城区配电网小数据量灾备策略研究

李星举，王贺，孙文浩，刘程鹏

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114200)

0 引言

国家电网提出要加快电网向能源互联网升级，同时要落实“双碳”目标，发挥电力大数据支撑作用。全社会也对当前电网能够对接工业互联网、探索5G和变电站的“多站融合”、完成30万充电桩的接入、适应柔性调节等提出需求，尤其是仅能实现单向输送电能、消纳清洁能源困难、自动化程度较低的配电网，升级改造任务日益迫切。纵观基于云计算、人工智能、区块链、增强现实等新兴技术的互联网公司发展经验，重视数据以及数据技术，对原有产业进行数据化、网络化、智能化转型，是一种可迁移、可复制的可靠路径。电网先后经历了智能电网、泛在电力物联网、能源互联网等多个建设阶段，各个业务口径均累积了相当丰富的业务数据，并分布在“国网云”、省公司级数据中心等位置。然而，尽管云存储、分布式存储、边缘存储技术不断发展，但基于对HDD、SSD等磁性存储介质的依赖，数据丢失的灾难性后果也变得更加严重。同时，针对数据量极其庞杂分散、存储使用共享成本较高的区域配电网级“小数据量”研究更为稀少，解决在线监测、专家分析、动态调度等功能的系统运行问题十分必要。

在数据容灾方面，陈世鸣[1]从云计算编程模式、数据存储技术、虚拟化平台管理技术入手，探究云计算环境下数据容灾技术和策略分析，得出电力系统容灾系统的全新解决方案；魏能强等[2]从自然灾害对数据中心的影响出发，对比三种可能出现的数据丢失情况，并提出对应的控制中心备份和用户端数据冗余备份的两种灾备方案，提供一种基于云计算技术有点的灾备新方向。在边缘存储方面，梁冰等[3]结合对边缘计算架构和路由组织的研究，形成针对端口容灾、板卡容灾和网元容灾的边缘计算解决方案，并以实例验证其安全性和可靠性；孙博宇[4]在分析边缘存储需求和关键技术中指出边缘数据是海量小数据，并基于边缘物联网数据特点设计了SardineDB，主要解决写入性能提升和写入放大等问题。在主动配电网方面，胡伟[5]等针对配电网全业务数据应用现状，提出建立配电网数据分析中心，加快精益型数字化转型的构想；李少石[6]等将“三协调”作为配电网精益化管理目标，综合实施物联网、5G、大数据、人工智能、边缘计算等技术，最终实现用户灵活售电用电的新型公用能模式。

从当前的国内外研究成果不难看出，对于利用数据技术进行配电网的融合改造是必然趋势，但主要集中在规划设计和模型推演领域，在实践中往往仅在示范园区、试点变电站等较小区域进行，具体应用方面的精益管理经验十分欠缺。在数据及数据技术应用方面尤其突出，即对于配电网具体设备，如环网柜、柱上变压器、计量装置、智能表计等边缘侧设备数据研究较少。配电网中的设备既多且杂，受限于数据使用率等管理因素和信息传输协议差异等技术因素综合影响，产生的数据往往停留在数据量大的层面，并未真正发挥多维度、高质量、低密度的大数据作用，因此提供一种经济合理、技术可行的数据灾备方案，将为后续配电网智能化转型升级提供数据基础支撑和保障。本文从配电网小数据量使用现状分析入手，对比适用于小数据量级的灾备技术的优劣，并以实际运行经验切入，验证灾备方案的可行性并提出优化建议。

1 配电网数据灾备现状

配电网经过智能电网、泛在电力物联网、能源互联网等重点建设，智能化、信息化水平明显提高。但正如前章所论述，配电网由于地域分布极其分散，数据上传周期一般为24h，大量数据产生后无法保存，尤其是影响设备、线路运行的异常数据等具备研究分析价值的信息，可能被筛选或清洗，导致保存的数据价值降低。同时，配电网故障往往需要抢修中运维人员凭借经验或者继电保护装置的动作情况综合分析，此类数据既不易导入系统，也会随着人员退休而自然减少。此外，在线监测产生的运维和检修数据保存在PMS系统，业扩报装产生的用户数据保存在SG186系统，计量装置等用能数据保存在用电信息采集系统，各类数据分散放置，不仅产生超量的计算、存储机柜运维费用和专业人员雇佣费用等，而且存在相当大的数据丢失、损坏、盗用风险。

国家电网公司于2014年11月起实施《信息系统灾备建设管理细则》，对信息系统灾备的设计、实施、演练、试运行、验收等工作提出细化标准，并成立国网区块链科技有限公司，为探索数据灾备实施方法和实际经验确定了框架和方向。数据加密处理方面，基于区块链的数据灾备技术受到广泛关注，通过与 AONT 和门限秘密分享等密码学技术相结合[7]，已经可以在以太坊平台搭设原型系统，并依据企业需求做出动态调整，保证数据恢复和数据备份能力。配网调度数据领域，基于云计算技术的电网调度灾备系统[8]，可以满足毫秒级数据恢复，并能实现计算、存储资源的异构和资源池化，形成了完备双活数据中心灾备方案。数据传输方面，利用K-means算法模型进行数据处理，研究并设计多数据接口、多传输协议下的灾备平台解决方案[9]，保证灾备中心较好稳定性和安全性。

今年2月，美国德克萨斯州出现罕见低温和暴雪天气，发电、输电、变电、配电、储能等多个环节接连崩溃，导致400万户用电受限，引发全球对于能源安全和电网智能化升级改造的极大关注。早在2010年，美国国家标准与技术研究院（NIST）就已经提出：智能电网发展架构高度重视电网与信息网的融合，在概念层、逻辑层、物理及执行层多个维度提出建设需求，特别设置了云计算和密码学小组，研究解决数据安全及灾备问题[10]。美国国会“电磁脉冲委员会”从受到自然或人为事件影响的角度，分别分析了2001、2006、2016、2018年度美国电网遭遇网络攻击等信息安全威胁情况下，国家级电网的保障能力和生存几率，突显电网数据容灾的必要性[11]。法国电力公司针对大数据技术的应用重点是将用户画像，并对用能信息、日常消费、地理信息等多维度内容进行综合分析，不断优化分析预测模型，进而降低公司运营成本和提供精准用能套餐[12]，实现了用能需求侧的精细化管理，但也同时加剧了对于数据中心的依赖，造成新的电网运营风险。德国联邦网络管理局SMARD平台数据趋势展现可再生能源占比逐年增加，但对于主动配电网及配电网数据中心建设预算不足，拖累德国能源总体转型进程。

综合国内外相关研究结果及主动配电网发展现状，可以得出以下结论：一方面，配电网升级改造需求日益增加，能源安全、节能环保、数据资产等领域关注度随之走高，产学研等不同行业对于配电网的研究已经起步，但主要集中于配电网规划、潮流调度和故障自动识别，一定程度上制约了主动配电网的发展；一方面，由于法律、伦理、机构、民众、团体等对于数据以及数据使用理解差异巨大，在数据所有权、使用权以及数据使用产生的收益分配等方面尚存在较大争议，配电网的边缘计算、存储应该在物理实体、信息网络、工程实践等多个方面综合考虑、加大投入[13]，提供“技术可行、经济合理”的建设方案。

2 配电网数据灾备技术综述

2.1 灾备组网技术

灾备技术最初是为解决数据中心应对突发情况、保障用户服务“业务零中断、数据零丢失”而设计的一组相关技术的集合，主要分为容灾技术和备份技术两种。备份技术组网有多种形式，从是否依赖生产端服务器和LAN两个角度，可以分为LAN-free、LAN-Base、Sever-free等组网形式。备份网络平面主要分为备份管理网络、生产管理网络、内部管理网络、存储网络等。数据备份的主要流程为：通过用户端进入备份服务器，从备份服务器发出备份指令，要求部署与生产端备份代理将生产存储数据发送至备份存储。详见图1。

图1 备份基本流程

容灾技术的两大关键指标是最大数据丢失量（RPO）和服务停止的最长时间（RTO），从数据的损失量和业务中断时间两个维度考察数据容灾技术的优劣。容灾的组网主要分为主机层容灾和存储层容灾两大类，从地域划分则有本地高可用容灾、同城主备容灾、同城双活容灾、异地主备容灾和“两地三中心”等,组网如图2所示。为保证数据一致性，时常需要增加仲裁服务器，通过向两端集群周期性发送“心跳”，保证数据容灾在多种方案间平滑过渡。

图2 双活数据中心基本组网规则

2.2 配电网信息网络架构

与典型数据中心网络具有明显差异的配电网信息网络，是基于地理因素、用户因素、主站选址以及电网通信设备成本因素等综合决定的，这样的网络模式在保证数据存储及容灾过程中，需要同时考虑模式选择、信道宽度、电磁环境生态影响和边缘数据中心建设运营成本等诸多因素[14]。而通信方式又可以分为PLC（电力载波通信）、电力光纤专线、3G/4G、Lora、ZigBee等多种通信模式，在5G普遍应用后，信息通信效果会有改善。但根据香农第二定律，信息通道传输率R，不能超越信道容量C，而5G的主要应用领域物联网势必会占用相当大的带宽，因此需要在处理信息和传输信息之间选择一个最优解，灾备技术刚好可以作为一种优化方案的支撑技术。在运营成本方面，数据中心的成本回收周期静态一般为6年，动态投资回收期在8年左右，这远低于变电站、线路、设备等20年以上的回收期。

2.3 配电网边缘存储技术

解决配电网容灾技术的核心是边缘计算、边缘存储。边缘计算可以将以往由网络中心节点处理的应用程序、数据资料与服务的运算交由网络逻辑上的边缘节点处理。边缘存储则可以保证数据资产化后，用户数据归属权问题的妥善解决，让用户获得更放心安全的服务体验。同时，由于边缘服务设备更接近用户终端，如同集中器相对数据中心更加接近用户电表，相对于“云到端”的1.0模式，“云-边-端”2.0模式可以显著提高数据处理速度和传输速度，有效降低通信时延，这是需要重视并优先发展边缘侧设备的一方面原因。同时，边缘服务可以作为云服务的延伸，同步降低对于亿万终端设备互联互通带来的通信网依赖，这是第二方面原因。主动配电网容灾技术实施，需要同时协调解决进度控制、成本控制、质量控制、安全管理、信息管理等问题。虽然有限的人财物资源不应该仅关注和发展其中一项而暂缓其他项目，然而对于技术已经相对成熟的商业模式来说，成本是最为关键的一项。相较于云端服务建设来说，率先发展边端协同而后跟进边云协同，是较为务实的策略，这是第三方面原因。结合当前通用数据容灾技术，找到适合配电网特征的数据处理方案，是实施以边缘计算和存储为特征的主动配电网的核心一环。

3 配电网数据灾备方案选取响

3.1 配电网边缘存储技术

国家电网公司“十三五”通信网规划报告指出：经营管理范畴和各级电网生产范畴的网络断面流量在150Gbit/s，城区配电网受新能源云、电动汽车以及电力物联网设备接入等因素叠加影响，典型日均通信流量在20-30G的量级。对于处在同城的、互为冗余的地市公司数据中心和县区公司“边缘数据中心”，应该采取文件级备份方式。考虑到配电网计量采集数据、状态监测数据、配网自动化数据等生产数据存在大量重复信息，需要在备份前采取去重压缩技术，进一步减少无线网络、PLC、光纤专网的带宽占用，缩减备份时间。

由于城区配电网数据量与云存储或数据中心动则数E级数据相比属于“小数据量”，然而容灾的原理是高度相似的，即尽量实现“数据零丢失、业务零中断”。容灾技术的关键是部署容灾服务器或者配置远程复制网关，保持主备两侧的数据一致性。在配电网实际应用中，通常设置三个数据备份，这要求在进行数据写入时，需要合理安排数据流，避免网络拥堵，并设置校验算法，确定主数据库与各备份数据库是否一致[15]。多数相关研究集中在MATLAB环境下进行粒子群算法的多目标优化，通常以减少业务切换时间和备份数据费用为优化目标，对于如何压缩数据、达到差异数据快速传输和在2G/3G等网络下保持数据有效传输研究较少。不少研究认为5G的发展有助于主动配电网发展，然而使用当前的5G网络做配电网容灾并不具备经济可行性。因此，在选取备份方案时，需要综合考虑电力通信网可靠性、时延、网络带宽、频谱分配以及安全性等因素以及数据中心地理位置、维护成本等，进而针对“小数据量”的特征，研究选取高价值数据、合理压缩方法和低成本无线通信相结合的容灾技术路径。

3.2 容灾技术选取

从地市级数据中心运维经验来看，增量备份为主要方式[16]，尝试将日常线路和设备巡视与数据维护相结合，是解决当前问题的一种方案。现在可行的做法是在自建私有云或者数据中心，然而这在本质上并没有提供容灾的保障，数据备份的意义值得商榷。如果考虑在以台区或环网柜等固定位置搭设边缘存储中心的做法，必须解决数据无线传输的安全性、通信带宽保障、边缘低热度数据与数据中心的周期性替换、设备添置经济性（边缘存储采购成本、耗电量、维护周期、数据传输成本等）大量问题。本文仅将研究范围集中在城区，即假定通信基站、边缘存储设备维护和电池更换价格在合理区间，具备建设经济可行性。

当前，城区配电网数据普遍存放在地市公司一级的数据中心机房，仅仅通过RAID10方式进行处理，一旦发生洪水、地震、台风等自然灾害，抢修和业务恢复时间均存在巨大不确定性。从变电站、5G基站、北斗基站融合建设经验看，电网公司无需仿照大型互联网公司建设“两地三中心”模式的容灾系统。然而，电力调度、故障诊断、远程运检、配电自动化需要s级甚至ms级的响应速度，这种需求反而高于大多数互联网公司的响应标准。综合来看，选取融合站建设为“边缘数据中心”为宜，考虑到主动配电网未来将承担双向互动的新挑战，利用大数据和人工智能算法不断动态调整参与容灾的数据中心是可行方案。

4 结语

本文结合数据备份和容灾的基本概念、主流技术和运营现状，提出面向城区配电网的“小数据量”灾备策略。通过综述灾备组网方案、信息网络架构和边缘存储技术，探索配电网背景下，生产运行数据和综合管理数据的容灾需求和可选方案。然后从备份方案和容灾方案两个方面，对比、分析、确定了“技术可行、经济合理”的优化方案，为建设以新能源为主体的新型电力系统的设计规划和运营维护提供一些参考。