基于云計算技術的電力調度自動化系統架構分析

潘原離，李　泉

(國網河北省電力公司邢臺供電分公司，河北　邢臺　054001)

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基于云計算技術的電力調度自動化系統架構分析

潘原離，李泉

(國網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，針對傳統調度自動化系統存在的問題，提出基于云計算技術構建新型調度自動化系統的方法，并從系統的總體架構、信息處理子系統、信息傳輸子系統、人機交互子系統等方面對新老架構進行對比分析，認為新型調度自動化系統架構在可靠性、靈活性、安全性和經濟性上有了大幅提升，具有一定優勢。

關鍵詞：云計算；調度自動化；架構設計

0引言

隨著智能電網的不斷發展，電力系統的規模不斷擴大，互聯程度越來越高，其在運行時所產生的數據信息也隨之急劇增加。智能電網調度系統[1-2]作為智能電網的神經中樞，正在受到嚴峻的挑戰。在各級調度系統技術路線不統一、操作規程不一致、管理水平參差不齊的大環境下，如何能大幅度提高調度自動化系統綜合應用、系統整合、信息共享的能力，成為目前急需解決的問題。

云計算[3]及其虛擬化技術的發展為解決這些難題提供了有效工具。基于該技術提供的資源抽象整合能力，廣域服務分發能力和良好的可靠性、擴展性、經濟性等特質，以改造電力調度自動化系統架構為新思路，合理的規避了各地系統異構所帶來的阻礙，實現了多地系統能力的全面提升。

1云計算概述

1.1云計算的概念和特點

云計算是基于現有技術的開放式計算模式，是利用虛擬化技術對共享的可配置計算資源如網絡、服務器、存儲、應用和服務為用戶提供無處不在的、方便的網絡訪問[4]。跟傳統計算模式相比，云計算具有以下幾個主要特點。

a. 廣泛的網絡訪問。計算資源不局限于本地，用戶可以直接通過互聯網訪問，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。云計算架構可以根據用戶在空間和時間上的需求，快速動態獲取、關閉、擴容、縮減資源規模。

c. 高經濟效益。降低了本地物理建設，減少人員配置，實現了本地基礎架構零維護。同時，云架構可靠性保障體系還使業務中斷損失降低，體現出顯著的經濟效益。

1.2云計算虛擬化技術

1.2.1硬件虛擬化技術

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隔離，操作系統作為文件運行于虛擬化層上，以此提高計算資源利用率和靈活性，同時減少維護工作量。

通過硬件虛擬化，可將1臺服務器變為多臺虛擬機，每個虛擬機獨立運行自己的操作系統和應用軟件，且虛擬機之間的負載實時互補，在提高資源利用率的同時保證了各應用的性能，從而達到節約運行及管理成本的目的。

1.2.2應用虛擬化技術

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

與桌面虛擬化不同，應用虛擬化并不向用戶發送整套桌面，僅將應用程序本身發送給用戶。當需要向多個用戶發送多個應用時，只需在承載機上運行多個獨立副本，并分別發送。

2傳統調度自動化系統架構存在的問題

在傳統調度自動化系統的架構中，通常釆用固定拓撲結構，即每臺服務器固定運行一個模塊以實現特定功能，通過多臺服務器及多個模塊的組合運用，實現調度自動化系統的完整功能。傳統架構模式如圖1所示。

圖1　典型傳統調度自動化系統架構

這種架構模式已顯示出多種弊端。

a. 架構繁雜，耦合度高。為保障自動化系統可靠性，傳統架構為部分核心模塊提供雙單元備用保障，在其中一個節點出現故障時，由備用節點接替原有工作。該技術的應用使系統架構變得及其龐大，且冗余節點增加困難，設備安裝以及使用配置過程都非常復雜，各部件間需高度耦合兼容。

b. 維護難度大。雖然主要結構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，相關排查工作難免影響到系統的完整運行。另外，傳統情況下自動化系統運維人員的配備是依據系統設備數量來確定的，隨著智能電網的發展，信息化資源將迅速增加，與之相對應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成本。

c. 通用性差。不同的廠商生產各自的功能系統，不同的功能系統使用的硬件結構也不盡相同，也就需要專門的維護手段或配備專門的技術人員，難以做到統一規范。

d. 容災性差。作為智能電網的神經中樞，調度自動化系統如出現故障，局部電網事件就可能會迅速擴大到整個電網，甚至造成電網崩潰，這就要求自動化系統須有較好的容災性。然而傳統架構下，由于各應用標準不統一，對運行環境要求嚴格，很難實現大范圍及多數應用災難備用。比如，對服務器A上windows server 2008應用程序的備份僅適用于軟硬件完全相同的服務器B，這意味著每一臺服務器都需要一臺相同的服務器作為災難備用，顯然成本過高，因此傳統架構下很難出現通用的災難恢復方案。

3新型調度自動化系統架構設計

為解決傳統調度自動化系統中存在的諸多問題，將云計算技術應用于調度自動化系統架構設計。系統整體釆用網絡化架構，基本形式如圖2所示。

首先，調度中心和各子廠站采用通信運營商提供的數據專線業務，通過租用光纖通道接入通信傳輸網，并在此基礎上構建VPN，建立電力調度數據網(SGDnet)，調度中心的SCADA服務器與各變電站通信集成服務器都是網絡中的一個節點，并按“點對多點”連接，通過VPN實現調度通信。

其次，將調度主站系統進行重新封裝，充分利用原調度自動化系統架構中的服務器及網絡設備，采用虛擬化技術將其整合為資源池。各原服務器成為池中平等的一員，擁有相同的拓撲連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冗余結構。主站系統各模塊以虛擬機文件的形式進行封裝，其具體運行資源由資源池控制中心調配。系統各模塊之間的通信由虛邏輯網絡完成，在物理層面上經由統一出口與外界完成通信，形成本地云計算數據中心。

圖2　基于云計算技術的電力調度自動化系統架構

同時，云計算數據中心建設方式可以在不同的環境下復制，整合多地的調度自動化資源，建設多個異地云計算數據中心。在此基礎上實現不同地區的調度自動化系統的互聯，使調度資源跨地域調用，實現應用級災難恢復機制，形成堅強的可靠性保障。多個云計算數據本地調度主站系統與異地的云計算數據中心達成協作關系，實現相互災難恢復保障。在正常狀態下，本地主站系統定時與異地云計算數據中心完成虛擬機文件的同步工作，并建立好資源映射機制，保證在系統遷移后能夠實現正常的網絡通信。在發生異常時，由于遠端已經完成了虛擬機文件的同步，因此可迅速根據需求組織相關資源，并執行虛擬機文件，最終實現系統的整體異地重啟?；閭浞莸碾p方建立自動與手動方式并存的偵測機制，在檢測到對方故障時進行提示，在得到管理員同意后進行災難恢復工作，避免因長距離網絡傳輸帶來的心跳偵測失敗。

最后，調度終端系統以創建程序運行沙箱的形式在承載虛擬機上運行多份調度應用，并通過網絡向不同的終端發送。終端系統中的源程序只有一份，多用戶情況下將復制生成多個內存副本，使不同用戶所使用的調度操作平臺嚴格保證一致。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，網絡傳輸的人機交互界面不僅可以傳輸至固定工作站，更可通過4G網絡傳輸至現場移動設備，使調度工作更直觀，更高效。為保障系統可靠性，新型調度自動化系統架構以運行內存冗余的方式代替傳統架構中的關鍵模塊備用模式。正常運行狀態下系統指派兩臺不同的服務器分別運行同一份虛擬機文件，產生兩份相同的內存數據，并向這兩份內存數據同時執行相同的輸入輸出工作，其中一份內存數據作為主體，所有數據讀寫完全執行于物理設備，而另一份內存作為備用，保持與主體相同的內存數據；非正常運行狀態下，如主體虛擬機或承載服務器發生故障時，備用服務器將在幾毫秒內接替原有工作，保證虛擬機的繼續運行，同時數據中心將另外選出備用服務器，并再次生成備用內存數據。

4新型調度自動化系統與傳統系統的架構對比

以下分別從自動化系統的總體架構、信息處理子系統、信息傳輸子系統、人機交互子系統等方面將新老架構進行對比，如表1所示。

表1新型調度自動化系統與傳統系統的架構對比

對比項目傳統架構新型架構總體架構資源本地化資源網絡化信息處理子系統核心服務器雙單元備用;故障后物理切換;能承受一個單元的異常;無遠程災難恢復所有服務器互為備用;故障后同步內存切換;能承受n-1臺服務器異常;多地互為災備站點信息傳輸子系統傳統專用遠動通道;“點對點”方式調度虛擬專用數據網;“點對多點”網絡結構人機交互子系統Web服務;調度工作站;管理工作站Web服務;虛擬工作臺;授權移動終端

新型調度自動化系統以虛擬化技術將傳統的各服務器轉變為云計算數據中心進行統一管理。

a. 實現了硬件與軟件的解耦。調度自動化系統的各模塊不在依賴于特定的服務器，而是以虛擬機的形式由集群控制中心指定運行資源，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的運行。

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

c. 多臺服務器的集中管理。此時的管理單位為資源池，透過管理中心能夠實現所有服務器及虛擬機的運行狀態監控，并可對任何一個環節下達操作指令，大幅簡化系統的維護難度。

5結束語

云計算技術的廣泛采用將為調度自動化系統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，改變了沿用數十年的舊方案，大幅提高了冗余容量，并實現了應用級災難恢復保障；實現了軟件與硬件的解耦，操作系統及其應用軟件的運行不再與物理設備有直接關系，以文件形式完成資源調度，使運行資源的靈活遷移和移動調度應用成為現實；有效削減了硬件投資成本，提高了資金與設備使用效率。相信隨著技術的快速更新，新型調度自動化系統將會得到進一步的發展。

參考文獻：

[1]姚建國，楊勝春，高宗和，等.電網調度自動化系統發展趨勢展望[J].電力系統自動化，2007，31(13):7-11.

[2]鐘金，鄭睿敏，楊衛紅，等.建設信息時代的智能電網[J].電網技術，2009，33(13):12-18.

[3]劉鵬.云計算[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]Simmhan Y, Kumbhare A.G, Baohua Cao, Prasanna V. An Analysis of Security and Privacy Issues in Smart Grid Software Architectures on Clouds [C].Washington: Cloud Computing (CLOUD),2011 IEEE International Conference,2011.582-589．

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

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)01-0004-04

作者簡介：潘原離(1988-)，女，工程師，主要從事電力系統調度自動化運行和維護工作。

收稿日期：2015-09-29