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探讨面向智能电网应用的云计算架构

发布时间:2017-12-08 10:54:00 文章来源:未来智库    
    引言
       随着全球资源与环境压力的不断增加以及对供电可靠性和电能质量要求的不断提升,要求未来的电网要更加安全、可靠、经济和高效,为此,建设适应经济社会发展的智能电网已成为国际电力工业界的普遍选择,智能电网技术体现了当今世界电力行业发展的最新方向。
       伴随电网技术的发展进步,电力系统中的数据量和信息量将迅速增长,各类信息间的关联度也将更加紧密,而现有电力系统的硬件设施、计算能力和信息处理能力难以满足智能电网在线分析及实时控制对计算和存储能力的要求,这给系统的运行、分析和决策带来巨大挑战。作为崭新计算模式的云计算,基于大量分布式计算机分布计算任务,并将处理器计算能力与数据资源整合在一起,具备强大计算和存储能力,同时具备高可靠性、强容错能力和易于扩展等优势,适宜用来解决智能电网发展进程中所引发的一系列新问题。
       研究并构建而向智能电网应用的云计算架构,旨在充分整合电力系统内部数据资源、存储资源和计算能力,增强电网扩展性以及在线分析与实时控制能力,降低电力系统硬件基础设施投资成本与电网扩建成本,为智能电网建设提供重要技术支撑。
       1智能电网概述
       智能电网即电网智能化,是建立在集成、高速双向通信网络的基础上,基于先进的传感与测量技术、信息通信技术、控制技术以及决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效和环境友好,提供满足21世纪用户需求的电能质量,允许各种不同发电形式的接入,启动电力市场以及资产的优化高效运行。
       从智能电网的概念可以看出,电网是电力传输的主体,信息技术将电力系统从一个刚性、分等级的系统改变为完全自动化的供电网络,电能和信息在发电站和用电装置之间以及所有节点之间可双向流动。
       智能电网的智能化主要体现在3个层而:首先是运用传感器对发、输、配、供电等环节的日常运行及突发情况进行实时监控,收集设备运行状态、用户用电情况等数据;然后把获得的海量数据通过分布式网络系统进行有效整合;再使用专业软件系统对上报的数据进行深度挖掘分析、处理、展示,提供决策支持,优化整个电力市场运营。与传统电网相比,智能电网具有以下显著特点。
       1)自愈性。智能电网无需或仅需少量人工干预,即可实现电力网络中问题元器件的隔离或使其恢复正常运行,最小化或避免用户的供电中断。
       2)互动性。让用户主动参与电力市场的管理、上传电网问题,提供分时电价供用户选择,灵活开展电力交易,避开用电高峰,减少对电网冲击,节约用电,实现资源优化配置,保证电能质量。
       3)兼容性。智能电网可以容纳包含集中式发电在内的多种不同类型的发电,如光伏、风电等,甚至是储能装置,实现可再生能源发电、分布式发电与中央集中式发电的全而集成。
       4)协调性。智能电网有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平,与批发电力市场甚至是零售电力市场实现无缝衔接,促进电力市场竞争效率的提高。
       5)优化性。智能电网可根据电网数据,合理安排设备运行与检修,实现全寿命周期环节的优化,包括资产规划、建设、运行维护等,提高资产的使用效率,有效降低资产运行与维护成本。
       由此可见,智能电网下的信息量剧增,对可靠性与实时性的要求也更高,对于这些分布式与多源异构的海量信息,运用常规数据存储与管理方法难以有效处理,故而迫切需要引入新的技术和解决思路,为智能电网发展提供支撑。
       2云计算概述
       2.1 云计算概念
       云计算是继20世纪80年代大型计算机到客户端一服务器大转变之后的又一巨变,云计算的出现并非偶然,早在20世纪60年代,美国的约翰麦卡锡就提出了把计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户的理念,这成为云计算思想的起源。
       在20世纪80年代网格计算、90年代公用计算、21世纪初虚拟化技术、而向服务架构等应用的支撑下,云计算作为一种新兴的资源使用和交付模式逐渐被学界和产业界所认知。
       2006年8月9日,谷歌时任总裁埃里克施密特于美国圣何塞召开的搜索引擎大会上首次提出云计算的概念,目前对于云计算的认识还在不断发展和完善,比较一致地认为云计算是一种基于网络与虚拟化技术,以服务形式供用户使用的业务使用与交付模式,包含人、设备、应用程序等所有连接互联网的实体,以及硬件、软件、平台、服务等资源,使用者通过网络随时获取、使用、扩展所需资源,且资源在使用者看来可无限扩展,并按相关使用支付费用。
       2.2 云计算服务层级和范同划分
       云计算包含基础设施即服务(Infrastructure as a Service, IaaS)、平台即服务(Platform as a Service,PaaS)以及软件即服务(Software as a Service, SaaS ) oIaaS } PaaS } SaaS分别在基础设施层、软件开放运行平台层、应用软件层实现。
       2.3云计算主要显著特征
       由云计算的概念定义、服务层级和范围划分进一步分析总结,其具有以下主要显著特征。
       1)依托虚拟化技术以快速部署资源。作为云计算技术基础的虚拟化技术,将包括服务器、网络、存储设备在内的底层硬件全而虚拟化,根据不同的业务需求,建立资源共享、分配和管控的平台,其随需而选且各种应用间相互隔离,为用户提供以服务为导向的云计算服务。
       2)动态化的资源配置以及可伸缩扩展。按需动态划分与释放不同资源并提供服务,通过增加可用资源匹配增加的需求,且快速而弹性地供给资源,另外,可释放用户不再使用的资源,实现资源运用的可伸缩扩展。
       3)自助化的需求服务。无需同供应商交互,用户即可以自助方式获得所需的资源服务以及应用服务目录。
       4)可计量化的服务。以计量的方式控制和优化资源的使用和配置,以满足不同的用户服务类型。
       5)以网络为中心。云计算的组件和整体构架由网络连接在一起并存在于网络中,同时通过网络向用户提供服务,用户借助不同的终端设备,通过标准的应用实现对网络的访问,从而使云计算的服务无处不在。
       6)资源的池化和透明化。对云服务提供商而言,各种底层资源(计算、存储、网络、资源逻辑等)的异构性被屏蔽,边界被打破,所有的资源可以被统一管理和调度,成为资源池,为用户提供按需服务;对用户而言,这些资源是透明的,用户无需了解内部结构,只需关注自己的需求即可。
       3智能电网的云计算架构
       3.1可行性分析
       如前所述,智能电网规模大、模型复杂、信息系统种类繁多、用户服务请求巨大、数据呈现海量化,特别是随着可再生能源的不断发展以及逐渐接入电网,电网将呈现出更高复杂性、更大规模、更广分布的特点。以下结合虚拟化、分布式存储与数据管理、并行编程等云计算特点,论述而向智能电网应用的云计算架构构建的可行性。
       1)云计算基于多种虚拟化技术,将不同类型资源抽象成服务形式,如网络、存储、服务器等虚拟化技术,充分整合现有电力系统计算资源与数据业务,用不同方法屏蔽不同服务基础设施、软件以及操作系统差异,并支持广泛企业计算,以业务协同以及互操作信息平台,满足数据中心建设需要以及信息与资源的集成和共享,且依托平台管理技术,方便快速发现和恢复系统存在的故障。
       2)采用分布式存储储存海量数据,数据可靠性以冗余存储方式加以保证,采用数据管理技术高效管理智能电网中类型不同、性能要求不同的各类多元数据,满足智能电网对分布的、种类众多的数据进行处理和分析需要。
       3)支持并提供并行算法及编程模式,可为智能电网的系统级计算提供高性能并行处理能力。因此,对于智能电网环境下整合异构资源、分布式存储海量数据以及快速并行计算等方面面临的问题,云计算可加以有效解决,云计算架构在智能电网应用中的构建是可行的。
       3.2 架构组成
       根据云计算体系结构特点,并结合智能电网实际应用需求,面向智能电网应用的云计算架构包含主云、子云分级下的 4 个层次:云计算基础设施层、云计算平台层、云计算应用软件集合层以及云计算服务访问层。智能电网系统结构庞大且分布广,如果任何一个小节点或计算机终端的计算要求都提交到整个系统云中分配,则中心压力会加大且权限的判定也较繁琐,网络容易阻塞且意义不大。由于电力系统分级管理、分层控制的层次很清晰,故而可通过级别建立主云和子云来限定权限和提供资源分配,减少系统内部不必要的权限管理和资源调配,使云计算的资源使用更为合理,同时满足智能电网海量信息及高实时性要求。云计算中云处理资源池来自于各级电网计算与存储资源,资源池与大量子云内计算资源构成云计算网络,各子云可直接与资源池互动以提供或获取相关资源,还可与其他关联子云互动通信。
       1)云计算基础设施层。包括基础设施物理层存储和基础设施层管理,是经虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合。物理层存储是云计算架构的网络物理设备和存储的基础,基于嵌入式云端技术实现全面互联的物理资源,并将物理资源接入网络,同时为云资源调用以及虚拟资源封装提供接口。基础设施层管理基于虚拟化技术以及集群与分布式系统抽象硬件资源,提供动态且灵活的外部基础设施层服务,实现数据的备份与加密、存储设备的协同工作、负载的管理与自动化的内部流程、以及资源部署和管理的优化,在资源利用率得到提高的同时,可使管理人员专注于维护业务系统及虚拟机,并从繁重的硬件、中间件以及操作系统的管理工作中摆脱出来,实现数据中心管理与维护的大大简化。
       2)云计算平台层。该层位于基础设施层之上,集合了可重用性与通用性的软件资源,采用虚拟机为单位构建数据库服务器、应用服务器以及 Web 服务器集群,为数据中心提供运行环境及面向用户的应用编程接口、软件开发平台与软件开发套件,基于分布式文件系统、数据处理系统、数据分析工具以及数据库管理系统大规模存储智能电网的海量数据,且可运用已有企业服务总线集成与共享相关业务系统中的数据,如状态监测、营销管理与安全生产等。
       4结语
       智能电网依托信息技术,共享与运用各类信息,实现用户对电能流与信息流的互动操作、以及设备与电网运行状态的实时监控,进一步提高供电的可靠性和效率。
       云计算通过集成大量异构的分布式计算资源,具备强大的计算和存储能力,结合智能电网研究现状和发展趋势,构建了而向智能电网应用的云计算架构,实现对电力系统的全方位监控和智能化统一管理,除了提供计算与存储能力支持外,该架构还具有可扩展性强、硬件投资少、便于软件开发和升级、便于用户使用等诸多优点,适合未来智能电网的发展应用。
       智能电网在为电网发展指明方向的同时,也为云计算提供应用基础、条件和契机,而云计算强大的处理能力也为智能电网提供了进一步发展的空间,但云计算技术还在不断发展之中,其在智能电网中的应用也才刚刚起步,与云计算相适应的电力系统分析并行算法、云计算的负荷分配、以及云计算的安全性等仍有待进一步深入研究。
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