一种基于边缘计算的光伏发电与直流配电协同控制方法与流程

本发明属于新能源发电、直流配电、边缘计算及智能控制，特别是涉及一种基于边缘计算的光伏发电与直流配电协同控制方法。

背景技术：

1、随着分布式光伏发电、储能系统、直流负荷、电动汽车充电设施以及直流微电网的快速发展，直流配电系统因其减少交直流多次变换、提高能量利用效率、便于接入新能源和储能设备等优点，逐渐成为新型配电系统的重要发展方向。

2、在光伏发电接入直流配电系统的场景中，光伏发电功率具有随机性、波动性和间歇性，容易受到光照强度、温度、云层遮挡以及组件状态等因素影响。当大量光伏设备接入直流配电网络后，直流母线电压容易出现波动，局部线路可能出现功率反送、节点过载、电压越限等问题。

3、传统控制方式多依赖集中式控制中心采集全网数据并统一下发控制指令，存在以下不足：

4、（1）数据传输链路长，控制响应速度慢，难以满足光伏快速波动场景下的实时控制要求；

5、（2）集中式控制对通信网络依赖较强，当通信异常或中心节点故障时，系统鲁棒性较差；

6、（3）各光伏变换器、储能变换器、直流负荷控制器之间缺少协同，容易出现局部最优而非全局优化；

7、（4）传统下垂控制参数固定，难以根据光伏出力、负荷变化、储能荷电状态及直流母线状态进行自适应调节；

8、（5）对故障、孤岛、过压、欠压、过流等异常工况的本地化快速识别和处置能力不足。

9、因此，有必要提出一种基于边缘计算的光伏发电与直流配电协同控制方法，将数据采集、状态识别、预测计算、优化决策和控制指令生成部署于靠近现场设备的边缘节点，实现光伏发电单元、储能单元、直流负荷和直流母线之间的实时协同控制，提高直流配电系统运行的安全性、稳定性、经济性和自治能力。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

2、本发明为一种基于边缘计算的光伏发电与直流配电协同控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：运行数据采集：由设置于直流配电系统关键节点的边缘计算单元，按照预设采样周期采集本地及相邻节点的运行数据；

4、步骤s2：数据预处理与状态识别：边缘计算单元对采集到的运行数据进行预处理，得到有效运行数据，并基于有效运行数据识别直流配电系统的实时运行状态；

5、步骤s3：光伏出力短时预测：边缘计算单元结合运行数据与环境数据，对短时间尺度内的光伏输出功率进行预测，得到光伏功率预测结果；

6、步骤s4：直流配电状态评估：边缘计算单元根据有效运行数据与光伏功率预测结果，计算直流配电系统的运行安全指标，评估系统整体运行状态；

7、步骤s5：协同控制目标函数建立：边缘计算单元围绕直流配电系统多项运行优化目标，建立多目标协同控制目标函数，并根据系统实时运行状态调整目标函数内的权重系数；

8、步骤s6：分层协同控制决策：采用三层分层控制架构，其中第一层为设备执行层，由光伏变换器、储能变换器、负荷控制器和直流断路器构成，负责执行控制指令；第二层为节点边缘层，由设置于各关键节点的边缘计算单元构成，负责本地数据处理、状态识别和本地控制决策；第三层为协同调度层，由多节点边缘计算单元通过通信网络互联构成，负责多节点运行状态交互、功率协调支援与系统级优化调度；由节点边缘层的边缘计算单元生成对应控制指令并下发至设备执行层的电力电子设备执行，实现光伏发电与直流配电的协同运行。

9、进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：

10、步骤s11：采集光伏发电单元与周边环境的运行数据，包含光伏输出电气参数与环境气象参数；

11、步骤s12：采集直流配电网络的运行数据，包含母线与支路的电气参数、开关设备状态；

12、步骤s13：采集储能单元与直流负荷单元的运行数据，包含储能状态参数与负荷运行参数；

13、步骤s14：采集系统通信状态、设备健康状态与故障告警信息。

14、进一步地，所述步骤s2中包括以下步骤：

15、步骤s21、步骤s21：数据预处理：对采集到的运行数据依次执行滤波、异常值剔除、时间同步与归一化处理，得到有效运行数据；

16、步骤s22：运行状态识别：基于有效运行数据，识别直流配电系统所处的运行状态，包含正常运行状态、功率波动状态、电压越限状态、设备受限状态、通信异常状态与故障状态。

17、进一步地，所述步骤s3中包括以下步骤：

18、步骤s31：以当前光伏出力数据、历史光伏功率数据、光照强度数据、组件温度数据与天气变化趋势数据作为预测输入；

19、步骤s32：对秒级至十五分钟级时间尺度内的光伏输出功率进行预测，输出光伏可发功率预测值、光伏功率变化率与功率波动区间。

20、进一步地，所述步骤s4中包括以下步骤：

21、步骤s41：计算直流母线电压偏差，直流母线电压偏差用于量化实时直流母线电压与直流母线参考电压的偏离程度，为电压状态判断与调节决策提供数值依据，计算式为：

22、

23、式中，为直流母线电压偏差，为实时直流母线电压，为直流母线参考电压；

24、步骤s42：计算节点功率不平衡量，节点功率不平衡量用于表征直流配电节点处各类功率的差值，判断直流配电系统处于功率过剩状态或功率不足状态，计算式为：

25、

26、式中，为节点功率不平衡量，为光伏输出功率，为储能输出功率，为直流负荷功率，为线路损耗功率；当节点功率不平衡量大于零时，直流配电系统功率过剩；当节点功率不平衡量小于零时，直流配电系统功率不足。

27、进一步地，所述步骤s5中包括以下步骤：

28、步骤s51：确定多维度优化目标，包含直流母线电压稳定、光伏就地消纳、储能安全运行、负荷可靠供电与支路风险防控；

29、步骤s52：构建多目标协同控制目标函数，目标函数用于综合衡量各优化目标的实现程度，为协同控制决策提供统一的优化依据，计算式为：

30、

31、式中，为综合控制目标函数值，为光伏弃光功率，为储能实时荷电状态，为储能目标荷电状态，为负荷削减功率，为支路过流风险指标，、、、、为对应优化项的权重系数；

32、步骤s53：边缘计算单元根据直流配电系统实时运行状态，动态调整所有权重系数的取值；所述动态调整包括：当直流配电系统处于正常运行状态时，各权重系数维持基准取值，兼顾多项目标均衡优化；当直流配电系统处于过压预警状态时，提高直流母线电压稳定项与光伏弃光功率项对应的权重系数，优先保障母线电压稳定并提升光伏消纳水平；当直流配电系统处于欠压预警状态时，提高直流母线电压稳定项与负荷削减功率项对应的权重系数，优先保障母线电压稳定与关键负荷可靠供电。

33、进一步地，所述步骤s6中包括以下储能与电压协同控制步骤：

34、步骤s61：动态计算储能功率参考值，储能功率参考值用于结合电压偏差、功率供需差与荷电状态偏差，确定储能单元的目标充放电功率，实现储能单元自适应调节，计算式为：

35、

36、式中，为储能功率参考值，、、为调节系数，边缘计算单元根据直流配电系统运行状态动态修正调节系数的取值；

37、步骤s62：将直流母线电压划分为正常区、预警区与保护区，针对不同电压分区执行对应控制策略；过压预警状态下优先增加储能充电功率，其次提升可调负荷吸收功率，最后执行光伏限发；欠压预警状态下优先增加储能放电功率，其次削减低优先级负荷，再请求外部电源支撑；

38、步骤s63：根据光伏输出功率、直流负荷功率与储能荷电状态所处区间判断储能单元运行状态；当光伏输出功率大于直流负荷功率且储能荷电状态低于储能荷电状态上限值时，储能单元进入充电状态；当光伏输出功率小于直流负荷功率且储能荷电状态高于储能荷电状态下限值时，储能单元进入放电状态；当储能荷电状态接近储能荷电状态上限值时，降低储能单元充电功率，并提高光伏限功率优先级；当储能荷电状态接近储能荷电状态下限值时，降低储能单元放电功率，并提高负荷削减或外部电源支撑优先级。

39、进一步地，所述步骤s6中包括以下负荷协同控制步骤：

40、步骤s64：将直流负荷按照供电优先级划分为一级关键负荷、二级可短时调节负荷、三级可中断或可延迟负荷；

41、步骤s65：直流配电系统功率不足或直流母线欠压时，按照负荷优先级由低到高的顺序依次削减负荷功率，优先保障一级关键负荷连续供电；直流配电系统功率过剩且存在光伏弃光风险时，提升可调负荷吸收功率，消纳富余光伏电能。

42、进一步地，所述步骤s6中包括以下多节点协同与故障保护步骤：

43、步骤s66：多个边缘计算单元通过通信网络交互节点运行状态信息，单个直流配电节点出现功率缺额或电压越限风险时，相邻边缘计算单元根据自身调节裕度提供功率支援；

44、步骤s67：通信异常或中断时，各边缘计算单元自动切换至本地自治控制模式，仅基于本地测量数据完成直流母线电压稳定控制与设备保护控制；通信恢复后自动同步系统状态并恢复协同控制模式；

45、步骤s68：边缘计算单元实时监测支路电流与电流变化率，检测到支路电流超过预设阈值且电流变化率满足故障判据时，向对应直流断路器发送跳闸指令隔离故障区域，同时调度正常区域的光伏单元、储能单元与负荷单元重新分配功率，维持非故障区域运行。

46、本发明具有以下有益效果：

47、1、本发明将光伏发电、储能、直流负荷和直流母线状态纳入统一协同控制框架，能够有效提升直流配电系统的整体运行稳定性。

48、2、本发明通过边缘计算单元在本地完成数据处理、预测分析和控制决策，缩短控制链路，提高对光伏波动和负荷突变的响应速度。

49、3、本发明能够根据直流母线电压、光伏出力预测、储能soc和负荷优先级动态调整控制策略，避免传统固定参数控制适应性不足的问题。

50、4、本发明优先利用储能和可调负荷吸收光伏波动，减少弃光，提高光伏就地消纳率。

51、5、本发明在通信异常或上级平台不可用时仍可维持本地自治控制，提高系统可靠性。

52、6、本发明具备故障快速识别、局部隔离和降级运行能力，能够降低故障扩散风险。

53、7、本发明适用于园区直流配电、数据中心直流供电、光储充一体化电站、工业直流微电网、建筑直流配电等多种应用场景。

54、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。