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案例33.中国电科院:智能电网云调控,推动电力工业生产与管理创新
中国电力科学研究院

导读:中国电力科学研究院(以下简称“中国电科院”)是中国电力行业多学科、综合性的科研机构,以创新引领和支撑电网科学发展,建成“基于云计算的智能电网在线分析系统”,实现了云计算技术与智能电网调度控制技术的集成创新,提供了可动态扩展的电网在线分析服务开发、运行和测试环境,支持广域互联调控数据一体化管理。成果提出了基于网络的电网调控服务模式,融合计算、通信和控制能力,通过实体网络的相互协调,形成多维异构的计算单元和物理独享在网络环境中高度集成的智能系统,为促进能源生产智能化,实现能源生产与消费模式革命提供了理论和实践基础。成果将云计算、大数据等先进信息技术和理念应用于电力工业,为“互联网+”和电力工业的创新融合提供了全新思路和有益借鉴。

一、基本情况

(一)企业情况

中国电力科学研究院(以下简称“中国电科院”)成立于1951年,是国家电网公司直属科研单位,是中国电力行业多学科、综合性的科研机构,是具有国际影响力的权威质检认证机构和电网技术标准的主要制定者。主要从事超/特高压交直流输变电技术、电网规划分析及安全控制技术、输变电工程设计与施工技术、配用电技术以及新能源、新材料、电力电子、信息与通信、能效测评及节能等技术的研究,研究范围涵盖电力科学及其相关领域的各个方面。

电力自动化研究所是中国电科院在电力自动化领域的专业研究机构,主要从事电力自动化领域的技术攻关、咨询服务、试验检测、标准制定等业务,是中国电力行业最早从事电力自动化理论与实践研究的科研单位之一,在国内享有较高盛誉和重要地位。

(二)项目情况

“基于云计算的智能电网在线分析系统”成果由中国电科院牵头负责、国网福建省电力有限公司和中国科学院参与完成,实现了云计算技术与智能电网调度控制技术的集成创新。研究成果通过采用多系统一体化部署与服务模式、“异构”备用技术、虚拟化技术、分布式并行计算模式、全局资源共享方式、创新工作站终端组网模式以及融合“云”的理念等创新方式,提升了电网调控自动化系统的运行可靠性,为保障电网安全运行打下坚实的基础,是电力工业与互联网深入融合的成功案例,提升了我国在智能电网核心技术的竞争力与影响力。“互联网+”以电力系统为主的能源生产消费系统是“互联网+”智慧能源的主要组成,也称为能源互联网。本成果提出了基于网络的电网调控服务模式,为促进能源互联网的能源生产智能化,实现能源生产与消费模式革命提供了理论和实践基础。成果将云计算、大数据等先进信息技术和理念应用于电力工业,为“互联网+”和电力工业的创新融合提供了全新思路和有益借鉴。

二、主要做法

(一)“互联网+电力”为电力行业创新发展带来新机遇

电力工业是支撑国民经济和社会发展的基础性产业和公用事业。在我国国民经济快速发展和人民生活水平不断提高的环境下,我国电力经济发展迅猛,尤其随着“十二五”能源规划发展的出台,更是进一步推动了我国电力产业的发展。随着大煤电、大核电、大型可再生能源基地集约化开发进度的加快,大规模、远距离、高效率输电快速发展,电力联系更加紧密、电网运行方式和动态行为复杂多变,电网特性将由区域主导模式转向总体模式,给电网运行控制和高效管理带来了新的挑战,需要提高大电网一体化安全运行和协调控制能力。

当前,以“互联网+”为契机和动力,以能源互联网为特征的新一轮能源变革正在兴起,全球能源互联网建设持续推进,云计算等新兴信息技术对电网调控能力提升也正发挥着越来越重要的作用。结合电力系统特点、智能电网在线分析计算的重大需求和云计算最新技术,中国电科院牵头研制了基于云计算技术的智能电网在线分析系统,提升了大电网安全运行和高效管理能力。

(二)以先进信息技术融合创新打造新一代智能电网

随着清洁能源为特征的新一轮能源变革正在兴起,坚强智能电网建设不断深入,给电网运行控制与高效管理带来了新的挑战,需要提高大电网一体化安全运行与协调控制能力,打造新一代智能电网。通过引进先进信息技术支撑手段,提升系统面向在线分析计算的一体化协调控制能力、信息化支撑能力及全局资源共享能力。在一体化协调控制能力方面,采用“逻辑集中、物理分布”的多系统一体化部署与服务模式,以支持业务系统动态灵活配置,提升系统面向未来电网发展的快速服务能力。在系统的信息化支撑能力方面,综合采用分布式、并行计算技术,提升大规模实时数据处理,提升海量历史数据存储和处理能力,提供面向在线分析业务的并行计算环境。在全局资源共享能力方面,研究系统资源抽象和整合方法,实现软硬件资源的集约化管理和弹性扩展,提升系统的建设和综合运维水平。

(三)创新驱动系统升级,占领“互联网+电力”高地

通过引入云计算技术驱动系统创新升级,智能电网在线分析系统全面提升了面向在线分析计算的一体化协调控制能力、信息化支撑能力及全局资源共享能力,占领了“互联网+电力”创新高地,引领了电网调控技术的发展。采用“物理分布、逻辑集中”的方法,构建基于云计算和广域调度数据网络的智能电网在线分析框架,设计可按需定制的基础设施、平台和应用三个层次在线云服务;融合键值对和时间戳技术,实现电网异构数据高效存储和在线版本管理;采用两级数据索引和数据多副本冗余技术支持大电网实时数据的高效访问;通过虚拟化技术,设计实现多级调控网络分析应用软件,支持多级调度的联合计算和资源的动态管理与调度;定制适应调控自动化系统特点的虚拟化管理软件,实现多级异构调控系统的一体化部署,支持全息历史场景调阅。

系统具有以下主要创新点:

1)采用“物理分布、逻辑集中”的方法,提出基于云计算和广域调度数据网络的智能电网在线分析系统体系架构,设计了基础设施(IaaS)、平台(PaaS)和应用(SaaS)在线云服务,可按需定制实现调度云服务,支持关键业务强制在线、重要业务随需启用。

2)提出多级异构调控一体化系统的整体建设和综合运维方法,多主一备布局模式可以实现软硬件资源的复用,有效降低软硬件投资,实现系统的自动灵活扩展,支持底层多系统与资源集中管理和一体化维护。

3)通过虚拟化技术,设计实现了多级调控网络分析应用软件,支持多级电网调度的联合计算和资源的动态管理与调度;并提出了基于虚拟化的系统可靠性和容错方法,设计实现了系统级故障快速自动恢复技术和全息历史场景调阅技术;研制了适应调控自动化系统特点的虚拟化管理软件,实现了基于虚拟机集群多级异构调控系统的一体化部署。

4)研制了面向能量管理系统(EMS)的分布式数据库,提出了将键值对(Key-Value)和时间戳融合的方法,提高了系统的数据查询效率,实现了电网图形、模型、历史数据等海量异构数据的统一存储和在线版本管理,支持多副本容错,支持存储节点在线动态增减,存储节点失效后数据副本自动重新分布。

5)采用两级数据索引技术和数据多副本冗余技术,研制了高可用的并行实时数据库,支持大电网实时数据的高效访问。

(四)借助互联网帮助用户提升业务水平与资源集约利用率

项目建设打破传统信息支撑技术和业务管理的竖井状结构,实现了多地调控业务的一体化服务,实现了模型全网管理和同业对标等云服务,在调控云备用系统中实际发挥重要作用,提升了用户的业务水平。

在技术路线上,采用虚拟化、分布式、并行计算技术进行备用系统建设,实现统一运维监控管理,为系统之间有效通信和无缝切换等问题提供解决方案。

在备用调度部署模式上,采用多主一备布局模式。多主一备布局模式可以实现软硬件资源的复用,从而节约建设资金。在硬件部署上,系统使用廉价刀片架构的集群替代昂贵的磁盘阵列完成海量数据存储,可以节约服务器的硬件投资。在软件部署上,多个地区复用备用中心的模式也减少了监控软件的部署数量,从而降低了软件的投资。备用调度中心中虚拟化、分布式技术的使用,可以提高服务器的资源利用率,提高系统的可扩展性。

在备用系统的建设上,实现一套具有统一模型维护、实时数据采集与监控、变电站集中监控、主备同步、安全审计等功能,支持软件自动升级的一体化备用调度软件。在系统开发以及后期运维过程中采用统一运行维护及一体化管理方式,使系统建设相关各方更专注于实际的业务需求与应用,从而实现对调度自动化系统统一管理、统一维护、统一技术支持,减少维护环节的工作失误,提高系统的稳定性。

在同业对标技术支持上,基于广域网络实现统一的状态估计考核服务,改变了各地区独立部署状态估计考核应用考核的情况;采用统一的算法和计算软件实现各地区状态估计考核横向可比,保障了考核的公正性。

项目的建设提高了系统对海量信息的支撑能力,实现了软硬件资源全局共享,极大节省了软件开发、硬件部署和系统运维成本,为用户实实在在提升了资源利用率。

(五)运用“互联网+”思维促进自身服务创新与转型升级

运用“互联网+”思维,将成果运用在中国电科院电力调度自动化实验室,构建集资源、平台、应用、数据、服务于一体的云服务中心,通过虚拟资源弹性管理技术,快速生成和动态分配开发、运行和检测环境,为电力调度自动化技术研究和系统检测提供低成本优质服务。依托实验室提供开放交流环境,可为其他网省公司提供调度自动化应用、科研咨询和运维服务。

系统依托云平台提供的并行计算环境、EMS分布式数据库、并行实时数据库等等底层支撑,提供了云中心基础设施服务、平台服务和一系列在线分析应用服务。

1IaaS:Infrastructure-as-a-Service(基础设施即服务),即将智能电网在线分析系统的云中心计算、存储和通讯能力以服务的方式提供给用户,典型服务包括个人虚拟机、个人网盘等。

2PaaS:Platform-as-a-Service(平台即服务),即将云平台的分布式处理能力、并行计算能力以服务的方式提供给用户和开发者,典型的调度云平台服务包括并行计算服务、实时数据服务、历史数据服务和全网模型服务等。

3SaaS:Software-as-a-Service(软件即服务),即将智能电网在线分析系统中的各类在线分析应用以服务的方式提供给用户,典型的调度云软件服务包括但不限于基于云服务的状态估计、调度员潮流、安全分析、安全校核等。

三、经验效果

成果已应用于福建电网调控云中心和中国电科院调度自动化云服务中心,并正在逐步推广至省级以上电网,支持调控数据一体化管理,提供了可动态扩展的开发、运行和测试环境。应用结果表明:系统功能实用、安全可靠,具有良好的可维护性与可扩展性,达到了实用化水平,研制的虚拟化软件节省了系统的建设投资与维护成本。经中国电机工程学会组织鉴定,认为项目总体达到国际先进水平,其中“物理分布、逻辑统一”的调度云体系结构、全息历史场景调阅技术、支持海量历史数据存储与处理的EMS分布式数据库的键值对和时间戳技术集成应用、基于云平台的多级调控网络分析应用软件在电力领域达到了国际领先水平。

(一)先进信息技术应用创新促进新一代智能电网升级

成果通过采用多系统一体化部署与服务模式、“异构”备用技术、虚拟化技术、分布式并行计算模式、全局资源共享方式、创新工作站终端组网模式以及融合“云”的理念等创新方式,提升了电网调控自动化系统的运行可靠性,为保障电网安全运行打下坚实的基础,是电力工业与互联网深入融合的成功案例,提升了我国在智能电网核心技术的竞争力与影响力。

(二)“互联网+电力”促进能源生产与消费模式革命

 “互联网+”智慧能源行动通过互联网促进能源系统扁平化,推进能源生产与消费模式革命,加强分布式能源网络建设,促进能源生产智能化。该成果提出了基于网络的电网调控服务模式,为促进能源生产智能化,实现能源生产与消费模式革命提供了理论和实践基础。成果将云计算、大数据等先进信息技术和理念应用于电力工业,为“互联网+”和电力工业的创新融合提供了全新思路和有益借鉴。

(三)互联网思维为用户与自身提质增效

应用本成果建设基于云计算技术的智能电网在线分析系统,通过互联网创新电网调控服务模式,可极大节约系统建设资金和运维成本,以福建电网为例,总体节约资金2.2亿元。