云環(huán)境下電力交易的數(shù)據(jù)服務(wù)研究與實現(xiàn)

凌志揚　閆紅漫　張弘

摘 要：在新一輪電力改革的背景下，越來越多的分布式可再生能源接入到配電網(wǎng)中，給電力市場的電力交易平臺帶來了新的挑戰(zhàn)。本文針對云環(huán)境下電力交易的數(shù)據(jù)服務(wù)問題，對電力交易平臺交易信息模型的構(gòu)建、分布式電力交易數(shù)據(jù)一致性等問題進行研究，并設(shè)計分布式可再生能源交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)，以示范工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)為例進行驗證。

關(guān)鍵詞：分布式可再生能源； 數(shù)據(jù)服務(wù)； 云環(huán)境

Abstract： Under the background of the new round of electricity market reform， more and more distributed renewable energy is accessed to the distribution network， which brings new challenges to the electricity market trading platform. This paper focuses on the data service of power trading in cloud environment， studies the construction of trading information model of power trading platform， the research of data consistency of distributed energy trading system， and the design of interactive trading mode and architecture of trading system of distributed renewable energy. The system is verified with the operation data of demonstration project.

Key words： distributed renewable energy； data service； cloud environment

引言

隨著社會的進步和發(fā)展，全球?qū)G色、清潔、高效的電能需求日益增長，智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運而生[1]。2015年3月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》，明確指出要全面放開用戶側(cè)分布式電源市場[2]。2015年7月國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，2016年，國家發(fā)改委、國家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出實施能源領(lǐng)域的國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，逐步覆蓋電力等能源領(lǐng)域，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)集成融合[4]。

傳統(tǒng)的電力市場交易平臺主要支撐中長期電力交易業(yè)務(wù)[5]，隨著電力實時交易的不斷推進，已無法滿足電力交易市場的需要。本文提出分布式可再生能源交易系統(tǒng)的交易信息模型，解決了電力交易系統(tǒng)內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和信息交互的問題。對分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性問題的研究，解決了分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致的問題。設(shè)計實現(xiàn)區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，探索分布式可再生能源的交易流程和數(shù)據(jù)服務(wù)的信息交互過程，將“互聯(lián)網(wǎng)+”和電力交易結(jié)合，進行了一次有益的創(chuàng)新。

1 電力交易信息模型

公共信息模型（Common Information Model， CIM）[6]描述了電力企業(yè)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的主要對象類、類屬性和類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其釆用面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒y(tǒng)一建模語言描述方式，以類圖的形式進行直觀的展現(xiàn)，代表了電力企業(yè)所有主要對象的抽象模型。CIM模型擴展基本流程如圖1所示。

由于CIM是國際的通用標(biāo)準(zhǔn)，不可能完全滿足中國電力系統(tǒng)的所有特性，且伴隨著CIM模型的版本更新，CIM模型對電力系統(tǒng)內(nèi)部的抽象描述變得越來越細致，CIM模型已經(jīng)變?yōu)橐粋€龐大的綜合信息模型[7]。而對于分布式可再生能源的交易系統(tǒng)，不需使用全部的CIM模型，只需對IEC 61968和IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)CIM模型的部分進行抽取，結(jié)合自身交易系統(tǒng)的實際，對現(xiàn)有的CIM模型進行擴展，構(gòu)成一個滿足交易系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)模型。

本文以IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)市場通用包（MarketCommonPackage）中的市場參與者類（MarketParticipant）和市場角色類（MarketRole）為基礎(chǔ)，對分布式能源用戶進行建模。將機構(gòu)角色類下的消費者類進行擴展，抽象出分布式可再生能源消費者類（RenewableEnergyCustomer），新能源用戶CIM類如圖2所示，其中包含新能源用戶總認(rèn)購光伏消費電量（PVSubscriptionConsumption）、總消費電量（totalConsumption）和總支付金額（totalPayment）等屬性，與市場參與者類（MarketParticipant）的子類

[LL]市場角色類（MarketRole）具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。擴展后的新能源用戶類的各屬性可滿足分布式可再生能源的交易流程中各交易環(huán)節(jié)的需求。

市場運營CIM類如圖3所示。對市場申報類進行擴展，滿足電力用戶提交認(rèn)購比例（CustomerBid）的需求；對產(chǎn)品申報類進行擴展，滿足發(fā)電商報價的模型需求；擴展出發(fā)電商報價類（PublisherBid），此類包含機組類型（energyType）、用于描述機組出力和價格之間關(guān)系的價格申報曲線（hourlyPowerPrice）和訂單時間（orderTime）等屬性。對小時產(chǎn)品計劃類（BidHourlySchedule）進行擴展，滿足市場運營方在市場平衡后中標(biāo)電量公示的需求。

市場出清類CIM如圖4所示。日后結(jié)清環(huán)節(jié)需要對新能源用戶和分布式發(fā)電商的交易進行結(jié)算，在IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于市場清算的類圖主要為MarketFactors。其中定義各種類型的市場結(jié)清類，對通用結(jié)清類（GeneralClearing）進行擴展，滿足發(fā)電商和電力用戶在結(jié)清環(huán)節(jié)的建模需求。

2 電力交易數(shù)據(jù)一致性研究

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)每日新采集和存儲的數(shù)據(jù)便有TB級的數(shù)據(jù)量，當(dāng)前的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)難以滿足大量數(shù)據(jù)的存儲分析需要。由于云計算環(huán)境分布式存儲系統(tǒng)在電網(wǎng)中的逐步應(yīng)用，如何保障分布式系統(tǒng)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)一致性成為亟待研究的課題。

一致性算法使服務(wù)器集群像1個整體一樣進行工作，即使集群中的幾臺服務(wù)器宕機也不會影響集群工作。因此，一致性算法在分布式系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。由Lamport提出的Paxos算法一直處于統(tǒng)治地位[8]。很多新的一致性算法均是以經(jīng)典Paxos算法為基礎(chǔ)進行改進的，盡管很多學(xué)者做了大量工作希望降低Paxos算法的復(fù)雜性，但是其仍然十分復(fù)雜且很難直接應(yīng)用于實際的系統(tǒng)中，Raft算法就是在此背景下被提出的[9]。Raft算法采用一些特別的優(yōu)化方式使其便于理解。將算法分為選舉、日志復(fù)制和安全3個部分來降低算法的復(fù)雜程度。

在簡化的電力交易流程中，以日前申報環(huán)節(jié)為例：電力用戶在固定時刻提交第二日可再生能源認(rèn)購比例；分布式可再生能源發(fā)電商在固定時刻進行第二日各時段發(fā)電量競價申報；運營商統(tǒng)一進行市場平衡，然后公布發(fā)電商的中標(biāo)電量。由此可見，服務(wù)器集群會在固定時段前后達到數(shù)據(jù)讀取高峰，發(fā)電商和電力用戶并發(fā)訪問服務(wù)器集群，需要保證用戶在讀取中標(biāo)電量公示信息時，各服務(wù)器節(jié)點之間數(shù)據(jù)是一致的。為了提高系統(tǒng)性能，采取在電力交易各個環(huán)節(jié)固定時刻到來前，開始一致性算法中選舉過程，選舉產(chǎn)生新的leader。leader負責(zé)協(xié)調(diào)各服務(wù)器之間的工作，客戶端與集群之間的交互和集群內(nèi)部各服務(wù)器的交互均圍繞leader進行。當(dāng)各申報截止后，市場平衡完畢，啟動數(shù)據(jù)一致化的過程，使各服務(wù)器節(jié)點狀態(tài)一致，保證系統(tǒng)可靠性。

1個Raft集群包含多個服務(wù)器節(jié)點，若5個服務(wù)器節(jié)點組成1個集群，則系統(tǒng)最多可以忍受2臺服務(wù)器節(jié)點宕機。1臺服務(wù)器節(jié)點在任意時間總屬于以下3種狀態(tài)：leader、follower和candidate。通常情況下，1個集群只能有1個leader，其余節(jié)點均為follower。follower是被動的角色，不能夠主動提出請求，只是響應(yīng)leader和candidate的請求。leader負責(zé)處理客戶端的所有請求，若客戶端連接到1個follower節(jié)點，該節(jié)點需要將請求重定向至leader節(jié)點，candidate用于選舉leader節(jié)點。3種狀態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

3 電力交易數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

在新一輪電力改革中售電側(cè)放開的背景下，需要研究適應(yīng)市場變化的電力交易數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵架構(gòu)[10]。針對電力交易信息模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)一致性和交易安全等問題，設(shè)計出分布式可再生能源、交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)。架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺服務(wù)層和系統(tǒng)應(yīng)用層組成。架構(gòu)形式如圖6所示。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)等部分，在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存儲設(shè)計上，將內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)分開存儲，內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器主要存儲交易類、合同類、結(jié)算類數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)運行的覆蓋電力交易核心業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。外網(wǎng)服務(wù)器上存儲可以公開的政策信息、結(jié)算信息和中標(biāo)公示等信息，故外網(wǎng)服務(wù)器需要訪問內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器上的信息。同時出于系統(tǒng)安全的考慮，在內(nèi)外網(wǎng)之間安裝網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備。除了傳統(tǒng)的計算機防火墻策略，還可從系統(tǒng)的硬件設(shè)備角度，增強系統(tǒng)的安全防護能力。安全隔離設(shè)備作為代理，當(dāng)內(nèi)外網(wǎng)之間發(fā)生數(shù)據(jù)交換時，從數(shù)據(jù)包中抽取數(shù)據(jù)然后通過裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖進行轉(zhuǎn)發(fā)，完成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)過程。

利用現(xiàn)有的物理服務(wù)器資源和云服務(wù)商購買的公共云服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)路由器等所組成“私有+公有”物理集群，為分布式可再生能源交易系統(tǒng)提供虛擬化的執(zhí)行環(huán)境，同時可減少部分服務(wù)器維護開銷。

3.2 平臺服務(wù)層

平臺服務(wù)層主要由消息服務(wù)、計算服務(wù)、數(shù)據(jù)一致性服務(wù)等服務(wù)組成。該層各應(yīng)用通過調(diào)用相關(guān)服務(wù)接口為上層系統(tǒng)服務(wù)提供數(shù)據(jù)，繼而為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)；通過對調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層相關(guān)接口實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲等功能。針對電力交易系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)備份容易造成不一致的問題，電力交易在日中交易的環(huán)節(jié)每5 min便采集一次數(shù)據(jù)特點，將長時間累積的大量電力用戶的實時負荷、分布式可再生能源發(fā)電商的實時出力信息、區(qū)域內(nèi)能源結(jié)構(gòu)、碳排放情況等指標(biāo)和所有公布的實時信息，調(diào)用分布式一致性服務(wù)，在部分記錄落后的服務(wù)器節(jié)點中，將大量實時信息日志按順序更新以達到最新狀態(tài)，解決部分服務(wù)器節(jié)點更新緩慢的問題。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層是分布式可再生能源發(fā)電供應(yīng)商、配網(wǎng)運營商和新能源電力用戶實體接入數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)的入口。在電力交易場景下，系統(tǒng)需要的實時數(shù)據(jù)由其它外部應(yīng)用提供，故電力交易系統(tǒng)與電力系統(tǒng)中其它應(yīng)用如地理信息系統(tǒng)GIS、監(jiān)控與采集系統(tǒng)SCADA、生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS、配電自動化系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)等營配相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)存在著大量的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)應(yīng)用層同時也是這些應(yīng)用的入口，負責(zé)與其它系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，并在這一層對數(shù)據(jù)進行處理。用戶可通過PC端應(yīng)用和移動終端設(shè)備進行訪問。

4 驗證

本文依托國家863課題“集成可再生能源的主動配電網(wǎng)研究及示范”，利用貴州紅楓地區(qū)示范工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證。

以水培線2017年2月某日實際負荷與分布式電源數(shù)據(jù)為例，驗證電力交易的數(shù)據(jù)服務(wù)。圖7為光伏發(fā)電商24 h預(yù)測出力，圖8為光伏發(fā)電商中標(biāo)電量展示，圖9為系統(tǒng)實時反饋展示。

5 結(jié)束語

在全面放開用戶側(cè)分布式電源市場和進一步完善跨省跨區(qū)電力交易機制政策的推動下，本文對交易信息模型和數(shù)據(jù)一致性的研究可以為其它交易系統(tǒng)提供參考。對區(qū)域內(nèi)分布式可再生能源的交易流程的研究和設(shè)計實現(xiàn)的區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，是云計算技術(shù)與電力交易結(jié)合的有益嘗試。[JP3]伴隨著電力改革的進一步深化，仍可以進行更深入的研究。

[LL]

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