節能減排目標下新型電力系統網格計算平臺

2023-03-04 03:14:20崔占飛

工業加熱 2023年1期

熊浩，張浩，崔占飛，曹帥

(國網江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210013)

電力行業是節能減排的重點行業之一，電力系統是保證城市穩定發展的基礎設施，確保電網的穩定控制以及安全運行對社會具有重大意義[1]，我國工業化和城市化進程不斷推進，對電能的需求迅速增加，傳統的高能耗、高排放的發電方式已經不能滿足社會發展的需要。為響應我國可持續發展戰略要求，盡可能地降低碳排放量，保護生態環境是現今階段需要實現的目標，為此電力系統發展需要滿足節能減排目標[2]，即零碳和碳中和氣候目標，為實現這一目標而設計出節能減排目標下新型電力系統，此系統不僅可實現雙碳要求，還可擴大電力系統規模[3]，但也因此導致以往的電力系統串行計算方法無論是規模還是計算速度均不足以滿足目前的電力狀態，隨著電力系統的擴大，為保證電力穩定運行[4-5]，需要時刻要求電力系統中的各項計算任務保持實時性以及高效性，為此將網格計算添加到電力系統中，建立電力系統網格計算平臺，進而達到電力系統高性能運算的指令。

相關學者對此進行深入研究，文獻[6]提出基于GIS與CAD的煤礦地下水庫庫容計算平臺開發研究，構建三角網模型生成三角網格，進而得到電體積元，最后在體積元的幫助下得到電量儲備系數，實現電力系統網格計算平臺的構建。文獻[7]提出基于OpenFOAM的自適應網格計算策略研究，利用兩相流求解器interFoam對電力系統的最大加密層數以及緩沖層層數等參數進行分析，得出參數帶來的影響，最后得出所有可用參數，將其添加到平臺中，實現電力系統網格計算平臺的構建。以上兩種方法在構建平臺過程中沒有設計電力數據預處理和采集模塊，導致數據量不完整或冗余數據過多，存在網格計算所需時間長、CPU數量對計算速度的影響大以及加速比小的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出節能減排目標下新型電力系統網格計算平臺構建方法。

1 電力系統網格計算平臺整體設計

1.1 新型電力系統網格計算平臺框架

為符合以上要求，在節能減排目標下，新型電力分布式計算系統在構建網格計算平臺時均利用組件化形式進行構建，以此保證平臺中所有部件都具有高內聚以及低耦合的優勢，進而確保后續平臺的升級等相關處理，根據以上分析設計出新型電力系統網格計算平臺架構圖，如圖1所示。

圖1 新型電力系統網格計算平臺架構圖

根據圖1所示，在節能減排目標下，利用此網格計算平臺框架可實現高效的電力數據通信、不同結構數據管理、可視化操作以及電力系統離線或在線計算等，現分別對平臺中的各個結構進行詳細介紹和分析。

1.1.1 實時數據采集服務器

此服務器主要是對電力系統中電網運行設備進行監視以及控制，從而獲取電網實時數據，并對設備進行控制以及參數調節等，為今后的數據分析、計算以及數據傳輸奠定基礎[8-9]。

在節能減排目標下，此結構是平臺中較為重要的子系統，它具有保證電力信息完整、加強電網計算效率以及獲取電力系統正常運行狀態的優點，并且可以以最快速度檢測出電力系統出現故障的位置[10]，其架構主要包括電力設備的監控、電力數據的采集、電力設備測量、電力設備參數調節以及電力故障報警。

1.1.2 網格計算服務器

網格計算服務器主要包括新型電力系統中的全部計算程序，這些泛指數據預處理[11]、電力狀態預測以及電網等值計算等，需要滿足節能減排目標，其架構圖主要保留電力數據預處理、電網峰值計算、電力潮流計算、電力系統狀態預測以及電力有功和無功的優化。

1.1.3 計算協調模塊

在節能減排目標下，此模塊的主要作用就是對新型電力系統網格計算進行分解協調，對電力系統的監視與控制數據進行轉發[12]，并為電力數據傳輸提供通信接口，完成電網配置的指令調度，此模塊是網格計算平臺的核心模塊，帶有的服務注冊中心是計算平臺用戶進入系統的位移登錄入口，同時具有賦予用戶進入系統的權限，前端控制臺可為平臺管理員提供可視化界面，直觀地看到電力系統的相關數據的文本和圖像，在節能減排目標下，此模塊架構包括轉發監控中心數據、服務注冊中心、提供通信接口、調度電網系統指令以及前端控制臺。

1.1.4 數據管理服務器

在節能減排目標下，此模塊的主要作用是管理新型電力系統中的所有電力數據，保證平臺可實時查詢電力相關數據，并對電力數據進行實時更新以及用戶實時索引處理，進一步保證平臺安全，并允許和控制多用戶存取電力數據，其功能架構主要包括電力相關數據查詢、電力數據實時更新、電力相關事務管理、電力數據索引、電力數據的高速緩存、電力數據查詢優化、電力數據安全防護以及多用戶存取數據的控制。

1.2 新型電力系統計算平臺軟件設計

根據平臺的真正需求得出軟件系統主要實現的目標就是保證電力數據的通信需求[13-14]，所以軟件體系中數據的通信傳輸是整體軟件程序的核心內容，該程序也是在網格計算技術幫助下實現，滿足節能減排目標，在設計過程中經過多次研究發現JDBC API可高效訪問以及操作不同結構的數據，且該軟件不僅僅能被直接使用還可用于掛載為網格提供服務，根據以上總結出平臺軟件體系架構圖，如圖2所示。

圖2 新型電力系統計算平臺軟件架構圖

根據圖2可知，平臺軟件的主要作用就是滿足電力系統分布式異構數據庫中數據通信的需求，在整個軟件系統中服務支持層是核心部分。軟件系統中的服務支持層分別由數據庫管理系統[15]，即VDBMS、訪問控制、資源管理以及LDAP目錄四個組件構成，其主要任務是對訪問控制以及資源管理等功能提供有效幫助和支持。

1.2.1 VDBMS

在節能減排目標下，新型電力系統的數據分布在電網的各個部分，根據位置的不同，形成的數據模式也不盡相同，其中包含層狀數據庫、網狀數據庫以及數據文件等，以上數據的主要區別就是數據之間組織的方法不同以及使用的符號不同，所以針對數據的存取以及數據的查詢機制也不盡相同，因為這些因素導致數據的集成處理加大難度，為降低數據訪問難度，現有數據進行抽象化處理，保證系統訪問接口是開放的，確保用戶可以安全地訪問所有信息來源，同時不用考慮數據的位置和格式，進而有效管理不同數據資源。

在節能減排目標下，虛擬數據庫(VDBMS)中數據存在異構性，因此在提取數據前需要將數據進行集成處理，而虛擬數據庫剛好可以在數據提取過程中完成這一要求，VDBMS是基于電力系統和數據庫資源構建的，該數據庫利用映射將所有數據抽象處理后使數據全部轉換成統一模式，保證所有數據在統一模式下進行后續操作。

虛擬數據管理系統中的核心組件是抽取器的數據抽取規定以及包裝器，這兩種組件的作用分別基于字典獲取數據字段模板的映射以及獲取數據庫內的數據并加以規范，通過在VDBMS中對數據進行處理后即可保存數據，根據以上分析和總結得出虛擬數據庫架構圖，如圖3所示。

圖3 虛擬數據庫架構圖

1.2.2 LDAP目錄

軟件平臺在應用過程中需要將用戶進行分組，分組后對其身份進行驗證，進而嚴格控制電網訪問。

LADP目錄是屬于輕量級的對象性數據庫，尤其此目錄具有樹狀結構，因為該組件十分利于電力數據的保存，且降低電力數據管理難度的同時可以降低服務器對整體性能的影響，在訪問量劇增的同時提高電力系統穩定性。

根據訪問策略可知，電力數據一般可用數據、文件系統以及存儲介質進行表示，所以虛擬數據庫中會將這三種介質進行虛擬化，構成數據虛擬化、文件系統虛擬化以及存儲介質虛擬化，進而得出一個可保證用戶數據量劇增時仍可確保數據安全和系統穩定的數據庫。在節能減排目標下將軟件系統添加到網格平臺中，完善網格計算平臺中的不足，提高網格計算平臺的精度和性能。

網格計算技術擁有較強資源整合的功能，可將電力系統的所有資源進行合并，加強電力系統分布式計算能力，可有效解決電力系統中因規模大而出現計算性能差的問題，因此建立分布式電力系統計算平臺時必須采取相應措施解決該問題，同時網絡技術可以加強計算性能，實現不同數據結構與算法之間的動態仿真技術，而且網格計算技術還可保證不同格式數據可共存在一起，并在不同格式數據庫中進行數據挖掘。

在節能減排目標下利用網格計算技術構建電力系統網格計算平臺過程中需要符合以下幾點要求：

(1)可及時并有效解析數據文件，并通過合適的算法生成網絡節點的網絡拓撲關系。

(2)網格計算平臺在對數據轉發以及發布指令時必須保證節點統一以及透明。

(3)不能以破壞新型電力系統的自治性為前提構建平臺，同時要確保在平臺中進行操作的業務能夠正常運行。

2 實驗結果與分析

為了驗證節能減排目標下新型電力系統網格計算平臺構建方法的整體有效性，現對所提方法、文獻[6]方法和文獻[7]方法進行CPU數量對計算速度的影響、網格計算所需時間以及加速比的測試，測試結果如下所示。

新型電力系統運行的關鍵是網絡的CPU，CPU的優劣以及數量會直接影響系統的運行速度和效率，CPU在固定范圍內，CPU相應值越高，系統的運行速度越高，CPU的數量越多，無論是運行穩定性或是運行效率均得到較大提升，同時CPU的數量也會對網格計算產生影響，即CPU數量越高，網格計算速度越快。正常情況下計算速度均有一個固定峰值，即使CPU會有效加快計算速度，但當計算速度到達最高峰時，計算速度不會再發生變化，因此為驗證三種方法的優劣性，分別得出不同CPU數量對三種網格計算方法速度的影響，影響程度越小，說明方法本身的性能越高，即本身計算速度越高，否則反之。三種方法的計算速度如圖4所示。

圖4 三種方法的計算速度

根據圖4可知，所提方法在CPU數量為3時，該方法的計算速度已經達到峰值，文獻[6]方法隨著CPU數量的增多而加快網格計算速度，直到CPU數量為8時，該方法的計算速度達到峰值，而文獻[7]方法雖隨著CPU數量的增多而加快計算速度，但是該方法沒有到達計算速度的峰值，從而得知CPU的數量對文獻[7]方法的影響巨大，但CPU數量對所提方法的計算速度十分小，因此驗證所提方法的有效性。

構建網格計算平臺的最終目的是實現新型電力系統資源共享，保證電力系統工作的高效性和擴展性，由于電力系統內資源巨大，通過平臺共享可有效減少數據獲取時間，為此，在對平臺構建過程中必須控制網格計算所需時間，計算所需時間越短，平臺的網格計算效率越高，所實現的共享目的效果越好。根據上述分析，隨機選取五組實驗樣本，利用三種方法對其進行網格計算，將三種方法所需時間進行對比，得出計算耗時最短的方法即為最優平臺，其實驗結構如圖5所示。

圖5 三種方法的網格計算耗時

根據圖5實驗結果可知，五組實驗樣本均不相同，在每組實驗環境下均是所提方法的網格計算耗時最短，保證平臺資源共享速度和性能，是三種方法中最能凸顯出平臺構建意義的方法，反觀文獻[7]方法，該方法雖能實現平臺構建意義，但大大降低資源共享性能，甚至會導致信息獲取不及時的情況，因此證明所提方法是最優網格計算平臺。這是因為所提方法在構建網格計算平臺過程中專門為數據設計出采集以及預處理模塊，保證數據的完整和干凈，降低因數據殘缺等問題帶來的影響，加強網格計算效率和性能，進而降低網格計算所需時間。

網格計算實質上就是云計算，所以網格計算也是分布式計算，網格計算將電力數據分解成海量小程序，通過平臺服務器將程序傳送給用戶后將其合并，進而達到最強的電力網絡服務。因此網格計算中始終具有并行計算，衡量并行計算好壞的指標叫加速比，它指的是在對某一任務進行操作過程中處理器和并行處理器所消耗時間的比值，加速比的公式如下所示：

(1)

式中:Hn為加速比；n為電力系統網格計算節點數量；tn為n個電力系統節點在網格計算時所用的并行時間，min。三種方法的加速比結果如圖6所示。

圖6 三種方法的加速比

由圖6可知，通常情況下，加速比可直接影響網格計算的效率，當加速比越大，電力系統的網格計算效率越高。根據實驗結果可知，三種方法的加速比均隨著節點數的增多而增強，從而說明隨著節點的增多三種方法的加速比均有所升高，但每種節點數量下所提方法的加速比都是三種方法中最高的，說明所提方法的計算效率最高，性能最好。

3 結語

對于節能減排的重點項目，不能只是走個過場，而是要認真對待，以保證新型電力系統網格計算平臺的順利構建。積極推進循環經濟的發展，強調可再生資源的回收，強調節能、減排、環境保護意識的再教育，既可以節省能源，又可以培養國民的思想道德。網格計算是現代信息技術快速發展的重要標志，網格計算的終點是針對海量數據的資源共享，網格的主要目標就是將電力系統中的全部資源進行共享，保證用戶可輕易獲取相關數據，提出節能減排目標下新型電力系統網格計算平臺構建方法，該方法首先根據網格計算需要得出網格計算整體框架，其次設計出平臺所需的軟件系統，將兩者融合后，實現節能減排目標下新型電力系統網格計算平臺的構建，解決了網格計算存在的問題，實現最高效率的電力系統網格計算。