電力系統運行控制的邊緣技術方法分析

關鍵詞：電力系統控制；邊緣技術；近電感應智能管控

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.07.031

中圖分類號：TM73；TN929.53 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）07-0098-03

Analysis of Edge Technology Methods for Power System Operation Control

WANG Lixin，XIAO Jianglong （StateGridInnerMongolia EasternElectricPowerCo.，Ltd.InnerMongolia Ultra High VoltageBranch，Xilinhot O26ooo，China）

Abstract：With the increasing complexity and intelligence of the power system，traditionalcentralized operation control methods areno longer able to meet the needs of modern power systems，and edge technology is needed to achieve intellgent control. Based on this，after summing up the role of edge technology in power system operation control，this paper proposes todesign electricfieldsensors，installnear electric induction intellgentcontrol devices， use edge computing nodes to process thecollected data，realize fexible time slot configuration，strengthen 5G edge computing and other methods to ensure that the edge technology of power system operation control can efciently process power data，achieve rapid response，and reduce delay.

Keywords： power system control; edge technology; near electric induction intelligent control

1 邊緣技術在電力系統運行控制中的作用

邊緣計算可以在變電站、發電廠或分布式能源節等數據產生的源頭進行實時數據處理，減少數據傳輸的延遲，從而對電力系統的動態變化做出快速響應。通過在電力系統的邊緣部署計算節點，可以在局部發生故障時立即采取措施，減少對整個系統的沖擊，提高電力系統的可靠性。邊緣技術可以實現實時監控和快速故障診斷，有助于及時識別和響應潛在的過載、電壓異常等安全威脅，從而提升電力系統的安全性1。此外，邊緣計算可以優化能源分配和調度，尤其是在可再生能源接入的情況下，通過實時數據分析和預測，可以更有效地調節能源的供需平衡。隨著太陽能、風能等分布式能源的增加，邊緣技術可以幫助集成和管理這些分散的能源，保證它們與電網實現穩定運行。邊緣技術可以支持自適應控制、預測性維護等更高級的自動化控制策略，這些策略可以提高電力系統的運行效率和性能。邊緣節點還可以執行復雜的決策算法，基于實時數據和歷史數據做出智能決策，從而優化電力系統的運行。

2 電力系統運行控制的邊緣技術要點

2.1設計電場傳感器

設計電場傳感器的核心目標是在工頻電場中有效地采集信號，同時確保傳感器的結構設計不會對測量電場產生不利影響，從而保證測量數據的準確性和可靠性。然而，不當的傳感器設計可能會對被測系統的電場造成干擾，這在一定程度上會影響測量的精確度。因此，在傳感器設計過程中，必須深入分析并采取措施，確保傳感器在測量時不會對電場造成明顯的畸變。可以選擇高精度的傳感器材料和制造工藝，確保傳感器能夠準確測量電場強度。考慮溫度、濕度等環境因素對測量精度的影響，并采取措施進行溫度補償和濕度防護。傳感器應具有快速響應特性，以便在電場變化時能夠及時捕捉并傳遞數據，選擇具有高增益和低時間常數的傳感器設計，以減少響應時間。設計時應考慮電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的防護措施，保證傳感器在復雜電磁環境中穩定工作，并減少外部干擾。

選擇長期穩定的材料，減少老化現象，并進行嚴格的測試和驗證，保證傳感器在長期運行中的可靠性。例如，可以選擇壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛等）作為電場傳感器的敏感元件，這些材料具有良好的壓電特性和穩定性。根據安裝位置和空間限制，設計合適尺寸的傳感器，優化傳感器的安裝方式，確保穩固。在傳感器外殼和電路板設計中加入防護措施，如密封、屏蔽、接地等，以保護傳感器免受外界環境的破壞。最后，設計標準化的數據接口，保證傳感器與電力系統中的其他設備進行數據交換時更方便快捷，支持邊緣計算，能夠將處理后的數據實時傳輸到控制中心或邊緣計算節點。考慮是否需要自供電，如果需要，選擇合適的能量收集技術，設計低功耗的傳感器電路，延長電池壽命或能量收集系統的使用時間。

2.2安裝近電感應智能管控裝置

安裝近電感應智能管控裝置是電力系統運行控制的重要環節，其裝置結構主要包含以下幾點。

（1）電池充電管理部分。負責管理電池的充電過程，包括充電狀態監測、充電策略制定以及充電安全控制。

（2）電池放電檢測。用于檢測電池的放電狀態，包括放電電流、電壓和剩余容量等參數。

（3）太陽能充電部分。集成太陽能電池板，進而為裝置提供額外的能源，以實現自給自足的能源供應。

（4）GD32核心部分。GD32系列微控制器作為系統的核心，負責協調和管理整個裝置的運行。

（5）近線感應探頭部分。專門設計用于感應電力系統中近線的電磁場，從而監測電力系統的狀態。

（6）北斗定位部分。集成北斗衛星導航系統接收器，用于精確定位電力設備的位置，這對于電力系統的遠程監控和管理至關重要[2]。

（7）LoRa數據傳送部分。利用LoRa無線通信技術，實現遠距離的數據傳輸，降低功耗并提高數據傳輸的可靠性。例如，在轄內，為了實現精確的定位功能，系統集成了北斗衛星導航系統，能夠準確追蹤施工區域或作業人員的位置信息。此外，考慮到作業區域多位于偏遠地帶，通常缺乏穩定的4G信號，采用低功耗且覆蓋范圍廣的LoRa無線通信技術來傳輸數據。同時，還設計了一套專用的通信協議和加密機制，以確保數據在傳輸過程中的安全性，并保障其可靠送達。

（8）SWD調試接口。預留了SWD調試接口，方便在開發和調試階段對GD32核心部分進行編程和故障排除。

（9）USART2調試信息輸出接口。預留的USART2接口用于調試信息的輸出，允許開發人員通過串口接收系統運行狀態和調試數據。

（10）兩線制SWD協議。調試接口采用的是兩線制的SWD協議，這種協議簡單且效率高，適合嵌入式系統的調試。

這樣的整體架構設計旨在確保近電感應智能管控裝置能夠在電力系統中穩定運行，實時監控電力系統的狀態，并通過高效的通信手段將數據傳輸到監控中心，從而提高電力系統的運行效率和安全性。

2.3邊緣計算節點對采集的數據進行處理

邊緣計算節點首先從電力系統中的各種傳感器、智能設備或控制單元中，采集電壓、電流、頻率、溫度等實時數據。然后要對采集到的原始數據進行初步處理，包括濾波、去噪、格式轉換等，以提高數據質量。接下來，就要實時監控數據，對關鍵參數進行分析，以便及時發現電力系統中的異常情況或潛在的安全風險。使用數據分析和機器學習算法對電力系統的運行狀態進行評估，預測潛在故障。根據預設的規則或算法，對采集的數據進行分析，為電力系統的運行控制提供決策支持。

在邊緣節點上執行管理決策，如自動調整設備參數、啟動備用電源或隔離故障區域，以減少對中心控制系統的依賴。將不同來源或傳感器的數據進行融合，以獲得更全面和準確的電力系統狀態信息。例如，邊緣節點上的傳感器持續采集變壓器溫度、電流、電壓和斷路器狀態等數據，并且要對采集到的數據進行分析，檢測設備是否在正常工作范圍內。系統檢測到變壓器溫度異常升高，可能預示著過載或故障。邊緣節點根據預設的規則和算法，開始有序調整變壓器的風扇轉速以降低溫度，如果主電源出現故障，自動切換到備用電源，關閉受影響的斷路器，防正故障蔓延。同時，邊緣節點整合來自多個傳感器和不同來源的數據，結合溫度變化趨勢和風扇狀態，評估過熱風險。分析電流和電壓的波動，判斷系統負載情況。根據計算得出的數據，邊緣節點評估電力系統的整體狀態，并使用機器學習算法進行預測，包括設備的剩余壽命或可能的故障點等。中心控制系統接收邊緣節點的數據，對異常情況進行分析，并在必要時遠程調整邊緣節點的決策或直接干預3]。

然后，要對數據進行壓縮，減少傳輸的數據量，降低帶寬需求，同時減少延遲，還要對敏感數據進行加密，保證數據在傳輸過程中的安全性。將處理后的關鍵數據上傳至中心控制系統或云平臺，以便進行進一步的分析和存儲。由于對數據進行有效處理，可以減少對中心系統的依賴，從而提高對實時事件的響應速度。通過在邊緣進行初步處理，可以減輕中心系統的計算負擔。通過管理決策和自動控制，也能在一定程度上提高電力系統的可靠性，并且節省數據傳輸的成本和帶寬。

2.4實現靈活時隙配置

利用邊緣計算節點的能力，根據實時負載和通信需求動態調整時隙分配。例如，在負載較低的時段分配更多時隙用于數據傳輸，而在負載高峰期則適當減少時隙，以避免網絡擁塞。在偏遠或信號覆蓋不佳的區域，通過設置節點來擴展無線通信的范圍，同時為節點分配靈活的時隙，確保它們能夠高效傳輸數據。同時，使用頻譜感知技術來檢測可用頻段，根據頻譜使用情況靈活配置時隙，避免與其他設備或網絡相互干擾。

根據數據內容的重要性或緊急性來調度時隙。例如，對于需要實時響應的警報信息優先分配時隙，而對于非緊急數據則可以延遲傳輸。利用機器學習算法分析歷史通信模式和系統行為，預測未來通信需求，從而智能分配時隙。對現有的無線通信協議進行優化，以支持靈活的時隙配置。例如，使用時分多址或正交頻分多址等技術，根據需求調整時隙長度和分配。應用網絡編碼技術，也可以提高數據傳輸效率，通過在網絡邊緣，尤其是在多跳通信網絡中，對數據進行編碼，可以優化時隙使用。在邊緣節點上實現智能路由和流量管理，根據網絡狀況和設備狀態動態調整時隙配置，確保關鍵數據的優先傳輸。通過這些技術的應用，電力系統運行控制系統，就可以通過優化時隙配置，減少數據傳輸延遲和帶寬浪費，適應不同的網絡狀況，提高系統的穩定性。通過更有效的頻譜利用和資源分配，降低通信成本，提高系統的快速響應能力[4]。

2.5加強5G邊緣計算

利用5G網絡切片能力，為電力系統提供定制化的網絡服務，可以為關鍵任務分配優先級的切片，進而保證數據傳輸的實時性和可靠性。5G網絡的低延遲特性對于實時電力系統控制至關重要，通過優化網絡配置和邊緣計算資源，可以實現毫秒級的數據傳輸，滿足實時監控和遠程控制的需求。在電力系統關鍵位置部署5G邊緣計算節點，以減少數據傳輸距離，降低延遲，并提高數據處理能力。在邊緣節點上部署高性能的計算和存儲資源，輔之以人工智能和機器學習算法，以實現數據的實時分析和決策支持。根據電力系統的不同需求，動態分配網絡切片資源。例如，為智能電網管理分配高帶寬和低延遲的切片，為遠程監控設備分配中低帶寬的切片。可以在5G網絡中創建兩個網絡切片，一個用于高帶寬和低延遲（切片A），分配帶寬100Mbps，延遲要求小于 5ms ；另一個用于中低帶寬（切片B），分配帶寬10Mbps，延遲要求小于 50ms 。

加強5G邊緣計算的安全措施，包括數據加密、身份驗證和訪問控制，保障電力系統數據傳輸處理更加安全可靠。通過優化5G網絡架構，減少網絡風險，提高數據傳輸效率，同時，通過邊緣計算減少對終端的依賴，提高系統的抗干擾能力和可靠性。保證5G邊緣計算與現有電力系統設備和協議的互操作性，以便無縫集成。利用5G邊緣計算，可以實現高效的數據采集、處理和分析。減少對中心云的依賴，同時減少數據傳輸量。此外，通過5G邊緣計算，可實現電力系統的自動故障檢測、預測性維護和動態負載平衡等自動化和智能化控制。總之，通過加強5G邊緣計算，電力系統可以實時監控電力系統狀態，快速響應異常情況，提高能源利用和系統運行效率，提高電力系統的穩定性和可靠性。

3 結束語

綜上所述，對電力系統運行控制中的邊緣技術進行優化，可以提升電力系統的整體穩定性，更好地利用可再生能源，減少棄風棄光的現象。在運用邊緣技術的時候，主要是從傳感器、智能管控裝置、數據處理、時隙配置、邊緣計算等方面入手，實現電力系統智能化的運行控制，構建新型電力系統。

參考文獻

[1]余濤，梁敏航，羅慶全.新型電力系統專用傳感與邊緣智能關鍵技術及其展望[J].高電壓技術，2024，50（8）：3324-3338.

[2]張云鳳.基于邊緣物聯的電力系統二次繼保設備測試管控技術[J].信息與電腦（理論版），2024，36（10）：64-66.

[3]李欣洋，許健，蔡田田.基于邊緣計算的電力系統同步相量測量技術研究[J]電器工業，2023（12）：13-18，23.

[4]葉遠波，章昊，王同文.基于邊緣物聯的電力系統二次繼保設備測試管控技術[J].中國電力，2023，56（7）：156-162，174.