智能電網(wǎng)云計算平臺構(gòu)建

顧文明，李崇旭

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

云模式更加成熟，可以對信息進行組合和整理。當(dāng)前，云計算平臺的程序開發(fā)很多，但所開發(fā)的程序?qū)?yīng)的是信息系統(tǒng)管理，而如何進行最佳的選擇成為一個難題。與網(wǎng)格計算相比，云計算更加復(fù)雜，與計算機網(wǎng)格相比，其層次上的虛擬性也更加復(fù)雜。利用分布式發(fā)電和智能調(diào)峰等信息技術(shù)，實現(xiàn)智能電網(wǎng)在運行過程中的快速發(fā)展，可進一步提高相關(guān)數(shù)據(jù)的整合效率。同時隨著社會的發(fā)展，人們的用電需求也會相應(yīng)增加，這其中所涉及的用電數(shù)量將是巨大的[1]。因此，必須采用高效且高速的處理方式對這些資料進行整理，傳統(tǒng)的方法已遠遠不能適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展需要。以此為背景，可以將云計算的相關(guān)技術(shù)手段引入到電力系統(tǒng)中，在不改變基本信息的前提下構(gòu)建適合電力系統(tǒng)的智能電網(wǎng)。將有關(guān)數(shù)據(jù)納入管理并加以存儲，不僅可以大大提高電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和開展工作的能力，而且可以提高智能電網(wǎng)的效率和容量。

1 智能電網(wǎng)與云計算

1.1 智能電網(wǎng)

從文獻研究中可以看出，由于智能電網(wǎng)的建立和實施與經(jīng)濟發(fā)展水平及電網(wǎng)建設(shè)水平有著密切的關(guān)系，同時各國經(jīng)濟狀況也存在著較大的差異，這使得人們很難對智能電網(wǎng)的相關(guān)概念形成統(tǒng)一的認(rèn)識。

對我國來說，國家電網(wǎng)公司提出的智能電網(wǎng)相關(guān)概念已被國內(nèi)多家電網(wǎng)企業(yè)所認(rèn)同。對國家電網(wǎng)提出的智能電網(wǎng)的概念通常從3個方面進行了詳細闡述。一是要保證整個電網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性，二是要提高全網(wǎng)數(shù)據(jù)的整編分析和存儲能力，三是要實現(xiàn)全網(wǎng)智能化和信息化管理。從這3個方面對智能電網(wǎng)的研究來看，相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)而言，智能電網(wǎng)要求更高的效率、更方便的方式、更可靠的數(shù)據(jù)分析以及更大的容量[2]。

1.2 云計算

云計算具有很強的通用性、很好的拓展性和可靠性以及較大的規(guī)模，而且價格低廉。其規(guī)模很大，“云”帶給客戶前所未有的計算能力體驗，部分企業(yè)的私有云服務(wù)器數(shù)量達到幾百或幾千臺。在任何地點、任何時間進行服務(wù)訪問都可以使用虛擬化云的計算，有了因特網(wǎng)的幫助，即使只有一部手機也能很容易地得到日常所需的東西，根本不用擔(dān)心在哪里使用[3]。

“云”的可靠性要靠自身優(yōu)良的保證方式實現(xiàn)，如多重拷貝容錯等。“云”具有很好的通用性，可以支持多種應(yīng)用，同時又不會受到應(yīng)用的限制，保證了不同應(yīng)用的正常運行不受系統(tǒng)的干擾。而且“云”所具有的高擴展性還可以通過動態(tài)擴展的方式支持那些不斷增長的應(yīng)用和用戶規(guī)模。此外，云計算的價格低廉，使用成本不高，節(jié)點的選擇成本低，通過自身具有的自動化集中式管理還可以進一步降低成本，從而降低企業(yè)的成本負擔(dān)。因為“云”具有低成本的特點，所以可以讓更多的人進行利用，使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，保證了資源的有效利用[4]。

2 面向智能電網(wǎng)的云計算

2.1 智能電網(wǎng)中云計算的實現(xiàn)

智能電網(wǎng)中的云計算是通過因特網(wǎng)上的存儲器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相互連接而形成的。對于智能電網(wǎng)來說，上面提到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既可以使用傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的傳感器，也可以使用PMU和安裝在用戶終端上的電表等，同時還包含了智能家電中的一些相關(guān)系統(tǒng)。

如圖1所示，基于云計算平臺的智能電網(wǎng)系統(tǒng)總體上可分為應(yīng)用層、通信層、管理層以及物理層4個部分。其中，應(yīng)用層、通信層以及管理層負責(zé)智能電網(wǎng)軟件部分的功能，如收集用戶的使用數(shù)據(jù)，負責(zé)相關(guān)因特網(wǎng)之間的結(jié)構(gòu)和連接，整理計算相關(guān)數(shù)據(jù)和處理諸如負荷分配等數(shù)據(jù)分析內(nèi)容。實體層主要承載物理設(shè)備，如存儲設(shè)備和計算設(shè)備等[5]。只有硬件設(shè)備和軟件相互配合，才能構(gòu)成一個進一步發(fā)展和完善的智能電網(wǎng)。

圖1 智能電網(wǎng)云計算平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 基于智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)云模型的構(gòu)建

經(jīng)過對智能電網(wǎng)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)其所涉及的內(nèi)容不僅包括了電力數(shù)據(jù)的整理、分析以及存儲等方面，而且還包括了用戶用電的統(tǒng)計。因此，在基于云計算平臺的智能電網(wǎng)的設(shè)計過程中，需要對智能電網(wǎng)的保密性和安全性給予更多的關(guān)注，以提高其安全性。

為確保智能電網(wǎng)系統(tǒng)的機密性和安全性等一系列問題，提出了在設(shè)計過程中將數(shù)據(jù)流與相關(guān)控制信息相分離的思想[6]。一般來說，控制信息也被稱為控制流，是指電力數(shù)據(jù)在傳輸過程中所包含的某些控制指令等信息，而數(shù)據(jù)流是指在發(fā)出控制指令的過程中需要依賴的特定數(shù)據(jù)信息。有關(guān)數(shù)據(jù)提供服務(wù)的一方只能向擁有相關(guān)法律權(quán)限的單位提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并采用當(dāng)前先進的加密技術(shù)對用戶的相關(guān)信息進行加密。這將大大提高對用戶相關(guān)數(shù)據(jù)信息的保密程度，進一步增強用戶隱私保密能力。

因為國內(nèi)人口眾多，所以家庭用電和工業(yè)電的用量都呈現(xiàn)出巨大的增長趨勢。在基于云計算平臺的智能電網(wǎng)的設(shè)計過程中，需要能夠隨時接收相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并能根據(jù)用戶終端提出的要求及時做出反饋[7]。

在云計算平臺上，模型中的API進一步增強了用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互和反饋，并提供了更強的可擴展性，從而有效地降低相關(guān)成本，保證了處理效率。在此模式中，采用了相關(guān)數(shù)據(jù)信息的分布式存儲及相關(guān)的處理和管理技術(shù)。該系列措施為進一步發(fā)展智能電網(wǎng)打下了良好的基礎(chǔ)，同時也為今后智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了重要參考意見。

3 基于云計算平臺的智能電網(wǎng)實例

在分析了當(dāng)前一些有關(guān)分布式云計算的研究成果后，本文認(rèn)為將云計算應(yīng)用到智能電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)中都有其重要的意義，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一種是基于云計算的數(shù)字化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)，另一種是基于云計算的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)[8]。

3.1 基于云計算的數(shù)字化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)

以云計算為基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)中，整理運行期間主要設(shè)備和輔助設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息匯總到所在省或市的監(jiān)測系統(tǒng)中進行綜合分析和整理。本系統(tǒng)能將變電站內(nèi)的每個節(jié)點和各輔助設(shè)備通過以太網(wǎng)連接起來，同時依托因特網(wǎng)形成一個完整的通信平臺。這樣，處在該系統(tǒng)中的任何一個節(jié)點就可以對另一個節(jié)點進行訪問，大概構(gòu)造如圖2所示。

圖2 基于云計算的數(shù)字化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要分為智能采集模塊和分布式業(yè)務(wù)模塊。而在變電站中，由于其中的輔助監(jiān)控設(shè)備種類繁多，又因其類型的差異，使得相互間的數(shù)據(jù)交互及相關(guān)的數(shù)據(jù)通信方式也存在著較大的差異。對于這種情況，使用如圖3所示的智能數(shù)據(jù)采集模塊可以大大提高不同設(shè)備之間的交互效率。該模塊采用了分布式的框架結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息的能力，進一步提高了系統(tǒng)的整體效率。將各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息按一定的規(guī)則進行整理和歸類后，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的應(yīng)用程序中，并通過軟件的管理功能和業(yè)務(wù)處理功能提高整個系統(tǒng)的工作效率[9]。

圖3 智能信號采集模塊基本架構(gòu)

3.2 基于云計算的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)

對整個電力系統(tǒng)而言，加強電力調(diào)度技術(shù)是關(guān)鍵問題之一，而且由各國近年相關(guān)文獻研究表明，電力調(diào)度涉及的內(nèi)容包含多方面。而在電力調(diào)度的過程中，需要采用非常專業(yè)的技術(shù)，避免在調(diào)度事故發(fā)生后造成不可估量的損失和后果。

運用當(dāng)下日益發(fā)展的信息技術(shù)，充分發(fā)揮云計算自身的特點，通過動態(tài)負荷均衡的方式，整理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，從而進一步提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理與分析能力。支持系統(tǒng)調(diào)度云計算平臺邏輯架構(gòu)如圖4所示。

圖4 支持系統(tǒng)調(diào)度云計算平臺邏輯架構(gòu)

圖4中每個部分的功能通過分布的數(shù)據(jù)服務(wù)進行交互和集成，形成了一個虛擬的層次。基礎(chǔ)部分中的所有單元都需要通過虛擬層進行統(tǒng)一的管理和分配，從而大大提高系統(tǒng)的安全性，同時也保證了在進行相關(guān)業(yè)務(wù)時，相關(guān)數(shù)據(jù)通過接口可以充分利用各種資源。為提高相關(guān)管理人員對相關(guān)組件的具體使用和實時狀態(tài)監(jiān)測的認(rèn)識，需要做出相應(yīng)的調(diào)整。雖然云計算平臺上存在著大量的調(diào)度中心，且狀態(tài)呈現(xiàn)出較分散的狀態(tài)，但這些調(diào)度中心可以通過分布式數(shù)據(jù)服務(wù)進行整合。此外，云平臺還通過中心對子中心進行備份，這將大大減少相關(guān)節(jié)點失效的問題，從而保證整個系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[10]。

4 智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，基于云計算的智能電網(wǎng)在我國尚處于起步階段，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)云計算還存在著很多技術(shù)問題有待解決。

4.1 關(guān)于云計算電力系統(tǒng)的分析以及計算研究

基于云計算智能電網(wǎng)的研究表明，這套系統(tǒng)的設(shè)計需要大量計算機設(shè)備作為支持。而且由于電力系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)量非常巨大，因此需要將這些數(shù)據(jù)進行分布式存儲，但就目前電力系統(tǒng)的相關(guān)計算而言，這一技術(shù)難以實現(xiàn)。

4.2 云計算負荷分配算法的研究

在構(gòu)建云計算平臺的過程中，對計算機設(shè)備性能的研究是保證系統(tǒng)順利運行的重要一環(huán)，對計算機的存儲容量和操作性能等都有很大的影響。因此，云計算平臺需要根據(jù)不同的計算機設(shè)備進行相應(yīng)的能力配置，此外還應(yīng)考慮到諸如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)延遲等問題。

4.3 基于云計算平臺物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計

目前，云計算的物理結(jié)構(gòu)存在很多差異，這導(dǎo)致了云計算在運行過程中會有很多不同之處。因此，在進行相關(guān)設(shè)計時需要充分考慮基于云計算平臺智能電網(wǎng)的相關(guān)特性，從而不斷完善相應(yīng)的配置，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 智能電網(wǎng)云計算的安全性

智能網(wǎng)的組成非常復(fù)雜，不僅涉及到系統(tǒng)設(shè)備，而且還涉及到電力公司、發(fā)電公司、用戶以及眾多參與方。這就要求在設(shè)計過程中要加強對相關(guān)數(shù)據(jù)的保密，尤其需要從軟件方面加強保密，并對部分設(shè)備進行優(yōu)化升級，以保證相關(guān)數(shù)據(jù)信息的最大安全性。

5 結(jié) 論

從目前有關(guān)云計算平臺的相關(guān)研究來看，基于云計算平臺的智能電網(wǎng)系統(tǒng)在安全性設(shè)計、內(nèi)部優(yōu)化以及數(shù)據(jù)信息整合等方面發(fā)揮著越來越大的作用。在此基礎(chǔ)上，通過對云計算平臺的相關(guān)介紹進一步提出了云計算在智能電網(wǎng)中的相關(guān)應(yīng)用模式，并結(jié)合相關(guān)資料創(chuàng)造性地提出了基于云計算的數(shù)字化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)和基于云計算的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支撐系統(tǒng)兩個實例，以此證明該設(shè)計的可行性，并指出了當(dāng)前基于云計算的智能電網(wǎng)發(fā)展中存在的問題及相關(guān)建議，以期對相關(guān)研究者有所幫助。