基于云計(jì)算架構(gòu)的電力企業(yè)綜合軟件管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

伊洪磊 胡 博

（山東電力工程咨詢院有限公司 濟(jì)南 250013）

1 引言

當(dāng)前，我國電網(wǎng)機(jī)構(gòu)逐漸復(fù)雜，電力企業(yè)設(shè)立了很多業(yè)務(wù)系統(tǒng)，信息規(guī)模巨大。電力企業(yè)作為運(yùn)營電網(wǎng)的核心企業(yè)，需保證安全、可持續(xù)的電力供應(yīng)［1～2］。同時，隨著我國對電力企業(yè)發(fā)展和電力企業(yè)自身改革的深入，人們對電力企業(yè)管理人員的要求越來越高，要求管理人員可實(shí)時自主獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握電力企業(yè)所有信息，這對電力企業(yè)綜合軟件管理提出了更高的要求，成為電力企業(yè)領(lǐng)域亟需解決的重要問題［3］。

然而當(dāng)前大部分電力企業(yè)由不同人員負(fù)責(zé)不同軟件，在出現(xiàn)問題時，需排查不同軟件，不僅掌握信息時效性差，而且因?yàn)榻?jīng)過若干相互獨(dú)立的內(nèi)部軟件，導(dǎo)致安全性變差。為了提高電力企業(yè)的管理水平，保證所有業(yè)務(wù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種新的基于云計(jì)算架構(gòu)的電力企業(yè)綜合軟件管理系統(tǒng)。

2 基于云計(jì)算架構(gòu)的電力企業(yè)綜合軟件管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于云計(jì)算架構(gòu)的電力企業(yè)綜合軟件管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)用圖1進(jìn)行描述。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由云計(jì)算架構(gòu)、電力參數(shù)分析模塊、辦公軟件管理模塊、輸電能力計(jì)算模塊、服務(wù)管理模塊、電費(fèi)收繳管理模塊和資產(chǎn)管理模塊構(gòu)成，將各模塊信息通過云計(jì)算架構(gòu)傳輸至管理中心，由管理中心施行處理。

2.2 云計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對電力企業(yè)而言，云計(jì)算架構(gòu)在電力企業(yè)綜合軟件管理方面的體現(xiàn)，就是通過虛擬化技術(shù)建立綜合軟件資源庫，以資源庫的形式滿足所有軟件資源需求，能夠按需分配資源，大大增強(qiáng)資源利用率［4］。云計(jì)算架構(gòu)可通過兩個階段實(shí)現(xiàn)，第一個階段為虛擬化階段，第二個階段為硬件資源交付階段，下面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.2.1 X86虛擬化階段

本節(jié)選用以VMware為代表的X86虛擬化技術(shù)，將X86物理機(jī)轉(zhuǎn)換成虛擬機(jī)，對電力企業(yè)軟件部分進(jìn)行虛擬化處理，解決和硬件的綁定關(guān)系［5］。因?yàn)樘摂M機(jī)的建立、修改、刪除和遷移操作易于實(shí)現(xiàn)，所以X86虛擬化技術(shù)可提高X86架構(gòu)的柔性。

2.2.2 硬件資源交付

硬件資源交付主要包括不同硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、彈性設(shè)計(jì)以及服務(wù)器、存儲與網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

在硬件技術(shù)支持下，電力企業(yè)X86物理服務(wù)器能依據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)軟件安裝與交付，以實(shí)現(xiàn)軟件管理。而小型機(jī)則可通過虛擬化技術(shù)對資源進(jìn)行調(diào)度和分配。

2.3 云計(jì)算架構(gòu)下電力參數(shù)分析模塊

電力參數(shù)分析模塊將云計(jì)算架構(gòu)、GSM/GPRS通訊技術(shù)、嵌入式組件等技術(shù)結(jié)合在一起，是電力企業(yè)綜合軟件管理的基礎(chǔ)部分。

該模塊以SJR-200電力參數(shù)分析管理裝置為核心，輔以云計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)［6］。運(yùn)行時，對每個在本模塊監(jiān)控下的電能表進(jìn)行采集，統(tǒng)一調(diào)度和獲取相關(guān)資源，通過電力參數(shù)分析管理裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、比較處理。

除此之外，本模塊還能夠利用銀行POS終端，達(dá)到自動化售電的目的，用戶可利用刷卡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)購電與退電，為用戶帶來便利。電力參數(shù)分析管理裝置中的數(shù)據(jù)經(jīng)云計(jì)算架構(gòu)傳輸至管理中心，使管理部門隨時獲取所有電表數(shù)據(jù)，監(jiān)控電表工作狀態(tài)［7］。

本模塊的核心-電力參數(shù)分析管理裝置原理圖用圖2進(jìn)行描述。

圖2 電力參數(shù)分析管理裝置原理框圖

電力參數(shù)分析管理裝置通過單片機(jī)對全部電路進(jìn)行調(diào)控。存儲器選用FLASH，本節(jié)選用片外FLASH和片內(nèi)FLASH相結(jié)合的存儲方式，SRAM主要用于不同電力數(shù)據(jù)與參數(shù)的臨時存儲，E2PROM主要負(fù)責(zé)儲存必要的電力參數(shù)和數(shù)據(jù)，保證參數(shù)的完整性［8］。RS232C串行接口主要用于將單片機(jī)的2個串行口轉(zhuǎn)變成RS232C標(biāo)準(zhǔn)串行口，實(shí)現(xiàn)和GPRS、PC機(jī)之間的信息交換。時鐘電路能夠?yàn)殡娐诽峁?zhǔn)確時鐘信息，誤差低于0.5s，通過主電源與后備鋰電池供電［9］。預(yù)警提示利用聲、光方式將設(shè)備檢修時間傳遞給用戶，提醒用戶在既定時間內(nèi)向上級部門申報(bào)設(shè)備檢驗(yàn)程序。

2.4 云計(jì)算架構(gòu)下辦公軟件管理模塊

云計(jì)算架構(gòu)下辦公軟件管理模塊結(jié)構(gòu)用圖3進(jìn)行描述，該模塊選用多層體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。

圖3 辦公軟件管理模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，用戶可通過多種設(shè)備在任何地點(diǎn)、任何時間，利用網(wǎng)絡(luò)對電力企業(yè)內(nèi)部信息進(jìn)行訪問，同時通過云計(jì)算架構(gòu)提供多種信息交互和安全服務(wù)。

2.5 電力企業(yè)輸電能力計(jì)算模塊

電力企業(yè)通常通過輸電能力（ATC）判斷輸電設(shè)備用于能量交易的剩余容量，準(zhǔn)確計(jì)算輸電能力為電力企業(yè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障［10］，下面給出計(jì)算過程。

若已確定系統(tǒng)的負(fù)荷水平及發(fā)電機(jī)輸出功率，則系統(tǒng)潮流方程可描述為

其中，i=1，2，…，M ，M 表示除去平衡節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)；Pi與Wi分別表示節(jié)點(diǎn)i處的有功注入功率與無功注入功率；Ui∠?i表示節(jié)點(diǎn)i處的電壓；Rij+jOij表示節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣第i行第 j列的元素。為了便于描述，假定向量v=[U ，?]；P與W 依次表示公式（1）中等號左側(cè)Pi與Wi構(gòu)成的向量；與W(v)依次表示與等號右側(cè)對應(yīng)的向量，則潮流方程可通過下面公式進(jìn)行描述：

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)功率或者負(fù)荷改變時，也就是向量P與W 的元素改變時，若采用P'與W'描述系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)有功與無功向量，即可夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)方程參數(shù)化，此時式（2）可寫成：

式中，用于描述節(jié)點(diǎn)功率注入改變的方向向量，當(dāng)母線注入條件數(shù)δ改變時，母線負(fù)荷和發(fā)電機(jī)功率的變化模式由它決定；δ用于描述節(jié)點(diǎn)注入條件數(shù)。

當(dāng)δ=0時，f(v ，0)和此時系統(tǒng)狀態(tài)對應(yīng)；當(dāng)δ=1時，和節(jié)點(diǎn)注入后的系統(tǒng)狀態(tài)對應(yīng)；當(dāng) δ∈(0 ，1) 或 δ＞1時，式（3）和系統(tǒng)注入方向向量c上的某系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)對應(yīng)。由此可知，隨參數(shù)δ的改變，式（3）描述了某種母線負(fù)荷和發(fā)電機(jī)功率變化模式下的潮流方程，通過該方程能夠?qū)崿F(xiàn)對可用輸電能力問題的處理。解決在安全性約束條件下可用輸電能力問題可描述為：滿足安全性約束條件的前提下，節(jié)點(diǎn)注入變化條件數(shù)δ的最大值。

設(shè)式（1）是m維潮流方程組，則式（3）是由m個方程和m+1個變量構(gòu)成成的非線性代數(shù)方程組，其根在m+1維空間上描述了一個一維曲線v(δ)。連續(xù)潮流方法處理問題為：從已知點(diǎn)著手，在要求的參數(shù)改變方向上獲取v(δ)曲線上一系列點(diǎn)。通常連續(xù)型方法被稱作預(yù)測-校正方法，即PC方法，其主要原理為：在已確定v(δ)曲線上點(diǎn)的條件下，順著 v(δ)=0的切線方向，移動步長(Δ v，Δδ)，實(shí)行預(yù)測，獲得的相似點(diǎn)，如點(diǎn)，接著將此相似點(diǎn)作為初始點(diǎn)，通過非線性方程求解方法求出式（3）的正解。其中，確定點(diǎn)的過程被稱作校正過程。

每次校正后都對系統(tǒng)是否符合物理約束進(jìn)行檢驗(yàn)，若不符合，則停止計(jì)算，給出輸電能力計(jì)算結(jié)果；反之，按給定步長反復(fù)進(jìn)行校正，直至求出系統(tǒng)NP點(diǎn)的運(yùn)行變量，從而獲取由常規(guī)潮流方程解的分岔造成的電壓穩(wěn)定約束下的輸電能力［11］。通過上述方法跟蹤P-V曲線示意圖如圖4所示。

圖4 跟蹤P-V曲線示意圖

本節(jié)采用的連續(xù)潮流方法精度高，計(jì)算過程簡單，適于實(shí)際應(yīng)用。

2.6 云計(jì)算架構(gòu)下服務(wù)管理模塊

服務(wù)管理對電力企業(yè)的發(fā)展非常關(guān)鍵，而電力企業(yè)服務(wù)管理主要取決于信息化管理。ITIL是信息技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)庫的簡寫，其把流程看作基本導(dǎo)向，和常見服務(wù)模式結(jié)合在一起，在云計(jì)算架構(gòu)下提供規(guī)范化的電力企業(yè)IT服務(wù)［12～13］。

電力企業(yè)服務(wù)流程繁雜，ITIL服務(wù)管理模塊把全部流程劃分成服務(wù)支持與服務(wù)提供兩種類型［14］。因?yàn)榉?wù)臺為IT服務(wù)用戶間聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，所以需確定服務(wù)管理組織架構(gòu)，如圖5所示。

2.7 云計(jì)算架構(gòu)下電力電費(fèi)收繳管理模塊

本節(jié)電力企業(yè)電費(fèi)收繳模塊將Windows 2000/XP作為操作平臺，選用云計(jì)算架構(gòu)，同時在設(shè)計(jì)時考慮實(shí)用性、可靠性和靈活性［15～16］。圖6描述的是該模塊軟件結(jié)構(gòu)。

圖5 服務(wù)臺核心架構(gòu)

圖6 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

2.8 云計(jì)算架構(gòu)下資產(chǎn)管理模塊

電力企業(yè)屬于資產(chǎn)密集型企業(yè)，設(shè)備維修費(fèi)用高，而EAM最注重的就是資產(chǎn)利用率與成本［17］。所以，本節(jié)依據(jù)EAM思想，在云計(jì)算架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理模塊的設(shè)計(jì)。整個模塊被分割成幾個相互獨(dú)立的小模塊，所有小模塊都由很多執(zhí)行特定功能的功能模塊構(gòu)成，電力企業(yè)可依據(jù)自身需求選擇相應(yīng)功能模塊，自主能力強(qiáng)。

所有功能模塊都有特定的接口，所有接口都和云計(jì)算架構(gòu)相連，將信息傳輸至管理中心，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。EAM關(guān)鍵流程如圖7所示。

圖7 EAM關(guān)鍵流程

3 系統(tǒng)測試

云計(jì)算架構(gòu)為電力企業(yè)提供了更高的綜合軟件管理能力，為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，需進(jìn)行相關(guān)測試。

本節(jié)在系統(tǒng)接入用戶數(shù)量不同的情況下，將TPI系統(tǒng)和SOA系統(tǒng)作為對比，對三種系統(tǒng)的事務(wù)成功率、事務(wù)平均響應(yīng)時間、不同服務(wù)器CPU平均使用率、內(nèi)存平均使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)異常查詢、終端接入測試，結(jié)果如表1所示。

表1 三種系統(tǒng)性能測試

分析表1可知，本文系統(tǒng)、TPI系統(tǒng)和SOA系統(tǒng)事務(wù)成功率均為100%，進(jìn)行異常查詢測試和終端接入測試時，只有本文系統(tǒng)事務(wù)平均響應(yīng)時間低于3s，其它系統(tǒng)均高于3s，說明本文系統(tǒng)響應(yīng)速度最快。在整個測試過程中，針對相同服務(wù)器，本文系統(tǒng)CPU平均使用率和內(nèi)存平均使用率均明顯低于TPI系統(tǒng)和SOA系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)可達(dá)到性能指標(biāo)要求，占用資源最少。

為了測試本文系統(tǒng)對電力企業(yè)綜合軟件管理的有效性，將事件成功解決率和發(fā)布成功率作為評價指標(biāo)，將TPI系統(tǒng)和SOA系統(tǒng)作為對比進(jìn)行測試，結(jié)果分別用圖8和圖9進(jìn)行描述。

圖8 三種系統(tǒng)事件成功解決率測試

圖9 三種系統(tǒng)發(fā)布成功率測試

分析圖8和圖9可知，在事件數(shù)逐漸升高的情況下，三種系統(tǒng)的事件成功解決率均在一定程度上有所降低，但本文系統(tǒng)降低程度最小，在事件數(shù)量較多的情況下，仍可保證高成功解決率。且本文系統(tǒng)發(fā)布成功率曲線一直高于TPI系統(tǒng)和SOA系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)綜合軟件管理，管理可靠性高。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于云計(jì)算架構(gòu)的電力企業(yè)綜合軟件管理系統(tǒng)。給出設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，介紹了云計(jì)算架構(gòu)、電力參數(shù)分析模塊、辦公軟件管理模塊、輸電能力計(jì)算模塊、服務(wù)管理模塊、電費(fèi)收繳管理模塊和資產(chǎn)管理模塊設(shè)計(jì)過程，將各模塊信息通過云計(jì)算架構(gòu)傳輸至管理中心，由管理中心施行處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體性能強(qiáng)。

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