本文是一篇信息系統(tǒng)與信息資源論文，本文以配網(wǎng)協(xié)同計算框架為架構(gòu)基礎(chǔ)，以通信中心選址優(yōu)化為規(guī)劃基礎(chǔ)，以計算任務(wù)卸載優(yōu)化為實時對象，從不同的時間尺度對CPDS的資源優(yōu)化方案進(jìn)行了研究。
第一章 緒論
1.1 課題研究背景和意義
美加814大停電[1]和美國El Paso電力公司[2]的停電事故中，狀態(tài)估計功能的失效和通信不正常延時導(dǎo)致保護(hù)誤動，揭示了信息通信系統(tǒng)的電網(wǎng)實時狀態(tài)感知能力對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要性。而分布式能源的廣泛接入使得電網(wǎng)的源—荷兩端隨機(jī)性增強，導(dǎo)致其在結(jié)構(gòu)、潮流等方向發(fā)生了顯著變化，進(jìn)而加劇了保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的難度[3]。近年來，依托于智能感知與分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)的智能化水平得到了顯著提升，不僅優(yōu)化了電力資源的配置，還增強了電網(wǎng)對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。然而，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜性的增加，對配電網(wǎng)的智能化管理提出了更高的要求[4]。
2015年11月，國家發(fā)展改革委員會、國家能源局公布了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，其中強調(diào)了將“升級改造配電網(wǎng)和推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)”作為重點任務(wù)。2023年4月，國家能源局印發(fā)《2023年能源工作指導(dǎo)意見》中提到，要加快能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化智能化升級，并明確把建設(shè)智能配電網(wǎng)作為推動能源消費轉(zhuǎn)型的具體措施之一[5]。為了深化配電自動化一次系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合，業(yè)內(nèi)提出了主動配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的新概念，旨在優(yōu)化配電網(wǎng)的管理和運行[6]。通過在配網(wǎng)智能終端及智能用電設(shè)備大量并網(wǎng)趨勢下形成配電信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Distribution System, CPDS），通過有源配電網(wǎng)與現(xiàn)代信息通信技術(shù)的深度融合，實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，為電力系統(tǒng)運行提供更精準(zhǔn)的決策支持[7]。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（CPDS）已成為國內(nèi)外研究的熱點。CPDS通過集成先進(jìn)的通信、計算和控制技術(shù)，實現(xiàn)了對電網(wǎng)的實時監(jiān)測、分析和優(yōu)化[14]。同時，邊緣計算作為解決數(shù)據(jù)傳輸延遲和中心化處理壓力的關(guān)鍵技術(shù)，在CPDS中的應(yīng)用也逐漸受到重視。在網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化調(diào)度方面，節(jié)點部署、任務(wù)分配等研究也在不斷深入。
1.2.1 配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)(CPDS)在提升電網(wǎng)效率和響應(yīng)能力方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在2006年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）首次引入了信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems, CPS）這一概念，并視為下一代工程系統(tǒng)，旨在通過計算機(jī)-控制系統(tǒng)與物理世界的對象、過程和環(huán)境的實時、動態(tài)連接來推動科技進(jìn)步[15]。目前相關(guān)學(xué)者就CPS融合建模開展了豐富的研究，文獻(xiàn)[16]從信息物理融合的角度出發(fā)，通過將物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的抽象成“數(shù)據(jù)節(jié)點”與“信息支路”，采用矩陣運算的方式對信息物理系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行流計算，并提出一種針對能量系統(tǒng)的信息能量融合建模方法與綜合評估體系。文獻(xiàn)[17]為了定量分析通信故障或網(wǎng)絡(luò)攻擊情況下造成的異常信息流對能量流的影響，在能量流的計算中融合加入了信息流的計算過程，提出了能量-信息流融合的計算方法，對信息物理一體化模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[18,19]分析了信息流的建模思路和靜態(tài)建模方法，提出了基于實際組網(wǎng)方式和運行方式下的信息流模型；文獻(xiàn)[20]將通信和信息的影響作為輸入量，基于集群理論提出了分層CPS。文獻(xiàn)[21]采用有限狀態(tài)機(jī)和混合邏輯動態(tài)模型提出了搭建混合系統(tǒng)的CPS建模方法。
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第二章 CPDS云霧邊協(xié)同計算服務(wù)框架
2.1 配電信息物理系統(tǒng)與霧計算技術(shù)
2.1.1 配電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是指使用先進(jìn)的ICT和嵌入式系統(tǒng)（包括數(shù)字化傳感器、儀表和控制器）將系統(tǒng)中的各種對象和元素相互連接的信息網(wǎng)絡(luò)。較傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)而言，物聯(lián)網(wǎng)具備了智能感知、可靠傳遞、自動控制、資源整合等鮮明特征，使其廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、決策制定等管理工作，建設(shè)監(jiān)管控一體化平臺。
隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合愈發(fā)緊密。配電物聯(lián)網(wǎng)（Power Distribution Internet of Things, PDIoT）成為建立智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)手段，也是建設(shè)智能電網(wǎng)2.0的重要工作。配電物聯(lián)網(wǎng)通過集成現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)的在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地理圖形進(jìn)行有效融合，從而實現(xiàn)了配電系統(tǒng)在正常運行及事故情況下的智能化監(jiān)測、保護(hù)、控制、用電和配電管理[65]。
近年來，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)以及各地方電網(wǎng)針對智能配電與物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要出臺了一系列的發(fā)展規(guī)劃與政策。國家電網(wǎng)在2019年3月發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》中，明確了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)組成，具體分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層與應(yīng)用層四大層級，如圖2-1所示[66]。其中，感知層負(fù)責(zé)信息的采集與預(yù)處理；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性；平臺層作為數(shù)據(jù)處理與分析的中心，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能決策和數(shù)據(jù)管理提供支撐；應(yīng)用層作為用戶與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的交互窗口提供多樣服務(wù)。 

信息系統(tǒng)與信息資源論文怎么寫

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2.2 基于云霧邊協(xié)同的計算層次架構(gòu)
2.2.1 智能配電網(wǎng)基本計算框架
近年來，物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、高性能計算技術(shù)的快速發(fā)展為促進(jìn)配電系統(tǒng)精細(xì)化感知與柔性協(xié)調(diào)控制提供了有利條件，目前云-邊協(xié)同的兩級計算框架已在眾多物聯(lián)場景中取得應(yīng)用。圖2-3為當(dāng)前大多數(shù)研究中提出的配電網(wǎng)云-邊協(xié)同架構(gòu)示意圖，其主要由感知層、邊緣層和云服務(wù)層構(gòu)成。
（1）感知層：該層處在配電網(wǎng)運行環(huán)境的末端，主要負(fù)責(zé)獲取配電網(wǎng)中的設(shè)備運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)以及用戶信息等各類實時數(shù)據(jù)，并對配電網(wǎng)中的各類基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行控制操作。在配電網(wǎng)的云邊協(xié)同架構(gòu)中，感知層設(shè)備主要涵蓋各種一次設(shè)備、二次設(shè)備以及一二次設(shè)備融合的成套設(shè)備。一次設(shè)備主要負(fù)責(zé)直接的電能分配，它們確保電能從發(fā)電廠順利傳輸?shù)浇K端用戶，包括斷路器、開關(guān)柜、重合器、分段器等開關(guān)設(shè)備，以及箱式變電站和變壓器等變壓設(shè)備。二次設(shè)備主要用于監(jiān)控、測量、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)一次設(shè)備，并為運維人員提供運行狀態(tài)信息或生成控制信號這類設(shè)備包括故障轉(zhuǎn)移單元（FTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、臺區(qū)智能融合終端，以及故障指示器等智能配電終端設(shè)備。一二次融合成套設(shè)備通過將二次設(shè)備的相關(guān)功能融合到一次設(shè)備中，形成一體化的成套設(shè)備，主要包括融合了一次和二次功能的柱上斷路器和環(huán)網(wǎng)箱等。
（2）邊緣層：邊緣節(jié)點通常是位于靠近數(shù)據(jù)源一端以及網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，并且具有一定計算能力同時起到匯聚接入功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如本地能源路由器、匯聚交換機(jī)等。邊緣層是連接感知設(shè)備與云端的橋梁，通過對感知層上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析并返回控制指令，實現(xiàn)對配電網(wǎng)的實時監(jiān)控、故障檢測與隔離、優(yōu)化控制等功能，能夠快速響應(yīng)配電網(wǎng)的局部變化，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。同時，邊緣層可為云服務(wù)層提供數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)，以環(huán)節(jié)云服務(wù)層的壓力。
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第三章 考慮節(jié)點性能的霧中心選址研究 .............................. 31
3.1 霧中心選址影響因素分析 ............................ 31
3.1.1 CPDS相依網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?.................................... 31
3.1.2 最短路徑問題與求解方法 ..................... 32
第四章 基于時延與能耗的CPDS資源卸載分配策略 .................. 50
4.1 CPDS資源卸載基本場景 ............................... 50
4.2 CPDS資源卸載系統(tǒng)模型的構(gòu)建 ................................. 50
第五章 結(jié)論與展望 ............................. 63
5.1 總結(jié) ........................... 63
5.2 展望 ................................. 64
第四章 基于時延與能耗的CPDS資源卸載分配策略
4.2 CPDS資源卸載系統(tǒng)模型的構(gòu)建
隨著實時性業(yè)務(wù)的深化應(yīng)用以及“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，系統(tǒng)中信息分析、處理和決策過程中的延遲、能耗問題日益受到關(guān)注。在構(gòu)建一個高效的系統(tǒng)或應(yīng)用程序過程中，傳輸速度、數(shù)據(jù)處理速度和能耗等方面的因素需要得到全面考慮。
基于前文所提出的任務(wù)卸載場景以及最短傳輸路徑集，通過分析建立卸載過程中的遷移成本模型、計算成本模型和能耗成本模型：任務(wù)從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)并返回結(jié)果過程中產(chǎn)生的時延構(gòu)成遷移成本；計算成本是云霧邊節(jié)點對任務(wù)進(jìn)行處理計算所耗費的時間成本；能耗成本反映設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)過程中所消耗的電能。這些成本是優(yōu)化系統(tǒng)性能、資源分配和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素，在云霧邊協(xié)同計算中需要綜合考慮并進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

信息系統(tǒng)與信息資源論文參考

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第五章 結(jié)論與展望
5.1  總結(jié)
隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展以及智能終端的大規(guī)模并網(wǎng)，CPDS的高度集成和邊緣智能設(shè)備的激增為電網(wǎng)的智能化運行提供了內(nèi)生動力，同時也帶來了諸多挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量與計算能耗的爆發(fā)性增長，使得傳統(tǒng)云中心模式在計算、存儲和帶寬上面臨巨大壓力，這些包括了中心節(jié)點的部署策略以及計算任務(wù)的合理卸載等問題，不僅對智能配電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，也涉及到電網(wǎng)的運行安全。 基于上述背景，本文探討了智能配電網(wǎng)下的計算框架以及資源分配優(yōu)化兩方面問題。針對配電信息網(wǎng)絡(luò)點多、面廣的特點，本文以配網(wǎng)協(xié)同計算框架為架構(gòu)基礎(chǔ)，以通信中心選址優(yōu)化為規(guī)劃基礎(chǔ)，以計算任務(wù)卸載優(yōu)化為實時對象，從不同的時間尺度對CPDS的資源優(yōu)化方案進(jìn)行了研究?，F(xiàn)將主要成果總結(jié)如下：
（1）針對配電信息網(wǎng)絡(luò)點多、面廣的特點，本文引入了霧計算的概念，結(jié)合CPDS的信息物理特征，提出了基于云霧邊協(xié)同的智能配電網(wǎng)計算框架。通過結(jié)合云計算中心強大的數(shù)據(jù)處理能力、霧計算節(jié)點近邊緣的實時響應(yīng)能力以及邊緣設(shè)備的本地化計算優(yōu)勢，將部分任務(wù)下沉至霧端處理，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約時延開銷的目的。而后，根據(jù)云霧邊協(xié)同的計算框架，分析了CPDS業(yè)務(wù)邏輯與層次化處理流程。最后，通過PureEdgeSim仿真平臺模擬對比了不同架構(gòu)下的系統(tǒng)任務(wù)處理性能，實驗結(jié)果表明，引入霧計算的云霧邊協(xié)同計算框架能夠有效地平衡云中心和邊緣節(jié)點的負(fù)載，有效降低系統(tǒng)時延。
（2）針對霧中心的選址優(yōu)化問題，本文提出了一種基于節(jié)點性能、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、通信質(zhì)量與電力脆弱度的選址算法。該算法綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接關(guān)系、通信延遲等因素，通過聚類優(yōu)化計算確定了霧中心的最佳位置。首先，從算網(wǎng)融合的視角建立了綜合考慮節(jié)點電網(wǎng)影響和拓?fù)溆绊懙墓?jié)點重要度綜合評價指標(biāo)集，作為判斷節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中影響程度的重要依據(jù)。然后，基于主備用路徑的選擇和圖結(jié)構(gòu)的特征，對傳統(tǒng)K-means聚類算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于節(jié)點評估的加權(quán)K-means聚類算法，實現(xiàn)對邊緣節(jié)點分區(qū)優(yōu)化以及霧節(jié)點部署位置的選擇。
參考文獻(xiàn)（略）