基于霧計(jì)算架構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)

田太晉

摘 要 隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，特別是高級測量體系的不斷普及，運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息不斷增加，電力調(diào)度部門收集到的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，調(diào)度自動化系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的神經(jīng)中樞，正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為滿足對全網(wǎng)監(jiān)控、負(fù)荷預(yù)測、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等功能的需要，解決各地調(diào)度系統(tǒng)異構(gòu)及資源不均衡不匹配等問題，利用云計(jì)算和虛擬化技術(shù)，本文提出了一種基于云計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)。這是一種基于霧計(jì)算架構(gòu)的新型調(diào)度自動化系統(tǒng)，將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和計(jì)算移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Γ瑥浹a(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的不足，規(guī)避了長距離信號延時、網(wǎng)絡(luò)阻塞的風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動化系統(tǒng)監(jiān)控功能的提升。

關(guān)鍵詞 霧計(jì)算 調(diào)度自動化系統(tǒng) 云計(jì)算 低延時

中圖分類號：V242.3;TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0013-02

1 霧計(jì)算

思科公司（Cisco）的F.Bonomi等人在2012年提出了霧計(jì)算（Fog Computing）的概念。霧計(jì)算是一種介于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的分布式計(jì)算模式，基本思想是將計(jì)算設(shè)備更靠近數(shù)據(jù)源。霧計(jì)算可同時擴(kuò)展到核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)，即邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)（如核心路由器、區(qū)域服務(wù)器、廣域網(wǎng)交換機(jī)等）的成分均可納入霧計(jì)算的架構(gòu)中。因此，對于實(shí)時物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，服務(wù)延時可實(shí)現(xiàn)最小化[1]。

目前，關(guān)于霧計(jì)算的研究，主要集中在以下幾方面：

（1）霧計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)。最早提出霧計(jì)算，定義霧計(jì)算的特征及其架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于霧計(jì)算架構(gòu)的網(wǎng)關(guān)，同時也設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼的霧計(jì)算通信協(xié)議。并提出一種面向未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的移動霧模型。

（2）霧計(jì)算服務(wù)質(zhì)量。利用霧計(jì)算分層的結(jié)構(gòu)減少了用戶向云服務(wù)器發(fā)送請求的次數(shù)，解決了數(shù)據(jù)處理過程中的擁塞問題。設(shè)計(jì)了一種高效的任務(wù)調(diào)度和資源管理策略，平衡客戶端設(shè)備和計(jì)算服務(wù)器上的工作負(fù)載，提高了霧計(jì)算資源的利用率。提出基于微分博弈的霧計(jì)算入侵檢測模型、惡意程序傳播防御模型及一種基于超圖結(jié)構(gòu)的霧計(jì)算密鑰管理方案，以抵御霧計(jì)算環(huán)境下的惡意入侵和破壞[2]。

（3）霧計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域。霧計(jì)算目前已逐漸應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如車載網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)電場信息采集、電網(wǎng)安全風(fēng)險評估。然而，鮮有學(xué)者提出將霧計(jì)算架構(gòu)應(yīng)用到調(diào)度自動化系統(tǒng)中，而調(diào)度自動化系統(tǒng)的計(jì)算應(yīng)用具有數(shù)據(jù)采集分布式、計(jì)算需求多樣化、計(jì)算時間多尺度等特點(diǎn)，因此本文將提出一種納入霧計(jì)算架構(gòu)的新型調(diào)度自動化系統(tǒng)。

2 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)中，通常采用固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并部署備用SCADA服務(wù)器和備用歷史服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對主功能及歷史紀(jì)錄的冗余保障。傳統(tǒng)架構(gòu)模式存在設(shè)備耦合度高、維護(hù)難度大、容災(zāi)性差等特點(diǎn)。

2.2 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)

為解決傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)存在的一系列問題，本文考慮將霧計(jì)算架構(gòu)納入基于云計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)，依然采用分層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善調(diào)度自動化系統(tǒng)的可靠性能。

霧計(jì)算架構(gòu)部分包括數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算單元及區(qū)域計(jì)算層：

（1）數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)，從分布式部署在現(xiàn)場的各類設(shè)備（包括各類傳感器、微型PMU等），通過WiFi、4G、GPRS等網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)協(xié)議，把狀態(tài)信息或動作信息送到上一層邊緣計(jì)算單元。

（2）邊緣計(jì)算單元。邊緣計(jì)算單元包括各種存儲資源、軟件資源、計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源，屬于高度虛擬化的微型數(shù)據(jù)中心（Micro Data Centre，MDC）。該層根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的需要，應(yīng)用各種霧計(jì)算算法，實(shí)時分析處理從數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)流（例如：電力一次電氣設(shè)備的故障診斷數(shù)據(jù)、移動巡檢設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等），對云計(jì)算中心所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（包括壞數(shù)據(jù)處理、特征提取、壓縮等），更好地實(shí)現(xiàn)對不同延時層次的電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析，減少邊緣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上行帶寬的壓力和云計(jì)算處理數(shù)據(jù)的壓力。在數(shù)據(jù)安全方面，可考慮采用基于微分博弈的入侵檢測算法模型和惡意程序傳播防御模型等來抵御霧計(jì)算系統(tǒng)外部或內(nèi)部的安全威脅，提高系統(tǒng)安全可靠性[3]。

3 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

基于霧計(jì)算的調(diào)度自動化系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下幾方面：

（1）數(shù)據(jù)采集方面。霧計(jì)算設(shè)備首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并處理壞數(shù)據(jù)，通過一系列霧計(jì)算算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、壓縮、打包，而后發(fā)送到分布式或集中式應(yīng)用設(shè)備中。例如：相量數(shù)據(jù)采集裝置（Phasor Data Concentrator，PDC）將采集到的多路電壓電流模擬量及GPS時鐘信號，進(jìn)行預(yù)處理，生成同步測量信號再輸出。此外，變壓器等設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、移動巡檢設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等均可進(jìn)行預(yù)處理后再送到主監(jiān)控平臺上。將這類型的數(shù)據(jù)處理工作移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，可有效減小數(shù)據(jù)上行負(fù)載及監(jiān)控中心的信息負(fù)載[4]。

（2）電網(wǎng)態(tài)勢感知和電壓穩(wěn)定方面。集中式的狀態(tài)估計(jì)存在不收斂或魯棒性不強(qiáng)的問題，從而導(dǎo)致對復(fù)雜電力系統(tǒng)態(tài)勢感知能力比較薄弱，分布式的狀態(tài)估計(jì)可利用霧計(jì)算設(shè)備和算法，得到電力系統(tǒng)部分區(qū)域的態(tài)勢感知。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓穩(wěn)定性問題時，若不加以控制就有可能會逐漸擴(kuò)散到整個網(wǎng)絡(luò)。霧計(jì)算設(shè)備可利用量測數(shù)據(jù)對部分區(qū)域系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行粗略估計(jì)，整合分布式狀態(tài)估計(jì)，快速地評估部分區(qū)域系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步采取策略，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

（3）安全預(yù)警和電網(wǎng)自恢復(fù)方面。預(yù)警系統(tǒng)信息采集設(shè)備通常在生產(chǎn)一線，如變電站設(shè)備，線路等，采集的信息包括視頻信息，線路的電壓、電流、功率等。當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)變差時，預(yù)警系統(tǒng)需及時響應(yīng)，并把預(yù)警信號送到控制中心，若系統(tǒng)發(fā)生故障應(yīng)有足夠快的時間實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)，防止引起系統(tǒng)失穩(wěn)甚至出現(xiàn)連鎖停電事故。將預(yù)警過程和自愈控制過程移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，利用霧計(jì)算設(shè)備去計(jì)算預(yù)警和控制策略，可減少控制中心的信息負(fù)載，同時能使電網(wǎng)對預(yù)警信號有更快的響應(yīng)。目前，霧計(jì)算在該方面的應(yīng)用有繼電保護(hù)裝置等[5]。

霧計(jì)算在調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用絕不僅限于以上方面。較于云計(jì)算，霧計(jì)算在低延時數(shù)據(jù)傳輸能力和對邊緣網(wǎng)絡(luò)信號及時響應(yīng)能力上有較大的優(yōu)勢，因此霧計(jì)算在調(diào)度自動化系統(tǒng)中有較大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文將霧計(jì)算架構(gòu)納入調(diào)度自動化系統(tǒng)中，該架構(gòu)依然采用分層分布式結(jié)構(gòu)，將部分計(jì)算的位置移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了調(diào)度自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理的功能，提升了快速實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算和及時響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)變化的能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸方面的不足。將霧計(jì)算架構(gòu)納入調(diào)度自動化系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如霧計(jì)算設(shè)備和云計(jì)算設(shè)備、其他霧計(jì)算設(shè)備、傳感器、用戶之間的接口設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通信及網(wǎng)絡(luò)安全等問題，亟待進(jìn)一步研究。

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