基于云計算技術的電力調度一體化互備系統建設研究

摘要：災難事件的發生會對電力調度系統造成損害，使得電網監控和調度中斷、電網運行失常，對社會造成極大的影響。為了提高電網運行的防災減災能力，建立經濟有效的電網調度自動化災備系統迫在眉睫。比較分析了電力調度系統的多種備用方案，論證了一體化互備的解決方案的優越性。并在云計算災備技術的基礎上，構建了一套電力調度一體化互備解決方案，既節省了成本又提高了備用系統的安全性。

關鍵詞：電力調度；一體化；備用；虛擬化；云計算

作者簡介：黃彥（1980-），男，福建福州人，福州供電公司電力調度控制中心，工程師。（福建 福州 350001）

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0201-02

一、概述

1.電力調度系統的重要性

電網調度自動化系統對電力系統的安全穩定運行起著不可或缺的作用，在監控電力系統發、輸、變、配和用電的同時，保證設備的安全運行是電網安全穩定運行的關鍵環節。在我國電網結構將形成跨區域、遠距離傳輸的特高壓交直流混合輸電系統時，為了保證電網的運行具有更加高效、更加穩定的性能，電力調度系統將有更高的需求，需要更高的可靠性來作為保障。[1]

2.災備的重要性

現代社會的各種突發事件以及自然災害都會對電網的穩定性提出很大挑戰，在近幾年全世界范圍內發生的幾起大停電事故中可以看到，一旦災害導致電網失去控制，當地事件很可能迅速影響整個電網，情況嚴重時會導致電網的大范圍癱瘓。在我國發生重大自然災害時，這時對電網的監視控制管理就需要電網調度系統的支持。2008年四川發生汶川地震后，四川省調南充備調系統肩負起重要的作用，隨時處在熱備用狀態，一旦發生主調度系統功能喪失的情況，備調中心隨時能夠被激活，立即接手四川電網調度權，保障電力調度指揮的不間斷性，為抗震救災期間四川電網的安全穩定運行上了“雙保險”。因此，電網調度自動化災備系統可以保證在電網遇到突發性事件破壞時為電網提供持續的監視控制和管理，提高災害事件下電網的運行能力。

二、災備的意義與傳統災備的缺點分析

1.災備的重要性

所謂災難備份是指利用技術、管理手段以及相關資源確保既定的機構在災難發生后關鍵數據、關鍵數據處理系統和關鍵業務可以恢復的過程。災難備份系統將對業務的連續、數據的完整、系統的不間斷運行提供強有力的保證，是信息系統安全的關鍵基礎設施。信息技術的進步極大推動了社會發展和人們生活水平的提高，越來越多的企業、機構的正常運行依賴于計算機信息系統提供的服務，同時，不期而至的各種災難也給信息安全帶來極大的挑戰。地震、水災、冰雪等自然災害以及火災、戰爭、恐怖襲擊、網絡攻擊、設備故障、人為破壞等無法預料的突發事件都可能導致計算機信息系統關鍵業務數據丟失，應用中斷，甚至系統癱瘓的嚴重后果。一旦計算機信息系統遭到損壞，輕則給企事業機構帶來經濟損失，重則給社會經濟正常運行，甚至國家安全帶來重大影響。

在美國“9·11”事件中，許多律師事務所多年積累的經營數據毀于一旦，而一些建立完善災備系統的金融企業，如總部設在世貿中心的摩根·斯坦利卻在第二天就恢復了正常運轉。“9·11”事件再次喚起了人們對建設災難備份系統的重視。

與電信、金融等行業相比，電網調度自動化領域的災備系統建設長期處于落后地位。造成這種局面的原因主要是電網調度自動化系統對實時性、可靠性、可維護性等方面有著很高的要求。目前市場上許多商用災備產品，如IBM、HP、VERITAS等廠家提供的方案并不能滿足電網調度自動化系統的災備需求。

2.傳統災備系統的不足

由于歷史上EMS備用系統主要在一部分網省公司一級進行嘗試性建設，所以為保證EMS的可靠運行，目前國內的大多數調度自動化系統主要采用的是冗余配置的方式，如采用雙網、雙機配置來保證系統在某些故障情況下的正常運行。但是，目前這種雙機、雙網的冗余配置僅能夠解決一些簡單的單點故障。如果系統發生更大規模的故障，例如雙機故障，甚至整個系統所有機器的故障（例如重大自然災害或人為事故），則當前的調度自動化系統都將失去調度功能，對電網的調度將完全癱瘓。為保證在上述重大故障下仍然能夠實現對電網的正常調度，因此需要建立相對獨立的EMS備用系統。該系統能夠保證在整個調度系統都癱瘓的情況下仍然能夠保證調度功能的正常實現。[6]

隨著計算機技術、通信技術、數據庫技術等IT技術的進步，國內的電力監控設備提供商開發出了新一代采用新技術、新標準和新思想的電網調度自動化產品。同時，各級電力公司調度通信數據網絡的建成為調度自動化災備系統的建設創造了必要的條件。

3.基于云計算的新型災備系統

電力調度一體化互備需要新型服務器虛擬化技術的支持，云計算技術為其提供了技術支持。

根據用戶的需求，云計算向用戶提供三種類型的服務：由底層計算、網絡、存儲硬件資源構建的基礎設施，即服務（IaaS）；構建在IaaS云基礎設施服務上主要用來開發各類云計算應用支撐軟件的平臺，即服務（PaaS）；基于PaaS平臺開發的各類應用服務的軟件，即服務（SaaS）。

云計算提供的這種網絡化服務使得中小型用戶可以實現業務系統的災備保護。通過構建面向服務的災備平臺，依托全網分布建立的災備中心，用戶可以按照需求向災備中心尋求網絡化災備服務，達到基礎設施即服務類型的云計算服務，用戶數據的安全和可用性得到了進一步保障。[2]

本文對備用系統方案進行詳細分析，提出了電力調度一體化互備系統的解決方案，并以福建地區為例設計與實現了基于服務器虛擬化技術的分布式備用策略。

三、備用系統方案優化分析

1.備用模式分析

備用系統主要有兩種建設模式。

自備模式：為主系統單獨建一套備系統。備系統一般需配置數據采集設備、應用服務器、數據庫服務器等設備，具備完整的實時監控功能。備系統作為純粹的備用，平時保持備用的工作狀態，僅在主系統失效時啟用。這種模式一般適用于省級及以上的EMS系統。

互備模式：主系統與其他調度或監控中心的自動化系統形成互備關系。兩套系統在正常情況下均在線運行，承擔各自的監控任務。當主系統失效時，備系統除繼續負責原有的任務外，還可接管主系統的任務。這種模式的典型應用為地區調度系統與集控系統的互備。

小概率災難性事件如火山、地震、臺風等，不值得為此投入大量資金去建設專用的災備系統，根據這種情況，利用各地建設無人（少人）值班變電所集控中心的機會，將當地的地區電網調度自動化系統與集控系統建設成互備系統，這樣可以有效利用資源，減少資金投入，同時又增強了電網調度自動化系統的備用效果，提高了可靠性。

同時，與自備系統模式相比，集控/調度互備的顯著區別是：在兩套系統都正常工作的情況下，兩套系統均獨立在線運行，各自承擔不同的任務；然而在一套系統故障情況下，另一套系統能快速接管，同時承擔兩套系統（集控和調度功能）的任務。集控系統與調度系統作為面向不同專業用戶的兩套系統，其在管轄范圍、關注重點、應用功能、數據采集范圍等方面存在一定的差異。因此，集控調度互備的技術難度更大，考慮的因素也更多。[1]

2.備用方式分析

備用方式主要有同城備、異地備和分布式互備三種。

同城備的方式是在原有的調度中心建設備用的EMS系統。同城備的優勢在于，原有的調度中心大樓可以直接提供運行EMS備用系統所需的網絡、機房等硬件設備，不需要進行額外的投入，因此可行性較高。但同城備的缺點在于，一般老調度中心與新調度中心在同一城市較近的地方，在遇到嚴重的自然災害或者區域斷電的情況時新、老調度中心皆會受到影響，此時同城備的方式就起不到備用的作用。

異地備的方式是指在遠離主調度中心的城市建設EMS備用系統。異地備由于主、備調度中心不在同一城市，可以很好地解決同城備遇到的主、備調度中心同時失效的情況，信息的保存與恢復得到保障。但異地備的缺點在于由于主、備調度中心相隔兩個城市，調度中心之間的通信需要較高的要求，若備用中心所在城市的通信條件欠發達，則需要進一步投入較大的資金完善通信系統，才能保證各級調度中心之間的通信要求。

布式互備的方式是利用上級調度中心與下級調度中心之間形成備用關系，當上級調度中心不可用時直接以下級某調度中心作為上級的控制中心。分布式互備方式擁有以上兩種互備方式的優點，既不需要進行額外的投資建設，也能保證主、備調度中心的可靠運行。但分布式互備方式由于需要下級調度中心為上級調度中心做備用，因此對下級調度中心的自動化系統有較高的要求。

3.備用強度分析

備用強度分析有一主一備、一主多備、多主一備、分布式云互備四種方案策略。

策略一與策略二都具有很高的可靠性，但就服務器的建設投入費用來講，這兩種方案的代價巨大，不具有通用性。

策略三既節省了備用服務器的數量又利用數據I/O的動態屬性提高存儲空間的使用效率，這樣不但降低了建設費用又節約了存儲所需要的空間。

策略四是根據云計算技術而提出的互備方案，利用云計算的優點，這種方案可以提高災備的效率，而且更好地利用了存儲資源。

四、基于云計算技術的一體化互備解決方案

1.一體化互備的設計框架

（1）面對嚴重自然或人為災害，分布式災備保護機制可以為用戶數據提供有效的保護，通過（n，m）數據分散模塊，災備平臺為用戶的容災數據分布到不同的災備中心，可以迅速將用戶的數據實現恢復。當災難發生時，容災數據被災備中心通過數據分散模塊算法拆分成n份，分布到其他n個災備中心。這種算法的好處在于，當源災備中心或者不多于n-m個備份災備中心發生破壞的情況下，仍然可以通過剩余的m個災備中心中的片段數據將原始數據恢復完整，這樣不但會對原始數據起到很好的保護作用，而且節省了存儲空間，還可以提高容災數據的安全性。

（2）當災難發生時，災備中心將用戶數據復制到異地災備中心的存儲空間中，用戶的數據得到完好保存的同時，災備中心按照國際災難恢復等級SHARE78中Tier3級的災難恢復能力，將容災數據快速恢復，減少用戶的損失。為提高容災數據的安全性，災備平臺可以采用時間鎖模塊對容災數據啟用防篡改功能。

（3）當災難發生時，用戶數據通過災備平臺發送至災備中心，在災備中心用戶數據的保護及快速恢復都可以通過近線備份域完成，近線備份域的搭建可以通過WORM備份模塊或虛擬磁帶庫對本地用戶容災數據提供保護。

2.備用容量與服務器投入

假設在某次災害中，用戶的容災數據共有80TB，若采用傳統容災保護方式，將容災數據存放在10個災備中心中，每個災備中心存放8TB，這樣災備中心需要占用80TB的存儲空間來保存所有的容災數據。若采用（10，4）數據分散模塊算法對容災數據進行分布式存儲，每個災備中心存放的數據僅約2TB，此時災備中心僅需2TB×9+8TB=26TB的存儲空間，較前一種方式節省了大約70%的存儲空間。

五、結論

基于基礎設施即服務類型云計算服務架構，本文設計了一種電力調度一體化互備系統，在分析了傳統災備系統的缺點及不足的情況下提出了一種新型災備系統。該系統具有常用的技術，增加了智能虛擬化管理、時間鎖、WORM備份、數據分散等功能模塊。根據該災備平臺對備用方案進行優化分析，并構建了基于云計算技術的一體化互備解決方案，為用戶的數據提供經濟有效的災備保護措施。

參考文獻：

[1]周偉鋒.電網調度自動化系統災備策略研究及其前置子系統的設計與實現[D].南京：國網電力科學研究院，2009.

[2]康東明，吳建國，于微偉.面向服務災備平臺的設計與實現[J].計算機工程與科學，2011， 33（4）：146-149.

[3]吳濤.虛擬化存儲技術研究[D].武漢：華中科技大學，2004.

[4]Rabin M. Efficient Dispersal of Information for Security， Load Balancing， and Fault-Tolerance[J].Journal of the ACM，1989，36（2）：355-348.

[5]Rabin M.The Information Dispersal Algorithm and its Applications[C].Proc of Sequences：Combinatorics，Compression， Security and Transmission，1990：406-419.

[6]王蘭.EMS（EMS）備用系統的研究[D].南京：東南大學，2009.

[7]肖達，劉建毅.云災備的關鍵技術[J].中興通訊技術，2010，

16（5）：24-27.

[8]李立新，謝巧云，袁榮昌，等.電網調度云災備系統優化分析與設計[J].電力系統自動化，2012，36（23）：82-85.