节能减排目标下新型电力系统网格计算平台

熊 浩，张 浩，崔占飞，曹 帅

(国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210013)

电力行业是节能减排的重点行业之一，电力系统是保证城市稳定发展的基础设施，确保电网的稳定控制以及安全运行对社会具有重大意义[1]，我国工业化和城市化进程不断推进，对电能的需求迅速增加，传统的高能耗、高排放的发电方式已经不能满足社会发展的需要。为响应我国可持续发展战略要求，尽可能地降低碳排放量，保护生态环境是现今阶段需要实现的目标，为此电力系统发展需要满足节能减排目标[2]，即零碳和碳中和气候目标，为实现这一目标而设计出节能减排目标下新型电力系统，此系统不仅可实现双碳要求，还可扩大电力系统规模[3]，但也因此导致以往的电力系统串行计算方法无论是规模还是计算速度均不足以满足目前的电力状态，随着电力系统的扩大，为保证电力稳定运行[4-5]，需要时刻要求电力系统中的各项计算任务保持实时性以及高效性，为此将网格计算添加到电力系统中，建立电力系统网格计算平台，进而达到电力系统高性能运算的指令。

相关学者对此进行深入研究，文献[6]提出基于GIS与CAD的煤矿地下水库库容计算平台开发研究，构建三角网模型生成三角网格，进而得到电体积元，最后在体积元的帮助下得到电量储备系数，实现电力系统网格计算平台的构建。文献[7]提出基于OpenFOAM的自适应网格计算策略研究，利用两相流求解器interFoam对电力系统的最大加密层数以及缓冲层层数等参数进行分析，得出参数带来的影响，最后得出所有可用参数，将其添加到平台中，实现电力系统网格计算平台的构建。以上两种方法在构建平台过程中没有设计电力数据预处理和采集模块，导致数据量不完整或冗余数据过多，存在网格计算所需时间长、CPU数量对计算速度的影响大以及加速比小的问题。为了解决上述方法中存在的问题，提出节能减排目标下新型电力系统网格计算平台构建方法。

1 电力系统网格计算平台整体设计

1.1 新型电力系统网格计算平台框架

为符合以上要求，在节能减排目标下，新型电力分布式计算系统在构建网格计算平台时均利用组件化形式进行构建，以此保证平台中所有部件都具有高内聚以及低耦合的优势，进而确保后续平台的升级等相关处理，根据以上分析设计出新型电力系统网格计算平台架构图，如图1所示。

图1 新型电力系统网格计算平台架构图

根据图1所示，在节能减排目标下，利用此网格计算平台框架可实现高效的电力数据通信、不同结构数据管理、可视化操作以及电力系统离线或在线计算等，现分别对平台中的各个结构进行详细介绍和分析。

1.1.1 实时数据采集服务器

此服务器主要是对电力系统中电网运行设备进行监视以及控制，从而获取电网实时数据，并对设备进行控制以及参数调节等，为今后的数据分析、计算以及数据传输奠定基础[8-9]。

在节能减排目标下，此结构是平台中较为重要的子系统，它具有保证电力信息完整、加强电网计算效率以及获取电力系统正常运行状态的优点，并且可以以最快速度检测出电力系统出现故障的位置[10]，其架构主要包括电力设备的监控、电力数据的采集、电力设备测量、电力设备参数调节以及电力故障报警。

1.1.2 网格计算服务器

网格计算服务器主要包括新型电力系统中的全部计算程序，这些泛指数据预处理[11]、电力状态预测以及电网等值计算等，需要满足节能减排目标，其架构图主要保留电力数据预处理、电网峰值计算、电力潮流计算、电力系统状态预测以及电力有功和无功的优化。

1.1.3 计算协调模块

在节能减排目标下，此模块的主要作用就是对新型电力系统网格计算进行分解协调，对电力系统的监视与控制数据进行转发[12]，并为电力数据传输提供通信接口，完成电网配置的指令调度，此模块是网格计算平台的核心模块，带有的服务注册中心是计算平台用户进入系统的位移登录入口，同时具有赋予用户进入系统的权限，前端控制台可为平台管理员提供可视化界面，直观地看到电力系统的相关数据的文本和图像，在节能减排目标下，此模块架构包括转发监控中心数据、服务注册中心、提供通信接口、调度电网系统指令以及前端控制台。

1.1.4 数据管理服务器

在节能减排目标下，此模块的主要作用是管理新型电力系统中的所有电力数据，保证平台可实时查询电力相关数据，并对电力数据进行实时更新以及用户实时索引处理，进一步保证平台安全，并允许和控制多用户存取电力数据，其功能架构主要包括电力相关数据查询、电力数据实时更新、电力相关事务管理、电力数据索引、电力数据的高速缓存、电力数据查询优化、电力数据安全防护以及多用户存取数据的控制。

1.2 新型电力系统计算平台软件设计

根据平台的真正需求得出软件系统主要实现的目标就是保证电力数据的通信需求[13-14]，所以软件体系中数据的通信传输是整体软件程序的核心内容，该程序也是在网格计算技术帮助下实现，满足节能减排目标，在设计过程中经过多次研究发现JDBC API可高效访问以及操作不同结构的数据，且该软件不仅仅能被直接使用还可用于挂载为网格提供服务，根据以上总结出平台软件体系架构图，如图2所示。

图2 新型电力系统计算平台软件架构图

根据图2可知，平台软件的主要作用就是满足电力系统分布式异构数据库中数据通信的需求，在整个软件系统中服务支持层是核心部分。软件系统中的服务支持层分别由数据库管理系统[15]，即VDBMS、访问控制、资源管理以及LDAP目录四个组件构成，其主要任务是对访问控制以及资源管理等功能提供有效帮助和支持。

1.2.1 VDBMS

在节能减排目标下，新型电力系统的数据分布在电网的各个部分，根据位置的不同，形成的数据模式也不尽相同，其中包含层状数据库、网状数据库以及数据文件等，以上数据的主要区别就是数据之间组织的方法不同以及使用的符号不同，所以针对数据的存取以及数据的查询机制也不尽相同，因为这些因素导致数据的集成处理加大难度，为降低数据访问难度，现有数据进行抽象化处理，保证系统访问接口是开放的，确保用户可以安全地访问所有信息来源，同时不用考虑数据的位置和格式，进而有效管理不同数据资源。

在节能减排目标下，虚拟数据库(VDBMS)中数据存在异构性，因此在提取数据前需要将数据进行集成处理，而虚拟数据库刚好可以在数据提取过程中完成这一要求，VDBMS是基于电力系统和数据库资源构建的，该数据库利用映射将所有数据抽象处理后使数据全部转换成统一模式，保证所有数据在统一模式下进行后续操作。

虚拟数据管理系统中的核心组件是抽取器的数据抽取规定以及包装器，这两种组件的作用分别基于字典获取数据字段模板的映射以及获取数据库内的数据并加以规范，通过在VDBMS中对数据进行处理后即可保存数据，根据以上分析和总结得出虚拟数据库架构图，如图3所示。

图3 虚拟数据库架构图

1.2.2 LDAP目录

软件平台在应用过程中需要将用户进行分组，分组后对其身份进行验证，进而严格控制电网访问。

LADP目录是属于轻量级的对象性数据库，尤其此目录具有树状结构，因为该组件十分利于电力数据的保存，且降低电力数据管理难度的同时可以降低服务器对整体性能的影响，在访问量剧增的同时提高电力系统稳定性。

根据访问策略可知，电力数据一般可用数据、文件系统以及存储介质进行表示，所以虚拟数据库中会将这三种介质进行虚拟化，构成数据虚拟化、文件系统虚拟化以及存储介质虚拟化，进而得出一个可保证用户数据量剧增时仍可确保数据安全和系统稳定的数据库。在节能减排目标下将软件系统添加到网格平台中，完善网格计算平台中的不足，提高网格计算平台的精度和性能。

网格计算技术拥有较强资源整合的功能，可将电力系统的所有资源进行合并，加强电力系统分布式计算能力，可有效解决电力系统中因规模大而出现计算性能差的问题，因此建立分布式电力系统计算平台时必须采取相应措施解决该问题，同时网络技术可以加强计算性能，实现不同数据结构与算法之间的动态仿真技术，而且网格计算技术还可保证不同格式数据可共存在一起，并在不同格式数据库中进行数据挖掘。

在节能减排目标下利用网格计算技术构建电力系统网格计算平台过程中需要符合以下几点要求：

(1)可及时并有效解析数据文件，并通过合适的算法生成网络节点的网络拓扑关系。

(2)网格计算平台在对数据转发以及发布指令时必须保证节点统一以及透明。

(3)不能以破坏新型电力系统的自治性为前提构建平台，同时要确保在平台中进行操作的业务能够正常运行。

2 实验结果与分析

为了验证节能减排目标下新型电力系统网格计算平台构建方法的整体有效性，现对所提方法、文献[6]方法和文献[7]方法进行CPU数量对计算速度的影响、网格计算所需时间以及加速比的测试，测试结果如下所示。

新型电力系统运行的关键是网络的CPU，CPU的优劣以及数量会直接影响系统的运行速度和效率，CPU在固定范围内，CPU相应值越高，系统的运行速度越高，CPU的数量越多，无论是运行稳定性或是运行效率均得到较大提升，同时CPU的数量也会对网格计算产生影响，即CPU数量越高，网格计算速度越快。正常情况下计算速度均有一个固定峰值，即使CPU会有效加快计算速度，但当计算速度到达最高峰时，计算速度不会再发生变化，因此为验证三种方法的优劣性，分别得出不同CPU数量对三种网格计算方法速度的影响，影响程度越小，说明方法本身的性能越高，即本身计算速度越高，否则反之。三种方法的计算速度如图4所示。

图4 三种方法的计算速度

根据图4可知，所提方法在CPU数量为3时，该方法的计算速度已经达到峰值，文献[6]方法随着CPU数量的增多而加快网格计算速度，直到CPU数量为8时，该方法的计算速度达到峰值，而文献[7]方法虽随着CPU数量的增多而加快计算速度，但是该方法没有到达计算速度的峰值，从而得知CPU的数量对文献[7]方法的影响巨大，但CPU数量对所提方法的计算速度十分小，因此验证所提方法的有效性。

构建网格计算平台的最终目的是实现新型电力系统资源共享，保证电力系统工作的高效性和扩展性，由于电力系统内资源巨大，通过平台共享可有效减少数据获取时间，为此，在对平台构建过程中必须控制网格计算所需时间，计算所需时间越短，平台的网格计算效率越高，所实现的共享目的效果越好。根据上述分析，随机选取五组实验样本，利用三种方法对其进行网格计算，将三种方法所需时间进行对比，得出计算耗时最短的方法即为最优平台，其实验结构如图5所示。

图5 三种方法的网格计算耗时

根据图5实验结果可知，五组实验样本均不相同，在每组实验环境下均是所提方法的网格计算耗时最短，保证平台资源共享速度和性能，是三种方法中最能凸显出平台构建意义的方法，反观文献[7]方法，该方法虽能实现平台构建意义，但大大降低资源共享性能，甚至会导致信息获取不及时的情况，因此证明所提方法是最优网格计算平台。这是因为所提方法在构建网格计算平台过程中专门为数据设计出采集以及预处理模块，保证数据的完整和干净，降低因数据残缺等问题带来的影响，加强网格计算效率和性能，进而降低网格计算所需时间。

网格计算实质上就是云计算，所以网格计算也是分布式计算，网格计算将电力数据分解成海量小程序，通过平台服务器将程序传送给用户后将其合并，进而达到最强的电力网络服务。因此网格计算中始终具有并行计算，衡量并行计算好坏的指标叫加速比，它指的是在对某一任务进行操作过程中处理器和并行处理器所消耗时间的比值，加速比的公式如下所示：

(1)

式中:Hn为加速比；n为电力系统网格计算节点数量；tn为n个电力系统节点在网格计算时所用的并行时间，min。三种方法的加速比结果如图6所示。

图6 三种方法的加速比

由图6可知，通常情况下，加速比可直接影响网格计算的效率，当加速比越大，电力系统的网格计算效率越高。根据实验结果可知，三种方法的加速比均随着节点数的增多而增强，从而说明随着节点的增多三种方法的加速比均有所升高，但每种节点数量下所提方法的加速比都是三种方法中最高的，说明所提方法的计算效率最高，性能最好。

3 结 语

对于节能减排的重点项目，不能只是走个过场，而是要认真对待，以保证新型电力系统网格计算平台的顺利构建。积极推进循环经济的发展，强调可再生资源的回收，强调节能、减排、环境保护意识的再教育，既可以节省能源，又可以培养国民的思想道德。网格计算是现代信息技术快速发展的重要标志，网格计算的终点是针对海量数据的资源共享，网格的主要目标就是将电力系统中的全部资源进行共享，保证用户可轻易获取相关数据，提出节能减排目标下新型电力系统网格计算平台构建方法，该方法首先根据网格计算需要得出网格计算整体框架，其次设计出平台所需的软件系统，将两者融合后，实现节能减排目标下新型电力系统网格计算平台的构建，解决了网格计算存在的问题，实现最高效率的电力系统网格计算。

我国电力系统网格计算平台还在不断发展中，各种类型市场逐步开放，需不断满足节能减排目标的方法优化，从而真正准确地为新型电力系统提供依据。在接下来的研究工作中以安全性和全能性为目的进行研究，进一步优化电力系统工作性能。