利用云計算進行電力系統(tǒng)潮流計算

李祥瑞

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，民眾對于穩(wěn)定高質(zhì)量電能的需求不斷增加。電力系統(tǒng)潮流計算是分析電能質(zhì)量的重要方法之一，該計算是在電力網(wǎng)運行時，對其功率、電壓等相關(guān)參數(shù)在電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的分布進行分析，計算結(jié)果可以用以分析判斷電網(wǎng)運行狀態(tài)、功率因素及負荷平衡情況。目前，電力系統(tǒng)已經(jīng)從一個個孤立的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到區(qū)域之間線路相互連接、電能相互協(xié)調(diào)的聯(lián)合大電網(wǎng)。同時，風(fēng)能、太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉丛陔娔苤械恼急纫膊粩嗵岣?，這其中大部分的可再生能源是以分布式發(fā)電模式集成到系統(tǒng)中。因此， 電力系統(tǒng)潮流分析所需處理的數(shù)據(jù)迅速增加、軟件的計算量不斷擴大，單純的提高計算機性能已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)實的需求，尋找能夠及時處理電力系統(tǒng)潮流分析的海量計算量的大數(shù)據(jù)處理方法已勢在必行。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流分析是利用1臺或多臺計算機就地進行分析和計算，當(dāng)需要處理大量數(shù)據(jù)進行時時在線操作時，例如電力網(wǎng)運行的連續(xù)性分析，計算資源往往成為這種大規(guī)模計算的限制因素。該因素最初的解決方案是利用并行計算，但該方法被證明是難以操作和昂貴的。之后采用了網(wǎng)格計算來進行電力系統(tǒng)仿真、無功優(yōu)化、負荷平衡、穩(wěn)定性與安全性分析、分布式狀態(tài)估計等相關(guān)工作。

網(wǎng)格計算是一種很好的候選解決方案，但在實際應(yīng)用中還需要解決一些關(guān)鍵問題。一些是技術(shù)性的，例如平臺的設(shè)置、設(shè)備配置、操作和維護以及在開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，這通常需要專業(yè)知識或特定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，一些傳統(tǒng)實驗或應(yīng)用程序必須重新組織或重新設(shè)計，以適應(yīng)網(wǎng)格運算所需求的應(yīng)用程序中及計算模型。這些需要實驗或應(yīng)用程序一般包含重置工作流程和MPI（消息傳遞接口）并行接口。這些技術(shù)上的障礙，以及所需專用解決方案，會阻礙網(wǎng)格計算在電力工程領(lǐng)域中的推廣。

云計算是一種新型的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，并行計算和網(wǎng)格計算中出現(xiàn)的許多問題都可以得到一定的解決。云計算采用新近出現(xiàn)的計算機虛擬技術(shù)，實現(xiàn)了一種靈活的服務(wù)機制，可以滿足不同終端用戶特定的需求。從應(yīng)用程序到硬件級別，工程師可以方便地訪問大型分布式計算資源，并可以完全自主定義執(zhí)行環(huán)境，不需要購買、維護甚至理解復(fù)雜的硬件和高性能計算機。該計算還具有一些其他重要特性，包括可擴展性和現(xiàn)收現(xiàn)付計費模式。由于具有這些優(yōu)點，它越來越多地被應(yīng)該于工程實踐。2008年年中啟動的“科學(xué)云”項目，從研究角度證明了將云計算用于科學(xué)計算的可行性，提供了這種新的計算的早期經(jīng)驗，并成功應(yīng)用于氣候研究和基因表達及腦成像。2009年，美國能源部（DOE）表示，麥哲倫項目建立一個測試系統(tǒng)研究云計算在節(jié)能計算的性價比。隨著云計算技術(shù)的不斷成熟，這一技術(shù)在各領(lǐng)域中不斷得到應(yīng)用，電力公司也開始關(guān)注和感興趣。Mercury Solar Systems可再生能源公司使用云計算CRM（Customer Relationship Management客戶關(guān)系管理）可以更好地滿足客戶的能源需求。中國南方電網(wǎng)的工程師們則已提出利用云計算來升級智能調(diào)度系統(tǒng)的電力分析軟件（PAS）。

云計算所具有的低成本、靈活性、可靠性和可擴展性等相關(guān)特點，使其在相關(guān)工程領(lǐng)域中得到了快速的應(yīng)用，并取得良好的效果，但在電力系統(tǒng)分析中，云計算的利用還處在起步階段。本文采用基于谷歌云的InterPSS云版主機平臺，利用谷歌App Engine （GAE）搭建平臺，研究云計算在電力系統(tǒng)分析中的潛在應(yīng)用，討論了利用云計算平臺進行電力系統(tǒng)潮流計算特點。

1 云計算概述

1.1 云計算的定義

云計算是伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)高速傳輸信息的能力，可以使多臺計算機共享計算力得到實現(xiàn)。云計算涉及許多方面，例如分布計算資源、可視化、虛擬化等。目前，云計算暫時還沒有一個被廣泛接受的統(tǒng)一的權(quán)威定義。伯克利實驗室對云計算的看法是，它既可以是通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的應(yīng)用程序，也可以是提供服務(wù)的數(shù)據(jù)中心中的硬件和系統(tǒng)軟件，那么數(shù)據(jù)中心的硬件和軟件也即是云。根據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對云計算的定義，它是一種支持方便、隨需應(yīng)變的網(wǎng)絡(luò)訪問以及可配置計算資源共享資源庫（例如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用程序和服務(wù)）的模型，這些資源提供者可以通過最少的管理工作或服務(wù)向需求者快速供應(yīng)。

1.2 云計算的特征

云計算區(qū)別其他計算模式，有幾個顯著的基本特征，為理解云計算及其在學(xué)術(shù)和研究領(lǐng)域的作用和潛在應(yīng)用價值。即云計算具有快速響應(yīng)能力和應(yīng)用范圍可擴展的能力；按需自助服務(wù)，用戶能夠根據(jù)自身的需求，完全獨立自主的獲取計算能力；方便的網(wǎng)絡(luò)訪問，海量資源可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得，并通過標準機制訪問；可計量收費模式，一種基于使用的計費模型，用戶基本上租用虛擬資源并為使用的內(nèi)容付費；資源庫，不同來源的計算資源可以匯聚到資源庫，這些不同的物理和虛擬資源可以根據(jù)用戶需求動態(tài)調(diào)整和重新分配。

1.3 三種服務(wù)模式

根據(jù)計算資源的抽象程度的不同以及相應(yīng)的資源管理級別，目前所有可訪問的云計算服務(wù)可以分為三個不同的服務(wù)模式，它們是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。

IaaS位于云堆棧的底部，它通常是指一種基于虛擬或物理資源交付網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的實踐，使用者可以在其中部署和運行任意軟件。美國 Amazon公司是一個典型的IaaS解決方案提供商，它的彈性計算云（EC2）提供計算服務(wù)，簡單存儲服務(wù)（S3）提供存儲服務(wù)。一些研究通過EC2和S3進行科學(xué)計算實驗，展示了IaaS或EC2風(fēng)格的云計算作為高性能解決方案的潛力。

PaaS提供了一個用戶或客戶可以創(chuàng)建和運行他們的應(yīng)用程序的平臺，它通常提供一個應(yīng)用程序框架和一組應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），用戶可以使用它們來為云開發(fā)他們的應(yīng)用程序。在這個模式下，谷歌和微軟都建立了自己的應(yīng)用平臺，分別是谷歌App Engine和Windows Azure。谷歌App Engine是一個平臺，可以為谷歌應(yīng)用程序提供支持的相同系統(tǒng)上構(gòu)建和托管web應(yīng)用程序。它具有快速開發(fā)和部署的特點；簡單的管理，無須擔(dān)心硬件、補丁或備份；容易實現(xiàn)的可擴展性。目前它支持利用Python或者Java開發(fā)的應(yīng)用程序。

SaaS直接為用戶服務(wù)，提供開發(fā)人員運行在云上的應(yīng)用程序。由于SaaS主要是針對商業(yè)和終端用戶的，控制和配置有限，不適合研究，目前關(guān)于基于SaaS的科研成果的相對較少。

2 谷歌APP ENGINE上的INTERPSS CLOUD EDITION

InterPSS Cloud Edition是一種基于云的或者說是基于GAE的InterPSS實現(xiàn)，它利用谷歌應(yīng)用程序引擎來實現(xiàn)電力系統(tǒng)潮流分析的海量數(shù)據(jù)的計算。具體工作內(nèi)容包括以下幾方面。

2.1 InterPSS概述

InterPSS（An Internet Technology-basedOpen-source Power SystemSimulation System）是一個開源的、基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計、分析和仿真軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于組件的開發(fā)方法進行設(shè)計和應(yīng)用，具有開放、松散耦合的插件體系結(jié)構(gòu)，允許用戶通過插件輕松擴展其功能，同樣重要的是，可以將組件集成到其他系統(tǒng)中，提供電力系統(tǒng)仿真和分析服務(wù)。具體來說，其主要的電力系統(tǒng)仿真功能作為核心庫封裝在電力系統(tǒng)仿真框架中，并作為電力系統(tǒng)仿真引擎集成到其他系統(tǒng)中。

2.2 谷歌App Engine概述

谷歌App Engine是一個開發(fā)可伸縮應(yīng)用的平臺，它建立在谷歌的基礎(chǔ)設(shè)施之上，具有谷歌系統(tǒng)的高可靠性、高性能和安全性。在谷歌App Engine平臺上開發(fā)的程序多的是利用Java語言，其運行時環(huán)境支持標準Java技術(shù)，包括Java、Java servlet和NM編程語言。此外，它還為開發(fā)者提供了1個免費但有限的服務(wù)（免費限額為500 mb存儲，每天130 萬次請求）來構(gòu)建應(yīng)用程序，從而為人們的科學(xué)應(yīng)用程序縮減了成本和清除操作的障礙。

2.3 實現(xiàn)

InterPSS云版架構(gòu)的核心模擬引擎提供了計算和分析功能，它運行在GAE的Java虛擬機（JVM），一旦部署在谷歌的云，在它提供的功能來響應(yīng)請求，而在本文中，對于不同類型的電力系統(tǒng)分析，即交直流功率分布、連續(xù)性分析等。在GAE提供的應(yīng)用程序編程接口（APIs）的幫助下，建立了一個網(wǎng)站（http：//cloud.interpss.com）作為前端，允許用戶上傳數(shù)據(jù)進行處理， 定義研究案例。 數(shù)據(jù)存儲（DataStore）是谷歌的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如果用戶選擇該選項，還可以保存中間文件或數(shù)據(jù)以及研究案例。

2.4 InterPSS云版的功能

目前發(fā)布的InterPSS云主要提供了三種功能，分別是潮流分析、基于完整交流潮流的權(quán)變分析和基于開放數(shù)據(jù)模型（ODM）的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換服務(wù)。ODM是電力系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)交換的開放模型，InterPSS對此有很好的支持。開發(fā)了幾種Xformat-to-odm適配器，其中Xformat包括PSS/E、UTEC、BPA、PSAT、InterPSS，還開發(fā)了ODM-to-InterPSS適配器。在這個的方式，一個“Xformat→ODM→InterPSS”建立了數(shù)據(jù)交換模型。由此可見，云版InterPSS可以接受此類格式電力系統(tǒng)負載的相關(guān)數(shù)據(jù)。

InterPSS Cloud還可以對電力系統(tǒng)的可靠性進行分析。可靠性分析包括三種模式，分別是N-1模式、N-1-1模式和N-2模式。N-1模式是對每一條支路包含開路支路，進行完整的交流潮流計算；在N-1-1分析模式中，首先，針對電網(wǎng)各支路，對全網(wǎng)進行交流潮流分析，然后，設(shè)置N-1模式進行全交流潮流分析，對于此時N-1模式，重點對各支路的視在功率確定，接著隨機確定一個開路支路，即N-1-1模式下進行全交流潮流分析；N-2模式這是在網(wǎng)絡(luò)中確定兩個開路支路，在雙開路模式下進行潮流計算，用以分析多開路模式下電力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

對于ODM轉(zhuǎn)換，需要找到一個用于向?qū)嶓w設(shè)備進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用程序。對于用戶來說，InterPSS云提供了這樣的服務(wù)，通過它可以輕松地將支持的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為ODM XML文件。

2.5 工作原理

由于在GAE平臺中部署了InterPSS仿真引擎，并在GAE中無間歇模式運行，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)在世界任何地方訪問該引擎，并且InterPSS用戶友好易于使用。用戶進入云版InterPSS的網(wǎng)站（http：//cloud.interpss.com），可以上傳仿真數(shù)據(jù)支持的數(shù)據(jù)格式，并通過選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件適配器，然后選擇一個分析功能，其他的都是通過InterPSS云計算和結(jié)果通過瀏覽器自動反饋給用戶。

3 存在的問題及挑戰(zhàn)

云計算為電力系統(tǒng)潮流分析和其他相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域帶來了許多好處和機遇。對于電力工程領(lǐng)域來說，它是一種基于現(xiàn)收現(xiàn)付模型的潛在的高性價比的高性能計算資源，PaaS和IaaS模型都允許對研究進行足夠的控制和定制。另一個重要方面是引入了本地云應(yīng)用程序（NCA），這大大簡化了云的設(shè)置和云上應(yīng)用程序的提供。此外，和InterPSS Cloud一樣，與傳統(tǒng)操作軟件相比，不需要額外的軟件配置、硬件升級和維護。此外，一旦基于研究的應(yīng)用程序在公共云上發(fā)布，不僅開發(fā)人員，而且全世界所有的透視圖用戶都可以從云計算中獲益。對于電力公司來說，它很好地滿足了其需求，因為它的動態(tài)可擴展性使得他們的操作系統(tǒng)（如EMS、DMS）能夠很容易地滿足正常運行的計算需求和應(yīng)急時的峰值。它也可以用來提供所需功能在web上使用軟件作為一種服務(wù)模型，當(dāng)動力分析軟件，例如EMS，部署在總部數(shù)據(jù)中心或云，不同的分析和所有級別操作可以依賴它，從而壓縮現(xiàn)有的多級層次結(jié)構(gòu)和使所有公共數(shù)據(jù)分析和操作成為可能。此外，智能電網(wǎng)的發(fā)展很可能需要借助云計算技術(shù)來應(yīng)對日益龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模，并促進開放接入和互操作。

需要指出的是，云計算還處于起步階段，在電力系統(tǒng)中進行科學(xué)、商業(yè)應(yīng)用，特別是從服務(wù)和安全的角度來看，還存在一些問題和挑戰(zhàn)。首先，這是一種新的計算模式，電力公司的大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)目前還不能做到完全兼容，這項技術(shù)需要一個艱難的轉(zhuǎn)變。其次，對于公共云，由于數(shù)據(jù)存儲和處理都是在云中進行的，研究人員和電力企業(yè)都應(yīng)該真正關(guān)注他們的數(shù)據(jù)安全，安全問題是一個非常重要的問題，如果不能夠得到完全解決，可能會影響該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

云計算，具有良好的可擴展性和基于使用的現(xiàn)收現(xiàn)付制服務(wù)模式，提供了一個具有成本效益的和靈活使用方式的大規(guī)模計算資源。本文討論了出現(xiàn)這一趨勢的社會背景，并簡要介紹了云計算的特點和實現(xiàn)方式，提出了基于谷歌應(yīng)用引擎的InterPSS云版，作為利用云計算進行電力系統(tǒng)分析的一個演示。目前它提供負載流量、應(yīng)變分析和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換服務(wù)，讓用戶能夠在任何地方運行他們的分析，通過互聯(lián)網(wǎng)不停歇提供服務(wù)。從InterPSS云可以得出，云計算為研究人員和工程師提供了一個很有前途的解決他們所面臨的計算問題的方案。但需要指出的是，云計算在電力系統(tǒng)中的更好應(yīng)用必將需要更多、更深入的研究。