摘 要： 基于網(wǎng)格技術建立的信息一體化通用支撐平臺，提出了電力網(wǎng)格模型，分析了其功能特點及其具有的超拓撲結構特性，展望了未來的發(fā)展方向。
關鍵詞： 電力系統(tǒng) 網(wǎng)格計算 信息一體化 超拓撲結構
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力體制改革的深化，在電力市場化運營中，為保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質和經濟運行，迫切要求電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)SCADA/EMS、電力市場技術支持系統(tǒng)TMS、電能量計量系統(tǒng)TMR、配電管理系統(tǒng)DMS以及辦公自動化系統(tǒng)OA和MIS等各種電力企業(yè)應用系統(tǒng)的廣泛集成，以滿足信息全面共享、高效運行的要求。為此需要一種先進、開放、可擴展、穩(wěn)定可靠的信息一體化通用支撐平臺，有效隔離上層應用與底層系統(tǒng)，屏蔽底層各種異構系統(tǒng)間的差異，更好地為上層應用服務。
目前，盡管部分電力自動化信息系統(tǒng)之間已經成功地實現(xiàn)了連接[1]，并且也出現(xiàn)了更大范圍內的電力企業(yè)信息一體化平臺[2]，在一定程度上實現(xiàn)了電力企業(yè)應用系統(tǒng)的集成，然而上述方案或多或少都存在不足：集成方法難以推廣以及集成平臺具有局限性。為此，在電力企業(yè)信息一體化平臺研究中，需要重點解決信息難于交換、難于共享的問題，以滿足多級、透明、實時、高效、可靠的操作要求；同時提供分布式高性能數(shù)據(jù)處理與計算平臺，提高電力應用效能，特別是增強電網(wǎng)監(jiān)控的性能。
為實現(xiàn)上述目標，本文針對電力系統(tǒng)中系統(tǒng)種類多、協(xié)作方式多樣、分布、異構、自主控制、動態(tài)變更等特征，基于網(wǎng)格技術建立了信息一體化支撐平臺，描述了電力網(wǎng)格框架結構及功能特點，并進一步指出其超拓撲結構特性，明確了未來研究方向。
1 什么是網(wǎng)格
作為一種新的分布式計算形式，網(wǎng)格可被看作是最強有力的超級計算環(huán)境，包含豐富的計算、數(shù)據(jù)、存儲、設備和儀器等各類資源，用戶可以在任何地方登錄，透明地使用網(wǎng)格中的各種資源求解問題。網(wǎng)格計算包括以網(wǎng)絡為基礎的高性能科學計算、方便靈活的移動計算、豐富多彩的多媒體計算、復雜多變的交易、電子商務等事務處理計算，以及管理、模擬、控制類的智能計算等。網(wǎng)格計算無處不在。
具體地，網(wǎng)格是構筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一組新技術，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠程設備等融為一體，提供更多的資源、功能和交互性，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面聯(lián)通，把整個互聯(lián)網(wǎng)整合成一臺巨大的虛擬超級計算機，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源的全面共享。就如同人們在用電時那樣，只需要插上插頭而不必理會如何發(fā)電，或是由哪個發(fā)電廠供的電。網(wǎng)格可以讓人們在需要時通過單一入口使用計算能力和各種資源，向用戶提供“信息在你指尖”式的服務。
網(wǎng)格技術具有以下特點。
(1)分布與共享。網(wǎng)格資源分布在位置不同的多個地方，能夠提供資源共享，消除信息孤島，可以協(xié)同工作。網(wǎng)絡實現(xiàn)硬件的連通，而網(wǎng)格則實現(xiàn)應用層面的連通。
(2)自相似性。網(wǎng)格的局部在許多地方具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的體現(xiàn)。
(3)動態(tài)性與多樣性。網(wǎng)格可以提供動態(tài)服務，能夠適應變化，解決不同結構、不同類別資源之間的通信和互操作問題。
(4)自治性與管理的多重性。網(wǎng)格允許資源擁有者對其資源進行自主管理，也要求資源必須接受統(tǒng)一管理。
網(wǎng)格系統(tǒng)可以分為3個基本層次：資源層、中間件層和應用層。其中，最為重要的中間件層包括一系列工具和協(xié)議軟件，用于屏蔽網(wǎng)格資源的分布、異構特性，向應用層提供透明、一致的接口，也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)。它是連接網(wǎng)格底層與高層功能的紐帶，是協(xié)調整個網(wǎng)格系統(tǒng)有效運轉的中樞，所涉及的關鍵技術有：高性能調度技術、高吞吐率管理技術、數(shù)據(jù)收集分析以及可視化技術和安全技術等。
網(wǎng)格本質是對大規(guī)模分布資源進行管理，這些在以前的技術中并沒有很好的解決方案?，F(xiàn)有的共享方案，如互聯(lián)網(wǎng)、ASP、Java、CORBA、DCE等，在共享配置的靈活性以及共享資源種類上不能完全滿足虛擬組織的需要，并且這些機制兼容性差。基于Web Services技術的開放網(wǎng)格服務結構OGSA，其一切對外功能都以網(wǎng)格服務來體現(xiàn)，可以屏蔽互聯(lián)網(wǎng)中千差萬別的差異，使信息和服務暢通無阻地在計算機之間流動。用戶訪問網(wǎng)格服務時，根本就無需關心該服務是CORBA提供的，還是.Net提供的。因此，網(wǎng)格是在現(xiàn)有技術之上所建立的更高層次的共享。
鑒于此，各國政府和企業(yè)都在為爭奪網(wǎng)格的制高點積極行動。美國及歐洲走在了全球的前列，其中典型的例子有：美國國家科學基金會資助的NPACI、國家技術網(wǎng)格(NTG)和分布萬億次級計算設施(DTF)等。目前國內也在大力進行網(wǎng)格研究。在國家“863”計劃扶持下，中科院計算所與曙光等國內知名機構聯(lián)手研究網(wǎng)格的關鍵性技術，已經獲得重大進展。
2 信息一體化平臺與電力網(wǎng)格
2.1 模型結構
建設電力企業(yè)應用系統(tǒng)需要考慮其先進性、開放性、可擴展性和穩(wěn)定可靠性等，需要一體化的通用支撐平臺。支撐系統(tǒng)的好壞是衡量一套系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要因素。對一套系統(tǒng)來說，具體功能的多少并不是評價它的主要指標，最重要的是系統(tǒng)的開放性、功能增減是否方便、與其他系統(tǒng)進行網(wǎng)絡互聯(lián)是否容易、能否用現(xiàn)有的商用軟件來實現(xiàn)用戶所要求的一些特殊功能等。所有這一切都依賴于底層支撐系統(tǒng)的設計[4]。本文基于網(wǎng)格技術建立了這一平臺，形成了如圖1所示的電力網(wǎng)格模型。
(1)電力網(wǎng)格資源層
電力系統(tǒng)中各種可用來共享的網(wǎng)絡資源，涵蓋SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各種系統(tǒng)網(wǎng)絡計算機、儀器、存儲設備等硬件資源以及數(shù)據(jù)、軟件、操作人員等。為實現(xiàn)各種資源的廣泛共享，提供了與特定資源相關的功能，對上面的需求提供統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)對資源層的有效控制，以便于對資源的訪問。
(2)電力網(wǎng)格中間件
利用高性能調度技術、高吞吐率管理技術、數(shù)據(jù)收集分析以及可視化技術、安全技術等屏蔽分布、異構的電力網(wǎng)格資源，向應用層提供透明、一致的接口，并提供用戶編程接口和相應的環(huán)境，以支持電力網(wǎng)格應用的開發(fā)。同時，為實現(xiàn)電力企業(yè)應用軟件的“即插即用”，具備良好的通用性和擴展性，解決系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換問題，實時或離線地集成新建或遺留的異構應用系統(tǒng)，本文采用了國際標準IEC61968和IEC61970，以公共信息模型CIM描述電網(wǎng)的公用信息、以組件接口規(guī)范CIS訪問電網(wǎng)的公用信息，提供了標準化的數(shù)據(jù)訪問接口和資源表示方式，盡量減少對原有系統(tǒng)的影響，并保證互連系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全性。
(3)電力網(wǎng)格應用層
提供SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各種電力企業(yè)應用系統(tǒng)的一體化集成實現(xiàn)方式，不僅可以繼承原有各種系統(tǒng)，而且為便于使用電力網(wǎng)格各種功能提出集成、高效的網(wǎng)格開發(fā)環(huán)境、工具和門戶。
2.2 電力網(wǎng)格的超拓撲結構特性
由于網(wǎng)格具有自相似性，網(wǎng)格的建設與規(guī)模大小無關。因此一個單獨的電力機構可以構成一個網(wǎng)格，具有隸屬關系的多級電力機構之間也可以共同構成一個更大范圍的網(wǎng)格，并且上層網(wǎng)格可由下層網(wǎng)格組成。這一特性也就是超拓撲結構特性。
在超拓撲結構中，既可以把下一層面的超拓撲結構圖抽象為上一層面的一個超結點或超線段，用來研究作為一個整體結構中與其他超結點的關系；又可以把上一層面的超結點或超線段展開為下一層面的超拓撲結構圖，用來研究超結點或超線段的內部結構關系。超拓撲結構的“超”就體現(xiàn)在這種超結點或超線段向下的“細化與分層”和向上的“抽象與包容”特性中。
對應于電力系統(tǒng)的分層、分級管理，電力網(wǎng)格也具有分層、分級管理的特點，所有的計算和管理資源都按電力系統(tǒng)生產和管理的層次結構來組織，動態(tài)地形成國家級、省級、地級等多個網(wǎng)格層次。由此可見，各級電力企業(yè)之間也構成了一種超拓撲結構關系。以調度中心為例，可以形成如圖2所示的超拓撲結構圖。
國調作為超拓撲結構圖的最高抽象結點，總攬全局，在全國范圍內統(tǒng)一進行調度指揮；網(wǎng)調作為超拓撲結構圖第二層結點，不但服從上層結點（國調）的指揮，同時肩負著本網(wǎng)內的調度任務；同樣，省調作為第三層結點，不但服從上級結點（網(wǎng)調）的指揮，同時肩負著本省內的調度任務。類似地，還有地調和縣調。
就電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)而言，所需部分數(shù)據(jù)需要由鄰網(wǎng)提供，而目前這些數(shù)據(jù)只能靠人工設定，易產生不同步情況，繼而導致電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生。這是普遍存在的問題。如果構建電力網(wǎng)格則可以避免等值模型所導致的預測誤差，可以進一步推動在線動態(tài)安全分析實用化，也就可以避免電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生。
此外，隨著電力市場化體制改革的進一步深入，為優(yōu)化利用全國資源，立足我國電網(wǎng)現(xiàn)狀，面向電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，我國電力市場將分為國家電力市場、區(qū)域電力市場、省級電力市場三級進行分層分區(qū)運營，這也體現(xiàn)了電力網(wǎng)格的超拓撲結構特性。
2.3 電力網(wǎng)格特點
電力網(wǎng)格之所以能夠避免電網(wǎng)大規(guī)模事故的發(fā)生，解決電力系統(tǒng)固有的頑疾，是因為它具有如下特點。
(1)開放性。同時滿足分布性、可移植性和互操作性，是開放性最好的體系結構。符合國際標準，能連通和跨越各類軟硬件計算平臺，完成各類軟件、算法對各類異構數(shù)據(jù)的存儲、計算，實現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的無縫整合。
(2)自組織。實時動態(tài)地監(jiān)視、管理、維護所有的資源并對其性能進行評估，使系統(tǒng)的資源能高效地用于最緊要的任務。
(3)協(xié)同性。電力網(wǎng)格結點可以共同處理一個任務，并將結果返回給請求結點，給用戶提供完全透明的計算環(huán)境，避免大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上傳輸，大大提高了執(zhí)行效率。
(4)自治性。各結點進行自主管理，又不改變原有的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議與服務等。
(5)安全與容錯。以登錄認證、安全性認證等多種手段和措施確保電力信息安全與系統(tǒng)安全，并支持例外處理，在任何一個服務或計算機因出現(xiàn)故障而無法工作時仍能繼續(xù)工作。
(6)易用性。圖形化的操作界面，豐富的用戶接口和編程環(huán)境，Web方式，用戶可以通過單一入口隨時隨地使用系統(tǒng)資源，最終實現(xiàn)服務點播。
(7)靈活性。遠程結點可以靈活自由地加入或退出系統(tǒng)。
2.4 進一步的研究內容與方向
盡管基于信息一體化平臺的電力網(wǎng)格呈現(xiàn)出許多喜人的優(yōu)越性，然而作為一種新生事物，有不少地方亟待深入探索和研究。
(1)如何描述信息、存儲信息、發(fā)布信息和查找信息；如何對信息加密，防止信息泄露等。
(2)為提高資源的描述、組織和管理性能，根據(jù)當前系統(tǒng)的負載情況，對任務進行有效調度，提高系統(tǒng)的運行效率，應該研究適合電力系統(tǒng)的高性能資源管理、任務管理和調度算法。
(3)鑒于電力系統(tǒng)計算的復雜性，應滿足電力系統(tǒng)計算在大規(guī)模分布式、異構數(shù)據(jù)、異構平臺、異構軟件、分層計算等方面的要求，建立基于網(wǎng)格的電力系統(tǒng)分布式算法，如潮流計算、安全分析、狀態(tài)估計等分布式在線網(wǎng)絡分析算法。
(4)研究和制定電力網(wǎng)格技術標準與接口規(guī)范，滿足電力系統(tǒng)應用軟件之間的互操作要求以及電力系統(tǒng)軟件與電力網(wǎng)格中間件之間的信息交換要求。
(5)對于電力系統(tǒng)來說，安全可靠運行是第一位的。電力網(wǎng)格各個部分都涉及到安全技術，如認證、授權、記賬、審計、完整性等，因此應該提供可靠性高的安全模型與技術，保證系統(tǒng)資源、資料不受損失，并能承受各種網(wǎng)絡攻擊。
(6)為有效檢測電力網(wǎng)格服務質量，應建立性能評價體系，以滿足電網(wǎng)監(jiān)控實時性、安全性和可靠性的要求。
(7)研究新的策略以保證在電力網(wǎng)格規(guī)模不斷擴大、應用不斷增長的情況下，性能不降低。
(8)在電力網(wǎng)格中，當資源出現(xiàn)故障或失敗時，為保證任務仍然能夠正確無誤地執(zhí)行，應研究自動故障檢測和恢復的方法，以提高動態(tài)自適應性。
(9)為提高電力網(wǎng)格的應用性能，需要對性能數(shù)據(jù)加以分析，為此需要研究適合電力性能分析和監(jiān)測的方法。同時，為從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息，幫助用戶擺脫理解數(shù)據(jù)的困難，需要開發(fā)直觀可視化的工具和友好的用戶界面，便于用戶在任何位置、任何平臺上使用系統(tǒng)資源。
3 展 望
電力是時刻不可缺少的重要生產和生活資料，電網(wǎng)瓦解和大面積停電會給國家?guī)砭薮蠼洕鷵p失，影響人民正常生活秩序。為早日實現(xiàn)我國“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”這一宏偉戰(zhàn)略目標，目前我國電力系統(tǒng)正處于高速發(fā)展時期，一個超大規(guī)模的全國互聯(lián)電網(wǎng)正在出現(xiàn)，與此同時也產生了新的安全穩(wěn)定問題。同時，在“廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)”的前提下，為深化電力市場改革，如何保證電網(wǎng)的可持續(xù)性發(fā)展，形成完善的電力市場，也已成為亟待解決的緊要問題。這些都離不開科研工作者大膽地探索。本文提出的基于信息一體化平臺的電力網(wǎng)格將為實現(xiàn)這一目標起到良好的作用。
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