利用云計算進行電力系統潮流計算

李祥瑞

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160）

近年來，隨著我國國民經濟的不斷發展，民眾對于穩定高質量電能的需求不斷增加。電力系統潮流計算是分析電能質量的重要方法之一，該計算是在電力網運行時，對其功率、電壓等相關參數在電網各環節的分布進行分析，計算結果可以用以分析判斷電網運行狀態、功率因素及負荷平衡情況。目前，電力系統已經從一個個孤立的網絡發展到區域之間線路相互連接、電能相互協調的聯合大電網。同時，風能、太陽能、地熱等可再生能源在電能中的占比也不斷提高，這其中大部分的可再生能源是以分布式發電模式集成到系統中。因此， 電力系統潮流分析所需處理的數據迅速增加、軟件的計算量不斷擴大，單純的提高計算機性能已經不能完全滿足現實的需求，尋找能夠及時處理電力系統潮流分析的海量計算量的大數據處理方法已勢在必行。

傳統的電力系統潮流分析是利用1臺或多臺計算機就地進行分析和計算，當需要處理大量數據進行時時在線操作時，例如電力網運行的連續性分析，計算資源往往成為這種大規模計算的限制因素。該因素最初的解決方案是利用并行計算，但該方法被證明是難以操作和昂貴的。之后采用了網格計算來進行電力系統仿真、無功優化、負荷平衡、穩定性與安全性分析、分布式狀態估計等相關工作。

網格計算是一種很好的候選解決方案，但在實際應用中還需要解決一些關鍵問題。一些是技術性的，例如平臺的設置、設備配置、操作和維護以及在開發相應的應用程序，這通常需要專業知識或特定的網絡技術。此外，一些傳統實驗或應用程序必須重新組織或重新設計，以適應網格運算所需求的應用程序中及計算模型。這些需要實驗或應用程序一般包含重置工作流程和MPI（消息傳遞接口）并行接口。這些技術上的障礙，以及所需專用解決方案，會阻礙網格計算在電力工程領域中的推廣。

云計算是一種新型的計算機技術和網絡服務模式，并行計算和網格計算中出現的許多問題都可以得到一定的解決。云計算采用新近出現的計算機虛擬技術，實現了一種靈活的服務機制，可以滿足不同終端用戶特定的需求。從應用程序到硬件級別，工程師可以方便地訪問大型分布式計算資源，并可以完全自主定義執行環境，不需要購買、維護甚至理解復雜的硬件和高性能計算機。該計算還具有一些其他重要特性，包括可擴展性和現收現付計費模式。由于具有這些優點，它越來越多地被應該于工程實踐。2008年年中啟動的“科學云”項目，從研究角度證明了將云計算用于科學計算的可行性，提供了這種新的計算的早期經驗，并成功應用于氣候研究和基因表達及腦成像。2009年，美國能源部（DOE）表示，麥哲倫項目建立一個測試系統研究云計算在節能計算的性價比。隨著云計算技術的不斷成熟，這一技術在各領域中不斷得到應用，電力公司也開始關注和感興趣。Mercury Solar Systems可再生能源公司使用云計算CRM（Customer Relationship Management客戶關系管理）可以更好地滿足客戶的能源需求。中國南方電網的工程師們則已提出利用云計算來升級智能調度系統的電力分析軟件（PAS）。

云計算所具有的低成本、靈活性、可靠性和可擴展性等相關特點，使其在相關工程領域中得到了快速的應用，并取得良好的效果，但在電力系統分析中，云計算的利用還處在起步階段。本文采用基于谷歌云的InterPSS云版主機平臺，利用谷歌App Engine （GAE）搭建平臺，研究云計算在電力系統分析中的潛在應用，討論了利用云計算平臺進行電力系統潮流計算特點。

1 云計算概述

1.1 云計算的定義

云計算是伴隨著網絡技術高速發展而產生的，利用現代網絡高速傳輸信息的能力，可以使多臺計算機共享計算力得到實現。云計算涉及許多方面，例如分布計算資源、可視化、虛擬化等。目前，云計算暫時還沒有一個被廣泛接受的統一的權威定義。伯克利實驗室對云計算的看法是，它既可以是通過網絡提供服務的應用程序，也可以是提供服務的數據中心中的硬件和系統軟件，那么數據中心的硬件和軟件也即是云。根據美國國家標準與技術研究院（NIST）對云計算的定義，它是一種支持方便、隨需應變的網絡訪問以及可配置計算資源共享資源庫（例如網絡、服務器、存儲、應用程序和服務）的模型，這些資源提供者可以通過最少的管理工作或服務向需求者快速供應。

1.2 云計算的特征

云計算區別其他計算模式，有幾個顯著的基本特征，為理解云計算及其在學術和研究領域的作用和潛在應用價值。即云計算具有快速響應能力和應用范圍可擴展的能力；按需自助服務，用戶能夠根據自身的需求，完全獨立自主的獲取計算能力；方便的網絡訪問，海量資源可以通過網絡獲得，并通過標準機制訪問；可計量收費模式，一種基于使用的計費模型，用戶基本上租用虛擬資源并為使用的內容付費；資源庫，不同來源的計算資源可以匯聚到資源庫，這些不同的物理和虛擬資源可以根據用戶需求動態調整和重新分配。

1.3 三種服務模式

根據計算資源的抽象程度的不同以及相應的資源管理級別，目前所有可訪問的云計算服務可以分為三個不同的服務模式，它們是基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）和軟件即服務（Software as a Service，SaaS）。

IaaS位于云堆棧的底部，它通常是指一種基于虛擬或物理資源交付網絡基礎設施的實踐，使用者可以在其中部署和運行任意軟件。美國 Amazon公司是一個典型的IaaS解決方案提供商，它的彈性計算云（EC2）提供計算服務，簡單存儲服務（S3）提供存儲服務。一些研究通過EC2和S3進行科學計算實驗，展示了IaaS或EC2風格的云計算作為高性能解決方案的潛力。

PaaS提供了一個用戶或客戶可以創建和運行他們的應用程序的平臺，它通常提供一個應用程序框架和一組應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），用戶可以使用它們來為云開發他們的應用程序。在這個模式下，谷歌和微軟都建立了自己的應用平臺，分別是谷歌App Engine和Windows Azure。谷歌App Engine是一個平臺，可以為谷歌應用程序提供支持的相同系統上構建和托管web應用程序。它具有快速開發和部署的特點；簡單的管理，無須擔心硬件、補丁或備份；容易實現的可擴展性。目前它支持利用Python或者Java開發的應用程序。

SaaS直接為用戶服務，提供開發人員運行在云上的應用程序。由于SaaS主要是針對商業和終端用戶的，控制和配置有限，不適合研究，目前關于基于SaaS的科研成果的相對較少。

2 谷歌APP ENGINE上的INTERPSS CLOUD EDITION

InterPSS Cloud Edition是一種基于云的或者說是基于GAE的InterPSS實現，它利用谷歌應用程序引擎來實現電力系統潮流分析的海量數據的計算。具體工作內容包括以下幾方面。

2.1 InterPSS概述

InterPSS（An Internet Technology-basedOpen-source Power SystemSimulation System）是一個開源的、基于互聯網技術的電力系統設計、分析和仿真軟件系統。該系統采用基于組件的開發方法進行設計和應用，具有開放、松散耦合的插件體系結構，允許用戶通過插件輕松擴展其功能，同樣重要的是，可以將組件集成到其他系統中，提供電力系統仿真和分析服務。具體來說，其主要的電力系統仿真功能作為核心庫封裝在電力系統仿真框架中，并作為電力系統仿真引擎集成到其他系統中。

2.2 谷歌App Engine概述

谷歌App Engine是一個開發可伸縮應用的平臺，它建立在谷歌的基礎設施之上，具有谷歌系統的高可靠性、高性能和安全性。在谷歌App Engine平臺上開發的程序多的是利用Java語言，其運行時環境支持標準Java技術，包括Java、Java servlet和NM編程語言。此外，它還為開發者提供了1個免費但有限的服務（免費限額為500 mb存儲，每天130 萬次請求）來構建應用程序，從而為人們的科學應用程序縮減了成本和清除操作的障礙。

2.3 實現

InterPSS云版架構的核心模擬引擎提供了計算和分析功能，它運行在GAE的Java虛擬機（JVM），一旦部署在谷歌的云，在它提供的功能來響應請求，而在本文中，對于不同類型的電力系統分析，即交直流功率分布、連續性分析等。在GAE提供的應用程序編程接口（APIs）的幫助下，建立了一個網站（http：//cloud.interpss.com）作為前端，允許用戶上傳數據進行處理， 定義研究案例。 數據存儲（DataStore）是谷歌的分布式數據庫系統，如果用戶選擇該選項，還可以保存中間文件或數據以及研究案例。

2.4 InterPSS云版的功能

目前發布的InterPSS云主要提供了三種功能，分別是潮流分析、基于完整交流潮流的權變分析和基于開放數據模型（ODM）的電力系統數據格式轉換服務。ODM是電力系統仿真數據交換的開放模型，InterPSS對此有很好的支持。開發了幾種Xformat-to-odm適配器，其中Xformat包括PSS/E、UTEC、BPA、PSAT、InterPSS，還開發了ODM-to-InterPSS適配器。在這個的方式，一個“Xformat→ODM→InterPSS”建立了數據交換模型。由此可見，云版InterPSS可以接受此類格式電力系統負載的相關數據。

InterPSS Cloud還可以對電力系統的可靠性進行分析?？煽啃苑治霭ㄈN模式，分別是N-1模式、N-1-1模式和N-2模式。N-1模式是對每一條支路包含開路支路，進行完整的交流潮流計算；在N-1-1分析模式中，首先，針對電網各支路，對全網進行交流潮流分析，然后，設置N-1模式進行全交流潮流分析，對于此時N-1模式，重點對各支路的視在功率確定，接著隨機確定一個開路支路，即N-1-1模式下進行全交流潮流分析；N-2模式這是在網絡中確定兩個開路支路，在雙開路模式下進行潮流計算，用以分析多開路模式下電力系統的可靠性與穩定性。

對于ODM轉換，需要找到一個用于向實體設備進行數據轉換的應用程序。對于用戶來說，InterPSS云提供了這樣的服務，通過它可以輕松地將支持的數據格式轉換為ODM XML文件。

2.5 工作原理

由于在GAE平臺中部署了InterPSS仿真引擎，并在GAE中無間歇模式運行，用戶可以通過網絡在世界任何地方訪問該引擎，并且InterPSS用戶友好易于使用。用戶進入云版InterPSS的網站（http：//cloud.interpss.com），可以上傳仿真數據支持的數據格式，并通過選擇相應的數據文件適配器，然后選擇一個分析功能，其他的都是通過InterPSS云計算和結果通過瀏覽器自動反饋給用戶。

3 存在的問題及挑戰

云計算為電力系統潮流分析和其他相關工業領域帶來了許多好處和機遇。對于電力工程領域來說，它是一種基于現收現付模型的潛在的高性價比的高性能計算資源，PaaS和IaaS模型都允許對研究進行足夠的控制和定制。另一個重要方面是引入了本地云應用程序（NCA），這大大簡化了云的設置和云上應用程序的提供。此外，和InterPSS Cloud一樣，與傳統操作軟件相比，不需要額外的軟件配置、硬件升級和維護。此外，一旦基于研究的應用程序在公共云上發布，不僅開發人員，而且全世界所有的透視圖用戶都可以從云計算中獲益。對于電力公司來說，它很好地滿足了其需求，因為它的動態可擴展性使得他們的操作系統（如EMS、DMS）能夠很容易地滿足正常運行的計算需求和應急時的峰值。它也可以用來提供所需功能在web上使用軟件作為一種服務模型，當動力分析軟件，例如EMS，部署在總部數據中心或云，不同的分析和所有級別操作可以依賴它，從而壓縮現有的多級層次結構和使所有公共數據分析和操作成為可能。此外，智能電網的發展很可能需要借助云計算技術來應對日益龐大的數據規模，并促進開放接入和互操作。

需要指出的是，云計算還處于起步階段，在電力系統中進行科學、商業應用，特別是從服務和安全的角度來看，還存在一些問題和挑戰。首先，這是一種新的計算模式，電力公司的大多數現有系統目前還不能做到完全兼容，這項技術需要一個艱難的轉變。其次，對于公共云，由于數據存儲和處理都是在云中進行的，研究人員和電力企業都應該真正關注他們的數據安全，安全問題是一個非常重要的問題，如果不能夠得到完全解決，可能會影響該技術的推廣應用。

4 結語

云計算，具有良好的可擴展性和基于使用的現收現付制服務模式，提供了一個具有成本效益的和靈活使用方式的大規模計算資源。本文討論了出現這一趨勢的社會背景，并簡要介紹了云計算的特點和實現方式，提出了基于谷歌應用引擎的InterPSS云版，作為利用云計算進行電力系統分析的一個演示。目前它提供負載流量、應變分析和數據格式轉換服務，讓用戶能夠在任何地方運行他們的分析，通過互聯網不停歇提供服務。從InterPSS云可以得出，云計算為研究人員和工程師提供了一個很有前途的解決他們所面臨的計算問題的方案。但需要指出的是，云計算在電力系統中的更好應用必將需要更多、更深入的研究。