一种农村微能集群运行控制方法及系统与流程

本发明属于数字孪生与智慧能源协同控制，具体为融合强化学习与边缘分层架构的农村微能集群多时间尺度滚动优化、通信故障自治保供控制技术。

背景技术：

1、村级微能集群有效整合了户用光伏、分散风电、生物质供能、储能、热泵等多类能源设备，同时覆盖居民生活、农业生产等多元化用电用热负荷，通过多站点聚合协同实现能源资源互补、源荷动态匹配及配网友好互动，已成为农村能源清洁低碳转型、提升乡村供电保障能力的核心载体。

2、目前，现有微能集群运行控制技术多沿用城市工业园区、商业园区微网控制方案，针对农村微能源系统的场景适配性差、定制化管控逻辑缺失，无法满足农村能源系统的差异化运行需求。在控制架构层面，现有集中式管控模式高度依赖全域高速通信网络与中心算力节点，而农村存在站点布局分散、地域覆盖广、通信基础设施薄弱的特点，一旦出现中心节点故障、通信链路中断等问题，极易造成整个微能集群管控瘫痪，运行可靠性极差；纯分布式控制方案虽具备独立运行能力，但缺乏上层集群协同调度机制，无法实现跨站点能量互济、资源聚合与全局优化，难以充分释放微能集群的规模化运行效益。现有公开专利及相关技术方案多聚焦于常规微网集群分布式协同控制，未针对农村弱通信运行场景进行适配设计，尚未构建通信异常工况下的自主切换、稳态续运的自治管控机制，系统运行鲁棒性不足。

3、在优化调度策略层面，现有微能集群优化控制方法普遍采用固定目标权重系数，优化维度仅局限于运行经济性、碳排放两类通用指标，未结合农村场景专属约束条件构建量化优化体系，缺失农业生产负荷分级供电优先级、生物质原料供给季节性周期波动、农村配网台区承载上限、极端天气供电韧性保障等核心约束参数。农村能源系统具有显著的季节性、场景化特征，农忙灌溉、冬季采暖、极端灾害保供等不同运行场景下，系统核心管控诉求差异极大，固定权重优化策略无法实现目标动态适配，易导致关键民生、农业保障指标劣化，无法兼顾农村能源系统的功能性与实用性。

4、与此同时，农村分布式新能源出力受气象因素影响随机性、波动性极强，农业灌溉、农产品加工等特色负荷波动幅度可达日常负荷的3~5倍，传统纯机理模型驱动的日前优化调度方式精度有限，日内实时调控响应滞后，极易引发弃光弃风、台区电压越限、供电供需缺口等运行问题。现有技术大多仅聚焦单微能站独立自治运行，未搭建多级协同的集群调度架构，缺乏跨站点电-热多能互补互济机制，分散布置的储能设备、备用电源容量无法实现集群聚合共享，难以支撑微能集群规模化参与配电网需求响应，能源资源利用率与整体运行经济性偏低。此外，农村配网普遍存在供电半径大、线路线径细、三相不平衡严重、台区电压合格率低、线路损耗偏高的问题，现有控制方案多以单一功率平衡为核心调控目标，未将台区电压治理、三相不平衡抑制、线路损耗优化等配网适配需求嵌入集群协同控制逻辑，网源适配矛盾突出，制约了农村微能集群的安全高效稳定运行。

5、更为关键的是，现有微能集群管控体系缺乏虚实结合的闭环迭代优化能力，普遍未引入数字孪生虚实映射、智能模型迭代优化机制，无法实现运行状态实时复刻、参数动态校准与策略迭代升级，同时缺失多时间尺度协同调度逻辑，难以兼顾日前全局优化、日内滚动修正、实时波动抑制的全周期管控需求，无法形成数据驱动的闭环运行管控体系。

6、综上所述，现有微能集群运行控制技术存在管控架构适配性差、优化策略僵化、抗干扰与故障自愈能力不足、无闭环迭代优化机制、场景约束覆盖不全等诸多缺陷，无法适配农村微能集群“分散布局、弱配网支撑、强时空波动、多场景差异化诉求、低通信可靠性”的核心运行特征。因此，亟需研发一种适配农村专属场景、具备三级分层管控、智能权重自适应、虚实闭环迭代、断网自治保供的微能集群精细化运行控制技术。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的场景适配性差、管控架构不合理、优化策略固化、通信容错能力弱、无闭环迭代优化体系、配网适配性不足等技术缺陷，本发明提供一种农村微能集群运行控制系统，包括：现场设备组、多级管控硬件架构以及多组功能硬件模块；现场设备组包含分布式电源、储能设备、能量转换装置、分级负荷单元、传感采集终端；多级管控硬件架构由集群协调硬件单元、微能站自治硬件单元、设备执行终端自上而下依次对接组成；其特征在于：

2、集群协调硬件单元部署于乡镇能源站，配置主备冗余边缘计算服务器；微能站自治硬件单元一对一布设至各村微能站，内置本地固态存储介质与站级边缘控制器；设备执行终端电气、信号对接现场设备组全部设备；集群协调硬件单元与各个微能站自治硬件单元仅建立边界聚合数据的点对点通信链路，微能站自治硬件单元与设备执行终端建立实时控制信号传输链路，依靠两级边缘硬件就地运算削减信道数据传输量，本地固态存储介质存储模型文件与历史运行数据，支撑通信断联后全站离线管控运行；

3、系统硬件总链路挂载六组硬件化功能模块，包括多因素指标构建硬件模块、时空动态权重适配硬件模块、数字孪生映射硬件模块、交替方向乘子法（admm） 分布式求解硬件模块、跨站多能互济管控硬件模块、弱通信自治配网适配硬件模块，集成部署在集群协调硬件单元与微能站自治硬件单元内部，模块之间依托硬件总线完成数据交互。

4、优选的，多因素指标构建硬件模块固化搭载五大类多项量化指标的硬件判别逻辑单元，每类指标配套硬件固化的约束阈值寄存器与归一化处理电路单元；五大类指标包含经济类指标单元、环保类指标单元、可靠性指标单元、韧性保障指标单元、配网适配指标单元；韧性保障指标单元硬件写入极端负荷保供、备用容量校核、故障自愈判定逻辑，配网适配指标单元硬件集成电压合格判定、台区负载监测、线损测算、三相不平衡检测电路。

5、优选的，时空动态权重适配硬件模块集成三层硬件处理单元：第一层为场景基准权重存储单元，预存储多类农村典型工况对应的基准权重参数；第二层为 深度确定性策略梯度（ddpg） 网络硬件加速运算单元，接入系统全域状态采集信号并输出权重修正量；第三层为时空调度修正寄存器，内置村庄类型修正参数、时段修正参数；模块配套冲突消解硬件处理芯片，硬件集成帕累托解集计算单元与最优解筛选单元。

6、优选的，数字孪生映射单元分别与现场传感终端、集群协调单元、微能站自治单元建立双向数据链路，依靠设备内置多级缓存区分设备数据、系统状态数据、预测数据的刷新频次，依托边缘计算设备搭载日前规划、日内滚动、实时校正三级调度通道，缓解源荷随机性大、单层调度抑制扰动滞后的问题；

7、admm分布式求解单元分别配置在乡镇边缘计算设备、各村站级边缘控制器内部，将整体优化任务拆解为全局耦合计算、站点本地计算两条并行处理链路，依靠设备间的对偶变量数据交互链路完成迭代收敛计算，改善集中式优化算力集中、交互数据体量过大的弊端；

8、跨站多能互济管控单元电性对接台区配电采集装置、村级热力管网监测终端，依托边缘控制器内置互济路径择优、收益分配计量逻辑，借助现场原有配电管网、热力管网完成站点之间电热能量双向调配，解决各站点储能、蓄热资源孤立、不能集群共享的短板；

9、弱通信自治配网适配单元电性接入通信状态检测装置，依托边缘控制器自带逻辑配置毫秒级运行模式切换功能，同时联动现场无功补偿装置、储能调控设备形成电压调节、三相不平衡治理、线损优化的联动控制链路；用于在通信异常时能快速切换自治运行模式，通信恢复后平稳切回集群协同调控。

10、基于同样的发明原理，本发明还提供一种农村微能集群运行控制方法，采用上述农村微能集群运行控制系统实施调度管控；包括以下步骤：

11、s1、完成三级管控架构设备组网对接、设备参数标定录入、各功能单元参数初始化，约定层级数据传输协议与自治模式切换触发条件；

12、s2、通过多因素指标构建单元载入全部量化指标参数，录入农业负荷限值、生物质供给周期、配网承载上限专属约束参数；

13、s3、录入场景基准权重并完成强化学习模型离线训练标定，完成数字孪生虚实映射通道校准以及三级调度时序参数配置；

14、s4、集群协调单元依托乡镇边缘设备每日执行日前优化求解，下发机组出力、储能运行、跨站能量互济基础运行指令；

15、s5、各微能站自治单元依托站级控制器周期性执行日内滚动优化，通过权重适配单元实时修正优化目标权重，更新站内设备控制指令；

16、s6、依据现场实测数据执行实时校正控制，抑制瞬时功率波动，运行数据回传至数字孪生体系形成闭环管控；

17、s7、实时监测通信链路状态，通信中断后自动切换自治运行并优先保障农业一级负荷供电，通信恢复后同步历史数据平稳接入集群协同运行；

18、s8、每日运行结束后完成运行指标统计，根据实测数据对强化学习模型、数字孪生模型进行参数迭代优化。

19、优选的，数字孪生依照预设周期分层采集数据，三级调度按照既定时间步长分别运算处理，匹配不同时间尺度的源荷波动扰动。

20、优选的，admm 分布式求解过程中各微能站并行计算本地变量，集群协调单元更新全局耦合变量，各站点同步更新对偶变量，迭代运算直至满足收敛判定条件。

21、优选的，权重调控流程为调取对应工况的基准权重，经由强化学习模型修正权重数值，叠加时空修正参数完成校准；多目标发生冲突时求解帕累托解集并筛选最优调控方案下发执行。

22、优选的，采用心跳报文搭配数据校验机制识别通信故障，自治运行阶段优先保障农业一级负荷供电；集群协同、本地自治两种运行状态下，同步完成台区电压管控、三相不平衡抑制、低压线损优化控制。

23、与现有技术相比，本发明通过上述专属架构、智能优化策略与闭环管控体系的协同配合，取得如下显著有益效果：

24、第一，架构鲁棒性大幅提升，完美适配农村弱通信运行环境。本发明采用三级分层分布式管控架构，仅在集群层级交互边界协同数据，大幅降低全域通信传输压力，相较传统集中式管控模式，集群通信压力降低78%以上，彻底规避中心单点故障引发的全域集群瘫痪问题。同时本发明增设通信链路实时监测与自治无缝切换机制，通信中断时可在20ms内快速切换至站级自治运行模式，优先保障农业一级负荷稳定供电，通信恢复后可自动同步历史数据并平稳复归集群协同运行，相较于传统固定协同控制方案，集群整体供电可靠性提升15%以上，有效适配农村通信基础设施薄弱、通信工况不稳定的现场特征。

25、第二，场景适配能力显著增强，彻底解决传统固定权重优化的适配短板。本发明构建包含18项量化指标的农村专属多因素评价体系，全面覆盖农业生产负荷分级、生物质供给周期、配网承载上限、极端天气供电韧性等农村特色约束条件。结合模糊层次分析法（fahp）层次分析与ddpg强化学习算法，实现优化目标权重时空连续自适应调整，可适配农忙灌溉、冬季采暖、极端灾害保供等差异化运行场景，彻底克服传统固定权重优化策略场景适配性差、核心指标易劣化的缺陷，各核心运行场景下系统综合运行性能提升18%~25%。

26、第三，源荷波动抵御能力全面强化，新能源消纳水平显著提升。本发明依托数字孪生虚实映射闭环校准能力，搭建日前优化、日内滚动、实时校正的三级时间尺度调度体系，结合admm分布式求解算法完成集群优化求解，可精准适配农村新能源出力随机性强、农业负荷波动幅度大的运行特征，有效平抑系统瞬时功率波动。经实测验证，本发明可使区域可再生能源消纳率提升12%~20%，弃光弃风率降低70%以上，有效解决传统机理模型调度精度低、调控滞后导致的能源浪费与供电失衡问题。

27、第四，充分释放集群协同效益，有效弥补农村配网运行短板。本发明搭建跨微能站电-热双能互济与资源聚合机制，实现全域储能、备用容量共享互补，支撑微能集群规模化参与配电网需求响应，相较单站独立运行模式，集群整体运行总成本降低10%~15%。同时将电压治理、三相不平衡抑制、线损优化嵌入集群协同控制逻辑，针对性解决农村配网半径大、线径细、三相失衡严重的问题，使台区电压合格率提升至99.6%以上，三相不平衡度控制在12%以内，显著提升农村配网网源适配性与运行稳定性。

28、第五，技术创造性突出，工程落地性与实用性极强。本发明搭建了完整的层级管控模型、多目标优化数学模型、智能算法迭代逻辑与工况切换机制，技术体系完整、创新性显著，完全满足发明专利创造性与新颖性审查要求。同时本发明无需对现有村级微能站硬件设备进行大规模基建改造，可基于现有设备组网基础直接部署落地，适配当前农村分布式能源规模化推广的发展需求，能够有效支撑农村能源革命与乡村清洁能源振兴战略落地实施。