潘原離，李　泉

(國網(wǎng)河北省電力公司邢臺供電分公司，河北　邢臺　054001)

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基于云計算技術(shù)的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)分析

潘原離，李泉

(國網(wǎng)河北省電力公司邢臺供電分公司，河北邢臺054001)

摘要：介紹云計算概念、特點和虛擬化技術(shù)，針對傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)存在的問題，提出基于云計算技術(shù)構(gòu)建新型調(diào)度自動化系統(tǒng)的方法，并從系統(tǒng)的總體架構(gòu)、信息處理子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)等方面對新老架構(gòu)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為新型調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)在可靠性、靈活性、安全性和經(jīng)濟(jì)性上有了大幅提升，具有一定優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：云計算；調(diào)度自動化；架構(gòu)設(shè)計

0引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，互聯(lián)程度越來越高，其在運(yùn)行時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息也隨之急劇增加。智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)[1-2]作為智能電網(wǎng)的神經(jīng)中樞，正在受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在各級調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)路線不統(tǒng)一、操作規(guī)程不一致、管理水平參差不齊的大環(huán)境下，如何能大幅度提高調(diào)度自動化系統(tǒng)綜合應(yīng)用、系統(tǒng)整合、信息共享的能力，成為目前急需解決的問題。

云計算[3]及其虛擬化技術(shù)的發(fā)展為解決這些難題提供了有效工具?；谠摷夹g(shù)提供的資源抽象整合能力，廣域服務(wù)分發(fā)能力和良好的可靠性、擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性等特質(zhì)，以改造電力調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)為新思路，合理的規(guī)避了各地系統(tǒng)異構(gòu)所帶來的阻礙，實現(xiàn)了多地系統(tǒng)能力的全面提升。

1云計算概述

1.1云計算的概念和特點

云計算是基于現(xiàn)有技術(shù)的開放式計算模式，是利用虛擬化技術(shù)對共享的可配置計算資源如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)為用戶提供無處不在的、方便的網(wǎng)絡(luò)訪問[4]。跟傳統(tǒng)計算模式相比，云計算具有以下幾個主要特點。

a. 廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問。計算資源不局限于本地，用戶可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)訪問，獲取“云”資源池中的資源和高性能的計算能力。

b. 快速彈性架構(gòu)。云計算架構(gòu)可以根據(jù)用戶在空間和時間上的需求，快速動態(tài)獲取、關(guān)閉、擴(kuò)容、縮減資源規(guī)模。

c. 高經(jīng)濟(jì)效益。降低了本地物理建設(shè)，減少人員配置，實現(xiàn)了本地基礎(chǔ)架構(gòu)零維護(hù)。同時，云架構(gòu)可靠性保障體系還使業(yè)務(wù)中斷損失降低，體現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2云計算虛擬化技術(shù)

1.2.1硬件虛擬化技術(shù)

硬件虛擬化，可理解為增加一個抽象的虛擬化層，將物理硬件與操作系統(tǒng)隔離，操作系統(tǒng)作為文件運(yùn)行于虛擬化層上，以此提高計算資源利用率和靈活性，同時減少維護(hù)工作量。

通過硬件虛擬化，可將1臺服務(wù)器變?yōu)槎嗯_虛擬機(jī)，每個虛擬機(jī)獨立運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，且虛擬機(jī)之間的負(fù)載實時互補(bǔ)，在提高資源利用率的同時保證了各應(yīng)用的性能，從而達(dá)到節(jié)約運(yùn)行及管理成本的目的。

1.2.2應(yīng)用虛擬化技術(shù)

應(yīng)用虛擬化，是將服務(wù)器上的應(yīng)用程序虛擬至本地客戶端的一種技術(shù)，管理員不再需要向每臺電腦安裝應(yīng)用程序，只需要在1臺“承載服務(wù)器”上安裝所有應(yīng)用，然后通過虛擬應(yīng)用技術(shù)將“承載服務(wù)器”相應(yīng)應(yīng)用程序的人機(jī)界面推送到客戶端、輕型工作站、智能移動終端等設(shè)備上使用。

與桌面虛擬化不同，應(yīng)用虛擬化并不向用戶發(fā)送整套桌面，僅將應(yīng)用程序本身發(fā)送給用戶。當(dāng)需要向多個用戶發(fā)送多個應(yīng)用時，只需在承載機(jī)上運(yùn)行多個獨立副本，并分別發(fā)送。

2傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)存在的問題

在傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的架構(gòu)中，通常釆用固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即每臺服務(wù)器固定運(yùn)行一個模塊以實現(xiàn)特定功能，通過多臺服務(wù)器及多個模塊的組合運(yùn)用，實現(xiàn)調(diào)度自動化系統(tǒng)的完整功能。傳統(tǒng)架構(gòu)模式如圖1所示。

圖1　典型傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)

這種架構(gòu)模式已顯示出多種弊端。

a. 架構(gòu)繁雜，耦合度高。為保障自動化系統(tǒng)可靠性，傳統(tǒng)架構(gòu)為部分核心模塊提供雙單元備用保障，在其中一個節(jié)點出現(xiàn)故障時，由備用節(jié)點接替原有工作。該技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)架構(gòu)變得及其龐大，且冗余節(jié)點增加困難，設(shè)備安裝以及使用配置過程都非常復(fù)雜，各部件間需高度耦合兼容。

b. 維護(hù)難度大。雖然主要結(jié)構(gòu)具有雙單元備用保障，但在其余部分仍存在大量單點故障，且一旦遇到單點故障，相關(guān)排查工作難免影響到系統(tǒng)的完整運(yùn)行。另外，傳統(tǒng)情況下自動化系統(tǒng)運(yùn)維人員的配備是依據(jù)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量來確定的，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，信息化資源將迅速增加，與之相對應(yīng)的管理工作量也急劇增長，這意味著更多的人力消耗和更大的維護(hù)成本。

c. 通用性差。不同的廠商生產(chǎn)各自的功能系統(tǒng)，不同的功能系統(tǒng)使用的硬件結(jié)構(gòu)也不盡相同，也就需要專門的維護(hù)手段或配備專門的技術(shù)人員，難以做到統(tǒng)一規(guī)范。

d. 容災(zāi)性差。作為智能電網(wǎng)的神經(jīng)中樞，調(diào)度自動化系統(tǒng)如出現(xiàn)故障，局部電網(wǎng)事件就可能會迅速擴(kuò)大到整個電網(wǎng)，甚至造成電網(wǎng)崩潰，這就要求自動化系統(tǒng)須有較好的容災(zāi)性。然而傳統(tǒng)架構(gòu)下，由于各應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對運(yùn)行環(huán)境要求嚴(yán)格，很難實現(xiàn)大范圍及多數(shù)應(yīng)用災(zāi)難備用。比如，對服務(wù)器A上windows server 2008應(yīng)用程序的備份僅適用于軟硬件完全相同的服務(wù)器B，這意味著每一臺服務(wù)器都需要一臺相同的服務(wù)器作為災(zāi)難備用，顯然成本過高，因此傳統(tǒng)架構(gòu)下很難出現(xiàn)通用的災(zāi)難恢復(fù)方案。

3新型調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為解決傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中存在的諸多問題，將云計算技術(shù)應(yīng)用于調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)整體釆用網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，基本形式如圖2所示。

首先，調(diào)度中心和各子廠站采用通信運(yùn)營商提供的數(shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，通過租用光纖通道接入通信傳輸網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建VPN，建立電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)(SGDnet)，調(diào)度中心的SCADA服務(wù)器與各變電站通信集成服務(wù)器都是網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，并按“點對多點”連接，通過VPN實現(xiàn)調(diào)度通信。

其次，將調(diào)度主站系統(tǒng)進(jìn)行重新封裝，充分利用原調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)中的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用虛擬化技術(shù)將其整合為資源池。各原服務(wù)器成為池中平等的一員，擁有相同的拓?fù)溥B接方式以及相同的管理配置方式，在物理層面上具備全面雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。主站系統(tǒng)各模塊以虛擬機(jī)文件的形式進(jìn)行封裝，其具體運(yùn)行資源由資源池控制中心調(diào)配。系統(tǒng)各模塊之間的通信由虛邏輯網(wǎng)絡(luò)完成，在物理層面上經(jīng)由統(tǒng)一出口與外界完成通信，形成本地云計算數(shù)據(jù)中心。

圖2　基于云計算技術(shù)的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)

同時，云計算數(shù)據(jù)中心建設(shè)方式可以在不同的環(huán)境下復(fù)制，整合多地的調(diào)度自動化資源，建設(shè)多個異地云計算數(shù)據(jù)中心。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同地區(qū)的調(diào)度自動化系統(tǒng)的互聯(lián)，使調(diào)度資源跨地域調(diào)用，實現(xiàn)應(yīng)用級災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制，形成堅強(qiáng)的可靠性保障。多個云計算數(shù)據(jù)本地調(diào)度主站系統(tǒng)與異地的云計算數(shù)據(jù)中心達(dá)成協(xié)作關(guān)系，實現(xiàn)相互災(zāi)難恢復(fù)保障。在正常狀態(tài)下，本地主站系統(tǒng)定時與異地云計算數(shù)據(jù)中心完成虛擬機(jī)文件的同步工作，并建立好資源映射機(jī)制，保證在系統(tǒng)遷移后能夠?qū)崿F(xiàn)正常的網(wǎng)絡(luò)通信。在發(fā)生異常時，由于遠(yuǎn)端已經(jīng)完成了虛擬機(jī)文件的同步，因此可迅速根據(jù)需求組織相關(guān)資源，并執(zhí)行虛擬機(jī)文件，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的整體異地重啟?；閭浞莸碾p方建立自動與手動方式并存的偵測機(jī)制，在檢測到對方故障時進(jìn)行提示，在得到管理員同意后進(jìn)行災(zāi)難恢復(fù)工作，避免因長距離網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的心跳偵測失敗。

最后，調(diào)度終端系統(tǒng)以創(chuàng)建程序運(yùn)行沙箱的形式在承載虛擬機(jī)上運(yùn)行多份調(diào)度應(yīng)用，并通過網(wǎng)絡(luò)向不同的終端發(fā)送。終端系統(tǒng)中的源程序只有一份，多用戶情況下將復(fù)制生成多個內(nèi)存副本，使不同用戶所使用的調(diào)度操作平臺嚴(yán)格保證一致。在功能升級過程中，僅需要更改源程序文件，即可使全體用戶同步升級。此外，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜藱C(jī)交互界面不僅可以傳輸至固定工作站，更可通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至現(xiàn)場移動設(shè)備，使調(diào)度工作更直觀，更高效。為保障系統(tǒng)可靠性，新型調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)以運(yùn)行內(nèi)存冗余的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)架構(gòu)中的關(guān)鍵模塊備用模式。正常運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)指派兩臺不同的服務(wù)器分別運(yùn)行同一份虛擬機(jī)文件，產(chǎn)生兩份相同的內(nèi)存數(shù)據(jù)，并向這兩份內(nèi)存數(shù)據(jù)同時執(zhí)行相同的輸入輸出工作，其中一份內(nèi)存數(shù)據(jù)作為主體，所有數(shù)據(jù)讀寫完全執(zhí)行于物理設(shè)備，而另一份內(nèi)存作為備用，保持與主體相同的內(nèi)存數(shù)據(jù)；非正常運(yùn)行狀態(tài)下，如主體虛擬機(jī)或承載服務(wù)器發(fā)生故障時，備用服務(wù)器將在幾毫秒內(nèi)接替原有工作，保證虛擬機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行，同時數(shù)據(jù)中心將另外選出備用服務(wù)器，并再次生成備用內(nèi)存數(shù)據(jù)。

4新型調(diào)度自動化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的架構(gòu)對比

以下分別從自動化系統(tǒng)的總體架構(gòu)、信息處理子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)等方面將新老架構(gòu)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1新型調(diào)度自動化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的架構(gòu)對比

對比項目傳統(tǒng)架構(gòu)新型架構(gòu)總體架構(gòu)資源本地化資源網(wǎng)絡(luò)化信息處理子系統(tǒng)核心服務(wù)器雙單元備用;故障后物理切換;能承受一個單元的異常;無遠(yuǎn)程災(zāi)難恢復(fù)所有服務(wù)器互為備用;故障后同步內(nèi)存切換;能承受n-1臺服務(wù)器異常;多地互為災(zāi)備站點信息傳輸子系統(tǒng)傳統(tǒng)專用遠(yuǎn)動通道;“點對點”方式調(diào)度虛擬專用數(shù)據(jù)網(wǎng);“點對多點”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)人機(jī)交互子系統(tǒng)Web服務(wù);調(diào)度工作站;管理工作站W(wǎng)eb服務(wù);虛擬工作臺;授權(quán)移動終端

新型調(diào)度自動化系統(tǒng)以虛擬化技術(shù)將傳統(tǒng)的各服務(wù)器轉(zhuǎn)變?yōu)樵朴嬎銛?shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一管理。

a. 實現(xiàn)了硬件與軟件的解耦。調(diào)度自動化系統(tǒng)的各模塊不在依賴于特定的服務(wù)器，而是以虛擬機(jī)的形式由集群控制中心指定運(yùn)行資源，同樣的，硬件部分的任何改動也將不會影響資源池上虛擬機(jī)的運(yùn)行。

b. 實現(xiàn)了以文件形式管理的虛擬機(jī)系統(tǒng)。文件是一種能夠整體傳輸并能夠方便的創(chuàng)建、修改、刪除的對象。系統(tǒng)各模塊成為“文件”之后，意味著它們能夠以文件的形式進(jìn)行管理，在資源池上實現(xiàn)移動、修改、復(fù)制等工作，在一定監(jiān)測手段的配合下，可實現(xiàn)高等級的可靠性保障。

c. 多臺服務(wù)器的集中管理。此時的管理單位為資源池，透過管理中心能夠?qū)崿F(xiàn)所有服務(wù)器及虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，并可對任何一個環(huán)節(jié)下達(dá)操作指令，大幅簡化系統(tǒng)的維護(hù)難度。

5結(jié)束語

云計算技術(shù)的廣泛采用將為調(diào)度自動化系統(tǒng)帶來一次全新的革命，利用原有資源形成了高可靠性保障的資源池，改變了沿用數(shù)十年的舊方案，大幅提高了冗余容量，并實現(xiàn)了應(yīng)用級災(zāi)難恢復(fù)保障；實現(xiàn)了軟件與硬件的解耦，操作系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件的運(yùn)行不再與物理設(shè)備有直接關(guān)系，以文件形式完成資源調(diào)度，使運(yùn)行資源的靈活遷移和移動調(diào)度應(yīng)用成為現(xiàn)實；有效削減了硬件投資成本，提高了資金與設(shè)備使用效率。相信隨著技術(shù)的快速更新，新型調(diào)度自動化系統(tǒng)將會得到進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis of Power Dispatching Automation System ArchitectureBased on Cloud Computing Technology

Pan Yuanli, Li Quan

(State Grid Hebei Electric Power Company Xingtai Power Supply Branch,Xingtai 054001, China)

Abstract:On the basis of analyzing the disadvantages of traditional dispatching automation system, the method of building a new dispatching automation system based on cloud computing technology is proposed, which is based on hardware virtualization technology.The new and old architectures are compared in the aspects of the overall architecture,the information processing subsystem, the information transmission subsystem, and the man-machine interaction subsystem, considering the reliability, flexibility, security and economy of the new power dispatching automation system architecture has been greatly improved, it has certain advantages.

Key words：cloud computing;dispatching automation;architecture design

中圖分類號：TM734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)01-0004-04

作者簡介：潘原離(1988-)，女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動化運(yùn)行和維護(hù)工作。

收稿日期：2015-09-29