电力需求响应平台的开发与应用

杨云瑞，李 畅，程细南，黄宇魁（.广东卓维网络有限公司，58000.广东汇源通集团有限公司，58000）



电力需求响应平台的开发与应用

杨云瑞1，李 畅1，程细南2，黄宇魁1
（1.广东卓维网络有限公司，5280002.广东汇源通集团有限公司，528000）

摘要：为加强我国电力需求侧管理工作，保障电力供需总体平衡，促进发展方式转变，推动“十二五”节能减排目标实现，国家发改委与财政部于2012年底公布了首批4个城市电力需求侧管理综合试点城市，其中包括佛山、苏州、北京与唐山。为此，佛山市人民政府印发了电力需求侧管理城市综合试点实施方案，明确了在推动此项工作中所负责的主要内容，其中重点包括电力需求侧管理平台的开发和运行。现阶段国内电力需求响应还在起步阶段，实施较少，且未出台相关的技术标准，本系统围绕此任务，搭建了电力需求响应平台，并已经在佛山市得到应用。

关键词：电力需求；B/S架构；信息管理

1 系统架构

本系统使用JAVA+Mysql开发，采用主流的B/S架构，即用户端浏览器、WEB服务器、数据库服务器组成的三层结构，为了提高系统的可扩展性和可用性，本系统采用apache+tomcat形式构建应用服务器集群架构，如图1所示。

图1 集群配置逻辑图

采用B/S架构有以下优点：

1）解决C/S传统模式的跨平台难度；

2）客户操作简便。B/S模式客户端只需要一个浏览器，无需像C/S模式那样在系统上安装应用；

3）系统的维护、升级更方便；

4）业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。

图2 电力需求响应流程

图3 需求响应看板

图4 产品管理功能界面

采用单个服务器，在处理不断增长的负载时会出现很多问题，如1）升级过程繁琐，机器切换回事服务暂时中断，并造成原有计算资源的浪费；2）越高端的服务器，花费的代价会越大；3）一旦服务器或应用软件失效，将会导致整个服务的中断。为此我们通过引入高性能网络或者局域网互联的服务器集群架构来实现服务的高伸缩性和高可用性。这种松耦合结构与紧耦合的多处理器相比具有更好的伸缩性和更高的性价比。但是，如何在集群系统中实现并行网络服务，保证他对外是透明的同时保证良好的伸缩性和可用性是一个挑战性问题，为此我们引入基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，在Linux内核中实现这些方法，将一组服务器构成一个可可伸缩的、高可用的服务器集群，并称之为Linux虚拟服务器（LVS， Linux Virtual Server）。在LVS集群中，服务器集群的结构对客户是透明的，客户访问集群提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响，需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务集群中透明地加入和删除一个节点来达到，通过检测节点或服务进程故障和正确地系统重置来实现高可用性。

2 系统功能

为使电力需求响应顺利实施，本系统有明确的职责分工，不同的机构或者角色有不同的权限和任务，需求响应流程如图2所示。

图5 行业管理功能界面

图6 区域管理功能界面

图7 客户基本信息管理功能界面

2.1 需求响应看板

打开需求响应系统首先展示在用户面前的是需求响应看板，在此页面主要展示的有1）需求响应事件日程表，可根据日历或时间周期查看历史需求响应事件和实时需求响应事件；2）需求响应资源信息，可查看城市各个区域需求响应资源信息，包括不同区域的客户数量和削减潜力；3）实时负荷曲线，展示城市实时负荷曲线和基线，同时可选择不同的客户查看客户的实时负荷曲线。

2.2 基础信息管理

基础信息管理模块主要包括三个功能：产品管理、行业管理和区域管理。

1）产品管理主要功能是对需求响应产品类型的增加、修改和删除功能，每次需求响应事件都有一个产品属性，属于特定的一个产品类型，如图4所示。

2）行业管理功能主要是对参与需求响应的用电客户行业的划分、编码和行业基线方法的分配。不同的行业有不同的用电差异特性，在绘制其预测负荷曲线（也称为基线）时需要不同的处理方法来保证预测的准确性，所以可以根据行业用电特性选择不同的基线算法。如图5所示。

3）区域管理功能主要是对实施需求响应的各城市各区域进行统计、设置和管理。功能界面如图6所示。

2.3 客户信息管理

该功能可以查询和修改所有签约客户的基本信息、响应信息和接入资源管理。客户基本信息管理主要是企业的联系方式和相关资质证明等信息；响应信息管理就是企业参与电力需求响应相关的数据信息；接入档案管理主要是企业接入的表计、生产设备等计量装置及用电设备的查询和配置，如图7所示。

2.4 需求响应事件管理

需求响应事件管理包括需求响应事件创建和发布、历史事件查询功能。事件的发布功能只开放给供电局/售电公司在系统中创建新的需求响应事件，事件的创建包括事件的类型设置和属性设置，如图8所示。

历史事件查询和管理以及实时监测功能开放给所有需求响应参与方，该功能可查看历史事件以及正在进行的事件详情，包括事件的属性和事件执行时间段内的实际负荷曲线。供电局/售电公司可查看所有参与需求响应的客户情况和削减详情；电能服务商可以查看其所有签约客户的参与详情；每个独立客户只可查看自己的事件参与详情。

2.5 核算管理

该功能提供需求响应事件的核算管理，包括收入核算和指支出核算，详细记录每次需求响应事件的交易明细。每次需求响应结束后，对事件的实际负荷削减量和应补偿金额进行核算，功能界面如图9所示。

图9 核算管理功能界面

图11 Ehcache 在应用程序中的位置展示

3 技术实现

3.1 系统技术架构

本系统基于J2EE技术框架进行构建，同时集成Quartz定时任务框架和Ehcache缓存框架。整体框架如图10所示。

1）数据访问层：Hibernate是一个开放源代码的对象关系映射框架，它对JDBC进行了非常轻量级的对象封装，使得Java程序员可以随心所欲的使用对象编程思维来操纵数据库，适用于一般增删改查，对性能有要求的操作则使用JDBC处理；

2）控制层：直接使用Spring自带的MVC框架；

3）展示层：使用JSP把前端和后台分离，并引入Bootstrap框架。

本系统使用Quartz定时任务框架有以下优点：1））支持Cron表达式定义时间点，同时也支持SimpleTrigger对应时间点，可以做到精确定义时间点；2）支持集群，可以在多个服务器群（连同一个数据库）中自动分配到不同的服务器上执行；3）支持多种错误处理形式（如错误后下次不执行、马上重新执行、下次继续执行等）；4）支持多种漏触发处理（如关机漏触发情况）。

在系统应用中，对同一数据、逻辑功能和用户界面的多次请求是时经常发生的事情，当用户基数很大时，如果每次请求都进行处理，将消耗很多的资源，造成资源的浪费，同时也会造成系统的不稳定。此时，缓存技术就得到了利用，使用缓存技术能有效降低对数据库的访问次数，降低数据库的访问压力，提高系统的服务能力。本系统集成Ehcache缓存架构来缓解数据访问压力，保证系统稳定。Ehcache是一种广泛使用的开源Java分布式缓存，主要面向通用缓存。它具有内存和磁盘存储、缓存加载器、缓存扩展、缓存异常处理程序等，并支持REST和SOAP api。如图11所示是 Ehcache 在应用程序中的位置展示。

3.2 系统优化

系统的执行效率搭建系统时必须要考虑的因素，利用有限的资源为更多客户提供更好的服务是首要目标。需求响应系统涉及到一些复杂的计算过程，在计算过程中要保证客户响应速度，提高服务的质量。当多个用户同时访问应用，就可能会造成操作阻塞，导致某些用户等待时间很长甚至无法访问应用；如遇系统某一资源故障，可能会导致数据异常或其他不可控的问题。因此，系统应该完善容错机制，确保系统稳定运行。本系统优化如下所述。

3.2.1 结合Apache和Tomcat实现集群和负载均衡

为增强扩展性和可用性，优化系统处理能力，本系统结合Apache+Tomcat构建应用服务器集群架构，该架构有以下优点：

1）高可靠性（HA）：利用集群管理软件，当主服务器故障时，备份服务器能够自动接管主服务器的工作，并及时切换，以实现对用户的不间断服务；

2）高性能计算（HP）：即充分利用集群中每一台计算机的资源，实现复杂运算的并行处理，把负载压力根据某种算法合理分配到集群中的每一台计算机上，以减轻主服务器的压力，降低对主服务器的硬件和软件要求。

图8 创建需求响应事件

3）有效地扩展服务器吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性、可用性和延展性；

4）错误回复；由于特殊原因，执行某任务的资源出现故障，其他服务实体能继续完成该服务器未能完成的部分，加强系统的容错能力。

3.2.2 结合Mysql集群实现数据库负载均衡

数据库作为系统的核心，有着非常重要的作用，若发生系统故障，将严重影响系统的正常运行，甚至带来巨大的经济损失。本系统结合Mysql同步集群架构，可减轻服务器压力，提高系统运算能力，保证服务不间断，并做到以下几点：

1）快速的自动失效切换；

2）灵活的分布式体系结构，没有单点故障；

3）高吞吐量和低延迟；

4）可扩展性强，支持在线扩容；

5）可以实现高可用性和负载均衡，实现对大型应用的支持。

3.3 系统安全

互联网时代，信息的安全至关重要。本系统从以下几方面加强系统安全：

1）通过参数化的方式防止SQL注入；

2）前端js代码校验，加强对用户输入的验证；

3）采用监听器，清理登录过期的用户；

4）通过JAVA异常处理机制防止系统崩溃；

5）用户密码进行加密处理，防止用户资料泄漏。

4 应用

本系统应用于佛山市电力需求响应项目中。系统中有系统管理员、电能服务商、电能服务商下属企业、自主申报企业和手电公司五个角色。不同的角色在需求响应平台中有不同的权限和任务，相互协调，相互配合，共同完成从需求响应事件发布到需求响应核算的完整过程。

5 结束语

电力需求响应平台的搭建，为佛山市试点的顺利实施奠定了基础，适应了目前国家政策和现有市场的发展趋势，形成了具有特色的需求响应模式、体制和技术路线，为其他地区实施需求响应起到了示范、参考作用。在系统开发过程中，既考虑了数据的安全性、准确性和实时性，又考虑了算法的合理性和准确性，使参与各方得到公平的核算结果，对需求响应系统的关键技术进行了探索和实践，为实施需求响应奠定了必要的技术基础。

Development and application of electric power demand response platform

Yang Yunrui1，Li Chang1，Cheng Xi'nan2，Huang Yukui1
（1.Guangdong Zhuo Wei Network Co. Ltd.528000；2.Guangdong Huiyuan Holdings Limited，528000）

Abstract：In order to strengthen China's power demand side management，to protect the overall balance of power supply and demand， promoting the transformation of economic development mode，promote the realization of the "Twelfth Five Year" energy saving and emission reduction targets，the national development and Reform Commission and the Ministry of finance by the end of 2012 announced the first four cities in power demand side management integrated pilot cities，including Foshan，Suzhou，Beijing and Tangshan.Therefore，Foshan Municipal People's government issued the implementation program of the electric power demand side management of integrated and pilot city，clear in promoting the main content of this work is responsible for，which mainly includes the development and operation of power demand side management platform.Now domestic power demand response is still in the initial stage， a relatively small and not the introduction of relevant technical standards，the system on this task， and establish power demand response platform.It has been applied in the city of Foshan.

Keywords：power demand；B/S architecture；information management