李德華,曾廣移,鞏 宇,陳澤陽(yáng),郭迎新
(1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司,廣東 廣州510000;2.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司,北京100043)
水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種有效手段和工具,在設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)估、故障診斷和檢修指導(dǎo)等方面發(fā)揮了巨大的作用。隨著流域級(jí)水電站群的建設(shè)和集團(tuán)公司對(duì)電站群的集中管控需要,狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電站其他運(yùn)行管理數(shù)據(jù)的集成、擴(kuò)展和應(yīng)用,成了亟待解決的問(wèn)題。為此需要從全局管理角度,設(shè)計(jì)能夠有效整合不同系統(tǒng)資源,實(shí)現(xiàn)高效可靠的共享式應(yīng)用平臺(tái)和管理系統(tǒng)。
云計(jì)算平臺(tái)作為海量數(shù)據(jù)處理的新方法,近年來(lái)取得了極大的發(fā)展和進(jìn)步。其具有容易擴(kuò)展、數(shù)據(jù)管理可靠性高、分布計(jì)算性能好等特點(diǎn),可以有效解決水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成和管控平臺(tái)建設(shè)中面臨的可靠性和擴(kuò)展性等難題。目前,云計(jì)算技術(shù)隨著智能電廠、智能電網(wǎng)的建設(shè)、研究和應(yīng)用發(fā)展迅速,其在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成、分析和診斷方面的研究逐漸得到重視。
本文以云計(jì)算平臺(tái)在水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),圍繞狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的共享資源集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和分布式計(jì)算平臺(tái)的建立等難點(diǎn),針對(duì)集團(tuán)級(jí)電站群的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)的實(shí)際問(wèn)題,對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究,最后給出基于云平臺(tái)的水電設(shè)備數(shù)據(jù)集成管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
在云計(jì)算平臺(tái)的研究和發(fā)展中,較為認(rèn)可的定義是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所給出的,云計(jì)算是一種能夠以無(wú)處不在的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)方式提供可配置資源服務(wù)的計(jì)算模式。通常云計(jì)算平臺(tái)分為3層,從底層向上,分別為基礎(chǔ)服務(wù)層(Infrastructure As A Service, IaaS)、平臺(tái)服務(wù)層(Platform As A Service, PaaS)和軟件服務(wù)層(Software As A Service,SaaS)[1-3]。
IaaS基礎(chǔ)服務(wù)層主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)提供虛擬化的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)等物理設(shè)施,用戶(hù)可以在自己提供的基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行操作系統(tǒng)等軟件的部署和應(yīng)用;PaaS平臺(tái)服務(wù)層為用戶(hù)提供了軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和測(cè)試環(huán)境,在計(jì)算機(jī)集群的基礎(chǔ)上,開(kāi)展云計(jì)算應(yīng)用的開(kāi)發(fā)與測(cè)試工作;SaaS軟件服務(wù)層為用戶(hù)提供了滿(mǎn)足特殊需求的軟件,用戶(hù)不需要配置、部署軟件系統(tǒng)的硬件環(huán)境,只需要獲得軟件的授權(quán)即可使用。
3 層模式和服務(wù)中,PaaS平臺(tái)服務(wù)層和SaaS軟件服務(wù)層通常運(yùn)行在IaaS基礎(chǔ)服務(wù)層上,PaaS平臺(tái)服務(wù)層為SaaS和非SaaS軟件服務(wù)層提供服務(wù)。圖1是典型的云平臺(tái)服務(wù)結(jié)構(gòu)。
圖1 典型云平臺(tái)服務(wù)結(jié)構(gòu)
由于云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用需求的滿(mǎn)足是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,云平臺(tái)的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,因此,云平臺(tái)建設(shè)通常需要遵循長(zhǎng)期規(guī)劃、分步實(shí)施的原則,前期重點(diǎn)在IaaS基礎(chǔ)服務(wù)層,后續(xù)再根據(jù)實(shí)際需求,逐步進(jìn)行PaaS和SaaS層的實(shí)現(xiàn)[4]。
水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)設(shè)備(水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、主變壓器、GIS設(shè)備等)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、分析和評(píng)估。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容通常包括機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、定轉(zhuǎn)子空氣間隙、GIS局部放電、主變油色譜等。系統(tǒng)通常提供實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)、故障診斷等功能。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)多,數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率高,數(shù)據(jù)量巨大。
常規(guī)水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成平臺(tái)主要負(fù)責(zé)從外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)寫(xiě)入到操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層,由數(shù)據(jù)接收功能、數(shù)據(jù)寫(xiě)入功能、數(shù)據(jù)傳輸功能組成,從層次上分主要包括現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電廠側(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心3部分,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)和電廠側(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)鏡像傳輸技術(shù)。針對(duì)部分特定的水電狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如機(jī)組過(guò)速和甩負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程錄波數(shù)據(jù),按數(shù)據(jù)庫(kù)鏡像傳輸方式可能存在數(shù)據(jù)失真或影響網(wǎng)絡(luò)帶寬,因此在中心和電廠側(cè)數(shù)據(jù)采集前置設(shè)備配置了專(zhuān)用數(shù)據(jù)通信接口軟件,用于傳輸這部分高分辨率數(shù)據(jù)。中心和電廠側(cè)數(shù)據(jù)采集前置設(shè)備上均配置了系統(tǒng)配置同步接口軟件,當(dāng)電廠側(cè)和中心側(cè)任意一方發(fā)生配置文件變更時(shí),另一側(cè)的相應(yīng)配置文件可自動(dòng)同步更改,保證配置文件的統(tǒng)一。
水電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和診斷技術(shù)的發(fā)展方向是與當(dāng)代前沿科學(xué)進(jìn)行融合的。根據(jù)現(xiàn)代工程技術(shù)系統(tǒng)和大型復(fù)雜設(shè)備的現(xiàn)狀,結(jié)合國(guó)內(nèi)外測(cè)試與診斷技術(shù)的發(fā)展水平,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在現(xiàn)代水電工程和復(fù)雜設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景,其發(fā)展表現(xiàn)在傳感器的精密化、智能化、多維化以及測(cè)試和試驗(yàn)分析的智能化、現(xiàn)場(chǎng)離線試驗(yàn)與在線監(jiān)測(cè)、電站信息系統(tǒng)的深度融合上。對(duì)水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成平臺(tái)而言,為了解決底層采集設(shè)備、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和多種信息融合的問(wèn)題,需將云計(jì)算技術(shù)在資源集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算分析3個(gè)方面與狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合和應(yīng)用。
(1)系統(tǒng)集成與資源共享。由于水電站的運(yùn)行和管理涉及的方向較多,而各種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及電站的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)大多根據(jù)其具體的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì),導(dǎo)致不同系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、負(fù)荷需求和數(shù)據(jù)通信方式存在較大的差異。而且系統(tǒng)根據(jù)構(gòu)架設(shè)計(jì)所部署的服務(wù)器硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件也各不相同,彼此之間相互關(guān)聯(lián)度不高,計(jì)算、存儲(chǔ)和通信的效率也不高。這在單臺(tái)機(jī)組或單個(gè)電站運(yùn)行管理時(shí)問(wèn)題并不突出,但涉及到流域和集團(tuán)公司對(duì)多個(gè)電站、多臺(tái)機(jī)組和大量系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行管理時(shí),就會(huì)產(chǎn)生硬件設(shè)備孤立、資源過(guò)度分散的問(wèn)題,不能充分發(fā)揮硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源的集中優(yōu)勢(shì)。
云計(jì)算通過(guò)虛擬化技術(shù),將計(jì)算機(jī)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行抽象,忽略不同設(shè)備和服務(wù)之間的差異,構(gòu)造統(tǒng)一的服務(wù)器集群對(duì)水電企業(yè)不同的業(yè)務(wù)提供可擴(kuò)展的資源服務(wù)。同時(shí),云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)增減,具有開(kāi)放性和擴(kuò)展性,再通過(guò)軟件技術(shù)提高系統(tǒng)集群的協(xié)作能力,在硬件設(shè)備和負(fù)載均衡方面實(shí)現(xiàn)高效的管理。
(2)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理 。對(duì)水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)而言,其不僅包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),也包括機(jī)組運(yùn)行和管理數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類(lèi)型既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),也有半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。云平臺(tái)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù),針對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和統(tǒng)一處理,在集群設(shè)備里進(jìn)行分布式冗余存儲(chǔ),并進(jìn)行實(shí)時(shí)映像和備份工作,保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。由于其采用了分布式數(shù)據(jù)庫(kù),可以按照用戶(hù)需求,進(jìn)行并行化搜索計(jì)算,快速定位數(shù)據(jù)源,保證數(shù)據(jù)查詢(xún)效率。
(3)實(shí)時(shí)計(jì)算分析。對(duì)集團(tuán)級(jí)水電站的綜合管理,一方面需要實(shí)時(shí)開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,另一方面需要開(kāi)展調(diào)度、優(yōu)化運(yùn)行等高速計(jì)算工作,這些工作涉及大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料的查詢(xún)、分析和處理,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力也提出了較高的需求。
云計(jì)算主要利用分布式集群計(jì)算方法,將作業(yè)任務(wù)分解,并分配至多個(gè)節(jié)點(diǎn)并行執(zhí)行,不僅提高了數(shù)據(jù)計(jì)算能力和效率,而且能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)分析的實(shí)時(shí)性。當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)任務(wù)失效時(shí),對(duì)應(yīng)的計(jì)算任務(wù)將自動(dòng)重新分配至其他節(jié)點(diǎn),能夠保證計(jì)算分析的可靠性。比如當(dāng)前比較成熟的大數(shù)據(jù)計(jì)算框架——Hadoop,便可以通過(guò)其子項(xiàng)目MapReduce,將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析和診斷的計(jì)算任務(wù)拆分為子任務(wù),借用云平臺(tái)中海量基礎(chǔ)設(shè)施提供的運(yùn)算能力,并行計(jì)算,縮短計(jì)算時(shí)間,高效完成運(yùn)算任務(wù)。
通過(guò)資源集成、數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)和計(jì)算,云計(jì)算技術(shù)可以與電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合,并有效的解決系統(tǒng)集成平臺(tái)中硬件設(shè)備整合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力擴(kuò)展等方面的困難,提高系統(tǒng)集成平臺(tái)的建設(shè)水平。
云計(jì)算中 PaaS(Platform as a Service)主要指以服務(wù)的方式提供整個(gè)應(yīng)用所需的服務(wù)器平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算與水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成,首先需要開(kāi)展基于PaaS的云平臺(tái)設(shè)計(jì),再通過(guò)基于PaaS的開(kāi)發(fā)工具、中間件以及數(shù)據(jù)庫(kù)等,使得多開(kāi)發(fā)廠家可快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序,并將其部署到公有或私有云上,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動(dòng)化管理[5,6]。
基于PaaS的水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成云平臺(tái)總體架構(gòu)如圖3所示。為了建立數(shù)據(jù)集成平臺(tái),首先需要接入電廠現(xiàn)地的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù),獲取設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息,并實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)功能。在采集平臺(tái)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)分析和應(yīng)用平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和搭建。
圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)
PaaS服務(wù)包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心與生產(chǎn)應(yīng)用中心,基 于 Hadoop框 架 設(shè) 計(jì),其 中 HDFS(Hadoop Distributed File System)為海量數(shù)據(jù)提供了分布式存儲(chǔ)架構(gòu),MapReduce則提供了并行計(jì)算功能。生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)接口軟件采集狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)特點(diǎn)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中,同時(shí)面向生產(chǎn)應(yīng)用中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在生產(chǎn)域應(yīng)用中心,搭建應(yīng)用運(yùn)行管控平臺(tái),遵循統(tǒng)一規(guī)范開(kāi)發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的高級(jí)應(yīng)用程序。
數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)采集層、操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)/集市層、公共數(shù)據(jù)服務(wù)層組成。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)從外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)寫(xiě)入到操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層,數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)/集市層存儲(chǔ)加工后的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)服務(wù)層通過(guò)SOA服務(wù)對(duì)外提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
以調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司為例,在生產(chǎn)域數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面,其構(gòu)建了私有云平臺(tái),匯集了公司下屬各站的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主變狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù),以及生產(chǎn)管理類(lèi)數(shù)據(jù),如缺陷記錄、檢修維護(hù)檔案等。系統(tǒng)綜合使用分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并通過(guò)公共服務(wù)層對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
應(yīng)用中心用于對(duì)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、部署及運(yùn)行進(jìn)行管控,按照“一體化、模塊化、輕量化”原則,為多廠家提供開(kāi)放的、統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)、“插拔式”部署和統(tǒng)一運(yùn)行管理。應(yīng)用中心在PaaS云平臺(tái)框架的基礎(chǔ)上,采用組件化開(kāi)發(fā)技術(shù)路線,并充分利用公司現(xiàn)有IT資源,形成統(tǒng)一的生產(chǎn)域應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境。
應(yīng)用中心開(kāi)發(fā)環(huán)境包括基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、移動(dòng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)組態(tài)工具、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等;運(yùn)行環(huán)境包括桌面應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的應(yīng)用管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)應(yīng)用管理、配置與平臺(tái)監(jiān)控等功能。
對(duì)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司而言,生產(chǎn)域數(shù)據(jù)中心與應(yīng)用中心在公司本部集中部署,包括服務(wù)器集群,數(shù)據(jù)中心(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)/集市、公共數(shù)據(jù)服務(wù)組件)以及應(yīng)用中心(開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境、應(yīng)用管理平臺(tái)等)。
系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器接入各廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)管理類(lèi)數(shù)據(jù)。在各廠現(xiàn)地部署數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器,匯集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù),并通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳送至總部數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心;在總部部署1臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器,接入集控中心數(shù)據(jù);對(duì)于管理類(lèi)數(shù)據(jù)、離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)等,部署專(zhuān)門(mén)服務(wù)器進(jìn)行采集。所有數(shù)據(jù)均最終匯集到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一管理、存儲(chǔ)。
隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,云計(jì)算平臺(tái)越來(lái)越顯示出其在大規(guī)模信息整合中的優(yōu)勢(shì)。對(duì)水電企業(yè)正在大量開(kāi)展的集團(tuán)或流域級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成工作,云平臺(tái)技術(shù)在其中的應(yīng)用是一個(gè)需要重點(diǎn)研究問(wèn)題。由于云平臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)集成中的架構(gòu)和核心地位,必須在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行整體綜合考慮,尤其要重視數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、接口通信和應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作,通過(guò)建立完備合理的標(biāo)準(zhǔn)體系,實(shí)現(xiàn)水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效管理和應(yīng)用,并最終為智能電廠和智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展,提供信息基礎(chǔ)和平臺(tái)基礎(chǔ)。