熊 浩，張 浩，崔占飛，曹 帥

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210013)

電力行業(yè)是節(jié)能減排的重點行業(yè)之一，電力系統(tǒng)是保證城市穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定控制以及安全運行對社會具有重大意義[1]，我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，對電能的需求迅速增加，傳統(tǒng)的高能耗、高排放的發(fā)電方式已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要。為響應(yīng)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，盡可能地降低碳排放量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境是現(xiàn)今階段需要實現(xiàn)的目標(biāo)，為此電力系統(tǒng)發(fā)展需要滿足節(jié)能減排目標(biāo)[2]，即零碳和碳中和氣候目標(biāo)，為實現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計出節(jié)能減排目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)雙碳要求，還可擴(kuò)大電力系統(tǒng)規(guī)模[3]，但也因此導(dǎo)致以往的電力系統(tǒng)串行計算方法無論是規(guī)模還是計算速度均不足以滿足目前的電力狀態(tài)，隨著電力系統(tǒng)的擴(kuò)大，為保證電力穩(wěn)定運行[4-5]，需要時刻要求電力系統(tǒng)中的各項計算任務(wù)保持實時性以及高效性，為此將網(wǎng)格計算添加到電力系統(tǒng)中，建立電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺，進(jìn)而達(dá)到電力系統(tǒng)高性能運算的指令。

相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行深入研究，文獻(xiàn)[6]提出基于GIS與CAD的煤礦地下水庫庫容計算平臺開發(fā)研究，構(gòu)建三角網(wǎng)模型生成三角網(wǎng)格，進(jìn)而得到電體積元，最后在體積元的幫助下得到電量儲備系數(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺的構(gòu)建。文獻(xiàn)[7]提出基于OpenFOAM的自適應(yīng)網(wǎng)格計算策略研究，利用兩相流求解器interFoam對電力系統(tǒng)的最大加密層數(shù)以及緩沖層層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行分析，得出參數(shù)帶來的影響，最后得出所有可用參數(shù)，將其添加到平臺中，實現(xiàn)電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺的構(gòu)建。以上兩種方法在構(gòu)建平臺過程中沒有設(shè)計電力數(shù)據(jù)預(yù)處理和采集模塊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量不完整或冗余數(shù)據(jù)過多，存在網(wǎng)格計算所需時間長、CPU數(shù)量對計算速度的影響大以及加速比小的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出節(jié)能減排目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺構(gòu)建方法。

1 電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺整體設(shè)計

1.1 新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺框架

為符合以上要求，在節(jié)能減排目標(biāo)下，新型電力分布式計算系統(tǒng)在構(gòu)建網(wǎng)格計算平臺時均利用組件化形式進(jìn)行構(gòu)建，以此保證平臺中所有部件都具有高內(nèi)聚以及低耦合的優(yōu)勢，進(jìn)而確保后續(xù)平臺的升級等相關(guān)處理，根據(jù)以上分析設(shè)計出新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺架構(gòu)圖

根據(jù)圖1所示，在節(jié)能減排目標(biāo)下，利用此網(wǎng)格計算平臺框架可實現(xiàn)高效的電力數(shù)據(jù)通信、不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理、可視化操作以及電力系統(tǒng)離線或在線計算等，現(xiàn)分別對平臺中的各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析。

1.1.1 實時數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

此服務(wù)器主要是對電力系統(tǒng)中電網(wǎng)運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視以及控制，從而獲取電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進(jìn)行控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)等，為今后的數(shù)據(jù)分析、計算以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑA(chǔ)[8-9]。

在節(jié)能減排目標(biāo)下，此結(jié)構(gòu)是平臺中較為重要的子系統(tǒng)，它具有保證電力信息完整、加強電網(wǎng)計算效率以及獲取電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)的優(yōu)點，并且可以以最快速度檢測出電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的位置[10]，其架構(gòu)主要包括電力設(shè)備的監(jiān)控、電力數(shù)據(jù)的采集、電力設(shè)備測量、電力設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)以及電力故障報警。

1.1.2 網(wǎng)格計算服務(wù)器

網(wǎng)格計算服務(wù)器主要包括新型電力系統(tǒng)中的全部計算程序，這些泛指數(shù)據(jù)預(yù)處理[11]、電力狀態(tài)預(yù)測以及電網(wǎng)等值計算等，需要滿足節(jié)能減排目標(biāo)，其架構(gòu)圖主要保留電力數(shù)據(jù)預(yù)處理、電網(wǎng)峰值計算、電力潮流計算、電力系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測以及電力有功和無功的優(yōu)化。

1.1.3 計算協(xié)調(diào)模塊

在節(jié)能減排目標(biāo)下，此模塊的主要作用就是對新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算進(jìn)行分解協(xié)調(diào)，對電力系統(tǒng)的監(jiān)視與控制數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[12]，并為電力數(shù)據(jù)傳輸提供通信接口，完成電網(wǎng)配置的指令調(diào)度，此模塊是網(wǎng)格計算平臺的核心模塊，帶有的服務(wù)注冊中心是計算平臺用戶進(jìn)入系統(tǒng)的位移登錄入口，同時具有賦予用戶進(jìn)入系統(tǒng)的權(quán)限，前端控制臺可為平臺管理員提供可視化界面，直觀地看到電力系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)的文本和圖像，在節(jié)能減排目標(biāo)下，此模塊架構(gòu)包括轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)、服務(wù)注冊中心、提供通信接口、調(diào)度電網(wǎng)系統(tǒng)指令以及前端控制臺。

1.1.4 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器

在節(jié)能減排目標(biāo)下，此模塊的主要作用是管理新型電力系統(tǒng)中的所有電力數(shù)據(jù)，保證平臺可實時查詢電力相關(guān)數(shù)據(jù)，并對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新以及用戶實時索引處理，進(jìn)一步保證平臺安全，并允許和控制多用戶存取電力數(shù)據(jù)，其功能架構(gòu)主要包括電力相關(guān)數(shù)據(jù)查詢、電力數(shù)據(jù)實時更新、電力相關(guān)事務(wù)管理、電力數(shù)據(jù)索引、電力數(shù)據(jù)的高速緩存、電力數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化、電力數(shù)據(jù)安全防護(hù)以及多用戶存取數(shù)據(jù)的控制。

1.2 新型電力系統(tǒng)計算平臺軟件設(shè)計

根據(jù)平臺的真正需求得出軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)的目標(biāo)就是保證電力數(shù)據(jù)的通信需求[13-14]，所以軟件體系中數(shù)據(jù)的通信傳輸是整體軟件程序的核心內(nèi)容，該程序也是在網(wǎng)格計算技術(shù)幫助下實現(xiàn)，滿足節(jié)能減排目標(biāo)，在設(shè)計過程中經(jīng)過多次研究發(fā)現(xiàn)JDBC API可高效訪問以及操作不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，且該軟件不僅僅能被直接使用還可用于掛載為網(wǎng)格提供服務(wù)，根據(jù)以上總結(jié)出平臺軟件體系架構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 新型電力系統(tǒng)計算平臺軟件架構(gòu)圖

根據(jù)圖2可知，平臺軟件的主要作用就是滿足電力系統(tǒng)分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)通信的需求，在整個軟件系統(tǒng)中服務(wù)支持層是核心部分。軟件系統(tǒng)中的服務(wù)支持層分別由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[15]，即VDBMS、訪問控制、資源管理以及LDAP目錄四個組件構(gòu)成，其主要任務(wù)是對訪問控制以及資源管理等功能提供有效幫助和支持。

1.2.1 VDBMS

在節(jié)能減排目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布在電網(wǎng)的各個部分，根據(jù)位置的不同，形成的數(shù)據(jù)模式也不盡相同，其中包含層狀數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)文件等，以上數(shù)據(jù)的主要區(qū)別就是數(shù)據(jù)之間組織的方法不同以及使用的符號不同，所以針對數(shù)據(jù)的存取以及數(shù)據(jù)的查詢機(jī)制也不盡相同，因為這些因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)的集成處理加大難度，為降低數(shù)據(jù)訪問難度，現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象化處理，保證系統(tǒng)訪問接口是開放的，確保用戶可以安全地訪問所有信息來源，同時不用考慮數(shù)據(jù)的位置和格式，進(jìn)而有效管理不同數(shù)據(jù)資源。

在節(jié)能減排目標(biāo)下，虛擬數(shù)據(jù)庫(VDBMS)中數(shù)據(jù)存在異構(gòu)性，因此在提取數(shù)據(jù)前需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，而虛擬數(shù)據(jù)庫剛好可以在數(shù)據(jù)提取過程中完成這一要求，VDBMS是基于電力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫資源構(gòu)建的，該數(shù)據(jù)庫利用映射將所有數(shù)據(jù)抽象處理后使數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一模式，保證所有數(shù)據(jù)在統(tǒng)一模式下進(jìn)行后續(xù)操作。

虛擬數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的核心組件是抽取器的數(shù)據(jù)抽取規(guī)定以及包裝器，這兩種組件的作用分別基于字典獲取數(shù)據(jù)字段模板的映射以及獲取數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)并加以規(guī)范，通過在VDBMS中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可保存數(shù)據(jù)，根據(jù)以上分析和總結(jié)得出虛擬數(shù)據(jù)庫架構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 虛擬數(shù)據(jù)庫架構(gòu)圖

1.2.2 LDAP目錄

軟件平臺在應(yīng)用過程中需要將用戶進(jìn)行分組，分組后對其身份進(jìn)行驗證，進(jìn)而嚴(yán)格控制電網(wǎng)訪問。

LADP目錄是屬于輕量級的對象性數(shù)據(jù)庫，尤其此目錄具有樹狀結(jié)構(gòu)，因為該組件十分利于電力數(shù)據(jù)的保存，且降低電力數(shù)據(jù)管理難度的同時可以降低服務(wù)器對整體性能的影響，在訪問量劇增的同時提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)訪問策略可知，電力數(shù)據(jù)一般可用數(shù)據(jù)、文件系統(tǒng)以及存儲介質(zhì)進(jìn)行表示，所以虛擬數(shù)據(jù)庫中會將這三種介質(zhì)進(jìn)行虛擬化，構(gòu)成數(shù)據(jù)虛擬化、文件系統(tǒng)虛擬化以及存儲介質(zhì)虛擬化，進(jìn)而得出一個可保證用戶數(shù)據(jù)量劇增時仍可確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫。在節(jié)能減排目標(biāo)下將軟件系統(tǒng)添加到網(wǎng)格平臺中，完善網(wǎng)格計算平臺中的不足，提高網(wǎng)格計算平臺的精度和性能。

網(wǎng)格計算技術(shù)擁有較強資源整合的功能，可將電力系統(tǒng)的所有資源進(jìn)行合并，加強電力系統(tǒng)分布式計算能力，可有效解決電力系統(tǒng)中因規(guī)模大而出現(xiàn)計算性能差的問題，因此建立分布式電力系統(tǒng)計算平臺時必須采取相應(yīng)措施解決該問題，同時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以加強計算性能，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法之間的動態(tài)仿真技術(shù)，而且網(wǎng)格計算技術(shù)還可保證不同格式數(shù)據(jù)可共存在一起，并在不同格式數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。

在節(jié)能減排目標(biāo)下利用網(wǎng)格計算技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺過程中需要符合以下幾點要求：

(1)可及時并有效解析數(shù)據(jù)文件，并通過合適的算法生成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。

(2)網(wǎng)格計算平臺在對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及發(fā)布指令時必須保證節(jié)點統(tǒng)一以及透明。

(3)不能以破壞新型電力系統(tǒng)的自治性為前提構(gòu)建平臺，同時要確保在平臺中進(jìn)行操作的業(yè)務(wù)能夠正常運行。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證節(jié)能減排目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺構(gòu)建方法的整體有效性，現(xiàn)對所提方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行CPU數(shù)量對計算速度的影響、網(wǎng)格計算所需時間以及加速比的測試，測試結(jié)果如下所示。

新型電力系統(tǒng)運行的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)的CPU，CPU的優(yōu)劣以及數(shù)量會直接影響系統(tǒng)的運行速度和效率，CPU在固定范圍內(nèi)，CPU相應(yīng)值越高，系統(tǒng)的運行速度越高，CPU的數(shù)量越多，無論是運行穩(wěn)定性或是運行效率均得到較大提升，同時CPU的數(shù)量也會對網(wǎng)格計算產(chǎn)生影響，即CPU數(shù)量越高，網(wǎng)格計算速度越快。正常情況下計算速度均有一個固定峰值，即使CPU會有效加快計算速度，但當(dāng)計算速度到達(dá)最高峰時，計算速度不會再發(fā)生變化，因此為驗證三種方法的優(yōu)劣性，分別得出不同CPU數(shù)量對三種網(wǎng)格計算方法速度的影響，影響程度越小，說明方法本身的性能越高，即本身計算速度越高，否則反之。三種方法的計算速度如圖4所示。

圖4 三種方法的計算速度

根據(jù)圖4可知，所提方法在CPU數(shù)量為3時，該方法的計算速度已經(jīng)達(dá)到峰值，文獻(xiàn)[6]方法隨著CPU數(shù)量的增多而加快網(wǎng)格計算速度，直到CPU數(shù)量為8時，該方法的計算速度達(dá)到峰值，而文獻(xiàn)[7]方法雖隨著CPU數(shù)量的增多而加快計算速度，但是該方法沒有到達(dá)計算速度的峰值，從而得知CPU的數(shù)量對文獻(xiàn)[7]方法的影響巨大，但CPU數(shù)量對所提方法的計算速度十分小，因此驗證所提方法的有效性。

構(gòu)建網(wǎng)格計算平臺的最終目的是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)資源共享，保證電力系統(tǒng)工作的高效性和擴(kuò)展性，由于電力系統(tǒng)內(nèi)資源巨大，通過平臺共享可有效減少數(shù)據(jù)獲取時間，為此，在對平臺構(gòu)建過程中必須控制網(wǎng)格計算所需時間，計算所需時間越短，平臺的網(wǎng)格計算效率越高，所實現(xiàn)的共享目的效果越好。根據(jù)上述分析，隨機(jī)選取五組實驗樣本，利用三種方法對其進(jìn)行網(wǎng)格計算，將三種方法所需時間進(jìn)行對比，得出計算耗時最短的方法即為最優(yōu)平臺，其實驗結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 三種方法的網(wǎng)格計算耗時

根據(jù)圖5實驗結(jié)果可知，五組實驗樣本均不相同，在每組實驗環(huán)境下均是所提方法的網(wǎng)格計算耗時最短，保證平臺資源共享速度和性能，是三種方法中最能凸顯出平臺構(gòu)建意義的方法，反觀文獻(xiàn)[7]方法，該方法雖能實現(xiàn)平臺構(gòu)建意義，但大大降低資源共享性能，甚至?xí)?dǎo)致信息獲取不及時的情況，因此證明所提方法是最優(yōu)網(wǎng)格計算平臺。這是因為所提方法在構(gòu)建網(wǎng)格計算平臺過程中專門為數(shù)據(jù)設(shè)計出采集以及預(yù)處理模塊，保證數(shù)據(jù)的完整和干凈，降低因數(shù)據(jù)殘缺等問題帶來的影響，加強網(wǎng)格計算效率和性能，進(jìn)而降低網(wǎng)格計算所需時間。

網(wǎng)格計算實質(zhì)上就是云計算，所以網(wǎng)格計算也是分布式計算，網(wǎng)格計算將電力數(shù)據(jù)分解成海量小程序，通過平臺服務(wù)器將程序傳送給用戶后將其合并，進(jìn)而達(dá)到最強的電力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此網(wǎng)格計算中始終具有并行計算，衡量并行計算好壞的指標(biāo)叫加速比，它指的是在對某一任務(wù)進(jìn)行操作過程中處理器和并行處理器所消耗時間的比值，加速比的公式如下所示：

(1)

式中:Hn為加速比；n為電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算節(jié)點數(shù)量；tn為n個電力系統(tǒng)節(jié)點在網(wǎng)格計算時所用的并行時間，min。三種方法的加速比結(jié)果如圖6所示。

圖6 三種方法的加速比

由圖6可知，通常情況下，加速比可直接影響網(wǎng)格計算的效率，當(dāng)加速比越大，電力系統(tǒng)的網(wǎng)格計算效率越高。根據(jù)實驗結(jié)果可知，三種方法的加速比均隨著節(jié)點數(shù)的增多而增強，從而說明隨著節(jié)點的增多三種方法的加速比均有所升高，但每種節(jié)點數(shù)量下所提方法的加速比都是三種方法中最高的，說明所提方法的計算效率最高，性能最好。

3 結(jié) 語

對于節(jié)能減排的重點項目，不能只是走個過場，而是要認(rèn)真對待，以保證新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺的順利構(gòu)建。積極推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，強調(diào)可再生資源的回收，強調(diào)節(jié)能、減排、環(huán)境保護(hù)意識的再教育，既可以節(jié)省能源，又可以培養(yǎng)國民的思想道德。網(wǎng)格計算是現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展的重要標(biāo)志，網(wǎng)格計算的終點是針對海量數(shù)據(jù)的資源共享，網(wǎng)格的主要目標(biāo)就是將電力系統(tǒng)中的全部資源進(jìn)行共享，保證用戶可輕易獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，提出節(jié)能減排目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺構(gòu)建方法，該方法首先根據(jù)網(wǎng)格計算需要得出網(wǎng)格計算整體框架，其次設(shè)計出平臺所需的軟件系統(tǒng)，將兩者融合后，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺的構(gòu)建，解決了網(wǎng)格計算存在的問題，實現(xiàn)最高效率的電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算。

我國電力系統(tǒng)網(wǎng)格計算平臺還在不斷發(fā)展中，各種類型市場逐步開放，需不斷滿足節(jié)能減排目標(biāo)的方法優(yōu)化，從而真正準(zhǔn)確地為新型電力系統(tǒng)提供依據(jù)。在接下來的研究工作中以安全性和全能性為目的進(jìn)行研究，進(jìn)一步優(yōu)化電力系統(tǒng)工作性能。