信息能源融合系统

信息能源融合系统（精选10篇）

信息能源融合系统 第1篇

关键词：互联网+,能源互联网,电力通信,移动通信,云计算,虚拟化,信息安全

0 引言

2015年“互联网 +”被写入政府工作报告以来, 传统产业与互联网的融合已成为国家战略,“互联网 + 流通”为首的行业行动计划陆续出台,这标志着传统行业的形态革新、业态衍生日益成为常态。引人关注的是,配合国家“互联网 +”战略,国家能源局于2015年4月宣布制定国家能源互联网行动计划,“互联网 + 能源”与“能源互联网”这2个概念日渐交叉和融合。

本文认为,“互联网 + 能源”与“能源互联网”在范畴上应当是交叉而有别的,如图1所示。一方面, 二者共用基础设施。“互联网 +”强调的是构建一种新型的经济形态和资源、利益分配结构,而非对传统行业基础设施的重建。但能源行业作为对专用基础设施高度依赖的“重资产”行业,不可能像零售、传媒、金融等行业那样,只凭互联网对信息流和利益流的整合就实现行业重构,因此“互联网 + 能源”仍将依赖能源互联网构建起来的基础设施,包括智能化的能源电力网络和支撑能源互联网运行的信息通信资源。另一方面,二者面向不同的经济模型。“互联网 +”强调的互联网经济,侧重改变能源用户的结构和身份,重构利益分配方式,实现行业跨界发展,构建新的经济生态圈;而“能源互联网”则更关注能源本身的可持续发展、清洁供给和高效消费,并以电力为能源传输、结算的媒介,建立自由电力市场经济。

图 1 “互联网 + 能源”与“能源互联网”的范畴 Fig.1 “Internet Plus energy” and “Internet of energy” category

因此,本文在考察“互联网 + 能源”对电力信息通信领域影响的同时,考虑了能源互联网基础设施和互联网经济商业模式对业务应用带来的变化,并指出电力通信网和电力信息通信技术的发展应当具备同时承载两大新兴行业融合发展的潜力。

1 能源互联网的实现结构

里夫金在《第三次工业革命》中对能源互联网的概念进行了系统阐述[1],提出了其实现的五大支柱: 可再生能源、建筑微电源发电、面向间歇电源的储能、能源共享网络、电动汽车。在其基础上,刘振亚于2014年正式提出“全球能源互联网”的概念[2],将能源互联的范围提升到全球,建立了调配北极风电和赤道光能的“一极一道”宏大格局。未来的能源互联网将通过能源技术与信息通信技术的深度融合, 构建一个服务于城市能源管理及承载社会公共服务的能源与信息双向互动的平台,并通过这个平台实现将煤炭、水能、风能、太阳能、核能、生物质能、潮汐能等能源转换为电能,实现多能互补、协调开发、合理利用,优化能源配置。能源互联网能够将互联网、物联网、大数据技术等相互融合,满足客户多样化需求,成为未来能源和服务的枢纽,实现信息流和业务流的统一。

当前业界对能源互联网的理解和概念众多,尚未能有取得共识的定义,但本文认为,各类概念中具有共性的核心特征,即以电为媒介、以开放市场为平台、以供需优化为目标。首先,电能是各类能源中转化、输送和利用技术最成熟和经济的形式,因此电能是公认能源互联网的最佳媒介。其次,要真正实现能源的广泛互联和供需交互,能源的定价机制、商业模式和产业结构必须适应且构成一个开放的市场化交易平台。最后,能源互联网所达成的目标,是实现能源的高效、便捷调配,进一步实现能源供需的最优化匹配,在一定范围内达到能源的供需平衡,使传输损耗、调度成本和基础设施投入最小。这种优化自治的地域范围的划定,是规划能源互联网实现架构的基础,而其影响因素众多,包括电网网架基础、供需经济结构、地缘利益实体等。

学术界参照通信网的分级,对能源互联网也提出了分级架构[3]。但本文经过对现有能源配给方式的研究认为,能源互联网的划分依据,更要参照其依赖的电网特征(如电压等级)及其实现能源自治的范围。本文将能源互联网划分为4个层级,见表1。表1中:按照地域将能源互联网划分为自治单元,自治单元内实现能源供需,单元与单元之间通过电网实现能源交互;每个低级自治单元作为一个电源或负荷点,向上汇聚到某个高级单元中,4个层级逐级向上组成树状或网状结构,并在不同的电压等级保障电网自洽运行。

全球能源互联网所连接的节点是区域能源互联网,由能源集散中心和能源路由站实现其功能;区域能源互联网的下级节点是楼宇群或园区的微网;微网内部的基本自治单元是智能家庭,由家庭能源管理中心自治。

1.1 全球能源互联网

全球能源互联网是能源互联网的最高级别,由特高压骨干与超高压分支承载[4]。它将由跨国跨洲骨干网架和涵盖各国各电压等级电网(输电网、配电网)的国家泛在智能电网构成,连接“一极一道”(北极、赤道)大型能源基地,将各种集中式、分布式的风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送到各类用户, 形成服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源配置平台。

1.2 区域能源互联网

区域能源互联是指以“保证区域能源可靠供应, 实现区域能源协调供给”为目标,以电网为载体,以电能为媒介,综合冷、热、电、热水等多种分布式能源,构建“源–网– 荷”互动的区域型能源互联网络, 实现区域多种能源协调控制和综合能效管理。

城市范围内,通过能源路由站、能源集散中心构建二级调度网络,将微网等能源自治单元组织起来, 通过在分布式发电设备、储能设备、用电设备等环节部署各类能效监测终端、控制器、环境传感器、视频监控等采集控制单元,实现发电、用电、环境及安全数据的实时采集,是实现基于互联网的区域能源管理的末端“神经元”。

1.3 楼宇群、园区能源互联网

在楼宇群、园区范围内,实现MW级的光伏、冷、热、电等复合能源的优化调控和能效管理。通过负荷模型与电源出力的预测和匹配,实现园区、楼宇的能源生产与消费的动态平衡,结合全景监测和能效管理,实现园区、楼宇群日常运行能量“0输入”。根据上一层级区域能源网络用能需求状况,园区微网产生的能源可以实现按需并网。

1.4 家庭能源互联网

家庭能源互联网作为最小自发单元,利用家庭微网系统实现能源自发自用,可以局部向重要负荷提供电能和电压支撑,增强重要负荷来抵御自主网故障影响的能力,大大提高现有主网的供电可靠性, 通过“家庭能源管理中心”实现家庭内部及家庭之间分布式电源与家用电器设备供需联动,通过耗能电器能效分析,实现用电设备使用策略和智能控制[6]。家庭多余的电量可以并网发电,实现供需平衡,使微电网始终稳定和经济地运行,从而保障用户的用电质量。

2 电力通信基础设施的发展方向

2.1 电力通信网现状

我国电力通信网从面向电力生产电话调度和实现特定业务的专用网络起步,逐渐发展为覆盖全国的大型行业通信网。目前,国家电网公司的电力通信网基本按照骨干通信网和终端通信接入网两个领域分别管理。

骨干通信网包括传输网、业务网和支撑网3个部分。传输网覆盖全国,综合采用了光通信、微波、卫星、电力线载波等多种通信方式,而以光通信为主,光缆按照电网的行政管理级别被划分为4级,分别对应国家(国网总部)、区域(分部)、省(省电力公司)、市县(市县公司)。通常沿着各电压等级的电网铺设,带宽容量也逐级扩大。业务网包括数据通信网、调度电话交换网、行政电话交换网、会议电视网、应急通信系统等数张面向特定业务的相互独立的网络。支撑网则包括时钟(时间)同步、网管系统等。骨干通信网现状见图2。

终端通信接入网则相对多样而薄弱,经常因特定业务的需要而自行建设。近年来,随着配电自动化业务的普及,随10 k V电网建设的终端电力光缆资源日益丰富,但深入用户侧的“最后一千米”仍然是电力通信网的薄弱环节。

2.2 电力通信网承载业务和流量现状

当前我国电力通信网承载的业务可划分为电网生产调度、管理信息化两大类。

电网生产调度业务又包括电网调度电话、电力系统专有业务、调度生产管理系统业务等。其中,电力系统专有业务主要指各类远方保护及安全稳定控制信号的传送,如系统继电保护、远方保护与安全自动装置等,这类通信业务是保证电网安全、稳定运行的关键,要求极高的可靠性和尽量短的传输时延。而调度、生产管理系统业务主要指辅助电力调度计量的信息系统所需的数据传输,如调度自动化、调度生产管理、广域相量测量、保护及故障录波、电力市场、电能量计量、营销系统、通信网管及运行管理信息化等,这类通信业务对传输时延相对较低,但对大量数据传输的安全性要求较高。

管理信息化业务主要服务于电网公司的日常工作管理,又包括管理服务业务和公司信息化业务。其中,管理服务业务特指非生产性话音和视频通信,如行政电话、电视电话会议、应急指挥通信等, 此类业务在较长时间内没有大的变化,只在电路容量、通信质量方面有升级需求,目前由同步数字体系 (Synchronous Digital Hierarchy,SDH)光传输网承载,并逐步IP化。公司信息化业务特指现代化公司管理所使用的信息系统所需的数据交换,如人资管理、财务管理、物资管理、规划管理、项目管理、运行管理、生产管理、营销管理、协同办公、综合管理等, 实现信息化的业务流程处理和分析决策,此类业务属于企业的敏感信息,在传输时延上无过高要求,但是对传输容量、信息安全要求很高,必须提供可靠的路径和充分的带宽,目前承载在通信数据网上[7]。

上述两大类、五小类业务,产生了3种流量形态: 多级树状汇聚、纵向贯通、扁平化汇聚。电网生产调度业务整体属于多级树状汇聚流量,其数据流是严格依照电网的结构,按电压等级逐级汇聚的。各级电网的直调变电站、直调电厂、下级机构,均通过本级通信网向相应的调度中心汇集,然后接入上级通信网;管理信息化业务中的管理服务业务属于纵向贯通流量,其语音和视频数据在各级电网机构的对口业务部门之间传输;管理信息化业务中的公司信息化业务属于扁平化汇聚流量,由省、市级特定业务的业务归口单位向上级管理单位汇聚,尤其在国家电网公司实施“三集五大”之后,人、财、物进行集约化管理,使得流量扁平化特征更加明显。

2.3 电力通信网业务和流量发展预期

在能源电力行业与互联网行业越来越多的融合后,电力通信网的上述两类业务和三类流量形态将不能充分支撑业务的发展。未来将有3类业务需求对电力通信提出革命性的要求:

1)能源互联网的分级自治和动态平衡,将打破通信流量的静态模型。各节点间的通信流量不再可预测,通信带宽的分配和调度方式不再可计划,通信资源必须具备实时柔性配置和自适应的能力。由于局部自治和分布式决策,接入网的容量和速率需求急剧膨胀,许多业务将由传统汇聚–分发的模式转变为局域网和点对点通信方式。

2)互联网模式向电力行业的渗透,将打通现有独立网络的边界。目前电力通信网是由多张相互隔离的独立网络构成的系统,这样的结构对于保障各独立业务的安全稳定运行有一定积极意义,但不可避免地存在利用效率低下的问题。从资源上看,互联网一方面寻求数据的贯通和整合,以发掘大数据的潜在价值,一方面将服务和基础设施虚拟化,构建“资源无限”的云架构。从应用上看,终端用户体验将得到越来越多的关注,从智能用电、需求响应、分布式电源、电动汽车等一系列面向终端用户的应用, 到家庭、楼宇、园区、城市的能源管理,信息数据的集中汇聚和信息资产的封闭管理越来越困难。这一切趋势,都必将打通现有业务的壁垒,全面实现共享互通,因而承载这些业务的独立通信网络的边界也必将被冲破。带来的业务安全和稳定问题,将交由虚拟化和动态调配技术解决。

3)“互联网 + 能源”行业结构的变化,将导致业务和通信设施在物理位置上的异构。互联网对全球资源的整合,以及传统业务应用日益转移到移动终端,都将淡化业务对地理位置的依赖。一方面,地理信息将不再是电力设备或应用的固定属性,而成为被调用的公共服务,移动和突发业务将随时在网络的任何位置制造流量;一方面,信息通信公共基础设施与业务解耦合,各业务不再独占自有的信息通信资源。目前,国家电网公司建在北京、上海、西安的三地容灾中心和各省的数据中心及其通信的“第二汇聚点”,已经在业务和基础设施解耦合上走出第一步,未来社会信息通信资源与电力专用资源融合后, 电力通信网现有的结构将被颠覆。

2.4 电力通信网架的发展趋势

通过对上述业务和流量变化的分析,本文预期, 未来“互联网 + 能源”将促使电力通信网架向三大趋势发展。

1)趋势一,即层级整合。国家电网公司的“三集五大”建设通过将人、财、物集约化管理,从管理架构上促进业务向上扁平化;SG-ERP等信息系统的二级部署,从信息架构上也导致数据流量向一、二级骨干网汇聚。而能源互联网和“互联网 +”对终端用户业务的关注,将导致末端信息消费规模的爆炸性增长。因此未来通信需求将向高等级骨干网和终端接入网两级分化,现有的四级骨干网加多级接入网的结构将变得不平衡,层级整合是必然趋势。而末端的多种通信手段自组网、骨干传输和数据网络资源的动态分配,将成为扁平化网络管理的重要手段。

2)趋势二,即内外结合。电力专网(内网)和公共网络(外网)资源的结合、甚至融合,将被提上日程。一方面,电力营销双向互动、智能用电和需求侧管理、电网客服和电商、大数据社会服务等一系列具有“互联网 +”基因的特色业务已在电网行业快速兴起,但内、外网信息的物理隔离,造成广大用户使用困难,且信息交互手段贫乏,严重桎梏了业务发展。另一方面,电力生产和电网企业经营越来越依赖电信运营商的移动网络,例如电能计量的用电信息采集系统远程通道就大量租用运营商的虚拟专网,反之,电网的光传输网络又是社会行业急需的通信通道,内外网通信资源天然互补。因此内外网资源结合,将成为重要方向。电力专网的概念不再指独占物理通道,而是通过多级别的安全手段,实现虚拟专网。

3)趋势三,即设备融合。业务的互联网化,必将导致相关设备的互联网化。信息物理融合系统 (Cyber-Physical System,CPS)是美国2005年提出的将专业设备与互联网深度融合的技术体系。电气信息物理融合系统早在2008年就已被提出并完成建模,业界学者也初步研究了其分析和控制方法[8]。但多年来CPS未得到广泛应用和发展,并非因为其存在技术障碍,主要是因为电网业务一直延续使用了数十年的集中调度控制方式,对分布式的智能决策和控制缺乏需求。能源互联网的自治架构形成之后,每个自治单元将形成决策主体,因此对于特定电力设备,其决策和控制主体将可变化,可能是集中的调控中心,也可能分布于网络各个节点。能源供需沟通、电力交换握手、交易撮合、潮流控制等业务,将产生供需信息、交易信息、设备监测信息、设备控制信息、冲突仲裁、安全防护等多样化数据,这些数据的物理拓扑和传输协议迥异,但却承载在同一张通信网络上,并发生大量的交互。由此可见,电力通信网,特别是末端的设备接入网,将呈现通信设备与电力装备、信息采集设备、控制装置深度融合的格局, 产生一系列具有全新功能和标准的电气CPS系统。

3 新兴业务应用和电力信息通信技术发展方向

能源消费者将转变为耗能服务享用者,而能源自身的生产、配送、消耗及这些环节产生的信息,将被平台化、虚拟化。能源产业与互联网紧密融合将会给技术应用、服务模式、发展理念等带来明显的变化,促进能源领域的根本性革命。而能源互联网作为“互联网 + 传统电网”的最佳组合体现,将借鉴互联网发展的核心技术平台,提升用户体验,促进价值共享,打破发展边界的思维理念,以实现真正意义上能源资源共享,提高能源利用效率,构建和谐的能源网络环境。能源互联网将是电网发展特色,助力能源产业升级。

能源互联网的概念和内涵较为多元化,电力信息通信作为能源互联网重要的组成部分,参与和支撑能源系统优化运行,促进多种能源的协调互补,承载实现数字化管理、智能化决策和互动化服务,满足各类智能化业务及其延伸覆盖至能源互联网应用各个层级的能力,并对能源互联网技术和运作方式的发展具有重要意义。

3.1 全终端移动化

在能源互联网的背景下依靠新型电力新型通信技术,电力行业用户服务模式将发生改变,移动互联网客户服务将普及,全终端移动化也在电力领域的各个层面得到更广泛的应用。

电力生产方面,电力生产业务移动终端将面向电力营销服务、用户用能服务,为电力安全巡检外勤作业提供应用,创新电力生产的工作模式,改善现有工作现状,节约生产成本,高效利用现有资源,为使用者提供安全可靠的移动服务。

信息采集 方面,移动信息 采集终端 将会实现 对可移动电源点的数据采集,如电动汽车用电数据、运行状 态的采集。 地理信息 系统(Geographic Information System,GIS)空间信息服务平台负责数据采集、基于移动终端用户行为的数据采集等。信息采集移动终端的应用提升信息采集的准确性,降低采集工作的难度。

客户服务方面,客户服务终端将随着信息通信技术不断向用户侧延伸,进一步完善用户与电网互动,用户可随时查询电能供给来源、周边电能需求、家电能源利用等情况,并对电能供给质量、电力企业服务质量及节能服务等形成反馈,从而将单向被动用电方式,转向双向互动的模式[9]。

家庭能源管理方面,不仅仅将家庭能源管理局限在家庭内部,消费者还可以通过移动终端享受到能源在线服务,远程管理家庭电器的用电,或对发电设备功率进行调整。

3.2 全业务云化

电力云技术应用作为电力通信发展的重要手段,整合网络、服务器、存储、应用系统等IT资源,打造动态、易扩展的高速计算能力,按需提供IT服务。满足智能电网发展面临的大数据挑战,促进电网IT服务能力与管理水平的提升,满足新兴业务发展需求[10]。

基础设施的云化:瘦终端、分布式存储、软定义网络、虚拟化桌面池等业务产品的大规模应用,实现了资源集中部署和精细化管理,提升资源利用效率, 延长服务器资源的生命周期,降低运维工作成本。

平台服务的云化:依托电力基础设施服务资源池,建设了统一开发平台、分布式存储服务、企业级数据库服务、中间件服务、GIS平台服务、可视化平台服务等云服务平台,用户无需为服务器、操作系统、网络和存储等资源的运维操心,可根据外界环境变化随时搭建、扩展其信息系统,提升业务效率。

应用组件化:依靠智能电网信息平台,形成电力安全生产与控制、电力企业经营管理、电力营销与市场交易等领域的业务软件,以及经营决策智能分析、管理控制智能处理与业务操作智能作业等智能分析软件,这些软件的应用将进一步缩短项目建设周期, 提高业务变化响应效率,提升整体信息化服务水平。

3.3 信息通信资源虚拟化

电力信息通信资源可承载公共业务,公共信息通信资源可补充电力业务,未来全社会的信息通信资源将形成一个大的资源池,并按照其专有性、安全性、容量、速率、运行管理实体等方面划定其适用业务,建立业务和资源池的自动匹配标准。资源的虚拟化,将实现资源利用的最大化,提高资源利用的灵活度,甚至催生出新的电力信息通信产业形态。

网络资源的虚拟化,电力通信网络在原有光纤、RS485、微功率等多种通信技术基础上,改造现有网络协议,引入新的网络技术。随着能源互联网对网络要求的加强,基础网络安全性将得到明显提升,网络架构将发生变化,电力虚拟专网将与电力通信专网、互联网并重,共同构建网络架构,允许、接纳业务交叉和重复使用。

信息资源的虚拟化,将实现用户的个人数据、电力数据、企业数据等接入和共享,实现统一汇集、管理、交换,消除信息孤岛,为电力调度、生产、运行、经营等其他业务系统提供实时信息来源。

3.4 全口径信息安全防护

真正实现信息通信资源虚拟化的前提,是充分保障信息生产、交换、传输、存储等各环节的信息安全。能源交易、智能家居、电动汽车和电子商务等业务场景,使用户与用户、用户与电网之间存在大量的移动互联和双向交互,对信息安全保障提出了更高的要求[11]。信息安全的级别可包括芯片级、网络设备级、系统软件级、机制架构级4个级别。

智能电表安全芯片、智能终端安全芯片、电卡等芯片的开发为电能计量、信息化安全保驾护航,在公网通信安全防护网关与模块、电网统一视频监视平台、智能电网调度技术支持系统、应急指挥信息系统、集中式信息系统容灾备份中心等确保安全生 产等方面发挥着积极作用。全口径电网安全生产防线的构建,推动了生产管理和安全管理整体水平的提高。

4 结语

企业能源计量管理信息系统下载说明 第2篇

1．企业能源计量管理信息系统（标准版）

适用对象：适合于单体式企业，由企业一个职能部门下载安装软件负责录入及管理。

2．企业能源计量管理信息系统（集团版）

信息能源融合系统 第3篇

【关键词】企业管理；信息系统；融合创新

【中图分类号】F23 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01—0439-01

一、引言

我国经过30年改革开放的经济发展，一方面受到西方先进的管理模式的冲击，同时也受到了严重的计划经济时代的影响，因此企业管理模式发展过程中就不可避免的遭遇两种管理模式的冲击，特别是现代信息技术的发展，一方面企业管理和发展离不开信息源的支持，另一方面不少企业囿于计划经济模式，自给自足的思想严重，造成企业在上线信息管理系统时并不能够更好的创新融合，没有给企业管理带来效率上的提升，相反还掣肘管理，这实际上是多信息管理系统的巨大浪费。因此提升企业管理和信息系统应用的融合已经成为现代企业的当务之急，本文的重点也就是探讨这个融合创新模式。

二、当前企业管理和信息系统融合存在的问题

（一）信息化系统和知识管理融合存在的问题

企业管理的一个重要核心就是对知识的管理，企业资源和对过去经验的总结实际上就是一个个知识库，目前我国很多企业在知识管理方面仅仅出于自发性和下意识的形态。很多企业认为只要有了信息系统，就能够对这些知识库进行管理，进行检索，实现知识的重复利用。但是知识库的信息化存贮仅仅是知识管理的最低层次，仅仅实现知识转移，但是却很难确保知识的高效转移，因为信息化的直接优势仅仅体现在知识共享，但是这些知识在共享过程中能否实现真正理解则需要长时期的磨合才能够实现。另外通过便捷性的知识共享又会产生信息依赖症，造成知识创新困难，这对于现代知识型企业而言，会产生严重的负面影响。最后还因为信鼠系统本身的安全性，容易产生知识外溢等负效应，由此给知识产权保护带来隐患。

（二）信息化系统和企业文化融合存在的问题

企业文化是企业管理的重要内容，而企业信息化系统的出现能够让企业员工统一在一个平台上工作，让企业员工能够依靠信息化系统的管理思想来完成对工作方法和模式的改变，从而更好的提升企业的管理效率，这从本质上来说是对企业文化的一种提升，但是现阶段的企业信息管理系统在这方面的功能还没有得到企业的重视，而造成这种原因的关键就在于企业的管理信息系统并不能够紧密贴合企业实际，因为很多企业在上线企业信息管理系统前的企业文化已经深入人心，而这些企业文化和企业信息系统带来的企业文化并不能够很好的融合，因此造成企业文化发展的困境。

（三）信息化系统和执行力融合存在的问题

企业管理另一个重要内容就是执行力，执行力能够反映企业管理效率和水平，因此现代企业管理非常重视执行力，而企业信息化系统的出现从本质上来说就具备提升企业管理执行力的重要作用，信息化系统的管理模式优化了传统企业在工作流程和企业管理制度中的不合理因素，能够理顺企业工作流程和规范企业规章制度。但是从企业实际执行企业信息化系统时，这两者的融合还是存在着巨大的问题，这主要反映在信息化系统仅仅落于形式，很多工作流程并没有严格按照企业信息化系统的程序执行，而是更多的依靠了人性化，很多企业为了让企业信息化系统执行下去往往采用人工方法干完活后再来补齐信息系统工作流程的手续，不仅不能够提升执行力，相反还因为额外的工作造成效率上的浪费。

三、企业管理和信息系统融合的创新

（一）信息管理系统和知识管理的融合创新

面对信息管理系统和知识管理融合存在的问题，需要从四个方面进行创新，其一就是企业管理高层需要改变对知识管理体系本质的认知，那就是知识在企业的良性循环以及知识经验积累到一定程度的共同发酵才能够驱动创新力，因此需要增设CTO（首席知识官）和知识经理，从而实现整个知识管理体系结构；其二注重良性循环培育，既要促进组织单元的紧密联系和沟通便捷性，又要不断提升组织部门的知识存量以及新知识的创新。重视知识向生产力的转化过程，因此需要对传统的管理体制进行革新，培养组织单元对知识的深度挖掘，将默会知识转化成现行知识，在这个过程里，CTO和知识管理经理要起到监督和指导作用；其三建立创新激励机制，知识管理更多的是对人的管理和激励，人是知识的创造者和创新者，因此从物质上和精神上给予知识创造者和创新者奖励，或者依托知识入股和股权分享等方式提升知识持有者对企业的忠诚度，从而减少知识流失以及非授权使用的可能性。

（二）信息管理系统和企业文化的融合创新

要想实现企业信息管理系统和企业文化的融合创新主要从以下几个方面着手解决，其一对于企业来说要转变思想观念，不是让企业上线了信息管理系统就算是完成了企业文化的创新和发展，要深刻认识企业文化和企业信息管理系统的四性要素，分别为共时、并存、互动以及整体四性。因此信息管理系统就要从这四性出发，完成和企业文化的创新融合。其二完善企业信息管理系统功能，提升管理效率和质量，通过信息系统的完善来改变企业文化的严谨性，创造高效和高质的企业文化；其三要对企业资源进行整合，消除企业内部的信息孤岛，完成对企业各组织单元的分工，消除信息垄断，构建信息资源共享的融洽的企业文化氛围，这有利于团结合作的企业文化的构建，并有效打破本位主义思想。其四就是积极推动企业的扁平化管理模式，缩短信息传递层级，畅通信息高速传递，重视基层和个体的能动性。通过企业信息化系统功能和思想的创新来改变企业文化也向网络化和扁平化结构的转变，从而创新积极向上的企业文化氛围，最终实现信息管理系统和企业文化的高度融合。

（三）企业信息管理系统和执行力的融合创新

企业信息管理系统不仅仅是一套软件，更是一套管理思想。作为企业选择企业信息管理系统时，不仅仅要注重软件的功能，更多的还要注重这套管理软件能否更好的促进企业执行力的提升，因此企业在上线企业信息管理系统时，就需要融合到企业的各个运作环节中，将现有的工作流程从分散化，无序化以及难追溯的现状转变成可视化、标准化以及可管控的状态，因此要从两个方面着手创新。其—是将制度和企业工作流程进行整合。对于企业的工作流程采用建模方式，制定流程接口，实现流程之间的无缝对接。与此同时要整合制度和流程的各种因素，梳理工序节点的管理信息；其二将信息化融入到执行系统中，业务流程方案优化后或者工作流程方案优化后，在执行过程中就需要严格按照优化后的工作流程来执行，如果违反规定则相关的工作流程就会被切断，虽然会造成企业在管理上的不顺，但是这是短期的过程，只有从上至下严格按照这个流程来工作，才能够从根本上实现执行力的提升，才能够完成企业信息管理系统和企业执行力的高度融合。

四、总结

企业管理信息系统对于企业管理思想的改变是非常重要的，能够对企业管理文化产生非常重要的影响，如果使用不当这个高科技就会产生负面作用。通过本文对企业信息化管理在知识管理、企业文化和执行力方面的创新融合的研究，有效的提升了企业信息管理系统和企业管理的有效融合，这对于提升企业核心竞争力是具有十分重要的意义的。

参考文献

[1]李静.计算机信息管理系统促进现代企业管理探析[J]；科技风；2010年第14期

[2]韩姝钟斌.浅析信息管理系统对企业发展的作用[J]；科技信息；2009年第7期

“信息能源系统”栏目征文启事 第4篇

薛禹胜院士在阐述能源革命的概念时认为,智能电网框架强调了信息系统与电力系统的融合,并在能源革命中被拓展到包括一次能源与终端能源在内的大能源系统。不论是用电力系统替换能源系统,还是用Internet替换信息系统,都难免以偏概全之嫌。因此,他建议将有关讨论理解为信息物理系统概念在大能源领域的体现,即信息能源系统。它是将先进的信息、 通信、传感技术与以电力为核心的大能源系统的深度融合。有关征稿范围包括信息能源系统的体系、架构、建模、规划、运营、 安全和实现路径等相关的新理论、新方法、新技术、新应用,以及示范应用和工程案例等。欢迎原创论文、综述和微文投稿。欢迎作者采用自己的观点来阐述,例如能源互联网、综合能源网……

信息能源融合系统 第5篇

摘要：借鉴昆虫复眼获取与处理信息的机理和过程来构造多源、多尺度监测信息融合仿生处理系统模式.在水资源水环境的空中、地面多传感器时空定量监测应用中,多种卫星遥感传感器和地面监测传感器被设计“集成”在一个虚拟的仿生复眼平台上,通过模仿蝇类昆虫视觉信息获取和生物神经网络感知与计算的机理,实现大场景(LF)、小场景(SF)的协同监测和专题信息融合与决策.提出了空中、地面多传感器时空定量信息获取与处理的仿蝇复眼型信息融合系统模式,设计了基于仿蝇复眼感知与计算机理的`多源信息融合工程模型和算法,包括虚拟复眼设计,虚拟复眼图像的预处理模型,LF系统和SF系统的感知与计算机理以及复眼图像超分辨率重构算法.仿真实验中验证了空中、地面多源多尺度监测信息融合的仿生复眼型系统模式、LF和SF系统计算模型以及复眼图像超分辨率重构的可行性与合理性.作 者：徐立中 石爱业 黄凤辰 马贞立 XU Li-zhong SHI Ai-ye HUANG Feng-chen MA Zhen-li 作者单位：徐立中,石爱业,黄凤辰,XU Li-zhong,SHI Ai-ye,HUANG Feng-chen(河海大学计算机及信息工程学院,江苏南京210098;河海大学通信与信息系统工程研究所,江苏南京210098)

马贞立,MA Zhen-li(河海大学计算机及信息工程学院,江苏南京,210098)

远程能源计量信息系统的设计与实施 第6篇

远程能源计量和能源的充分利用情况与统计、能源的统计与审计、节能监测状况分析是工业企业节能工作与能源管理的基础, 然而, 远程能源计量是最基础的。倘若企业没有有效合理的配备远程能源计量器具, 能源管理部门就很难取得可靠准确的远程能源的计量数据, 对企业的能源管理也就不能进行有效科学的统计与分析。进而不能为企业的节能降耗工作与能源管理工作给予准确、可靠的指导方向。可能会导致企业的能源严重的浪费, 从而增多生产成本。企业能源不正常的消耗, 会对环境造成污。自改革开放以来, 随着我国经济的快速发展, 国家对企业的节能降耗提出了较高的需求, 远程能源计量系统的工作也显得非常的重要。

2 远程能源计量系统的现状分析

当前, 各个行业使用与开发远程能源计量信息系统没有统一的规范标准。由于缺少有关的规范性指导文件, 企业依据要求进行开发与设计, 远程能源计量系统的模式比较混乱。根据某地的医药化工行业远程能源计量信息的管理系统调查表明, 现今企业能源的计量系统因为数据结构、模块功能与系统结构、输出输入报表等多个方面的不规范, 使企业在计量设备的选用、计量数据收集点的设置不规范, 造成企业远程能源计量平衡的不确定性。由于缺少有关的规范标准, 许多企业的远程能源计量管理系统的输出, 政府能源监管相关部门需求的各类申报报表, 造成漏报与误报情况的出现。此种政企不一致的情况, 使政府的能源监管部门不能统一的进行管理企业的能源审计与统计工作。

3 远程能源计量系统的设计

3.1 系统设计的观念

为了积极的适应企业发展的需求, 有效的解决企业的远程能源计量系统管理工作中出现的问题。本着经济实用与节约投资的原则, 依据自身的特点, 自主进行设计与选型, 自主的研究远程能源计量信息系统。

3.2 系统软硬件环境的设计

在对远程能源的计量信息管理系统进行设计时, 在设计硬件上要充分考虑企业的经济承受力, 并不断的完善。与此同时, 配备的计量设施要能进行在线的检定与校准;软件的设计要综合全面考虑, 进而提供必要的完善与升级空间。

3.3 明确现场的远程能源计量检测点的设置和计量器具的配置要求

3.3.1 现场的能源检测点的确定

用能单位远程能源计量信息系统, 要能够收集行业不同类型的能源数据。所谓能源数据, 指的是蒸气、水、天然气、电力、煤炭、原油与焦炭等与其他的直接或经过转换、加工以及回收而获取的有用的多种资源。

远程能源计量信息系统收集点的装置原则, 要可以准确以及实时的收集数据作为计量的检测点, 且要综合的考虑到满足能源统计与审计需求、能源设计与能源平衡的要求。具体的数据采集范围包含:

(1) 输入的用能单位、次级用能单位以及用能设施的能源与载能的工质; (2) 输出的用能单位、次级的用能单位以及用能设施的能源与载能工质; (3) 次级用能单位、用能单位以及用能设施的使用的能源与载能工质; (4) 用能单位、次级的用能单位与用能设施自产能源与载能工质; (5) 用能单位、次级用能单位以及用能设备科的回收运用余能资源。

3.3.2 计量器具配备率要求

依据GB/17167-2006的要求标准, 远程能源计量信息系统的数据收集点的能源计量器具配备率如表1所示的规定。

3.4 远程能源管理信息系统的功能模块设计

(1) 计量器械系统的模块。计量器械系统模块功能是远程能源计量系统以及能源供应单位收费端计量数据联网, 实行监控一级与二级计量的能源数据差异, 并且把所收集的计量数据形成对比, 发现不合理的偏差系统就会立即报警。系统对电能供应的质量进行有效的监控, 并且有报警的提示与记录。

(2) 远程能源数据收集系统模块。能源的数据收集系统模块的主要功能是自动的收集各种能源计量点的实时累计量与瞬时量, 收集的周期在1~24h的范围里可以调。收集数据的项目完全适合能源计量与统计管理部门的需求。

(3) 收集数据的储存、传送以及查询系统模块。采集数据的查询、储存以及传送系统的模块要充分满足实时的传送需求, 注重数据的传送速度, 有线的传输200m里面可以运用双绞线串口进行传输, 超出200m要运用光纤以太网传输, 也能运用无线传送;每个采集点的数据传送至人机的交互界面时间不能大于1s。数据的输出要充分满足集中化的管理要求, 可以经过人机的交互界面查询全部的远程能源计量数据的输出。能源数据中心的服务器实时监控数据通常保存超过60d。

(4) 报表统计系统模块。报表的系统统计模块的功能是可以依据政府、各级公司与分公司要求, 自动的导出全部的多种适合政府能源审计和统计要求的用源申报报表、能源统计报表、数据可追回至系统的计量检测记录。

(5) 数据汇总与计算分析模块。数据整合与计算分析系统的主要功能是对能源的消耗计量进行整合, 并且依照系统设计的每种能耗定额的指标与节能量化的指标进行分析计算, 并且自动的形成对比分析图。超出指标的系统马上报警提示。经过此提示, 企业可以及时的发现能源的消耗异常与浪费的现象, 准时的进行改进和纠正与, 有效的进行控制能源的消耗以及能源的成本开支。能耗的定额与节能量化的指标包含企业的工业增加综合能耗、企业的综合产值能耗、单位产品的综合能耗、车间的能源能耗定额与用能的设施单耗等。数据的整合与分析计算系统模块可以对各个产品的能源成本以及各个车间的能源成本进行分析与监控, 并且自动的形成分析图表, 用能成本超出预定的费用, 系统会报警提示。

4 远程能源计量信息系统实施

此系统的实施, 使得上传的数值速度较快、显示的精度高, 充分满足了用户的要求。但是在具体的运用过程中, 发生系统比较常见的问题。以压缩的空气计量监控为例, 因为模块是系统的重要核心部件, 它的运转会对仪表参数的显示产生直接的影响, 所以在画面上增加报警的功能。在模块离线状态时, 系统的画面模块报警显示0;在模块处在在线状态时, 系统画面模块是正常的显示1, 与此同时, 对二次仪表运行起监控作用, 进而完善对模块的监控, 可以直观的观察模块和二次仪表的运行, 很快的排除系统运行中的故障;此外, 对系统流量与压力等检测点进行报警的监控。在报表的管理使用中, 此系统能直接的反映每个工序的实能源消耗水平, 在仪表出现零点较高与有误差显示的时候, 经过查询有关的历史趋势, 找出故障的时间段, 可经过人为判断进行数据的调整。所以, 在数据报表的使用中, 要结合具体的实际情况有效合理的使用。

从整体的压缩空气的计量运行来看, 整个消耗过程中, 流量与压力等参数进行实时的监控, 合理有效处理了数据信息的传递速度慢, 不助于有关管理部门数据共享的情况, 对生产中的模块离线以及数据显示不准确等问题, 能很快的查找与处理。从根本上解决了系统存在的弊端, 实现预期的效果。

5结束语

远程能源计量信息系统的设计与实施有效的解决了能源计量系统中的许多问题。整体而言, 不仅仅对企业提升能源的利用率给予了实时信息, 还对企业管理层面的生产决策和提高企业的管理观念有着非常重要的意义, 对建立建设资源能源节约型、生态环境友好型的企业有着很重要的带动作用。

摘要：远程能源计量信息系统是企业实现节能降耗的精细化管理, 是提升能源的利用效率的有效保证。本文主要对远程能源计量信息的设计与施工进行探讨, 对指引节能降耗的工作有着重要的意义。

关键词：远程,能源计量,信息系统

参考文献

[1]李纯, 孙健.能源管理信息系统在企业能源计量和节能量化管理中的应用[J].中国计量, 2008 (11) :34~35.

[2]杨涛.能源管理系统的应用[J].黑龙江科技信息, 2009 (17) :274.

信息能源融合系统 第7篇

能源计量是企业计量工作的一个重要组成部门, 由企业的计量机构 (企业计量主管部门) 统一管理, 企业通过能源计量管理, 促进企业实行能源定量化管理, 做到能耗有数据, 制定生产工序和产品能耗定额有依据, 考核用能状况有标准, 为制订节能的操作制度创造条件。

1 能源计量信息管理系统的现状分析

目前, 中国各行业开发和使用的能源计量信息管理系统无统一规范标准。因为缺乏国家规范性的指导文件, 企业按照自行需求进行设计和开发, 能源计量管理系统模式较混乱。许多企业因为没有相关标准或规范的指导而茫然。据浙江省医药化工行业能源计量信息管理系统调查显示, 现阶段企业在能源计量系统由于系统结构、功能模块、数据结构与输入输出报表等多方面的不规范, 使得企业在计量器具选择、计量数据采集点设置的规范导致企业能计量与源平衡的不确定性。因为缺乏相关标准或规范, 很多企业的能源计量管理系统输出政府能源监管部门的需要的各类申报报表 (企业耗能设备一览表、企业能源计量器具一览表、能源工业企业能源购销存表、能源消耗统计及分析报表、生产信息报表) , 误报和漏报的情况时有发生。这种政企不一致的状况, 使得政府能源监管部门较难统一管理企业的能源统计与审计工作。本文就结合当前中国用能行业能源计量信息管理系统的特点, 对系统的设计规范做一些浅层次的探讨与研究。

2 能源计量信息管理系统建设

2.1 系统的软硬件环境设计要求

在设计能源计量信息管理系统时, 对设计硬件上要考虑企业的经济承受能力, 逐步完善。同时, 配备的计量器具必须要能在线检定或校准;软件设计要考虑全面, 给予必要的完善及升级的空间。

2.2 确定现场能源计量检测点设置

现场能源检测点确定。用能单位能源计量信息管理系统, 应能采集行业不同种类能源的数据。所称能源数据, 指煤炭、原油、电力、天然气、焦炭、水、蒸汽等和其他直接或者通过加工、转换、回收而取得有用能的各种资源。

能源计量信息管理系统采集点的设置原则是以能够准确和实时采集数据的作为计量检测点, 并且要考虑能满足能源平衡、能源统计与审计要求。具体数据采集范围包括:一是输入用能单位、次级用能单位和用能设备的能源及载能工质;二是输出用能单位、次级用能单位和用能设备的能源及载能工质;三是用能单位、次级用能单位和用能设备使用 (消耗) 的能源及载能工质;四是用能单位、次级用能单位和用能设备自产的能源及载能工质;五是用能单位、次级用能单位和用能设备科回收利用的余能资源。

2.3 计量器具管理的设计

计量器具管理的内容要依据企业能源部门计量器具的管理流程进行设计。同时还可能会与其他相关系统进行数据交互或流程交互。下面就针对计量器具管理主要的功能模块进行说明:

2.3.1 计量器具管理的目标

计量器具管理是指根据国家政策法规、企业现行制度实现对企业内计量器具的管理工作。加强计量器具管理是国家对于工业企业的强制性要求, 而对于企业而言则是必须严格执行的义务。当然, 计量器具管理对于企业能源管理自身而言, 也是具有重大意义的。计量器具效力的有效发挥可以确保计量数据的准确性, 进而真实的反应企业能源系统关键环节的过程状态, 可以协助企业实现以下目标:

1) 能源部门可以进行准确的能量平衡分析、能耗平衡分析;2) 确保企业能源考核、成本核算的准确度与可信度;3) 实现能源异常的及时反馈, 降低企业跑冒滴漏现象的损失。

2.3.2 计量器具档案管理

建立计量器具档案 (计量台帐) 是计量器具管理的最基础工作, 计量器具档案应该尽可能涵盖计量器具的全部档案信息, 以下就列出一些必要的档案信息:

1) 基础信息:计量器具的编号、名称、厂家、型号、出厂编号;2) 技术信息:类别 (A、B、C类) 、测量范围、准确度、用途;3) 管理信息:使用部门、安装地点、负责人、领用日期;4) 检定信息:检定周期、检定日期、有效期;5) 资料信息:合格说明书、说明书、检定证书 (以电子文件、扫描件方式存储) 。

2.3.3 维修管理

对于在数据监测过程与点检过程中发现的计量器具故障、损坏、异常等情况需要及时对计量器具进行维修。工作流程大致为, 首先由发现故障人员对故障情况进行记录并通知维修人员, 然后由维修人员/厂家对计量器具进行维修并记录维修情况, 最后由管理人员对维修效果进行评估并记录。所以在维修记录中应包括:故障情况、故障时间、发现人、维修人、维修情况、维修时间、评估人、评估情况等。当然, 如果企业具备良好的设备管理系统, 可以将维修管理纳入到设备管理系统中, 便于企业实现统一管理。

2.3.4 检定管理

在检定管理中, 需要根据计量器具档案按照计量器具的级别、检定周期、上次检定时间等自动生成检定计划。然后由管理人员对检定计划进行调整与审批。相应负责人根据检定计划开展检定工作, 对于由于不可抗拒原因造成的计划无法执行, 需要在系统中提出延期申请并等待管理人员审批。当完成检定工作后, 检定负责人应填写完整的检定结果并将检定报告以电子文件方式在系统中存档。对于判断为不合格的计量器具, 要依据不合格流程进行操作。检定过程的记录包括:计量器具编号、名称、检定时间、检定结果情况、是否不合格、检定责任人、检定方式、检定单位、检定费用等信息。对于发布后的检定计划而责任没有按期执行的, 系统需要实现报警提示。

2.4 能源管理信息系统主要功能

2.4.1 计量器具系统模块。

2.4.2 能源数据采集系统模块。

2.4.3 采集数据传输、存储、查询系统模块。

2.4.4 数据汇总和计算分析系统模块。

2.4.5 报表统计系统模块。

2.4.6 企业、车间、设备能源管理系统模块。

结束语:

为了扎实推进企业能源计量工作, 将节能工作落到实处, 我们对企业能源计量信息管理系统相关的设计规范和标准进行了初步的研究。规范、有效、科学的能源计量信息管理系统不仅能规范企业能源计量与管理, 也将进一步推动国家依法实施节能减排监督管理。

参考文献

[1]杨涛.能源管理系统的应用[J].黑龙江科技信息, 2009, (17) :274.

[2]李纯, 孙健, 等.能源管理信息系统在企业能源计量和节能量化管理中的应用[J].中国计量, 2008, (11) :34-35.

信息物理融合系统应用前景研究 第8篇

信息物理融合系统 (Cyber-Physical Systems[1-4], 以下简称CPS) 是一个前沿性的研究领域, 集成了计算、网络及控制等多学科。随着经济的发展技术的进步, CPS已经成为全球新的发展趋势, 在智能电网、智能交通、智能医疗、智能建筑, 未来航空管理等诸多领域有着广泛的应用前景。CPS被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命, Internet帮助人类实现了信息交流, 而CPS将会改变人与自然界之间的交互方式。

一、CPS概述

CPS赋予了人类和自然界一种新关系。CPS将计算, 网络和物理进程结合在一起。物理进程受到网络的控制和监督;计算机收到它所控制物理进程的反馈信息。在CPS系统中, 物理进程和其它进程紧密联系、相互关联, 充分利用不同系统间结构的特点。CPS意味着监测各项物理进程并且执行相应的命令来改变它。换句话说, 物理进程被计算系统所监视着。该系统和很多小设备向关联, 他们拥有无线通信, 感知存储和计算功能。在现实物理世界中, 各项物理进程是自然发生的, 而CPS是一种人为物理系统或者说是一种将人类和物理世界相结合的更为复杂的系统。

二、CPS带来的机遇

美国国家科学研究院已经列举了一些人类所面临的涉及环境, 健康和人口等问题。CPS将会为解决这些问题提供很大的帮助。下面描述了CPS给人类带来的应用前景。 (1) CPS的研究在医疗和生物制造业提供了广阔的前景。在医疗上的应用取决于治疗装置和设备是否联网, 并且需要满足患者的特殊需求。治疗装置和设备需要被大量重建, 实现患者和医护人员相互关联。 (2) 对于CPS研究的另一个具有挑战性的领域是人类神经科学。它可以系统地认识神经科学在人类运动中的作用和地位。 (3) 在家庭医疗服务领域, 功能更强大的生物医学装置被用来测量身体内外的健康状况。 (4) CPS的研究也会对未来飞行器和空中交通管理系统产生影响。 (5) 智能电网和可再生能源的研究和开发, 用来提高能源利用率。 (6) 建立更加强大的系统满足自主车载网络。 (7) 新的可再生能源被用于高能耗和工业自动化领域。家庭、办公、建筑和车辆使用更有效的清洁能源和更简便的操作。 (8) 在农业中使用节能技术, 旨在提高农业自动化率, 完善生物链。通过对资源和环境的优化, 提高食品生产安全。 (9) 提高高速公路车辆安全性, 并且使得高速公路可以同时容纳更多的车辆快速运行。

三、CPS面临的挑战

(1) 系统的实时性:设计一种新的模型满足实时性要求是首要的任务。因为在这些系统中有大量的传感器, 执行器和计算设备需要交换大量的信息。例如, 由于传感器节点位置的不同, CPS网络拓扑结构会产生较大的变化, 各系统间需要进行大量的信息交换, 以适应不同的应用。

(2) 鲁棒性和安全性:通常情况下, 系统间的信息交互必会受到物理世界的不确定因素的影响。不同于计算系统中的逻辑运算, CPS拥有较高的鲁棒性和安全性。

(3) 建立动态系统模型:物理系统和信息系统最大的不同是物理系统随着进程的改变不断的实时变化, 而信息系统随着逻辑间的改变而变化。CPS融合这两者的特点建立相应动态模型。

(4) 反馈结构:动态的变化会影响物理系统的性能, 特别是无线传感器网络的性能。为了解决这个问题, 许多无线网络协议必须被设计成桥接各节点物理层和网络层的通信。反馈机制有统一的标准约束跨层和跨界点的信息交换, 同时满足传统的设计和控制方案。反射结构提供特定的反射信息, 这一类信息是非常重要的, 他们包括感知数据, 性能参数和数据的可用性。

四、结语

在过去的几年里, CPS一直是研究人员热衷探索的领域。CPS改变了人与世界的沟通方式, 在很多行业都有很广泛的应用, 因此必须做到可靠, 安全, 实时有效。通过工程学科和计算机学科间的相互合作, CPS将会拥有更广泛的应用前景。

摘要：信息系统是计算, 通信和控制的集成。物理系统是指遵循特定指令和工作流程的人为系统。信息物理融合系统将信息系统和物理系统各个阶段都紧密融合、相互协作, 实现更智能化的应用。CPS在很多行业都有很广泛的应用。通过因特网, 人们实现了相互通信, 而CPS将改变人们与物质世界的联系方式。

关键词：信息物理融合系统 (CPS) ,智能化,应用前景

参考文献

[1]何积丰.Cyber-physical Systems[J].中国计算机学会通讯.2010, 6 (1) :25-29.

[2]李仁发, 谢勇, 李蕊等.信息-物理融合系统若干关键问题综述[J].计算机研究与发展, 2012, 49 (6) :1149-1161.

信息能源融合系统 第9篇

能源互联网作为能源和互联网深度融合的综合能源系统,已成为当前国际学术界和产业界关注的新焦点,也代表着能源产业的未来发展方向[1,2,3,4]。综合能源系统(integrated energy systems,IES)是能源系统与信息通信系统深度融合的时空多维异构系统,作为一个典型的信息物理融合系统(cyber physical system,CPS),其信息流已成为能量流闭环链中必不可少的链接[5,6,7]。随着新能源发电、柔性交直流输电技术和电动汽车、储能装置等柔性负荷大规模接入,IES动态过程大大加快,极度依赖于信息反馈和信息决策[7]。再者,随着一、二次设备的智能化、信息化,能源系统与信息通信系统耦合更加紧密,信息网络故障可能引发相继或连锁故障在信息网络和物理网络之间交替传播,导致整个耦合系统的崩溃,严重威胁综合能源系统安全运行[8]。信息通信系统中事件的离散特性和能源系统中时间的连续特性使得对信息物理能源系统的问题研究更为复杂,亟需建立一个能够使其得到深入分析的平台工具,为相关理论和应用问题的深入研究提供仿真、测试和验证支撑。然而,传统的信息物理能源系统仿真方法只是在物理仿真中简单考虑保护控制的时序动作逻辑或者通信传输的时滞特性[8,9,10],已经无法满足IES分析和仿真的需要。因此,在对信息物理能源系统耦合网络进行仿真时,将连续系统和离散事件系统的动态仿真结合起来,即实现能源系统和信息通信系统的联合实时仿真,对推动能源互联网的研究及工程化应用具有非常重要的意义。

迄今为止,国内外针对综合能源系统仿真平台的研究较少,文献[11]提出了电力系统与通信系统同步仿真平台(EPOCHS)。该仿真平台采用高层体系结构(high-level architecture,HLA)模块支持PSCAD/EMTDC,PSLF和NS2三个仿真器的联合运行,每个仿真器只需模拟单个复杂系统的某个方面。同时,设计了运行支撑环境(runtime infrastructure,RTI)作为各独立仿真器之间的接口,负责同步混合仿真平台仿真时间管理和数据传输。文献[12,13]提出了全局事件驱动混合仿真(GECO)方案。其采用了与文献[11]类似的结构,PSLF和NS2分别作为电力系统和通信系统的仿真工具,而在处理时间同步问题上,采用全局事件管理模块来决定当前仿真单元(电力或通信)。文献[14]提出了采用DIgSILENT PowerFactory和OPNET的用于实时评估的电力和信息通信系统混合方案(INSPIRE)。这些方案利用HLA等技术解决了不同类型仿真应用系统之间的互操作和仿真对象的可重用问题,但它们缺乏提高仿真实体行为能力的机制,因而无法完全满足能源系统与信息通信系统的联合仿真需求。而代理(Agent)建模方法的优势在于它的智能化和协作,关注个体的建模和交互,采取由底向上的方式,以更强的表达能力来描述和控制仿真对象。因此,将HLA与Agent进行结合,取长补短,来解决IES的仿真建模难题,是一种有效可靠的解决方案。

IES涉及多种能源环节,且形式、特性各异,单独从头开发一套新的仿真平台作为研究工具可行性比较低。因此,利用当前现有商业仿真软件,如PSCAD/EMTDC、OPNET和MATLAB/Simulink等,并辅以适当的消息传递和时间同步能力实现多领域协同联合仿真是一个更好的选择。目前,复杂系统多领域协同联合仿真方法主要有3种[15,16]:①基于统一语言的方法,其缺点是很少有软件支持;②基于接口的方法,通常易造成不同程度上的数据丢失、不匹配;③基于HLA的多领域建模方法。HLA是美国国防建模与仿真办公室(DMSO)为了便于实现不同类型仿真系统间的互操作、仿真系统及其部件的重用而提出的建模与仿真高层体系结构。其作为软总线的设计模式克服了其他模式的不足,在灵活性、开放性和适应性等方面都有非常突出的优势,是当前协同联合仿真平台架构的热点之一[16,17,18]。

在IES信息流分析方面,由于一次能源侧能源、用户侧负荷、能量存储侧储能/蓄热设备间,及其与配电网和供热网络间均存在多种信息的对等交互,同时,综合能源系统中需要协调控制的分布式设备数量巨大,且设备本身具有自治性及协作性等特点,因此,采用基于Agent的建模分析方法比基于数学模型的传统建模方式更能适应IES的研究分析。基于Agent的建模方法提供了一个开放的、不断发展的体系结构,并且Agent具有自治性、社会性、反应性、进化性和主动性等基本特征[19,20,21,22,23],能够很好地与综合能源系统的内部结构与设备功能特性相匹配。

综上所述,本文将多Agent的建模思想和HLA的分布式交互仿真技术相结合,设计了一套能源系统与信息通信系统协同联合仿真架构。基于多Agent的建模方法注重将复杂系统进行分解建模,而基于HLA的分布式交互仿真方法却是从宏观角度出发侧重系统整体的重用性和互操作能力,该方法通过RTI将仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信分离,利于实体功能的实现、重用和扩充。因此,将两者结合解决复杂的综合能源系统仿真问题是一种可行的有效途径。

1 联合仿真的总体架构

对于一个大规模复杂的、异构的、分布的综合能源系统,其仿真既要实现实体自身功能,又要能反映实体复杂的联系与制约,实时的进行交互,真实地反映系统的运行规律。如图1所示,本文提出的能源系统与信息通信系统仿真总体架构,采用高层体系结构,将综合能源系统仿真按功能分离成五个不同的联邦成员,其分别是电力系统联邦成员、信息通信系统联邦成员、供热/供气系统联邦成员、多Agent系统联邦成员和能源路由器联邦成员。各个联邦成员在RTI的支持下实现能量流和信息流交互,共同完成既定的仿真功能。

各联邦成员的功能如下。

1)电力系统联邦成员:是现有电磁暂态仿真组件PSCAD/EMTDC,主要实现电力系统建模与电力流分析。

2)信息通信系统联邦成员:是现有网络仿真组件OPNET,主要分析综合能源系统的复杂信息通信网络的性能和行为。

3)供热/供气系统联邦成员:是现有动态系统仿真组件MATLAB/Simulink,主要是对于热力系统和天然气能源传输网络进行仿真,对电力流以外的其他形式能量流进行分析。

4)能源路由器联邦成员:是嵌入式系统为核心控制器的能源转化设备,主要实现能源路由功能。

5)多Agent系统联邦成员:是多Agent系统仿真组件JADE,JADE定义了抽象实体的通用框架,通过继承模式添加具体类型的行为(Behavior)就能构建综合能源系统不同种类不同模式的实体对象模型。Agent通信映射负责增加KQML原始数据项的联邦通信。

2 HLA与Agent

2.1 HLA概述与实现

HLA是由美国国防建模与仿真办公室(DMSO)颁布的高层体系结构,是复杂系统建模与仿真的通用技术支撑框架,是促进仿真系统间的互操作和提高仿真系统及其部件的重用能力的重要手段,已成为IEEE建模与仿真的标准。HLA采用面向对象方法,设计、开发系统的不同层次和粒度对象模型,依据用户的仿真需求,设定仿真目标,进行重新配置和快速组合,以满足各个仿真软件以及仿真实体之间的互操作性和可重用性。

一个基于HLA的仿真系统可由一个或者多个联邦和若干个联邦成员组成。联邦是由若干交互的联邦成员、RTI和联邦对象模型构成的实现某种特定仿真目的的分布式仿真系统。联邦成员是所有参与联邦运行的仿真组件。图1中设计了联邦综合能源系统联合仿真架构,共有5个联邦成员,联邦成员间的信息交互通过RTI完成。联邦成员由若干相互作用的对象构成,对联邦成员的设计归结为仿真系统中各种实体对象模型的设计。HLA主要价值在于其定义了联邦、联邦成员和对象构建、描述和交互的基本准则和方法。

HLA接口规范的具体实现是通过RTI完成的。RTI是联邦运行支撑环境,为仿真应用提供通用、独立的六大支撑服务,包括联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理、数据分发管理等,共涉及包括创建联邦、联邦成员加入或者退出联邦执行、联邦成员同步等101个方法[18,24]。

2.2 Agent简介及其建模实现

Agent是指能够感知自身所处环境并能作用于环境的智能实体,具有自治性、反应性、自适应性、可通信性及自学习性等特点[19,20,21,22,23]。基于Agent的复杂系统仿真模型构建理论是最有影响的方法之一[25]。其基本思想是:在构建实体对象模型时,依据要研究问题的层次选择合适的粒度,将要研究的复杂系统划分为多个子系统,每个子系统由多个Agent组成,每个Agent具有各自的数据、知识模型及接口等。以自底向上的方式,从研究个体微观行为着手,进而获得系统宏观行为[25]。例如,如图1所示,依据建模粒度划分,多Agent系统联邦成员由不同个数的Agent实体对象模型组成。

在仿真实体Agent内部结构选择上应结合仿真实体或者仿真软件功能的需求。例如储能设备Agent主要监测储能设备的状态并接受能源路由器Agent的控制指令平抑网内短期负荷波动;而配电网Agent主要与能源路由器Agent进行能源需求信息交互。可以看出它们两者对智能推理能力要求存在不同,因此在选择Agent的内部结构上会存在区别。此外,Agent存在一些相同的特性,比如Agent都具有可通信性的特征。为了让仿真实体Agent之间能够进行实时通信交流,添加KQML原语数据项的联邦通信实现Agent之间的通信,通过KQML与HLA/RTI的集成,实现多Agent系统联邦成员在仿真联邦中的信息交流,以及仿真实体Agent之间的协同工作。多Agent系统联邦成员仿真实体Agent模型中的KQML消息遵循KQML语法格式如下:

3 联邦成员设计

3.1 对象类和交互类设计

在基于HLA的能源系统与信息通信系统联合仿真设计过程中,联邦对象模型(FOM)和成员对象模型(SOM)的设计是数据设计的核心,它主要用于定义联邦执行和联邦成员的交互数据,是仿真系统进行能量流和信息流交互的基础。而设计对象类和交互类是完成FOM/SOM设计的前提条件,因为各个联邦成员之间的能量流和信息流交互都是通过设计对象类和交互类来确定的。同时它体现了HLA标准的目的,即仿真对象间的互操作和仿真资源的可重用,这也是运用HLA实现联合仿真的关键。各联邦成员通过发布和订购自己所确定的对象类和交互类,来实现联邦成员之间的信息交换和互操作。表1和表2分别列出了仿真系统中所涉及的部分对象类和交互类,由于联合仿真架构涉及的对象类和交互类比较多,故不一一列举。

3.2 联邦成员与RTI接口设计

联邦成员,如PSCAD,OPNET和MATLAB等,与RTI接口设计是实现基于HLA的能量流与信息流的关键。本文在借鉴文献[26]提供的4种仿真软件与RTI的接口方法基础上,实现PSCAD,OPNET,MATLAB和JADE接入RTI。PSCAD是商用软件,用户无法修改它的源代码,同时该软件不支持C++语言的扩展,因此只能采用文献[26]提出的通过对外接口程序和RTI代理网关软件间接接入RTI。其实现方法是:PSCAD通过C对外接口程序实现程序的挂起与运行,并通过C对外接口程序采用文件的方式与RTI代理网关通信;再通过遵循HLA接口标准的RTI代理网关实现与RTI的通信。OPNET是支持C和C++语言扩展的商业软件,提供了与RTI接口的中间件HLA-PM,因此本文采用文献[27]提出的使用现有的RTI接口中间件HLA-PM使得OPNET接入RTI。

MATLAB目前没有提供与HLA/RTI的接口,只能利用MATLAB的MEX接口和RTI的C++API,用m函数将RTI服务封装成MATLAB_HLA Toolbox。该工具箱与一般RTI接口规则一致,MATLAB/Simulink联邦成员通过调用该工具箱接入RTI,实现与RTI的交互。JADE是基于JAVA语言的Agent开发框架,可以通过添加KQML层接入RTI。能源路由器是嵌入式系统为核心控制器的能源转化设备,采用CORBA设计思想开发的工具对网络底层通信协议异步套接字(Socket)进行封装,实现设备与RTI的通信。

3.3 联邦成员边界条件的实现

本文提出的联合仿真架构涉及物理与数字的联合实时仿真,而物理仿真和数字仿真都具有很好的统一性,即都统一到描述实际系统行为的微分-代数方程上[28]。因此,实现物理仿真联邦成员与数字仿真联邦成员统一协调的边界条件,是利用物理方法和数值方法联合模拟一个真实系统的关键。为此,本文在数字仿真联邦成员中以电流源形式构建边界条件,物理仿真联邦成员的交界端口电流经电流传感器测量后,由光隔离A/D转换卡转换为数字量后,受控注入数字仿真联邦成员的电流源;而在物理仿真联邦成员中以电压源形式构建边界条件,数字仿真联邦成员的交界节点电压,经光隔离D/A转换卡转换为模拟量后,由功率放大器放大后受控注入物理仿真联邦成员的电压源中。

另外,在联合仿真中,能源系统和信息通信系统所组成的耦合网络,包含连续系统动态和离散事件系统动态。为了在联合仿真中同时实现这2个不同性质系统的仿真,需要实现仿真模型的边界条件,建立信息物理耦合仿真模型。因此,在能量流仿真联邦成员建立的耦合模型必须与实际的物理系统一致,既要能够描述能源系统的连续动态行为,又要能够描述引入的信息离散事件动态行为。为此,本文在参考混杂基础理论基础上,利用面向对象的建模思想,以能源设备元件为对象,采用分层结构,对信息物理耦合系统建模。信息物理耦合仿真模型分为离散逻辑层和连续动态层,离散逻辑层一般作为全局动态决策,而连续动态层用来描述系统的动态行为,连续动态层与离散逻辑层通过互联接口结合统一[29]。

4 时间管理与仿真流程

4.1 时间管理

基于离散时步的能源系统仿真和基于离散事件的信息通信系统仿真的联合同步是综合能源系统在线联合仿真的关键和难点。为此,本文引入HLA中的时间管理服务,保证联邦成员控制逻辑时间与其他联邦成员保持同步。时间管理服务主要包括联邦成员的时间管理策略、逻辑时间推进、消息传递机制和时间同步四个方面。在HLA中将联邦成员的时间管理策略分为时间控制和时间受限。它们描述了联邦成员与其他联邦成员的逻辑时间推进关系。各联邦成员通过调用enableTimeRegula-tion()服务和enableTimeConstrained()服务设置时间推进策略为既“时间控制”又“时间受限”,保证联邦成员间的仿真时间推进同步。

联邦执行时控制时间的推进是HLA时间管理的重点,但时间推进机制必须与负责传递消息的机制相配合。消息传递机制包括消息传输方式和消息传递顺序。消息的传输方式分为“reliable”和“best effort”两种。前者采用TCP/IP协议,在信息传输上的可靠性方面得到保证;后者采用UDP/IP协议,减少了信息传输时延,但牺牲了信息传输的可靠性。为保证各联邦成员间的信息交互可靠,联合仿真采用“reliable”方式。当前,HLA支持接收顺序(receiving order,RO)和时间戳顺序(time stamp order,TSO)两种基本消息传递顺序。在联合仿真中,对于同仿真世界内其他流通的信息耦合较大的交互类和对象类属性,传输时采用TSO,以保证仿真世界中因果逻辑的正确性;对于同仿真世界内其他流通的信息耦合较小的交互类和对象类属性,传输时采用RO,以提高传输速度。HLA有三种时间推进方式:基于步长的时间推进、基于事件的时间推进和乐观时间推进,由于有实物介入整个仿真,必须要求仿真时间标尺与实际系统时间标尺相同,即仿真时间和自然时间保持一致。因此,在仿真中不适宜采用乐观的时间推进和基于事件的时间推进,只能采用基于步长的时间推进。为了保持物理系统中时间先后顺序在仿真中实现,联合仿真选用协调的时间推进方式实现时间的管理。联合仿真时间同步和推进过程,如图2所示。多Agent系统联邦成员为管理联邦成员,控制和管理整个联邦执行的生命周期。JADE仿真起始时刻为0ms,由于各仿真组件需要一段时间进行初始化,比如OPNET的网络设备需要初始化,为保证各仿真组件完成初始化,设置各联邦成员完成同步后的tST时刻为联合仿真的零时刻,tST由初始化时间最长的仿真组件决定。

仿真开始后,各联邦成员逻辑时间以时间步长Δt为单位向前推进。多Agent系统联邦首先创建联邦执行,其他联邦成员先后加入联邦,并进行相关注册工作后,进入联邦成员同步过程。当所有的联邦成员到达同步点后,RTI将调用federationSynchronized()服务通知其他联邦成员已同步。由于信息通信系统联邦成员和能源路由器联邦成员初始化时间较长,其他联邦成员首先处于挂起状态。当信息通信系统联邦成员和能源路由器联邦成员完成初始化工作后,所有联邦成员将时间推进至tST时刻,RTI通知多Agent联邦成员、供热/供气联邦成员和电力系统联邦成员解除挂起状态,进入联邦成员交互过程。

电力系统联邦成员和供热/供气联邦成员首先向前仿真Δt,产生时间推进标示符time_advance和生成能量流,将它们保存到FED文件中,然后处于挂起状态。当RTI接口扫描到FED文件中的time_advance为1,则说明电力系统联邦成员和供热/供气联邦成员已完成Δt步长推进,然后读取FED文件的其他内容,随后采用“reliable+RO”方式向信息通信系统联邦成员、多Agent系统联邦成员和能源路由器联邦成员发送交互数据。RO消息到达RTI后被放到队列中,并立即向发送信息通信系统联邦成员、多Agent系统联邦成员和能源路由器联邦成员发送。

当RTI中的交互类信息发送完成后,向其他联邦成员发送逻辑时间向前推进消息。当其他联邦成员收到逻辑时间向前推进消息,并确认完成对应FED文件接收后,向RTI发送逻辑时间向前推进Δt的请求。随后在RTI的协调下,联邦成员进入下一个时间推进状态。

4.2 仿真流程

在完成各联邦成员和RTI的接口连接后,通过RTI代理网关、HLAM-PM和MATLAB_HLA Toolbox等RTI接口实现联邦成员之间的时间同步与数据交互,联合仿真整个流程如图3所示。仿真开始时,由多Agent系统联邦成员创建联邦执行,同时注册三个同步点:StartUp,Run,Quit。同步点StartUp表示各联邦成员均完成了数据的初始化、设置时间管理策略、公布/订购对象类和交互类等工作;同步点Run则表示各联邦成员均完成了对象实例的登记并为其提供初值,准备进入仿真运行阶段;同步点Quit则表示各联邦成员均完成了各自的仿真循环,等待退出联邦执行。

多Agent系统联邦成员收到仿真开始命令后,进入仿真循环,同时告知其他联邦成员进入仿真循环。当多Agent系统联邦成员接收到仿真暂停命令,即发送交互信息通知其他联邦成员,此时,所有联邦成员都处于挂起状态,直到多Agent系统联邦成员收到仿真继续的命令以及其他成员接收到仿真继续的交互为止。同理,当多Agent系统联邦成员接收到仿真结束的命令后,退出仿真循环,并告知其他成员可以退出仿真循环,联邦同步至Quit。

5 仿真实验

5.1 概述

为了验证本文提出的能量流和信息流联合仿真思路的可行性,本课题组以附录A图A1所示的功率变换装置为基础,与微型燃气轮机以及燃气锅炉共同构成能源集线器,然后联合PSCAD,MATLAB和OPNET 3个仿真软件搭建如图4所示综合能源系统实验仿真平台。该综合能源系统的电气网络部分在PSCAD中搭建IEEE 14节点配电网实现,具有三条馈线,系统基准容量为100 MVA,基准电压为23kV;天然气网络部分在MATLAB搭建一个含有压缩机的四节天然气系统实现。在电气网络和天然气网络耦合部分用两个能源集线器连接;通信网络部分在OPNET中搭建通信节点系统实现。

5.2 仿真结果

在两个功率变换装置上捕获各自的控制器A相上桥臂的功率开关管驱动波形,如图5所示,可见两装置控制器的驱动波形基本上保持一致,只有10ns左右的微小偏差,实现了两功率变换装置控制器产生的PWM驱动信号的同步性和一致性。基于联合仿真方式下联邦成员的实验正在进行之中。

6 结语

为了完整地对多维异构的IES运行机理和动态特性进行研究,本文提出了一种能源系统与信息通信系统联合同步仿真架构,利用HLA的高效协调机制和Agent仿真模型的交互性和智能性,实现能量流与信息流联合统一仿真。对该框架执行过程中需要解决的关键问题和可能遇到的技术难点进行了总结和梳理,并给出了相应的解决方案。由于RTI对各种服务请求的响应时间不确定和缺乏端到端的网络性能预测能力,该架构存在不能完全满足实时性的局限性。该联合仿真架构采用标准的HLA规范,具有很强的扩展性,对未来综合能源系统的能量流和信息流环节评估具有重要的意义。

信息能源融合系统 第10篇

随着全球能源供需矛盾、经济发展不均衡及环境压力的增大,深入融合可再生新能源技术和互联网信息技术的能源互联网是高效、安全、经济和灵活的未来能源利用新模式。中国国家电网公司提出了依托特高压交直流和智能电网技术的全球能源互联网概念,为推动世界能源安全、清洁、高效、可持续发展提供了全新的解决方案[1,2,3]。然而,由于可再生能源高渗透率及电力电子化,全球能源互联网将呈现出更加复杂的随机特性、多源大数据特性及多尺度动态特性,传统的能源结构、电力系统运行模式、社会经济及生活方式等都将发生巨大改变。全球能源互联网的安全稳定运行及时空大数据智能挖掘面临严峻挑战[4,5]。

近年来,国内外发生了多起大面积停电事故[6,7],造成了巨大的经济损失和不良社会影响。一方面,暴露了现有以“建模仿真+ 预想故障”为核心的在线安全防御系统在运行机制、时效性等方面存在的诸多问题[8,9];另一方面,从整体来看对电网广域测量信息的挖掘深度和应用广度严重不足,远未达到“实时精确分析、广域协调控制和动态自治”的智能化防御目标[10,11]。尤其是针对超大型全球能源互联网的安全可靠运行,对电力时空大数据的高效组织、管理、挖掘与展示提出了更加迫切的要求[12]。

信息物理系统旨在通过信息、计算与物理系统的有机融合和深度协作,提升大型复杂工程系统的智能化实时感知和高效协同控制能力[13,14]。随着电网智能化水平的不断提高[15],以及与互联网、通信网等的深度融合,电网将逐渐演进成具有广域协同、广泛互联、高度智能、开放互动和自主行为的复杂能源网络,从而构成能源系统与信息物理系统相融合的信息能源系统[16]。 与此同时,电力大数据相关技术的逐渐推广与深度应用,为实现全球能源互联网的高效智能管控提供了强有力的技术支撑[17,18,19,20]。

为了应对全球能源互联网的动态实时监控及其时空大数据挑战,本文提出了信息驱动的全球能源互联网全景安全防御系统(Information-Driven Global Energy Interconnection Panoramic Security Defense System,I-PSDS)概念,并针对其特有的业务功能需求,设计了相应的电力时空大数据平台架构,全方位展示了全球能源互联网的运行态势及防控策略,进一步提升全球能源互联网的全景安全防御水平。

1 I-PSDS概念及功能框架

1.1 I-PSDS概念

I-PSDS是一种信息物理系统中的典型代表,其概念为:全面依托大电网仿真、信息通信及大数据技术,利用电网时空大数据、外界环境与一次电网物理系统间的相互作用及反馈,通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作,实现全球能源互联网的在线全景态势感知、广域协调控制及灵活高效服务,必将成为全球能源互联网高性能、高吞吐、高可靠、高可用的新一代综合安全防御系统。

1.2 I-PSDS功能框架

I-PSDS由全新的电力时空大数据综合分析与协调控制云计算引擎、预案与响应相结合的策略云库以及电网状态监视与风险预警模块构成,集“监视+预警+ 控制”于一体,实现全球能源互联网不同时间维度和空间维度的全方位、立体化态势感知和精确控制,确保电网以更加安全可靠、实时高效、广域协调的方式运行。

I-PSDS功能框架如图1 所示。

2 I-PSDS功能需求及技术方案选择

2.1 功能需求分析

根据I-PSDS的功能定位,平台需具备海量数据采集、存储、挖掘、可视化等基础性支撑功能。

1)数据采集。主要包括对电网各类仿真或采集的稳态潮流、动态时域轨迹信息,以及各种与电网发生间接关联的外界环境信息的采集,并实现多源异构信息的融合功能。

2)数据存储。满足数据存储的经济性、高扩展性,支持结构化、半结构化、非结构化数据及实时数据的查询与存储,提供具有高容错、高可靠和高吞吐率的数据存储方式,为实现大规模海量数据的存储提供强大的底层支撑。

3)数据挖掘。挖掘电网的时空动力学特性及其关联特性,快速评估电网运行态势,当出现风险预警后及时给出防控策略,保证全网的安全经济运行[21]。

4)数据展示。采用图表、仪表、地图、二维、三维等可视化形式,多维实时、直观、简洁地展示电网整体运行状态及综合量化评估指标。

5)平台管理。实时对平台的数据采集、数据存储、数据处理需求以及数据可视化进行监控、记录与管理。

6)数据安全。智能识别操作人员,确保数据及分析处理结果的授权访问。具备隐私保护能力,可提供多种加解密方式,以保证存储安全。

2.2 技术方案选择

目前,大数据技术领域主流的分布式计算系统为Map Reduce、Storm和Spark。

1)Hadoop采用Map Reduce分布式计算框架,是磁盘级计算,计算时数据在磁盘上,需要读写磁盘,适合进行海量数据的批处理[22]。

2)Storm为实时处理计算框架,对每次传入的处理请求事件作出响应,数据通过网络直接导入内存,具有毫秒级延迟,属于允许增量计算的高速事件处理系统[23]。

3)Spark是基于内存的分布式计算引擎,内部优秀的调度机制使其具有快速的分布式计算能力,可极快地进行迭代计算。Spark Streaming是Spark的分布式流计算框架,其本质是微批量处理。由于Spark为Spark Streaming、MLlib、Graph X及Spark SQL提供了统一的数据处理平台,各组件间输入输出数据可以实现无缝共享,无需格式转换[24]。

电力系统故障集扫描既要满足大量批处理仿真计算的要求,又要满足大量实时流信息处理的能力。考虑到不同分布式计算系统的各自优势,结合电力系统自身数据特点,采用Map Reduce、Storm、Spark与云计算相结合的大数据云平台解决方案。借助云计算,充分利用信息通信技术建立集数据、硬件、平台、服务、展示于一体的时空协同信息处理平台,对电力时空大数据进行有效组织与管理,提升电网安全防控的智能化水平。

3 I-PSDS大数据平台架构

全球能源互联网全景安全防御系统平台架构如图2 所示。该平台使用主流的大数据技术,同时采用三大分布式系统,充分利用各个系统处理不同数据类型的优势。

云计算包括3 个层次的服务,即基础设施即服务(Infrastructure as a Service,Iaa S)、平台即服务(Platform as a Service,Paa S)、软件即服务(Software as a Service,Saa S)。大数据技术是云计算Paa S平台的重要组成部分,数据平台管理系统负责数据的存储、分析、处理,该平台主要包含以下几个层次。

1)传输层。主要收集全球能源互联网时空大数据以及外部环境信息,具有流式数据的分布式采集与传递、数据库抽取、ETL等功能,适用于多源异构数据的采集与处理。

2)存储与处理层。主要负责将数据持久化存储与分布式分析,算法库用于存储常用的数据挖掘方法,知识库用于存储机器学习算法训练而得到的模型。

3)服务层。主要利用常规聚类、关联、预测等数据挖掘方法,对电力时空大数据进行基础信息挖掘,加强对电网时空动力学特性的认知。同时,针对电网不同运行场景的时空大数据,开展电网静态、动态和暂态的稳定态势实时评估。服务层还可以将数据进行封装,实现数据共享,将数据解耦,解决数据使用不灵活的问题。

4)云信息平台管控层。主要实现对各类集群的状态监控、任务分配与统一管理,以及对数据中心资源的统一调度、集中管理及访问控制。

5)展示层。主要从动态拓扑、能量流及时空动力学3 个角度分别实现电网状态监视、风险预警及防御策略的直观展示,并以图表或文本形式输出。

4 I-PSDS关键技术

伴随大数据领域涌现出的大量新技术,它们成为大数据采集、存储、处理和呈现的有效手段。I-PSDS主要涉及资源虚拟化、多源异构信息融合与预处理、分布式储存与管理、电力大数据分析及挖掘、电网全景运行态势感知、实时流式计算及电网运行态势可视化展示等关键技术。

4.1 资源虚拟化

通过虚拟化技术实现软件应用与底层硬件隔离,考虑到性能、功能、稳定性、可靠性等方面的需求,需根据业务特点,针对虚拟化系统进行针对性的深度定制,使其更符合业务层面的需求。

4.2 信息预处理

在收集的原始数据中,会存在杂乱、无效、缺值等情况,给后面的数据分析带来很多问题。因此,需要对接收的数据进行清洗、集成、转换等预处理。同时,能源互联网包含多种类型的结构化、半结构化及非结构化海量数据,须结合多个数据源的互补信息对各类数据进行统一化、规范化融合,将其转化为面向能源互联网的统一信息模型,才能更加精确地对数据进行挖掘。

4.3 分布式存储及管理

对于不同类型的数据,需结合数据格式、用途等在全磁盘数据库、半内存及全内存数据库中择优存储。此外,将数据进行有效压缩、管理,可降低数据的存储成本。同时,研究数据分布式访问控制、数据审计、数据完整性验证等技术,可保证数据安全、科学地存储和管理。

4.4 时空大数据分析及挖掘

针对各种场景下的电力时空大数据,采用机器学习、图计算、流计算等新的数据处理模式,提取影响电网稳定的主导环节及关键因素,建立一系列电网时空关联约束模型。构建电网时空大数据事件行为的知识库,为电网异常事件的模式挖掘、主动预警、实时决策提供知识保障,完善电网运行自适应匹配防控体系。

4.5 电网全景运行态势感知

实现电网的全景运行态势感知,要求对电网状态进行时间、空间和目标的多维评估,涉及到时空大数据特征量的筛选与稳定性分析、多维信息的确切表征及交互融合分析;计及不确定因素的时空趋势预测,基于聚类、分类方法的扰动影响域识别,全景态势综合量化评估指标的筛选和聚合等;对电网进行精确的诊断、预测,提升电网静态、暂态、动态分析水平,提高防御系统的全景态势感知能力。

4.6 实时流式计算

流数据能够反映电网动态演变过程,对其进行实时遥测分析,可捕捉电网异常行为并触发相关的处理逻辑。将实时数据与历史数据进行凝练用于实时分析,可建立基于时空演化关联关系、多尺度关联关系和时空关联约束条件的电网动态评估模型。

Storm和Spark Streaming均可以用于流式数据处理,而且都是基于内存计算,Storm是逐条计算,Spark Streaming是微批量计算,针对电网流数据,需根据不同的业务处理需求合理选择这2 个工具,以使任务、资源分配更加均衡。

4.7 电网运行态势可视化展示

平台采用可缩放矢量图(Scalable Vector Graphics,SVG)技术对地图进行缩放而不改变像素,结合全国各节点拓扑数据,将能量以流的形式展示。 采用Web可视化技术,对电力时空大数据的分析结果通过仪表、饼图、三维地图等方法进行直观可视化展示。

利用计算机图形学、图像处理技术、空间数据多尺度表达技术和矢量地图技术,可快速地进行扰动源的扫描与定位、扰动域划分、能量动态流动和全球能源互联网三维主干网展示。

5 I-PSDS应用实践

5.1 平台环境

针对本文设计的I-PSDS大数据架构,以Spark为核心搭建了该系统的小型实验室测试环境。操作系统采用Cent OS7,以Yarn作为资源管理器,以HDFS作为分布式文件存储系统,采用Spark作为分布式计算框架。集群配置见表1 所列。

5.2 数据挖掘算法测试

以某区域电网暂态时域仿真结果作为测试数据,该区域电网有7 332 个节点,10 928 条支路。采用PSD-BPA仿真程序进行仿真,在仿真结果数据中取出电压幅值进行聚类测试,其矩阵阶数为7 332×1 500,大小为125 M。由于K-Means聚类时间和数据量大小有一定的关系,数据量越大,迭代一次的时间就越久。使用Matlab生成4 个数据量逐渐增大的高斯随机矩阵,其阶数分别为25 000×1 500、50 000×1 500、100 000×1 500、150 000×1 500,大小分别为266 M、531.87 M、1.04 G、1.56 G。将这5 个数据分别命名为数据1、2、3、4、5。针对这5 个数据测试集群运行时间,集群测试结果见表2 所列。

由表2 可以看出,当数据量增加时,集群处理时间并没有增加太多,集群的优势在于可以利用多个计算机进行并行计算,从而获得很高的计算速度。当数据量达到单机处理能力的瓶颈时,集群的优势才会明显体现出来,该优势远大于考虑到分布式系统间通信带来的劣势。在大数据实际处理过程中,数据量往往会达到TB级,甚至PB数量级。此时,单台计算机的存储以及计算能力已经远远不能满足数据海量化、高效化处理的需求。因此,海量数据的处理需要大数据技术的支撑。

5.3 可视化展示

全球能源互联网全景安全防御系统平台可视化展示如图3 所示。

1)时空拓扑及状态。平台从时空三维角度来展现电网的能量在空间的流动、电网拓扑及电网的薄弱节点,薄弱节点以发光圆圈形式展现。

2)综合评估指标。平台采用仪表盘形式显示多种状态评估指标,以红、黄、绿3 种颜色表示不同的裕度范围,采用动态曲线的形式显示不同状态评估指标变化曲线,便于运行人员了解电网的运行变化情况。

3)分区域稳定裕度。平台以三维柱状图的形式显示亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、大洋洲和非洲六大区域的稳定裕度指标,可以从全球→洲际→国家→省级→县级的方式逐级对能源互联网进行实时监控、防御。

6 结语