[基于云计算的电力系统短路计算教学软件的开发]电力系统短路计算
时间：2020-02-22 07:32:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：主要介绍了云计算及其特点，电力系统短路计算软件开发中云计算平台的选择，软件开发语言的选择，主程序框图及计算程序框图的设计，软件的主要特点及其在教学中的应用情况。认为云计算在提高课堂效率的同时，也很好地增强了教学效果。
关键词：云计算；Java；电力系统；短路计算；教育新技术
作者简介：张凤鸽（1980-），女，安徽颍上人，华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室动模实验基地，工程师。杨德先（1964-），男，湖北武汉人，华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室动模实验基地，高级工程师。（湖北 武汉 430074）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0195-03
一、云计算及其特点
1.什么是云计算?
云计算（Cloud Computing）可以是租用一台服务器或一千台服务器并在目前世界上最强大的系统上运行地球物理建模应用程序的能力；云计算也可以是租用一个虚拟服务器，在其上面加载软件，随意打开和关闭该虚拟服务器或克隆该服务器十次以满足突发工作负荷需求的能力；云计算可以存储并保护巨量数据，而且这些数据只允许授权应用程序和用户进行访问；云计算可由能建立一个包括OS、Apache、MySQL数据库、Perl、Python和PHP的平台的云提供商提供支持，该平台能够根据不断变化的工作负荷自动扩展；云计算还可以是在互联网上使用存储并保护数据，同时提供服务应用程序的能力；云计算可以使用存储云（Storage Cloud）来保存应用程序、企业和个人数据。而且，云计算还可以使用少数Web服务来集成照片、地图和GPS信息，以便与客户 Web 浏览器中创建聚合（Mashup）。
简而言之，云计算就是利用互联网进行信息的计算和存储。
2.云计算的特点
（1）超大规模。“云”具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，企业私有云一般拥有数百上千台服务器。
（2）虚拟化。云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。
（3）高可靠性。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更可靠。
（4）通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。
（5）高可扩展性。“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。
（6）按需服务。“云”是一个庞大的资源池，你只需按需购买。
（7）极其廉价。由于“云”的特殊容错措施，可以采用极其廉价的节点来构成云，“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，因此用户经常只要花费几百美元、几天时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。
既然云计算拥有如此之多的优点，将云计算应用到电力系统教学中将会是非常有价值的研究方向。例如利用云计算进行短路计算、潮流计算、暂态稳定计算教学与演示等，可缩短上述计算所用时间、增加直观性、提高效率，同时也增强了教学效果。
二、软件设计与开发
1.云计算平台的选择
现在市面上使用较多的有Amazon的EC2平台、IBM的蓝云平台、Google的App Engine平台等。Amazon EC2是云计算市场化的先锋，使用其云计算服务需要付费；IBM的云计算主要面向于企业级的开发，对于教学来说太过专业。最终我们选择了Google公司的Google App Engine作为我们的云计算平台。
Google App Engine是Google公司提供的云计算平台，用户可以在其可扩展系统上构建网络应用程序。每个Google App Engine 应用程序都可使用500MB的持久存储空间以及可支持每月500万综合浏览量的足够带宽和CPU。这些对于一个教学软件开发来说已足够。
2.Google App Engine的优点
（1）使用Google的资源，运行自己的应用。Google App Engine 可让开发者使用与Google现在的应用完全相同的环境来构建自己的网站。
（2）不需要额外的软硬件配置。Google App Engine 提供一个完整的Web应用环境。
（3）良好的可伸缩性。Google App Engine 使你不用考虑使用人数的限制，从1个人到1百万人，Google App Engine 都能提供良好的支持。
（4）免费开始使用。选择Google App Engine不用担心流量问题和使用费用的问题。
3.软件开发语言的选择
Google App Engine目前支持两种语言，Python和Java。
Java是一种简单的，面向对象的，分布式的，解释型的，健壮安全的，结构中立的，可移植的，性能优异、多线程的动态语言。 Java平台由Java虚拟机（Java Virtual Machine）和Java 应用编程接口（Application Programming Interface简称API）构成。Java 应用编程接口为Java应用提供了一个独立于操作系统的标准接口，可分为基本部分和扩展部分。在硬件或操作系统平台上安装一个Java平台之后，Java应用程序就可运行。现在Java平台已经嵌入了几乎所有的操作系统。这样Java程序可以只编译一次，就可以在各种系统中运行。
相对Python语言，Java在网络上的应用更广泛，Java Web技术十分成熟，所以最终选择了Java作为软件编程语言。
4.程序框图
程序总体结构设计采用基于电网拓扑结构为基础的模块化设计思想。系统各模块具有很好的通用性，能够很方便地移植到其他计算程序上，也使软件本身具有扩展性。其主程序框图见图1。
电力系统短路计算软件核心计算程序框图如图2所示。首先将待计算系统参数以文本（txt）格式输入，数据存储子程序会读取数据将其解析成字符串，并存储生成JAVA格式数据对象（JDO），供主程序调用。数据显示子程序会调用数据将待计算系统参数显示在程序界面上以供校核。数据计算程序调用JDO对象，进行计算，最后将结果输出。
使用Java工具App Engine Java SDK测试应用程序并上传应用程序后，用户就可以通过任何网络终端登陆使用软件了。用户在使用时主要有以下几个步骤：
第一步：进入短路计算界面。通过一台网络终端打开IE，输入指定网址，就可以进入短路计算软件主界面，如图3所示。
第二步：数据输入。数据输入方式有两种。一是从本地上传，二是通过系统ID调用原来上传过的数据。系统ID是指在用户首次上传一个电力系统短路计算算例时程序会自动生成一个系统代码，并将该代码存储于Google 服务器端，下次用户登陆时便可通过代码来调用该算例的数据，避免重复上传。
第三步：选择短路点及短路类型。输入完数据，点击发送按钮，出现如图4所示界面，除显示算例的正序负序零序网路参数外，还有短路点及短路类型选项。短路点与短路类型均可多选。
第四步：计算结果。选择完短路点及短路类型以后，点击发送按钮，就会显示计算结果画面，得到计算结果。计算结果可以保存，可以使用浏览器的保存功能将短路计算结果保存为pdf、html或者是txt文件。
5.软件的特点
（1）程序不需要安装，只需用浏览器登陆即可。不同于传统的程序需要运行在本地计算机，且用户需要安装程序，基于云计算的短路计算程序已经部署在Google的云计算平台上，用户需要进行短路计算时并不需要安装程序，只需像浏览网页一样登陆该网址即可。由于Google的云计算平台任何时候都不会关闭，因此本短路计算程序可供全世界的所有网民在任何时间使用。
（2）不占用本地计算机的资源。传统的短路计算程序需要占用计算机的CPU、内存等资源，而基于云计算的短路计算程序是使用Google的服务器进行计算。这一点在需要计算的系统十分庞大时优势更为明显。
（3）具有良好的图形用户界面。程序的界面与普通网站无异，用户只需按照页面上的按钮或选项框提交输入数据。输出结果为表格形式，美观大方。
（4）用户可以从本地上传电力系统数据或者通过系统ID调用原有系统数据。
（5）短路点与短路类型均可多选。可以对待计算系统多短路点、多种故障类型一次计算。避免用户需要做多短路点多类型计算时重复选择。
（6）计算结果可以保存在本地计算机中。
（7）主程序具有可扩展性。
在此基础上可进一步加入潮流计算、暂态稳定计算等电力系统计算模块，进一步丰富软件功能。
三、小结
云计算在我国教育教学上的应用才刚刚起步，我们首次将电力系统短路计算教学迁移到云计算平台上，从学生的反馈来看，还是取得了令人满意的教学效果。
云计算可以很好地支持教师的有效教学。在课堂上教师利用云计算软件缩短了短路计算所用时间，可以十分清晰地演示电力系统短路计算过程，大大提高课堂效率。课后学生可以通过网络随时随地复习所学过的内容，或对自己所做习题的计算结果进行验证。
下一步我们将进一步丰富软件的功能，扩大云计算在电力系统教学应用的范围。同时鼓励学生参与软件的开发与设计，学生在参与中会发现专业知识的不足，这样会进一步提高学生学习的积极性及学习效果。
教育新技术研究的最终目的是为了将技术更好地应用于教学。对于教育工作者来说，掌握云计算技术的原理和应用模式，利用其合理地开发教学资源、开展教学设计、优化教学过程，我们的教学才能够与时俱进，才能让每一个学生都享受到“云计算”时代高质量的教育，体验21世纪新的学习生活方式。
参考文献：
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[2]史斌星.Java基础编程贯通教程[M].北京:清华大学出版社,2003.
[3]尹国定,卫红.云计算实现概念计算的方法[J].东南大学学报:自然科学版,2003,(4):124-128.
[4]杨德先,陆继明.电力系统综合实验原理与指导[M].北京:机械工业出版社,2004.
[5]陈亚民.电力系统计算程序及其实现[M].北京:水利电力出版社,1995.
（责任编辑：刘辉）
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