凌志揚(yáng)　閆紅漫　張弘

摘 要：在新一輪電力改革的背景下，越來(lái)越多的分布式可再生能源接入到配電網(wǎng)中，給電力市場(chǎng)的電力交易平臺(tái)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)云環(huán)境下電力交易的數(shù)據(jù)服務(wù)問(wèn)題，對(duì)電力交易平臺(tái)交易信息模型的構(gòu)建、分布式電力交易數(shù)據(jù)一致性等問(wèn)題進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)分布式可再生能源交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)，以示范工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：分布式可再生能源； 數(shù)據(jù)服務(wù)； 云環(huán)境

Abstract： Under the background of the new round of electricity market reform， more and more distributed renewable energy is accessed to the distribution network， which brings new challenges to the electricity market trading platform. This paper focuses on the data service of power trading in cloud environment， studies the construction of trading information model of power trading platform， the research of data consistency of distributed energy trading system， and the design of interactive trading mode and architecture of trading system of distributed renewable energy. The system is verified with the operation data of demonstration project.

Key words： distributed renewable energy； data service； cloud environment

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，全球?qū)G色、清潔、高效的電能需求日益增長(zhǎng)，智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生[1]。2015年3月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》，明確指出要全面放開(kāi)用戶側(cè)分布式電源市場(chǎng)[2]。2015年7月國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，2016年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確指出實(shí)施能源領(lǐng)域的國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，逐步覆蓋電力等能源領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)集成融合[4]。

傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)交易平臺(tái)主要支撐中長(zhǎng)期電力交易業(yè)務(wù)[5]，隨著電力實(shí)時(shí)交易的不斷推進(jìn)，已無(wú)法滿足電力交易市場(chǎng)的需要。本文提出分布式可再生能源交易系統(tǒng)的交易信息模型，解決了電力交易系統(tǒng)內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和信息交互的問(wèn)題。對(duì)分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題的研究，解決了分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，探索分布式可再生能源的交易流程和數(shù)據(jù)服務(wù)的信息交互過(guò)程，將“互聯(lián)網(wǎng)+”和電力交易結(jié)合，進(jìn)行了一次有益的創(chuàng)新。

1 電力交易信息模型

公共信息模型（Common Information Model， CIM）[6]描述了電力企業(yè)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的主要對(duì)象類(lèi)、類(lèi)屬性和類(lèi)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其釆用面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒y(tǒng)一建模語(yǔ)言描述方式，以類(lèi)圖的形式進(jìn)行直觀的展現(xiàn)，代表了電力企業(yè)所有主要對(duì)象的抽象模型。CIM模型擴(kuò)展基本流程如圖1所示。

由于CIM是國(guó)際的通用標(biāo)準(zhǔn)，不可能完全滿足中國(guó)電力系統(tǒng)的所有特性，且伴隨著CIM模型的版本更新，CIM模型對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)部的抽象描述變得越來(lái)越細(xì)致，CIM模型已經(jīng)變?yōu)橐粋€(gè)龐大的綜合信息模型[7]。而對(duì)于分布式可再生能源的交易系統(tǒng)，不需使用全部的CIM模型，只需對(duì)IEC 61968和IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)CIM模型的部分進(jìn)行抽取，結(jié)合自身交易系統(tǒng)的實(shí)際，對(duì)現(xiàn)有的CIM模型進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)成一個(gè)滿足交易系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)模型。

本文以IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)通用包（MarketCommonPackage）中的市場(chǎng)參與者類(lèi)（MarketParticipant）和市場(chǎng)角色類(lèi)（MarketRole）為基礎(chǔ)，對(duì)分布式能源用戶進(jìn)行建模。將機(jī)構(gòu)角色類(lèi)下的消費(fèi)者類(lèi)進(jìn)行擴(kuò)展，抽象出分布式可再生能源消費(fèi)者類(lèi)（RenewableEnergyCustomer），新能源用戶CIM類(lèi)如圖2所示，其中包含新能源用戶總認(rèn)購(gòu)光伏消費(fèi)電量（PVSubscriptionConsumption）、總消費(fèi)電量（totalConsumption）和總支付金額（totalPayment）等屬性，與市場(chǎng)參與者類(lèi)（MarketParticipant）的子類(lèi)

[LL]市場(chǎng)角色類(lèi)（MarketRole）具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。擴(kuò)展后的新能源用戶類(lèi)的各屬性可滿足分布式可再生能源的交易流程中各交易環(huán)節(jié)的需求。

市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)CIM類(lèi)如圖3所示。對(duì)市場(chǎng)申報(bào)類(lèi)進(jìn)行擴(kuò)展，滿足電力用戶提交認(rèn)購(gòu)比例（CustomerBid）的需求；對(duì)產(chǎn)品申報(bào)類(lèi)進(jìn)行擴(kuò)展，滿足發(fā)電商報(bào)價(jià)的模型需求；擴(kuò)展出發(fā)電商報(bào)價(jià)類(lèi)（PublisherBid），此類(lèi)包含機(jī)組類(lèi)型（energyType）、用于描述機(jī)組出力和價(jià)格之間關(guān)系的價(jià)格申報(bào)曲線（hourlyPowerPrice）和訂單時(shí)間（orderTime）等屬性。對(duì)小時(shí)產(chǎn)品計(jì)劃類(lèi)（BidHourlySchedule）進(jìn)行擴(kuò)展，滿足市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方在市場(chǎng)平衡后中標(biāo)電量公示的需求。

市場(chǎng)出清類(lèi)CIM如圖4所示。日后結(jié)清環(huán)節(jié)需要對(duì)新能源用戶和分布式發(fā)電商的交易進(jìn)行結(jié)算，在IEC 62325標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于市場(chǎng)清算的類(lèi)圖主要為MarketFactors。其中定義各種類(lèi)型的市場(chǎng)結(jié)清類(lèi)，對(duì)通用結(jié)清類(lèi)（GeneralClearing）進(jìn)行擴(kuò)展，滿足發(fā)電商和電力用戶在結(jié)清環(huán)節(jié)的建模需求。

2 電力交易數(shù)據(jù)一致性研究

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)每日新采集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)便有TB級(jí)的數(shù)據(jù)量，當(dāng)前的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)難以滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析需要。由于云計(jì)算環(huán)境分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)在電網(wǎng)中的逐步應(yīng)用，如何保障分布式系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)一致性成為亟待研究的課題。

一致性算法使服務(wù)器集群像1個(gè)整體一樣進(jìn)行工作，即使集群中的幾臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)也不會(huì)影響集群工作。因此，一致性算法在分布式系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。由Lamport提出的Paxos算法一直處于統(tǒng)治地位[8]。很多新的一致性算法均是以經(jīng)典Paxos算法為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的，盡管很多學(xué)者做了大量工作希望降低Paxos算法的復(fù)雜性，但是其仍然十分復(fù)雜且很難直接應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中，Raft算法就是在此背景下被提出的[9]。Raft算法采用一些特別的優(yōu)化方式使其便于理解。將算法分為選舉、日志復(fù)制和安全3個(gè)部分來(lái)降低算法的復(fù)雜程度。

在簡(jiǎn)化的電力交易流程中，以日前申報(bào)環(huán)節(jié)為例：電力用戶在固定時(shí)刻提交第二日可再生能源認(rèn)購(gòu)比例；分布式可再生能源發(fā)電商在固定時(shí)刻進(jìn)行第二日各時(shí)段發(fā)電量競(jìng)價(jià)申報(bào)；運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一進(jìn)行市場(chǎng)平衡，然后公布發(fā)電商的中標(biāo)電量。由此可見(jiàn)，服務(wù)器集群會(huì)在固定時(shí)段前后達(dá)到數(shù)據(jù)讀取高峰，發(fā)電商和電力用戶并發(fā)訪問(wèn)服務(wù)器集群，需要保證用戶在讀取中標(biāo)電量公示信息時(shí)，各服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)是一致的。為了提高系統(tǒng)性能，采取在電力交易各個(gè)環(huán)節(jié)固定時(shí)刻到來(lái)前，開(kāi)始一致性算法中選舉過(guò)程，選舉產(chǎn)生新的leader。leader負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各服務(wù)器之間的工作，客戶端與集群之間的交互和集群內(nèi)部各服務(wù)器的交互均圍繞leader進(jìn)行。當(dāng)各申報(bào)截止后，市場(chǎng)平衡完畢，啟動(dòng)數(shù)據(jù)一致化的過(guò)程，使各服務(wù)器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)一致，保證系統(tǒng)可靠性。

1個(gè)Raft集群包含多個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，若5個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)組成1個(gè)集群，則系統(tǒng)最多可以忍受2臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)宕機(jī)。1臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)間總屬于以下3種狀態(tài)：leader、follower和candidate。通常情況下，1個(gè)集群只能有1個(gè)leader，其余節(jié)點(diǎn)均為follower。follower是被動(dòng)的角色，不能夠主動(dòng)提出請(qǐng)求，只是響應(yīng)leader和candidate的請(qǐng)求。leader負(fù)責(zé)處理客戶端的所有請(qǐng)求，若客戶端連接到1個(gè)follower節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)需要將請(qǐng)求重定向至leader節(jié)點(diǎn)，candidate用于選舉leader節(jié)點(diǎn)。3種狀態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

3 電力交易數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在新一輪電力改革中售電側(cè)放開(kāi)的背景下，需要研究適應(yīng)市場(chǎng)變化的電力交易數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵架構(gòu)[10]。針對(duì)電力交易信息模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)一致性和交易安全等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出分布式可再生能源、交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)。架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層和系統(tǒng)應(yīng)用層組成。架構(gòu)形式如圖6所示。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)等部分，在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上，將內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器主要存儲(chǔ)交易類(lèi)、合同類(lèi)、結(jié)算類(lèi)數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)運(yùn)行的覆蓋電力交易核心業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。外網(wǎng)服務(wù)器上存儲(chǔ)可以公開(kāi)的政策信息、結(jié)算信息和中標(biāo)公示等信息，故外網(wǎng)服務(wù)器需要訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器上的信息。同時(shí)出于系統(tǒng)安全的考慮，在內(nèi)外網(wǎng)之間安裝網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備。除了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)防火墻策略，還可從系統(tǒng)的硬件設(shè)備角度，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全防護(hù)能力。安全隔離設(shè)備作為代理，當(dāng)內(nèi)外網(wǎng)之間發(fā)生數(shù)據(jù)交換時(shí)，從數(shù)據(jù)包中抽取數(shù)據(jù)然后通過(guò)裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)過(guò)程。

利用現(xiàn)有的物理服務(wù)器資源和云服務(wù)商購(gòu)買(mǎi)的公共云服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)路由器等所組成“私有+公有”物理集群，為分布式可再生能源交易系統(tǒng)提供虛擬化的執(zhí)行環(huán)境，同時(shí)可減少部分服務(wù)器維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。

3.2 平臺(tái)服務(wù)層

平臺(tái)服務(wù)層主要由消息服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)一致性服務(wù)等服務(wù)組成。該層各應(yīng)用通過(guò)調(diào)用相關(guān)服務(wù)接口為上層系統(tǒng)服務(wù)提供數(shù)據(jù)，繼而為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)對(duì)調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層相關(guān)接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。針對(duì)電力交易系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)備份容易造成不一致的問(wèn)題，電力交易在日中交易的環(huán)節(jié)每5 min便采集一次數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將長(zhǎng)時(shí)間累積的大量電力用戶的實(shí)時(shí)負(fù)荷、分布式可再生能源發(fā)電商的實(shí)時(shí)出力信息、區(qū)域內(nèi)能源結(jié)構(gòu)、碳排放情況等指標(biāo)和所有公布的實(shí)時(shí)信息，調(diào)用分布式一致性服務(wù)，在部分記錄落后的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中，將大量實(shí)時(shí)信息日志按順序更新以達(dá)到最新?tīng)顟B(tài)，解決部分服務(wù)器節(jié)點(diǎn)更新緩慢的問(wèn)題。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層是分布式可再生能源發(fā)電供應(yīng)商、配網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和新能源電力用戶實(shí)體接入數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)的入口。在電力交易場(chǎng)景下，系統(tǒng)需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由其它外部應(yīng)用提供，故電力交易系統(tǒng)與電力系統(tǒng)中其它應(yīng)用如地理信息系統(tǒng)GIS、監(jiān)控與采集系統(tǒng)SCADA、生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)等營(yíng)配相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)存在著大量的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)應(yīng)用層同時(shí)也是這些應(yīng)用的入口，負(fù)責(zé)與其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并在這一層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。用戶可通過(guò)PC端應(yīng)用和移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。

4 驗(yàn)證

本文依托國(guó)家863課題“集成可再生能源的主動(dòng)配電網(wǎng)研究及示范”，利用貴州紅楓地區(qū)示范工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

以水培線2017年2月某日實(shí)際負(fù)荷與分布式電源數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證電力交易的數(shù)據(jù)服務(wù)。圖7為光伏發(fā)電商24 h預(yù)測(cè)出力，圖8為光伏發(fā)電商中標(biāo)電量展示，圖9為系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋展示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在全面放開(kāi)用戶側(cè)分布式電源市場(chǎng)和進(jìn)一步完善跨省跨區(qū)電力交易機(jī)制政策的推動(dòng)下，本文對(duì)交易信息模型和數(shù)據(jù)一致性的研究可以為其它交易系統(tǒng)提供參考。對(duì)區(qū)域內(nèi)分布式可再生能源的交易流程的研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的區(qū)域分布式新能源電力交易系統(tǒng)，是云計(jì)算技術(shù)與電力交易結(jié)合的有益嘗試。[JP3]伴隨著電力改革的進(jìn)一步深化，仍可以進(jìn)行更深入的研究。

[LL]

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