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基于雾计算的电力系统监测网络关键技术与应用

童晋  
【摘要】:伴随着智能电网、电力物联网与能源互联网的快速发展,边缘节点的数量呈指数级增长,对传统电网基于中心化的运行方式与通讯逻辑提出了挑战。日益增长的基础数据将极大地占用系统云端的计算与通讯资源,而底层网络中却存在计算与通讯资源富余的情况。因此,如何在不影响系统运行的情况下,高效地利用边缘资源来削减云端压力是亟需解决的问题。雾计算作为云计算的延伸,将各类服务自云端拓展至边缘,用于提供低延时网络服务、高效数据传递和资源利用率,被认为是提升系统处理边缘问题效率的不二之选。然而,不同于通用系统,电力系统中固有的运行与成本需求对雾计算的应用提出了更高的要求。一方面,雾计算需兼容于现行电力系统监测网络,在较低的建设成本的基础上提供更优的网络功能是其应用的前提。另一方面,由于雾计算中额外运算和通讯将增加节点功耗,因此节点的能量来源和能耗的削减是其能否可靠运行的保证。因此,本文拟从基于雾计算的电力系统监测网络架构、节点能量来源、网络的运行管理三方面展开研究,并结合电力系统短路故障的监测所需,提出基于雾计算的算法案例作为其应用实效性的支撑,本文的主要工作概况如下:1)将雾计算架构整合入电力系统监测网络范畴内。在基于现有电力系统监测网络基础设施,满足现行系统的数据采集与传输的基础上,雾计算架构被用于提高系统边缘和站点间富余的计算和通信资源的利用率。其中,软件定义网络被用于控制并管理节点间的通信,进而实现雾计算的通讯逻辑。该架构具备更短的事件处理流程,适应各类不同事件的触发情况。文中同时对所提出的雾计算通讯逻辑进行了仿真,并验证其具备更低的通讯时延的特性。2)研究电力系统站外节点的能量供给方案,解决雾计算应用中底层节点所需能量问题,进而削减因强电磁环境带来的通信成本上升问题。雾计算的应用将提升监测网络中底层节点的能耗,本文通过分析电力系统站外环境中可供采集的环境能量,阐述了电力系统站外节点的能量供给策略,并整合环境能量采集方案为部署于架空线路上的感知节点设计一种能量供给方案,进而将线路沿线感知节点的维护与通讯、计算节点分离,降低系统的运营与维护成本。3)研究降低监测网络运行能耗的雾计算网络运行能耗管理方案,着力提升监测网络运行寿命。方案基于盲克里金代理模型,被配置在更贴近监测节点的信息汇聚节点中运行,无需上层网络的信息与控制。通过将离散的监测数据整合成对应的数学模型,部分节点的监测信息可由模型代为预测,从而减少节点的运行次数,平衡监测精度与能耗之间的关系,最高可提高底层监测网络36.22%的运行寿命。4)以电力系统短路故障为例,研究提升电力系统运行安全性的雾计算用例。基于本文提出的雾计算监测网络架构与现有电力系统通信网络提出一种诊断精度高、容错能力强、资源需求少的短路诊断新方案,可应用为现行方案的增补。其中,具备高效通讯能力和计算能力的IED被定义为雾计算节点,节点所采集的保护信息被定向处理成极小的目标知识,可以在线路上的相关雾节点之间完成快速交互。互为相关的知识在雾节点中共同构建故障矩阵并计算出自身线路的诊断值,从而完成故障线路的定位。该方案的有效性基于IEEE 118系统验证,在具有更高的响应效率的同时,兼具良好的容错性,可以在任意三个错误信息的情况下保持100%的准确性。同时,文中基于现有电力系统通信网络,对知识交互进行仿真,验证本文所提的雾计算架构在不同网络状态下的延迟特性。


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