李祥瑞

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，民眾對(duì)于穩(wěn)定高質(zhì)量電能的需求不斷增加。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是分析電能質(zhì)量的重要方法之一，該計(jì)算是在電力網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)其功率、電壓等相關(guān)參數(shù)在電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的分布進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果可以用以分析判斷電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、功率因素及負(fù)荷平衡情況。目前，電力系統(tǒng)已經(jīng)從一個(gè)個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到區(qū)域之間線路相互連接、電能相互協(xié)調(diào)的聯(lián)合大電網(wǎng)。同時(shí)，風(fēng)能、太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉丛陔娔苤械恼急纫膊粩嗵岣?，這其中大部分的可再生能源是以分布式發(fā)電模式集成到系統(tǒng)中。因此， 電力系統(tǒng)潮流分析所需處理的數(shù)據(jù)迅速增加、軟件的計(jì)算量不斷擴(kuò)大，單純的提高計(jì)算機(jī)性能已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)實(shí)的需求，尋找能夠及時(shí)處理電力系統(tǒng)潮流分析的海量計(jì)算量的大數(shù)據(jù)處理方法已勢(shì)在必行。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流分析是利用1臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)就地進(jìn)行分析和計(jì)算，當(dāng)需要處理大量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)時(shí)在線操作時(shí)，例如電力網(wǎng)運(yùn)行的連續(xù)性分析，計(jì)算資源往往成為這種大規(guī)模計(jì)算的限制因素。該因素最初的解決方案是利用并行計(jì)算，但該方法被證明是難以操作和昂貴的。之后采用了網(wǎng)格計(jì)算來進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真、無功優(yōu)化、負(fù)荷平衡、穩(wěn)定性與安全性分析、分布式狀態(tài)估計(jì)等相關(guān)工作。

網(wǎng)格計(jì)算是一種很好的候選解決方案，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要解決一些關(guān)鍵問題。一些是技術(shù)性的，例如平臺(tái)的設(shè)置、設(shè)備配置、操作和維護(hù)以及在開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，這通常需要專業(yè)知識(shí)或特定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用程序必須重新組織或重新設(shè)計(jì)，以適應(yīng)網(wǎng)格運(yùn)算所需求的應(yīng)用程序中及計(jì)算模型。這些需要實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用程序一般包含重置工作流程和MPI（消息傳遞接口）并行接口。這些技術(shù)上的障礙，以及所需專用解決方案，會(huì)阻礙網(wǎng)格計(jì)算在電力工程領(lǐng)域中的推廣。

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算中出現(xiàn)的許多問題都可以得到一定的解決。云計(jì)算采用新近出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種靈活的服務(wù)機(jī)制，可以滿足不同終端用戶特定的需求。從應(yīng)用程序到硬件級(jí)別，工程師可以方便地訪問大型分布式計(jì)算資源，并可以完全自主定義執(zhí)行環(huán)境，不需要購買、維護(hù)甚至理解復(fù)雜的硬件和高性能計(jì)算機(jī)。該計(jì)算還具有一些其他重要特性，包括可擴(kuò)展性和現(xiàn)收現(xiàn)付計(jì)費(fèi)模式。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，它越來越多地被應(yīng)該于工程實(shí)踐。2008年年中啟動(dòng)的“科學(xué)云”項(xiàng)目，從研究角度證明了將云計(jì)算用于科學(xué)計(jì)算的可行性，提供了這種新的計(jì)算的早期經(jīng)驗(yàn)，并成功應(yīng)用于氣候研究和基因表達(dá)及腦成像。2009年，美國能源部（DOE）表示，麥哲倫項(xiàng)目建立一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)研究云計(jì)算在節(jié)能計(jì)算的性價(jià)比。隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟，這一技術(shù)在各領(lǐng)域中不斷得到應(yīng)用，電力公司也開始關(guān)注和感興趣。Mercury Solar Systems可再生能源公司使用云計(jì)算CRM（Customer Relationship Management客戶關(guān)系管理）可以更好地滿足客戶的能源需求。中國南方電網(wǎng)的工程師們則已提出利用云計(jì)算來升級(jí)智能調(diào)度系統(tǒng)的電力分析軟件（PAS）。

云計(jì)算所具有的低成本、靈活性、可靠性和可擴(kuò)展性等相關(guān)特點(diǎn)，使其在相關(guān)工程領(lǐng)域中得到了快速的應(yīng)用，并取得良好的效果，但在電力系統(tǒng)分析中，云計(jì)算的利用還處在起步階段。本文采用基于谷歌云的InterPSS云版主機(jī)平臺(tái)，利用谷歌App Engine （GAE）搭建平臺(tái)，研究云計(jì)算在電力系統(tǒng)分析中的潛在應(yīng)用，討論了利用云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算特點(diǎn)。

1 云計(jì)算概述

1.1 云計(jì)算的定義

云計(jì)算是伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)高速傳輸信息的能力，可以使多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享計(jì)算力得到實(shí)現(xiàn)。云計(jì)算涉及許多方面，例如分布計(jì)算資源、可視化、虛擬化等。目前，云計(jì)算暫時(shí)還沒有一個(gè)被廣泛接受的統(tǒng)一的權(quán)威定義。伯克利實(shí)驗(yàn)室對(duì)云計(jì)算的看法是，它既可以是通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的應(yīng)用程序，也可以是提供服務(wù)的數(shù)據(jù)中心中的硬件和系統(tǒng)軟件，那么數(shù)據(jù)中心的硬件和軟件也即是云。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）對(duì)云計(jì)算的定義，它是一種支持方便、隨需應(yīng)變的網(wǎng)絡(luò)訪問以及可配置計(jì)算資源共享資源庫（例如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用程序和服務(wù)）的模型，這些資源提供者可以通過最少的管理工作或服務(wù)向需求者快速供應(yīng)。

1.2 云計(jì)算的特征

云計(jì)算區(qū)別其他計(jì)算模式，有幾個(gè)顯著的基本特征，為理解云計(jì)算及其在學(xué)術(shù)和研究領(lǐng)域的作用和潛在應(yīng)用價(jià)值。即云計(jì)算具有快速響應(yīng)能力和應(yīng)用范圍可擴(kuò)展的能力；按需自助服務(wù)，用戶能夠根據(jù)自身的需求，完全獨(dú)立自主的獲取計(jì)算能力；方便的網(wǎng)絡(luò)訪問，海量資源可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得，并通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制訪問；可計(jì)量收費(fèi)模式，一種基于使用的計(jì)費(fèi)模型，用戶基本上租用虛擬資源并為使用的內(nèi)容付費(fèi)；資源庫，不同來源的計(jì)算資源可以匯聚到資源庫，這些不同的物理和虛擬資源可以根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)調(diào)整和重新分配。

1.3 三種服務(wù)模式

根據(jù)計(jì)算資源的抽象程度的不同以及相應(yīng)的資源管理級(jí)別，目前所有可訪問的云計(jì)算服務(wù)可以分為三個(gè)不同的服務(wù)模式，它們是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。

IaaS位于云堆棧的底部，它通常是指一種基于虛擬或物理資源交付網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)踐，使用者可以在其中部署和運(yùn)行任意軟件。美國 Amazon公司是一個(gè)典型的IaaS解決方案提供商，它的彈性計(jì)算云（EC2）提供計(jì)算服務(wù)，簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)（S3）提供存儲(chǔ)服務(wù)。一些研究通過EC2和S3進(jìn)行科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，展示了IaaS或EC2風(fēng)格的云計(jì)算作為高性能解決方案的潛力。

PaaS提供了一個(gè)用戶或客戶可以創(chuàng)建和運(yùn)行他們的應(yīng)用程序的平臺(tái)，它通常提供一個(gè)應(yīng)用程序框架和一組應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），用戶可以使用它們來為云開發(fā)他們的應(yīng)用程序。在這個(gè)模式下，谷歌和微軟都建立了自己的應(yīng)用平臺(tái)，分別是谷歌App Engine和Windows Azure。谷歌App Engine是一個(gè)平臺(tái)，可以為谷歌應(yīng)用程序提供支持的相同系統(tǒng)上構(gòu)建和托管web應(yīng)用程序。它具有快速開發(fā)和部署的特點(diǎn)；簡(jiǎn)單的管理，無須擔(dān)心硬件、補(bǔ)丁或備份；容易實(shí)現(xiàn)的可擴(kuò)展性。目前它支持利用Python或者Java開發(fā)的應(yīng)用程序。

SaaS直接為用戶服務(wù)，提供開發(fā)人員運(yùn)行在云上的應(yīng)用程序。由于SaaS主要是針對(duì)商業(yè)和終端用戶的，控制和配置有限，不適合研究，目前關(guān)于基于SaaS的科研成果的相對(duì)較少。

2 谷歌APP ENGINE上的INTERPSS CLOUD EDITION

InterPSS Cloud Edition是一種基于云的或者說是基于GAE的InterPSS實(shí)現(xiàn)，它利用谷歌應(yīng)用程序引擎來實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)潮流分析的海量數(shù)據(jù)的計(jì)算。具體工作內(nèi)容包括以下幾方面。

2.1 InterPSS概述

InterPSS（An Internet Technology-basedOpen-source Power SystemSimulation System）是一個(gè)開源的、基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和仿真軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于組件的開發(fā)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，具有開放、松散耦合的插件體系結(jié)構(gòu)，允許用戶通過插件輕松擴(kuò)展其功能，同樣重要的是，可以將組件集成到其他系統(tǒng)中，提供電力系統(tǒng)仿真和分析服務(wù)。具體來說，其主要的電力系統(tǒng)仿真功能作為核心庫封裝在電力系統(tǒng)仿真框架中，并作為電力系統(tǒng)仿真引擎集成到其他系統(tǒng)中。

2.2 谷歌App Engine概述

谷歌App Engine是一個(gè)開發(fā)可伸縮應(yīng)用的平臺(tái)，它建立在谷歌的基礎(chǔ)設(shè)施之上，具有谷歌系統(tǒng)的高可靠性、高性能和安全性。在谷歌App Engine平臺(tái)上開發(fā)的程序多的是利用Java語言，其運(yùn)行時(shí)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)Java技術(shù)，包括Java、Java servlet和NM編程語言。此外，它還為開發(fā)者提供了1個(gè)免費(fèi)但有限的服務(wù)（免費(fèi)限額為500 mb存儲(chǔ)，每天130 萬次請(qǐng)求）來構(gòu)建應(yīng)用程序，從而為人們的科學(xué)應(yīng)用程序縮減了成本和清除操作的障礙。

2.3 實(shí)現(xiàn)

InterPSS云版架構(gòu)的核心模擬引擎提供了計(jì)算和分析功能，它運(yùn)行在GAE的Java虛擬機(jī)（JVM），一旦部署在谷歌的云，在它提供的功能來響應(yīng)請(qǐng)求，而在本文中，對(duì)于不同類型的電力系統(tǒng)分析，即交直流功率分布、連續(xù)性分析等。在GAE提供的應(yīng)用程序編程接口（APIs）的幫助下，建立了一個(gè)網(wǎng)站（http：//cloud.interpss.com）作為前端，允許用戶上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 定義研究案例。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（DataStore）是谷歌的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如果用戶選擇該選項(xiàng)，還可以保存中間文件或數(shù)據(jù)以及研究案例。

2.4 InterPSS云版的功能

目前發(fā)布的InterPSS云主要提供了三種功能，分別是潮流分析、基于完整交流潮流的權(quán)變分析和基于開放數(shù)據(jù)模型（ODM）的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換服務(wù)。ODM是電力系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)交換的開放模型，InterPSS對(duì)此有很好的支持。開發(fā)了幾種Xformat-to-odm適配器，其中Xformat包括PSS/E、UTEC、BPA、PSAT、InterPSS，還開發(fā)了ODM-to-InterPSS適配器。在這個(gè)的方式，一個(gè)“Xformat→ODM→InterPSS”建立了數(shù)據(jù)交換模型。由此可見，云版InterPSS可以接受此類格式電力系統(tǒng)負(fù)載的相關(guān)數(shù)據(jù)。

InterPSS Cloud還可以對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析?？煽啃苑治霭ㄈN模式，分別是N-1模式、N-1-1模式和N-2模式。N-1模式是對(duì)每一條支路包含開路支路，進(jìn)行完整的交流潮流計(jì)算；在N-1-1分析模式中，首先，針對(duì)電網(wǎng)各支路，對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行交流潮流分析，然后，設(shè)置N-1模式進(jìn)行全交流潮流分析，對(duì)于此時(shí)N-1模式，重點(diǎn)對(duì)各支路的視在功率確定，接著隨機(jī)確定一個(gè)開路支路，即N-1-1模式下進(jìn)行全交流潮流分析；N-2模式這是在網(wǎng)絡(luò)中確定兩個(gè)開路支路，在雙開路模式下進(jìn)行潮流計(jì)算，用以分析多開路模式下電力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

對(duì)于ODM轉(zhuǎn)換，需要找到一個(gè)用于向?qū)嶓w設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用程序。對(duì)于用戶來說，InterPSS云提供了這樣的服務(wù)，通過它可以輕松地將支持的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為ODM XML文件。

2.5 工作原理

由于在GAE平臺(tái)中部署了InterPSS仿真引擎，并在GAE中無間歇模式運(yùn)行，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)在世界任何地方訪問該引擎，并且InterPSS用戶友好易于使用。用戶進(jìn)入云版InterPSS的網(wǎng)站（http：//cloud.interpss.com），可以上傳仿真數(shù)據(jù)支持的數(shù)據(jù)格式，并通過選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件適配器，然后選擇一個(gè)分析功能，其他的都是通過InterPSS云計(jì)算和結(jié)果通過瀏覽器自動(dòng)反饋給用戶。

3 存在的問題及挑戰(zhàn)

云計(jì)算為電力系統(tǒng)潮流分析和其他相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域帶來了許多好處和機(jī)遇。對(duì)于電力工程領(lǐng)域來說，它是一種基于現(xiàn)收現(xiàn)付模型的潛在的高性價(jià)比的高性能計(jì)算資源，PaaS和IaaS模型都允許對(duì)研究進(jìn)行足夠的控制和定制。另一個(gè)重要方面是引入了本地云應(yīng)用程序（NCA），這大大簡(jiǎn)化了云的設(shè)置和云上應(yīng)用程序的提供。此外，和InterPSS Cloud一樣，與傳統(tǒng)操作軟件相比，不需要額外的軟件配置、硬件升級(jí)和維護(hù)。此外，一旦基于研究的應(yīng)用程序在公共云上發(fā)布，不僅開發(fā)人員，而且全世界所有的透視圖用戶都可以從云計(jì)算中獲益。對(duì)于電力公司來說，它很好地滿足了其需求，因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)可擴(kuò)展性使得他們的操作系統(tǒng)（如EMS、DMS）能夠很容易地滿足正常運(yùn)行的計(jì)算需求和應(yīng)急時(shí)的峰值。它也可以用來提供所需功能在web上使用軟件作為一種服務(wù)模型，當(dāng)動(dòng)力分析軟件，例如EMS，部署在總部數(shù)據(jù)中心或云，不同的分析和所有級(jí)別操作可以依賴它，從而壓縮現(xiàn)有的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)和使所有公共數(shù)據(jù)分析和操作成為可能。此外，智能電網(wǎng)的發(fā)展很可能需要借助云計(jì)算技術(shù)來應(yīng)對(duì)日益龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模，并促進(jìn)開放接入和互操作。

需要指出的是，云計(jì)算還處于起步階段，在電力系統(tǒng)中進(jìn)行科學(xué)、商業(yè)應(yīng)用，特別是從服務(wù)和安全的角度來看，還存在一些問題和挑戰(zhàn)。首先，這是一種新的計(jì)算模式，電力公司的大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)目前還不能做到完全兼容，這項(xiàng)技術(shù)需要一個(gè)艱難的轉(zhuǎn)變。其次，對(duì)于公共云，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理都是在云中進(jìn)行的，研究人員和電力企業(yè)都應(yīng)該真正關(guān)注他們的數(shù)據(jù)安全，安全問題是一個(gè)非常重要的問題，如果不能夠得到完全解決，可能會(huì)影響該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

云計(jì)算，具有良好的可擴(kuò)展性和基于使用的現(xiàn)收現(xiàn)付制服務(wù)模式，提供了一個(gè)具有成本效益的和靈活使用方式的大規(guī)模計(jì)算資源。本文討論了出現(xiàn)這一趨勢(shì)的社會(huì)背景，并簡(jiǎn)要介紹了云計(jì)算的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，提出了基于谷歌應(yīng)用引擎的InterPSS云版，作為利用云計(jì)算進(jìn)行電力系統(tǒng)分析的一個(gè)演示。目前它提供負(fù)載流量、應(yīng)變分析和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換服務(wù)，讓用戶能夠在任何地方運(yùn)行他們的分析，通過互聯(lián)網(wǎng)不停歇提供服務(wù)。從InterPSS云可以得出，云計(jì)算為研究人員和工程師提供了一個(gè)很有前途的解決他們所面臨的計(jì)算問題的方案。但需要指出的是，云計(jì)算在電力系統(tǒng)中的更好應(yīng)用必將需要更多、更深入的研究。