郭 琳，魏 靜

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

信息技術(shù)與工業(yè)深度融合已成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的重要方向，建設(shè)智能電廠已成為發(fā)電企業(yè)的共識(shí)。發(fā)電廠信息系統(tǒng)之間如何深度融合是建設(shè)智能電廠的基本任務(wù)之一。發(fā)電廠信息系統(tǒng)包括廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（supervisory information system，SIS）和管理信息系統(tǒng)（management information system，MIS）兩部分。在常規(guī)設(shè)計(jì)方案中，SIS和MIS兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，軟硬件獨(dú)立設(shè)置，各自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)物理隔離裝置連通［1］。獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)硬件設(shè)備重復(fù)設(shè)置，資源浪費(fèi)，并造成全廠信息系統(tǒng)存在一定的信息瓶頸［2］。合理設(shè)計(jì)SIS和MIS平臺(tái)對(duì)發(fā)電企業(yè)建設(shè)智能電廠至關(guān)重要，建設(shè)一體化的信息平臺(tái)已成為行業(yè)趨勢(shì)。本文對(duì)發(fā)電廠信息系統(tǒng)進(jìn)行合網(wǎng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化發(fā)電廠信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置，構(gòu)建一種發(fā)電廠信息系統(tǒng)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有助于發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)全廠管控一體化，避免硬件設(shè)備重復(fù)設(shè)置造成資源浪費(fèi)，降低運(yùn)維管理的復(fù)雜程度，提高發(fā)電企業(yè)的信息化水平［3］。

1 SIS和MIS獨(dú)立組網(wǎng)配置分析

SIS 以實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，其功能主要包括生產(chǎn)過(guò)程信息采集、處理及監(jiān)視、廠級(jí)性能計(jì)算及分析、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析、運(yùn)行優(yōu)化及設(shè)備操作指導(dǎo)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。SIS 的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備包括接口機(jī)、防火墻、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)匯聚交換機(jī)、正向隔離裝置、MIS側(cè)匯聚交換機(jī)等。SIS下層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和客戶(hù)端等分支網(wǎng)絡(luò)為帶寬不少于1000 Mbit/s的交換式全雙工以太網(wǎng)。

MIS 是一套完整的涵蓋電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理全過(guò)程的系統(tǒng)，采用B/S 多層架構(gòu)，避免用戶(hù)端直連數(shù)據(jù)庫(kù)，保證系統(tǒng)的處理能力和吞吐量，減輕系統(tǒng)的維護(hù)工作量。MIS 的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括信息內(nèi)網(wǎng)、信息外網(wǎng)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間應(yīng)物理隔離。信息內(nèi)網(wǎng)承載電廠的主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)連接至企業(yè)集團(tuán)總部。信息外網(wǎng)承載外部辦公業(yè)務(wù)系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)需求。每套網(wǎng)絡(luò)分別配置核心交換機(jī)，每個(gè)樓宇樓層及廠房各控制室設(shè)置匯聚交換機(jī)房（柜），匯聚交換機(jī)通過(guò)冗余光纖上連接至核心交換機(jī)，交換機(jī)采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要鏈路萬(wàn)兆雙冗，下連接至交換機(jī)或者終端［4］。

目前，大多數(shù)發(fā)電企業(yè)的SIS 和MIS 兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。SIS 和MIS 分別獨(dú)立配置各自的核心交換機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備，SIS 和MIS 通過(guò)各自的數(shù)據(jù)服務(wù)器交換信息。為保障SIS和MIS 的網(wǎng)絡(luò)安全，SIS 核心交換機(jī)出口處設(shè)置了單向物理隔離裝置，單向物理隔離裝置出口至鏡像服務(wù)器，即SIS 和MIS 的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)單向物理隔離裝置、鏡像服務(wù)器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的物理隔離，保證兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全，但也造成了信息瓶頸和資源浪費(fèi)［5］。

圖1 SIS和MIS獨(dú)立組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SIS和MIS獨(dú)立組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中，SIS和MIS各配置一套存儲(chǔ)設(shè)備，分別實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，SIS 和MIS 的存儲(chǔ)設(shè)備均采用磁盤(pán)陣列冗余配置技術(shù)，2臺(tái)磁盤(pán)陣列通過(guò)熱備用軟件配置成熱備用工作方式［6］。雖然磁盤(pán)陣列采用冗余配置技術(shù)，任意一臺(tái)磁盤(pán)陣列故障，均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)擾切換，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，最大限度地提高了信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但是SIS 和MIS 分別配置一套存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器，浪費(fèi)了硬件、空間資源，也增加了電廠信息技術(shù)人員運(yùn)行維護(hù)的工作量。

2 SIS和MIS合網(wǎng)常規(guī)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［6］指出，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的不同信息系統(tǒng)，在滿(mǎn)足安全可靠的前提下，宜采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和硬件系統(tǒng)。不同系統(tǒng)應(yīng)避免軟件及功能配置的相互交叉與重復(fù)。文獻(xiàn)［7］明確提出打破SIS、MIS等系統(tǒng)的界限，將各個(gè)系統(tǒng)模塊化處理，進(jìn)一步促進(jìn)各信息系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。在保證SIS和MIS網(wǎng)絡(luò)防護(hù)安全可靠的前提下，本文對(duì)全廠信息系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器、隔離裝置等網(wǎng)絡(luò)硬件配置進(jìn)行優(yōu)化、整合，形成SIS 和MIS 合網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SIS和MIS合網(wǎng)設(shè)計(jì)的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIS和MIS合網(wǎng)設(shè)計(jì)的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在SIS和MIS合網(wǎng)設(shè)計(jì)常規(guī)方案中，全廠信息系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)信息機(jī)房，用于安裝SIS 和MIS 的主要設(shè)備，統(tǒng)一設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)的機(jī)柜、機(jī)房占地面積、電源負(fù)荷、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等，避免了機(jī)房的重復(fù)建設(shè)，節(jié)省了空間以及空調(diào)、不間斷電源等基礎(chǔ)設(shè)備，降低了建設(shè)成本。信息系統(tǒng)集中布置，便于電廠信息技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。SIS和MIS在信息機(jī)房共配置2臺(tái)10 000 Mbit/s端口的冗余核心交換機(jī)，構(gòu)成全廠信息系統(tǒng)主干網(wǎng)的冗余鏈路，2臺(tái)核心交換機(jī)均設(shè)置為雙工模式，當(dāng)其中一臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)造成全廠信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷；取消了常規(guī)設(shè)計(jì)方案中SIS和MIS之間的鏡像服務(wù)器和物理隔離裝置［8］。布置在機(jī)房?jī)?nèi)的SIS和MIS數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器均直接接入核心交換機(jī)，布置在機(jī)房之外的SIS接口機(jī)、SIS和MIS客戶(hù)端各自通過(guò)千兆電口的接入交換機(jī)接入核心交換機(jī)。整個(gè)電廠由一張網(wǎng)絡(luò)覆蓋，消除了信息瓶頸，降低了網(wǎng)絡(luò)成本，同時(shí)方便了網(wǎng)絡(luò)管理。

在SIS 和MIS 合網(wǎng)設(shè)計(jì)的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，SIS和MIS 的存儲(chǔ)設(shè)備及服務(wù)器獨(dú)立配置，資源部署浪費(fèi)且資源利用率不高。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)業(yè)務(wù)用的SIS服務(wù)器普遍存在工作時(shí)間繁忙，非工作時(shí)間空閑的情況；管理用的MIS 服務(wù)器（例如一些數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、報(bào)表服務(wù)器、業(yè)務(wù)分析服務(wù)器等）則在非工作時(shí)間進(jìn)行大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析運(yùn)算而顯得繁忙［9］。生產(chǎn)業(yè)務(wù)用服務(wù)器和管理用服務(wù)器在當(dāng)前分別部署的情況下，無(wú)法充分共享對(duì)方的閑時(shí)硬件資源，資源整體利用率不高。

3 SIS和MIS合網(wǎng)優(yōu)化配置

本文采用超融合技術(shù)對(duì)SIS 和MIS 的存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器進(jìn)行優(yōu)化配置，并配置符合國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)。SIS和MIS合網(wǎng)優(yōu)化配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化配置的SIS和MIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 基于超融合技術(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器優(yōu)化配置

超融合技術(shù)是將計(jì)算能力與存儲(chǔ)能力融合的一種技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的物理服務(wù)器與磁盤(pán)存儲(chǔ)服務(wù)器分離的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用超融合技術(shù)的設(shè)備是軟硬件一體化的，由多個(gè)高性能的節(jié)點(diǎn)組成橫向擴(kuò)展型集群。集群的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除含有處理器、內(nèi)存外，還帶有本地存儲(chǔ)器。所有節(jié)點(diǎn)的本地存儲(chǔ)器均通過(guò)分布式文件系統(tǒng)橫向擴(kuò)展融合存儲(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行虛擬化，成為一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)庫(kù)。為保證數(shù)據(jù)的安全，需要建立備份系統(tǒng)，使用專(zhuān)用的高效率超融合系統(tǒng)備份軟件，實(shí)現(xiàn)全廠信息統(tǒng)一存儲(chǔ)，由于本地?cái)?shù)據(jù)冗余，在極端災(zāi)難環(huán)境下超融合集群受到不可抗力損壞時(shí)仍然有完整的數(shù)據(jù)可用［10］。

超融合平臺(tái)所使用的計(jì)算虛擬化軟件、存儲(chǔ)虛擬化軟件、網(wǎng)絡(luò)虛擬化軟件，可以同時(shí)支撐虛擬機(jī)業(yè)務(wù)和存儲(chǔ)業(yè)務(wù)。超融合平臺(tái)具有動(dòng)態(tài)資源配置擴(kuò)展功能，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估虛擬機(jī)性能，當(dāng)虛擬機(jī)性能不足時(shí)，自動(dòng)為虛擬機(jī)添加CPU和內(nèi)存資源，確保系統(tǒng)持續(xù)高效運(yùn)行。超融合平臺(tái)具有集群動(dòng)態(tài)資源調(diào)度功能，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估物理主機(jī)的負(fù)載情況，當(dāng)物理主機(jī)負(fù)載過(guò)高時(shí)，自動(dòng)將該物理主機(jī)上的虛擬機(jī)遷移到其他負(fù)載較低的物理主機(jī)上，確保集群內(nèi)各物理主機(jī)負(fù)載均衡。超融合平臺(tái)具有在線(xiàn)帶存儲(chǔ)的虛擬機(jī)遷移功能，可以在不停機(jī)狀態(tài)下和非共享存儲(chǔ)的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)在集群內(nèi)不同物理主機(jī)上的遷移，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。超融合平臺(tái)支持橫向擴(kuò)展，當(dāng)需要更多的計(jì)算和存儲(chǔ)資源時(shí)，只需要以服務(wù)器為單位進(jìn)行擴(kuò)容，就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)資源的同步擴(kuò)展。

圖3 中SIS 和MIS 分別由包含3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的超融合集群構(gòu)建而成。信息系統(tǒng)超融合集群需要萬(wàn)兆以太網(wǎng)組件，存儲(chǔ)交換網(wǎng)絡(luò)需要較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和帶寬，超融合集群共同上連至2 臺(tái)萬(wàn)兆以太網(wǎng)交換機(jī)，這2 臺(tái)交換機(jī)互為主備，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)鏈路冗余，并且SIS 和MIS 利用超融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)冗余，保證了數(shù)據(jù)的安全。超融合集群由同一管理平臺(tái)統(tǒng)一管理，降低了運(yùn)維管理復(fù)雜程度。

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化配置

根據(jù)GB/T 22239—2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》、GB/T 25070—2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)安全設(shè)計(jì)技術(shù)要求》、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)頒布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》等國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0 相關(guān)文件，發(fā)電廠的SIS 和MIS均應(yīng)設(shè)置符合要求的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)。在信息安全隔離的基礎(chǔ)上，MIS和SIS部署入侵檢測(cè)和惡意代碼防范、安全審計(jì)、主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加固等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)邊界到核心的多層次主動(dòng)防御信息安全體系，強(qiáng)化邊界防護(hù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)管理，有效防范外部系統(tǒng)的非法入侵和信息竊取。

在圖2所示的SIS和MIS合網(wǎng)設(shè)計(jì)基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，SIS與全廠各生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的接口機(jī)均配置1臺(tái)物理隔離裝置，物理隔離裝置數(shù)量較多，成本較高。在保證SIS 和MIS 網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，本文對(duì)物理隔離裝置進(jìn)行了優(yōu)化配置。在圖3所示的SIS和MIS合網(wǎng)優(yōu)化配置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，SIS 與全廠各生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)接口機(jī)之間僅設(shè)置2 臺(tái)冗余配置的物理隔離裝置，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，降低設(shè)備投資成本。各生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的接口機(jī)各配置1臺(tái)防火墻，經(jīng)匯聚交換機(jī)接至2臺(tái)冗余配置的物理隔離裝置，物理隔離裝置經(jīng)過(guò)接入交換機(jī)再接入全廠信息系統(tǒng)的核心交換機(jī)。2臺(tái)物理隔離裝置的工作方式設(shè)置為雙機(jī)熱備主從模式，2臺(tái)隔離裝置同時(shí)運(yùn)行，主隔離裝置處于工作狀態(tài)，從隔離裝置處于監(jiān)控準(zhǔn)備狀態(tài)，主、從隔離裝置之間通過(guò)心跳線(xiàn)連接，通過(guò)心跳檢測(cè)監(jiān)視對(duì)方的狀態(tài)。當(dāng)主隔離裝置出現(xiàn)異常時(shí)，主隔離裝置通過(guò)心跳檢測(cè)數(shù)據(jù)將其故障狀態(tài)報(bào)告給對(duì)端隔離裝置，并切換為從隔離裝置，對(duì)端隔離裝置獲取心跳檢測(cè)數(shù)據(jù)后，切換為主隔離裝置。上述切換為自動(dòng)無(wú)擾切換，確保整個(gè)系統(tǒng)的隔離裝置一直正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文提出的發(fā)電廠SIS 和MIS 合網(wǎng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備優(yōu)化配置方案中，SIS 和全廠各生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)接口機(jī)之間僅設(shè)置2 臺(tái)可自動(dòng)切換的冗余物理隔離裝置，節(jié)省設(shè)備投資；取消了SIS 和MIS 之間的鏡像服務(wù)器和物理隔離裝置，消除了SIS 和MIS 獨(dú)立組網(wǎng)造成的信息瓶頸；SIS 和MIS 的服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)采用超融合技術(shù)配置，SIS 和MIS 超融合集群可由同一管理平臺(tái)統(tǒng)一管理，并配置符合國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)，提高了信息系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

通過(guò)發(fā)電廠信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了全廠信息系統(tǒng)中的交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器、物理隔離裝置等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)化整合，構(gòu)建了一種新型發(fā)電廠信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，避免了硬件設(shè)備重復(fù)設(shè)置造成的資源浪費(fèi)，降低了運(yùn)維管理的復(fù)雜程度，提高了發(fā)電企業(yè)的信息化水平，有助于發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)全廠管控一體化，為各發(fā)電企業(yè)信息系統(tǒng)的建設(shè)提供了借鑒。