智能电网监控中的分布式复杂事件处理技术研究

摘要

智能电网将逐步推广分布式能源高渗透率、电动汽车与双向互动技术，涌现的大量主动实体及其智能监控系统将涉及海量测量流式数据、实时数据交换通信与系统高度复杂性，建立实时在线监测分析、高反应性与可扩展的大数据流式计算管理平台尤为关键。本文分析了智能电网分布式实时监控特征，数据密集型监测大数据在线实时分析应用需求，应用以数据为中心基于发布/订阅(P/S)的实时消息中间件，建立高度分布、异构、动态与自组织的主动实体监测数据流在线实时收集与共享的分布式大数据管理应用架构;基于复杂事件处理(CEP)研究智能电网高性能流式计算、模式匹配与主动响应决策应用技术。
　　本研究主要内容包括：⑴提出建立专业化的智能电网监控分布式实时大数据管理系统，以满足能源物联网中物理上高度分布、异构、动态与自组织的自治实体为核心的实时在线监测计算与反应性控制需求。基于最新通用大数据流式计算架构模式分析，提出面向智能电网监控系统专业化的事件驱动的分布式流式数据处理应用技术架构，采用基于复杂事件处理技术(CEP)的多源事件流实时在线查询和模式匹配的处理层与基于P/S的DDS通信服务的消息层的分层独立设计模式，构成分布式CEP的流式计算体系，同时给出其关键实现技术与需求侧双向互动应用的案例分析。⑵在ICT中，智能电网在线监控应用属于分布式实时系统集成，其实时通信技术成为研究焦点;本文提出了基于DDS建立智能电网实时P/S通信服务的架构模型与信息安全部署设计。基于DDS的智能电网实时通信服务需要遵循IEC61850标准体系，针对智能电网IEC61850通信标准的抽象通信服务接口(ACSI)具体映射实现的不一致和复杂性的难点问题，本文应用DDS实时中间件支持通用化的基于P/S模式的IEC61850通信实现方法，提出模型驱动软件开发(MDSD)的基于DDS的IEC61850ACSI的统一映射实现方法，支持QoS通信策略的动态配置;并给出智能变电站GOOSE多播通信案例分析与实验验证。面向IEC61850元模型的DDS映射实现具有简捷实用性，由自描述SCL配置语言易于实现通用化的ACSI通信统一动态配置管理。进一步工作将开发基于DDS的用户配置实用化软件。⑶梳理了分布式CEP事件模型与应用体系;提出适合智能电网监控的语义CEP事件本体模型与语义查询处理流程;以及主动配电网(ADN)分层监控中基于DDS的分布式多CEP Agent服务的应用部署方法。事件模型标准化是支持对事件的采集、通信、存储与分析，提高电力系统运行动态反应性的基础性问题。电力系统动态交互中存在海量数据与事件的信息交换，目前规范了CIM数据交换标准，但表达动态特性的事件交换标准仍没有制定。本文研究建立智能电网语义CEP系统的标准化的事件本体模型;作为案例分析，设计了AMI监测类事件本体知识库系统，实现对监测事件流的主题、时间与空间的语义及其关联的知识表示，提高语义CEP基于知识库的模式匹配与查询能力。⑷研究了智能电网用户需求侧双向互动关键应用技术问题，本文提出了自动需求响应(ADR)系统中基于DDS/CEP的分布式监控服务集成架构，以及与用户双向互动的需求响应性能实时在线监测分析方法;并开发了分布式CEP用户响应性能计算仿真实验进行验证。ADR是体现智能电网与用户双向互动，适应分布式能源高渗透率的最佳应用。本文基于OpenADR通用事件模型和IECPC118智能电网用户接口标准，开展了ADR系统的双向互动技术的应用研究。以用户基线负荷与需求响应性能实时在线监测分析为案例，定义CEP服务节点功能;设计ADR事件驱动的需求侧事件模型及查询算法;提出扩展CEP引擎的实时与历史数据流混合查询算法及其性能实验测试，开发了分布式的ADR CEP用户响应性能在线计算仿真实验。进一步工作将探索在大规模快速ADR中分布式CEP监控服务集成的实际应用潜力。⑸提出数据驱动的智能电表非线性负荷序列分段预测新颖算法。目前基于核方法(KM）的非参数模型是继人工神经网络方法的富有前景的短期负荷预测方法。本文提出模糊C聚类与基于KM的非参数模型的组合预测算法，并采用某地区实际负荷数据的详细实验与误差分析，验证组合模型具有较高的预测精度。模型简单可靠、训练参数少、具有良好的时间性能、自适应性强，可推广应用到智能电网监测时序大数据短期预测分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 课题的研究现状与存在问题

1．3 本文主要工作和结构安排

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 论文的结构安排

第2章 智能电网分布式监控大数据管理架构

2．1 通用大数据架构设计模式

2．1．1 通用Lambda架构分析

2．1．2 通用Liquid架构分析

2．2 智能电网监控大数据应用架构

2．2．1 智能电网分布式监控流程需求分析

2．2．2 事件驱动的分布式监控数据管理架构

2．2．3 应用架构的技术方案与优势分析

2．3 本章小结

第3章 以数据为中心的智能电网实时数据分发服务

3．1 实时数据分发服务规范

3．1．1 以数据为中心的通信中间件设计

3．1．2 以数据为中心的发布／订阅编程模型

3．1．3 实时发布／订阅通信与QoS服务质量

3．1．4 信息安全规范

3．2 智能电网实时数据分发服务架构设计

3．2．1 智能电网信息交换需求分析

3．2．2 以数据为中心的通信中间件技术优势

3．2．3 智能电网发布／订阅通信服务架构设计

3．3 智能电网以数据为中心通信的信息安全管理

3．4 本章小结

第4章 面向IEC 61850的实时发布／订阅通信研究

4．1 智能电网IEC 61850通信研究的发展

4．2 以数据为中心的IEC 61850通信服务实现方法

4．2．1 IEC 61850统一信息模型与通信服务

4．2．2 模型驱动软件工程方法的应用

4．2．3 ACSI信息模型的DDS映射方法

4．2．4 ACSI典型服务的统一DDS应用实现

4．3 基于DDS的GOOSE通信案例分析

4．3．1 GOOSE通信研究现状

4．3．2 智能变电站数据流特性分析

4．3．3 基于DDS的GOOSE通信与QoS策略

4．3．4 GOOSE通信实验与测试分析

4．4 本章小结

第5章 分布式复杂事件处理应用技术

5．1 复杂事件处理核心模型

5．1．1 事件与事件关系

5．1．2 事件查询语言与规则

5．2 分布式复杂事件处理的系统模型

5．3 复杂事件处理系统的技术优势

5．4 智能电网语义复杂事件处理技术

5．4．1 基于本体的事件知识表示

5．4．2 语义复杂事件处理本体知识的作用

5．4．3 智能电网语义复杂事件处理需求分析

5．4．4 基于本体的智能电网语义事件建模

5．4．5 分布式的语义复杂事件处理流程

5．5 以数据为中心的分布式复杂事件处理应用部署

5．5．1 分布式主动配电网实时管理需求

5．5．2 基于发布／订阅的复杂事件处理集成架构

5．5．3 面向全局数据空间的事件流注册管理

5．6 本章小结

第6章 自动需求响应智能用电分析应用

6．1 事件驱动自动需求响应互动应用技术

6．1．1 自动需求响应系统研究的发展

6．1．2 自动需求响应互动业务流程分析

6．1．3 基于DDS的自动需求响应CEP监测集成架构

6．1．4 基于CEP的用户需求响应性能实时监测分析

6．1．5 仿真实验及分析

6．2 智能电表负荷序列数据的短期预测分析

6．2．1 短期负荷预测的非线性时间序列方法

6．2．2 短期负荷分段预测的问题描述

6．2．3 数据驱动的非参数回归模型预测方法

6．2．4 算例分析

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介