楊定坤 趙 南 馬紅雙 李 輝
(江蘇電力信息技術(shù)有限公司 南京 210000)
近年來(lái),云數(shù)據(jù)和邊緣計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn),加快了數(shù)據(jù)發(fā)展的進(jìn)程,云邊協(xié)同技術(shù)更是得到了用戶的青睞。邊云協(xié)同在一種意義上對(duì)邊緣計(jì)算進(jìn)行多數(shù)部署,并將邊緣側(cè)與中心云的協(xié)同共同滿足應(yīng)用場(chǎng)景需要,但目前電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的協(xié)同效率低下,嚴(yán)重滯后了電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。為了提高數(shù)據(jù)計(jì)算效率,需要對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的云邊協(xié)同進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用。
因此,經(jīng)過(guò)多方研究和查閱資料,根據(jù)云邊協(xié)同對(duì)數(shù)據(jù)交互上的應(yīng)用分析,設(shè)計(jì)出多個(gè)電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)同方式。文獻(xiàn)[1]通過(guò)農(nóng)村公共服務(wù)網(wǎng)格化供給為案例,對(duì)云網(wǎng)融合技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用說(shuō)明,該技術(shù)通過(guò)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行電力設(shè)備的云邊協(xié)同,通過(guò)再次對(duì)配套機(jī)制進(jìn)行改造,形成“橫向到邊,縱向到底”的服務(wù)格局,該技術(shù)雖然進(jìn)一步優(yōu)化服務(wù)流程細(xì)節(jié),提高電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集能力,滿足電力集團(tuán)的組網(wǎng)和計(jì)算需求,使電力資源能夠快速部署。但是這種方法由于數(shù)據(jù)融合過(guò)多容易造成混亂,使電網(wǎng)調(diào)度出現(xiàn)問(wèn)題[1];文獻(xiàn)[2]提出了一種圖論的影像匹配粗差探測(cè)算法,該方法將位于左右影像上的匹配點(diǎn)構(gòu)成完全圖,然后利用三角形相似性將兩個(gè)完全圖導(dǎo)出一個(gè)屬性圖,通過(guò)迭代算法,將屬性值低的節(jié)點(diǎn)逐步剔除,該方案通過(guò)建立深度學(xué)習(xí)模型,把電網(wǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)云邊協(xié)同聚合在一個(gè)服務(wù)器中,加快數(shù)據(jù)處理速度,減小系統(tǒng)的通信壓力。但是數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果不夠精確,對(duì)聚合服務(wù)器的要求過(guò)高,增加了建設(shè)成本。
通過(guò)上述云邊協(xié)同技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用分析,本研究為加強(qiáng)電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行能力,本文設(shè)計(jì)一種云邊協(xié)同組織架構(gòu);通過(guò)數(shù)字化集成技術(shù)能夠更加清晰顯示電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)同的狀態(tài);采用電網(wǎng)CPS建模加強(qiáng)云邊協(xié)同能力,便于信息交互和管理;利用完全分布式協(xié)同算法加快了云邊協(xié)同數(shù)據(jù)的傳輸速度,提高了電力網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)同能力[3]。
為了增加電力物聯(lián)網(wǎng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)與邊緣運(yùn)營(yíng)設(shè)備的協(xié)同能力,本研究設(shè)計(jì)一種云邊協(xié)同組織架構(gòu)。能夠解決電網(wǎng)服務(wù)對(duì)象廣泛及業(yè)務(wù)周期峰值等問(wèn)題,但能源行業(yè)由于分布廣泛、體量巨大,若將所有的數(shù)據(jù)全部上傳到云端處理,會(huì)增加系統(tǒng)計(jì)算壓力[4]。在能源行業(yè)中部署設(shè)備能夠最大程度滿足大批量的數(shù)據(jù)傳輸,因此云邊協(xié)同組織架構(gòu)的建立能夠順應(yīng)目前電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程。云邊協(xié)同組織架構(gòu)如圖1所示。
圖1 云邊協(xié)同組織架構(gòu)
云邊協(xié)同組織架構(gòu)核心是大數(shù)據(jù)庫(kù),能夠把電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在大數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后供給各個(gè)邊緣設(shè)備,通過(guò)架設(shè)數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳達(dá)和整體調(diào)度[5]。整個(gè)組織結(jié)構(gòu)分為一個(gè)中心云和四個(gè)邊緣設(shè)備,云服務(wù)是指中心云平臺(tái),主要進(jìn)行電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的錄入和電網(wǎng)CPS建模,根據(jù)采集的協(xié)同數(shù)據(jù)建立電網(wǎng)協(xié)同物理融合模型;四個(gè)邊緣設(shè)備分別為計(jì)算機(jī)算法、廣域網(wǎng)管控中心、邊緣平臺(tái)和數(shù)字集成技術(shù),計(jì)算機(jī)算法采用的是完全分布式協(xié)同算法;廣域網(wǎng)管控中心負(fù)責(zé)安全管控,主要對(duì)輸出電廠、電力市場(chǎng)和用電單位進(jìn)行監(jiān)控和電力運(yùn)行分析;邊緣平臺(tái)設(shè)有邊緣設(shè)備,對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和上報(bào);數(shù)據(jù)集成技術(shù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和顯示屏呈現(xiàn)在屏幕上或者輸入到瀏覽器中便于后續(xù)檢索[6]。
整個(gè)云邊協(xié)同組織架構(gòu)根據(jù)中心擴(kuò)散的思想,把大數(shù)據(jù)作為中心,擴(kuò)散到眾多邊緣設(shè)備,增強(qiáng)了電力物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的協(xié)同能力,提高云邊數(shù)據(jù)的協(xié)同效率[7]。
在云邊協(xié)同組織架構(gòu)中數(shù)據(jù)顯示通過(guò)數(shù)字集成化來(lái)完成,對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初步處理,輸入到組織架構(gòu)中,數(shù)據(jù)集成技術(shù)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,使組織架構(gòu)具備數(shù)據(jù)跟蹤能力[8],從而更好地了解數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài),數(shù)字化集成技術(shù)功能圖如圖2所示。
圖2 數(shù)字集成功能圖
數(shù)字集成化思路是從電網(wǎng)邊緣設(shè)備建立集成數(shù)字平臺(tái),將電網(wǎng)建模和數(shù)值建模集中數(shù)據(jù)梳理,并在此基礎(chǔ)上重新開(kāi)發(fā)數(shù)值建模模塊,最后開(kāi)發(fā)建養(yǎng)一體數(shù)字化平臺(tái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,將計(jì)算結(jié)果通過(guò)建立的傳輸通道和數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)交A(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)一體數(shù)字化平臺(tái)[9]。
在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)期,基于數(shù)字?jǐn)?shù)值一體化平臺(tái),對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和施工狀態(tài)分析,以施工結(jié)束后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),反演分析設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)-地層荷載與地層彈性抗力[10]。最后根據(jù)反演參數(shù)來(lái)確定襯砌結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài),得到隧道典型斷面的受力變形狀況以及安全系數(shù),從而為后續(xù)的養(yǎng)護(hù)工作提供必要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。
信息物理融合系統(tǒng)(Cyber physical systems, CPS)即一個(gè)邊緣計(jì)算控制平臺(tái)與其對(duì)應(yīng)集群設(shè)備可構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)程序的性能邊緣(Computer program performance specification, CPPS),將其稱為邊緣計(jì)算組[11]。云邊協(xié)同的集中分布聯(lián)合控制方式下,邊緣計(jì)算組即是全網(wǎng)系統(tǒng)的基本計(jì)算單元。通過(guò)信息接地節(jié)點(diǎn)方法對(duì)協(xié)同集中數(shù)據(jù)進(jìn)行化簡(jiǎn),N節(jié)點(diǎn)、M條支路的邊緣計(jì)算組的關(guān)聯(lián)矩陣為N×M矩陣,得到邊緣數(shù)據(jù)矩陣A=[aij],推算出擴(kuò)展矩陣A′。
式中,aij表征節(jié)點(diǎn)i和支路j的關(guān)聯(lián)關(guān)系。擴(kuò)展矩陣A′最后一行除最后一個(gè)元素為?1外,其余均為零,表示數(shù)據(jù)傳輸通道只有協(xié)同信息流入;最后一列表示冗余數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)流入接地支路,定義矩陣ACG表示所有節(jié)點(diǎn)與冗余支路的連接關(guān)系,其結(jié)構(gòu)如式(3)所示
將單一邊緣計(jì)算組模型作為整體模型,通過(guò)整體模型的覆蓋方式實(shí)現(xiàn)組間協(xié)同自治、云邊協(xié)同控制的過(guò)程即建立統(tǒng)一計(jì)算模型的過(guò)程。
用關(guān)聯(lián)矩陣模型為AP×QN+1~N+P和AP×Q描述協(xié)同模型的建立步驟,多組協(xié)同的建模方法即將兩個(gè)單元模型的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)[12]。模型1的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1~N,數(shù)據(jù)支路編號(hào)為1~M;模型2的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為N+1~N+P,數(shù)據(jù)支路編號(hào)為M+1~M+Q;協(xié)同模型建立過(guò)程中,數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生變化,但組間數(shù)據(jù)交換使數(shù)據(jù)支路增加。設(shè)新增r條支路,則產(chǎn)生的增補(bǔ)矩陣為
式中,aIJ表示模型1的增補(bǔ)數(shù)據(jù);aIK表示模型2的增補(bǔ)數(shù)據(jù),與單元建模類似,增加接地節(jié)點(diǎn)和接地支路,增補(bǔ)矩陣與單元模型矩陣組成協(xié)同計(jì)算模型。
除邊緣計(jì)算組外,系統(tǒng)還包括大數(shù)據(jù)中心和主干網(wǎng)。將大數(shù)據(jù)中心視為數(shù)據(jù)池節(jié)點(diǎn),通過(guò)主干網(wǎng)與邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)連接,主干網(wǎng)是邊緣計(jì)算服務(wù)器與大數(shù)據(jù)中心交互的主干線,視為數(shù)據(jù)支路[13]。故含有S個(gè)單元計(jì)算模型的全網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣為
式中,ACG表示單元計(jì)算模型計(jì)算方式;AS表示全網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣數(shù)量;ABG表示增補(bǔ)數(shù)據(jù)矩陣的增補(bǔ)量。設(shè)主干網(wǎng)絡(luò)有W條數(shù)據(jù)通道連接,邊緣協(xié)同模型共有X個(gè)節(jié)點(diǎn),則模型中最后一行數(shù)據(jù)池節(jié)點(diǎn)為
式中,X表示單元協(xié)同模型節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);W表示網(wǎng)絡(luò)傳輸線路連接單元數(shù)量;aXW表示傳輸線路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同的數(shù)據(jù)。
通過(guò)上述CPS模型的建立過(guò)程,對(duì)整個(gè)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行分析,量化分析調(diào)度過(guò)程中不同運(yùn)行情況下的主要出力單元狀態(tài)變化,在集中分布控制方式下建立模型如圖3所示。
圖3 電網(wǎng)CPS模型
電網(wǎng)CPS模型劃分為兩個(gè)邊緣計(jì)算組,其中配網(wǎng)區(qū)域1負(fù)責(zé)用戶、設(shè)備和儲(chǔ)能方面的負(fù)荷電能,配網(wǎng)區(qū)域2負(fù)責(zé)工業(yè)上產(chǎn)生負(fù)荷的消耗,區(qū)域1、2均需要考慮用戶價(jià)格需求響應(yīng)。為簡(jiǎn)化電網(wǎng)模型運(yùn)行過(guò)程,對(duì)電力調(diào)度的功能導(dǎo)向進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化,并略去所有冗余數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)支路,從而縮短了電力物聯(lián)網(wǎng)的云邊協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間[14]。
完全分布式協(xié)同算法負(fù)責(zé)解決電力物聯(lián)網(wǎng)云邊協(xié)同數(shù)據(jù)的處理,包括云數(shù)據(jù)的歸類劃分和邊緣數(shù)據(jù)的收集傳輸[15]。
通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備采集的數(shù)據(jù)輸入到算法程序中,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代變化,使數(shù)據(jù)在通信層完成協(xié)同調(diào)整,即得到通信單元數(shù)據(jù)微增量為
式中,iφ為單元i在不含任何不等式約束下的出力計(jì)算值,即和bi表示成本系數(shù)。
更新調(diào)整項(xiàng)fi(k+1)并反饋回通信層。即使是可控單元,在實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)受到不確定因素的干擾造成對(duì)控制指令的執(zhí)行不充分,如響應(yīng)延時(shí)等,此時(shí)物理設(shè)備需要將自身的實(shí)際運(yùn)行情況上報(bào)給決策器,及時(shí)調(diào)整自身的控制指令以及對(duì)外的輸出信息。調(diào)整項(xiàng)的計(jì)算如下
式中,pi(k+1)、Di(k+1)分別為單元i在k+1時(shí)刻的有功出力以及有功需求的實(shí)測(cè)值。由通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)vi,j構(gòu)成的矩陣V即調(diào)整項(xiàng)協(xié)同隨機(jī)矩陣,即V的各列向量加和為1。為滿足矩陣收斂規(guī)則,對(duì)式(11)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理
式中,1T表示與V維度相等的單位行向量,根據(jù)矩陣的乘法特性,1TV表示將V列中的元素相加。由于V為調(diào)整項(xiàng)協(xié)同隨機(jī)矩陣,因此1TV=1T,則
將式(13)還原成變量表達(dá)形式,即
在設(shè)置初值時(shí)使
根據(jù)單元的可控性,根據(jù)自設(shè)權(quán)重的一致項(xiàng)系數(shù)矩陣W,給可控單元的單元分配較高的權(quán)重,反之不可控單元的單元權(quán)重較低。
對(duì)上述數(shù)據(jù)矩陣假設(shè)為協(xié)同量分析,令Di(0)為單元i在開(kāi)始并網(wǎng)時(shí)刻的本地有功需求,當(dāng)作已知量。Pi(0)可取其發(fā)電上下限內(nèi)的任意值,即
式中,Pi表示并網(wǎng)時(shí)邊緣數(shù)據(jù)協(xié)同量;Pi表示協(xié)同量的平均值;ai表示單個(gè)邊緣設(shè)備協(xié)同時(shí)的數(shù)據(jù);ib表示協(xié)同數(shù)據(jù)的連續(xù),在上述設(shè)定下符合前述要求[18]。
本研究根據(jù)華中區(qū)域電力物聯(lián)網(wǎng)的調(diào)研情況,在Intel i5 八代+64GB內(nèi)存計(jì)算機(jī)環(huán)境下,試驗(yàn)環(huán)境要求如下:服務(wù)器CPU的平均負(fù)荷率小于40%,通信的平均負(fù)荷小于35%;云中心存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大于5年;環(huán)境運(yùn)行要求如下:配置試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)條件采用酷睿8以上CPU,處理器應(yīng)用高通驍龍888;應(yīng)有充足的電源充電能力[19]。應(yīng)用Proteus進(jìn)行芯片仿真,使用Matlab仿真軟件完成仿真驗(yàn)證,根據(jù)云邊協(xié)同數(shù)據(jù),通過(guò)高配置計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)計(jì)算和驗(yàn)證,云邊協(xié)同組織架構(gòu)試驗(yàn)參數(shù)介紹如表1所示。
表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)配置
本文使用Windows 10操作系統(tǒng),通過(guò)模擬華中電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)同進(jìn)行采集記錄數(shù)據(jù),得到云邊協(xié)同架構(gòu)在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果,通過(guò)協(xié)同效率計(jì)算公式得出結(jié)果
式中,α表示云邊協(xié)同數(shù)據(jù)匯總量;T表示數(shù)據(jù)協(xié)同平均時(shí)間,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)記錄和式(18)計(jì)算得出本研究數(shù)據(jù)協(xié)同結(jié)果如表2所示。
表2 數(shù)據(jù)協(xié)同測(cè)試結(jié)果
本文試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試多條數(shù)據(jù)協(xié)同線路,記錄多組數(shù)據(jù),為減少誤差,本文所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平均值記錄數(shù)據(jù)結(jié)果,在表2中,通過(guò)將協(xié)同1線、協(xié)同2線和協(xié)同3線分別進(jìn)行對(duì)比分析。在大約700 s的時(shí)間內(nèi),協(xié)同1線的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)為5 000 MB,協(xié)同2線的數(shù)據(jù)大致為8 000 MB,協(xié)同3線的數(shù)據(jù)大致為6 000 MB。結(jié)合本研究的技術(shù)方案得出,協(xié)同1線的協(xié)同效率為8.33 MB/s,協(xié)同2線的協(xié)同效率為9.41 MB/s,協(xié)同3線的協(xié)同效率為8.57 MB/s,根據(jù)表2數(shù)據(jù)協(xié)同測(cè)試結(jié)果,可以看出本研究云邊協(xié)同應(yīng)用方式協(xié)同效率穩(wěn)定在8.5 MB/s。
為更清晰直觀了解本文云邊協(xié)同組織架構(gòu)的優(yōu)越性,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)模擬運(yùn)行,通過(guò)Matlab仿真軟件得到系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)增量隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。
圖4 云邊協(xié)同數(shù)據(jù)增量變化曲線
分析圖中云邊協(xié)同數(shù)據(jù)增量變化規(guī)律,云邊協(xié)同組織架構(gòu)數(shù)據(jù)增量呈梯次增加,在200 s開(kāi)始第一次增加,此時(shí)數(shù)據(jù)增量增加的數(shù)據(jù)是最快的,之后增加量減少,在1 200 s達(dá)到最大,最大數(shù)據(jù)增量為550 MB,之后在極短時(shí)間內(nèi)減少到450 MB。
為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的云邊協(xié)同組織架構(gòu)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的協(xié)同效率,對(duì)本研究得到的數(shù)據(jù)協(xié)同效率曲線與傳統(tǒng)協(xié)同方式(常規(guī)Internet網(wǎng)絡(luò)的方式)進(jìn)行對(duì)比,得到數(shù)據(jù)協(xié)同效率曲線如圖5所示。
通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)本研究云邊協(xié)同數(shù)據(jù)協(xié)同效率更高,在數(shù)據(jù)協(xié)同量為1 000 MB時(shí)達(dá)到最高,最高為8 MB/s,隨后處于穩(wěn)定狀態(tài),數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定在8 MB/s;傳統(tǒng)協(xié)同方式數(shù)據(jù)協(xié)同效率明顯偏低,最高達(dá)到6 MB/s,而且在數(shù)據(jù)采集量超過(guò)2 000 MB后,協(xié)同效率逐漸降低,數(shù)據(jù)協(xié)同量過(guò)高時(shí)可能出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。
綜上所述,本文研究的云邊協(xié)同在電力物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用,數(shù)據(jù)增量穩(wěn)定性強(qiáng),協(xié)同效率更高,從而驗(yàn)證了云邊協(xié)同在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)越性。
本研究針對(duì)云邊協(xié)同在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用情況,進(jìn)行以下技術(shù)研究。
(1) 構(gòu)建了云邊協(xié)同組織架構(gòu),能夠把電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在大數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后供給各個(gè)邊緣設(shè)備,通過(guò)架設(shè)數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳達(dá)和整體調(diào)度。
(2) 在云邊協(xié)同組織架構(gòu)中數(shù)據(jù)顯示通過(guò)數(shù)字集成化來(lái)完成,利用數(shù)字化集成技術(shù)清晰把握云邊數(shù)據(jù)在組織架構(gòu)中的運(yùn)行動(dòng)態(tài)。
(3) 構(gòu)建了信息物理融合系統(tǒng)(CPS),利用電網(wǎng)CPS建模為云邊協(xié)同數(shù)據(jù)提供傳輸通道;利用完全分布式協(xié)同算法加快數(shù)據(jù)速度,提高云邊協(xié)同效率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比曲線分析,發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的云邊協(xié)同在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值,能夠滿足電力物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的需求。