利用云计算进行电力系统潮流计算

李祥瑞

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

近年来，随着我国国民经济的不断发展，民众对于稳定高质量电能的需求不断增加。电力系统潮流计算是分析电能质量的重要方法之一，该计算是在电力网运行时，对其功率、电压等相关参数在电网各环节的分布进行分析，计算结果可以用以分析判断电网运行状态、功率因素及负荷平衡情况。目前，电力系统已经从一个个孤立的网络发展到区域之间线路相互连接、电能相互协调的联合大电网。同时，风能、太阳能、地热等可再生能源在电能中的占比也不断提高，这其中大部分的可再生能源是以分布式发电模式集成到系统中。因此， 电力系统潮流分析所需处理的数据迅速增加、软件的计算量不断扩大，单纯的提高计算机性能已经不能完全满足现实的需求，寻找能够及时处理电力系统潮流分析的海量计算量的大数据处理方法已势在必行。

传统的电力系统潮流分析是利用1台或多台计算机就地进行分析和计算，当需要处理大量数据进行时时在线操作时，例如电力网运行的连续性分析，计算资源往往成为这种大规模计算的限制因素。该因素最初的解决方案是利用并行计算，但该方法被证明是难以操作和昂贵的。之后采用了网格计算来进行电力系统仿真、无功优化、负荷平衡、稳定性与安全性分析、分布式状态估计等相关工作。

网格计算是一种很好的候选解决方案，但在实际应用中还需要解决一些关键问题。一些是技术性的，例如平台的设置、设备配置、操作和维护以及在开发相应的应用程序，这通常需要专业知识或特定的网络技术。此外，一些传统实验或应用程序必须重新组织或重新设计，以适应网格运算所需求的应用程序中及计算模型。这些需要实验或应用程序一般包含重置工作流程和MPI（消息传递接口）并行接口。这些技术上的障碍，以及所需专用解决方案，会阻碍网格计算在电力工程领域中的推广。

云计算是一种新型的计算机技术和网络服务模式，并行计算和网格计算中出现的许多问题都可以得到一定的解决。云计算采用新近出现的计算机虚拟技术，实现了一种灵活的服务机制，可以满足不同终端用户特定的需求。从应用程序到硬件级别，工程师可以方便地访问大型分布式计算资源，并可以完全自主定义执行环境，不需要购买、维护甚至理解复杂的硬件和高性能计算机。该计算还具有一些其他重要特性，包括可扩展性和现收现付计费模式。由于具有这些优点，它越来越多地被应该于工程实践。2008年年中启动的“科学云”项目，从研究角度证明了将云计算用于科学计算的可行性，提供了这种新的计算的早期经验，并成功应用于气候研究和基因表达及脑成像。2009年，美国能源部（DOE）表示，麦哲伦项目建立一个测试系统研究云计算在节能计算的性价比。随着云计算技术的不断成熟，这一技术在各领域中不断得到应用，电力公司也开始关注和感兴趣。Mercury Solar Systems可再生能源公司使用云计算CRM（Customer Relationship Management客户关系管理）可以更好地满足客户的能源需求。中国南方电网的工程师们则已提出利用云计算来升级智能调度系统的电力分析软件（PAS）。

云计算所具有的低成本、灵活性、可靠性和可扩展性等相关特点，使其在相关工程领域中得到了快速的应用，并取得良好的效果，但在电力系统分析中，云计算的利用还处在起步阶段。本文采用基于谷歌云的InterPSS云版主机平台，利用谷歌App Engine （GAE）搭建平台，研究云计算在电力系统分析中的潜在应用，讨论了利用云计算平台进行电力系统潮流计算特点。

1 云计算概述

1.1 云计算的定义

云计算是伴随着网络技术高速发展而产生的，利用现代网络高速传输信息的能力，可以使多台计算机共享计算力得到实现。云计算涉及许多方面，例如分布计算资源、可视化、虚拟化等。目前，云计算暂时还没有一个被广泛接受的统一的权威定义。伯克利实验室对云计算的看法是，它既可以是通过网络提供服务的应用程序，也可以是提供服务的数据中心中的硬件和系统软件，那么数据中心的硬件和软件也即是云。根据美国国家标准与技术研究院（NIST）对云计算的定义，它是一种支持方便、随需应变的网络访问以及可配置计算资源共享资源库（例如网络、服务器、存储、应用程序和服务）的模型，这些资源提供者可以通过最少的管理工作或服务向需求者快速供应。

1.2 云计算的特征

云计算区别其他计算模式，有几个显著的基本特征，为理解云计算及其在学术和研究领域的作用和潜在应用价值。即云计算具有快速响应能力和应用范围可扩展的能力；按需自助服务，用户能够根据自身的需求，完全独立自主的获取计算能力；方便的网络访问，海量资源可以通过网络获得，并通过标准机制访问；可计量收费模式，一种基于使用的计费模型，用户基本上租用虚拟资源并为使用的内容付费；资源库，不同来源的计算资源可以汇聚到资源库，这些不同的物理和虚拟资源可以根据用户需求动态调整和重新分配。

1.3 三种服务模式

根据计算资源的抽象程度的不同以及相应的资源管理级别，目前所有可访问的云计算服务可以分为三个不同的服务模式，它们是基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和软件即服务（Software as a Service，SaaS）。

IaaS位于云堆栈的底部，它通常是指一种基于虚拟或物理资源交付网络基础设施的实践，使用者可以在其中部署和运行任意软件。美国 Amazon公司是一个典型的IaaS解决方案提供商，它的弹性计算云（EC2）提供计算服务，简单存储服务（S3）提供存储服务。一些研究通过EC2和S3进行科学计算实验，展示了IaaS或EC2风格的云计算作为高性能解决方案的潜力。

PaaS提供了一个用户或客户可以创建和运行他们的应用程序的平台，它通常提供一个应用程序框架和一组应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），用户可以使用它们来为云开发他们的应用程序。在这个模式下，谷歌和微软都建立了自己的应用平台，分别是谷歌App Engine和Windows Azure。谷歌App Engine是一个平台，可以为谷歌应用程序提供支持的相同系统上构建和托管web应用程序。它具有快速开发和部署的特点；简单的管理，无须担心硬件、补丁或备份；容易实现的可扩展性。目前它支持利用Python或者Java开发的应用程序。

SaaS直接为用户服务，提供开发人员运行在云上的应用程序。由于SaaS主要是针对商业和终端用户的，控制和配置有限，不适合研究，目前关于基于SaaS的科研成果的相对较少。

2 谷歌APP ENGINE上的INTERPSS CLOUD EDITION

InterPSS Cloud Edition是一种基于云的或者说是基于GAE的InterPSS实现，它利用谷歌应用程序引擎来实现电力系统潮流分析的海量数据的计算。具体工作内容包括以下几方面。

2.1 InterPSS概述

InterPSS（An Internet Technology-basedOpen-source Power SystemSimulation System）是一个开源的、基于互联网技术的电力系统设计、分析和仿真软件系统。该系统采用基于组件的开发方法进行设计和应用，具有开放、松散耦合的插件体系结构，允许用户通过插件轻松扩展其功能，同样重要的是，可以将组件集成到其他系统中，提供电力系统仿真和分析服务。具体来说，其主要的电力系统仿真功能作为核心库封装在电力系统仿真框架中，并作为电力系统仿真引擎集成到其他系统中。

2.2 谷歌App Engine概述

谷歌App Engine是一个开发可伸缩应用的平台，它建立在谷歌的基础设施之上，具有谷歌系统的高可靠性、高性能和安全性。在谷歌App Engine平台上开发的程序多的是利用Java语言，其运行时环境支持标准Java技术，包括Java、Java servlet和NM编程语言。此外，它还为开发者提供了1个免费但有限的服务（免费限额为500 mb存储，每天130 万次请求）来构建应用程序，从而为人们的科学应用程序缩减了成本和清除操作的障碍。

2.3 实现

InterPSS云版架构的核心模拟引擎提供了计算和分析功能，它运行在GAE的Java虚拟机（JVM），一旦部署在谷歌的云，在它提供的功能来响应请求，而在本文中，对于不同类型的电力系统分析，即交直流功率分布、连续性分析等。在GAE提供的应用程序编程接口（APIs）的帮助下，建立了一个网站（http：//cloud.interpss.com）作为前端，允许用户上传数据进行处理， 定义研究案例。 数据存储（DataStore）是谷歌的分布式数据库系统，如果用户选择该选项，还可以保存中间文件或数据以及研究案例。

2.4 InterPSS云版的功能

目前发布的InterPSS云主要提供了三种功能，分别是潮流分析、基于完整交流潮流的权变分析和基于开放数据模型（ODM）的电力系统数据格式转换服务。ODM是电力系统仿真数据交换的开放模型，InterPSS对此有很好的支持。开发了几种Xformat-to-odm适配器，其中Xformat包括PSS/E、UTEC、BPA、PSAT、InterPSS，还开发了ODM-to-InterPSS适配器。在这个的方式，一个“Xformat→ODM→InterPSS”建立了数据交换模型。由此可见，云版InterPSS可以接受此类格式电力系统负载的相关数据。

InterPSS Cloud还可以对电力系统的可靠性进行分析。可靠性分析包括三种模式，分别是N-1模式、N-1-1模式和N-2模式。N-1模式是对每一条支路包含开路支路，进行完整的交流潮流计算；在N-1-1分析模式中，首先，针对电网各支路，对全网进行交流潮流分析，然后，设置N-1模式进行全交流潮流分析，对于此时N-1模式，重点对各支路的视在功率确定，接着随机确定一个开路支路，即N-1-1模式下进行全交流潮流分析；N-2模式这是在网络中确定两个开路支路，在双开路模式下进行潮流计算，用以分析多开路模式下电力系统的可靠性与稳定性。

对于ODM转换，需要找到一个用于向实体设备进行数据转换的应用程序。对于用户来说，InterPSS云提供了这样的服务，通过它可以轻松地将支持的数据格式转换为ODM XML文件。

2.5 工作原理

由于在GAE平台中部署了InterPSS仿真引擎，并在GAE中无间歇模式运行，用户可以通过网络在世界任何地方访问该引擎，并且InterPSS用户友好易于使用。用户进入云版InterPSS的网站（http：//cloud.interpss.com），可以上传仿真数据支持的数据格式，并通过选择相应的数据文件适配器，然后选择一个分析功能，其他的都是通过InterPSS云计算和结果通过浏览器自动反馈给用户。

3 存在的问题及挑战

云计算为电力系统潮流分析和其他相关工业领域带来了许多好处和机遇。对于电力工程领域来说，它是一种基于现收现付模型的潜在的高性价比的高性能计算资源，PaaS和IaaS模型都允许对研究进行足够的控制和定制。另一个重要方面是引入了本地云应用程序（NCA），这大大简化了云的设置和云上应用程序的提供。此外，和InterPSS Cloud一样，与传统操作软件相比，不需要额外的软件配置、硬件升级和维护。此外，一旦基于研究的应用程序在公共云上发布，不仅开发人员，而且全世界所有的透视图用户都可以从云计算中获益。对于电力公司来说，它很好地满足了其需求，因为它的动态可扩展性使得他们的操作系统（如EMS、DMS）能够很容易地满足正常运行的计算需求和应急时的峰值。它也可以用来提供所需功能在web上使用软件作为一种服务模型，当动力分析软件，例如EMS，部署在总部数据中心或云，不同的分析和所有级别操作可以依赖它，从而压缩现有的多级层次结构和使所有公共数据分析和操作成为可能。此外，智能电网的发展很可能需要借助云计算技术来应对日益庞大的数据规模，并促进开放接入和互操作。

需要指出的是，云计算还处于起步阶段，在电力系统中进行科学、商业应用，特别是从服务和安全的角度来看，还存在一些问题和挑战。首先，这是一种新的计算模式，电力公司的大多数现有系统目前还不能做到完全兼容，这项技术需要一个艰难的转变。其次，对于公共云，由于数据存储和处理都是在云中进行的，研究人员和电力企业都应该真正关注他们的数据安全，安全问题是一个非常重要的问题，如果不能够得到完全解决，可能会影响该技术的推广应用。

4 结语

云计算，具有良好的可扩展性和基于使用的现收现付制服务模式，提供了一个具有成本效益的和灵活使用方式的大规模计算资源。本文讨论了出现这一趋势的社会背景，并简要介绍了云计算的特点和实现方式，提出了基于谷歌应用引擎的InterPSS云版，作为利用云计算进行电力系统分析的一个演示。目前它提供负载流量、应变分析和数据格式转换服务，让用户能够在任何地方运行他们的分析，通过互联网不停歇提供服务。从InterPSS云可以得出，云计算为研究人员和工程师提供了一个很有前途的解决他们所面临的计算问题的方案。但需要指出的是，云计算在电力系统中的更好应用必将需要更多、更深入的研究。