基于云计算的优化配网调度执行系统研究

彭 磊,郭剑黎,郭祥富,许国伟,武 柯

(1.国网河南省电力公司,河南 郑州 450000;2.河南九域腾龙信息工程有限公司,河南 郑州 450000)

0 引言

随着电网规模的逐渐扩大,配网调度系统也在不断更新换代。配网在具有高度复杂度和不确定性的电网下工作,会受到许多因素的影响,比如雷雨刮淋、太阳暴晒后绝缘老化等。这些因素会影响电网的正常运行,造成安全威胁及不必要的损失。

为了优化配网调度执行,相关学者开展了研究。姜文等[1]提出了一种态势感知的配网调度系统。该系统利用支撑平台对配网调度进行搭建,通过采集配网数据和运算,并配合电网态势感知图,从而实现配网调度执行工作;但该系统在数据处理、数据分析等方面存在配网调度不合理的现象。徐金芹[2]提出了一种图模一体化的配网调度系统。该系统采用图模一体化的概念,利用图形数据的分类实现了配网调度执行的工作。但该系统在功能的稳定性和专业性上还需进一步优化。

针对上述文献中的不足,本文设计了一种基于云计算的优化配网调度执行系统。该系统采用云计算技术,搭建主动配网云边协同计算体系,以针对配电调度进行边缘计算节点的远程操作。该系统提高了配网调度执行的优化能力。此外,该系统利用图模一体化设计实现配网调度数据的可视化,并通过两点估计法大幅提升了配网调度的控制能力[3]。

1 基于云计算的优化配网调度执行系统设计

为进一步优化配网调度的执行工作,本文设计了基于云计算的优化配网调度执行系统。该系统采用云计算技术,设计了主动配网云边协同计算体系,实现配电调度边缘计算节点的远程操作[4];聚集配网信息采集、通信、计算的海量终端设备,实现了对配网调度执行的优化。

基于云计算的优化配网调度执行系统如图1所示。

图1 基于云计算的优化配网调度执行系统

图1中:实线箭头表示两个模块之间的数据交流和信息传递;虚线箭头表示两个模块之间存在控制命令和状态反馈。配网调度的目的是确保电力系统的安全、合理运行。云计算优化配网调度执行系统利用云计算和边缘计算技术,实现对配网调度的虚拟化服务;将配网调度中运算数据、存储和网络资源虚拟化后集中管理,从而提高系统的数据存储和计算服务性能。配网调度通过云计算搭建远程通信云平台,将云计算模式转换成边缘计算,使计算、存储等资源更靠近数据源,从而确保平台得到安全保障。

配网调度执行系统以服务导向架构(service-oriented architecture,SOA)为基础,通过企业服务总线(oracle service bus,OSB)将配网调度的各模块联系起来,使系统内部各部分保持信息互通,从而确保系统运行的整体化。在配网调度系统中,通过硬件设计对配网数据进行采集、处理。所有采集的数据、信息以及指令等,都需通过标准化结构进行标准化[5]。配网调度系统中包含多个子系统。子系统完成配网调度的不同功能,可以实现配网调度的功能覆盖以及保证信息传输的可靠性和时效性。

1.1 硬件设计

基于云计算的优化配网调度执行系统的硬件设计,将系统划分为安全一区、安全二区和安全三区。该系统的硬件结构包括服务器A、服务器B、服务器C以及计算机工作站。该系统采用分布式结构[6],以实现配网调度执行,并使系统得到优化。

基于云计算的优化配网调度执行系统的系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

图2中,计算机工作站采用的计算机设备为机架式服务器。该服务器内部带有多核中央处理器(central processing unit,CPU),利用最高带宽的输入/输出(input/output,I/O)总线,实现配网调度的云计算的运算和事件处理功能。该服务器采用集群技术,容错性较高。计算机工作站采用的是Unix操作系统,能够更好地执行配网调度[7]。

本文中的数据传输接口服务器采用多机集群技术,使得前置系统的负载均衡、通道接入的节点完全平等。如果某节点出现故障,则该节点的数据传输由其他节点自动接管[8]。利用分布式采集技术,系统实现了配网调度的数据采集、报文解析、通道判断切换等功能。

系统中的数据服务器和存储设备采用统一设备,以实现配网历史数据的统一存储与管理。应用服务器采用Web服务器,以实现配网日常工作的正常运行监控、信息发布以及报表管理等。

系统中的配网调度统一数据采集模块通过传输控制协议(transmission control protocol,TCP)和用户数据报表协议(user datagram protocol,UDP)将采集到的数据保存至实时数据库,以实现配网调度的数据稳定通信[9]。系统采用顺序标记哈希标的算法,以实现数据实时索引技术,从而提高数据库的读写速度。

本文采用网络开发TCP,同时在服务器端采用多线程结构,以线程技术监管服务线程,提高了并发响应、高吞吐量以及处理速度,并且使系统资源占用最小化。系统采用多层缓存技术,实现了数据读写的实时性;使用优先级抢占多层缓存分配方法,实现了事件有关的操作内存与操作文件I/O的速度匹配[10]。本文采用数据压缩与小波变换技术实现对配网调度采集数据的压缩,并在小波变换后保持信号的低频、高频部分高精度以及高压缩比,同时还具有去噪功能。

1.2 软件设计

基于云计算配网调度执行系统的软件设计包括图模一体化维护、配网图形排布、配网潮流分析计算,以及图表和报表的生成。该软件采用客户端/服务端(client/server,C/S)和浏览器/服务端(brower/server,B/S)混合架构,以实现配网调度人机工作的可视化执行。

基于云计算的配网调度执行系统的系统软件结构如图3所示。

图3 系统软件结构图

本文系统软件采用调度能量管理系统(energy management system,EMS)、工程生产管理系统(power production management system,PMS)、地理信息系统(geo-information system,GIS)以及人工干涉对软件平台进行支撑,以共同完成优化配网调度执行的工作。软件设计中采用开放性、分布式体系和面型对象的技术,通过系统的支撑平台实现配网调度应用在操作系统上的分布设置。配网调度应用软件可实现配网调度实时运行监控的仿真、运行数据的发布、报表的管理等具备智能报警、停电分析、拉限电分析以及配网操作预案等功能。系统软件通过人机界面将配网调度数据展示给用户。

本文的软件部分潮流计算模块采用Visual C++9.0语言编写,利用内嵌X86汇编语言编写部分矩阵计算。潮流计算是基于有功功率(P)和无功功率(Q)深入分解法与前推回代法,实现软件架构动态的拓扑技术。由于主配网与自配网系统的电压存在着差别,本文采用了两种标准方式相结合的方法优化潮流计算方式。该方法既能计算全域的高电压输电网潮流,又能计算全域的低电压配电网潮流。该方法还能提高算法的计算速度。

报表管理模块采用自定义设计理念进行数据运行,根据用户的不同需求采用系统报表的不同模式。停电分析模块采用图形化的方式直观显示设备和负荷的带电性,并在图形内设置了动态实时校验,以实现对电网所有设备、负荷的带电性进行状态实时操作。拉限电分析模块对各变电站、各馈线拉限电容量实时定量分析,并合理安排检修的工作。智能报警模块采用配置的方法,以动画的形式展示潮流分析结果、重要负荷、故障负荷、检修、挂牌、失电等分析图。若发现运行异常的结果,系统将会发出报警信号。

所设计的软件完成了配网调度的本地执行工作以及远程执行工作,并且将配网调度的数据进行图形化设置,以实现用户的可视化;采用动画模式展示配网调度运行状态,以实现配网调度的执行。

2 基于两点估计法的配网调度控制

本文通过执行优化配网调度,对配网调度控制进行研究。研究采用两点估计法实现对配网的优化调度,进而实现配网调度控制。在配网调整过程中,本文构建了配网调度模型,通过两点估计法确定各控制变量,以调整配网调度运行的稳定性与经济性。

算法流程如图4所示。

图4 算法流程图

图4中,k为迭代次数。

本文对配网调度模型进行计算。配网相对于分布式电源,负荷的波动较小,因此可以忽略负荷的波动。本文采用成本最低的约束规划,计算配网调度优化后的目标函数:

(1)

式中:L为支路数;rl为支路l的电阻;Pt,l为第t时间段支路l的开始端有功功率;Qt,l为第t时间段支路l的开始端无功功率;Vt,l为第t时间段支路l的开始端节点电压幅值。

约束条件如下。

①潮流方案约束。对于节点i(i=1,2,…,n),约束条件是:

(2)

式中:Bij为支路i-j的电纳;PGi为i的分布式电源注入有功功率;QGi为i的分布式电源注入无功功率;PLi为i的负荷功率;QLi为i的无功功率;ω为角频率;Ki为i上并联电容器投入组数;Ci为i上并联电容器单组电纳。

②每个节点的电压约束。配电网中包括风力发电或光照发电等分布式电源。因此,计算节点电压的约束范围中,置信度计算式为:

P{Vmin≤Vi≤Vmax}≥β

(3)

式中:Vmin为节点电压下限;Vmax为节点电压上限;β为给定的置信度。

③支路潮流约束。支路潮流约束条件为:

(4)

式中:Smin为支路潮流的下限;Smax为支路潮流的上限。

式(1)～式(3)为增加功率交换区间的约束条件。以下利用两点估计法进行求解。

(5)

进而可以计算:

(6)

方差为:

(7)

式(1)～式(7)为两点估计法的基本流程。将其与蒙特卡洛模拟方法融合,能够实现两点估计法配网调度控制中不确定因素的计算,进而实现均值求解。本文将解出的均值通过两点估计法组合成方程表达式并进行计算。这种方法大大提高了配网调度控制的计算效率,有助于配网在线调度控制和应用。

3 试验结果与分析

本文通过对系统的测试来验证本文系统的有效性。试验前,需搭建试验平台。试验平台采用Smart TopoV5软件系统仿真搭建。试验过程中:数据库软件采用SAPW_DB V1.0;应用服务器采用DotNet Framework 3.5以上,SAPW_ServerV1.0服务端控制软件。测试环境如下:操作系统为Windows Server 2003;CPU参数为Intel(R)Core(TM)i3-2100CPU@3.10 GHz;内存为4 G;硬盘内存为1 024 G。

试验采用的数据为某电网企业配网调度运行关键数据。试验数据如下:配网统计分析数据合格率为98.30%;配网电子接线图挂牌置位规范率为99.81%;配网停电计划规范率为98.90%;绘制单馈线图时间为180 min/条;图模维护准确率为97.36%。

搭建的试验架构如图5所示。

图5 试验架构示意图

以下对配网调度执行的可靠性进行测试。测试结果与文献[1]系统和文献[2]系统试验结果进行对比。试验结果对比如图6所示。

图6 试验结果对比图

本文系统在进行配网调度执行的可靠性测试时,可靠性较高,在80%～100%之间波动;在进行第35次试验时可靠性最高,为96%。文献[1]系统在进行配网调度执行的可靠性测试时,可靠性在40%～80%之间波动,较不稳定;可靠性最高为78%,与本文系统相比存在差距。文献[2]系统在进行配网调度执行的可靠性测试时,可靠性在30%～80%之间波动,最不稳定;可靠性最高为75%,与本文系统相比有很大的缺陷。由此可见,相对于文献[1]系统和文献[2]系统,本文系统对配网调度执行的可靠性测试的可靠性最高,并且有一定的发展前景。

基于配网调度执行的可靠性测试,本文对配网调度控制的精确度进行测试。试验结果仍与文献[1]系统和文献[2]系统的试验结果进行对比。系统精确度对比如表1所示。

表1 系统精确度对比

由表1可知,在进行配网调度控制精确度测试时,本文系统的精确度明显较高,精确度均在80%以上。而文献[1]系统和文献[2]系统的控制精确度不相上下,控制精确度最高为60%,与本文系统相比存在着差距。因此,本文系统在进行配网调度控制执行时,精确度最高、实用性最好。

4 结论

为了优化配网调度的执行工作,本文设计了基于云计算的优化配网调度执行系统。本文采用云计算技术,设计主动配电网云边协同计算体系。该系统通过远程操作实现配电调度边缘计算,大幅提高了配网调度执行优化能力。系统硬件设计构建了分布式结构,以实行配网调度。系统软件设计通过图模一体化操作,以实现配网调度数据的可视化。本文还构建了 C/S、B/S混合架构,以实现配网调度人机可视化的执行功能;利用两点估计法对配网调度模型优化能力进行计算,以实现配网调度控制。

本文还存在着一些不足,如配网在不同环境下容易受到不同程度的影响。本文系统在环境极其恶劣的情况下,仍会出现调度计算误差,因此还需进行更深入研究。