电力系统云计算初探

电力系统云计算初探 杨旭昕 1 ,刘俊勇 1 ,季宏亮 2 ,潘 　睿 1 ,贺星棋 1 ,郭晓鸣 1 (1. 四川大学电气信息学院 ,四川 成都 　6100652; 2. 宁夏电力公司 ,宁夏 银川 　750001) 摘要 :在全国电力系统互联不断发展的情况下 ,电力系统对计算机处理和存储能力要求越来越高。针对目前情况提 出将“云计算 ”引入电力系统 ,利用系统内部广域网建立电力云。通过电力云最大限度的整合电力系统现有的计算能 力和存储资源 ,为系统提供“超级计算 ”能力。结合基于电力云的电网电能损耗 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、智能预警功能分析了在电力云 的环境下的特点 ,说明电力云对于中国电网发展的意义。 关键词 :电力系统 ;云计算 ;电力云 ;资源整合 Abstract:Under the current situation concerning the continuous development of interconnected power system, the requirements of computer p rocessing and storage capacity by power system become higher and higher. On account of the p resent situation, “cloud computing”is introduced to the power system s, and a power cloud is set up using wide - area network within the sys2 tem. According to power cloud, it can integrate the existing computing power and storage resources of power system s to the ut2 most extent to p rovide a " super - computing" capability for the system. According to the characteristics of power loss analysis and intelligent early warning function based on power cloud, it indicates the significance of power cloud for the development of power grid in China. Key words:power system; cloud computing; power system cloud; resource integration 中图分类号 : TM744　文献标志码 : A　文章编号 : 1003 - 6954 (2010) 03 - 0071 - 06 　　随着全国电力系统互联的发展 ,现代电力系统正 在演变成一个积聚大量数据和信息计算的系统。这 样的发展给目前的系统运行及高级分析带来了巨大 的困难 [ 1, 2 ] :一方面 ,随着互联电网的扩大和具有更 快采集速率的采集装置的出现 ,系统在线动态分析和 控制所要求的计算能力将大大超过当前的实际配置。 不断提高的数据量对信息系统的数据处理能力提出 了更高的要求 ,需要更加快捷的数据处理技术。另一 方面 ,由于各业务系统建设目标和建成年代不同 ,从 规划到 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 往往缺乏统一性考虑 ,众多的系统采集和 积累了大量的电力系统运行、生产管理以及电力市场 运营等方面的相关信息 ,但是系统间缺乏有效的信息 交互 ,逐渐出现了信息交叠、信息资源浪费、信息兼容 性差、重复开发、重复报表等一系列问题。 云计算是一种把分布在众多分布式计算机中的 大量数据资源和处理器资源整合在一起协同工作的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,针对电力系统当前面对的问题 ,将“云计算 ”引 入电力系统 ,建立电力系统的云计算体系 ,在电力系 统广域网络硬件不变的情况下 ,最大限度地整合当前 系统的数据资源和处理器资源 ,极大提高电网数据的 处理和交互能力 ,为智能电网提供有效的技术支持。 1　云计算 云计算是个热度很高的新名词。由于它是多种 技术混合演进的结果 ,其成熟度较高 ,又有大公司推 动 ,发展极为迅速。Amazon、Google、IBM、微软和 Ya2 hoo等大公司是云计算的先行者。 “云计算 ”比较普遍的定义为 : 云计算 ( cloud computing)是分布式处理、并行处理和网格计算的发 展 ,或者说是这些计算机科学概念的商业实现 ,是基 于网络的超级计算模式 [ 3 ]。网格的发展终极目标就 是云计算。网格从应用上来说是计算层面 ,而云计算 更多考虑到的是用户和容错 ,相比起来云更可靠。 图 1　云计算的发展 云计算的基本原理 [ 4 ]是通过使计算分布在大量 的分布式计算机上 ,而非本地计算机或远程服务器 中 ,企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得 企业能够将资源切换到需要的应用上 ,根据需求访问 计算机和存储系统。它把分布在众多分布式计算机 ·17· 第 33卷第 3期 2010年 6月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol. 33, No. 3 Jun. , 2010 中的大量数据资源和处理器资源整合在一起协同工 作。高级的计算云通常包含一些其他计算资源 ,如存 储区域网络、网络设备、防火墙以及其他安全设备等。 云计算包括以下几个基本要素 :资源聚集与共享、资 源开放与统一访问、资源仿真与隔离。通过以上三种 要素 ,用户获取各种资源 ,不需要关注各种资源的细 节 ,并且能够为用户提供按需配用服务 ,使每个用户 都感觉是以独占的形式在使用资源。 云计算是一种新的共享基础架构的方法 ,在云计 算平台中的服务器可以是物理的服务器或者虚拟的 服务器。虚拟化是云计算的本质 ,或者说云计算的根 本属性是虚拟化。随着云计算技术和相关概念的不 断深入研究和发展 ,在不远的未来 ,还将会逐渐实现 运营的虚拟化、管理的虚拟化等。 2　电力系统云计算 2. 1　电力云的提出 中国现有大区电力系统的运行特点是以省级电 网在结构上为一个独立单位 ,通过联络线互联 ,整个 大电网协调运行 ,各省级电力调度中心拥有并维护着 所辖电网的详细参数 [ 1 ]。各网络都针对所辖区域内 的电网建立了较为详细的电力系统模型 ,而对相邻电 网的模型则在一定程度上进行简化和等值 ,并在此系 统模型的基础上进行计算机仿真 ,为电力系统调度、 运行、监控、保护、营销提供重要依据。这种简化等值 在加快了计算速度的同时也降低了系统仿真的复杂 程度 ,但是简化等值模型的适用范围有限。另外 ,电 网的扩大和具有更快采集速率的采集装置的出现 ,未 来系统对于在线动态分析和控制所要求的计算能力 将大大超过当前的实际配置 ,如果只是增加计算处理 资源 ,投资过大。 为了解决上述的问题 ,鉴于中国电力系统内部广 域网的完整性 ,完全可以利用其现有的广域网建立电 力系统私有的云 ,电力云可以最大限度地整合现有的 数据资源和处理器资源 ,为系统提供超级计算机能 力 ,并且云储存和计算资源的访问可以完全由电力系 统自己控制 ,而不是公用的云计算服务的提供商 ,完 全的物理隔离 ,保证了数据安全性。 2. 2　电力云的体系结构 电力云不是单层的服务 ,而是一个多层服务的集 合 [ 4 ]。底层是基础设施 ( Infrastructure as a Service , IaaS) ,中间层是服务平台 ( Platform as a Service, PaaS) , 上层是应用程序 ( Software as a Service, SaaS)。 图 2　电力云的结构层次模型 　　电力云体系结构层次如下。 物理储存层 :是电力云的网络物理设备和储存的 基础。电力云物理设备大量分布在不同的地理位置 , 其之间通过电力系统内部广域网物理连接。 基础管理层 :通过集群和分布式系统 ,实现电力 云中所有存储设备的协同工作 ,另外包括数据备份和 加密 ,数据容灾 ,任务冲突机制。 应用接口层 :是电力云最灵活的部分 ,各级电力 运行管理机构可以根据需要、权限 ,提供不同的接口 和服务。各级电网可以通过电力云公共接口来登录 , 获取计算需求。 高级访问层 :给电力系统软件的运行提供强大的 软件平台 ,包括电力系统基础应用和高级应用 ,并且 可以在这个平台的基础上自由开发。 2. 3　电力云的组成 电力系统是一个在空间上具有分布特性的超级 系统 ,由于电能本身的特点 ,电能不能大规模储存 , 发、输、配、用必须同时完成 ,电力生产控制要求实时 性强、可靠性高 ,具有自然分布的特性 ,电力的生产管 理也就自然形成了一整套“分级管理、分层控制、分 布处理 ”的体系 ,多年的实践表明 ,这是电力系统内 在的本质特征的体现 [ 5 ]。电力系统云计算通过集群 应用、分布式计算等系统功能将电力系统内网络中的 几乎所有网络和计算应用软件集合起来协同工作 ,共 同对各级电网和终端提供数据储存和计算服务。 目前 ,各级电网都拥有一定的处理器资源和储存 ·27· 第 33卷第 3期 2010年 6月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol. 33, No. 3 Jun. , 2010 资源 ,电力云的实现关键在于不改变现有的计算机分 布而能最大限度利用当前电力系统信息网络的物理 架构 ,为当前的任务分配计算和储存资源。 电力系统结构庞大 ,并且分布广 ,如果任何一个 小节点或者计算机终端的计算要求都提交到整个系 统云中分配 ,这样网络容易阻塞 ,并且意义不大。因 为电力系统分级管理的层次很清晰 ,通过级别建立主 云和子云来提供资源分配 ,从而减少系统内部不必要 的资源调配 ,使电力云的资源使用更为合理。 图 3　电力系统的云组成 通过电力云 ,极短时间内可以处理巨大的信息 , 达到超级计算机的服务水平。通过分布计算 ,电力系 统数据的运行与互联网相似 ,电力系统智能云能根据 应用切换资源 ,根据需求访问计算机和储存资源。 3　电力系统云计算的技术构建 3. 1　电力云的公共信息 当前各个电网在进行计算建模时一般仅建立本 调度管理范围内的电网模型而不考虑外网模型。省 调和地调各自建设各自的数据模型库 ,彼此间进行模 型交互十分困难 , IEC 61970 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为解决模型交互提 供了技术标准。 其中在以公用信息模型 ( common information model, C IM )为标准的电力系统网络模型基础上 ,可 以通过组件接口规范 ( component interface specifica2 tion, C IS) [ 7, 8 ]接口实现不同电力数据库之间的数据 交换 ,利用这一接口规范可以解决各厂家系统内部的 私有化接口阻碍系统数据访问的问题。 3. 2　电力云的资源整合 云计算具有动态共享能力、自组织能力、协同能 力 ,而且还加强了支持多用户和加强网络节点内细粒 度资源的应用。电力云平台的概念是将一个庞大复 图 4　电力云公共信息架构 杂的电力系统分析任务自动分拆成无数个较小的子 任务 ,再按需通过网络和电力云平台自动搜寻、并由 多部仿真云组成仿真系统 ,形成与云的交互。电力云 中业务应用是从云中分散的数据模型中读取相关数 据生成报表。原始数据库可以为任何形式 ,存放统一 数据模型的物理数据库以文档的形式展现。 图 5　电力云的资源整合 电力云计算资源整合过程是 : ①位于电网某点的 计算或分析应用向云提出计算或分析请求。云机制 收到请求后向电力云中的公共信息提出数据请求 ; ② 云机制根据应用的要求提供云中的资源给应用进行 计算、储存和分析 ; ③将计算结果返回给提请求的点。 通过电力云机制的调节来完成电力云资源的整 合 ,提供给系统所有节点“超级计算机 ”的计算和存 储资源。 3. 3　电力云的资源调度和管理 电力云平台的一个核心问题是资源的管理与调 度。电力云必须为用户终端提供可靠的计算 ,而要保 证可靠计算的前提就是在未知的、分布式的、动态的、 异构的网络环境下能够对资源和任务进行很好的管 理和调度。 首先是用户资源的表达。任何一台计算设备要 进入云都要整合 ,整合过程记录的信息需要为后续的 过程提供参考 ,包括 :用户终端的级别、不同的用户级 别赋予不同的权限、该用户本身所接入云的资源、网 络连接关系以及网络状况、IP地址。 ·37· 第 33卷第 3期 2010年 6月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol. 33, No. 3 Jun. , 2010 关于计算机资源状况主要采用以下数据结构来 描述 : MFLOPS ( m illion floating point operations per second) ,该值可以通过实测得到 ,该参数是计算资源 性能的主要指标 ;内存量 ,该指标对于计算性能的影 响仅次于上一个指标。但过大的内存量对于计算效 果没有明显提高 ; Cache (大小、速度 )的大小直接影 响数据通信的速度。 这些注册得到的信息 ,存储在服务器的数据库 中。由于这些参数均是可能动态变化 ,因此用户端计 算节点在注册时 ,会和云建立联系 ,在发生较大变化 时向云报告。由于对云资源进行了虚拟化 ,云内部任 意终端可以像本地资源一样访问。在实际访问中 ,采 用云调度来实现对云资源的管理。系统根据动态得 到信息对系统中的资源进行优先排序 ,从而在得到计 算请求后可以很快访问到云中可用的资源。由于云 计算中各计算量不均匀 ,因此 ,在任务映射到计算机 资源 ,采用加权图来表达计算资源的关系和计算能 力 ,从而实现资源的分配。 资源与任务的调度是该云中的关键问题之一。 资源的调度来自三方面的动态平衡 :第一种是由于计 算环境中受各种因素影响造成一些处理器推出或重 新加入 ;第二种是由于在计算任务中间产生新的任 务 ;第三种是由于用户的需求复杂造成任务每次分配 的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 不同。因此 ,资源的调度是相对静态的 ,即 ,云 可以在比较空闲的时候对整个计算资源进行调度 ,只 有在计算资源发生较大变化时才重新启动调度服务。 4　电力系统云计算的技术实例 4. 1　基于电力云的电网电能损耗分析 由于电力网是非常复杂的网络 ,包括不同的电压 等级 ,多种网络结构 ,而且网络及运行结构不固定 ,加 上电的本质特性决定了电网中各个元件相互影响 ,所 以电力网电能损耗的分析非常困难。又因为各个电 力网的特点、条件不同 ,原始数据的来源是多种形式 的 ,有的可能没有完备的数据 ,即使有数据其种类也 可能不同 ,这些都给电能损耗的计算与分析增加了复 杂性 ,目前较精确的网损计算基本是离线的。 产生网损的主要元件是线路和变压器。从线路 两端装设的电量表的测量值可得到该线路的损耗电 量 ,由变压器进出线端的电量表计测量值同样可得到 变压器的损耗电量。全网损耗电量由全部线路和变 压器损耗电量求和得到。该方法简单明了 ,但实际中 往往因表计不全而难以实现 ,尤其是较低电压等级的 线路或变压器。由于表计的误差或不可靠等因素也 会造成数据失常或缺少 ,以致对所采集的测量数据通 常要进行剔除不良数据并进行状态估计处理。此外 , 电量表计是在某一较长时段的累计值 ,现行状况一般 是按月结算。要查表读取每天中各时段的测量电量 , 查表工作量及数据量之大是显而易见的 ,即使是远程 智能型电量表 ,也须作专门设计 ,还须有良好的远程 通道 ,否则 ,一旦时段范围改变 ,通过逐表调整 ,同步 而达到改变计数范围是难以实现的。 如果要进行较精确电网电能损耗的计算 ,就要在 采集电度表的数据同时进行较为精确的建模 ,利用 EMS的数据进行电能损耗计算。这样精度较高 ,但 计算量较大 ,对于现有的电网计算配置 ,很难达到很 快的速度。引入电力云后 ,在进行复杂计算时可以调 用云里大量闲置的资源 ,大大提高计算速度 ,进而达 到实时或者准实时的网损计算水平。 4. 2　基于电力云的智能预警 目前的电力系统预警主要是由变电站和调度中 心进行。在变电站 ,自动装置进行的本地控制 ,在调 度中心 ,在预想事故下对系统典型运行方式进行离线 计算后得到的评估预案。这样的预警不全面 ,非实 时。为了使得系统能够对电网进行全面、实时的事故 预警 ,对全网进行一体化的建模仿真十分重要。要进 行全网一体实时仿真 ,必须要能够进行大计算量的实 时计算 [ 9 ]。 基于电力云的智能预警可以针对数据资源和计 算资源广域分布、计算量大、对计算能力的要求高等 特点建立电力系统的一体化仿真。在仿真过程中没 有系统的简化和等值。电力云的超级计算能力足以 满足实时海量数据处理的要求。基于电力云的智能 预警包括 [ 10 ] : ①电压预警 ,实时监测电压是否保持在 规定范围之内、节点电压是否越限、无功功率分配的 合理性 ,预测系统的电压崩溃裕度 ,确定系统电压薄 弱点 ,防止系统发生电压崩溃事故。②功角及潮流预 警 ,实时监测系统潮流 ,分析判断正常运行及在规定 扰动条件下功角是否将失去稳定 ,预测计算当发电机 功率发生变化、开合线路改变电网结构、负荷转移或 切除时系统的潮流数据 ,防止系统发生功角失稳及振 荡事故。③频率预警 ,实时监测系统频率 ,分析计算 当发电机有功功率发生变化、启停发电机组以及电网 ·47· 第 33卷第 3期 2010年 6月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol. 33, No. 3 Jun. , 2010 结构发生变化时对系统频率的影响 ,保持联络线功率 处于目标值 ,防止系统频率失稳事故。④设备预警 , 实时监测系统中设备情况 ,分析计算在正常模式及 N - 1模式下由于电网结构改变、发电机功率改变、系 统潮流变化时对设备产生的影响 ,防止系统设备发生 动、热稳定事故。⑤系统其他实时预警 ,从各方面实 时监测系统状态 ,对可能发生的事故进行快速预警。 智能在线预警的目的在于实时追踪系统不同类 型的故障并对其定位 ,找到电网主要矛盾点、告警点 , 使调度人员一目了然地知道电网和设备的状态 ,从总 体上对电网安全做出评估 ,为调度人员采取快速准确 的控制措施提供理论依据和方法。 5　电力云的特点和展望 5. 1　电力云的特点 “云计算 ”的引入 ,相比当前的电力系统 ,提高了 系统各方面的性能 ,根据以上关于电力云原理、体系、 结构和实例的叙述 ,电力云主要有以下特点。 (1)强大的计算和存储能力。电力云将系统各 节点和终端的计算和数据分布在大量的分布式计算 机上 ,云海中成千上万的计算机提供强大的计算能 力 ,针对中国巨大的电网规模和庞大的系统数据 ,电 力云提供强大的计算和储存能力 ,在进行仿真时建完 整的模型 ,较为精确地计算 ,并且极大地提高计算速 率。基于电力云的网损计算和基于电力云的智能预 警都是这个特点的表现 ,通过云极大地提高计算速 度 ,实现快速建模仿真。 (2)系统具有良好的扩展性和经济性。即使建 立电网中再小的节点或者计算机终端 ,需要配置显示 器、硬盘、CPU、内存等一整套设备 ,并且确保其性能 满足该节点或终端的计算和储存需要。但对于基于 云计算的电力系统 (如基于电力云的数字化变电 站 ) ,可能只需要一套人机交互设备 ,接入电力系统 广域网 ,就可以实现计算和存储功能 ,不必担心自己 购置的设备被淘汰 ,因为电力云的硬件设备是系统中 的云资源 ,这样电力系统在信息交互的这个层面就具 有良好的扩展性和经济性。 (3)计算和储存的虚拟化。虚拟化是电力系统 智能云的技术基础 ,它将底层的硬件 ,包括服务器、存 储与系统内网设备 ,全面虚拟化 ,以建立起一个共享 的、可以按需分配的庞大的电力系统内部资源池。 (4)资源动态扩展、分配。系统信息网的各种资 源可以随需分配和自动增长 ,而上层的数据及应用可 以根据级别和重要程度的不同 ,搭配出各种互相隔离 的应用 ,形成一个服务导向的内部电力云架构。 (5)电力系统智能化。由于电力云的建立 ,基于 系统海量数据的数据挖掘技术来获得大量的系统知 识。海量的数据加上海量的分析大于知识。 5. 2　电力云在电力系统中的展望 根据电力系统的基本特点 ,电力云的建立不能完 全效仿普通的云计算 ,而是要构建适合电力系统现有 信息网络架构的电力云。 (1)电力系统结构庞大 ,并且分布广 ,如果任何 一个小节点或者计算机终端的计算要求都提交到需 求分配的总中心的话 ,中心压力很大 ,并且权限的判 定也比较繁琐。但是电力系统分级管理的层次很清 晰 ,通过级别建立主云和子云来限定权限和资源分 配 ,从而减少系统内部不必要的权限管理和资源调 配 ,是电力云的资源和权限更为合理。 (2)当前 ,电力系统的发展很快 ,电网扩建很迅 速。以前的扩建都需要很大的投资在处理器和储存 设备上。而在电力云的体系架构下扩建电网 ,信息设 备只需要很小的投资 ,只需要投资人机交互设备 ,这 样可以大大节省硬件投资。 (3)企业不可能一朝一夕间把自己所有的数据 信息和计算功能都放在一个地方 ,企业需要保存一定 规模的自己的数据中心。而如何让企业把握好外部 云和企业内部数据中心的比例 ,就是云计算解决方案 提供商们需要考虑的问题。 (4)云计算模式下 ,数据的存储和管理不是类似 一个更大规模的虚拟数据库。传统的数据库是有组 织有规律的 ,类似银行的机构。而云计算下的数据是 半组织 ,甚至无组织规律的。因此 ,如何存储和管理 就是不重要的 ,而如何找到这些数据才是当务之急 , 并且找到了之后还要进行解读以提交给相应的服务 , 这更重要。 (5)以上是对“云计算 ”引入电力系统的基本构 想、体系、框架和基础应用的叙述 ,未来如何解决应用 软件接口、电力云安全、用户权限、任务冲突机制等问 题是未来研究电力系统云计算的发展方向。 6　结　论 电力系统云计算的提出 ,对整个电力系统信息交 ·57· 第 33卷第 3期 2010年 6月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol. 33, No. 3 Jun. , 2010 互、计算能力和储存空间带来巨大的影响。通过电力 云的建立 ,在完全不改变现有系统内部广域网和设备 的情况下 ,最大限度挖掘、整合系统的计算和储存能 力 ,极大提高当前系统的整体性能 ,为电网快速仿真 建模 ,电网全方位实时计算分析提供“超级计算能 力 ”;增强电网的扩展性 ,减小电网扩建投资 ,为智能 电网在中国的建立和实现提供强有力的技术支持。 参考文献 [ 1 ]　张伟 ,沈沉 ,卢强. 电力网格技术初探 (一 ) [ J ]. 电力系 统自动化 , 2004, 28 (22) : 1 - 4. 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