摘 要： 基于網(wǎng)格技術(shù)建立的信息一體化通用支撐平臺(tái)，提出了電力網(wǎng)格模型，分析了其功能特點(diǎn)及其具有的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，展望了未來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng) 網(wǎng)格計(jì)算 信息一體化 超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力體制改革的深化，在電力市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)中，為保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，迫切要求電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)SCADA/EMS、電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)TMS、電能量計(jì)量系統(tǒng)TMR、配電管理系統(tǒng)DMS以及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)OA和MIS等各種電力企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的廣泛集成，以滿(mǎn)足信息全面共享、高效運(yùn)行的要求。為此需要一種先進(jìn)、開(kāi)放、可擴(kuò)展、穩(wěn)定可靠的信息一體化通用支撐平臺(tái)，有效隔離上層應(yīng)用與底層系統(tǒng)，屏蔽底層各種異構(gòu)系統(tǒng)間的差異，更好地為上層應(yīng)用服務(wù)。
目前，盡管部分電力自動(dòng)化信息系統(tǒng)之間已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了連接[1]，并且也出現(xiàn)了更大范圍內(nèi)的電力企業(yè)信息一體化平臺(tái)[2]，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電力企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成，然而上述方案或多或少都存在不足：集成方法難以推廣以及集成平臺(tái)具有局限性。為此，在電力企業(yè)信息一體化平臺(tái)研究中，需要重點(diǎn)解決信息難于交換、難于共享的問(wèn)題，以滿(mǎn)足多級(jí)、透明、實(shí)時(shí)、高效、可靠的操作要求；同時(shí)提供分布式高性能數(shù)據(jù)處理與計(jì)算平臺(tái)，提高電力應(yīng)用效能，特別是增強(qiáng)電網(wǎng)監(jiān)控的性能。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文針對(duì)電力系統(tǒng)中系統(tǒng)種類(lèi)多、協(xié)作方式多樣、分布、異構(gòu)、自主控制、動(dòng)態(tài)變更等特征，基于網(wǎng)格技術(shù)建立了信息一體化支撐平臺(tái)，描述了電力網(wǎng)格框架結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，并進(jìn)一步指出其超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，明確了未來(lái)研究方向。
1 什么是網(wǎng)格
作為一種新的分布式計(jì)算形式，網(wǎng)格可被看作是最強(qiáng)有力的超級(jí)計(jì)算環(huán)境，包含豐富的計(jì)算、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、設(shè)備和儀器等各類(lèi)資源，用戶(hù)可以在任何地方登錄，透明地使用網(wǎng)格中的各種資源求解問(wèn)題。網(wǎng)格計(jì)算包括以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的高性能科學(xué)計(jì)算、方便靈活的移動(dòng)計(jì)算、豐富多彩的多媒體計(jì)算、復(fù)雜多變的交易、電子商務(wù)等事務(wù)處理計(jì)算，以及管理、模擬、控制類(lèi)的智能計(jì)算等。網(wǎng)格計(jì)算無(wú)處不在。
具體地，網(wǎng)格是構(gòu)筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一組新技術(shù)，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體，提供更多的資源、功能和交互性，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面聯(lián)通，把整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)整合成一臺(tái)巨大的虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源的全面共享。就如同人們?cè)谟秒姇r(shí)那樣，只需要插上插頭而不必理會(huì)如何發(fā)電，或是由哪個(gè)發(fā)電廠(chǎng)供的電。網(wǎng)格可以讓人們?cè)谛枰獣r(shí)通過(guò)單一入口使用計(jì)算能力和各種資源，向用戶(hù)提供“信息在你指尖”式的服務(wù)。
網(wǎng)格技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
(1)分布與共享。網(wǎng)格資源分布在位置不同的多個(gè)地方，能夠提供資源共享，消除信息孤島，可以協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)硬件的連通，而網(wǎng)格則實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的連通。
(2)自相似性。網(wǎng)格的局部在許多地方具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的體現(xiàn)。
(3)動(dòng)態(tài)性與多樣性。網(wǎng)格可以提供動(dòng)態(tài)服務(wù)，能夠適應(yīng)變化，解決不同結(jié)構(gòu)、不同類(lèi)別資源之間的通信和互操作問(wèn)題。
(4)自治性與管理的多重性。網(wǎng)格允許資源擁有者對(duì)其資源進(jìn)行自主管理，也要求資源必須接受統(tǒng)一管理。
網(wǎng)格系統(tǒng)可以分為3個(gè)基本層次：資源層、中間件層和應(yīng)用層。其中，最為重要的中間件層包括一系列工具和協(xié)議軟件，用于屏蔽網(wǎng)格資源的分布、異構(gòu)特性，向應(yīng)用層提供透明、一致的接口，也稱(chēng)為網(wǎng)格操作系統(tǒng)。它是連接網(wǎng)格底層與高層功能的紐帶，是協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：高性能調(diào)度技術(shù)、高吞吐率管理技術(shù)、數(shù)據(jù)收集分析以及可視化技術(shù)和安全技術(shù)等。
網(wǎng)格本質(zhì)是對(duì)大規(guī)模分布資源進(jìn)行管理，這些在以前的技術(shù)中并沒(méi)有很好的解決方案。現(xiàn)有的共享方案，如互聯(lián)網(wǎng)、ASP、Java、CORBA、DCE等，在共享配置的靈活性以及共享資源種類(lèi)上不能完全滿(mǎn)足虛擬組織的需要，并且這些機(jī)制兼容性差。基于Web Services技術(shù)的開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA，其一切對(duì)外功能都以網(wǎng)格服務(wù)來(lái)體現(xiàn)，可以屏蔽互聯(lián)網(wǎng)中千差萬(wàn)別的差異，使信息和服務(wù)暢通無(wú)阻地在計(jì)算機(jī)之間流動(dòng)。用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)格服務(wù)時(shí)，根本就無(wú)需關(guān)心該服務(wù)是CORBA提供的，還是.Net提供的。因此，網(wǎng)格是在現(xiàn)有技術(shù)之上所建立的更高層次的共享。
鑒于此，各國(guó)政府和企業(yè)都在為爭(zhēng)奪網(wǎng)格的制高點(diǎn)積極行動(dòng)。美國(guó)及歐洲走在了全球的前列，其中典型的例子有：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的NPACI、國(guó)家技術(shù)網(wǎng)格(NTG)和分布萬(wàn)億次級(jí)計(jì)算設(shè)施(DTF)等。目前國(guó)內(nèi)也在大力進(jìn)行網(wǎng)格研究。在國(guó)家“863”計(jì)劃扶持下，中科院計(jì)算所與曙光等國(guó)內(nèi)知名機(jī)構(gòu)聯(lián)手研究網(wǎng)格的關(guān)鍵性技術(shù)，已經(jīng)獲得重大進(jìn)展。
2 信息一體化平臺(tái)與電力網(wǎng)格
2.1 模型結(jié)構(gòu)
建設(shè)電力企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)需要考慮其先進(jìn)性、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定可靠性等，需要一體化的通用支撐平臺(tái)。支撐系統(tǒng)的好壞是衡量一套系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要因素。對(duì)一套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具體功能的多少并不是評(píng)價(jià)它的主要指標(biāo)，最重要的是系統(tǒng)的開(kāi)放性、功能增減是否方便、與其他系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是否容易、能否用現(xiàn)有的商用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所要求的一些特殊功能等。所有這一切都依賴(lài)于底層支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4]。本文基于網(wǎng)格技術(shù)建立了這一平臺(tái)，形成了如圖1所示的電力網(wǎng)格模型。
(1)電力網(wǎng)格資源層
電力系統(tǒng)中各種可用來(lái)共享的網(wǎng)絡(luò)資源，涵蓋SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、儀器、存儲(chǔ)設(shè)備等硬件資源以及數(shù)據(jù)、軟件、操作人員等。為實(shí)現(xiàn)各種資源的廣泛共享，提供了與特定資源相關(guān)的功能，對(duì)上面的需求提供統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源層的有效控制，以便于對(duì)資源的訪(fǎng)問(wèn)。
(2)電力網(wǎng)格中間件
利用高性能調(diào)度技術(shù)、高吞吐率管理技術(shù)、數(shù)據(jù)收集分析以及可視化技術(shù)、安全技術(shù)等屏蔽分布、異構(gòu)的電力網(wǎng)格資源，向應(yīng)用層提供透明、一致的接口，并提供用戶(hù)編程接口和相應(yīng)的環(huán)境，以支持電力網(wǎng)格應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)應(yīng)用軟件的“即插即用”，具備良好的通用性和擴(kuò)展性，解決系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，實(shí)時(shí)或離線(xiàn)地集成新建或遺留的異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)，本文采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61968和IEC61970，以公共信息模型CIM描述電網(wǎng)的公用信息、以組件接口規(guī)范CIS訪(fǎng)問(wèn)電網(wǎng)的公用信息，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口和資源表示方式，盡量減少對(duì)原有系統(tǒng)的影響，并保證互連系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。
(3)電力網(wǎng)格應(yīng)用層
提供SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各種電力企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的一體化集成實(shí)現(xiàn)方式，不僅可以繼承原有各種系統(tǒng)，而且為便于使用電力網(wǎng)格各種功能提出集成、高效的網(wǎng)格開(kāi)發(fā)環(huán)境、工具和門(mén)戶(hù)。
2.2 電力網(wǎng)格的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性
由于網(wǎng)格具有自相似性，網(wǎng)格的建設(shè)與規(guī)模大小無(wú)關(guān)。因此一個(gè)單獨(dú)的電力機(jī)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格，具有隸屬關(guān)系的多級(jí)電力機(jī)構(gòu)之間也可以共同構(gòu)成一個(gè)更大范圍的網(wǎng)格，并且上層網(wǎng)格可由下層網(wǎng)格組成。這一特性也就是超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性。
在超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，既可以把下一層面的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖抽象為上一層面的一個(gè)超結(jié)點(diǎn)或超線(xiàn)段，用來(lái)研究作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)中與其他超結(jié)點(diǎn)的關(guān)系；又可以把上一層面的超結(jié)點(diǎn)或超線(xiàn)段展開(kāi)為下一層面的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，用來(lái)研究超結(jié)點(diǎn)或超線(xiàn)段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系。超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“超”就體現(xiàn)在這種超結(jié)點(diǎn)或超線(xiàn)段向下的“細(xì)化與分層”和向上的“抽象與包容”特性中。
對(duì)應(yīng)于電力系統(tǒng)的分層、分級(jí)管理，電力網(wǎng)格也具有分層、分級(jí)管理的特點(diǎn)，所有的計(jì)算和管理資源都按電力系統(tǒng)生產(chǎn)和管理的層次結(jié)構(gòu)來(lái)組織，動(dòng)態(tài)地形成國(guó)家級(jí)、省級(jí)、地級(jí)等多個(gè)網(wǎng)格層次。由此可見(jiàn)，各級(jí)電力企業(yè)之間也構(gòu)成了一種超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。以調(diào)度中心為例，可以形成如圖2所示的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
國(guó)調(diào)作為超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的最高抽象結(jié)點(diǎn)，總攬全局，在全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度指揮；網(wǎng)調(diào)作為超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第二層結(jié)點(diǎn)，不但服從上層結(jié)點(diǎn)（國(guó)調(diào)）的指揮，同時(shí)肩負(fù)著本網(wǎng)內(nèi)的調(diào)度任務(wù)；同樣，省調(diào)作為第三層結(jié)點(diǎn)，不但服從上級(jí)結(jié)點(diǎn)（網(wǎng)調(diào)）的指揮，同時(shí)肩負(fù)著本省內(nèi)的調(diào)度任務(wù)。類(lèi)似地，還有地調(diào)和縣調(diào)。
就電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)而言，所需部分?jǐn)?shù)據(jù)需要由鄰網(wǎng)提供，而目前這些數(shù)據(jù)只能靠人工設(shè)定，易產(chǎn)生不同步情況，繼而導(dǎo)致電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生。這是普遍存在的問(wèn)題。如果構(gòu)建電力網(wǎng)格則可以避免等值模型所導(dǎo)致的預(yù)測(cè)誤差，可以進(jìn)一步推動(dòng)在線(xiàn)動(dòng)態(tài)安全分析實(shí)用化，也就可以避免電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生。
此外，隨著電力市場(chǎng)化體制改革的進(jìn)一步深入，為優(yōu)化利用全國(guó)資源，立足我國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)狀，面向電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)電力市場(chǎng)將分為國(guó)家電力市場(chǎng)、區(qū)域電力市場(chǎng)、省級(jí)電力市場(chǎng)三級(jí)進(jìn)行分層分區(qū)運(yùn)營(yíng)，這也體現(xiàn)了電力網(wǎng)格的超拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性。
2.3 電力網(wǎng)格特點(diǎn)
電力網(wǎng)格之所以能夠避免電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生，解決電力系統(tǒng)固有的頑疾，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)。
(1)開(kāi)放性。同時(shí)滿(mǎn)足分布性、可移植性和互操作性，是開(kāi)放性最好的體系結(jié)構(gòu)。符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，能連通和跨越各類(lèi)軟硬件計(jì)算平臺(tái)，完成各類(lèi)軟件、算法對(duì)各類(lèi)異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的無(wú)縫整合。
(2)自組織。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)視、管理、維護(hù)所有的資源并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，使系統(tǒng)的資源能高效地用于最緊要的任務(wù)。
(3)協(xié)同性。電力網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)可以共同處理一個(gè)任務(wù)，并將結(jié)果返回給請(qǐng)求結(jié)點(diǎn)，給用戶(hù)提供完全透明的計(jì)算環(huán)境，避免大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，大大提高了執(zhí)行效率。
(4)自治性。各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行自主管理，又不改變?cè)械牟僮飨到y(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與服務(wù)等。
(5)安全與容錯(cuò)。以登錄認(rèn)證、安全性認(rèn)證等多種手段和措施確保電力信息安全與系統(tǒng)安全，并支持例外處理，在任何一個(gè)服務(wù)或計(jì)算機(jī)因出現(xiàn)故障而無(wú)法工作時(shí)仍能繼續(xù)工作。
(6)易用性。圖形化的操作界面，豐富的用戶(hù)接口和編程環(huán)境，Web方式，用戶(hù)可以通過(guò)單一入口隨時(shí)隨地使用系統(tǒng)資源，最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)點(diǎn)播。
(7)靈活性。遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn)可以靈活自由地加入或退出系統(tǒng)。
2.4 進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容與方向
盡管基于信息一體化平臺(tái)的電力網(wǎng)格呈現(xiàn)出許多喜人的優(yōu)越性，然而作為一種新生事物，有不少地方亟待深入探索和研究。
(1)如何描述信息、存儲(chǔ)信息、發(fā)布信息和查找信息；如何對(duì)信息加密，防止信息泄露等。
(2)為提高資源的描述、組織和管理性能，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的負(fù)載情況，對(duì)任務(wù)進(jìn)行有效調(diào)度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，應(yīng)該研究適合電力系統(tǒng)的高性能資源管理、任務(wù)管理和調(diào)度算法。
(3)鑒于電力系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜性，應(yīng)滿(mǎn)足電力系統(tǒng)計(jì)算在大規(guī)模分布式、異構(gòu)數(shù)據(jù)、異構(gòu)平臺(tái)、異構(gòu)軟件、分層計(jì)算等方面的要求，建立基于網(wǎng)格的電力系統(tǒng)分布式算法，如潮流計(jì)算、安全分析、狀態(tài)估計(jì)等分布式在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析算法。
(4)研究和制定電力網(wǎng)格技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與接口規(guī)范，滿(mǎn)足電力系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間的互操作要求以及電力系統(tǒng)軟件與電力網(wǎng)格中間件之間的信息交換要求。
(5)對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，安全可靠運(yùn)行是第一位的。電力網(wǎng)格各個(gè)部分都涉及到安全技術(shù)，如認(rèn)證、授權(quán)、記賬、審計(jì)、完整性等，因此應(yīng)該提供可靠性高的安全模型與技術(shù)，保證系統(tǒng)資源、資料不受損失，并能承受各種網(wǎng)絡(luò)攻擊。
(6)為有效檢測(cè)電力網(wǎng)格服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)建立性能評(píng)價(jià)體系，以滿(mǎn)足電網(wǎng)監(jiān)控實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性的要求。
(7)研究新的策略以保證在電力網(wǎng)格規(guī)模不斷擴(kuò)大、應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的情況下，性能不降低。
(8)在電力網(wǎng)格中，當(dāng)資源出現(xiàn)故障或失敗時(shí)，為保證任務(wù)仍然能夠正確無(wú)誤地執(zhí)行，應(yīng)研究自動(dòng)故障檢測(cè)和恢復(fù)的方法，以提高動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性。
(9)為提高電力網(wǎng)格的應(yīng)用性能，需要對(duì)性能數(shù)據(jù)加以分析，為此需要研究適合電力性能分析和監(jiān)測(cè)的方法。同時(shí)，為從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息，幫助用戶(hù)擺脫理解數(shù)據(jù)的困難，需要開(kāi)發(fā)直觀可視化的工具和友好的用戶(hù)界面，便于用戶(hù)在任何位置、任何平臺(tái)上使用系統(tǒng)資源。
3 展 望
電力是時(shí)刻不可缺少的重要生產(chǎn)和生活資料，電網(wǎng)瓦解和大面積停電會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，影響人民正常生活秩序。為早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”這一宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)，目前我國(guó)電力系統(tǒng)正處于高速發(fā)展時(shí)期，一個(gè)超大規(guī)模的全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)正在出現(xiàn)，與此同時(shí)也產(chǎn)生了新的安全穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)，在“廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的前提下，為深化電力市場(chǎng)改革，如何保證電網(wǎng)的可持續(xù)性發(fā)展，形成完善的電力市場(chǎng)，也已成為亟待解決的緊要問(wèn)題。這些都離不開(kāi)科研工作者大膽地探索。本文提出的基于信息一體化平臺(tái)的電力網(wǎng)格將為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)起到良好的作用。
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