智能調度自動化系統中鏡像系統的設計與實現

季學純, 曾堅永, 彭 暉,溫柏堅, 盧建剛, 史浩秋, 季惠英

( 1. 南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司),江蘇 南京 211106；2. 廣東電網電力調度控制中心, 廣東 廣州 510600)

0 引言

近年來，隨著大范圍交直流混連大電網的建設，電網架構日趨復雜，支撐電網運行的一體化電網運行智能系統數據規模越來越大，系統功能越來越多[1-3]，這不僅給調度運行帶來了新的困難，也給系統的數據接入、程序升級、新功能調試、應用模塊投運、應用間配合等運行維護工作帶來了更大的挑戰，對運行維護人員也提出了更高的要求。因此需要研究智能調度自動化系統的鏡像系統(以下簡稱“鏡像系統”)實現技術，滿足自動化系統調試、人員培訓等方面的需求。

鏡像系統是指在硬件上獨立部署、軟件功能與實時系統基本一致，與實時運行系統解耦的獨立運行環境，可用于自動化系統的人員培訓、測試仿真等。國內在調度員仿真培訓方面的研究工作經過20多年的發展，已逐漸成熟，并在各級調度中心的調度員培訓、反事故演習等方面發揮了重要的作用[4-6]。其在系統環境仿真、培訓案例設置等方面對本文具有較強的借鑒意義，但在環境的快速部署、易維護性、自動化人員培訓場景等方面還有待加強。文獻[7]提出了數字電力系統的概念，其實質是對實際的電力一次系統進行數字化鏡像，以提高電力系統狀態實時評估和科學決策能力，未涉及二次自動化系統的鏡像。文獻[8]構建了智能電網調度控制系統綜合試驗驗證平臺，提出了源代碼、功能、性能、穩定性等試驗驗證的技術和方法，但其用途較為單一，平臺的搭建和維護也較為復雜。文獻[9]和文獻[10]給出了面向維護人員的變電站自動化技術培訓系統實現方案，但技術需求、實現方式等與調度主站端差別很大。文獻[11]通過人工部署一套與EMS一致的系統，并人工同步數據斷面的方式，實現了一種簡單的鏡像系統，但沒有解決鏡像系統快速部署、系統鏡像同步、數據同步、自動化故障教案編制、自動化人員操作記錄、培訓評估等關鍵技術問題，且部署過程較為繁瑣，后期維護工作量大，實用性不強。

文中在分析鏡像系統的功能需求基礎上，結合廣東電網新一代智能調度自動化系統建設[12-13]，設計了一種鏡像系統體系架構，給出了鏡像系統實際工程應用案例，對于調度自動化系統的安全穩定運行意義重大，且易于部署和維護，具有廣泛的應用前景。

1 架構設計

鏡像系統的設計目標如下：硬件配置可在滿足性能要求的前提下減少數量，降低配置；軟件部署可根據需要，涵蓋調度自動化系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區所需功能模塊。鏡像系統能以實時系統中任意時刻的電網模型、圖形和數據斷面為基礎，通過環境的快速復制，形成獨立的研究、培訓、測試環境，供使用者開展研究分析、學習培訓、仿真測試工作。使用者可在仿真測試系統中對電網模型、圖形、運行數據進行任意修改，而不會對運行系統的實時運行和已存儲的數據帶來任何影響。當鏡像系統用于系統測試和自動化培訓等目的時，往往要求快速搭建多套鏡像系統，并且在鏡像系統環境被破壞后能夠很快恢復，同時還要求盡可能減少硬件投資，充分利用計算機資源。

鏡像系統設計上需要遵循如下原則：

(1) 全面性。鏡像系統從功能上可涵蓋實時系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區全部功能模塊，可采用與運行系統相同的軟件配置。

(2) 獨立性。鏡像系統具備與實時系統完全獨立的環境，包括獨立的服務器、工作站、網絡設施、存儲設備等。

(3) 安全性。鏡像系統上的任何操作，包括破壞性的測試均不應影響實時系統的安全穩定運行。

(4) 易用性。鏡像系統的部署、維護和管理快速簡便，運維人員在數分鐘至數十分鐘內就能完成一套或多套鏡像系統的部署，后續運行過程中基本不需要額外的人工維護。

根據前述設計目標和原則，提出了基于虛擬化技術的鏡像系統設計方案，其系統架構如圖1所示。

圖1 鏡像系統架構Fig. 1 Diagram of mirroring system architecture

鏡像系統與實時系統在物理網絡上設置防火墻，通過配置防火墻規則允許實時系統對鏡像系統單向傳輸數據。僅允許鏡像系統通過開通的幾個端口向實時系統發起數據請求，保證了實時系統的安全性。鏡像系統采用完全獨立的硬件，并利用虛擬化技術，虛擬出所需的多組服務器。

鏡像系統由鏡像模板和若干測試仿真環境組成，所有節點都是通過虛擬機產生的虛擬節點。鏡像模板由若干臺虛擬服務器節點構成，鏡像模板的程序版本、環境配置、應用部署與實時系統完全一致。此外，鏡像模板中還部署了鏡像管理模塊和數據代理模塊。鏡像管理模塊主要負責對整個鏡像系統中鏡像模板，測試仿真環境所有節點的創建、配置、維護等管理操作。數據代理主要負責從實時系統接收圖形、模型、消息、歷史數據等，并轉發給各個測試仿真環境。鏡像模板主要用于克隆測試仿真環境，但不用于其它測試仿真和培訓用途。

根據具體應用需要，可依據鏡像模板同時克隆多個相互獨立的測試仿真環境，用于自動化人員培訓或測試仿真。測試仿真環境可以在需要時臨時創建，使用完畢后刪除以釋放虛擬機資源，也可以長時間運行而不需要額外的維護工作。

2 關鍵技術

2.1 鏡像系統快速構建技術

近年來，虛擬化技術發展迅速，其中的服務器虛擬化可以將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，不再受限于物理上的界限。中央處理器(central processing unit，CPU)、內存、磁盤、輸入/輸出(input/output，I/O)等硬件變成可以動態管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統管理。這不僅大大節省的鏡像系統的硬件投資，也給系統的部署和維護帶來了極大的便利[14-17]。

雖然由于使用虛擬化會帶來硬件上的開銷，但是在CPU廠商和虛擬化軟件公司的共同努力下，這種性能的損失在可以接受的范圍內[18]。由于鏡像系統對實時性的要求相對于運行系統要低，文中利用了虛擬化快速克隆部署等技術特點實現鏡像系統的快速部署。

如圖2所示，基于虛擬化技術的鏡像系統有兩種構建方式。

圖2 基于虛擬化的鏡像系統Fig. 2 Diagram of mirroring system based on virtualization

第一種方式如圖2(a)所示，直接從實時系統克隆出多套測試仿真環境，這種方式看似簡單，但存在如下問題：需要將實時系統構建在虛擬化節點上，雖然目前虛擬化技術已較為成熟，但基于虛擬化環境的電網實時調控系統還未見成熟應用，存在較大風險； 實時系統需要向鏡像系統的多套測試仿真環境同步數據，容易對實時系統的穩定運行造成影響。

第二種方式如圖2(b)所示，在鏡像系統中部署鏡像模板，鏡像模板可以看作是搭建在鏡像系統虛擬節點上的一個特殊的測試仿真環境，其模型、圖形、實時數據、用戶操作數據等與實時系統保持同步，但鏡像模板不用于具體的測試仿真和培訓等用途，一旦創建成功，一般不會頻繁地創建和刪除。它的主要功能有：為測試仿真環境的快速搭建提供模板；向測試仿真環境轉發模型、圖形、實時數據、用戶操作數據等變化數據。這樣就可以很好地解決第一種方式存在的問題，因此文中采用第二種方式實現基于虛擬化技術的鏡像系統。

2.2 快照一致性技術

通過鏡像模板創建測試仿真環境時，需要先給鏡像模板創建一個快照，然后根據快照創建測試仿真環境。當鏡像模型中部署了關系數據庫時，創建快照時關系數據庫可能處于非靜止狀態，產生的快照可能會由于數據的不一致，導致測試仿真環境中數據庫無法正常啟動。在微軟的Windows操作系統平臺上，提供了一種卷影復制服務(volume shadow copy services，VSS)，通過該服務的應用程序編程接口(application programming interface，API)，可以驅動數據庫等應用進入數據一致性的靜止狀態。在快照開始初始化之前，完成刷新緩存、結束寫操作以及系統狀態的更新。目前Linux和Unix操作系統還不具備類似VSS的API接口。部分虛擬機產品可以在創建快照時讓虛擬機進入靜止狀態，然后再創建快照，但由于沒有通知到數據庫程序，還是會存在不一致的風險，且不具有通用性。

一般的數據庫產品都支持集成第三方備份軟件，并提供相應的接口供備份軟件調用，以使備份軟件在需要進行數據庫備份時，調用該接口使數據庫進入靜止狀態。本方案中正是利用數據庫的這一特點，在根據鏡像模板創建測試仿真環境時，首先調用數據庫備份接口使數據庫進入靜止狀態，然后再調用虛擬機的接口創建快照，以確保數據庫快照的一致性。這種方式不依賴于特定的操作系統和虛擬化軟件，具有較強的通用性。

2.3 數據代理技術

鏡像系統的運行環境需要與實時運行系統保持高度一致，這樣才能為人員培訓、測試仿真打下良好的基礎。這就需要將在線運行環境中的程序、配置文件、靜態模型數據等任何變化數據及時同步到鏡像系統中。鏡像系統中可能有多個測試仿真環境同時運行，而這些測試仿真環境可能會根據功能測試需要、培訓需要等動態地創建、刪除，這就給數據同步管理造成了困難：一方面實時系統需要向鏡像系統中的多套環境發送數據，另一方面還需要根據鏡像系統中測試仿真環境的創建和刪除動態地修改同步策略。通過鏡像模板中的數據代理則能夠很好地解決這個問題,如圖3所示。

圖3 實時系統與鏡像系統的數據流Fig. 3 Data flow diagram of real time system and mirroring system

數據代理運行在鏡像模板下，采用“接收-轉發”和“請求-響應”兩種工作模式。

數據代理轉發的數據包括運行環境數據、靜態圖模數據、動態實時數據、用戶操作數據、歷史數據幾大類。其中運行環境數據包括應用程序、動態庫、配置文件等，靜態圖模數據包括圖形、模型等，動態實時數據包括從前置采集的量測數據，用戶操作數據是指置數、封鎖、掛牌等調度運行人員在系統上手動進行操作的數據，歷史數據包括采樣數據、告警數據等。由于實時系統和數據代理間部署了防火墻，所以數據轉發是單向的，可以有效避免鏡像系統中的數據對實時系統產生影響。

并非所有的測試仿真系統都需要所有類型的數據。例如在進行自動化培訓時，可能不需要自動接收運行環境數據，以免影響培訓效果。大多數據情況下，測試仿真環境也不需要接收歷史數據，因為測試仿真環境本身也可以進行歷史數據的采集。只有需要長時段的完整歷史數據才需要通過“請求-響應”的方式從實時系統獲取指定的歷史數據。

2.4 鏡像管理

鏡像管理主要包括鏡像模板管理和測試仿真環境管理兩個部分功能。

鏡像模板在整個鏡像系統中處于核心地位。如果鏡像模板出現故障，一方面會影響新的測試仿真環境的創建，另一方面也會影響實時系統向鏡像系統的數據轉發功能。因此需要對鏡像模板進行主備冗余配置，以確保鏡像模板的可靠性。此外，還需要提供鏡像模板的備份恢復功能，定期對鏡像模板中程序、數據、配置信息等進行備份。鏡像模板的恢復支持分為從備份恢復和從實時系統恢復兩種方式。

測試仿真環境管理包括測試仿真環境的創建、配置、刪除等。當需要搭建測試仿真環境時，通過向導式界面，只需要進行域名、主機名、IP地址、應用配置等簡單的配置，就可以從鏡像模板迅速派生出一套完整的測試仿真環境。當測試仿真環境不再需要時，也可以通過測試仿真環境管理界面快速刪除，以釋放虛擬機資源。

通過虛擬化技術可從鏡像模板同時克隆出的多套測試仿真環境，且每套測試仿真環境之間的CPU、內存、硬盤等資源相互隔離。軟件上通過配置不同的域名實現測試仿真環境的功能獨立，從而確保在多用戶同時操作情況下互不干擾。

2.5 培訓案例集成框架

隨著實時系統應用功能的完善，系統也變得越來越復雜，要求測試仿真系統的培訓案例是可不斷擴充和完善的。系統實現了一種自動化培訓案例集成框架，擴充培訓案例時，只需要通過編寫腳本和程序模擬故障，不需要對整個自動化培訓流程和界面做任何的開發。

培訓案例集成框架提供圖形界面進行故障操作模擬，教員可新建各個故障類型標簽，在標簽下可新建各個具體的故障按鈕，并與故障模擬程序或腳本建立對應關系。在培訓進行時，教員選擇故障類型下的具體故障，點擊啟動按鈕后，由模擬程序和腳本產生對應故障。學員則根據自動化系統中的告警界面等，判斷故障范圍和原因，并進行排查和處理操作。培訓框架可根據故障處理中預設的關鍵條件進行跟蹤，當滿足設定的故障恢復條件后，教員從圖形界面得到故障排除的反饋。

操作記錄功能自動記錄學員和教員的操作內容和操作步驟，作為對學員操作的指導和評價依據。培訓評價功能由教員根據學員的處理過程和處理結果給出評價。

3 應用案例

3.1 自動化人員培訓

自動化人員培訓是鏡像系統的一個重要應用方向，分為故障教案編制和模擬、操作記錄、培訓評價三部分組成。故障設置可通過培訓教案組合而成，目前系統已具備通道故障、系統硬件故障、系統軟件故障、數據跳變、自動發電控制(automatic generation control，AGC)故障等6大類23項故障的設置功能。例如：

(1) 通道故障。在系統中接入子站模擬器，建立遠動通道，模擬腳本通過控制通道配置等方法來產生一個或多個遠動通道故障。

(2) 系統硬件故障。模擬程序調用虛擬化軟件提供接口，產生服務器異常、網絡設備異常、存儲設備故障、二次安防設備故障等。

(3) 系統軟件故障。模擬程序調用平臺接口，產生數據庫異常、平臺關鍵進程退出、系統緩存目錄異常增長等，可選擇預設的故障歷史斷面來產生由于量測問題導致狀態估計無法收斂的故障。

(4) 數據跳變。模擬程序指定總出力或總負荷公式里的其中一個量測因子，使其產生較大的數據突變。

(5) AGC故障。模擬程序修改電力自動化監控系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)量測點的數值來產生關口數據的實時值與計劃值差異超過閥值、沒有有效的頻率量測、關口數據的本端采集與對端采集差異超過閥值等故障。

3.2 系統功能測試仿真

系統功能測試仿真為實時系統中新功能的開發提供了部署、調試、測試、試運行整個流程的測試仿真環境。小到某一個應用程序的故障分析，大到某一個新應用的開發部署，均可以在鏡像系統中完成。并且常規系統開發過程中用到的任何測試工具，均可以在測試仿真環境中正常使用。

典型的系統功能測試仿真包含如下幾個步驟：

(1) 構建測試仿真環境，可根據需要選擇全應用仿真和部分應用仿真。

(2) 新程序部署。除了部署新程序和動態庫，可能還會涉及數據庫修改、配置文件文件修改等操作，如果部署涉及的工作很多，可以在測試仿真環境部署的同時，形成部署腳本。

(3) 測試。除了進行常規的功能測試外，還可通過壓力測試檢驗程序在高負荷狀態下的運行情況等。此外，還可以對程序部署腳本進行測試，以保證新功能在實時系統上的部署順利進行。

(4) 試運行。通過長時間的試運行檢驗程序的穩定性。

(5) 實時系統部署分發。通過測試的程序在實時系統中進行部署，并分發到實時系統的所有節點。

系統功能測試仿真的應用，給應用開發人員帶來了很大便利，可以很方便地模擬各種復雜環境，對應用程序進行更加全面的測試，大大降低了新功能部署給實時系統運行帶來的風險。

3.3 應用效果比較

目前鏡像系統已在廣東電網新一代智能調度自動化系統中投入運行，自動化人員已基于鏡像系統開展運維培訓，新功能、新應用在部署前需要經過鏡像系統仿真環境的驗證，系統仿真流程如圖4所示。廣東中調的鏡像系統則由8臺物理機組成，圖5中物理機xen1虛擬出了多臺應用服務器，分別用于不同的仿真場景。

圖4 系統功能測試仿真流程Fig. 4 Flow chart of system function test simulation

圖5 鏡像系統單臺物理機中的虛擬服務器Fig. 5 Virtual server diagram of mirroring system single physical machine

如表1所示，鏡像系統與傳統測試驗證系統等相比，優點顯著。

表1 鏡像系統與傳統測試仿真系統對比Tab. 1 Comparison of mirroring system and traditional test simulation system

4 結語

本文通過研究鏡像系統需求、設計體系架構和研發關鍵技術，實現了培訓系統和仿真系統的模板管理、快速部署、數據管理、人員培訓、仿真測試，有效地提高了自動化人員運維水平，有力地保障了智能調度自動化系統的穩定運行。后續鏡像系統還有待提升和完善。例如自動化培訓案例需要擴充，培訓評價功能也有待完善。鏡像系統的應用價值還可以進一步挖掘，例如用于電網模型離線管理、備用調度自動化系統建設等，以充分利用現有資源，更好地為各專業提供服務。

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