近日,《电力系统自动化》期刊网络首发极简团队论文《嵌入式能量管理系统研制与工程实践》！

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研究背景

传统能量管理系统方案硬件组成复杂、设备接入成本高、扩展性及通用性弱，难以适配中小规模新兴场景的多能自主管控需求，因此提出一种嵌入式能量管理系统，具备以下特点：

· 具有完整的理论与技术支撑，覆盖控制、通信、计算、数据库等EMS全链条功能。

· 功能高度集成，将数据采集、分析计算与实时控制等多级硬件功能融于单一硬件，形成轻量级、高效通用、即插即用的集成化EMS，在不同场景中可实现快速部署。

· 控制策略组态化，提出了基于边活动网（activity on edge network，AOE）建模的控制组态技术，给予用户“搭积木”式的控制策略通用自定义方式，大幅提高工业控制策略开发的效率。

· 提出了边缘侧数学计算引擎，设计基于自动微分算法的优化求解器，可实现分布式场景优化自治，同时降低用户使用难度。

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整体设计

嵌入式能量管理系统设计系统总体架构如下图所示：

· 组态配置模块：嵌入式能量管理系统以组态的形式提供用户二次开发接口，使用户通过文件配置和图形化组态的方式完成相应功能开发。

· 嵌入式能量管理系统中央处理及嵌入式数据库模块：AOE调度器对组态配置进行校验、解析、调度执行，实现用能场景的优化运行。

· Web 应用工作界面模块：嵌入式能量管理系统开发搭载于浏览器运行的Web应用作为用户工作界面。

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基于混成控制理论的控制组态技术

为应对嵌入式环境的扩展升级问题，嵌入式能量管理系统采用基于混成控制理论的控制组态技术，实现分布式能量管理策略的通用化开发与低代码式编辑。

以扩展的AOE对策略进行建模，让用户自定义不满意事件和事件消除步骤。以储能装置的削峰填谷控制策略设计为例，可描述为如下图所示的事件和动作组成的AOE结构：

用户在使用嵌入式能量管理系统编辑控制策略时，按照所定义的标准格式配置AOE节点、边及其属性即可，AOE调度器将自动对用户所定义的AOE进行有效性校验、解析与求解、激活运行。

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基于自动微分算法的边缘侧求解器

为应对嵌入式环境的边缘求解问题，嵌入式能量管理系统构建基于自动微分算法构建边缘侧优化求解器，高效处理分布式场景中分散的数据。

能量管理策略对导数计算有着广泛的需求。自动微分作为一种导数计算技术，相比于数值微分，它不存在损失精度的问题；相比于符号微分，它复用每一个基本表达式的导结果，避免了表达式膨胀，可以显著提高计算效率、降低人工编写的出错风险，对满足嵌入式场景的数学计算需求有重要意义。

采用自动微分进行模型求解的标准步骤为：

· 解析用户输入建立模型；

· 拆解函数生成计算图；

· 自动微分计算及求解器求解。

根据上述步骤在嵌入式能量管理系统中进行了边缘侧优化求解引擎编写，并预置了常见函数的拆解结果以进一步提高计算速度。

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轻量级嵌入式Web应用开发

为应对嵌入式环境的内存资源问题，嵌入式能量管理系统开发轻量、高效、可靠的软件系统，作为满足嵌入式运行条件的软硬件一体化终端。

数据库、通信处理、软件架构的实现方式对软件的体积与效率有关键影响，为此本文采用的技术路线包括NoSQL嵌入式数据库技术、异步非阻塞通信技术以及前后端全栈开发的Web应用软件形式。当通信负载较高时，本文方法的延迟率显著低于传统方案，性能对比如图所示。

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应用实践

当前，嵌入式能量管理系统已在杭州、南京、广州等地的20余个项目得到落地应用。

在某220千伏变电站项目中，站内建有装机容量总计103kW的屋顶分布式光伏、100 kW/100kWh的化学储能装置和多个电动汽车充电桩。

本文研发的嵌入式能量管理系统安装于站内开关柜中，根据所设计的光充储一体化运行控制策略AOE，动态管理站内灵活资源。2021 年实现降低碳排约93万吨，平均提升15%能效。2022年2月该示范项目获颁《碳中和证书》，是国内首个获得权威机构认证的“碳中和”220 千伏变电站。