基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型.pdf

云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 3(5):4 5-4 8 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 3-0 6 6基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型*杨漾*,刘博,任昊文,代昊琦,梁子键(南方电网数字电网集团有限公司,广东 广州5 1 0 7 0 0)摘要:采用云管边端架构,设计了基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型,结合边缘计算技术与云计算的M a p R e d u c e并行编程模型管理感知的信息;实验表明该信息管理模型可有效感知并稳定传输弹性智能电网相关信息.关键词:弹性智能电网;边缘计算;并行编程模型;一致性哈希中图分类号:TM 7 3 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 3)0 5-0 0 4 5-0 4 在传统电网的基础上,弹性智能电网通过引入大数据和物联网等技术使电网实现智能化、自适应和弹性调节等功能,从而提高电力系统的效率、可靠性和安全性1.信息管理是弹性智能电网的关键技术之一,实现信息管理需要建立一个有效的模型来管理电网的各项信息,从而对电网进行实时的监测和数据分析,进而对电力系统进行优化调度2-3.研究人员对电力系统信息管理进行了大量研究,提出了多种信息管理模型,但普遍存在扩展性较差的问题4-6.边缘计算在接近终端用户的地方灵活配置计算和存储资源对数据进行实时处理和分析,而不必将全部数据传输到中央服务器,从而提高系统的扩展性,在提供更快的响应和更高的计算能力的同时也减轻了云端的负担,降低了网络传输成本7-8;基于此,本文设计了基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型,结合云计算的按需索取与弹性部署等优势,根据电力系统负荷的变化情况动态地配置和管理计算和存储资源,使得系统在处理不同规模和复杂度的任务时更加灵活和高效,提升电力信息传输与存储效果.1 弹性智能电网信息管理模型设计的弹性智能电网信息管理模型采用云管边端架构9,如图1所示;其中端层包括硬件层和感知层两层1 0.感知层用于执行感知弹性智能电网运行信息与环境信息的指令,硬件层用于执行传输感知信息的指令;边缘计算层利用边缘计算服务器将硬件层传输的电网信息按照分区副本的方式管理1 1.传输层将边缘计算层内管理的弹性智能电网信息传输至平台层.平台层通过云服务器为用户提供可扩展的数据库处理能力及信息处理中间件服务.图1 弹性智能电网信息管理模型F i g.1 E l a s t i cs m a r tg r i d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d e l1.1 边缘计算服务器边缘计算服务器依据边缘计算的分区副本管理方式,利用云计算的M a p R e d u c e并行编程模*收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 5基金项目:南方电网数字电网集团有限公司“南网云平台(三期)建设”资助项目(J Y-K F-0 3-Y P-2 1-0 0 5-TQ).作者简介:杨漾(1 9 8 4-),女,湖南长沙人,博士,高级工程师,主要从事计算机体系结构方面研究.通信作者:杨漾.E-m a i l:y y 8 7 4 4 4 41 6 3.c o m.型,管理感知层感知到的电网信息.M a p R e d u c e并行编程模型如图2所示,主要包含客户端、名称节点和信息节点三部分;客户端提交信息请求;名称节点按照客户端提交的请求,分配信息管理资源和调度任务,将资源分配与任务调度结果分发至各个信息节点;信息节点分块管理电网信息,从而降低电网信息访问的拥塞1 2-1 3.图2 云计算的M a p R e d u c e并行编程模型F i g.2 T h eM a p R e d u c ep a r a l l e lp r o g r a mm i n gm o d e lo f c l o u dc o m p u t i n g1.2 云数据库平台层中云数据库利用一致性哈希算法,设计边缘计算层管理的电网信息的缓存集群方案,实现弹性智能电网相关信息的均匀分布式存储,确保边缘计算的负载均衡1 4-1 5.将弹性智能电网网关内的全部缓存服务器构建成一个圆环,在该圆环上展开一致性哈希算法,具体步骤如下:步骤1:求解弹性智能电网网关中各个缓存服务器I P地址的哈希值,并映射至相应的圆环中.步骤2:对要存储的弹性智能电网相关信息块I D展开哈希计算,按照计算结果获取其在圆环中的位置.步骤3:在弹性智能电网相关信息块的位置,按照顺时针方向搜索缓存服务器,在搜索到的首个缓存服务器内存储该块内的弹性智能电网相关信息.需要注意的是,当弹性智能网络网关内缓存服务器较少时,利用一致性哈希算法存储弹性智能电网相关信息会出现信息分布不均匀问题,因此需在该算法中添加虚拟节点机制以提升缓存服务器数量.2 实验分析以某区域弹性智能电网为实验对象,该电网的电压等级为1 0k V,联络线功率最大值1MW,共包含1 2个节点和2 4条线路,电网内接入两个光伏发电机和两个风力发电机共四个电源,分别在节点2与7处接入光伏发电机,在节点4与1 2处接入风力发电机,风机容量分别为1.0MW与2.0MW,光伏容量均为9 0 0kW p,电网拓扑结构如图3所示.图3 弹性智能电网拓扑结构图F i g.3 T o p o l o g yd i a g r a mo f e l a s t i cs m a r tg r i d以弹性智能电网内节点1、2、4的负荷信息感知结果为例,分析本文模型的感知效果,结果如图4所示;节点1的负荷波动幅度较小,节点2与节点4的负荷波动幅度较大,但节点2与节点4的64云南师范大学学报(自然科学版)第4 3卷 负荷呈互补趋势.图4 弹性智能电网负荷信息感知结果F i g.4 L o a di n f o r m a t i o np e r c e p t i o nr e s u l t so fe l a s t i cs m a r tg r i d在信息管理系统中,为了确保系统的可持续性和经济性,有必要设定能量开销的上限.设定能量开销的上限为3 4 0J,计算在不同边缘计算节点数量和任务数据大小时本文模型的能量开销,实验设置任务数据最大为1 6G B,结果如图5所示.根据图5可知,当边缘计算节点一定时,需要管理的任务数据越大,虽然本文模型的能量开销均呈线性增长,但最高能量开销均低于3 0 0J,未超过能量开销上限.设置无攻击数据、D o S攻击数据及R 2 L攻击数据三种弹性智能电网的数据类型,每种类型包含3个数据集,分析本文模型在有无网络攻击时的信息传输性能,结果如表1所示.根据表1可知,在无网络攻击情况下,本文模型传输不同数量信息数据包时,丢包数量均为0,信息传输的完整性良好;在D O S和R 2 L攻击下,仅在信息数据包数量较大时,存在丢包情况,但丢包数量非常少,并未超过最大丢包数量.结果表明:本文模型在无网络攻击时,可完整传输弹性智能电网信息数据包;存在网络攻击时,本文模型的丢包数量较少;有效保证了弹性智能电网信息数据包自动化传输的完整性.图5 弹性智能电网信息管理的能量开销F i g.5 T h e e n e r g yc o s t o f e l a s t i c s m a r t g r i d i n f o r m a-t i o nm a n a g e m e n t表1 弹性智能电网信息传输性能T a b l e1 I n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f e l a s t i cs m a r tg r i d攻击类型发送数据包/个接收数据包/个丢包数量/个允许的最大丢包数量/个无攻击1 1 7 8 21 1 7 8 2011 2 3 5 1 91 2 3 5 1 9021 0 8 8 7 3 51 0 8 8 7 3 503D o S攻击1 9 2 3 11 9 2 3 1051 0 3 2 7 11 0 3 2 7 111 01 1 0 0 4 7 31 1 0 0 4 6 941 5R 2 L攻击1 0 5 9 61 0 5 9 6051 1 2 4 8 71 1 2 4 8 621 01 0 0 0 3 1 91 0 0 0 3 1 631 574 第5期 杨漾,等:基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型3 结论为提升弹性智能电网信息管理效果,设计了基于边缘计算的弹性智能电网信息管理模型.实验结果表明,模型具备弹性智能电网信息感知功能,能够有效管理与传输电网信息,且信息管理的能耗较低,研究对未来弹性智能电网建设和管理具有参考意义.参考文献:1 吕超,朱雪阳,丁忠林,等.基于5 G与C NN的智能电网稳定性预测J.计算机系统应用,2 0 2 1,3 0(7):1 5 8-1 6 4.2 蔡宇,许洪强,刘金波,等.面向调控云的可视化电网设计及应用J.电力系统自动化,2 0 2 2,4 6(7):1 2 2-1 3 0.3 李锦华,纪小周.大数据背景下风光储混合电网信息管理系统的设计与研发J.现代工业经济和现代化,2 0 2 1,1 1(9):8 0-8 1.4 李德才,钟秋添,卢晓明,等.基于B/S架构的电力调度统一数据管理平台的设计J.流体测量与控制,2 0 2 1,2(5):1 5-1 9.5 张帅,张正鹏,刘树辉,等.一种电网信息模型的三维重构与优化方法J.测绘科学,2 0 2 2,4 7(3):1 9 2-2 0 1.6 韩炳,王继业,曲腾腾,等.基于地球剖分网格的电网资源统一时空数据模型的建立与应用J.电网技术,2 0 2 2,4 6(1 0):3 9 0 2-3 9 1 2.7 徐晓斌,王琪,范存群,等.面向空天地一体化信息网络的边缘计算资源融合管理方法J.计算机学报,2 0 2 3,4 6(4):6 9 0-7 1 0.8 韦蕊.基于边缘计算的非结构化大数据动态安全存储算法J.吉林大学学报(信息科学版),2 0 2 3,4 1(3):5 5 9-5 6 5.9 邢方圆,贺诗波,孙铭阳,等.基于“云-管-边-端”物联网架构的碳排放监测J.物联网学报,2 0 2 2,6(4):5 3-6 4.1 0周振宇,王曌,廖海君,等.电力物联网5 G云-边-端协同框架与资源调度方法J.电网技术,2 0 2 2,4 6(5):1 6 4 1-1 6 5 1.1 1高子妍,王勇.面向云服务的分布式信息系统负载均衡策略J.计算机科学,2 0 2 0,4 7(S 1):3 1 8-3 2 4.1 2赵少东.基于G P U加速的高性能M a p R e d u c e集群设计研究J.电网与清洁能源,2 0 2 1,3 7(4):9 0-9 4.1 3杨振宇,牛天洋,吕敏.混合存储模式下M a p R e d u c e作业调度J.计算机系统应用,2 0 2 3,3 2(3):7 0-8 5.1 4郑文丽,熊贝贝,程立勋,等.基于两阶分区的M a-p R e d u c e实验室系统负载均衡研究J.计算机测量与控制,2 0 2 3,3 1(4):2 5 2-2 5 7.1 5潘子浩.基于一致性哈希的负载均衡算法研究J.现代计算机,2 0 2 1,(2 2):8 1-8 6.E d g eC o m p u t i n gB a s e dI n f o r m a t i o nM a n a g e m e n tM o d e l f o rE l a s t i cS m a r tG r i dY A N GY a n g*,L I UB o,R E NH a o w e n,D A IH a o q i,L I A N GZ i j i a n(C h i n aS o u t h e r nP o w e rG r i dD i g i t a lG r i dG r o u pC o.,L t d.,G u a n g z h o u5 1 0 7 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n gt h ec l o u dm a n a g e m e n te d g ee n da r c h i t e c t u r e,t h ee l a s t i cs m a r tg r i di n f o r m a t i o nm a n-a g e m e n tm o d e l b a s e do ne d g e c o m p u t i n gw a sd e s i g n e d,a n d t h ep e r c e i v e d i n f o r m a t i o nw a sm a n a g e db yc o m b i n i n ge d g e c o m p u t i n g t e c h n o l o g yw i t h t h eM a p R e d u c ep a r a l l e l p r o g r a mm i n gm o d e l o f c l o u dc o m-p u t i n g.T h ee x p e r i m e n t s h o w e dt h a t t h e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d e l c o u l de f f e c t i v e l yp e r c e i v ea n ds t a b l yt r a n s m i t i n f o r m a t i o nr e l a t e dt ot h ee l a s t i cs m a r tg r i d.K e y w o r d s:E l a s t i cs m a r tg r i d;E d g ec o m p u t i n g;P a r a l l e l p r o g r a mm i n gm o d e l;C o n s i s t e n th a s h i n g84云南师范大学学报(自然科学版)第4 3卷