基于云计算技术的电力调度自动化系统架构分析

潘原离，李　泉

(国网河北省电力公司邢台供电分公司，河北　邢台　054001)



基于云计算技术的电力调度自动化系统架构分析

潘原离，李泉

(国网河北省电力公司邢台供电分公司，河北邢台054001)

摘要：介绍云计算概念、特点和虚拟化技术，针对传统调度自动化系统存在的问题，提出基于云计算技术构建新型调度自动化系统的方法，并从系统的总体架构、信息处理子系统、信息传输子系统、人机交互子系统等方面对新老架构进行对比分析，认为新型调度自动化系统架构在可靠性、灵活性、安全性和经济性上有了大幅提升，具有一定优势。

关键词：云计算；调度自动化；架构设计

0引言

随着智能电网的不断发展，电力系统的规模不断扩大，互联程度越来越高，其在运行时所产生的数据信息也随之急剧增加。智能电网调度系统[1-2]作为智能电网的神经中枢，正在受到严峻的挑战。在各级调度系统技术路线不统一、操作规程不一致、管理水平参差不齐的大环境下，如何能大幅度提高调度自动化系统综合应用、系统整合、信息共享的能力，成为目前急需解决的问题。

云计算[3]及其虚拟化技术的发展为解决这些难题提供了有效工具。基于该技术提供的资源抽象整合能力，广域服务分发能力和良好的可靠性、扩展性、经济性等特质，以改造电力调度自动化系统架构为新思路，合理的规避了各地系统异构所带来的阻碍，实现了多地系统能力的全面提升。

1云计算概述

1.1云计算的概念和特点

云计算是基于现有技术的开放式计算模式，是利用虚拟化技术对共享的可配置计算资源如网络、服务器、存储、应用和服务为用户提供无处不在的、方便的网络访问[4]。跟传统计算模式相比，云计算具有以下几个主要特点。

a. 广泛的网络访问。计算资源不局限于本地，用户可以直接通过互联网访问，获取“云”资源池中的资源和高性能的计算能力。

b. 快速弹性架构。云计算架构可以根据用户在空间和时间上的需求，快速动态获取、关闭、扩容、缩减资源规模。

c. 高经济效益。降低了本地物理建设，减少人员配置，实现了本地基础架构零维护。同时，云架构可靠性保障体系还使业务中断损失降低，体现出显著的经济效益。

1.2云计算虚拟化技术

1.2.1硬件虚拟化技术

硬件虚拟化，可理解为增加一个抽象的虚拟化层，将物理硬件与操作系统隔离，操作系统作为文件运行于虚拟化层上，以此提高计算资源利用率和灵活性，同时减少维护工作量。

通过硬件虚拟化，可将1台服务器变为多台虚拟机，每个虚拟机独立运行自己的操作系统和应用软件，且虚拟机之间的负载实时互补，在提高资源利用率的同时保证了各应用的性能，从而达到节约运行及管理成本的目的。

1.2.2应用虚拟化技术

应用虚拟化，是将服务器上的应用程序虚拟至本地客户端的一种技术，管理员不再需要向每台电脑安装应用程序，只需要在1台“承载服务器”上安装所有应用，然后通过虚拟应用技术将“承载服务器”相应应用程序的人机界面推送到客户端、轻型工作站、智能移动终端等设备上使用。

与桌面虚拟化不同，应用虚拟化并不向用户发送整套桌面，仅将应用程序本身发送给用户。当需要向多个用户发送多个应用时，只需在承载机上运行多个独立副本，并分别发送。

2传统调度自动化系统架构存在的问题

在传统调度自动化系统的架构中，通常釆用固定拓扑结构，即每台服务器固定运行一个模块以实现特定功能，通过多台服务器及多个模块的组合运用，实现调度自动化系统的完整功能。传统架构模式如图1所示。

图1　典型传统调度自动化系统架构

这种架构模式已显示出多种弊端。

a. 架构繁杂，耦合度高。为保障自动化系统可靠性，传统架构为部分核心模块提供双单元备用保障，在其中一个节点出现故障时，由备用节点接替原有工作。该技术的应用使系统架构变得及其庞大，且冗余节点增加困难，设备安装以及使用配置过程都非常复杂，各部件间需高度耦合兼容。

b. 维护难度大。虽然主要结构具有双单元备用保障，但在其余部分仍存在大量单点故障，且一旦遇到单点故障，相关排查工作难免影响到系统的完整运行。另外，传统情况下自动化系统运维人员的配备是依据系统设备数量来确定的，随着智能电网的发展，信息化资源将迅速增加，与之相对应的管理工作量也急剧增长，这意味着更多的人力消耗和更大的维护成本。

c. 通用性差。不同的厂商生产各自的功能系统，不同的功能系统使用的硬件结构也不尽相同，也就需要专门的维护手段或配备专门的技术人员，难以做到统一规范。

d. 容灾性差。作为智能电网的神经中枢，调度自动化系统如出现故障，局部电网事件就可能会迅速扩大到整个电网，甚至造成电网崩溃，这就要求自动化系统须有较好的容灾性。然而传统架构下，由于各应用标准不统一，对运行环境要求严格，很难实现大范围及多数应用灾难备用。比如，对服务器A上windows server 2008应用程序的备份仅适用于软硬件完全相同的服务器B，这意味着每一台服务器都需要一台相同的服务器作为灾难备用，显然成本过高，因此传统架构下很难出现通用的灾难恢复方案。

3新型调度自动化系统架构设计

为解决传统调度自动化系统中存在的诸多问题，将云计算技术应用于调度自动化系统架构设计。系统整体釆用网络化架构，基本形式如图2所示。

首先，调度中心和各子厂站采用通信运营商提供的数据专线业务，通过租用光纤通道接入通信传输网，并在此基础上构建VPN，建立电力调度数据网(SGDnet)，调度中心的SCADA服务器与各变电站通信集成服务器都是网络中的一个节点，并按“点对多点”连接，通过VPN实现调度通信。

其次，将调度主站系统进行重新封装，充分利用原调度自动化系统架构中的服务器及网络设备，采用虚拟化技术将其整合为资源池。各原服务器成为池中平等的一员，拥有相同的拓扑连接方式以及相同的管理配置方式，在物理层面上具备全面双网冗余结构。主站系统各模块以虚拟机文件的形式进行封装，其具体运行资源由资源池控制中心调配。系统各模块之间的通信由虚逻辑网络完成，在物理层面上经由统一出口与外界完成通信，形成本地云计算数据中心。

图2　基于云计算技术的电力调度自动化系统架构

同时，云计算数据中心建设方式可以在不同的环境下复制，整合多地的调度自动化资源，建设多个异地云计算数据中心。在此基础上实现不同地区的调度自动化系统的互联，使调度资源跨地域调用，实现应用级灾难恢复机制，形成坚强的可靠性保障。多个云计算数据本地调度主站系统与异地的云计算数据中心达成协作关系，实现相互灾难恢复保障。在正常状态下，本地主站系统定时与异地云计算数据中心完成虚拟机文件的同步工作，并建立好资源映射机制，保证在系统迁移后能够实现正常的网络通信。在发生异常时，由于远端已经完成了虚拟机文件的同步，因此可迅速根据需求组织相关资源，并执行虚拟机文件，最终实现系统的整体异地重启。互为备份的双方建立自动与手动方式并存的侦测机制，在检测到对方故障时进行提示，在得到管理员同意后进行灾难恢复工作，避免因长距离网络传输带来的心跳侦测失败。

最后，调度终端系统以创建程序运行沙箱的形式在承载虚拟机上运行多份调度应用，并通过网络向不同的终端发送。终端系统中的源程序只有一份，多用户情况下将复制生成多个内存副本，使不同用户所使用的调度操作平台严格保证一致。在功能升级过程中，仅需要更改源程序文件，即可使全体用户同步升级。此外，网络传输的人机交互界面不仅可以传输至固定工作站，更可通过4G网络传输至现场移动设备，使调度工作更直观，更高效。为保障系统可靠性，新型调度自动化系统架构以运行内存冗余的方式代替传统架构中的关键模块备用模式。正常运行状态下系统指派两台不同的服务器分别运行同一份虚拟机文件，产生两份相同的内存数据，并向这两份内存数据同时执行相同的输入输出工作，其中一份内存数据作为主体，所有数据读写完全执行于物理设备，而另一份内存作为备用，保持与主体相同的内存数据；非正常运行状态下，如主体虚拟机或承载服务器发生故障时，备用服务器将在几毫秒内接替原有工作，保证虚拟机的继续运行，同时数据中心将另外选出备用服务器，并再次生成备用内存数据。

4新型调度自动化系统与传统系统的架构对比

以下分别从自动化系统的总体架构、信息处理子系统、信息传输子系统、人机交互子系统等方面将新老架构进行对比，如表1所示。

表1新型调度自动化系统与传统系统的架构对比

对比项目传统架构新型架构总体架构资源本地化资源网络化信息处理子系统核心服务器双单元备用;故障后物理切换;能承受一个单元的异常;无远程灾难恢复所有服务器互为备用;故障后同步内存切换;能承受n-1台服务器异常;多地互为灾备站点信息传输子系统传统专用远动通道;“点对点”方式调度虚拟专用数据网;“点对多点”网络结构人机交互子系统Web服务;调度工作站;管理工作站Web服务;虚拟工作台;授权移动终端

新型调度自动化系统以虚拟化技术将传统的各服务器转变为云计算数据中心进行统一管理。

a. 实现了硬件与软件的解耦。调度自动化系统的各模块不在依赖于特定的服务器，而是以虚拟机的形式由集群控制中心指定运行资源，同样的，硬件部分的任何改动也将不会影响资源池上虚拟机的运行。

b. 实现了以文件形式管理的虚拟机系统。文件是一种能够整体传输并能够方便的创建、修改、删除的对象。系统各模块成为“文件”之后，意味着它们能够以文件的形式进行管理，在资源池上实现移动、修改、复制等工作，在一定监测手段的配合下，可实现高等级的可靠性保障。

c. 多台服务器的集中管理。此时的管理单位为资源池，透过管理中心能够实现所有服务器及虚拟机的运行状态监控，并可对任何一个环节下达操作指令，大幅简化系统的维护难度。

5结束语

云计算技术的广泛采用将为调度自动化系统带来一次全新的革命，利用原有资源形成了高可靠性保障的资源池，改变了沿用数十年的旧方案，大幅提高了冗余容量，并实现了应用级灾难恢复保障；实现了软件与硬件的解耦，操作系统及其应用软件的运行不再与物理设备有直接关系，以文件形式完成资源调度，使运行资源的灵活迁移和移动调度应用成为现实；有效削减了硬件投资成本，提高了资金与设备使用效率。相信随着技术的快速更新，新型调度自动化系统将会得到进一步的发展。

参考文献：

[1]姚建国，杨胜春，高宗和，等.电网调度自动化系统发展趋势展望[J].电力系统自动化，2007，31(13):7-11.

[2]钟金，郑睿敏，杨卫红，等.建设信息时代的智能电网[J].电网技术，2009，33(13):12-18.

[3]刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社，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

中图分类号：TM734

文献标志码：A

文章编号：1001-9898(2016)01-0004-04

作者简介：潘原离(1988-)，女，工程师，主要从事电力系统调度自动化运行和维护工作。

收稿日期：2015-09-29