基于霧計(jì)算架構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)

田太晉

（國家電網(wǎng)湘西供電公司電力調(diào)度控制中心，湖南湘西 416000）

1 霧計(jì)算

思科公司（Cisco）的F.Bonomi 等人在2012 年提出了霧計(jì)算（Fog Computing）的概念。霧計(jì)算是一種介于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的分布式計(jì)算模式，基本思想是將計(jì)算設(shè)備更靠近數(shù)據(jù)源。霧計(jì)算可同時(shí)擴(kuò)展到核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)，即邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)（如核心路由器、區(qū)域服務(wù)器、廣域網(wǎng)交換機(jī)等）的成分均可納入霧計(jì)算的架構(gòu)中。因此，對(duì)于實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，服務(wù)延時(shí)可實(shí)現(xiàn)最小化[1]。

目前，關(guān)于霧計(jì)算的研究，主要集中在以下幾方面：

（1）霧計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)。最早提出霧計(jì)算，定義霧計(jì)算的特征及其架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于霧計(jì)算架構(gòu)的網(wǎng)關(guān)，同時(shí)也設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼的霧計(jì)算通信協(xié)議。并提出一種面向未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的移動(dòng)霧模型。

（2）霧計(jì)算服務(wù)質(zhì)量。利用霧計(jì)算分層的結(jié)構(gòu)減少了用戶向云服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求的次數(shù)，解決了數(shù)據(jù)處理過程中的擁塞問題。設(shè)計(jì)了一種高效的任務(wù)調(diào)度和資源管理策略，平衡客戶端設(shè)備和計(jì)算服務(wù)器上的工作負(fù)載，提高了霧計(jì)算資源的利用率。提出基于微分博弈的霧計(jì)算入侵檢測(cè)模型、惡意程序傳播防御模型及一種基于超圖結(jié)構(gòu)的霧計(jì)算密鑰管理方案，以抵御霧計(jì)算環(huán)境下的惡意入侵和破壞[2]。

（3）霧計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域。霧計(jì)算目前已逐漸應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如車載網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、5G 網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)電場(chǎng)信息采集、電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。然而，鮮有學(xué)者提出將霧計(jì)算架構(gòu)應(yīng)用到調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，而調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)算應(yīng)用具有數(shù)據(jù)采集分布式、計(jì)算需求多樣化、計(jì)算時(shí)間多尺度等特點(diǎn)，因此本文將提出一種納入霧計(jì)算架構(gòu)的新型調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)中，通常采用固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并部署備用SCADA 服務(wù)器和備用歷史服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)主功能及歷史紀(jì)錄的冗余保障。傳統(tǒng)架構(gòu)模式存在設(shè)備耦合度高、維護(hù)難度大、容災(zāi)性差等特點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架

2.2 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

為解決傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)存在的一系列問題，本文考慮將霧計(jì)算架構(gòu)納入基于云計(jì)算的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，依然采用分層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性能。

霧計(jì)算架構(gòu)部分包括數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算單元及區(qū)域計(jì)算層:

（1）數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)，從分布式部署在現(xiàn)場(chǎng)的各類設(shè)備（包括各類傳感器、微型PMU 等），通過WiFi、4G、GPRS 等網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)協(xié)議，把狀態(tài)信息或動(dòng)作信息送到上一層邊緣計(jì)算單元。

（2）邊緣計(jì)算單元。邊緣計(jì)算單元包括各種存儲(chǔ)資源、軟件資源、計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源，屬于高度虛擬化的微型數(shù)據(jù)中心（Micro Data Centre，MDC）。該層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要，應(yīng)用各種霧計(jì)算算法，實(shí)時(shí)分析處理從數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)流（例如：電力一次電氣設(shè)備的故障診斷數(shù)據(jù)、移動(dòng)巡檢設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等），對(duì)云計(jì)算中心所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（包括壞數(shù)據(jù)處理、特征提取、壓縮等），更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同延時(shí)層次的電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析，減少邊緣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上行帶寬的壓力和云計(jì)算處理數(shù)據(jù)的壓力。在數(shù)據(jù)安全方面，可考慮采用基于微分博弈的入侵檢測(cè)算法模型和惡意程序傳播防御模型等來抵御霧計(jì)算系統(tǒng)外部或內(nèi)部的安全威脅，提高系統(tǒng)安全可靠性[3]。

3 基于霧計(jì)算的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

基于霧計(jì)算的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下幾方面：

（1）數(shù)據(jù)采集方面。霧計(jì)算設(shè)備首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并處理壞數(shù)據(jù)，通過一系列霧計(jì)算算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、壓縮、打包，而后發(fā)送到分布式或集中式應(yīng)用設(shè)備中。例如：相量數(shù)據(jù)采集裝置（Phasor Data Concentrator，PDC）將采集到的多路電壓電流模擬量及GPS 時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)行預(yù)處理，生成同步測(cè)量信號(hào)再輸出。此外，變壓器等設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、移動(dòng)巡檢設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等均可進(jìn)行預(yù)處理后再送到主監(jiān)控平臺(tái)上。將這類型的數(shù)據(jù)處理工作移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，可有效減小數(shù)據(jù)上行負(fù)載及監(jiān)控中心的信息負(fù)載[4]。

（2）電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知和電壓穩(wěn)定方面。集中式的狀態(tài)估計(jì)存在不收斂或魯棒性不強(qiáng)的問題，從而導(dǎo)致對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知能力比較薄弱，分布式的狀態(tài)估計(jì)可利用霧計(jì)算設(shè)備和算法，得到電力系統(tǒng)部分區(qū)域的態(tài)勢(shì)感知。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓穩(wěn)定性問題時(shí)，若不加以控制就有可能會(huì)逐漸擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。霧計(jì)算設(shè)備可利用量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)部分區(qū)域系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行粗略估計(jì)，整合分布式狀態(tài)估計(jì)，快速地評(píng)估部分區(qū)域系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步采取策略，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

（3）安全預(yù)警和電網(wǎng)自恢復(fù)方面。預(yù)警系統(tǒng)信息采集設(shè)備通常在生產(chǎn)一線，如變電站設(shè)備，線路等，采集的信息包括視頻信息，線路的電壓、電流、功率等。當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)變差時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)需及時(shí)響應(yīng)，并把預(yù)警信號(hào)送到控制中心，若系統(tǒng)發(fā)生故障應(yīng)有足夠快的時(shí)間實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)，防止引起系統(tǒng)失穩(wěn)甚至出現(xiàn)連鎖停電事故。將預(yù)警過程和自愈控制過程移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，利用霧計(jì)算設(shè)備去計(jì)算預(yù)警和控制策略，可減少控制中心的信息負(fù)載，同時(shí)能使電網(wǎng)對(duì)預(yù)警信號(hào)有更快的響應(yīng)。目前，霧計(jì)算在該方面的應(yīng)用有繼電保護(hù)裝置等[5]。

霧計(jì)算在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用絕不僅限于以上方面。較于云計(jì)算，霧計(jì)算在低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力和對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)信號(hào)及時(shí)響應(yīng)能力上有較大的優(yōu)勢(shì)，因此霧計(jì)算在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中有較大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文將霧計(jì)算架構(gòu)納入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，該架構(gòu)依然采用分層分布式結(jié)構(gòu)，將部分計(jì)算的位置移到邊緣網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理的功能，提升了快速實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算和及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)變化的能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸方面的不足。將霧計(jì)算架構(gòu)納入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如霧計(jì)算設(shè)備和云計(jì)算設(shè)備、其他霧計(jì)算設(shè)備、傳感器、用戶之間的接口設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通信及網(wǎng)絡(luò)安全等問題，亟待進(jìn)一步研究。