云環(huán)境下電力交易的數(shù)據(jù)服務研究與實現(xiàn)

凌志揚　閆紅漫　張弘

摘 要：在新一輪電力改革的背景下，越來越多的分布式可再生能源接入到配電網(wǎng)中，給電力市場的電力交易平臺帶來了新的挑戰(zhàn)。本文針對云環(huán)境下電力交易的數(shù)據(jù)服務問題，對電力交易平臺交易信息模型的構建、分布式電力交易數(shù)據(jù)一致性等問題進行研究，并設計分布式可再生能源交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務架構，以示范工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)為例進行驗證。

關鍵詞：分布式可再生能源； 數(shù)據(jù)服務； 云環(huán)境

Abstract： Under the background of the new round of electricity market reform， more and more distributed renewable energy is accessed to the distribution network， which brings new challenges to the electricity market trading platform. This paper focuses on the data service of power trading in cloud environment， studies the construction of trading information model of power trading platform， the research of data consistency of distributed energy trading system， and the design of interactive trading mode and architecture of trading system of distributed renewable energy. The system is verified with the operation data of demonstration project.

Key words： distributed renewable energy； data service； cloud environment

引言

隨著社會的進步和發(fā)展，全球對綠色、清潔、高效的電能需求日益增長，智能電網(wǎng)的概念應運而生[1]。2015年3月，國務院發(fā)布《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，明確指出要全面放開用戶側分布式電源市場[2]。2015年7月國務院發(fā)布《關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，2016年，國家發(fā)改委、國家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合下發(fā)《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，明確指出實施能源領域的國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，逐步覆蓋電力等能源領域，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)集成融合[4]。

傳統(tǒng)的電力市場交易平臺主要支撐中長期電力交易業(yè)務[5]，隨著電力實時交易的不斷推進，已無法滿足電力交易市場的需要。本文提出分布式可再生能源交易系統(tǒng)的交易信息模型，解決了電力交易系統(tǒng)內(nèi)的多源異構數(shù)據(jù)融合和信息交互的問題。對分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性問題的研究，解決了分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致的問題。設計實現(xiàn)區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，探索分布式可再生能源的交易流程和數(shù)據(jù)服務的信息交互過程，將“互聯(lián)網(wǎng)+”和電力交易結合，進行了一次有益的創(chuàng)新。

1 電力交易信息模型

公共信息模型（Common Information Model， CIM）[6]描述了電力企業(yè)和業(yè)務領域中的主要對象類、類屬性和類之間的關聯(lián)關系。其釆用面向對象的建模方法和統(tǒng)一建模語言描述方式，以類圖的形式進行直觀的展現(xiàn)，代表了電力企業(yè)所有主要對象的抽象模型。CIM模型擴展基本流程如圖1所示。

由于CIM是國際的通用標準，不可能完全滿足中國電力系統(tǒng)的所有特性，且伴隨著CIM模型的版本更新，CIM模型對電力系統(tǒng)內(nèi)部的抽象描述變得越來越細致，CIM模型已經(jīng)變?yōu)橐粋€龐大的綜合信息模型[7]。而對于分布式可再生能源的交易系統(tǒng)，不需使用全部的CIM模型，只需對IEC 61968和IEC 62325標準CIM模型的部分進行抽取，結合自身交易系統(tǒng)的實際，對現(xiàn)有的CIM模型進行擴展，構成一個滿足交易系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)模型。

本文以IEC 62325標準市場通用包（MarketCommonPackage）中的市場參與者類（MarketParticipant）和市場角色類（MarketRole）為基礎，對分布式能源用戶進行建模。將機構角色類下的消費者類進行擴展，抽象出分布式可再生能源消費者類（RenewableEnergyCustomer），新能源用戶CIM類如圖2所示，其中包含新能源用戶總認購光伏消費電量（PVSubscriptionConsumption）、總消費電量（totalConsumption）和總支付金額（totalPayment）等屬性，與市場參與者類（MarketParticipant）的子類

[LL]市場角色類（MarketRole）具有關聯(lián)關系。擴展后的新能源用戶類的各屬性可滿足分布式可再生能源的交易流程中各交易環(huán)節(jié)的需求。

市場運營CIM類如圖3所示。對市場申報類進行擴展，滿足電力用戶提交認購比例（CustomerBid）的需求；對產(chǎn)品申報類進行擴展，滿足發(fā)電商報價的模型需求；擴展出發(fā)電商報價類（PublisherBid），此類包含機組類型（energyType）、用于描述機組出力和價格之間關系的價格申報曲線（hourlyPowerPrice）和訂單時間（orderTime）等屬性。對小時產(chǎn)品計劃類（BidHourlySchedule）進行擴展，滿足市場運營方在市場平衡后中標電量公示的需求。

市場出清類CIM如圖4所示。日后結清環(huán)節(jié)需要對新能源用戶和分布式發(fā)電商的交易進行結算，在IEC 62325標準中，關于市場清算的類圖主要為MarketFactors。其中定義各種類型的市場結清類，對通用結清類（GeneralClearing）進行擴展，滿足發(fā)電商和電力用戶在結清環(huán)節(jié)的建模需求。

2 電力交易數(shù)據(jù)一致性研究

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)每日新采集和存儲的數(shù)據(jù)便有TB級的數(shù)據(jù)量，當前的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)難以滿足大量數(shù)據(jù)的存儲分析需要。由于云計算環(huán)境分布式存儲系統(tǒng)在電網(wǎng)中的逐步應用，如何保障分布式系統(tǒng)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)一致性成為亟待研究的課題。

一致性算法使服務器集群像1個整體一樣進行工作，即使集群中的幾臺服務器宕機也不會影響集群工作。因此，一致性算法在分布式系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色。由Lamport提出的Paxos算法一直處于統(tǒng)治地位[8]。很多新的一致性算法均是以經(jīng)典Paxos算法為基礎進行改進的，盡管很多學者做了大量工作希望降低Paxos算法的復雜性，但是其仍然十分復雜且很難直接應用于實際的系統(tǒng)中，Raft算法就是在此背景下被提出的[9]。Raft算法采用一些特別的優(yōu)化方式使其便于理解。將算法分為選舉、日志復制和安全3個部分來降低算法的復雜程度。

在簡化的電力交易流程中，以日前申報環(huán)節(jié)為例：電力用戶在固定時刻提交第二日可再生能源認購比例；分布式可再生能源發(fā)電商在固定時刻進行第二日各時段發(fā)電量競價申報；運營商統(tǒng)一進行市場平衡，然后公布發(fā)電商的中標電量。由此可見，服務器集群會在固定時段前后達到數(shù)據(jù)讀取高峰，發(fā)電商和電力用戶并發(fā)訪問服務器集群，需要保證用戶在讀取中標電量公示信息時，各服務器節(jié)點之間數(shù)據(jù)是一致的。為了提高系統(tǒng)性能，采取在電力交易各個環(huán)節(jié)固定時刻到來前，開始一致性算法中選舉過程，選舉產(chǎn)生新的leader。leader負責協(xié)調各服務器之間的工作，客戶端與集群之間的交互和集群內(nèi)部各服務器的交互均圍繞leader進行。當各申報截止后，市場平衡完畢，啟動數(shù)據(jù)一致化的過程，使各服務器節(jié)點狀態(tài)一致，保證系統(tǒng)可靠性。

1個Raft集群包含多個服務器節(jié)點，若5個服務器節(jié)點組成1個集群，則系統(tǒng)最多可以忍受2臺服務器節(jié)點宕機。1臺服務器節(jié)點在任意時間總屬于以下3種狀態(tài)：leader、follower和candidate。通常情況下，1個集群只能有1個leader，其余節(jié)點均為follower。follower是被動的角色，不能夠主動提出請求，只是響應leader和candidate的請求。leader負責處理客戶端的所有請求，若客戶端連接到1個follower節(jié)點，該節(jié)點需要將請求重定向至leader節(jié)點，candidate用于選舉leader節(jié)點。3種狀態(tài)之間的狀態(tài)轉換如圖5所示。

3 電力交易數(shù)據(jù)服務架構設計

在新一輪電力改革中售電側放開的背景下，需要研究適應市場變化的電力交易數(shù)據(jù)服務的關鍵架構[10]。針對電力交易信息模型的構建、數(shù)據(jù)一致性和交易安全等問題，設計出分布式可再生能源、交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務架構。架構由基礎設施層、平臺服務層和系統(tǒng)應用層組成。架構形式如圖6所示。

3.1 基礎設施層

基礎設施層包括服務器、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡和操作系統(tǒng)等部分，在網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)存儲設計上，將內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)分開存儲，內(nèi)網(wǎng)服務器主要存儲交易類、合同類、結算類數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)運行的覆蓋電力交易核心業(yè)務相關數(shù)據(jù)。外網(wǎng)服務器上存儲可以公開的政策信息、結算信息和中標公示等信息，故外網(wǎng)服務器需要訪問內(nèi)網(wǎng)服務器上的信息。同時出于系統(tǒng)安全的考慮，在內(nèi)外網(wǎng)之間安裝網(wǎng)絡安全隔離設備。除了傳統(tǒng)的計算機防火墻策略，還可從系統(tǒng)的硬件設備角度，增強系統(tǒng)的安全防護能力。安全隔離設備作為代理，當內(nèi)外網(wǎng)之間發(fā)生數(shù)據(jù)交換時，從數(shù)據(jù)包中抽取數(shù)據(jù)然后通過裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖進行轉發(fā)，完成數(shù)據(jù)的中轉過程。

利用現(xiàn)有的物理服務器資源和云服務商購買的公共云服務器資源和網(wǎng)絡路由器等所組成“私有+公有”物理集群，為分布式可再生能源交易系統(tǒng)提供虛擬化的執(zhí)行環(huán)境，同時可減少部分服務器維護開銷。

3.2 平臺服務層

平臺服務層主要由消息服務、計算服務、數(shù)據(jù)一致性服務等服務組成。該層各應用通過調用相關服務接口為上層系統(tǒng)服務提供數(shù)據(jù)，繼而為用戶提供數(shù)據(jù)服務；通過對調用基礎設施層相關接口實現(xiàn)相關的數(shù)據(jù)存儲等功能。針對電力交易系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)備份容易造成不一致的問題，電力交易在日中交易的環(huán)節(jié)每5 min便采集一次數(shù)據(jù)特點，將長時間累積的大量電力用戶的實時負荷、分布式可再生能源發(fā)電商的實時出力信息、區(qū)域內(nèi)能源結構、碳排放情況等指標和所有公布的實時信息，調用分布式一致性服務，在部分記錄落后的服務器節(jié)點中，將大量實時信息日志按順序更新以達到最新狀態(tài)，解決部分服務器節(jié)點更新緩慢的問題。

3.3 系統(tǒng)應用層

系統(tǒng)應用層是分布式可再生能源發(fā)電供應商、配網(wǎng)運營商和新能源電力用戶實體接入數(shù)據(jù)服務結構的入口。在電力交易場景下，系統(tǒng)需要的實時數(shù)據(jù)由其它外部應用提供，故電力交易系統(tǒng)與電力系統(tǒng)中其它應用如地理信息系統(tǒng)GIS、監(jiān)控與采集系統(tǒng)SCADA、生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS、配電自動化系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、電能質量監(jiān)測系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)等營配相關業(yè)務系統(tǒng)存在著大量的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)應用層同時也是這些應用的入口，負責與其它系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，并在這一層對數(shù)據(jù)進行處理。用戶可通過PC端應用和移動終端設備進行訪問。

4 驗證

本文依托國家863課題“集成可再生能源的主動配電網(wǎng)研究及示范”，利用貴州紅楓地區(qū)示范工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證。

以水培線2017年2月某日實際負荷與分布式電源數(shù)據(jù)為例，驗證電力交易的數(shù)據(jù)服務。圖7為光伏發(fā)電商24 h預測出力，圖8為光伏發(fā)電商中標電量展示，圖9為系統(tǒng)實時反饋展示。

5 結束語

在全面放開用戶側分布式電源市場和進一步完善跨省跨區(qū)電力交易機制政策的推動下，本文對交易信息模型和數(shù)據(jù)一致性的研究可以為其它交易系統(tǒng)提供參考。對區(qū)域內(nèi)分布式可再生能源的交易流程的研究和設計實現(xiàn)的區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，是云計算技術與電力交易結合的有益嘗試。[JP3]伴隨著電力改革的進一步深化，仍可以進行更深入的研究。

[LL]

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