引言

    隨著電力系統(tǒng)互聯(lián)程度的加強和遠距離輸電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，能覆蓋一個甚至多個國家的超大規(guī)模電力系統(tǒng)正在不斷出現(xiàn)。電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和結(jié)構(gòu)的日趨復雜使得安全評估、安全與經(jīng)濟運行、系統(tǒng)控制變得越發(fā)困難。此外，最近2 年在世界范圍內(nèi)成為熱潮的電力系統(tǒng)“智能化”趨勢也給現(xiàn)有的電力系統(tǒng)分析計算和控制工具帶來了極大挑戰(zhàn)。根據(jù)美國能源部的定義，智能電網(wǎng)應(yīng)具有若干重要特征:有很強的自愈性，并能夠抵御外來攻擊;能有效支持大規(guī)模的間歇性可再生能源和分布式電源的接入;能保證供電的可靠性和電能質(zhì)量;能促進電力市場的公平和有效運行;能促進用戶參與等。要滿足上述要求，未來的電力系統(tǒng)調(diào)度中心應(yīng)具有強大的計算能力和信息采集、集成、分析功能。現(xiàn)有的集中式電力系統(tǒng)計算平臺難以滿足上述要求，這已經(jīng)成為了實現(xiàn)智能電網(wǎng)的主要瓶頸之一。

    電力系統(tǒng)分析與計算的特點是計算任務(wù)種類繁多且對實時性要求很高。在很多情況下，為了實現(xiàn)在線計算，不得不對問題的數(shù)學模型作大量簡化，這自然就犧牲了計算結(jié)果的準確性。對一些計算量很大的分析計算，如長過程動態(tài)仿真，通常只能進行離線計算，其結(jié)果是所產(chǎn)生的控制策略只對預先設(shè)定的工況有效，而難以應(yīng)對各種突發(fā)事件。目前電力系統(tǒng)的分析計算一般依賴位于調(diào)度中心的集中式計算平臺，對于大規(guī)模電力系統(tǒng)，其計算能力受限，且可擴展性差，升級成本高。未來的電力信息系統(tǒng)面臨的另一個重大挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)存儲和分析能力的嚴重不足。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控( SCADA) 系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時一般止于變電站級別，且數(shù)據(jù)采樣頻率較低。在未來的電力系統(tǒng)中，不僅SCADA 系統(tǒng)的采樣頻率需要明顯提高，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的范圍也將大大擴展。相量測量單元( PMU) 、智能電表，甚至各種智能家電的嵌入式系統(tǒng)都可能向調(diào)度中心提供大量的實時系統(tǒng)信息。由上述各種傳感器所組成的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將是非常驚人的，以電力系統(tǒng)現(xiàn)有的信息處理能力將不足以完成對海量數(shù)據(jù)流的存儲和分析功能。總之，電力系統(tǒng)現(xiàn)有的計算和信息處理平臺不足以支持智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，構(gòu)建新的電力系統(tǒng)計算平臺就成為值得考慮的重要問題。

    云計算(cloud comp uting) 是近年來得到快速發(fā)展的一種嶄新的計算模式，是若干新計算技術(shù)的統(tǒng)稱。到目前為止，對于云計算，尚沒有來自權(quán)威機構(gòu)的標準定義。一般認為，云計算代表了一種基于Internet 的大規(guī)模分布式的計算模式。云計算首先利用Internet 將各種廣域異構(gòu)計算資源整合，以形成一個抽象的、虛擬的和可動態(tài)擴展的計算資源池;再通過Internet 向用戶按需(on demand) 提供計算能力、存儲能力、軟件平臺和應(yīng)用軟件等服務(wù)。通過建立電力系統(tǒng)云計算平臺，可以有效整合系統(tǒng)中現(xiàn)有的計算資源，為各種分析計算任務(wù)提供強大的計算與存儲能力支持。云計算能支持各種異構(gòu)計算資源，與集中式的超級計算機相比，其可擴展性很強，且可以在現(xiàn)有計算能力不足時方便地升級。此外，與傳統(tǒng)的計算模式相比，云計算還具有便于信息集成和分析，便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用等優(yōu)點。總之，建立基于云計算的電力系統(tǒng)核心計算平臺，可以有效解決前已述及的未來電力系統(tǒng)在計算和信息處理方面所遇到的一些重要挑戰(zhàn)。本文下面將針對云計算的定義、特征、技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、在電力系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用前景等問題進行詳細討論。

1 云計算概述

    1. 1 定義與主要特征

    由于云計算仍處于其發(fā)展的早期階段，其定義還在不斷的發(fā)展和完善之中。文獻[2]中所給出的定義如下:云計算是一種大規(guī)模分布式計算模式;通過云計算可以形成一個抽象的、虛擬的、可動態(tài)擴展的資源池，該資源池可以通過Internet 向用戶按需提供計算能力、存儲能力、開發(fā)平臺和軟件等服務(wù)。與傳統(tǒng)的計算模式相比，云計算有以下幾個主要特征 :

    1) 能夠整合大規(guī)模異構(gòu)計算資源

    傳統(tǒng)的分布式計算一般僅能應(yīng)用于一個小范圍的計算網(wǎng)絡(luò)(如局域網(wǎng)) ， 且對計算資源的同構(gòu)性要求較高，難以處理在計算和存儲能力、操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺等方面存在很大差異的計算資源。而通過云計算則可以整合分布在一個廣闊地域內(nèi)的、分屬于若干個組織的計算資源，形成一個功能非常強大的計算和存儲平臺。另外，云計算并不要求計算設(shè)備在硬件或軟件上具有很強的共性，絕大部分計算設(shè)備都可以被整合成為云計算平臺的一部分。

    2) 易于動態(tài)擴展

    可擴展性是云計算與傳統(tǒng)計算模式相比的最大優(yōu)勢之一。由于云計算能夠集成硬件種類、網(wǎng)絡(luò)類型、操作系統(tǒng)、軟件平臺等各不相同的各種計算設(shè)備，因此，在需要時云計算平臺的計算和存儲能力可以得到方便和快速的擴展。與傳統(tǒng)計算平臺需要幾天甚至幾個星期的系統(tǒng)升級時間相比，云計算平臺的升級一般僅需要幾分鐘，且可以在不影響系統(tǒng)整體運行的情況下動態(tài)進行。此外，云計算平臺可以建立在現(xiàn)有的硬件基礎(chǔ)上， 在升級時也只需按照需求增添相應(yīng)的設(shè)備，而不需要像升級傳統(tǒng)計算平臺那樣將設(shè)備完全更換，從而可節(jié)省大量硬件購置成本。

    3) 虛擬化與服務(wù)

    虛擬化也是云計算的一個重要特征。無論一個云計算平臺實際整合了多少計算設(shè)備，在用戶看來其就是一個單一實體，也是獲得計算服務(wù)的唯一接口。由于應(yīng)用了虛擬化技術(shù)，云計算平臺既可以將多個計算任務(wù)放在同一臺功能強大的設(shè)備(如大型工作站) 上運行，也可以將一個計算任務(wù)拆分成若干部分，分別在多臺設(shè)備上運行。這樣，就可以最大限度地利用系統(tǒng)內(nèi)的閑置計算資源。此外，通過利用虛擬化技術(shù)，云計算平臺可以根據(jù)客戶的需求動態(tài)分配計算資源和構(gòu)造系統(tǒng)平臺。此外，若干設(shè)備的故障不影響云計算平臺整體運行，也不會中斷向用戶提供服務(wù)。

    云計算可以利用虛擬化技術(shù)將各種不同類型的計算資源抽象成服務(wù)的形式向用戶提供。一般將服務(wù)分為3 個不同的層次，分別稱為基礎(chǔ)設(shè)施級服務(wù)(inf rast ruct ure as a service ， IaaS) 、平臺級服務(wù)(platform as a service ， PaaS ) 和軟件級服務(wù)( sof tware as a service ， SaaS) ， 統(tǒng)稱為XaaS。IaaS 根據(jù)用戶需求向用戶動態(tài)分配計算和存儲能力。通過IaaS ，用戶相當于獲得了一臺計算和存儲能力可以實時擴展的超級計算機。PaaS 在IaaS 的基礎(chǔ)上，還向用戶提供了一個用于軟件開發(fā)和測試的平臺。用戶可以通過Internet 直接在PaaS 提供的平臺上開發(fā)應(yīng)用軟件，并可以很方便地將軟件發(fā)布在云計算平臺上供其他用戶使用。SaaS 則是在IaaS 的基礎(chǔ)上，讓用戶可以通過Internet 直接訪問云計算平臺上的應(yīng)用軟件，而不需要在本地計算機上安裝該應(yīng)用軟件，這免去了用戶安裝、維護、升級本地應(yīng)用軟件的麻煩。在這方面，XaaS 帶來的最大好處在于用戶絕大部分的計算任務(wù)都將在云計算平臺上完成。因此，用戶終端不再需要有很強的計算和存儲能力，只要能夠接入Internet ，就可以方便地使用云計算平臺上的各種軟件。具體到電力系統(tǒng)，研究或系統(tǒng)運行人員可以基于云計算平臺的XaaS功能，利用多種不同的終端，如臺式計算機、便攜式計算機甚至手機，在任意地點完成各種電力系統(tǒng)分析任務(wù)或?qū)崟r監(jiān)控整個電力系統(tǒng)的運行狀況。

    4) 以Internet 為基礎(chǔ)的通信平臺

    與傳統(tǒng)分布式計算不同，云計算通過Internet進行各個設(shè)備之間的通信。由于Internet 已經(jīng)有了非常成熟的標準、體系和技術(shù)，這在很大程度上保證了云計算系統(tǒng)通信的可靠性和安全性。此外，由于云計算建立在國際通行的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，這使得其易于與各種流行的軟件開發(fā)技術(shù)集成。

    5) 有很強的規(guī)模經(jīng)濟效益

    經(jīng)濟效益是推動云計算研究與應(yīng)用的重要動力。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中存在大量閑置的計算和存儲資源。利用云計算可以將閑置資源整合，減少在信息設(shè)備上的投入。前已述及，在需要升級時，云計算平臺的投資一般也大大低于傳統(tǒng)計算平臺。此外，目前各省電力公司都有各自獨立的計算平臺，且功能非常相似。這造成了電力信息系統(tǒng)的重復建設(shè)和資源浪費。未來可以考慮將各個獨立的計算平臺進行整合，形成區(qū)域性甚至全國性的電力系統(tǒng)云計算平臺。這樣做可以大大減少整個電力系統(tǒng)在信息系統(tǒng)方面的投資。另一方面，也有利于促進各省級電力系統(tǒng)之間的協(xié)作和信息共享，實現(xiàn)大范圍內(nèi)電力系統(tǒng)的安全與優(yōu)化運行。

    1. 2 云計算和網(wǎng)格計算的比較

    云計算常常被與另一種分布式計算模式，即網(wǎng)格計算相互混淆。從計算模式發(fā)展歷史的角度看，云計算是傳統(tǒng)分布式計算和網(wǎng)格計算的進一步發(fā)展。雖然云計算與網(wǎng)格計算都涉及到利用虛擬化技術(shù)整合計算資源，但兩者的抽象層次明顯不同。網(wǎng)格計算主要關(guān)注基礎(chǔ)計算設(shè)施，其目的僅限于將計算和存儲資源整合以處理對計算資源要求很高的任務(wù)，這相當于云計算中的IaaS 服務(wù)。云計算則將系統(tǒng)平臺和軟件也抽象成服務(wù)提供給用戶。這除了能提供更強的計算能力，還能改變傳統(tǒng)的軟件開發(fā)、維護、升級和用戶使用的模式，提高信息系統(tǒng)的總體使用效率，同時減少信息系統(tǒng)投資。具體地講，云計算和網(wǎng)格計算還在下述幾個方面存在顯著區(qū)別:

    1) 商用模式

    現(xiàn)有網(wǎng)格計算的商用模式是面向項目的(project2oriented) 。一個網(wǎng)格計算平臺通常是為了某個特定的計算任務(wù)而建立的，其整合的計算資源一般也僅用于解決該特定任務(wù)。這樣的模式較為適合非盈利性的科學計算任務(wù)。與網(wǎng)格計算不同，在云計算中，由于提高了抽象程度，其成為一個通用的計算平臺，這使得很多用戶的應(yīng)用軟件都可以通過云計算平臺這個單一的門戶進行訪問。云計算平臺將在各個軟件之間動態(tài)地分配計算資源，以實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

    2) 數(shù)據(jù)本地性

    對于云計算和網(wǎng)格計算這樣的Internet 級別的分布式計算，由于整合了眾多的計算設(shè)備，計算能力已不再是制約計算速度的瓶頸。由于數(shù)據(jù)在Internet 上的通信時間通常要大大超過數(shù)據(jù)在單機系統(tǒng)中的通信時間，因此，盡量縮短數(shù)據(jù)在Internet上的通信時間就成為了提高計算速度的關(guān)鍵。云計算在存儲數(shù)據(jù)時，一般采用分塊(chunk) 存儲方式。在分配計算任務(wù)時，如果一個計算任務(wù)需要訪問某特定數(shù)據(jù)塊，云計算會將該任務(wù)盡量分配給和存儲該數(shù)據(jù)塊的節(jié)點最接近的節(jié)點。這就是所謂的數(shù)據(jù)本地性(data locality) 原則。這樣，云計算可以更好地解決數(shù)據(jù)通信時間問題。另一方面，現(xiàn)有的網(wǎng)格計算平臺一般采用共享文件系統(tǒng)( sharedfile system) 的形式存儲數(shù)據(jù)， 這導致網(wǎng)格計算平臺難以根據(jù)數(shù)據(jù)本地性原則來分配任務(wù)，從而降低了計算速度。

    3) 軟件開發(fā)和使用的便利性

    前已述及，云計算和網(wǎng)格計算的一個顯著區(qū)別在于云計算的抽象層次更高。云計算將系統(tǒng)平臺和應(yīng)用軟件也抽象成了服務(wù)。更通俗地講，云計算為應(yīng)用軟件的開發(fā)者提供了統(tǒng)一的開發(fā)和發(fā)布軟件平臺。開發(fā)者在開發(fā)軟件時，可以不用再顧及軟件在不同硬件和操作系統(tǒng)上的兼容性問題。在發(fā)布軟件時，只要發(fā)布到云計算平臺上，所有用戶就可以通過Internet 使用軟件。這樣就大大降低了軟件開發(fā)、維護和升級的難度。此外，SaaS 使用戶可通過各種終端在任意地點隨時使用云計算平臺上的軟件，這也為用戶提供了很大的便利。而這些優(yōu)點是網(wǎng)格計算所不具備的。

    4) 安全機制

    在網(wǎng)格計算中，資源和數(shù)據(jù)是所有用戶共享的。用戶可以通過憑證代理(credential delegation) 的方式訪問網(wǎng)格內(nèi)的所有資源。而云計算則通過分割(isolation) 為每一個用戶創(chuàng)造一個相互獨立的虛擬環(huán)境，并完全屏蔽虛擬環(huán)境之間的相互訪問。由于云計算仍處于發(fā)展階段，其安全機制較網(wǎng)格計算相對簡單。這樣，云計算的安全問題也是未來云計算研究的重點之一。

2 電力系統(tǒng)云計算的實現(xiàn)

    2. 1 電力系統(tǒng)云計算平臺的架構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)

    云計算平臺是由通過Internet 相互連接的多種設(shè)備和用戶組成的一個復雜實體(見圖1) 。從總體上講，云計算平臺可以分為2 個主要部分，即云計算控制中心和被云計算平臺整合的各種計算資源。云計算控制中心的主要功能是根據(jù)用戶的請求，將用戶的計算任務(wù)分成若干子任務(wù)，再動態(tài)地將各子任務(wù)通過Internet 分配給被云計算平臺整合的計算設(shè)備。各子任務(wù)完成后，其計算結(jié)果將通過Internet重新匯總到控制中心，最后再反饋給用戶。此外，云計算控制中心還負責將各種需要存儲的數(shù)據(jù)通過Internet 分配給各數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，并在需要時重新將數(shù)據(jù)從存儲設(shè)備中讀取出來。利用虛擬化和分割技術(shù)，上述計算和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)的調(diào)度分配過程對用戶而言是完全不可見的。云計算平臺為每一個用戶都創(chuàng)造了一個完全獨立的虛擬系統(tǒng)環(huán)境，因此，在每一個用戶看來，自己都是云計算平臺唯一的用戶。用戶可以通過多種不同的終端，例如:臺式計算機、便攜式計算機、手機甚至智能家電接入云計算平臺。這讓云計算平臺的使用非常方便。

圖1 云計算的組成

    云計算平臺通過Internet 與由大量傳感器和其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)相連接。對電力系統(tǒng)而言，未來的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)既包括傳統(tǒng)的SCADA 系統(tǒng)的傳感器，還可能包括PMU 和安置在終端用戶家中的智能電表，甚至是各種智能家電的嵌入式系統(tǒng)。這些裝置能夠提供全方位的系統(tǒng)信息。此外，電力系統(tǒng)云計算平臺也可以和其他的數(shù)據(jù)源，例如:區(qū)域氣象數(shù)據(jù)庫相互連接，以獲取溫度、濕度、風速、日照等數(shù)據(jù)。由這樣一個大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)量將是驚人的，只有憑借云計算平臺強大的計算能力才能進行存儲和分析。考慮到很多電力系統(tǒng)分析任務(wù)對實時性要求較高，可以考慮構(gòu)造專用高性能網(wǎng)絡(luò)來連接云計算平臺和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

    電力系統(tǒng)云計算平臺的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電力系統(tǒng)云計算平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

    從系統(tǒng)架構(gòu)的角度看，云計算平臺主要由Web層、負荷分配層( load balancer) 、數(shù)據(jù)管理層、計算邏輯層(comp uting logic) 、物理計算設(shè)備層和物理存儲設(shè)備層組成。其中，Web 層負責實現(xiàn)云計算平臺的Web 站點，該站點是用戶訪問云計算平臺的唯一接口。負荷分配層是云計算平臺的核心部件。該層具有4 個主要功能:

    ①將用戶的計算任務(wù)劃分成若干部分，并決定執(zhí)行每一個任務(wù)的計算設(shè)備;

    ②將待存儲的數(shù)據(jù)劃分成若干部分，并決定相應(yīng)的存儲設(shè)備;

    ③將計算邏輯層返還的計算結(jié)果整合后，再反饋給用戶;

    ④根據(jù)數(shù)據(jù)讀取請求，指令數(shù)據(jù)管理層讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整合后輸出。計算邏輯層負責根據(jù)負荷分配層確定的計算任務(wù)分配方式，控制具體的計算設(shè)備進行計算，并在計算完成后返還結(jié)果。

    數(shù)據(jù)管理層則主要控制數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)讀寫操作。上述4 層組成了云計算平臺的軟件部分。物理計算設(shè)備層和物理存儲設(shè)備層代表了云計算平臺所整合的所有物理設(shè)備，它們組成了云計算平臺的硬件部分。

    下面討論幾種可應(yīng)用于實現(xiàn)電力系統(tǒng)云計算的重要軟件技術(shù)。

    1) 面向服務(wù)架構(gòu)

    云計算的一個重要特點是可以在線擴展和升級，這就對軟件的靈活性提出了更高的要求。面向服務(wù)架構(gòu)( service oriented architect ure ， SOA) 是近年來發(fā)展迅速的一種軟件設(shè)計方法。與在傳統(tǒng)軟件設(shè)計方法中以函數(shù)或類作為基本功能模塊、以應(yīng)用程序接口( application programming interface ，API) 作為程序間通信手段不同， SOA 以服務(wù)為基本功能模塊。與函數(shù)相比，服務(wù)代表更高層次的應(yīng)用需求(例如:從讀取數(shù)據(jù)庫到打印數(shù)據(jù)報表的整個流程可以抽象成一種服務(wù)，而數(shù)據(jù)庫的讀取操作則只能是函數(shù)) 。SOA 根據(jù)用戶需求，將每一種主要功能都包裝成服務(wù)的形式，且各服務(wù)相互獨立，僅以可擴展置標語言( extensive makeup language ，XML) 進行通信。當任何一種功能需要更新時，只需要更換相應(yīng)的服務(wù)即可。此外，基于SOA 架構(gòu)，可以將若干服務(wù)自由組合，以快速形成新的系統(tǒng)。例如:可以將潮流計算包裝成一個服務(wù)，這樣對于任何需要進行潮流計算的任務(wù)，只需要將潮流計算服務(wù)和其他相關(guān)服務(wù)在線組合即可。可見，應(yīng)用SOA可以極大地提高系統(tǒng)的靈活性和軟件開發(fā)升級的速度。當然，提高軟件的抽象層次一般是以犧牲通信效率為代價的。總結(jié)軟件開發(fā)方法的發(fā)展歷史可知，從面向過程到面向?qū)ο螅�再到面向服�?wù)，軟件開發(fā)的總體發(fā)展趨勢就是抽象層次的不斷提高，這和軟件本身的復雜性不斷提高是相適應(yīng)的。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力信息系統(tǒng)本身的功能不斷增多，結(jié)構(gòu)日趨復雜，這會給利用傳統(tǒng)開發(fā)方法的開發(fā)人員帶來越來越大的困難。因此，提高軟件開發(fā)的抽象層次是一個必然趨勢。對于通信效率問題，可以通過適當定義服務(wù)的抽象層次以求得平衡。

    2) Apache

    Apache 是目前應(yīng)用最廣泛的Web 服務(wù)器端軟件，其支持所有主流的Web 服務(wù)器功能，如網(wǎng)站內(nèi)容管理、服務(wù)器端編程、流量管理、網(wǎng)址重寫(URLrewriting) 、安全傳輸層(transport layer security ，TLS) 和安全套接層( secure socket layer ，SSL) 加密等。由于Apache 系開源軟件，其源代碼完全公開并可以免費使用，因此，可用于實現(xiàn)云計算平臺的Web 層功能。

    3) MySQL

    MySQL 是世界上應(yīng)用最廣泛的開源數(shù)據(jù)庫引擎，具有高可靠性、高擴展性和完全免費等優(yōu)點，因此，在超過數(shù)百萬的網(wǎng)站和公司中得到了廣泛應(yīng)用。可用MySQL 實現(xiàn)云計算平臺的數(shù)據(jù)管理層功能。

    4) 動態(tài)負荷分配

    負荷分配算法是云計算的核心。動態(tài)負荷分配(dynamic load balancing) 已經(jīng)被證明是一類較為有效的分配計算任務(wù)的算法。其基本原理是根據(jù)各個計算設(shè)備的計算速度快慢動態(tài)分配任務(wù);計算速度快的設(shè)備分配的任務(wù)較大，速度慢的則分配的較小，以保證各計算設(shè)備基本上同時返還結(jié)果。對于大規(guī)模云計算平臺，還可以考慮使用任務(wù)復制(job replication) 的方法來提高可靠性，也即將每一個子任務(wù)復制若干份，發(fā)給多個計算設(shè)備同時執(zhí)行，從而避免因為某個設(shè)備發(fā)生故障而需要重新分配子任務(wù)所導致的整體計算效率被拖慢的情況。

    除了上面討論的內(nèi)容外，目前還存在多種可用于實現(xiàn)云計算的商用或開源軟件技術(shù)，如GoogleMapReduce 、Google File System ( GFS) 、微軟的Dryad/ DryadL INQ、開源分布式計算框架Hadoop等。考慮到電力系統(tǒng)是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，我們認為電力系統(tǒng)云計算平臺的實現(xiàn)應(yīng)盡量以開源軟件技術(shù)為基礎(chǔ)。

    2. 2 云計算在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的展望

    如前所述，由于云計算具有計算和存儲能力強大、系統(tǒng)可動態(tài)擴展、便于計算資源共享和優(yōu)化配置、便于軟件開發(fā)和升級、便于用戶使用等諸多優(yōu)點，其在電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。下面討論電力系統(tǒng)分析中可以應(yīng)用云計算的幾個重要領(lǐng)域。

    1) 安全分析

    時域仿真是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的重要途徑之一。然而，對于大規(guī)模電力系統(tǒng)而言，時域仿真的計算量很大，因此，目前尚只能應(yīng)用于離線分析。到目前為止，已經(jīng)提出了多種基于并行和分布式技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定時域仿真算法。例如:文獻應(yīng)用功能分解和域分解法(f unctional decomposition anddomain decomposition) 在集群機上進行暫態(tài)穩(wěn)定分析;文獻[11]應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分解法實現(xiàn)了小系統(tǒng)的實時仿真;文獻[12]提出了一種考慮大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)特性和多個控制中心協(xié)作的分布式時域仿真算法。未來可望利用云計算進一步提高對大系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定時域仿真的速度，以最終實現(xiàn)在線分析。

    另一個適于應(yīng)用云計算的是概率小干擾穩(wěn)定分析。傳統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析一般是確定性的，這與電力系統(tǒng)運行所固有的隨機性是矛盾的。利用Monte Carlo 仿真可以方便地處理小干擾穩(wěn)定分析中的隨機因素，但這種方法對計算平臺的計算和存儲能力要求很高。文獻[13]提出了一種基于網(wǎng)格的概率小干擾穩(wěn)定分析方法，其中的實驗結(jié)果表明:分布式概率小干擾穩(wěn)定分析較串行分析在計算速度方面有較大提高。在Monte Carlo 仿真中，每一輪仿真是相互獨立的，這使得問題可以分解為大量子問題，從而可以充分利用云計算平臺的并行計算能力。

    2) 潮流與最優(yōu)潮流計算

    云計算也可用于提高潮流和最優(yōu)潮流計算的速度。文獻[ 14 ]提出了一種基于牛頓法的并行潮流解法，主要適用于通信延遲較少的計算平臺，如集群機。文獻[ 15 ]提出了一種可以計及預想事故的最優(yōu)潮流并行算法，將需要考慮的預想事故分為若干組，分別分配到多個處理器上作并行分析。文獻[16]提出了基于微分進化( differential evolution)的并行最優(yōu)無功潮流算法，利用分解與協(xié)調(diào)技術(shù)將問題劃分為若干個子問題分別在多個處理器上并行求解。可以預期，在云計算環(huán)境下將現(xiàn)有方法改進可以進一步提高計算速度。例如:基于文獻的思想，在云計算平臺上通過將需要考慮的預想事故進一步細分，可以大大提高計算速度和能夠處理的預想事故數(shù)目。

    概率潮流是考慮電力系統(tǒng)運行不確定性的重要工具。和概率穩(wěn)定問題相似，Monte Carlo 仿真也可以應(yīng)用于概率潮流之中。考慮到應(yīng)用于大系統(tǒng)時Monte Carlo 仿真的計算量很大，概率潮流也是云計算可以應(yīng)用的問題之一。

    3) 系統(tǒng)恢復

    大停電后的電力系統(tǒng)恢復是一個很復雜的非線性優(yōu)化問題。電力工業(yè)的市場化運營、遠距離互聯(lián)電力系統(tǒng)的發(fā)展、大量分布式電源接入電力系統(tǒng)，這些都在某種意義上給電力系統(tǒng)恢復問題帶來了新的挑戰(zhàn)。文獻[18]提出了基于網(wǎng)格的電力系統(tǒng)恢復方法，可以在電力系統(tǒng)恢復過程中促進不同參與者之間的信息共享和協(xié)作，并利用分布式計算提高計算效率。云計算作為電力系統(tǒng)所有成員共享的計算平臺，可以更好地促進信息共享和協(xié)作，其計算能力也有助于找到復雜互聯(lián)系統(tǒng)的最優(yōu)恢復方案。

    4) 監(jiān)控和調(diào)度

    隨著電力工業(yè)市場化改革的深化和分布式電源不斷引入電力系統(tǒng)，未來電力系統(tǒng)可能從集中式控制向分布式控制逐漸轉(zhuǎn)變。通過統(tǒng)一的電力系統(tǒng)云計算平臺可以促進各分布式控制中心的信息共享和協(xié)作。對大量的小容量分布式電源的監(jiān)視和控制將成為未來電力系統(tǒng)面臨的一個難題。由于未來電力系統(tǒng)中分布式電源的數(shù)量可能很大，系統(tǒng)調(diào)度和運行控制的計算量將會明顯增加，利用云計算則可以較好地解決計算能力不足的問題。云計算很強的可擴展性也有利于隨時根據(jù)電力系統(tǒng)的規(guī)模動態(tài)增強計算能力。此外，目前已經(jīng)提出了基于網(wǎng)格計算的大規(guī)模電力監(jiān)控系統(tǒng)。利用云計算的信息處理能力有助于實現(xiàn)包括配電系統(tǒng)在內(nèi)的大范圍實時監(jiān)控和信息采集。

    5) 可靠性評估

    傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)可靠性評估一般采用確定性方法，且通常考慮系統(tǒng)最壞的情況，這就導致較為保守的評估結(jié)果和偏高的運行成本。為了計及電力系統(tǒng)運行中的不確定性，到目前為止已經(jīng)提出了多種概率可靠性分析方法。然而，與概率穩(wěn)定性分析類似，計算效率也是制約概率可靠性分析的瓶頸。文獻[23]提出了基于網(wǎng)格計算的概率可靠性分析方法，其實驗結(jié)果表明分布式計算方法可以大大提高Monte Carlo 仿真過程的計算速度。利用云計算可望進一步提高概率可靠性分析的計算速度，以適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大所帶來的挑戰(zhàn)。

    上面討論了云計算技術(shù)可望在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的幾個領(lǐng)域。事實上，由于云計算是一個通用的計算工具，很多電力系統(tǒng)分析軟件都可以發(fā)布到云計算平臺上。如前所述，這將給軟件的開發(fā)、升級、維護和使用帶來很大的便利。此外，云計算也有利于電力系統(tǒng)的各類成員共享信息和協(xié)作。總之，構(gòu)建統(tǒng)一的計算平臺將是未來電力系統(tǒng)計算的一個重要發(fā)展方向。

    2. 3 電力系統(tǒng)云計算研究的挑戰(zhàn)

    目前，云計算仍然處于發(fā)展之中，還存在一些沒有得到很好解決的技術(shù)問題。為了實現(xiàn)云計算在電力系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，下面一些問題有待深入研究。

    1) 與云計算相適應(yīng)的電力系統(tǒng)分析并行算法

    與傳統(tǒng)的集群或小規(guī)模分布式計算平臺不同，云計算平臺可以集成在物理上分布極廣的大量計算設(shè)備。此外，集群和小規(guī)模分布式計算以集中式數(shù)據(jù)存儲和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，這和云計算主要采取分布式存儲和利用Internet 通信也有顯著不同。上述云計算的幾個特點決定了現(xiàn)有的并行和分布式電力系統(tǒng)分析算法無法有效發(fā)揮云計算平臺的計算能力。新的并行算法應(yīng)針對云計算的特點來設(shè)計。例如:新算法應(yīng)將問題劃分為盡量小的子問題，因為組成云計算平臺的部分設(shè)備計算能力較低，可能無法處理較大的子問題而長時間遭到閑置。還有，由于云計算利用Internet 進行通信，其通信延遲較高，因此，新算法應(yīng)盡量減少各設(shè)備間的通信。需要指出，減少設(shè)備間通信與對新算法的細粒度要求并不矛盾。云計算應(yīng)首先估計每個計算設(shè)備的計算能力，在此基礎(chǔ)上確定分配給每個設(shè)備的計算任務(wù)量，計算能力強的設(shè)備應(yīng)分配較多的子任務(wù)計算量，這樣也可以減少設(shè)備間的通信。此外，由于云計算采取分布式數(shù)據(jù)存儲方式，為了減少數(shù)據(jù)傳輸，新算法應(yīng)盡量采取“就近處理”方式。需要強調(diào)的是，與分布式計算和網(wǎng)格計算類似，云計算針對特定計算任務(wù)的效能也受到算法能否并行化的制約，因此，在提高算法并行度的同時應(yīng)盡量減少網(wǎng)絡(luò)通信是設(shè)計云計算算法時應(yīng)該遵循的原則。

    2) 云計算負荷分配算法研究

    集群或小規(guī)模分布式計算平臺一般由性能接近的計算設(shè)備組成，這使得它們可以較為簡單地處理負荷分配問題。與此相反，組成云計算平臺的計算設(shè)備可能在計算和存儲能力、操作系統(tǒng)、軟件平臺等方面差別極大。為此，云計算平臺就需要對各個設(shè)備的計算能力進行監(jiān)視和預測，并根據(jù)其計算能力按比例分配子任務(wù)，以使分配到不同設(shè)備的子任務(wù)的計算時間盡量接近。此外，云計算的負荷分配算法還必須適當考慮Internet 通信延遲和數(shù)據(jù)分布式存儲的特點。

    3) 適用于電力系統(tǒng)的云計算平臺物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

    云計算平臺的物理結(jié)構(gòu)對其運行性能會有很大的影響。這樣，在設(shè)計電力系統(tǒng)云計算平臺時就必須認真考慮電力系統(tǒng)的特點。例如:電力系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)來自變電站和配電系統(tǒng)，考慮到Internet 的通信延遲，為了減少數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)就近設(shè)置數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，并基于數(shù)據(jù)本地性原則，為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備配置相應(yīng)的計算設(shè)備。為了解決通信延遲問題，可以為云計算平臺的核心部分(如控制中心) 建立專用的高性能網(wǎng)絡(luò)。此外，在設(shè)計云計算平臺時，還需要考慮怎樣布置區(qū)域云計算數(shù)據(jù)中心和中央云計算調(diào)度中心，以更好地滿足對數(shù)據(jù)吞吐量、計算精度和拓撲廣闊度的需求。出于上述考慮，應(yīng)改變目前電力系統(tǒng)規(guī)劃和電力信息系統(tǒng)規(guī)劃相互孤立的模式，將2 種規(guī)劃統(tǒng)一進行，以提高計算系統(tǒng)的效率。

    4) 電力系統(tǒng)云計算的安全性

    安全性是云計算理論研究和實踐中需要解決的重要問題。由于電力系統(tǒng)是重要基礎(chǔ)設(shè)施，保障電力信息系統(tǒng)的安全性就顯得尤為重要。此外，由于電力系統(tǒng)云計算平臺可能包括電網(wǎng)公司、發(fā)電公司、市場監(jiān)管機構(gòu)、投資者、用戶等在內(nèi)的眾多不同類型的使用者，如何在促進信息共享的同時保障信息安全是電力系統(tǒng)云計算必須解決的重要問題。另一方面，云計算利用Internet 將計算資源互聯(lián)，并通過標準化接口進一步弱化了硬件與操作系統(tǒng)對軟件的約束。這雖然為軟件開發(fā)和使用提供了便利，卻也造成了數(shù)據(jù)在Internet上的頻繁流動，進而對數(shù)據(jù)的安全性問題提出了更高的要求。

3 結(jié)語

    云計算是近年來發(fā)展迅速的超大規(guī)模分布式計算技術(shù)。通過集成大量異構(gòu)的分布式計算資源，云計算平臺具有強大的計算和存儲能力。建立電力系統(tǒng)云計算平臺對解決電力系統(tǒng)各種復雜的計算問題提供了新的途徑，有助于實現(xiàn)電力系統(tǒng)在線運行分析與優(yōu)化控制。

    云計算平臺除了能為電力系統(tǒng)分析提供計算和存儲能力支持外，還具有可擴展性強、硬件投資少、便于軟件開發(fā)和升級、便于用戶使用等諸多優(yōu)點。這使得云計算有希望取代現(xiàn)有的集中式計算成為未來電力系統(tǒng)核心計算技術(shù)。

    云計算在電力系統(tǒng)分析中的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括安全分析、潮流和最優(yōu)潮流計算、系統(tǒng)恢復、監(jiān)控、調(diào)度、可靠性分析等很多方面。此外，利用SaaS 技術(shù)，很多電力系統(tǒng)分析軟件都可以發(fā)布到云計算平臺上，從而有望建立基于云計算的電力系統(tǒng)統(tǒng)一計算平臺。

    云計算技術(shù)還在不斷發(fā)展之中，而其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用則剛剛起步。與云計算相適應(yīng)的電力系統(tǒng)分析并行算法、云計算的負荷分配、云計算平臺的設(shè)計和云計算的安全性等將是未來電力系統(tǒng)云計算研究需要重點解決的核心問題。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標題：云計算:構(gòu)建未來電力系統(tǒng)的核心計算平臺

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