（电力电子与电力传动专业论文）p2p技术在电力网格中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o u n t r y w i d ep o w e rn e t w o r kw i l lb ea c h i e v e dt og r i d c o n n e c t e d i no r d e r t oe n s u r et h es a f e t y , s t a b i l i z a t i o na n dt h er e a l t i m es t a t ep r e c i s e l y , i nw h i c he a c h d i s p a t c h e dc e n t r em u s tc o m m u n i c a t ea n dc o o p e r a t eb ys o m ew a yo ft h ep o w e r g r i d s u c he x t e n s i v ed i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i co fi n t e r c o n n e e t e de l e c t r i cn e t w o r k d e t e r m i n a t e st h ei n e v i t a b l et r e n do fd i s t r i b u t e ds y s t e mi nt h ed e v e l o p m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m g r i dh a st h ep o t e n t i a lt os a t i s f yt h ed e m a n do fm o n i t o r i n g s y s t e mo fi n t e r c o n n e c t e de l e c t r i cn e t w o r ki nf u t u r e ，b e c a u s ei ti n t e g r a t e st h e e x t e n s i v ed i s t r i b u t e ds o u r c e ，h o w e v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r i d ，t h eg r i d m o d e ls t r u c t u r e dv i af i v el a y e r so fs a n d g l a s sh a sb e e nb e c o m eab o t t l e n e c ki n r e s o u r c ei n t e g r a t i o n p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) i s ad i s t r i b u t e d t e c h n o l o g y b o t hp 2 pa n dg r i da r e c o m p l e m e n t a r yf r o mt h e i rc o n s t r u c t i o nt oa p p l i c a t i o n i ft h ea d v a n t a g e so fp 2 pi s e m p l o y e dt oo f f s e tg r i d sw e a k n e s s ，t h eb o t t l e n e c kp r o b l e mc a nb er e s o l v e d e f f e c t i v e l yb yc o n s t r u c t i n gt h eg r i ds y s t e mw i t hp 2 pm o d e s u c has y s t e mc a n p r o v i d em o r ea d v a n c ea n ds t r o n g e re n v i r o n m e n to fg r i d i nt h i ss t u d y , a l lk i n d so fp 2 pa n dg r i dm o d e la r es y n t h e s i z e d an o v e l a r c h i t e c t u r e ，i e p 2 p g r i dm o d e lo ft h ep o w e rs y s t e m ，i si n t r o d u c e dt od e a lw i t h t h eb o t t l e n e c kw h i c he x i s t si nr e s o u r c ei n t e g r a t i o no fl a r g e s c a l ep o w e rg r i d ，a n d o t h e rp e r f o r m a n c e so fg r i dw i l lb ee n h a n c e dv i ap 2 pt e c h n i q u e e v e r yp a r to ft h e w h o l er e g i o n a li n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e mb e l o n g st od i f f e r e n tc o m p a n yw i t h d i f f e r e n tp o w e rm a r k e t i n gm o d e s oi tw i l lb eah o tp o t a t of u rp o w e rg r i dt o m u t u a l l ya c c o m p l i s ht h ea n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o no fp o w e rn e t w o r k i nt h i sw o r k ，ap r o t o t y p es y s t e mo fp o w e rc o m p u t a t i o ng r i db a s e do np 2 pi s c o n s t r u c t e db yj x t a i no r d e rt os i m u l a t ed i f f e r e n tp a r t so ft h er e g i o n a l i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m ，s o m ep l a t sb a s e do nal o to fi e e em o d e la r e i n c i s e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e g r a t i v ed i s t r i b u t e dp o w e rf l o wa r ec o m p u t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sd e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s e da p p r o a c h t h ec o m p a t i b i l i t ya n dt r a n s p l a n t a t i o no ft h i sm o d e li s a t t e m p t e dt od i s c u s s k e yw o r dp 2 p ；g r i dc o m p u t i n g ；p o w e rg r i d ；p o w e rf l o wc o m p u t e ；j a v a ；j x t a 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密瓯使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：裼而 1 3 期：7 ，f r - 指导老师签名： 日期：口7 妒厂 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 略) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 我国电力系统的大并网所带来的问题和挑战 随着电力体制改革的深入和实现全国电力资源优化配置的客观要求，推 进大区电网互联，最终形成全国联合电网是我国电力发展的长远战略【。电 网从局部走向互联是适应电力生产力发展的客观必然；是电力工业深层次集 约化和可持续发展的必由之路。联网是手段，而实现最大范围和最大限度的 资源优化配置才是目的。三峡水电厂和三峡电力系统的建设将初步形成一个 覆盖我国中部的大电网，并为与南部电网和即将形成的北部电网互联，最终 为形成全国互联电网奠定基础。这个电网可能覆盖我国2 6 介省、市、自治 区和特别行政区。随之而来的电网运行控制问题将十分突出，它将成为制约 我国电力系统规模发展和效益实现的主要技术因素【2 1 。 在电力系统的联网过程中，电力系统的电压稳定性问题是限制电力传输 的重要因素。目前解决电压稳定性问题的措施有：利用实时监视电压变化来 合理调度线路潮流；对重要线路加串联补偿：在负荷集中的地区增加更多的 电压支持设备；增加电压控制设备。诸如静止无功补偿器等。 制约我国电力系统规模发展和效益实现的另一个主要技术因素是潮流控 制问题。它包括传输线和电力设备的传输容量限制，设备和系统有功损耗的 运行费用，无功管理和电压控制，短路容量限制，以及环流问题。 从制约电网发展的因素来看，提高稳定性是大电网运行的关键问题之一。 大电网稳定控制技术的研究和实施的目标是：一方面尽量提高现有输电线的 传送容量，另一方面通过灵活的潮流控制技术实现电能的合理分配、流动。 最重要的是保证电网的安全性，避免大面积停电事故的发生。 未来大电网最理想的稳定控制模式是，依据实时信息及时发出最优控制 指令，通过快速响应的控制设备，进行大电网的分层分区综合协调控制。这 就要求我们必须具有准确迅速地获取大电网中全部必要的实时信息的手段、 快速处理信息的计算工具和实用有效的算法，以及可靠、有效的实时控制设 备。灵活交流输电技术、g p s 技术、信息通信技术、计算机技术和各种实用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有效工程算法的快速发展，为满足未来大电网的稳定控制要求提供了可能。 网格计算技术1 3 4 1 是2 0 世纪9 0 年代后期发展起来的新一代分布式计算技术。 它从设计理念上就是为了整合广域分散分布的资源，以满足大规模、高性能 的分布式计算的要求，所以网格技术具有满足未来互联电网监控系统性能的 潜力【7 1 。 1 2 电力网格技术和发展的现状 全国联网的电力系统安全经济运行问题是一个典型的网格问题，网格技 术是解决该问题的有力工具。将网格技术作为技术平台，使其和电力系统监 控技术相结合，并在此基础上构建未来的互联电网监控系统中国电力网 格【_ 7 1 。这将是解决我国区域电网互联后大系统安全稳定、经济运行的有效手 段。 电力网格具有整合分布式跨管理区域异构资源的能力，有助于充分利用 现有数据、计算能力和应用，在此基础上可实现大规模一体化的无简化计算。 基于网格实现跨数据结构和跨算法的分布式动态仿真计算，使得各区域调度 中心在应用本地计算数据和计算能力进行仿真的基础上，能够联合完成全网 动态仿真，为实现全网异地联合反事故演习提供基础【8 l 。电力网格还有助于 在不同区域调度中心之间交换数据，解决电力系统海量数据之间多种数据格 式共存的问题，构建数据网格和信息网格，将数据变成信息，实现针对全网 海量数据的数据挖掘和知识挖掘。自电力网格的概念提出以来，人们把电力 网格的研究扩展到电力系统的电网调度自动化【s 】、电力信息资源整合【9 】，电 力信息平台建设【10 1 ，电力系统控制中心设计【l ，电力市场交易系统1 2 i 等很多 领域。 应用于电力系统的电力网格技术，在应用的过程中也表现出一些问题， 如资源整合产生的瓶颈、实时性能无法达到工程要求等。网格技术作为新一 代的分布式计算技术，自身也在不断地吸收来自s o a ( s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 【3 1 、w e b 服务【1 4 1 、p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 1 5 1 和语义w e b l l 6 1 等技术 领域的成果。随着这些技术领域的发展，电力网格也需要吸收他们的成果， 在性能和功能上进一步完善自己，并通过项目实施，在基础设施、开发工具、 f - j r , 设计和行业应用等方面积累经验【l7 1 ，让电力网格技术满足全国大联网的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性能要求，从而真正成为我国互联电网监控系统的支撑技术。 1 3 本文所要解决的问题和主要工作 在基于网格的电力系统应用技术研究中，如何吸收来自s o a 、w e b 服务， p 2 p 和语义w e b 等技术领域的成果，利用它们的技术优势提高电力网格的性 能，成为了一个技术研究的热点。本文把p 2 p 技术和网格技术结合起来，通 过将p 2 p 技术引入电力网格，提出了电力系统的p 2 p - g r i d 模型，实现这两种 技术的优势互补，以解决电力网格应用于电力系统的大规模资源整合所带面 临的瓶颈问题，并提高电力网格对部分电力系统计算服务的性能。本文主要 作了一下几个方面的工作： 1 ) 查阅文献，深入理解网格计算技术，分析它在电力系统中的优势，发展 方向以及存在的问题。 2 ) 深入理解p 2 p 技术的特点和优势。分析它和网格技术的异同。找出它们 之间可以优势互补的地方。 3 ) 把j a v a 技术融入电力网格技术中，研究如何发挥它们各自的优势，并构 建电力系统的p 2 p g r i d 模型，在此基础上提出基于电力系统的p 2 p g r i d 的大电网一体化解决方案。 4 ) 理解j x t a p 2 p 技术，利用j x t a 技术构建p 2 p 通信网格。用构建的p 2 p 网络搭建基于p 2 p 网络的电力网格原型系统。 5 ) 深入理解粗粒度的电力系统分布式潮流计算算法基于支路切割的电 力系统潮流计算；编程实现该算法，以i e e e l 4 ，3 0 ，1 1 8 参考系统作为 基础计算数据测试该算法。 6 ) 在构建的电力系统p 2 p g r i d 模型上实现电力系统的分布式潮流计算，同 样以i e e e l 4 ，3 0 ，1 1 8 参考系统作为基础数据进行分区计算，测试该算 法，记录计算结果。 7 ) 对计算的时间有效性和空间有效性进行了横向和纵向的对比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章电力网格技术 2 1 网格计算技术 互联网技术给人类提供了许许多多的有用信息，但所能提供的服务很有 限。网络上的计算机大部分时间处于空闲的状态。由此可以看出，一方面是 大量的计算资源处于空闲的状态而没有被很好的利用起来，而另一方面是在 进行科学计算中遇到的计算资源不足的情况。如果将这两者很好的结合起来， 将可以获得巨大的资源财富。由此产生了并行计算技术、集群计算技术、分 布式计算技术等等，但是这些技术都只能整合一定范围的计算机资源，利用 这些技术能共享的资源很有限，聚合的整体力量也不足够强【l ”。随着互联网 技术的迅猛发展，利用现有的互联网资源建立一种新的基础设施，把世界上 的各种计算资源集成在一起，为世界范围的用户提供使用这些资源大量良好 接口，这种新的基础设施就是网格。网格把现有的资源集成起来，给网格用 户或上层应用提供访问网格中各种资源的统一接口。网格提供的分时共享、 资源预约、资源授权、资源组合、数据副本等技术，都有力地支持广域范围 内的资源共享。在网格上，任何用户只要遵守网格规范，就可以使用网格上 的任何资源。网格可以提供比以往任何系统下所能获得的多的资源，那些只 能在现场控制和使用的资源在网格环境下将不再受到地理位置的限制，都可 以被远程用户使用l i ”。 第一代网格典型的代表是f a f n e r ( f a c t o r i n gv i an e t w o r k - e n a b l e d r e e u r s i o n l 和i - w a y 两个项目。这个时期的网格都是把超级计算机结点连接 起来，为高性能应用提供计算资源。两个代表性项目尽管在多个方面存在着 差异，但是主要解决的问题是很接近的，都要解决通信、资源管理和远程数 据管理的问题。 第二代网格的典型代表是g l o b u s 2 0 1 ，l e g i o n l 2 1 1 等。这个时期的网格要解 决的问题涉及网格的异构性、可扩展性、适应性等，网格安全也被提高到很 高的高度。这个时期的主要工作是支持大规模数据和计算的中间件的开发， 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 建立了面向协议和模块的网格体系结构。 第三代的典型代表是万维网和开放网格服务结构1 2 2 1 。万维网是面向商业 领域的计算框架，作为万维网服务框架中的基本技术、面向对象访问协议、 万维网服务描述语言和统一集成、描述和发现规范获得业界的普遍支持。未 来的网格技术将会继续吸收来自s o a 、w e b 服务、p 2 p 和语义w e b 等技术领 域的成果，并通过项目实施，在基础设施、开发工具、门户设计和行业应用 等方面积累经验。 2 2 网格计算体系 人们已经开发出了一种全新的体系结构模型和技术，用于在虚拟组织内 建立、管理以及跨组织的共享资源。就是“网格体系结构”，它定义了网格系 统的基本组件，还定义了这些组件的目的及功能，并且指出了这些组件怎么 样相互交互的。该体系结构主要关注资源提供者和用户之间的互操作性问题， 以此来建立共享关系。这样的互操作性意味着体系结构模型的每一层都具有 相同的协议，网格体系结构示意图如图2 俨”。 图2 - 1 网格体系结构示意图 图2 1 每一层都共享组件层的行为，每一层都与相应的i n t e m e t 协议层进 行了对比，这样就可以能够更加清楚地了解他们的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 1 构造层： 构造层定义了可以被共享的资源，包括计算资源、数据存储、网格、目 录以及其他的系统资源。这些资源可以是物理资源，也可以是逻辑资源。 网格计算环境中典型的逻辑资源是分布式文件系统、计算机集群、分布 式计算机泡、软件应用程序以及网络服务的高级形式。逻辑资源通过自身拥 有的内部协议得以实现，随后这些资源就可以组成自己的独立资源网络。 对于那些将自己集成到网格系统并成为其中一部分的特定资源而言，尽 管对他们没有特殊需求，也仍然推荐其拥有联合资源集成的两个基本能力。 这两个基本能力如下： 提供询问机制，借此发现自身拥有的资源的能力、结构以及操作状态等； 提供适当的资源管理能力，控制网格解决方案所承诺提供的服务质量。这使 得服务提供者能够控制资源达到最优的可管理性。 2 2 2 连接层： 连接层为特定网格的网络服务处理定义了所需的核心通信及认证协议。 通信协议包括网络传输、路由以及命名，用于协助位于构造层中资源之间的 数据交换。建立在网络通信服务上的认证协议在用户和资源之间提供安全认 证以及数据交换。 通信协议能够与任意的网络层协议一同工作，这些网络层协议在网络服 务解决方案中提供传输、路由以及命名功能。最常用的网络协议是t c p i p i n t e r n e t 协议堆栈，然而通信协议的概念并不局限于t c p i p 协议。虚拟组织 环境的认证方案要求重要且更为复杂的特征。安全认证所需要的特征如下： 单一登录。网络构造层中的多个实体只需认证一次，用户就可以访问其 中任何可用的资源而无须一步介入认证过程。 委托。用户可以访问当前用户许可集合内的资源，资源也应该能够将相 同的用户凭证授权给访问链中的其他资源。 与本地资源特定的安全方案集成。每个资源和资源稽核都有其特定的安 全需求和安全方案与本地环境匹配。为了在网格构造模型中提供适当的安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 方法，所有的网格方案都必须与本地环境以及安全方案机制特别关注的资源 进行集成。 基于用户的信任关系。在网格计算中，在用户和多个服务提供者之间建 立起绝对的信任关系是非常关键的。这样当访问每个提供者所提供的资源时， 这些资源的提供者之间没有必须进行交互。 数据安全。为了确保数据的完整性和保密性，数据安全问题也是非常重 要的。当数据在网格计算方案通过时，不管存在什么样的复杂性，都应当使 用各种密码和加密机制确保数据安全。 2 2 3 资源层： 资源层利用了通信以及由网络通信层定义的安全协议，它可以控制安全 协商、启动、监控、测量、核算以及单一资源之间操作共享的支付情况等。 为了访问和控制多个本地资源，采取的工作方式是资源层调用构造层。 资源层仅仅考虑了单一资源，并且因此忽略全局状态和跨越其他资源稽核的 原子动作，而这些问题在操作上是汇聚层所要考虑的。 2 2 4 汇聚层： 资源层管理单一资源，而汇聚层则要负责全局资源管理和与资源集合的 交互。资源层协议利用小部分资源层及连接层的协议实现了多种多样的行为 共享。 汇聚层的这些服务可以被定义为用于狭窄领域和特定问题求解的通用网 格计算解决方案。 2 2 5 应用层； 在应用层中，用户应用是通过使用更低的各层定义的服务来创建的。这 样的应用能够对资源进行直接访问，或者通过汇聚层接口访问资源。 网格体系结构中的每一层都为更高层的集成提供了a p i 和s d k ，这样应 用开发人员就可以决定是否需要为通用发现而使用汇聚服务，以及跨越资源 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 集合使用其他更高级别的服务。或者他们可以利用已经发现的资源选择直接 开始工作。 对于分布式计算的开发而言，已知的事实是其具有大量定义且创建良好 的技术和标准。进入各种各样的资源共享以及虚拟组织形成的领域得，分布 式计算的基础在某种程度上已经取得了巨大的成功。 网格体系结构定义为虚拟组织内部协同的、高度自主的以及动态的资源 共享，它和分布式计算之间是相互促进的。 2 3 电力网格的体系特征 电力网格的应用背景是全国范围内的大电网互联，这是一个开放的自动 化体系结构，它必须具有以下一些基本特征【0 7 】 1 ) 同一性。控制系统需要提供给不同的调度中心同一的调度环境，通过分 布式协调计算来实现对互连电网的准确模拟。各调度中心的数据资源和 计算资源都要参与到协同的计算中来。也就是说互联电网控制系统正是 整合所有调度中心资源后形成的虚拟组织 2 ) 独立性。虽然各调度中心的多种资源共同构成了互联电网监控系统，但 是各调度中心仍保持着相互之间的独立性：一方面表现为调度中心对软、 硬件资源的独立管理、控制和维护：另一方面表现为各调度中心仍将依 据各自的运行规则调度和运行所辖电网。 3 ) 透明性。各调度中心不仅是独立的，某一调度中心的资源对其他调度中 心而言还应当是透明的，即参与虚拟组织的所有调度中心的所有资源对 其他调度中心而言都是不可见的。这对保证市场环境下各调度中心的商 业秘密具有重要意义。由于监控系统已经整合了所有调度中心的资源， 这种透明性并不会造成类似于系统简化等值处理等在系统仿真时所带来 的误差。 q 动态性。一般而言，各调度中心对监控系统的计算要求多种多样，并且 这些要求还可能随互联电网的运行状态不断变化。这就要求未来的监控 系统能够适应这些变化，随时根据调度中心提出的不同计算要求动态地 组织数据和计算资源。 5 ) 继承性。目前运行在各调度中心的电网监控软件已经相对成熟，其适用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 性和可靠性已经得到实践的证明。未来的电网监控系统应当继承这些宝 贵的资源，并在此基础上逐步建立。无论从成本的角度还是安全性的角 度考虑，都应当尽量避免对现有监控软件进行彻底更新换代。 6 ) 开放性和扩展性。未来的互联电网监控系统应当具备开放的体系结构： 一方面将便于现有的电力监控软件无缝接人新系统，另一方面也有利于 将来具有新功能和基于新技术的应用软件的集成。开放的体系结构将保 证系统的可扩展性。 7 ) 可伸缩性。未来的互联电网监控系统将具有庞大的用户群，用户对系统 的计算要求是多种多样的。而且，随着电力工业的市场化改革，更多的 应用软件必将加入到新的监控系统中。因此，用户群的规模还会呈加速 度增长。为了更好地控制监控系统的规模，防止其因不断膨胀而无法有 效管理，系统必须具备一套良好的资源管理体系，系统中的所有资源必 须能够方便地实现动态配置，从而使整个系统具有高度的可伸缩性。 除此以外，未来的互联电网还必须具有高可用性、高安全性，同时，它 还必须具备良好的运行性能，以满足电力系统实时控制的要求。 2 4 电力网格的体系结构 现有的网格体系结构中，层次模型的资源管理模式已经为大部分当代网 格系统( 如g l o b u s 2 0 1 ，l e g i o n i z 4 1 ，a p p l e s l 2 5 1 ，n e ts o l v e 2 6 1 ，n i n 2 7 】等) 所采用， 其中，g l o b a lg r i df o r u m t “1 ( g g f ) 的o g s a 工作组( o g s a - w g - - - o p e ng r i d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e w o r k i n g g r o u p ) 所提出的开放网格服务体系结是最具影 响力的网格体系结构之一。o g s a 以服务为中心，将网格中所有资源都表现 为服务的形式，采用了层次模型的资源管理方式，即将整个资源管理系统分 成若干功能层，较高层次的服务利用较低层次服务进行组合来实现自身的功 能。利用网格技术把电力资源抽象为网格服务，为电力应用提供统一的接口， 复杂的应用通过电力网格服务调用底层网格服务实现电力系统的统一操作、 协同计算。基于以上的思想，基于网格的大规模电力系统体系结构如图2 2 所示【1 7 1 ： 该体系能够管理各种分布式电力资源，部署各种基本组件，提供基本网 格服务，还能够完成复杂盼j ：任务和业务管理，实现高效、动态在线的辅 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 助决策。它的各个层相关功能如下【”】： 2 4 1 资源层 电力系统中物理分布的各类资源包括硬件基础、软件资源以及相关数据 和信息等。 硬件资源： 基于电力调度系统内部资源，主要包括：电力调度通信主干网络和连接调 度中心和所属厂站的通信设施。硬件资源可划分为：专用实时数据网络和非实 时信息网络；电力系统各级调度中心和厂站的各种量测和控制装置：各级调度 厂r - 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 f 璧 高级应用匝! i j i 固旺塑豆圈匪i i ! i 圈压! i i ! 圈 。l 5 i 应用组件臣圈匝固压囹匝圃 电力周格 l 一一一一一一一一一一一一一一一= 。一一 支撑平台、广 抽象服务韪受国压i j i ! j 国臣i ! i j i 习巨i i i ! i 圃 i 层l 基础服务 姻 困巨圃廷咽 图2 - 2 电力网格体系结构 。中心拥有的大批高性能工作站、电力信息部门的各种级别的服务器等。 软件资源： 包括已经和将要投入运行的各种大中型电力系统相关软件 ( e m s ，d t s ，t m r ，s i s ，m i s 等) 、数据库( 包括各种实时数据库和商用数据库) 、 文件等。 相关数据和信息： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 包括与电力系统运行密切相关的各种数据和信息，比如影响系统发电能 力、系统安全运行和用户用电水平的系统所在地区的地理、气象、水文信息 等。 2 4 2 核心层 网格服务层提供将资源层的资源封装为网格服务，实现对底层物理资源 的逻辑表示的工具。网格服务层面向一般性质的服务实现机制提供以下功能 查找与申请具有指定属性的服务、数据、资源。 a ) 数据的管理、共享、一致性保证和部署；虚拟组织的建立、管理和协同； b ) 资源管理，包括优化资源使用、传输控制、任务调度、负载平衡、日志 记录、工作流管理等： c ) 安全机制，包括单点登录( s i n g l es i g n o n ) ，数字签名、入侵检测、加密、 认证、跨安全区的解决方案等； d ) 容错机制，故障后恢复，资源和服务的自身监测、诊断、修复机制； e ) 全局的、跨管理机构的资源和任务监测机制。 网格服务层是电力资源的第一次抽象服务，它利用o g s a ( o p e ng r i d s e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e ) 框架，以服务为中 心，把一切资源都抽象为服务。利用网格平台把电力资源封装为o g s a w s r f 服务，隐藏电力资源的异构性，提供统一的访问接口，屏蔽电力资源的动态 性，保证上层调用的质量，也充分考虑了电力资源的自治性和一分性，维护 电力资源拥有者的权利。 2 4 3 服务层 电力服务层包括基础服务级和抽象服务级。电力服务层设计原则：基础服 务应该独立工作且自包含，具有上下文无关性，即能从一个上下文环境中分 离出来，并在另一个上下文环境中使用。服务之间的划分关系和粒度至关重 要。 使用核心层提供的底层服务开发工具将电力系统计算资源、数据资源、 信息资源加以包装，表现为服务的形式，构成基础服务级。其中的基础服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 是电力网格支撑平台中任务执行的最小单元，对应于具体的物理资源，其中 计算类服务提供一定的计算能力，应用类服务具有相应的应用逻辑并能完成 一定的功能，数据类服务提供电力系统实时数据和相关的信息等。基本服务 层的结构和组织方式依赖于实际的物理资源的组织方式。 抽象服务级在电力网格支撑平台结构中起到了承上启下的作用。这一级 在核心层通用网格中间件的基础之上，提供了面向电力网格基本服务的资源 组织方式、安全许可机制、任务调度、作业控制、系统监测、负载平衡、容 错机制、服务质量等功能。 基础服务级以网格服务的形式提供网格资源，由抽象服务级将物理分布 的网格服务组织起来，通过资源注册服务和任务调度服务提供任务到资源的 映射和负载平衡机制。 2 4 4 应用层 应用层由电力系统的功能组件组成，包括潮流计算、状态估计、数据服 务等。潮流计算是根据电网结构、参数和发电机、负荷等运行条件，计算电 力系统各部分稳定运行的状态参数；状态估计是指对配电网节点状态进行估 计；数据服务为各种计算提供所需要的数据，为了提高效率，可以从网格管 理层的数据管理中复制所需要的数据。由于网格环境下大规模的电力系统是 典型的动态大系统，其问题的求解是更高级别的应用，如动态安全评估、预 警、稳态、暂态分析、故障分析等往往需要多种服务协同计算。 2 4 5 网格门户 网格门户是在电力网格构建标准门户技术之上，为电力系统管理决策提 供一个统一的、可扩展的、安全的用户接入，能方便用户透明地访问电力网 格应用。电力网格管理决策门户包括访问控制、决策、分析、运营可视化等 模块，其中的访问控制是对用户的权限进行检验：决策和分析是电力网格应用 结果的展现，可以采用o l a p ( o n l i n ea n a l y t i c a lp r o c e s s i n g ) 技术，支持在 线分析；运营可视化以图形( 如饼图、柱状图等) 方式表现。功能的汇聚和可 视化使得电力调度、分析、挖掘等变得方便、快捷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 从电力网格的体系结构中可以看出，资源层中各种各样的电力系统资源 都是通过o g s a 平台来整合的。在电力网格中，为了对资源进行有效的控制， 这种整合是通过集中式的分层管理来实现的。这样就产生了一个问题：我国 全国范围内的大电网互联需要整合的是一个庞大的资源群体，如果按照这种 集中的分层式管理来进行整合，那么对中心服务器的性能要求很高，但是中 心服务器的功能是有限的，无法满足大电网互联的电力网格对可伸缩性的要 求，这样以来就会产生资源整合的瓶颈；集中式的分层管理也提高了网格对 通信网络的依赖性，从而难于达到大电网互联控制中对可靠性的要求。 2 5 本章小结 电力网格具有整合分布式跨管理域异构资源的能力，有助于充分利用现 有数据、计算能力和应用，在此基础上可实现大规模一体化无简化计算。基 于网格实现跨数据结构和跨算法的分布式动态仿真计算，使得各区域调度中 心在应用本地计算数据和计算能力进行仿真的基础上，能够联合完成全网动 态仿真。 电力网格还有助于在不同区域调度中心之间交换数据，解决电力系统海 量数据之间多种数据格式共存的问题，构建数据网格和信息网格，将数据变 成信息，实现针对全网海量数据的数据挖掘和知识挖掘。这些对于解决我国 电力系统超大规模计算分析问题具有非常重要的意义。 但是由于电力网格的集中式的分层资源管理方式给电力网格在应用于大 电网互联时带来了一些问题。本次研究的主要内容就是p 2 p 技术和电力网格 技术的结合，有效的弥补电力网格的缺点。下面一章简要的介绍一下p 2 p 技 术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章p 2 p 技术和j x t a 3 1 什么是p 2 p 技术 p 2 p t 2 9 】是p e e r 。t o p e e r 的缩写，p e e r 在英语罩有“( 地位、能力等) 同等 者”“同事”和“伙伴”等意义。这样一来，p 2 p 也就可以理解为“伙伴对伙 伴”的意思，或称为对等联网。目前的p 2 p 技术公认在加强网络上入的交流、 文件交换、分布计算等方面大有前途，一些人甚至把p 2 p 称为【3 0 】“p o w e rt ot h e p e o p l e ”。 简单的说，p 2 p 直接将人们联系起来，让人们通过互联网直接交互。p 2 p 使得网络上的沟通变得容易、更直接共享和交互，真正地消除中间商。p 2 p 就是人可以直接连接到其他用户的计算机、交换文件，而不是像过去那样连 接到服务器去浏览与下载。p 2 p 另一个重要特点是改变互联网现在的以太网 站为中心的状态、重返“非中心化”并把权力交还给用户。p 2 p 起源于最初 的联网通信方式，互联网最基本的协议t c p i p 并没有客户机和服务器的概 念，所有的设备都是通讯的平等的一端。当然，后来发展的那些架构在t c p i p 之上的软件的确采用了客户机月臣务器的结构：浏览器和w e b 服务器，邮件 客户端和邮件服务器。但是，对于服务器来说，它们之间仍然是对等联网的。 所以从基础技术角度看，p 2 p 不是新技术，而是新的应用技术模式。p 2 p 是 一种基于互联网环境的新的应用型技术，主要表现为软件技术p ”。 3 2p 2 p 技术特性 目前互联网主要技术模式是s c ( s e r v e r c l i e n t ) 方式，此方式要在互联 网上设置拥有强大处理能力和大带宽的高性能计算机，配合高档的服务器软 件，再将大量的数据集中存放在上面，并且要安装多样化的服务软件，在集 中处理数据的同时可以对互联网上其他p c 进行服务，提供或接收数据，提 供处理能力及其他应用。对于一台与服务器联机并接受服务的p c 机来说， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 这台p c 机就是客户机，其性能可以相对弱小。而p 2 p 技术的特征之一就是 弱化了服务器的作用，甚至取消服务器，任意两台p c 互为服务器，同时又 是客户机，即对等。下面是p 2 p 与s c 方式的一些比较1 3 2 】： s c 方式造成互联网络上的集中，无论信息资源还是成本资源均向同一 方向集中，这样的模式符合一对多、强对弱的社会关系形式，如政府对个人、 对企业，大企业对小企业，学校对学生，企业对职工等等关系。p 2 p 方式将 导致信息数量、成本资源都向互联网各点均匀分布，也就是所谓“边缘化” 的趋势。此模式符合“一对一”的特点，以及彼此相当的社会关系形式，如 个人对个人，规模相当的企业之间等等，所以这两种方式会共存。 p 2 p 技术具有以下的特性： 既是s e r v e r 又是c l i e n t ，如何表现取决于用户的要求，网络应用由使用 者自由驱动。 信息在网络设备间直接流动，高速及时，降低中转服务成本。 构成网络设备互动的基础和应用。 在使网络信息分散化的同时，相同特性的p 2 p 设备可以构成存在于互联 网这张大网中的子网，使信息按新方式又一次集中。 3 3j x t a 技术 美国的s u n 公司于2 0 0 1 年开发了j x t a t 3 3 】【3 4 1 技术。j x t a 的全称是 j u x t a p o s e 工程，该项技术的发明人并不认为传统的基于客户机，服务器的计 算模式会被取代，而是将j x t a 作为一种补充，与这些技术同时共存，也就 是说该项技术是用来弥补传统计算方式的不足，给用户更加好用的软件，让 用户更加放心舒适的使用软件产品，使用户能够从这两种计算模式中受益 3 5 1 。 3 3 1j x t a 的含义 j x t a 是为了构建p 2 p 网络而制订的一组协议，是为了解决构建p 2 p 网 络所碰到的问题的解决办法。 j x t a 在设计时有如下几个目标：( 1 ) 操作系统无关；( 2 ) 语言无关；( 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 为p 2 p 应用提供服务和基础。其中一个重要的目标就是j x t a 希望在任何设 备上可以编程实现p 2 p 网络，无论是手机、p c 机、家用电气等等各种设备 都可以运行j x t a 应用程序。 j x t a 定义了一套三层结构的协议。这些协议是专为特定的、分布式的、 对等的网络计算而设计的【3 6 1 【37 1 。图3 1 为j x t a 的层次结构 图3 1j x t a 层次结构图 第一层为j x t a 核心层，包括了服务所需要的核心功能；第二层为服务 层，它提供访问j x t a 协议的接口；第三层为应用层，它使用服务来访问j x t a 网络和j x t a 功能。 核心层封装了包括p e e r 、对等组、p e e r 发现、p e e r 通信和相关的安全原 语，在电力网格的构建过程中，这一层的功能是：完成对电力系统软硬件资 源发现，安全验证并组织的过程，相当于电力网格模型中的网络服务层；服 务层包括对于p 2 p 网络很多通用的功能，相当于电力网格模型中的电力服务 层；应用层是使用j x t a 服务开发出来的完整的应用程序，在这样搭建的电 力网格上可以开发出很多根据满足不同需求的应用程序。j x t a 在通信过程 中，使用很多通用的协议。使用这些协议，p e e r 可以互相合作建立自我组织、 自我管理的对等组，而不必关心他们在网络中所处的位置，也不需要集中的 管理机构。在j x t a 中，所有的协议都被定义为x m l 消息在对等节点之间 传送。j x t a 消息定义了用于发现和连接对等节点以及访问对等节点或对等 节点组提供的网络服务的协议。每一条j x t a 消息都有一个标准的格式，并 且可能包括可选数据域。因此，通过定义用于激活p 2 p 服务的通用或特定功 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 能的x m l 数据流，j x t a 对等节点间交换的信息实现了标准化。下面对j x t a 中的一些专业术语进行简单的介绍： 3 3 2j x t a 中的一些概念 p e e r ( 对等机) p e e r 是一个虚拟的通信点。在一台p c 机上可能有一个或者多个p e e r ， 它不是用户的意思，而且同一设备上也有很多个p e e r 。p e e r 与特定的网络服 务联系的很紧，可以提供网络的基本服务，例如r o u t e r ( 路由服务) 、g a t e w a y ( 网关服务) 、r e n d e z v o u s ( 集合点服务) 。这些基本的服务又可以提供搜索 和通信服务。 p e e r g r o u p ( 对等组) 对等组是一种组织p e e r 并且发布组内的特定服务的方式。对等组可以被 创建、加入和退出。出于安全性的考虑，对等组需要对成员进行一些限制。 j x t a 使用一种协议来认证，它负责收集信息来验证其成员是否有权限加入 并享受对等组其他成员给其提供的服务。 对等组相当于一个虚拟的私人网络，一个私人网络只允许几个计算机之 间相互交流，而不允许其他成员加入。使用此种方式可以保障信息传播的安 全性，因为它将对等组成员之间传播的消息加密。偷听者不能理解组内的谈 话。 e u d p o i n t ( 端点) 和p i p e ( 管道) 在j x t a 应用程序中，端点是最基本的通信方法。它实现了特定通信协 议的p e e r 地址。类似于i p 地址，是用来确定目标p e e r 地址的。一个p e e r 可 以有很多个端点，这样可以通过不同的协议来与其他p e e r 通信。端点不一定 是物理地址，可以允许物理地址发生变化。例如一台p c 机上的i p 地址和端 口就可以归结为一个端点。 大多数应用程序中交换数据的方式是开输入输出流，而j x t a 又在流韵 基础