云計算技術(shù)在電力調(diào)度中的應(yīng)用

林晨鷺

（福建永福電力設(shè)計股份有限公司，福建 福州 350108）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展建設(shè)，電力數(shù)據(jù)的來源、規(guī)模及種類不斷擴(kuò)充，調(diào)控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、一二次設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)/狀態(tài)數(shù)據(jù)/工況數(shù)據(jù)、新能源資源數(shù)據(jù)、自然環(huán)境的變化數(shù)據(jù)等共同構(gòu)成了電力調(diào)控大數(shù)據(jù)[1]。但目前這些數(shù)據(jù)獨立存在于上述的各類系統(tǒng)，維護(hù)獨立、共享困難，缺少數(shù)據(jù)的集中管理、綜合分析。

因此，為進(jìn)一步提升電力調(diào)度生產(chǎn)管理水平，有必要整合各專業(yè)、各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的協(xié)同共享；同時運(yùn)用云計算的分布式存儲及并行計算技術(shù)，對整合的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)及挖掘，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新型電力調(diào)度應(yīng)用的研究。

1 基于調(diào)控大數(shù)據(jù)的電力調(diào)控云平臺

1.1 平臺總體架構(gòu)

如圖1所示，參考云計算的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行電力調(diào)控云平臺的分層設(shè)計，自下而上劃分為云基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）、云中間管理層（PaaS）及云應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）[2]。

（1）云基礎(chǔ)設(shè)施層：通過配置集群節(jié)點、磁盤陣列、交換機(jī)等硬件設(shè)備，搭建調(diào)控云平臺的底層架構(gòu)，為調(diào)控云平臺中間管理層、應(yīng)用服務(wù)層提供數(shù)據(jù)存儲及計算和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等各類資源。

（2）云中間管理層：基于基礎(chǔ)設(shè)施層的硬件及資源基礎(chǔ)，建設(shè)實時數(shù)據(jù)平臺、運(yùn)行數(shù)據(jù)平臺、模型數(shù)據(jù)平臺等。

（3）云應(yīng)用服務(wù)層：利用基礎(chǔ)設(shè)施層及中間管理層的數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用服務(wù)，基于調(diào)控需求建設(shè)應(yīng)用功能。

電力調(diào)控云平臺融合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的調(diào)控數(shù)據(jù)，包含生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等，基于安全防護(hù)的角度考慮，將電力調(diào)控云平臺部署于安全Ⅲ區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)采集與同步

1.2.1 實時數(shù)據(jù)采集

電力調(diào)控云平臺實時數(shù)據(jù)的采集與同步依托于云中間管理層的云實時數(shù)據(jù)平臺，通過源端EMS（現(xiàn)有電力調(diào)度控制系統(tǒng)）前置的在線采集，實現(xiàn)全網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲。云實時數(shù)據(jù)平臺的功能主要包括數(shù)據(jù)的采集及處理，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)等[3]。主要如下：

（1）數(shù)據(jù)采集功能采用消息轉(zhuǎn)發(fā)方式，從源端EMS前置獲取實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行消息打包；通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)或綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)調(diào)度VPN傳輸至安全Ⅱ區(qū)，然后以TCP流方式跨正向隔離裝置，傳輸?shù)桨踩髤^(qū)云實時數(shù)據(jù)平臺。

（2）數(shù)據(jù)處理功能提供數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、模擬量處理、狀態(tài)量處理、計算服務(wù)等功能，具備分布式、分調(diào)控機(jī)構(gòu)、分區(qū)域處理功能。

（3）量測模型管理主要為數(shù)據(jù)采集提供變化的量測模型，即時采集傳輸變化的數(shù)據(jù)，通過量測模型管理，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)云平臺免維護(hù)。

1.2.2 模型數(shù)據(jù)同步

模型數(shù)據(jù)同步通過云中間管理層的模型數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)全網(wǎng)物理模型的源端同步、拼接、存儲、按需發(fā)布及共享。按照《電力調(diào)度通用數(shù)據(jù)對象結(jié)構(gòu)化設(shè)計》，模型數(shù)據(jù)主要包含公共數(shù)據(jù)模型、電力一次設(shè)備模型、自動化設(shè)備模型、保護(hù)設(shè)備模型[4]。模型數(shù)據(jù)平臺同步匯總與管理全網(wǎng)各電壓等級廠站（500 kV、220 kV、110 kV、35 kV）的設(shè)備模型和拓?fù)潢P(guān)系，具體如下：

在全網(wǎng)各地區(qū)電力調(diào)度控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步服務(wù)器部署模型同步服務(wù)，接收模型的同步事件。

（1）各地區(qū)通過總線發(fā)送模型更新信息，通過數(shù)據(jù)傳輸平臺發(fā)送導(dǎo)出的全量及增量模型文件到模型同步節(jié)點，同時發(fā)布模型更新消息。

（2）云平臺返回模型同步結(jié)果和校驗報告給地區(qū)，若校驗失敗則通知地區(qū)整改，校驗成功則將校驗后的模型發(fā)布到拼接服務(wù)器。

（3）云平臺全網(wǎng)模型拼接程序根據(jù)邊界表和廠站、設(shè)備名稱匹配，獲取廠站、設(shè)備以及電壓等級ID的對應(yīng)關(guān)系，對邊界上的相關(guān)設(shè)備ID以及熱點鏈接進(jìn)行替換。拼接完成后，將拼接后的模型通過廣域傳輸發(fā)布至云平臺安全Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)同步服務(wù)器，并對原有關(guān)系庫進(jìn)行更新，并導(dǎo)出新模型推送云端，通知應(yīng)用新模型導(dǎo)出成功。

全網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)同步方式與模型數(shù)據(jù)同步基本一致，其圖形拼接基于模型拼接流程，拼接完成后與模型數(shù)據(jù)存儲于不同的數(shù)據(jù)庫。

1.2.3 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

基于模型數(shù)據(jù)平臺所提供的電網(wǎng)全模型，運(yùn)行數(shù)據(jù)平臺將EMS、OMS、TMR等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、匯集、存儲及分析，主要包括量測、電量、告警、事件、計劃、預(yù)測、環(huán)境等七大類運(yùn)行數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔資料，以支撐調(diào)控云平臺的數(shù)據(jù)分析及挖掘等應(yīng)用。具體如下：

（1）量測數(shù)據(jù)：從實時數(shù)據(jù)平臺的實時數(shù)據(jù)庫中抽取，若抽取失敗，則從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中補(bǔ)召歷史量測數(shù)據(jù)。

（2）電量數(shù)據(jù)：由OMS系統(tǒng)中的OMS調(diào)度報表、關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的量測歷史數(shù)據(jù)、TMR系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)中抽取電網(wǎng)、發(fā)電廠等容器或設(shè)備的電量數(shù)據(jù)，建立源端系統(tǒng)和模型數(shù)據(jù)平臺通用數(shù)據(jù)對象標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)之間表、字段屬性的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]。

（3）告警數(shù)據(jù)：直接從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中抽取歷史告警數(shù)據(jù)，若抽取失敗則發(fā)起數(shù)據(jù)補(bǔ)召。

（4）事件數(shù)據(jù)：從OMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中抽取月度停電計劃、停電事件、設(shè)備故障等事件數(shù)據(jù)，并對需要進(jìn)行調(diào)控云ID映射轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換。

（5）計劃數(shù)據(jù)：從電力調(diào)度控制系統(tǒng)安全Ⅱ區(qū)的發(fā)電計劃模塊中抽取日前、日內(nèi)計劃等，將計劃數(shù)據(jù)打包為CIME文件后通過小郵件方式發(fā)送至安全Ⅲ區(qū)的小郵件服務(wù)器，并進(jìn)行CIME文件解析及ID映射轉(zhuǎn)換。

（6）預(yù)測數(shù)據(jù)：從電力調(diào)度控制系統(tǒng)安全Ⅱ區(qū)的負(fù)荷預(yù)測模塊中抽取短期、超短期預(yù)測等，將預(yù)測數(shù)據(jù)打包為CIME文件后通過小郵件方式發(fā)送至安全Ⅲ區(qū)的小郵件服務(wù)器，并進(jìn)行CIME文件解析及ID映射轉(zhuǎn)換。

（7）環(huán)境數(shù)據(jù)：環(huán)境數(shù)據(jù)從外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中抽取，并進(jìn)行ID映射轉(zhuǎn)換后保存。

1.3 調(diào)控大數(shù)據(jù)整合及存儲

針對上述平臺采集與同步的各類數(shù)據(jù)，如調(diào)控中心/變電站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)/動態(tài)/暫態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)、電網(wǎng)調(diào)度/變電設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)、變電設(shè)備的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)、電氣設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、新能源（水、風(fēng)、光）資源數(shù)據(jù)、火電煙氣排放數(shù)據(jù)、自然環(huán)境（氣象、雷電）變化數(shù)據(jù)等，電力調(diào)控云平臺采用傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫與分布式數(shù)據(jù)庫混合使用的存儲架構(gòu)實現(xiàn)整合與存儲。

1.3.1 分布式存儲

分布式數(shù)據(jù)存儲的硬件架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式存儲架構(gòu)。分布式存儲的硬件采用虛擬化服務(wù)器集群，將數(shù)據(jù)分布存儲于多臺存儲集群服務(wù)器內(nèi)。集群內(nèi)的服務(wù)器提供數(shù)據(jù)塊交叉冗余存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性、可用性，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存取。

1.3.2 調(diào)控大數(shù)據(jù)整合

利用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化支撐大數(shù)據(jù)的實時獲取，主要利用流數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、Hive數(shù)據(jù)庫。

（1）流數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)對海量流數(shù)據(jù)的匯集與處理，支持對流數(shù)據(jù)采集與加工后分發(fā)至各數(shù)據(jù)訂閱端。流數(shù)據(jù)總線為調(diào)控云平臺的系統(tǒng)日志等流數(shù)據(jù)的監(jiān)聽與采集提供技術(shù)支撐。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，如MySQL和關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)換。由于調(diào)控大數(shù)據(jù)融合了不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，源數(shù)據(jù)在不同的系統(tǒng)中采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，匯集后需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（3）Hive數(shù)據(jù)庫支持對大數(shù)據(jù)的查詢功能，可建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文件之間的映射，實現(xiàn)在Hadoop非結(jié)構(gòu)化存儲中存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2 電力調(diào)控云平臺應(yīng)用探索

2.1 調(diào)控大數(shù)據(jù)分析指標(biāo)體系[6]

利用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘方式并進(jìn)行補(bǔ)充和延伸，通過梳理統(tǒng)計現(xiàn)有的指標(biāo)體系，基于融合的海量數(shù)據(jù)建立適用于融合數(shù)據(jù)的指標(biāo)分析體系。

2.1.1 梳理統(tǒng)計現(xiàn)有指標(biāo)

應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫的主題域、主題的數(shù)據(jù)處理概念，對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)（EMS、OMS、PMS等）的運(yùn)行、管理相關(guān)各類指標(biāo)進(jìn)行整理，并結(jié)合各個科室、各個專業(yè)的實際考核指標(biāo)，匯總形成跨各系統(tǒng)、各專業(yè)的綜合指標(biāo)，并進(jìn)一步形成指標(biāo)樹。

2.1.2 建立全新的指標(biāo)評價體系

對各個運(yùn)行管理指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計周期、指標(biāo)的計算原則進(jìn)行分析，按照時間、電壓等級等各個維度建立綜合各專業(yè)、各系統(tǒng)的指標(biāo)評價體系。

2.2 檢修全流程管控

目前，電網(wǎng)檢修全流程需經(jīng)過多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如智能防誤操作票系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)、OMS系統(tǒng)等，業(yè)務(wù)人員在進(jìn)行全流程操作時需跳轉(zhuǎn)各個系統(tǒng)；且各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)等未進(jìn)行融合，如操作票、檢修工作單、調(diào)度指令票等未相互關(guān)聯(lián)，無法對檢修全流程進(jìn)行閉環(huán)管理。本文基于電力調(diào)控云平臺融合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，探索檢修全流程閉環(huán)管控應(yīng)用的建設(shè)。

2.2.1 數(shù)據(jù)接入及管理

（1）與EMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接：由EMS系統(tǒng)接入調(diào)度指令票，解析操作任務(wù)、操作設(shè)備及操作指令信息等，建立EMS系統(tǒng)設(shè)備ID與云平臺設(shè)備ID的映射轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行調(diào)度指令票存儲。

（2）與智能防誤操作票系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接：由智能防誤操作票系統(tǒng)接入順控操作票及監(jiān)控操作票，解析操作任務(wù)、設(shè)備初末狀態(tài)、操作設(shè)備信息等，完成智能操作票系統(tǒng)設(shè)備ID與云平臺設(shè)備ID的映射轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行順控操作票及監(jiān)控操作票存儲。

（3）與OMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接：由OMS系統(tǒng)接入檢修申請單及檢修申請流程信息，完成OMS系統(tǒng)設(shè)備ID與云平臺設(shè)備ID的映射轉(zhuǎn)換，建立檢修申請單與調(diào)度指令票的相互關(guān)聯(lián)并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）與PMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接：由PMS系統(tǒng)接入倒閘操作票及檢修工作單，數(shù)據(jù)接入采用CIME文件或服務(wù)調(diào)用方式，完成PMS系統(tǒng)設(shè)備ID與云平臺設(shè)備ID的映射轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行倒閘操作票及檢修工作單數(shù)據(jù)存儲。

2.2.2 全流程閉環(huán)管控

基于接入的檢修全流程相關(guān)表單及信息，分析各表單及流程間的相互約束關(guān)系，建立電網(wǎng)操作及檢修全流程管控模型。可劃分為以下兩個流程管控模型。

（1）電網(wǎng)操作流程管控模型：梳理電網(wǎng)操作從寫調(diào)度指令票到監(jiān)控操作回令等各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作流程及流程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，建立電網(wǎng)操作流程管控模型。

（2）檢修業(yè)務(wù)流程管控模型：梳理從檢修申請開工到檢修工作終結(jié)等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的檢修流程及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，建立檢修業(yè)務(wù)流程管控模型。

在上述兩個管控模型的基礎(chǔ)上，分析電網(wǎng)操作及檢修全業(yè)務(wù)流程狀態(tài)，實現(xiàn)關(guān)鍵流程閉鎖。

2.3 檢修計劃智能編排及校核

電網(wǎng)檢修計劃的編排及執(zhí)行對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行極其重要，本文基于電力調(diào)控云平臺對檢修計劃的智能輔助編排及校核應(yīng)用進(jìn)行建設(shè)探索。

2.3.1 多時態(tài)電網(wǎng)模型

為支撐中長期檢修計劃的智能編排，需要首先構(gòu)建多時態(tài)的電網(wǎng)模型。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃對未來數(shù)月或一年的電網(wǎng)規(guī)劃模型進(jìn)行建模，并按照時間將模型劃分為實時在投模型、近期準(zhǔn)備投運(yùn)模型、遠(yuǎn)期規(guī)劃模型和歷史退運(yùn)模型。

上述各時態(tài)電網(wǎng)模型的時間屬性將隨著電網(wǎng)的建設(shè)、設(shè)備投運(yùn)、參數(shù)的更新等即時發(fā)生滾動變化，圖2展示了這一變化過程，遠(yuǎn)期規(guī)劃模型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻跍?zhǔn)備投運(yùn)模型，近期準(zhǔn)備投運(yùn)模型變成實時在投模型，同時新的規(guī)劃模型也逐步完成建模。檢修計劃的編制可基于多時態(tài)的電網(wǎng)模型獲取未來時間斷面的全網(wǎng)模型或特定范圍的定制模型。

2.3.2 檢修計劃編排與分析

（1）檢修計劃輔助編排。基于多時態(tài)電網(wǎng)模型的建立，可通過對年度檢修計劃的分析，自動生成月度檢修計劃及日前檢修計劃等，一方面可節(jié)約檢修計劃編排的時間，另一方面可規(guī)避檢修計劃調(diào)整和設(shè)備臨時停電帶來的風(fēng)險。

（2）檢修計劃校核。根據(jù)調(diào)度的檢修計劃校核規(guī)則制訂檢修計劃的校核策略，如工期約束、不可同停約束、重復(fù)停電約束、保供電時期不可停電約束等。在檢修計劃編排后可根據(jù)以上規(guī)則進(jìn)行編排校核。

（3）安全計算校核。如圖3所示，安全計算校核的設(shè)計思路如下：多時態(tài)電網(wǎng)模型與日前/中長期檢修計劃進(jìn)行數(shù)據(jù)整合后，進(jìn)行安全校核計算。安全校核計算主要包括潮流計算、靜態(tài)安全分析，計算后將安全校核計算結(jié)果返回至檢修計劃輔助編排。

1）基態(tài)潮流計算：根據(jù)給定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等元件的運(yùn)行條件，確定未來電網(wǎng)基態(tài)交流潮流分布，包括發(fā)電機(jī)有功/無功出力、線路功率、變壓器負(fù)載、母線電壓等。

2）靜態(tài)安全分析：判斷在出現(xiàn)預(yù)想事故后系統(tǒng)是否會發(fā)生過負(fù)荷或電壓越限。安全校核應(yīng)具備N-1故障分析功能，對電網(wǎng)全部主設(shè)備（包括線路、主變、母線、機(jī)組）包括故障集進(jìn)行N-1開斷掃描，判斷故障后系統(tǒng)是否滿足短時過負(fù)荷能力。線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、直流線的掃描按設(shè)備斷開進(jìn)行；開關(guān)N-1可選擇掃描開關(guān)檢修、出串的3/2接線、母聯(lián)（分段）開關(guān)斷開等開關(guān)跳開會引起特殊拓?fù)渥兓那闆r，母線N-1僅掃描母線檢修單母運(yùn)行的情況。

3 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，調(diào)控數(shù)據(jù)的多樣性、復(fù)雜性不斷提升，本文基于融合大數(shù)據(jù)提出了電力調(diào)控云平臺的建設(shè)思路以及基于云計算技術(shù)的海量融合調(diào)控大數(shù)據(jù)的存儲及整合方案，并對電力調(diào)控云平臺的應(yīng)用功能進(jìn)行了建設(shè)探索。