配电物联网智能融合终端云边协同模型及应用研究

来源 :钟加勇 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhaojunchao2003
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配电网是连接能源侧和用户侧的枢纽,是电力系统重要的核心环节之一。随着分布式电源、电动汽车与储能等多元化负荷不断涌现和大量接入,配电网的功能和形态正发生显著变化,逐步由单向潮流向双向潮流发展,呈现出愈加复杂的“多源性”特征,对配电网的安全运行和供电质量带来严峻挑战。同时,配电网还具有接入点多而供电范围广、通信方式灵活多样、数据量大、数据模型复杂多样且缺乏公共的模型语义基础、模型架构可扩展性差等突出特点。随着配电网中大量感知终端的部署、分布式能源的接入以及配电网设备运维管理要求的转变,大量配电物联网终端面临功能需求不断增加与硬件资源受限之间的矛盾,复杂的安全防护、算力、信息模型,以及运维和高级业务应用等对硬件资源的需求导致终端设备成本高企以至于阻碍配电物联网技术的推广应用,急需攻克配电物联网终端资源轻量化难题。将传统配电自动化技术与物联网技术深度融合构建配电物联网以实现海量配电网终端间的全面互联、互通、互操作;并结合边缘计算、深度学习等技术实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用,进而满足能源互联网发展和配电网精益化管理需求,已成为配电网的发展方向和研究重点。为保证云边协同架构下配电物联网的安全和稳定运行,需要具备健壮的入侵防御策略、有效的计算资源分配方法、高效的信息无缝交互方式以及可靠的终端即插即用机制,并在此基础上灵活开展各类高级应用。但当前配电物联网建设过程中存在终端安全防护弱且缺乏有效的计算资源管理、信息模型迥异导致海量终端接入难度大、感知终端间拓扑关联混乱导致数据管理不规范等问题。相应地,配电网存在运行数据价值难以有效发挥、运维效率低下、高级应用难以顺利开展等实际工程痛点。为此,本文从配电物联网系统面临的入侵防御、设备互联以及即插即用三大核心功能需求入手,通过研究新的安全防御机制、设备互联规约、网络拓扑识别与更新方法,从存储占用、数据交互效率等方面进行优化,为大幅降低这三类核心功能对资源的占用提供核心技术,从而促进配电物联网技术的快速推广。论文的主要工作及研究内容如下:(1)配电物联网设备网络安全入侵防御策略以及在此基础上的最小资源占用调度方法。针对接入边缘侧智能融合终端的底层配电感知终端数量庞大,黑客易利用潜在安全漏洞入侵配电物联网的风险,提出基于微分博弈的边缘侧智能融合终端安全入侵防御方法。在考虑了攻击节点数量、攻击发起频率、入侵防御强度的基础上,将黑客入侵边缘侧智能融合终端以及边缘侧智能融合终端防御的过程描述为非合作博弈过程。基于Isaacs-Bellman方程求解获取边缘节点随攻击频率自适应变化的安全入侵防御强度更新策略。进一步地,针对安全入侵防御策略需求,研究了计及请求排队延时、计算资源容量、服务器数量等约束下的云边协同最小资源占用调度算法。算例结果表明,本文所提方法显著降低了攻击者发起的蓄意攻击频率和成功入侵的数量,为云边协同下配电业务开展提供了安全和资源支撑保障。(2)多配电物联网终端互联的低资源占用信息建模方法。对于异构的配电物联网感知终端存在的信息模型与技术细节不一而导致的设备不易互联问题,研究配电物联网云边协同信息交互模型的体系架构,提出基于轻量级JSON数据交换格式的配电物联网终端统一信息化建模方法。以配电物联网典型感知终端为例进行了信息化建模示范,从而为其他感知终端的信息建模提供参考。与传统基于XML数据交换格式的信息建模方法相比,本文所提方法具备更低的存储空间与网络带宽要求,实现对终端设备的轻量化支撑,从而为多终端设备互联及大规模推广使用创造条件。(3)配电物联网终端设备即插即用及高效拓扑自适应更新策略。针对海量配电感知终端接入使用人工手动维护与验证升级难度大的问题,在终端信息建模的基础上,提出基于定时轮询与主动注册的即插即用实现方法,实现对各类终端的远程自动维护。针对现阶段配电网边缘侧智能融合终端与智能电表存在拓扑错乱、生成更新不及时的问题,提出基于关联度分析的配电网拓扑辨识方法。实际工程案例表明,所提即插即用机制与台区拓扑辨识方法显著提升了现场运维人员的工作效率。(4)基于配电物联网终端云边协同的高级应用案例。以电动汽车有序充电调度为例,对云边协同架构下的配电物联网新型业务提出了可行的实现方法。首先,在边缘侧智能融合终端部署基于深度信念网络的功率预测算法,对传统居民负荷、电动汽车充电需求以及新能源有功出力进行预测;其次,对于电动汽车无序充电带来的配电网峰谷差过大及电压波动频繁的问题,提出一种云边协同的集中充电站有序充电策略。云侧主站在汇总边缘侧功率预测结果的基础上以最小化配电网运行成本为目标,获权次日各充电站的供电计划;边缘侧的智能融合终端则在考虑用户出行计划、充电次数等因素的基础上设定每个电动汽车的充电时段与功率。仿真算例表明,在配电物联网终端支撑下能够有效降低负荷峰谷差,保障配电网的运行可靠性。综上所述,论文工作在国家重大创新项目《能源领域工业互联网赋能与公共服务平台建设》的资助下,以配电物联网智能融合终端为载体,从网络安全入侵防御、轻量化信息建模、即插即用与拓扑更新三个维度建立了配电物联网云边低资源占用模型,为降低配电物联网终端资源消耗,提出了系列化解决方案,形成了较为完整的技术支撑手段,并在实际工程案例中进行了验证。
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