CN106921702A - 一种基于面向服务的配电网信息物理*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于面向服务的配电网信息物理***，由设备层、支撑层、应用层和界面层组成，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均通过IEC61968标准接口进行相互通信，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均能够作为服务使用者；本发明提供一种基于面向服务的配电网信息物理***，基于对具体操作层面的组件或元素进行封装，针对服务或组件的接口及关联，对配电网信息物理***进行整合，通过应用服务组件的逐级组装、流程编排形成一个复合的、多功能的应用***。

Description

一种基于面向服务的配电网信息物理***

技术领域

本发明涉及一种配电网信息物理***，具体涉及一种基于面向服务的配电网信息物理***。

背景技术

主动配电网是社会发展的必然趋势，主动配电网应具有灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性等重要特征。要实现上述目标，需要进一步发展和革新配电***现有的理论、模型、方法和算法体系。引入新的计算、通信和传感技术，实现信息***和配电***紧密的融合与协作是实现配电***智能化的关键。

信息物理融合***(Cyber-Physical System，CPS)是集成了计算***、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制***和物理***的新型互联***。CPS具有对大规模互联物理***进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理***具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。CPS是物理过程、经济过程和计算过程的集成***，描述人类与物理世界的交互。CPS可以看作是对物联网的进一步发展，其目标是在感知物理世界的基础上，进一步实现对各种物理实体的最优控制。

现有的主动配电网基础，对配电网物理状态的感知不够全面，无法更好地掌握电网的实时动态特性，并以此展开更精确的电网分析计算与仿真，从而无法实现配电网更高的智能化水平。

实现配电网CPS的关键技术有：

(1)全局优化与局部控制的协同技术。配电网CPS的最终目的是能够实现整个***的全局最优控制。控制目标可以为***总发电成本最小、社会总用电效益最大、网损最小、总碳排放量最小等。未来配电网CPS中需要控制的设备数量会明显超过目前的配电***，实现集中最优控制所需的计算量会非常惊巨大，因此必须把集中控制与分散控制结合起来解决问题。配电网CPS通过各种嵌入式控制***对物理设备进行局部控制，通过在线协调控制和必要的直接控制来协调整个***。怎样设计更灵活且有效的控制***以实现全局优化与局部控制的最优协调是配电网CPS所要解决的首要技术问题。

(2)大规模分布式计算。大规模分布式计算技术如云计算是解决配电网CPS计算问题的有效途径。利用云计算技术可以有效整合***中现有的计算资源，为各种分析计算任务提供强大的计算与存储能力支持。云计算能支持各种异构计算资源，与集中式的超级计算机相比，其可扩展性很强，且可以在现有计算能力不足时方便地升级。与传统的计算模式相比，云计算还具有便于信息集成和分析，便于软件***的开发、维护和使用等优点。此外，基于云计算的分布式计算模式比较适合配电网CPS集中控制与分散控制相结合的模式。

(3)CPS通信协议。CPS是一种新型网络***，因此需要为其构造专门的网络通信协议。针对CPS的通信协议有大量技术问题有待进一步研究。如如何保证网络内所有计算***同步，如何处理各种性质完全不同的物理设备，如何为物理设备的状态数据定义格式，等等。

(4)动态网络和延迟/中断容忍网络。配电网CPS中可能接入大量无线设备，如电动汽车的传感与控制***，以及其他无线传感设备，这就构成了一个典型动态网络。此外，由于配电***对可靠性和在线计算分析的速度要求很高，这就要求通信网络必须具有很强的处理通信延迟和中断的能力。延迟和中断容忍网络是近年来兴起的新的通信网络技术，其一般通过复制和发送多个同样的数据包，并采取边存储边推进的方法克服网络连接质量差所导致的短时间内数据传输路径不完全的问题。

(5)集群智能。在配电***中，不同设备的所有者和使用者也可能不同，设备的所有者和使用者也是配电网CPS的重要成员。由于不同的所有者有不同的利益目标，对某些设备可能无法直接控制。因此，需要深入研究如何适当引导配电***的不同参与者，使得其行为与***的自动控制相配合以实现整个***的最优控制目标，集群智能研究对于实现CPS目标就具有重要意义。

(6)虚实空间的自动映射一致性。对物理***和信息***的综合分析与仿真是CPS的重要功能，需要在计算机虚拟环境中构造物理***的一个镜像。虚实空间的自动映射一致性包括两个内涵：一要保证所采集的***信息与实际情况同步且一致；二要保证***模型和仿真结果的准确性。

配电网CPS是一个崭新的研究对象，在理论和技术方面都有大量问题有待解决。配电网CPS研究中存在的挑战包括以下几个方面：

(1)基础理论和***模型。现有的信息***和配电***是基于完全不同的理论基础建立起来的。信息***一般是信息/事件驱动的，其理论基础是离散数学，***建模工具一般是离散数学工具如有穷自动机。而配电***的理论基础以连续数学为主，建模工具一般是代数方程组和微分方程组。出于实时性要求，配电***模型一般将时间作为一个显式变量来表征物理过程的次序；与之相反，一般信息***对实时性要求不高，因此信息***模型一般不显式地标明时间，而是直接标明事件或计算指令的次序。理论基础和建模方法上的使配电***和信息***两个领域互相割裂。因此，发展信息***和配电***的统一建模理论是配电网CPS研究要解决的关键问题。新的***理论和模型必须能适应配电网CPS连续性与离散性并存的特点，必须既能显式表征物理***的时域信息又能显式表征信息***的执行次序。

(2)***仿真算法。***仿真是分析***行为特征、实现***最优控制的重要工具。针对新的***模型，必须研究与之相适应、有效的仿真算法。考虑到配电网CPS的规模和仿真计算量，分布式仿真算法将是研究的重点。此外，仿真算法还应该与***所采取的计算平台技术的特征相适应。

(3)安全性。配电网CPS是国家的关键性基础设施，如何保障其安全性是需要重点研究的问题。需要特别注意的是，这个问题不仅仅需要关注物理***的安全性，也需要关注信息***的安全性问题。在研究安全性问题时，既要考虑随机***故障，也要考虑人为攻击和破坏。人为攻击又包括物理攻击和虚拟攻击。信息***安全和物理***安全不是孤立的，对信息***的攻击也可能导致物理***的大规模故障。

(4)可靠性。可靠性分析是进行***规划、设计、调度的基础。配电网CPS环境下的可靠性分析也必须同时考虑信息***和物理***，尤其是要重点关注两者之间的相互影响。

(5)***设计、规划与运行调度。在***仿真、安全性与可靠性研究基础上，应针对配电网CPS的特点研究新的设计、规划与调度方法。设计问题主要关注怎样更好地将通信、控制和传感设备嵌入到物理设备中构造新一代***组件；此外，还需要研究相应的操作***、编程语言、中间件等。未来的配电***规划必须和信息***规划统一进行，在规划过程中除了要考虑发电机组和输配电网络外，还要考虑计算设备、通信网络、传感设备的功能和布局等问题。配电网CPS的调度问题与传统调度问题的不同之处主要在于需要考虑分布式电源和各种智能负荷的控制问题。分布式电源、智能家电、电动汽车等设备的引入会给配电***运行带来很大的不确定性，未来***调度应更多地考虑采取随机优化方法以提高***运行效率和降低运行成本。

(6)配电网CPS的标准化。配电网CPS应具有自组织、自适应、易于扩展等特征，配电网CPS在物理设备、通信协议、编程语言、软硬件接口等方面都必须遵循相应的行业标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于面向服务的配电网信息物理***，由设备层、支撑层、应用层和界面层组成，基于对具体操作层面的组件或元素进行封装，针对服务或组件的接口及关联，对配电网信息物理***进行整合，通过应用服务组件的逐级组装、流程编排形成一个复合的、多功能的应用***。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于面向服务的配电网信息物理***，由设备层、支撑层、应用层和界面层组成，其改进之处在于，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均通过IEC61968标准接口进行相互通信，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均能够作为服务使用者；

所述设备层，用于集成配电网数据资源为所述配电网信息物理***提供数据支持平台；

所述支撑层，用于将数值计算功能、优化计算功能、快速处理功能、数据库功能、接口模型功能、配电网分析基础算法功能、服务注册者功能、模型库功能与大数据处理技术功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述应用层，用于将故障处理功能、运行优化功能、电能质量控制功能、分布式电源接入分析与优化功能、资产利用率提升功能和自定义功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述界面层，用于将统一图形界面支撑平台、组件目录功能、绘图填库功能、功能选择功能、鹰眼视图功能和结果展示功能封装成服务，提供给服务使用者。

优选的，所述设备层，用于集成配电网数据资源，为所述配电网信息物理***提供数据支持平台，包括：

第一获取模块，用于获取配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的原始数据，并基于配电网通用信息模型，采用Oracle数据库建立数据集成的数据存储与管理平台；

第二获取模块，用于获取所述配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的参考数据；

填补模块，用于根据所述参考数据填补所述原始数据中缺失的数据，获取完备数据；

修正模块，用于剔除所述完备数据中冗余数据，根据所述参考数据填补所述完备数据中缺失的数据。

优选的，所述支撑层中，所述数值计算功能，用于提供复数运算、矩阵运算、线性代数方程组求解功能、非线性方程与方程组求解功能、插值功能、数值积分功能、常微分方程组的数值功能的服务；所述优化计算功能，用于提供内点法、外点法、混合法、最小二乘法、线性规划功能、非线性优化功能、整数规划功能、二次规划功能、遗传算法、粒子群算法、蚁群算法和神经网络算法的服务；快速处理功能，用于提供动态任务分解、调度与合并功能的服务；所述数据库功能，用于提供记录新增、截取、更新、删除数据功能的服务；所述配电网分析基础算法功能，用于提供优化求解功能、负荷预测功能、拓扑分析功能、继电保护功能、网络分解功能、潮流计算功能、可靠性分析功能、稳定性分析功能、短路分析功能、故障分析功能、风险辨识与评估功能、网络重构功能和无功优化功能的服务；服务注册者功能，用于向服务使用者提供相应服务提供者的服务地址；所述模型库功能，用于提供变压器模型、线路模型、开关模型、负荷模型、调压器模型和无功补偿装置模型的服务；所述功能与大数据处理技术功能，用于提供关联分析功能、分类功能、聚类功能和离群点检测功能的服务。

优选的，所述应用层中，所述故障处理功能，用于提供单相断路处理功能、两相断路处理功能、三相断路处理功能、单相接地短路处理功能、两相短路处理功能、两相接地短路处理功能、三相短路处理功能和三相接地短路处理功能的服务；所述运行优化功能，用于提供无功优化功能、最优潮流优化功能、经济调度优化功能、检修计划优化功能、负荷削减优化功能和供电能力优化功能的服务；电能质量控制功能，用于提供频率偏差控制功能、电压偏差控制功能、电压波动与闪变控制功能和三相不平衡度与谐波控制功能的服务；分布式电源接入分析与优化功能，用于提供分布式电源的选址定容优化功能的服务；资产利用率提升功能，用于提供配电网固定资产优化管理功能的服务；自定义功能，用于提供用户基于所述支撑层和应用层搭建应用模块功能的服务。

优选的，所述界面层中，所述统一图形界面支撑平台，用于提供虚拟现实功能、图像生成功能、人机交互功能、显示功能、实时绘图功能、性能评估可视化功能和配电网信息物理融合演示功能的服务；所述组件目录功能，用于提供为支撑层与应用层模块提供服务列表功能的服务；所述绘图填库功能，用于提供数据库自动更新功能的服务；所述功能选择功能，用于提供根据所述服务列表进行功能选择功能的服务；所述鹰眼视图功能，用于提供图形展示功能的服务；所述结果展示功能，用于提供以表格、饼图、柱状图、曲线图和散点图方式显示计算结果功能的服务。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***，可以构建、部署和整合多种配电网CPS服务，无需依赖应用程序及其运行计算平台，提高了业务流程的灵活性；

(2)本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***，有助于实现更多的信息资产重用、更轻松的管理和更快的开发与部署；

(3)本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***，具有粗粒度、松耦合的特点，能够屏蔽复杂的业务逻辑，从而降低业务流程复杂度；

(4)本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***，服务重用性高，开发成本低。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明实施例，首先在此介绍本发明实施例描述中会引入的几个术语：

服务请求者：服务请求者是一个应用程序、一个软件模块或需要一个服务的另一个服务。它发起对注册中心中的服务的查询，通过传输绑定服务，并且执行服务功能。服务请求者根据接口契约来执行服务。

服务提供者：服务提供者是一个可通过网络寻址的实体，它接受和执行来自请求者的请求。它将自己的服务和接口契约发布到服务注册中心，以便服务请求者可以发现和访问该服务。

服务注册者：服务发现的支持者，它包含一个可用服务的存储库，并允许感兴趣的服务请求者查找服务提供者接口。

服务：可以通过已发布接口使用服务，并且允许服务使用者调用服务。

本发明提供了一种基于面向服务的配电网信息物理***，如图1所示，由设备层、支撑层、应用层和界面层组成，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均通过IEC61968标准接口进行相互通信；

例如：接口体系结构参考IEC 61968-1，网络操作接口参考IEC 61968-3，记录与资产管理接口参考IEC 61968-4，仪器读数与控制接口参考IEC 61968-9，配电用同样信息模型参考IEC 61968-11，分配用通信接口参考IEC 61968-13。

所述设备层、支撑层、应用层和界面层均能够作为服务使用者；

所述设备层，用于集成配电网数据资源为所述配电网信息物理***提供数据支持平台；

所述支撑层，用于将数值计算功能、优化计算功能、快速处理功能、数据库功能、接口模型功能、配电网分析基础算法功能、服务注册者功能、模型库功能与大数据处理技术功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述应用层，用于将故障处理功能、运行优化功能、电能质量控制功能、分布式电源接入分析与优化功能、资产利用率提升功能和自定义功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述界面层，用于将统一图形界面支撑平台、组件目录功能、绘图填库功能、功能选择功能、鹰眼视图功能和结果展示功能封装成服务，提供给服务使用者。

其中，本发明提供的一种基于面向服务的配电网信息物理***中的服务提供者与服务使用者对服务名称的使用遵循配电网信息物理***服务名称标准，服务提供者与服务使用者均事先知道服务注册者的网络地址。服务提供者加入***时提供服务名称与服务地址向服务注册者注册服务，服务注册者保存服务名称与服务地址；服务提供者离开***时向服务注册者撤销自己的服务。服务使用者基于需求获得所需服务名称，向服务注册者请求查询服务，服务注册者基于服务名称获得服务地址后返回服务使用者。服务使用者基于服务地址向服务提供者请求服务，服务提供者完成任务后将结果返回服务使用者。配电网信息物理***所有内部组件以及与外部组件连接的中介组件可以同时是服务使用者与服务提供者。

具体的，所述设备层，用于集成配电网数据资源为所述配电网信息物理***提供数据支持平台包括：

第一获取模块，用于获取配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的原始数据，并基于配电网通用信息模型，采用Oracle数据库建立数据集成的数据存储与管理平台；

第二获取模块，用于获取所述配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的参考数据；

填补模块，用于根据所述参考数据填补所述原始数据中缺失的数据，获取完备数据；

修正模块，用于剔除所述完备数据中冗余数据，根据所述参考数据填补所述完备数据中缺失的数据。

所述支撑层中，所述数值计算功能，用于提供复数运算、矩阵运算、线性代数方程组求解功能、非线性方程与方程组求解功能、插值功能、数值积分功能、常微分方程组的数值功能的服务；所述优化计算功能，用于提供内点法、外点法、混合法、最小二乘法、线性规划功能、非线性优化功能、整数规划功能、二次规划功能、遗传算法、粒子群算法、蚁群算法和神经网络算法的服务；快速处理功能，用于提供动态任务分解、调度与合并功能的服务；所述数据库功能，用于提供记录新增、截取、更新、删除数据功能的服务；所述配电网分析基础算法功能，用于提供优化求解功能、负荷预测功能、拓扑分析功能、继电保护功能、网络分解功能、潮流计算功能、可靠性分析功能、稳定性分析功能、短路分析功能、故障分析功能、风险辨识与评估功能、网络重构功能和无功优化功能的服务；服务注册者功能，用于向服务使用者提供相应服务提供者的服务地址；所述模型库功能，用于提供变压器模型、线路模型、开关模型、负荷模型、调压器模型和无功补偿装置模型的服务；所述功能与大数据处理技术功能，用于提供关联分析功能、分类功能、聚类功能和离群点检测功能的服务。

所述应用层中，所述故障处理功能，用于提供单相断路处理功能、两相断路处理功能、三相断路处理功能、单相接地短路处理功能、两相短路处理功能、两相接地短路处理功能、三相短路处理功能和三相接地短路处理功能的服务；所述运行优化功能，用于提供无功优化功能、最优潮流优化功能、经济调度优化功能、检修计划优化功能、负荷削减优化功能和供电能力优化功能的服务；电能质量控制功能，用于提供频率偏差控制功能、电压偏差控制功能、电压波动与闪变控制功能和三相不平衡度与谐波控制功能的服务；分布式电源接入分析与优化功能，用于提供分布式电源的选址定容优化功能的服务；资产利用率提升功能，用于提供配电网固定资产优化管理功能的服务；自定义功能，用于提供用户基于所述支撑层和应用层搭建应用模块功能的服务。

所述界面层中，所述统一图形界面支撑平台，用于提供虚拟现实功能、图像生成功能、人机交互功能、显示功能、实时绘图功能、性能评估可视化功能和配电网信息物理融合演示功能的服务；所述组件目录功能，用于提供为支撑层与应用层模块提供服务列表功能的服务；所述绘图填库功能，用于提供数据库自动更新功能的服务；所述功能选择功能，用于提供根据所述服务列表进行功能选择功能的服务；所述鹰眼视图功能，用于提供图形展示功能的服务；所述结果展示功能，用于提供以表格、饼图、柱状图、曲线图和散点图方式显示计算结果功能的服务。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于面向服务的配电网信息物理***，由设备层、支撑层、应用层和界面层组成，其特征在于，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均通过IEC61968标准接口进行相互通信，所述设备层、支撑层、应用层和界面层均能够作为服务使用者；

所述设备层，用于集成配电网数据资源为所述配电网信息物理***提供数据支持平台；

所述支撑层，用于将数值计算功能、优化计算功能、快速处理功能、数据库功能、接口模型功能、配电网分析基础算法功能、服务注册者功能、模型库功能与大数据处理技术功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述应用层，用于将故障处理功能、运行优化功能、电能质量控制功能、分布式电源接入分析与优化功能、资产利用率提升功能和自定义功能封装成服务，提供给服务使用者；

所述界面层，用于将统一图形界面支撑平台、组件目录功能、绘图填库功能、功能选择功能、鹰眼视图功能和结果展示功能封装成服务，提供给服务使用者。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述设备层，用于集成配电网数据资源，为所述配电网信息物理***提供数据支持平台，包括：

第一获取模块，用于获取配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的原始数据，并基于配电网通用信息模型，采用Oracle数据库建立数据集成的数据存储与管理平台；

第二获取模块，用于获取所述配电网物理***、配电网信息***、外部***、电能输送设备、电能转化设备、控制设备和量测设备的参考数据；

填补模块，用于根据所述参考数据填补所述原始数据中缺失的数据，获取完备数据；

修正模块，用于剔除所述完备数据中冗余数据，根据所述参考数据填补所述完备数据中缺失的数据。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述支撑层中，所述数值计算功能，用于提供复数运算、矩阵运算、线性代数方程组求解功能、非线性方程与方程组求解功能、插值功能、数值积分功能、常微分方程组的数值功能的服务；所述优化计算功能，用于提供内点法、外点法、混合法、最小二乘法、线性规划功能、非线性优化功能、整数规划功能、二次规划功能、遗传算法、粒子群算法、蚁群算法和神经网络算法的服务；快速处理功能，用于提供动态任务分解、调度与合并功能的服务；所述数据库功能，用于提供记录新增、截取、更新、删除数据功能的服务；所述配电网分析基础算法功能，用于提供优化求解功能、负荷预测功能、拓扑分析功能、继电保护功能、网络分解功能、潮流计算功能、可靠性分析功能、稳定性分析功能、短路分析功能、故障分析功能、风险辨识与评估功能、网络重构功能和无功优化功能的服务；服务注册者功能，用于向服务使用者提供相应服务提供者的服务地址；所述模型库功能，用于提供变压器模型、线路模型、开关模型、负荷模型、调压器模型和无功补偿装置模型的服务；所述功能与大数据处理技术功能，用于提供关联分析功能、分类功能、聚类功能和离群点检测功能的服务。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述应用层中，所述故障处理功能，用于提供单相断路处理功能、两相断路处理功能、三相断路处理功能、单相接地短路处理功能、两相短路处理功能、两相接地短路处理功能、三相短路处理功能和三相接地短路处理功能的服务；所述运行优化功能，用于提供无功优化功能、最优潮流优化功能、经济调度优化功能、检修计划优化功能、负荷削减优化功能和供电能力优化功能的服务；电能质量控制功能，用于提供频率偏差控制功能、电压偏差控制功能、电压波动与闪变控制功能和三相不平衡度与谐波控制功能的服务；分布式电源接入分析与优化功能，用于提供分布式电源的选址定容优化功能的服务；资产利用率提升功能，用于提供配电网固定资产优化管理功能的服务；自定义功能，用于提供用户基于所述支撑层和应用层搭建应用模块功能的服务。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述界面层中，所述统一图形界面支撑平台，用于提供虚拟现实功能、图像生成功能、人机交互功能、显示功能、实时绘图功能、性能评估可视化功能和配电网信息物理融合演示功能的服务；所述组件目录功能，用于提供为支撑层与应用层模块提供服务列表功能的服务；所述绘图填库功能，用于提供数据库自动更新功能的服务；所述功能选择功能，用于提供根据所述服务列表进行功能选择功能的服务；所述鹰眼视图功能，用于提供图形展示功能的服务；所述结果展示功能，用于提供以表格、饼图、柱状图、曲线图和散点图方式显示计算结果功能的服务。