摘 要：基于网格技术建立的信息一体化通用支撑平台，提出了电力网格模型，分析了其功能特点及其具有的超拓扑结构特性，展望了未来的发展方向。
关键词：电力系统网格计算信息一体化 超拓扑结构

　　随着电力系统的发展和电力体制改革的深化，在电力市场化运营中，为保证电网安全、优质和经济运行，迫切要求电网能量管理系统SCADA/EMS、电力市场技术支持系统TMS、电能量计量系统TMR、配电管理系统DMS以及办公自动化系统OA和MIS等各种电力企业应用系统的广泛集成，以满足信息全面共享、高效运行的要求。为此需要一种先进、开放、可扩展、稳定可靠的信息一体化通用支撑平台，有效隔离上层应用与底层系统，屏蔽底层各种异构系统间的差异，更好地为上层应用服务。
　　目前，尽管部分电力自动化信息系统之间已经成功地实现了连接[1]，并且也出现了更大范围内的电力企业信息一体化平台[2]，在一定程度上实现了电力企业应用系统的集成，然而上述方案或多或少都存在不足：集成方法难以推广以及集成平台具有局限性。为此，在电力企业信息一体化平台研究中，需要重点解决信息难于交换、难于共享的问题，以满足多级、透明、实时、高效、可靠的操作要求；同时提供分布式高性能数据处理与计算平台，提高电力应用效能，特别是增强电网监控的性能。
　　为实现上述目标，本文针对电力系统中系统种类多、协作方式多样、分布、异构、自主控制、动态变更等特征，基于网格技术建立了信息一体化支撑平台，描述了电力网格框架结构及功能特点，并进一步指出其超拓扑结构特性，明确了未来研究方向。
1 什么是网格
　　作为一种新的分布式计算形式，网格可被看作是最强有力的超级计算环境，包含丰富的计算、数据、存储、设备和仪器等各类资源，用户可以在任何地方登录，透明地使用网格中的各种资源求解问题。网格计算包括以网络为基础的高性能科学计算、方便灵活的移动计算、丰富多彩的多媒体计算、复杂多变的交易、电子商务等事务处理计算，以及管理、模拟、控制类的智能计算等。网格计算无处不在。
　　具体地，网格是构筑在互联网上的一组新技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，提供更多的资源、功能和交互性，实现互联网上所有资源的全面联通，把整个互联网整合成一台巨大的虚拟超级计算机，实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源的全面共享。就如同人们在用电时那样，只需要插上插头而不必理会如何发电，或是由哪个发电厂供的电。网格可以让人们在需要时通过单一入口使用计算能力和各种资源，向用户提供“信息在你指尖”式的服务。
　　网格技术具有以下特点。
　　(1)分布与共享。网格资源分布在位置不同的多个地方，能够提供资源共享，消除信息孤岛，可以协同工作。网络实现硬件的连通，而网格则实现应用层面的连通。
　　(2)自相似性。网格的局部在许多地方具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现。
　　(3)动态性与多样性。网格可以提供动态服务，能够适应变化，解决不同结构、不同类别资源之间的通信和互操作问题。
　　(4)自治性与管理的多重性。网格允许资源拥有者对其资源进行自主管理，也要求资源必须接受统一管理。
　　网格系统可以分为3个基本层次：资源层、中间件层和应用层。其中，最为重要的中间件层包括一系列工具和协议软件，用于屏蔽网格资源的分布、异构特性，向应用层提供透明、一致的接口，也称为网格操作系统。它是连接网格底层与高层功能的纽带，是协调整个网格系统有效运转的中枢，所涉及的关键技术有：高性能调度技术、高吞吐率管理技术、数据收集分析以及可视化技术和安全技术等。
　　网格本质是对大规模分布资源进行管理，这些在以前的技术中并没有很好的解决方案。现有的共享方案，如互联网、ASP、Java、CORBA、DCE等，在共享配置的灵活性以及共享资源种类上不能完全满足虚拟组织的需要，并且这些机制兼容性差。基于Web Services技术的开放网格服务结构OGSA，其一切对外功能都以网格服务来体现，可以屏蔽互联网中千差万别的差异，使信息和服务畅通无阻地在计算机之间流动。用户访问网格服务时，根本就无需关心该服务是CORBA提供的，还是.Net提供的。因此，网格是在现有技术之上所建立的更高层次的共享。
　　鉴于此，各国政府和企业都在为争夺网格的制高点积极行动。美国及欧洲走在了全球的前列，其中典型的例子有：美国国家科学基金会资助的NPACI、国家技术网格(NTG)和分布万亿次级计算设施(DTF)等。目前国内也在大力进行网格研究。在国家“863”计划扶持下，中科院计算所与曙光等国内知名机构联手研究网格的关键性技术，已经获得重大进展。
2 信息一体化平台与电力网格
2.1 模型结构
　　建设电力企业应用系统需要考虑其先进性、开放性、可扩展性和稳定可靠性等，需要一体化的通用支撑平台。支撑系统的好坏是衡量一套系统性能优劣的主要因素。对一套系统来说，具体功能的多少并不是评价它的主要指标，最重要的是系统的开放性、功能增减是否方便、与其他系统进行网络互联是否容易、能否用现有的商用软件来实现用户所要求的一些特殊功能等。所有这一切都依赖于底层支撑系统的设计[4]。本文基于网格技术建立了这一平台，形成了如图1所示的电力网格模型。

　　(1)电力网格资源层
　　电力系统中各种可用来共享的网络资源，涵盖SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各种系统网络计算机、仪器、存储设备等硬件资源以及数据、软件、操作人员等。为实现各种资源的广泛共享，提供了与特定资源相关的功能，对上面的需求提供统一的接口，实现对资源层的有效控制，以便于对资源的访问。
　　(2)电力网格中间件
　　利用高性能调度技术、高吞吐率管理技术、数据收集分析以及可视化技术、安全技术等屏蔽分布、异构的电力网格资源，向应用层提供透明、一致的接口，并提供用户编程接口和相应的环境，以支持电力网格应用的开发。同时，为实现电力企业应用软件的“即插即用”，具备良好的通用性和扩展性，解决系统间数据交换问题，实时或离线地集成新建或遗留的异构应用系统，本文采用了国际标准IEC61968和IEC61970，以公共信息模型CIM描述电网的公用信息、以组件接口规范CIS访问电网的公用信息，提供了标准化的数据访问接口和资源表示方式，尽量减少对原有系统的影响，并保证互连系统的网络安全性。
　　(3)电力网格应用层
　　提供SCADA/EMS、TMS、TMR、DMS、MIS等各种电力企业应用系统的一体化集成实现方式，不仅可以继承原有各种系统，而且为便于使用电力网格各种功能提出集成、高效的网格开发环境、工具和门户。
2.2 电力网格的超拓扑结构特性
　　由于网格具有自相似性，网格的建设与规模大小无关。因此一个单独的电力机构可以构成一个网格，具有隶属关系的多级电力机构之间也可以共同构成一个更大范围的网格，并且上层网格可由下层网格组成。这一特性也就是超拓扑结构特性。
　　在超拓扑结构中，既可以把下一层面的超拓扑结构图抽象为上一层面的一个超结点或超线段，用来研究作为一个整体结构中与其他超结点的关系；又可以把上一层面的超结点或超线段展开为下一层面的超拓扑结构图，用来研究超结点或超线段的内部结构关系。超拓扑结构的“超”就体现在这种超结点或超线段向下的“细化与分层”和向上的“抽象与包容”特性中。
　　对应于电力系统的分层、分级管理，电力网格也具有分层、分级管理的特点，所有的计算和管理资源都按电力系统生产和管理的层次结构来组织，动态地形成国家级、省级、地级等多个网格层次。由此可见，各级电力企业之间也构成了一种超拓扑结构关系。以调度中心为例，可以形成如图2所示的超拓扑结构图。

　　国调作为超拓扑结构图的最高抽象结点，总揽全局，在全国范围内统一进行调度指挥；网调作为超拓扑结构图第二层结点，不但服从上层结点（国调）的指挥，同时肩负着本网内的调度任务；同样，省调作为第三层结点，不但服从上级结点（网调）的指挥，同时肩负着本省内的调度任务。类似地，还有地调和县调。
就电网监控系统而言，所需部分数据需要由邻网提供，而目前这些数据只能靠人工设定，易产生不同步情况，继而导致电网大规模事故的发生。这是普遍存在的问题。如果构建电力网格则可以避免等值模型所导致的预测误差，可以进一步推动在线动态安全分析实用化，也就可以避免电网大规模事故的发生。
此外，随着电力市场化体制改革的进一步深入，为优化利用全国资源，立足我国电网现状，面向电网的持续发展，我国电力市场将分为国家电力市场、区域电力市场、省级电力市场三级进行分层分区运营，这也体现了电力网格的超拓扑结构特性。
2.3 电力网格特点
　　电力网格之所以能够避免电网大规模事故的发生，解决电力系统固有的顽疾，是因为它具有如下特点。
　　(1)开放性。同时满足分布性、可移植性和互操作性，是开放性最好的体系结构。符合国际标准，能连通和跨越各类软硬件计算平台，完成各类软件、算法对各类异构数据的存储、计算，实现与现有系统的无缝整合。
　　(2)自组织。实时动态地监视、管理、维护所有的资源并对其性能进行评估，使系统的资源能高效地用于最紧要的任务。
　　(3)协同性。电力网格结点可以共同处理一个任务，并将结果返回给请求结点，给用户提供完全透明的计算环境，避免大量数据在网络上传输，大大提高了执行效率。
　　(4)自治性。各结点进行自主管理，又不改变原有的操作系统、网络协议与服务等。
　　(5)安全与容错。以登录认证、安全性认证等多种手段和措施确保电力信息安全与系统安全，并支持例外处理，在任何一个服务或计算机因出现故障而无法工作时仍能继续工作。
　　(6)易用性。图形化的操作界面，丰富的用户接口和编程环境，Web方式，用户可以通过单一入口随时随地使用系统资源，最终实现服务点播。
　　(7)灵活性。远程结点可以灵活自由地加入或退出系统。
2.4 进一步的研究内容与方向
　　尽管基于信息一体化平台的电力网格呈现出许多喜人的优越性，然而作为一种新生事物，有不少地方亟待深入探索和研究。
　　(1)如何描述信息、存储信息、发布信息和查找信息；如何对信息加密，防止信息泄露等。
　　(2)为提高资源的描述、组织和管理性能，根据当前系统的负载情况，对任务进行有效调度，提高系统的运行效率，应该研究适合电力系统的高性能资源管理、任务管理和调度算法。
　　(3)鉴于电力系统计算的复杂性，应满足电力系统计算在大规模分布式、异构数据、异构平台、异构软件、分层计算等方面的要求，建立基于网格的电力系统分布式算法，如潮流计算、安全分析、状态估计等分布式在线网络分析算法。
　　(4)研究和制定电力网格技术标准与接口规范，满足电力系统应用软件之间的互操作要求以及电力系统软件与电力网格中间件之间的信息交换要求。
　　(5)对于电力系统来说，安全可靠运行是第一位的。电力网格各个部分都涉及到安全技术，如认证、授权、记账、审计、完整性等，因此应该提供可靠性高的安全模型与技术，保证系统资源、资料不受损失，并能承受各种网络攻击。
　　(6)为有效检测电力网格服务质量，应建立性能评价体系，以满足电网监控实时性、安全性和可靠性的要求。
　　(7)研究新的策略以保证在电力网格规模不断扩大、应用不断增长的情况下，性能不降低。
　　(8)在电力网格中，当资源出现故障或失败时，为保证任务仍然能够正确无误地执行，应研究自动故障检测和恢复的方法，以提高动态自适应性。
　　(9)为提高电力网格的应用性能，需要对性能数据加以分析，为此需要研究适合电力性能分析和监测的方法。同时，为从海量数据中提取有用信息，帮助用户摆脱理解数据的困难，需要开发直观可视化的工具和友好的用户界面，便于用户在任何位置、任何平台上使用系统资源。
3 展 望
　　电力是时刻不可缺少的重要生产和生活资料，电网瓦解和大面积停电会给国家带来巨大经济损失，影响人民正常生活秩序。为早日实现我国“西电东送、南北互供、全国联网”这一宏伟战略目标，目前我国电力系统正处于高速发展时期，一个超大规模的全国互联电网正在出现，与此同时也产生了新的安全稳定问题。同时，在“厂网分开、竞价上网”的前提下，为深化电力市场改革，如何保证电网的可持续性发展，形成完善的电力市场，也已成为亟待解决的紧要问题。这些都离不开科研工作者大胆地探索。本文提出的基于信息一体化平台的电力网格将为实现这一目标起到良好的作用。
参考文献
1 陈赤培.地区电网调度自动化系统集成技术.电力系统自动化，2000；24(15)
2 李晓露，柳劲松，高鸣燕等.一体化电力企业应用系统.水电能源科学，2002；20(1)
3 张伟，沈沉，卢强.电力网格体系初探（一）电网监控从集中计算到分布处理的发展.电力系统自动化，2004；28(22)
4 王士政.电网调度自动化与配网自动化技术.北京：中国水利水电出版社，2003
5 鲁斌.广义智能系统柔性超拓扑空间模型研究与应用[博士学位论文].西安：西北工业大学出版社，2003