何 哲

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)[1]。多種新型能源的應(yīng)用，使得電網(wǎng)特性發(fā)生了巨大變化。云計(jì)算在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效處理，有效整合了電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲資源[2]。本文設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺，有效融合了底層數(shù)據(jù)采集、中層數(shù)據(jù)監(jiān)控以及上層智能調(diào)度高級應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置。

1 云計(jì)算

云計(jì)算是當(dāng)前主流的分布式數(shù)據(jù)運(yùn)算技術(shù)，具有安全可靠、擴(kuò)展靈活、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒎植茧s散的多種計(jì)算資源有機(jī)結(jié)合起來，并借助虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算資源的高效整合[3]。同時(shí)，云計(jì)算技術(shù)采用分布式存儲與因特網(wǎng)通信，與采用數(shù)據(jù)集中式存儲和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信的傳統(tǒng)分布式計(jì)算存在很大的區(qū)別。由于云計(jì)算這些顯著的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度算法已經(jīng)無法通過云計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)以云計(jì)算技術(shù)的特點(diǎn)為依據(jù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度算法[4]。首先，云計(jì)算能夠估算計(jì)算資源的數(shù)據(jù)處理能力。不同計(jì)算資源的數(shù)據(jù)處理能力存在較大差異，在設(shè)計(jì)優(yōu)化新算法時(shí)，需盡可能將數(shù)據(jù)進(jìn)行小型化處理，以保證數(shù)據(jù)計(jì)算資源的高效利用。其次，由于云計(jì)算采用了因特網(wǎng)通信，新算法要最大限度減少計(jì)算資源之間的通信，以減小通信延遲對算法運(yùn)行的影響。最后，云計(jì)算采用分布式數(shù)據(jù)存儲，因此新算法需遵循就近處理的原則，最大限度減小節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，以保證數(shù)據(jù)處理的高效性。

2 基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)

隨著新能源的廣泛應(yīng)用和智能電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)運(yùn)行方式變得復(fù)雜。常規(guī)的電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)由于封閉性特點(diǎn)，無法滿足用戶對系統(tǒng)功能持續(xù)升級的需求[5]。針對該問題，本節(jié)重點(diǎn)研究基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)，有效解決封閉性問題，以提高系統(tǒng)的開放性、靈活性以及擴(kuò)展性。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)面向?qū)ο筮M(jìn)行設(shè)計(jì)，基本架構(gòu)如圖1所示。除去具有SCADA系統(tǒng)的基本功能外，它還構(gòu)建了開放性強(qiáng)和擴(kuò)展性強(qiáng)的云服務(wù)平臺，具有統(tǒng)一化的維護(hù)管理方案和智能化的數(shù)據(jù)運(yùn)算與電網(wǎng)調(diào)度策略。

圖1 基于云計(jì)算SCADA系統(tǒng)架構(gòu)

該SCADA系統(tǒng)包含就地層、分布式子站層、集中監(jiān)控層以及優(yōu)化管理層4個大部分[6]。系統(tǒng)采用上層集中管理和下層分布控制的基本架構(gòu)，能夠靈活結(jié)合智能電網(wǎng)設(shè)備類型多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行與穩(wěn)定控制[7]。就地層布置在電力系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體所在的位置，包含多種電氣設(shè)備及測控終端，采用分布式控制策略進(jìn)行控制?；赟OA技術(shù)與云端調(diào)度監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能夠下載和調(diào)度監(jiān)控平臺對本地設(shè)備的控制策略，并實(shí)時(shí)上傳電力系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。分布式子站層作為系統(tǒng)的中間層，通過交換機(jī)和服務(wù)器與就地層的電氣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)是集中監(jiān)控層和優(yōu)化管理層進(jìn)行控制策略傳輸?shù)耐?。就地層中的每一個電氣設(shè)備都有唯一的一個網(wǎng)絡(luò)地址：

式中，A為電氣設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址編號；A（parent）為電氣設(shè)備父節(jié)點(diǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址編號；Cskip（d）為位于d層深度的父設(shè)備的地址編號偏移量；Rm為路由器數(shù)量上限；n為第n個設(shè)備。

集中監(jiān)控層與優(yōu)化管理層都布設(shè)在云端。其中，優(yōu)化管理層是核心，采用集中式控制策略，基于接收到的監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)決策運(yùn)算；集中監(jiān)控層則在權(quán)限內(nèi)對電氣設(shè)備下發(fā)控制策略，并與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的雙向信息交互。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

首先，面向?qū)ο髮⑾到y(tǒng)功能進(jìn)行模塊化劃分和集成，使其以服務(wù)單元的形式存在。功能模塊之間通過規(guī)定好的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的模塊化管理，提高任務(wù)執(zhí)行效率，并且便于實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展與強(qiáng)化。其次，針對電網(wǎng)模型的復(fù)雜性和元器件的多樣性，采用圖像模型統(tǒng)一化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，對新能源進(jìn)行CIM建模并映射到數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)圖元對象與數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行可視化維護(hù)。最后，與常規(guī)的SCADA系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)基于云計(jì)算設(shè)計(jì)了全自動化的控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的智能性。

3 智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控方案

結(jié)合云計(jì)算技術(shù)提出了智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控的解決方案，并闡述專家知識、數(shù)據(jù)存儲以及控制策略，能實(shí)現(xiàn)對大量調(diào)度監(jiān)控信息的處理。基于對象的專家知識涵蓋了概念、事實(shí)以及規(guī)則3層體系。概念用來存放基本信息，事實(shí)用來描述各個概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，規(guī)則用來描述實(shí)現(xiàn)任務(wù)的推理邏輯。智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控知識以構(gòu)成問題的基本事件展開，劃分成樹狀結(jié)構(gòu)，將其屬性、行為以及與其他事物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行有效表達(dá)形成對象。這里以變壓器為例進(jìn)行描述，它的知識點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變壓器知識層次結(jié)構(gòu)

在智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控中，數(shù)據(jù)種類復(fù)雜多樣，電網(wǎng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲與管理方案不能夠滿足大量數(shù)據(jù)的存儲與管理。該調(diào)度監(jiān)控方案采用分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)管理大量的數(shù)據(jù)，并采取有效手段保證數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。分布式文件系統(tǒng)是分布式數(shù)據(jù)存儲與管理的基礎(chǔ)，以其高容錯性和高可靠性等特點(diǎn)為大量數(shù)據(jù)的存儲與管理帶來了便利。

目前，電力調(diào)度人員對上傳的監(jiān)控信息需要查閱專家手冊進(jìn)行處理，工作效率低下，且很難通過有限的典型故障樣本為現(xiàn)有的問題提供有效的解決方案。因此，需要結(jié)合大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為在實(shí)際工作中的電力調(diào)度人員提供更準(zhǔn)確的參考方案。

該智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控方案能夠?qū)?shù)據(jù)挖掘、人工分析以及計(jì)算機(jī)分析有效結(jié)合，不斷完善專家知識。該方案還能夠通過智能化分析和數(shù)據(jù)挖掘加強(qiáng)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效利用，具備自適應(yīng)、自組織以及自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。該智能調(diào)度監(jiān)控方案的專家知識工作流程如圖3所示。

圖3 智能調(diào)度監(jiān)控方案的專家知識工作流程

電網(wǎng)出現(xiàn)故障會產(chǎn)生大量的警告監(jiān)控信號。通過分析警告信號及相關(guān)數(shù)據(jù)，并向電力調(diào)度人員下發(fā)與該故障對應(yīng)的問題解決方案，能夠減輕電力調(diào)度人員的工作壓力，同時(shí)提高問題的解決效率。

4 智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺的實(shí)現(xiàn)

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺主要實(shí)現(xiàn)了如下目標(biāo)。第一，搭建具有規(guī)范性和可擴(kuò)展性的專家知識庫。第二，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能和云端數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。第三，實(shí)現(xiàn)智能化的電力監(jiān)控與調(diào)度。

4.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺的架構(gòu)主要分為服務(wù)訪問層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、基礎(chǔ)設(shè)施以及基礎(chǔ)服務(wù)層3個層級，如圖4所示。

圖4 基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺架構(gòu)

4.3 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

設(shè)備終端采集到原始信號，經(jīng)過逐級傳送后，基于知識智能搜索引擎映射到專家知識庫，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)范化的信號由監(jiān)控決策專家?guī)焓褂茫M(jìn)而經(jīng)分析運(yùn)算得到調(diào)度方案，具體的實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 監(jiān)控信號采集與處理過程

4.4 智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控輔助決策

智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口調(diào)用輔助決策功能，并設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)交互界面顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控信息和輔助決策結(jié)果。在電力調(diào)度監(jiān)控平臺實(shí)際測試中，輔助決策系統(tǒng)在調(diào)度集中監(jiān)控方面由專家知識庫依據(jù)采集到的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，從而給出故障解決方案供電力調(diào)度人員參考，避免了電力調(diào)度人員從大量的數(shù)據(jù)中尋找關(guān)鍵信息進(jìn)行故障處理，縮短了電網(wǎng)故障處理時(shí)間，能夠有效抑制故障擴(kuò)大化，便于后期的故障恢復(fù)。

5 結(jié) 論

本文研究的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)化和智能化為目標(biāo)，基于云技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及面向?qū)ο蠛头?wù)的理念，實(shí)現(xiàn)了靈活多樣的SCADA功能，并給出了智能化的電網(wǎng)調(diào)度智能決策方案，最終實(shí)現(xiàn)了基于云計(jì)算技術(shù)的智能電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控平臺。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電網(wǎng)智能調(diào)度決策，大幅提高了電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。