《Energies》：Architecture of an Edge Processing System for Aggregated Generation of PhotoVoltaic Plants with Expanded PMUs
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目前能源领域有采用边缘计算技术以主动监控配电网的趋势，该技术对需要低时延实时数据处理的分布式监控系统应用至关重要。边缘计算环境可满足配电网中两类不同时效性需求——可能触发严重配电网事件的快速响应需求，以及较低要求的能量管理需求。本文论证并分析了专为满足上述两级
目前能源领域有采用边缘计算技术以主动监控配电网的趋势，该技术对需要低时延实时数据处理的分布式监控系统应用至关重要。边缘计算环境可满足配电网中两类不同时效性需求——可能触发严重配电网事件的快速响应需求，以及较低要求的能量管理需求。本文论证并分析了专为满足上述两级时间需求而设计的系统架构，规定了同一配电网内多座光伏电站的监测、存储及本地诊断流程，旨在研究其联合发电量。主要贡献之一是将相量测量单元(PMU, Phasor Measurement Unit)功能扩展至按扇区监测太阳辐照度或发电量的外围，其二是在通信中保证测量质量与低时延，以IEEE C37.118?-2011同步相量标准为参照并结合时间敏感网络(TSN, Time Sensitive Network)同步协议保障分布式测量的同时性。最终目标是借助靠近测点部署的计算技术实现实时响应，从采集开始至参数存入时序数据库(Time Series DataBase, TSDB)全程确保精细管控。
基于扩展PMU与TSN同步的光伏电站聚合发电边缘监测系统架构研究解读
该研究发表于《Energies》。当前可再生能源尤其是光伏电站(PV Plant, Photovoltaic Plant)大规模接入配电网(DN, Distribution Network)，其出力不可控且受气象因素影响产生波动，需进行主动实时监控。传统云边架构难以满足配网对毫秒级扰动事件检测与较宽松能量管理的双时间尺度需求；相量测量单元(PMU)虽具高精度同步与通信能力，但通常不负责注入点发电信号质量深层分析，且单独使用无法便捷融合辐照度、分区电能量等异构测量。已有研究尝试将PMU与电能质量测量仪(PQM, Power Quality Meter)混合架构或引入时间敏感网络(TSN)，但仍未将PMU同步能力完整延伸至全站辅助计量节点并按IEEE C37.118.2?-2011封装异源数据。因此研究人员设计并验证了一种基于"扩展PMU(ePMU, extended Phasor Measurement Unit)"概念的光伏多站边缘处理系统架构，以TSN把PMU主时钟同步分发至扩展测量单元(eMU, extended Measurement Unit)，由PMU主机按同步相量标准帧集中发送相量、电气参量与太阳辐照度，实现跨站跨设备微秒级同步采集、边缘实时处理及联合发电量分析，实验验证同步偏差低于10 ns，满足IEEE C37.118.1?-2011总矢量误差(TVE, Total Vector Error)与频率误差(FE, Frequency Error)要求，可支撑配网事件关联分析与云影—功率相关性研究。
研究人员采用的主要关键技术方法如下：于西班牙科尔多瓦省相距4 km的两座光伏电站（Cruz del Doctor 4 MW含4个变送中心TC，Cabeza Oliva 1.8 MW含2个TC）部署硬件，每站TC-1安装National Instruments compactRIO-9054(cRIO)作为PMU主节点（兼TSN主时钟TSN Master），其余TC安装compactDAQ-9185(cDAQ)作为eMU从节点（TSN Slave），站点内以专用TSN以太网菊花链互联；电压电流分别经精密分压器与Rogowski线圈接NI-9215同步采样模块，辐照度由4–20 mA电流环pyranometer接NI-9203；各PMU经GPS脉冲每秒(PPS, Pulse Per Second)直接同步FPGA时钟并更新CPU时钟(Linux RT)，cRIO双并行实时线程分别处理相量计算与eMU数据接收并通过共享RT变量交换，eMU波形经TSN送达PMU主线程打包入单帧IEEE C37.118.2?-2011报文发往开源相量数据集中器(OpenPDC, open source Phasor Data Concentrator)，再由STTP(Streaming Telemetry Transport Protocol, IEEE Std 2664?-2024)解帧存入InfluxDB时序数据库(TSDB)，远端镜像备份；软件基于LabVIEW(2020 sp1) RT模块开发，利用NI?Sync库读取主从TSN偏移校验同步精度，并以TVE与FE指标参照IEEE C37.118.1?-2011做性能评估。
2. Novel Features of the System（系统新特性）
研究人员指出系统可同时以50 phasors/s（20 ms）和10 phasors/s（100 ms）双速率捕获，并将相量、电能与辐照度集成于单一IEEE C37.118.2?-2011数据帧；cRIO以双实时线程+共享RT变量交换eMU与ePMU数据，由PMU线程统一对外通信；两电站各用GPS同步，PMU从FPGA取PPS更新LinuxRT时钟，设TimeStampGPS与TimeStampcDAQ变量保障跨设备测量相关性；TSN使PMU作Master、eMU作Slave，实测不同机箱间同步不确定度<100 ns；当前1台cRIO+3台cDAQ占用70% CPU负载，架构可横向扩展新增cDAQ或复制系统对接OpenPDC新通道。
3. Conceptual Model of the System Architecture（系统架构概念模型）
研究人员提出ePMU概念：每台PMU Master将主时钟基准经TSN分发给站内eMU，eMU测电量或辐照度回传PMU Master，后者打包所有测得值（含自身同步相量）为单帧IEEE C37.118.2?-2011发出。信息流转分三层：TSN橙色层完成<1 μs时钟同步与锁相环(PLL, Phase-Locked Loop)同步；蓝色层软件虚拟通道合并eMU与PMU同步波形做实时处理；绿色层TCP/IP近实时传送共享变量并以IEEE C37.118.2?帧发至PDC，PDC再送TSDB。
4. System Architecture（系统架构分层）
研究人员定义四级优先级架构：(A)第一级—基于TSN同步与实时采集：PMU于RTOS按绝对时钟精确间隔运行多循环，eMU异地同步采样但无相量生成能力须回传原始样本至PMU。(B)第二级—实时处理：PMU处理eMU样本得频率(F)、电流有效值(Irms)、电压有效值(Vrms)、有功功率(P)及同窗口平均太阳辐照度，可嵌入高阶统计量(HOS, Higher Order Statistics)检测暂态或电压跌落，结合前端pyranometer预判云影并通过SunSpec Modbus TCP/IP给逆变器下发平滑指令。(C)第三级—IEEE C37.118.2?-2011通信：PMU组帧含前述所有处理级数据发PDC，PDC可算视在功率、无功功率及设定过压/频变事件，若PDC位于同站局域网属边缘计算范畴。(D)第四级—STTP通信与存储：PDC经STTP解帧分时间戳转发至TSDB（可本地或远程），支持全分辨率或降采样历史时序传输，亦可在此层做间接功率再计算；增设Apache Kafka与InfluxDB 3.0 Core支持Python多元ML算法直连库内生成逆变器设定值，服务器配Ubuntu 24.04 LTS实时内核且参与TSN全网同步。
5. Developed System Solution（已开发系统方案）
硬件上两电站共布6个NI机箱（每TC一台），Cruz del Doctor配20台、Cabeza Oliva配10台空间网格分布pyranometer；电压电流用NI-9215（配分压器/Rogowski积分放大），辐照度用NI-9203接4–20 mA环防长线压降；cDAQ内置两口TSN交换机串接，cRIO仅端接不做交换。软件流为eMU→TSN→ePMU→OpenPDC(STTP)→InfluxDB TSDB，由两台Intel NUC分别跑LabVIEW项目管理ePMU与承载数据库并定期异地镜像至加的斯大学服务器，支持VPN直访或镜像库离线分析。
6. Formulation and Metrics（公式与性能指标）
研究人员给出模拟信号x(t)=Xm·sin(2πft+θ0)，同步相量表示为复数X=Xrms·ejθ=Xrms·cosθ+j·Xrms·sinθ；三相电压电流有效值(RMS)与相位据100 ms PPS对齐计算；PMU用相量法算有功功率P=Re{V·I*}，eMU用瞬时值乘积积分法p(t)=v(t)·i(t)再取均值；非标称频率下稳态同步相量呈时变函数；按IEEE C37.118.1?定义TVE=|X?est?Xtrue|/|Xtrue|，FE=|fmeas?ftrue|，ROCOF误差RFE=|df?/dt?dftrue/dt|；频率偏差Δf=(Δθ/(2πΔt))，ROCOF近似(df?/dt)≈Δf/ΔT。
7. Experimental Results and Notable Examples（实验结果）
7.1 验证同步性：以NI?Sync库OffsetFromTR(ns)测MasterTSN–SlaveTSN偏移，四节点直方图最大同步偏移<10 ns，远优于IEEE C37.118.1允许之±31 μs(对应1% TVE)；Cruz del Doctor两最远TC与PMU频率差95%数据落±0.005 Hz内（最大散点5%处为0.008 Hz），认为满足标准要求，证实TSN消除网络同步漂移对同步相量影响。
7.2 发电联合聚合：得益于时标严格一致，数据库可精确叠加两站有功/视在功率曲线，多云日15分钟内个体与聚合产出及TC端电压同步可视化，证明系统能可靠支撑跨区域光伏联合发电量评估。
7.3 云影与发电相关性：30台pyranometer网格平均辐照度较单点更能表征TC出力（体现空间平滑效应），系统0.1 s刷新获辐照空间分布并计算云运动矢量(CMV, Cloud Motion Vector)，实例显示云移方向与先后遮挡TC致功率曲线变化相符，说明该架构可提供短时光伏功率预测所需的高时空分辨辐照场信息。
讨论与结论（译自原文Conclusion节浓缩）
研究人员得出结论：所提监测架构通过PMU与TSN协议协作，将高精度同步能力扩展至全站辅助计量节点构成统一ePMU，并把太阳辐照度监测融入同质化数据帧，实现对多光伏电站个体及聚合发电的同步监测、存储与诊断。系统经IEEE C37.118?-2011验证，TSN同步偏移<10 ns，频率误差95%概率落标准允许范围。高时标精度使跨站功率质量事件可比对关联，配网内分散光伏协同分析成为可能。空间网格化pyranometer网络经平均可良好估算电站出力（空间平滑效应），并可提取辐照空间分布与云运动矢量以支持电站管理与短时功率预测。基于此架构，后续项目(EMSTAC, Edge Management of Photovoltaic Plants Based on Seamless Temporal Accuracy Analytical Architecture, PID2024-158091OB-C21)拟将TSN同步扩展至宿主数据库服务器，依托TSN兼容Ubuntu RT与InfluxDB 3 Core实现确定性ML代理实时交互光伏逆变器，达成真正的实时边缘计算(Real-Time Edge Computing)。
