虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺的應用

柴真琦 李隆鋒 柯永省 胡 駿 翁洪康

（1.浙江浙能數字科技有限公司 2.浙江浙能樂清發電有限責任公司）

0 引言

在物聯網與大數據技術發展背景下，虛擬電廠智慧運行平臺的出現可顯著提升電廠內部綜合管理能力，該技術的出現符合《關于推進“互聯網＋”智慧能源發展的指導意見》，將互聯網與能源行業之間高度整合在一起，符合智慧能源行業發展要求［1］。在這一背景下，推動人工智能、虛擬現實與5G技術在電力行業上的應用，成為智慧電廠建設的主要趨勢，值得關注。

1 虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺的實現方案

1.1 系統整體架構

在本次虛擬電廠智慧運行階段，構建管理一體化平臺可將數據整合、功能應用等整合在一起，系統整體框架見表1。

表1 系統框架結構

1.2 系統功能設計

本次系統功能設計的主要目的是實現虛擬電廠所有功能的內部管理，在平臺一體化管理中通過單目標或者多目標檢測方法，在識別數據檢測任務后，系統內部可利用數據信息請求的方法提取系統中的關鍵運行數據，并采用圖片形式在平臺上展示，方便相關工作人員識別異常情況，其整體平臺功能設定如圖所示。

圖 平臺功能設計思路

該平臺利用監視任務對虛擬電廠的運行狀況進行遠程監視，可了解感興趣的環境對象以及往返數據規模、數據上傳的最大時延等，可采用5G無線網絡方式隨時傳播關鍵操作指令，最后在設定項目參數后即可采集網絡關鍵運行數據。

在采集系統關鍵數據后利用傳感器節點感知周圍環境對象信息，并依托過濾規則將電廠運行數據上傳至網管節點上，配合數據采樣、封裝、本地節點數據存儲、PC端串口等通信操作完成數據解析，根據解析結果即可評估虛擬電廠智慧運行平臺［2］。

1.3 數據采集節點設計

本次虛擬電廠智慧運行平臺由多個傳感器節點組成的PC端與內部管控網絡組成，在數據傳輸中主要依靠PC端與Sink節點之間的數據串口完成信息交互。同時為保證本次系統功能的合理性，本次數據采集節點設計主要分為普通節點與Sink節點兩種類型，對其功能劃分結果見表2。

表2 數據采集階段功能設計方案

為保證數據的傳輸穩定性，在數據傳輸中采用CTP匯聚樹協議，下行數據可由Sink節點廣播或者定向數據傳輸方法，所有數據采用消息包格式封裝。

1.4 平臺實現

1.4.1 節點程序設計方案

虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺設計中采用了中央處理器（型號：MSP430）、傳感器節點（型號：Octopus Ⅱ） 以及無線傳輸芯片 （型號：CC2420）。上述節點設定程序自帶溫度與濕度傳感器，并利用擴充裝置與其他傳感器對接。

采用nesC語言編寫節點程序，其源代碼功能設定方案見表3。

表3 源代碼功能設定

在上述數據采集功能的基礎上可時刻監測環境數據變化，該平臺利用數字轉換器與處理器、傳感器對接。其中在數據采集環節，系統與定時器連接的接口設定為“Timer＜TMili＞”，定時器事件句柄設計中采用“Read＜unitl6＿t＞”接口方式讀取2位傳感器的采樣數據。利用上述方法可為數據交互提供雙向數據通道，在定時器功能觸發周期上，采用“read（）”方法采集傳感器關鍵采樣信息，此時若系統未識別異常數據即可將不同事件的賦值發送至對應的管理項。

1.4.2 設定過濾機制

本系統平臺設計中過濾機制可消除其他無關數據對系統運行過程的影響，其目的是利用傳感器以協同的方式共同實現數據查詢任務。為強化系統功能，在本次設定中將設計一套過濾機制來應對記錄不同數據流窗口的差異性，消除冗余數據上傳問題，提升關鍵數據響應請求能力。

（1）節點數據處理流程。本次設計中將選定在單個時間周期內分別完成網內信息交互、感知數據采集、判定上傳數據等，并在模數轉換的基礎上形成數字信息，經系統內部的比較判定結果是否需要上傳數據。

在確保數據處理效率的基礎上，應在具體的時間設定規范基礎上額外增加清除過程中的數據操作，并且考慮到某一時刻的數據無法滿足全局處理要求。同時若某一時刻的數據無法滿足全局數據處理要求，則應在數據存儲單元設定上增加緩存區域，在該數據區域可保存系統中不滿足當前上傳條件但未失效的數據［3］。本系統數據處理基本過程為：1）先剔除現有緩存區的過時數據，包括過濾器、候選集、支配圖等。2）判定當前候選集中的數據是否滿足上傳條件，并依照虛擬電廠平臺的數據處理條件判斷其是否滿足上傳條件，此時需先判斷首層集合地點，當系統判定該點可以上傳后，即可從候選集中調取與該點相關的數據信息。3）采用深度優先檢索的方法評估子集是否符合上傳條件。

（2）網關端數據處理。其數據處理功能主要體現在三個方面，具體見表4。

表4 網關端數據處理關鍵步驟

依照表4介紹的網關端數據處理內容，本文將按照公式（1）計算冗余數據與定向過濾更新之間的能耗平衡關系。

式中，nCounter表示數據循環過程中關鍵節點的冗余數據計數；表示網絡內的單個數據包的跳數；｜NS｜表示定向更新節點集合的絕對值；｜FLsink｜表示數據更新下數據個數FLsink的絕對值。

基于公式（1）的數據處理要求，在數據過濾中應判定數據分析結果是否被納入解集采集過程中，堅持從數據適應性角度設定網關端數據的關鍵處理步驟，確保數據在查詢過程中可始終保持在數據有效時間的模型范圍中［4］。通過上述方法可隨時更新數據判定流程，利用網關端程序的結束時間與窗口模式執行控制指令，確保平臺可對任一工作質量作出反饋。

1.4.3 串口通信設定方案

為保證串口通信的相關功能，在系統感知功能設定中將通過數據返回、查詢以及信息過濾更新的方法設計PC端串口通信數據庫，在串口數據初始化后完成數據傳輸。

在數據傳輸中需要先檢測設備與PC端的數據連接穩定性情況，若系統提示連接成功后，即可在系統內預留對應的端口號，并在Windows系統下檢查設備的運行狀態。系統確定連接成功后，同時對應波特率監聽數據，本次設定的OctopusⅡ傳感器波特率為115200bps。

1.5 軟件平臺實現

本文平臺設計方案是在Myeclipse開發工具基礎上，采用Java語言實現數據庫與用戶互動界面。

可提供系統人機交互的相關功能，包括設置面板與結果展示板兩個方面，其中設置面板中可提供節點信息設置功能，包括參數設置、用戶興趣維度設定、窗口查詢、時間設定等；該系統也可保存系統地理位置信息、平臺日志。啟動查詢功能后，向下調用串口send方法，將數據封裝后按照查詢數據包傳送，各節點采集查詢任務后由內部響應控制指令，在匯集網關數據后即可通過展示板顯示數據或者操控指令的執行狀態。

結果顯示界面上采用餅圖與列表兩種方式，其中列表數據展示中則以具體數據為基礎，可顯示不同集合中的數據狀態，包括數據的節點ID、數值采樣時間與其他重點信息。用戶也可在數據處理中詳細調整節點出現頻次的排列方案，利用相關信息觀察重點數據信息是否存在安全隱患。餅狀圖數據處理中可利用不同顏色展示數據的統計信息，如不同層次數據分布以及節點產生頻次等。利用餅狀圖數據處理方法了解哪個節點中出現的事件占比最高。

整個平臺運行過程中采用線性方程的方法可周期性刷新關鍵運行數據，用于判斷電廠運行安全性情況。

2 平臺測試方案

2.1 平臺測試基本思路

將編輯完成的系統程序錄至10個傳感器節點中，對應的系統編號分別為0～9，其中0號節點為Sink節點，其他9個節點均為感知節點用于收集電廠運行的相關數據。在本次現場測試中計劃通過虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺提升電廠安全管理水平，所以在前節點傳感器中分別采集電廠現場溫度、濕度與煙霧濃度。再將節點部署在電廠的實測環境中后，根據現場測試結果與查詢內容顯示平臺功能。

2.2 一體化平臺的現場信息采樣

本次設計中選擇Ubuntu平臺下的TinyOS 2.11軟件環境，布設傳感器節點驅動方案后，在終點位置上驅動監聽進程。

測試開始后設定數據為默認狀態，所有數據均可以采集電廠現場的感知數據，其封裝數據均采用“AM”消息包裝格式，設定的數據感知方案為：溫度感知數據為185A，按照標準化轉換方式將其轉化為十進制數6234，再將其數據導入到使用說明中之后，統一采集現場實際溫度值。

根據該系統在電廠的測試后，系統統計結果顯示廠房內環境溫度集中在21.5℃～23.1℃之間，滿足安全生產要求。該結果說明，虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺的數據采集與分析功能正常，功能節點可利用串口通信將關鍵功能網內的關鍵數據傳回PC端中。

2.3 查詢結果返回

在上文相同的測試環境下利用功能節點測試室內環境，并隨機選擇3個節點做人工加濕與加溫，并用餅狀圖的形式顯示現場的溫度與濕度變化。

測試結果顯示，該平臺的功能滿意，在保證網絡狀態穩定的情況下網關端可識別人工處理節點的運行數據，其中在人工加濕、加溫后，一體化管理平臺的數據顯示現場的溫度與濕度發生改變，平臺產生報警信息。通過對功能平臺的測試結果可知，節點2的濕度變化最明顯，這與現場測試所設置的條件是相同的，證明該平臺在電廠環境信息監測中具有先進性。

3 結束語

本文所設計的虛擬電廠智慧運行優化管理一體化平臺在技術上具有可行性，根據現場測試結果可知，該平臺可滿足電廠環境檢測要求，對于電廠內部環境信息變化可及時發出報警信息，對于提升電廠安全管理水平、消除潛在安全因素的意義重大，符合智慧電廠建設要求，可以顯著提升電廠管理效率，具有推廣價值。