一、邊緣計算節點在光伏并網箱中的應用背景

二、邊緣計算節點核心功能模塊設計

（一）數據采集與預處理功能

• 多源數據接入

• 采集光伏并網箱內電氣參數：直流 / 交流電壓、電流、功率、頻率、功率因數等（通過電流互感器、電壓傳感器）。

• 環境數據采集：箱體溫度、濕度、光照強度（用于 MPPT 優化）、振動信號（設備故障預警）。

• 設備狀態監測：斷路器、熔斷器、接觸器的開關狀態，散熱風扇運行參數。

• 數據預處理

• 異常值過濾（基于 3σ 原則）、噪聲消除（滑動平均濾波）、數據歸一化，減少無效數據傳輸。

• 數據緩存機制：本地存儲 72 小時歷史數據，網絡中斷時持續記錄，恢復后批量上傳。

（二）實時監測與故障診斷功能

• 運行狀態監測

• 實時計算并網箱效率、電能質量指標（THD 總諧波畸變率、電壓偏差），生成趨勢曲線。

• 動態顯示功率流向（光伏發電→儲能→電網），支持可視化界面本地查看。

• 故障預警與診斷

• 內置故障知識庫，支持過流、過壓、短路、孤島效應等異常狀態識別。

• 基于機器學習的故障定位算法（如隨機森林模型），定位故障元件（如熔斷器、逆變器模塊）。

• 故障時觸發本地聲光報警，并通過短信 / APP 推送至運維人員。

（三）本地控制與優化功能

• 自適應控制策略

• 動態調整并網開關邏輯：根據電網電壓波動自動切離 / 接入，滿足《GB/T 19964-2012 光伏發電接入電網技術規定》。

• 協同光伏逆變器實現 MPPT（功率點跟蹤），優化發電效率（提升 3%-5%）。

• 能量管理優化

• 本地制定儲能充放電策略：低谷時段充電、高峰時段放電，降低用電成本。

• 支持微電網孤島運行控制，電網停電時維持關鍵負荷供電。

（四）通信與協議轉換功能

• 多協議適配

  通信方向	協議類型	應用場景
  設備接入	Modbus RTU/ASCII、CANopen	連接傳感器、智能儀表
  邊緣 - 云端	MQTT、HTTP/HTTPS	數據上傳、遠程配置
  邊緣 - 邊緣	OPC UA、AMQP	多并網箱協同控制

• 網絡冗余設計

• 支持 4G/5G、Wi-Fi、光纖多鏈路備份，通信中斷時自動切換。

• 邊緣節點間建立 P2P 通信，實現區域內數據共享（如相鄰電站功率調度）。

（五）安全與管理功能

• 信息安全防護

• 數據傳輸加密（AES-256）、設備身份認證（TLS 證書），防止惡意攻擊。

• 固件升級簽名驗證，避免非法固件植入。

• 運維管理功能

• 遠程配置節點參數（采樣頻率、報警閾值），支持 OTA（空中升級）。

• 生成運維報告：設備健康度評分、故障統計、維護建議（如熔斷器更換周期預測）。

三、邊緣計算節點硬件與軟件架構

（一）硬件設計要點

• 核心處理器：選用低功耗工業級芯片（如 ARM Cortex-A53/A72）或邊緣計算專用 SoC（如 NXP i.MX 8M、瑞芯微 RK3588），算力≥2TOPS（支持 AI 推理）。

• 接口配置：

• 模擬量接口：8 路以上 ADC（16 位精度），用于電壓 / 電流采樣。

• 數字量接口：16 路 DI/DO，控制開關器件。

• 通信接口：2 路以太網、2 路 RS485/RS232、1 路 CAN 總線。

• 環境適應性：

• 寬溫設計（-40℃~+70℃），防護等級 IP65，適應戶外光伏場景。

• 抗電磁干擾（符合 EN 61000-6-2 標準），防止電網諧波干擾。

（二）軟件架構設計

• 操作系統：輕量級實時 OS（如 FreeRTOS、Zephyr）或嵌入式 Linux（如 Buildroot 定制系統）。

• 邊緣計算框架：集成 EdgeX Foundry、KubeEdge 等開源框架，支持容器化部署（Docker）。

• 算法模塊：

• 實時數據庫（InfluxDB Edge）存儲時序數據，查詢延遲＜50ms。

• 機器學習庫（TensorFlow Lite、ONNX Runtime）運行故障預測模型。

四、典型應用場景與價值

• 場景 1：偏遠光伏電站無人值守
  邊緣節點獨立完成故障診斷與本地切機，減少運維人員現場巡檢頻次（降低 30% 運維成本）。

• 場景 2：電網擾動快速響應
  當電網電壓驟降時，邊緣節點在 10ms 內執行低電壓穿越（LVRT）策略，符合電網并網要求。

• 場景 3：多能源協同優化
  結合氣象預報與邊緣計算，提前調整光伏 - 儲能 - 柴油發電機的協同策略，提升系統供電可靠性。

五、設計參考標準

• 電氣安全：GB/T 3805-2021《電氣安全操作規程》

• 并網規范：GB/T 29319-2012《光伏發電系統并網技術要求》

• 邊緣計算：《邊緣計算 術語》（T/CCSA 263-2019）