云計算技術(shù)在電力調(diào)度中的應(yīng)用

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)模及種類不斷擴充,調(diào)控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行數(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)。但目前這些數(shù)據(jù)獨立存在于上述的各類系統(tǒng),維護獨立、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)進行開發(fā)及挖掘,并在此基礎(chǔ)上進行新型電力調(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(IaaP)、云中間管理層(IaaP)及云應(yīng)用服務(wù)層(PaaP)。

(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,基于安全防護的角度考慮,將電力調(diào)控云平臺部署于安全m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EMP(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。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EMP前置獲取實時數(shù)據(jù),進行消息打包: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。

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(500kV、220kV、110kV、35kV)的設(shè)備模型和拓撲關(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)運行數(shù)據(jù)進行抽取、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)對象標準結(jié)構(gòu)之間表、字段屬性的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(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),并對需要進行調(diào)控云ID映射轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行關(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)進行相互轉(zhuǎn)換,如Mys0L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Ha4oop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)分析指標體系

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

2.1.1梳理統(tǒng)計現(xiàn)有指標

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)的運行、管理相關(guān)各類指標進行整理,并結(jié)合各個科室、各個專業(yè)的實際考核指標,匯總形成跨各系統(tǒng)、各專業(yè)的綜合指標,并進一步形成指標樹。

2.1.2建立全新的指標評價體系

對各個運行管理指標的數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計周期、指標的計算原則進行分析,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?？蓜澐譃橐韵聝蓚€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)劃模型進行建模,并按照時間將模型劃分為實時在投模型、近期準備投運模型、遠期規(guī)劃模型和歷史退運模型。

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、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,遠期規(guī)劃模型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻跍蕚渫哆\模型,近期準備投運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?；诙鄷r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/中長期檢修計劃進行數(shù)據(jù)整合后,進行安全校核計算。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、負荷等元件的運行條件,確定未來電網(wǎng)基態(tài)交流潮流分布,包括發(fā)電機有功/無功出力、線路功率、變壓器負載、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、機組)包括故障集進行N-1開斷掃描,判斷故障后系統(tǒng)是否滿足短時過負荷能力。線路、變壓器、發(fā)電機、直流線的掃描按設(shè)備斷開進行;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)跳開會引起特殊拓撲變化的情況,母線N-1僅掃描母線檢修單母運行的情況。

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)用功能進行了建設(shè)探索。