡(luò)連接不佳時(shí)，在安全機(jī)制保衛(wèi)下的邊緣計(jì)算架構(gòu)亦可保證微電網(wǎng)在本地的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，十分是保障敏感負(fù)荷的供電。本文提出了邊緣計(jì)算在獨(dú)立微電網(wǎng)中的初步應(yīng)用架構(gòu)，闡述了該架構(gòu)的構(gòu)建方案，最后結(jié)合某海島微電網(wǎng)開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)踐，為邊緣計(jì)算技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了參考方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算設(shè)備向著小型化、集成化、智能化的方向發(fā)展，在靠近電力設(shè)備的邊緣側(cè)獲取計(jì)算能力是重要趨勢(shì)。5G技術(shù)的快速發(fā)展則帶來(lái)了新的低時(shí)延通信方案，用于邊-邊互聯(lián)以及邊-云互聯(lián)的通信技術(shù)也將大有可為，邊云協(xié)同的效率將進(jìn)一步提升。將來(lái)邊緣計(jì)算架構(gòu)在電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方面還需更深切進(jìn)入的研究，以推動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)在微電網(wǎng)、分布式綜合能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。以下為參考文獻(xiàn)[1]王成山，武震，李鵬微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020,29〔2〕：1-12DOl:10.19595/ki.1000-6753.tces.2020.02.001.[2]羅軍舟，金嘉暉，宋愛(ài)波，等。云計(jì)算體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]通信學(xué)報(bào)，2018,32〔7〕：3-21.DOI:103969/j.issn.1000-436X2018.07.002.[3]YAGHMAEEMH,LEON-GARCIAA,MOGHADDASSIANM.Ontheperformanceofdistributedandcloud-baseddemandresponseinsmartgrid[J].IEEEtransactionsonsmartgrid,20219〔5〕：5403-5417.DOl:10.1109/TSG.2021.2688486.[4]SHIWS,CAOJ,ZHANGQ,etal.Edgecomputing:visionandchallenges[J].IEEEinternetofthingsjournal,2021,3〔5〕：637-646.DOl:10.1109/JI0T.2021.2579198.[5]施巍松，張星洲，王一帆等邊緣計(jì)算：現(xiàn)在狀況與瞻望[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2022,56〔1〕：69-89.DOI:10.7544/issn1000-1239.2022.20210760.[6]龔鋼軍，羅安琴，陳志敏等基于邊緣計(jì)算的主動(dòng)配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)[J]電網(wǎng)技術(shù)，2021,42〔10〕：3128-3135.DOl:10.13335/j.1000-3673pst2021.0119.[7]司羽飛，譚陽(yáng)紅，汪諷，等面向電力物聯(lián)網(wǎng)的云邊協(xié)同構(gòu)造模型[J/OL].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)〔2020-05-20〕[2020-06-04].ttpsdoiorg/10.13334/j.0258-8013.pcsee.191532.[8]CHENSL,WENH,WUJS,etal.InternetofThingsbasedsmartgridssupportedbyintelligentedgecomputing[J].IEEEaccess2022,7:74089-74102.DO1:10.1109/ACCESS.2022.2920488.[9]孫浩洋，張冀川，王鵬等面向配電物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)2022,43〔12〕：4314-4321.DOl:10.13335/j.1000-3673.pst2022.1750.[10]祁兵，夏琰，李彬，等基于邊緣計(jì)算的家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方式[J].電力建設(shè)，2021,39〔3〕。33-41.DOlI:10.3969/j.issn.1000-72292021.03.004.[11]LIW,YANGT,DELICATOFC,etal.OnenablingsustainableedgecomputingwithrenewableenergyresourcesI[J].EEcommunicationsmagazine,2021,56〔5〕：94-101.DOl:10.1109/MCOM.2021.1700888.[12]張衛(wèi)紅，陳小龍，萬(wàn)順，等基于邊緣計(jì)算的分布式配電故障處理系統(tǒng)[J]供用電，2022,36〔9〕：28-33,58.DOl:10.19421/ki.1006--6357202209005.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