云計算在水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成中的應(yīng)用

李德華，曾廣移，鞏 宇，陳澤陽，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）

1 前言

水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種有效手段和工具，在設(shè)備狀態(tài)趨勢預(yù)估、故障診斷和檢修指導(dǎo)等方面發(fā)揮了巨大的作用。隨著流域級水電站群的建設(shè)和集團公司對電站群的集中管控需要，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和電站其他運行管理數(shù)據(jù)的集成、擴展和應(yīng)用，成了亟待解決的問題。為此需要從全局管理角度，設(shè)計能夠有效整合不同系統(tǒng)資源，實現(xiàn)高效可靠的共享式應(yīng)用平臺和管理系統(tǒng)。

云計算平臺作為海量數(shù)據(jù)處理的新方法，近年來取得了極大的發(fā)展和進步。其具有容易擴展、數(shù)據(jù)管理可靠性高、分布計算性能好等特點，可以有效解決水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成和管控平臺建設(shè)中面臨的可靠性和擴展性等難題。目前，云計算技術(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。

本文以云計算平臺在水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成的應(yīng)用為出發(fā)點，圍繞狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的共享資源集成、數(shù)據(jù)存儲管理和分布式計算平臺的建立等難點，針對集團級電站群的監(jiān)測系統(tǒng)云平臺開發(fā)的實際問題，對關(guān)鍵技術(shù)進行了分析和研究，最后給出基于云平臺的水電設(shè)備數(shù)據(jù)集成管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 云計算與狀態(tài)監(jiān)測集成平臺

2.1 云計算平臺技術(shù)

在云計算平臺的研究和發(fā)展中，較為認(rèn)可的定義是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所給出的，云計算是一種能夠以無處不在的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問方式提供可配置資源服務(wù)的計算模式。通常云計算平臺分為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)層主要通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供虛擬化的計算機、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)等物理設(shè)施，用戶可以在自己提供的基礎(chǔ)設(shè)施上進行操作系統(tǒng)等軟件的部署和應(yīng)用；PaaS平臺服務(wù)層為用戶提供了軟件開發(fā)平臺和測試環(huán)境，在計算機集群的基礎(chǔ)上，開展云計算應(yīng)用的開發(fā)與測試工作；SaaS軟件服務(wù)層為用戶提供了滿足特殊需求的軟件，用戶不需要配置、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平臺服務(wù)層和SaaS軟件服務(wù)層通常運行在IaaS基礎(chǔ)服務(wù)層上，PaaS平臺服務(wù)層為SaaS和非SaaS軟件服務(wù)層提供服務(wù)。圖1是典型的云平臺服務(wù)結(jié)構(gòu)。

圖1 典型云平臺服務(wù)結(jié)構(gòu)

由于云計算平臺應(yīng)用需求的滿足是一個漸進的過程，云平臺的建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此，云平臺建設(shè)通常需要遵循長期規(guī)劃、分步實施的原則，前期重點在IaaS基礎(chǔ)服務(wù)層，后續(xù)再根據(jù)實際需求，逐步進行PaaS和SaaS層的實現(xiàn)[4]。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺

水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要用于對設(shè)備（水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備、主變壓器、GIS設(shè)備等）狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)警、分析和評估。監(jiān)測的內(nèi)容通常包括機組的振動、擺度、壓力脈動、定轉(zhuǎn)子空氣間隙、GIS局部放電、主變油色譜等。系統(tǒng)通常提供實時綜合監(jiān)測、預(yù)警報警監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評價、故障診斷等功能。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測點多，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)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成平臺主要負(fù)責(zé)從外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)寫入到操作型數(shù)據(jù)存儲層，由數(shù)據(jù)接收功能、數(shù)據(jù)寫入功能、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)測系統(tǒng)、電廠側(cè)數(shù)據(jù)采集平臺和生產(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)測數(shù)據(jù)集成平臺結(jié)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫和電廠側(cè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)庫的動態(tài)鏡像傳輸技術(shù)。針對部分特定的水電狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如機組過速和甩負(fù)荷試驗過程錄波數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)庫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，另一側(cè)的相應(yīng)配置文件可自動同步更改，保證配置文件的統(tǒng)一。

3 基于云計算的水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成

水電設(shè)備現(xiàn)場測試和診斷技術(shù)的發(fā)展方向是與當(dāng)代前沿科學(xué)進行融合的。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)合國內(nèi)外測試與診斷技術(shù)的發(fā)展水平，現(xiàn)場測試、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(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、多維化以及測試和試驗分析的智能化、現(xiàn)場離線試驗與在線監(jiān)測、電站信息系統(tǒng)的深度融合上。對水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測集成平臺而言，為了解決底層采集設(shè)備、實時存儲數(shù)據(jù)和多種信息融合的問題，需將云計算技術(shù)在資源集成、數(shù)據(jù)存儲和計算分析3個方面與狀態(tài)監(jiān)測集成平臺進行結(jié)合和應(yīng)用。

（1）系統(tǒng)集成與資源共享。由于水電站的運行和管理涉及的方向較多，而各種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(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)用需求進行設(shè)計，導(dǎo)致不同系統(tǒng)的開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)庫配置、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，計算、存儲和通信的效率也不高。這在單臺機組或單個電站運行管理時問題并不突出，但涉及到流域和集團公司對多個電站、多臺機組和大量系統(tǒng)平臺進行管理時，就會產(chǎn)生硬件設(shè)備孤立、資源過度分散的問題，不能充分發(fā)揮硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源的集中優(yōu)勢。

云計算通過虛擬化技術(shù)，將計算機服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲設(shè)備進行抽象，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)器集群對水電企業(yè)不同的業(yè)務(wù)提供可擴展的資源服務(wù)。同時，云計算可以實現(xiàn)資源的動態(tài)增減，具有開放性和擴展性，再通過軟件技術(shù)提高系統(tǒng)集群的協(xié)作能力，在硬件設(shè)備和負(fù)載均衡方面實現(xiàn)高效的管理。

（2）海量數(shù)據(jù)存儲管理 。對水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和管理系統(tǒng)而言，其不僅包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，也包括機組運行和管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型既有結(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)。云平臺采用分布式數(shù)據(jù)庫，針對不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行歸一化和統(tǒng)一處理，在集群設(shè)備里進行分布式冗余存儲，并進行實時映像和備份工作，保證了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。由于其采用了分布式數(shù)據(jù)庫，可以按照用戶需求，進行并行化搜索計算，快速定位數(shù)據(jù)源，保證數(shù)據(jù)查詢效率。

（3）實時計算分析。對集團級水電站的綜合管理，一方面需要實時開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，另一方面需要開展調(diào)度、優(yōu)化運行等高速計算工作，這些工作涉及大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料的查詢、分析和處理，對整個系統(tǒng)的計算能力也提出了較高的需求。

云計算主要利用分布式集群計算方法，將作業(yè)任務(wù)分解，并分配至多個節(jié)點并行執(zhí)行，不僅提高了數(shù)據(jù)計算能力和效率，而且能夠滿足系統(tǒng)分析的實時性。當(dāng)單一節(jié)點任務(wù)失效時，對應(yīng)的計算任務(wù)將自動重新分配至其他節(jié)點，能夠保證計算分析的可靠性。比如當(dāng)前比較成熟的大數(shù)據(jù)計算框架——Hadoop，便可以通過其子項目MapReduce，將狀態(tài)監(jiān)測、分析和診斷的計算任務(wù)拆分為子任務(wù)，借用云平臺中海量基礎(chǔ)設(shè)施提供的運算能力，并行計算，縮短計算時間，高效完成運算任務(wù)。

通過資源集成、數(shù)據(jù)分布存儲和計算，云計算技術(shù)可以與電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺有機結(jié)合，并有效的解決系統(tǒng)集成平臺中硬件設(shè)備整合、數(shù)據(jù)存儲和計算能力擴展等方面的困難，提高系統(tǒng)集成平臺的建設(shè)水平。

4 基于PaaS的云平臺的設(shè)計

云計算中 PaaS（Platform as a Service）主要指以服務(wù)的方式提供整個應(yīng)用所需的服務(wù)器平臺和開發(fā)環(huán)境。為了實現(xiàn)云計算與水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的集成，首先需要開展基于PaaS的云平臺設(shè)計，再通過基于PaaS的開發(fā)工具、中間件以及數(shù)據(jù)庫等，使得多開發(fā)廠家可快速開發(fā)應(yīng)用程序，并將其部署到公有或私有云上，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動化管理[5，6]。

基于PaaS的水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測集成云平臺總體架構(gòu)如圖3所示。為了建立數(shù)據(jù)集成平臺，首先需要接入電廠現(xiàn)地的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，獲取設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測信息，并實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的管理和存儲功能。在采集平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)分析和應(yīng)用平臺的開發(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，其 中 HDFS（Hadoop Distributed File System）為海量數(shù)據(jù)提供了分布式存儲架構(gòu)，MapReduce則提供了并行計算功能。生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)采集平臺接口軟件采集狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)特點存儲到實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，同時面向生產(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)用運行管控平臺，遵循統(tǒng)一規(guī)范開發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的高級應(yīng)用程序。

4.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)采集層、操作型數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)倉庫/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)寫入到操作型數(shù)據(jù)存儲層，數(shù)據(jù)倉庫/集市層存儲加工后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)層通過SOA服務(wù)對外提供數(shù)據(jù)訪問。

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，匯集了公司下屬各站的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、主變狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、大壩監(jiān)測系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)管理類數(shù)據(jù)，如缺陷記錄、檢修維護檔案等。系統(tǒng)綜合使用分布式實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來管理及存儲數(shù)據(jù)，并通過公共服務(wù)層對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

4.2 生產(chǎn)應(yīng)用中心

應(yīng)用中心用于對應(yīng)用的開發(fā)、部署及運行進行管控，按照“一體化、模塊化、輕量化”原則，為多廠家提供開放的、統(tǒng)一的開發(fā)與運行環(huán)境，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用快速開發(fā)、“插拔式”部署和統(tǒng)一運行管理。應(yīng)用中心在PaaS云平臺框架的基礎(chǔ)上，采用組件化開發(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)用開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境。

應(yīng)用中心開發(fā)環(huán)境包括基礎(chǔ)開發(fā)平臺、移動開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)組態(tài)工具、數(shù)據(jù)分析平臺等；運行環(huán)境包括桌面應(yīng)用和移動應(yīng)用的應(yīng)用運行環(huán)境。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的應(yīng)用管理平臺，實現(xiàn)應(yīng)用管理、配置與平臺監(jiān)控等功能。

4.3 云平臺部署

對調(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（實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫/集市、公共數(shù)據(jù)服務(wù)組件）以及應(yīng)用中心（開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境、應(yīng)用管理平臺等）。

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)器接入各廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)管理類數(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)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過專用網(wǎng)絡(luò)傳送至總部數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心；在總部部署1臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，接入集控中心數(shù)據(jù)；對于管理類數(shù)據(jù)、離線試驗數(shù)據(jù)等，部署專門服務(wù)器進行采集。所有數(shù)據(jù)均最終匯集到數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一管理、存儲。

5 小結(jié)

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，云計算平臺越來越顯示出其在大規(guī)模信息整合中的優(yōu)勢。對水電企業(yè)正在大量開展的集團或流域級狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成工作，云平臺技術(shù)在其中的應(yīng)用是一個需要重點研究問題。由于云平臺在整個系統(tǒng)集成中的架構(gòu)和核心地位，必須在設(shè)計初期進行整體綜合考慮，尤其要重視數(shù)據(jù)存儲、接口通信和應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作，通過建立完備合理的標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(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)和平臺基礎(chǔ)。