電力需求響應平臺的開發與應用

楊云瑞，李 暢，程細南，黃宇魁（.廣東卓維網絡有限公司，58000.廣東匯源通集團有限公司，58000）

?

電力需求響應平臺的開發與應用

楊云瑞1，李 暢1，程細南2，黃宇魁1
（1.廣東卓維網絡有限公司，5280002.廣東匯源通集團有限公司，528000）

摘要：為加強我國電力需求側管理工作，保障電力供需總體平衡，促進發展方式轉變，推動“十二五”節能減排目標實現，國家發改委與財政部于2012年底公布了首批4個城市電力需求側管理綜合試點城市，其中包括佛山、蘇州、北京與唐山。為此，佛山市人民政府印發了電力需求側管理城市綜合試點實施方案，明確了在推動此項工作中所負責的主要內容，其中重點包括電力需求側管理平臺的開發和運行。現階段國內電力需求響應還在起步階段，實施較少，且未出臺相關的技術標準，本系統圍繞此任務，搭建了電力需求響應平臺，并已經在佛山市得到應用。

關鍵詞：電力需求；B/S架構；信息管理

1 系統架構

本系統使用JAVA+Mysql開發，采用主流的B/S架構，即用戶端瀏覽器、WEB服務器、數據庫服務器組成的三層結構，為了提高系統的可擴展性和可用性，本系統采用apache+tomcat形式構建應用服務器集群架構，如圖1所示。

圖1 集群配置邏輯圖

采用B/S架構有以下優點：

1）解決C/S傳統模式的跨平臺難度；

2）客戶操作簡便。B/S模式客戶端只需要一個瀏覽器，無需像C/S模式那樣在系統上安裝應用；

3）系統的維護、升級更方便；

4）業務擴展簡單方便，通過增加網頁即可增加服務器功能。

圖2 電力需求響應流程

圖3 需求響應看板

圖4 產品管理功能界面

采用單個服務器，在處理不斷增長的負載時會出現很多問題，如1）升級過程繁瑣，機器切換回事服務暫時中斷，并造成原有計算資源的浪費；2）越高端的服務器，花費的代價會越大；3）一旦服務器或應用軟件失效，將會導致整個服務的中斷。為此我們通過引入高性能網絡或者局域網互聯的服務器集群架構來實現服務的高伸縮性和高可用性。這種松耦合結構與緊耦合的多處理器相比具有更好的伸縮性和更高的性價比。但是，如何在集群系統中實現并行網絡服務，保證他對外是透明的同時保證良好的伸縮性和可用性是一個挑戰性問題，為此我們引入基于IP層和基于內容請求分發的負載平衡調度解決方法，在Linux內核中實現這些方法，將一組服務器構成一個可可伸縮的、高可用的服務器集群，并稱之為Linux虛擬服務器（LVS， Linux Virtual Server）。在LVS集群中，服務器集群的結構對客戶是透明的，客戶訪問集群提供的網絡服務就像訪問一臺高性能、高可用的服務器一樣。客戶程序不受服務器集群的影響，需作任何修改。系統的伸縮性通過在服務集群中透明地加入和刪除一個節點來達到，通過檢測節點或服務進程故障和正確地系統重置來實現高可用性。

2 系統功能

為使電力需求響應順利實施，本系統有明確的職責分工，不同的機構或者角色有不同的權限和任務，需求響應流程如圖2所示。

圖5 行業管理功能界面

圖6 區域管理功能界面

圖7 客戶基本信息管理功能界面

2.1 需求響應看板

打開需求響應系統首先展示在用戶面前的是需求響應看板，在此頁面主要展示的有1）需求響應事件日程表，可根據日歷或時間周期查看歷史需求響應事件和實時需求響應事件；2）需求響應資源信息，可查看城市各個區域需求響應資源信息，包括不同區域的客戶數量和削減潛力；3）實時負荷曲線，展示城市實時負荷曲線和基線，同時可選擇不同的客戶查看客戶的實時負荷曲線。

2.2 基礎信息管理

基礎信息管理模塊主要包括三個功能：產品管理、行業管理和區域管理。

1）產品管理主要功能是對需求響應產品類型的增加、修改和刪除功能，每次需求響應事件都有一個產品屬性，屬于特定的一個產品類型，如圖4所示。

2）行業管理功能主要是對參與需求響應的用電客戶行業的劃分、編碼和行業基線方法的分配。不同的行業有不同的用電差異特性，在繪制其預測負荷曲線（也稱為基線）時需要不同的處理方法來保證預測的準確性，所以可以根據行業用電特性選擇不同的基線算法。如圖5所示。

3）區域管理功能主要是對實施需求響應的各城市各區域進行統計、設置和管理。功能界面如圖6所示。

2.3 客戶信息管理

該功能可以查詢和修改所有簽約客戶的基本信息、響應信息和接入資源管理。客戶基本信息管理主要是企業的聯系方式和相關資質證明等信息；響應信息管理就是企業參與電力需求響應相關的數據信息；接入檔案管理主要是企業接入的表計、生產設備等計量裝置及用電設備的查詢和配置，如圖7所示。

2.4 需求響應事件管理

需求響應事件管理包括需求響應事件創建和發布、歷史事件查詢功能。事件的發布功能只開放給供電局/售電公司在系統中創建新的需求響應事件，事件的創建包括事件的類型設置和屬性設置，如圖8所示。

歷史事件查詢和管理以及實時監測功能開放給所有需求響應參與方，該功能可查看歷史事件以及正在進行的事件詳情，包括事件的屬性和事件執行時間段內的實際負荷曲線。供電局/售電公司可查看所有參與需求響應的客戶情況和削減詳情；電能服務商可以查看其所有簽約客戶的參與詳情；每個獨立客戶只可查看自己的事件參與詳情。

2.5 核算管理

該功能提供需求響應事件的核算管理，包括收入核算和指支出核算，詳細記錄每次需求響應事件的交易明細。每次需求響應結束后，對事件的實際負荷削減量和應補償金額進行核算，功能界面如圖9所示。

圖9 核算管理功能界面

圖11 Ehcache 在應用程序中的位置展示

3 技術實現

3.1 系統技術架構

本系統基于J2EE技術框架進行構建，同時集成Quartz定時任務框架和Ehcache緩存框架。整體框架如圖10所示。

1）數據訪問層：Hibernate是一個開放源代碼的對象關系映射框架，它對JDBC進行了非常輕量級的對象封裝，使得Java程序員可以隨心所欲的使用對象編程思維來操縱數據庫，適用于一般增刪改查，對性能有要求的操作則使用JDBC處理；

2）控制層：直接使用Spring自帶的MVC框架；

3）展示層：使用JSP把前端和后臺分離，并引入Bootstrap框架。

本系統使用Quartz定時任務框架有以下優點：1））支持Cron表達式定義時間點，同時也支持SimpleTrigger對應時間點，可以做到精確定義時間點；2）支持集群，可以在多個服務器群（連同一個數據庫）中自動分配到不同的服務器上執行；3）支持多種錯誤處理形式（如錯誤后下次不執行、馬上重新執行、下次繼續執行等）；4）支持多種漏觸發處理（如關機漏觸發情況）。

在系統應用中，對同一數據、邏輯功能和用戶界面的多次請求是時經常發生的事情，當用戶基數很大時，如果每次請求都進行處理，將消耗很多的資源，造成資源的浪費，同時也會造成系統的不穩定。此時，緩存技術就得到了利用，使用緩存技術能有效降低對數據庫的訪問次數，降低數據庫的訪問壓力，提高系統的服務能力。本系統集成Ehcache緩存架構來緩解數據訪問壓力，保證系統穩定。Ehcache是一種廣泛使用的開源Java分布式緩存，主要面向通用緩存。它具有內存和磁盤存儲、緩存加載器、緩存擴展、緩存異常處理程序等，并支持REST和SOAP api。如圖11所示是 Ehcache 在應用程序中的位置展示。

3.2 系統優化

系統的執行效率搭建系統時必須要考慮的因素，利用有限的資源為更多客戶提供更好的服務是首要目標。需求響應系統涉及到一些復雜的計算過程，在計算過程中要保證客戶響應速度，提高服務的質量。當多個用戶同時訪問應用，就可能會造成操作阻塞，導致某些用戶等待時間很長甚至無法訪問應用；如遇系統某一資源故障，可能會導致數據異常或其他不可控的問題。因此，系統應該完善容錯機制，確保系統穩定運行。本系統優化如下所述。

3.2.1 結合Apache和Tomcat實現集群和負載均衡

為增強擴展性和可用性，優化系統處理能力，本系統結合Apache+Tomcat構建應用服務器集群架構，該架構有以下優點：

1）高可靠性（HA）：利用集群管理軟件，當主服務器故障時，備份服務器能夠自動接管主服務器的工作，并及時切換，以實現對用戶的不間斷服務；

2）高性能計算（HP）：即充分利用集群中每一臺計算機的資源，實現復雜運算的并行處理，把負載壓力根據某種算法合理分配到集群中的每一臺計算機上，以減輕主服務器的壓力，降低對主服務器的硬件和軟件要求。

圖8 創建需求響應事件

3）有效地擴展服務器吞吐量，加強網絡數據處理能力，提高網絡的靈活性、可用性和延展性；

4）錯誤回復；由于特殊原因，執行某任務的資源出現故障，其他服務實體能繼續完成該服務器未能完成的部分，加強系統的容錯能力。

3.2.2 結合Mysql集群實現數據庫負載均衡

數據庫作為系統的核心，有著非常重要的作用，若發生系統故障，將嚴重影響系統的正常運行，甚至帶來巨大的經濟損失。本系統結合Mysql同步集群架構，可減輕服務器壓力，提高系統運算能力，保證服務不間斷，并做到以下幾點：

1）快速的自動失效切換；

2）靈活的分布式體系結構，沒有單點故障；

3）高吞吐量和低延遲；

4）可擴展性強，支持在線擴容；

5）可以實現高可用性和負載均衡，實現對大型應用的支持。

3.3 系統安全

互聯網時代，信息的安全至關重要。本系統從以下幾方面加強系統安全：

1）通過參數化的方式防止SQL注入；

2）前端js代碼校驗，加強對用戶輸入的驗證；

3）采用監聽器，清理登錄過期的用戶；

4）通過JAVA異常處理機制防止系統崩潰；

5）用戶密碼進行加密處理，防止用戶資料泄漏。

4 應用

本系統應用于佛山市電力需求響應項目中。系統中有系統管理員、電能服務商、電能服務商下屬企業、自主申報企業和手電公司五個角色。不同的角色在需求響應平臺中有不同的權限和任務，相互協調，相互配合，共同完成從需求響應事件發布到需求響應核算的完整過程。

5 結束語

電力需求響應平臺的搭建，為佛山市試點的順利實施奠定了基礎，適應了目前國家政策和現有市場的發展趨勢，形成了具有特色的需求響應模式、體制和技術路線，為其他地區實施需求響應起到了示范、參考作用。在系統開發過程中，既考慮了數據的安全性、準確性和實時性，又考慮了算法的合理性和準確性，使參與各方得到公平的核算結果，對需求響應系統的關鍵技術進行了探索和實踐，為實施需求響應奠定了必要的技術基礎。

Development and application of electric power demand response platform

Yang Yunrui1，Li Chang1，Cheng Xi'nan2，Huang Yukui1
（1.Guangdong Zhuo Wei Network Co. Ltd.528000；2.Guangdong Huiyuan Holdings Limited，528000）

Abstract：In order to strengthen China's power demand side management，to protect the overall balance of power supply and demand， promoting the transformation of economic development mode，promote the realization of the "Twelfth Five Year" energy saving and emission reduction targets，the national development and Reform Commission and the Ministry of finance by the end of 2012 announced the first four cities in power demand side management integrated pilot cities，including Foshan，Suzhou，Beijing and Tangshan.Therefore，Foshan Municipal People's government issued the implementation program of the electric power demand side management of integrated and pilot city，clear in promoting the main content of this work is responsible for，which mainly includes the development and operation of power demand side management platform.Now domestic power demand response is still in the initial stage， a relatively small and not the introduction of relevant technical standards，the system on this task， and establish power demand response platform.It has been applied in the city of Foshan.

Keywords：power demand；B/S architecture；information management