智能电网、物联网与雾计算：技术融合与发展趋势

### 智能电网、物联网与雾计算：技术融合与发展趋势 #### 1. 物理计算范式的演变 从物理角度来看，计算环境的发展呈现出另一条脉络，它将外形因素和通信渠道置于核心位置。从迷你电脑和嵌入式计算机起步，如今分布式计算可借助可穿戴计算机、体域网、以雾或智能尘埃形式组织的微小节点实现，这些都与物联网相连，并通过“智能电网”利用各种协议进行操作。 #### 2. 智能电网：能源与通信网络的集成技术 ##### 2.1 绿色计算 绿色 IT 是智能电网发展的重要先驱趋势和组成部分，因为在废热和能源回收方面付出了巨大努力。除了已知的电力使用效率（PUE），还需使用能源再利用效率（ERE）值进行评估。 - **电力使用效率（PUE）**： - 计算公式：$PUE = \frac{TotalFacilityEnergy}{ITEquipmentEnergy} = \frac{P_{total}}{P_{IT}}$ - 取值范围：$PUE > 1.0$，理想值为 1.01 - 相关系数：$K = \frac{P_{IT}}{P_{total}} = \frac{1}{PUE}$，其中$0 < K < 1$ - **能源再利用效率（ERE）**： - 计算公式：$ERE = \frac{(TotalEnergyConsumptionofaDataCentre - RecyclingEnergy)}{ITEquipmentEnergy} = \frac{P'_{total} - P_{recycling}}{P_{IT}}$ - 取值范围：$0 < ERE < PUE < 1.50$ 例如，某绿色 IT 服务提供商计算得出$PUE = 1.02/1.05$，$ERE = 0.62/0.68$，其高效率主要基于水冷却和摒弃所有制冷系统。 ##### 2.2 智能电网的定义 智能电网是电力供应和电信网络集成的技术方向，旨在提高两种网络的能源效率，减少二氧化碳排放，考虑现有集成网络架构的分散化，提高网络效率（高效切换、路由），结合使用替代和可再生能源，优化网络管理技术和计费服务，同时提高集成网络的安全性、可靠性和服务质量。 “电网”和“智能电网”的概念不应混淆。传统电网网络解决方案用于基于（虚拟）服务器集群或超级节点的耗时计算任务，而智能电网更注重能源效率和网络的集成优化。 如今，许多发达国家积极部署环保的“绿色”智能电网技术，众多国际组织和知名公司也在开展相关技术和设备的研发。智能电网的本地解决方案基于多种网络技术构建，但仍需开发集成解决方案以实现网络分散化、提高效率、促进可再生能源利用和开发高效储能设备。 ##### 2.3 典型应用场景 - **中小企业网络连接场景**：到 2020 年，中小企业的中等级网络连接仅需一根电缆或无线链路，即可提供电力、电话、互联网、数字高清电视和云服务。室内供暖可通过回收多个（虚拟）服务器的多余能量实现，室内气候可通过有线和无线自动化系统控制，网络管理可通过以太网局域网（LAN）/无线局域网（WLAN）链路和便捷协议实现，智能网络的程序支持、配置和调整可通过移动设备、移动应用和云环境中的 Web 服务实现。 - **西门子智能电网愿景场景**：未来智能电网旨在连接四个主要组件，包括智能建筑、发电厂、电动交通和智能计量。这些组件既可以作为能源消费者/生产者，也可以作为电能存储设备，不同组件之间的能源生产和消费高峰时间差异较大，信息技术有助于根据时间表调整高峰时间，实现能源的协同效应。 ##### 2.4 电力需求与“绿色 IT”现状 能源需求的增加和 ICT 价格的显著上涨促使人们在整个 IT 生命周期中实现能源使用效率。生态环境保护、二氧化碳排放控制、化石资源和电力节约在当今至关重要。以德国为例，2000 - 2015 年服务器和数据中心的电力需求呈现出一定的趋势，同时“绿色 IT”解决方案的关注度不断提高，电力需求有所下降。 为了推进和深化“绿色 IT”的成功，可以采取多种方法，如视频会议替代商务旅行、电子笔记替代纸质笔记、减少不必要的打印、降低能源消耗、可持续产品设计、资源节约型编程、减少二氧化碳排放、网络分散化、提高服务质量、使用可再生能源、优化测量和网络管理以及提高网络安全等。 #### 3. 服务架构和多层次模型 智能电网的集成架构在一定程度上应重复著名的开放系统互连（OSI）网络架构，但必须是多维的，反映抽象层次、网络技术类型、使用领域、消费者和服务提供商类型、设备类型、访问控制技术以及计费和支付方案等。 以下是一些现有的面向电信共享使用的智能电网多层次和多维模型： |模型名称|特点| | ---- | ---- | |美国国家标准与技术研究院（NIST）智能电网概念模型|基于经典的三层表示，包括电力和能源、通信、IT 和服务| |IEEE 智能电网模型|创建和描述了一个称为智能电网的元系统，基于三层结构，将重点转移到通信和 IT 服务层，以确定智能电网中的电力分配| |思科智能电网专有模型|考虑了公司生产的硬件和软件在集成（移动）电力传输和电信方面的发展，提供智能电网的基础设施、服务和安全保障| |德国 ITG@VDE 智能电网通用架构|现有网络技术可轻松集成到该框架中，安装的服务独立于基本网络基础设施，允许在不同抽象级别对能源和信息供应的集成网络进行建模|