邵 杰

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一種基于智能調(diào)度改造的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)

邵 杰

（國網(wǎng)安徽省電力公司池州市貴池區(qū)供電公司，安徽池州 247000）

調(diào)度自動化體系是各級電網(wǎng)的核心，是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的技術(shù)保證?；谥悄苷{(diào)度改造的需要，調(diào)度自動化體系處于不斷升級之中，這就涉及許多遠方RTU的設置的配套更改。本文根據(jù)調(diào)度自動化系統(tǒng)的多前置現(xiàn)狀，設想開發(fā)一種專用集群虛擬網(wǎng)關(guān)來解決調(diào)度自動化系統(tǒng)升級過程所導致的遠方終端的一系列問題以及調(diào)度前置的負載不均衡，以使智能調(diào)度得以快速實現(xiàn)。

智能調(diào)度；前置集群；遠方終端；地址轉(zhuǎn)換

調(diào)度自動化體系實現(xiàn)對電網(wǎng)的全景監(jiān)測和實時控制，是電網(wǎng)運行的核心[1]。基于發(fā)展智能電網(wǎng)的時代要求，調(diào)度自動化系統(tǒng)也需進行不斷升級。在傳統(tǒng)技術(shù)條件下，前置服務器的變更（特別是增配冗余服務器），將牽涉大批量與調(diào)度主站相關(guān)聯(lián)的遠動終端（RTU）的配套升級工作（主要為RTU地址變更）。此外，還要關(guān)注RTU與前置系統(tǒng)層面的負載合理性問題[2]，這個工作量無疑是巨大和復雜的。

文獻[3]對網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)進行全面闡述，認為NAT技術(shù)可解決前置機變更所帶來的網(wǎng)絡地址變動的問題。文獻[4]就負載均衡技術(shù)進行研究，并將其應用到服務器帶寬擴展、吞吐量增加等層面。文獻[5]就虛擬交換矩陣（VSM）技術(shù)在雙機冗余虛擬化、網(wǎng)絡安全可靠性提升等方面的應用展開探索。

本文將基于以上研究成果，依托某省級調(diào)度系統(tǒng)的實情，提出融合NAT技術(shù)、VSM技術(shù)和負載均衡技術(shù)的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)，以實現(xiàn)圖1所示的目標希冀，從而優(yōu)化智能電網(wǎng)環(huán)境下的調(diào)度自動化系統(tǒng)。

圖1 基于前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)的目標希冀

1 問題的提出

當前的省級調(diào)度自動化系統(tǒng)的組成框架如圖2所示。顯然，當省調(diào)增加前置服務器時會產(chǎn)生以下問題。

1）大量RTU的內(nèi)嵌地址需要補增。RTU與前置服務器之間進行數(shù)據(jù)交互的基礎是RTU內(nèi)設各服務器的網(wǎng)絡地址，因此當前置部分擴充時，需要花大量時間和人力來維護RTU內(nèi)的地址設置。

2）RTU的負載可能過高。每增加一個前置，就會對RTU增加新的負載，可能導致RTU處于高負荷狀態(tài)。

3）各前置的負載不均更加凸顯。主要是當前調(diào)度系統(tǒng)缺乏對自動化設備、通信鏈路等的有效監(jiān)測，以致無法對負載做優(yōu)化分布。

4）前置增加所牽涉的工程十分浩大，違背了“大運行”建設所要求的減員增效、優(yōu)化系統(tǒng)等目標。

綜上所述，借助地址復用技術(shù)、開展前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)研究是十分必要和迫切的。

2 解決方案

2.1 前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)的總體架構(gòu)

根據(jù)前述分析，結(jié)合當下相關(guān)研究成果，提出如圖3所示的解決方案。

技術(shù)構(gòu)思：以前置虛擬網(wǎng)關(guān)取代原二層交換機，借助VSM技術(shù)實現(xiàn)雙機冗余虛擬化，一方面達成對外地址轉(zhuǎn)換并使得RTU側(cè)配置最小化；另一方面實現(xiàn)外部系統(tǒng)對內(nèi)訪問的前置冗余。

2.2 省、地公司部署方案

以圖3為引領，可分別形成當省調(diào)、地調(diào)需要增加前置服務器時應采用的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)部署方案，如圖4所示。相關(guān)部署流程如圖5所示。

3 三個關(guān)鍵技術(shù)的應用研究

應用前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)牽涉3項關(guān)鍵技術(shù)的投入，即以NAT技術(shù)達成前置服務器的公共地址復用，以VSM技術(shù)達成雙機冗余和簡化組網(wǎng)，以負載均衡技術(shù)實現(xiàn)前置服務器性能最優(yōu)化。

3.1 NAT技術(shù)層面

1）NAT技術(shù)本質(zhì)[6-8]。通過對網(wǎng)絡地址的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)前置服務器訪問RTU時呈現(xiàn)單一網(wǎng)絡地址的目標，其前提是前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)所配置的轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡地址與RTU配置內(nèi)容無差異。

2）NAT技術(shù)應用流程的設計。前置機起動訪問RTU→報文進入前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→地址復用技術(shù)起動→報文源地址轉(zhuǎn)換→報文下達RTU→RTU處理后回應→回應報文到達前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→報文目的地址還原→報文達到對應的前置機→交互結(jié)束。顯然，NAT技術(shù)的一個要點是要建立地址映射表（含端口號）。

下面以圖6為例說明NAT技術(shù)在本案例的應用。

1）當?shù)刂窞?92.168.1.3的前置機訪問地址為1.1.1.2的RTU，生成數(shù)據(jù)包1并到達前置虛擬網(wǎng)關(guān)。

2）前置虛擬網(wǎng)關(guān)通過對報頭的“查閱”，了解該數(shù)據(jù)的走向為“內(nèi)→外”，因此起動“192.168.1.3→20.1.1.1”的地址轉(zhuǎn)換，同時記錄這一映射，然后將數(shù)據(jù)發(fā)向地址為1.1.1.2的RTU。

3）地址為1.1.1.2的RTU接收數(shù)據(jù)后生成數(shù)據(jù)包2作為對目的地址為20.1.1.1的前置機的回復。

4）當數(shù)據(jù)包2抵達前置虛擬網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)查找已形成的NAT映射表，將地址20.1.1.1還原為192.168.1.3，并使報文最終抵達正確的前置機。

5）上述工作過程中，RTU無需知道與其進行數(shù)據(jù)交互的前置機的實際網(wǎng)絡地址為192.168.1.3，因此在上級調(diào)度系統(tǒng)升級時，就不需要對RTU進行IP地址更改方面的工作。

3.2 VSM技術(shù)層面

VSM技術(shù)在本案的創(chuàng)新應用主要體現(xiàn)在以下3方面。

1）將配置一致的兩個前置網(wǎng)關(guān)（一個為主設備（Master），另一個為從設備（Slave））擬合成一個設備進行管理。正常情況下，只有Master的管理口可用；若發(fā)生切換操作，則只有Slave的管理可用。這樣當用戶經(jīng)由管理口登錄系統(tǒng)時，始終不會發(fā)生錯登、多登、登不上等情形。

2）利用控制平面和數(shù)據(jù)平面進行報文的高效處理?？刂破矫姝h(huán)境下，Master優(yōu)先處理協(xié)議報文（包括由Slave收到的報文），然后經(jīng)由VSM級聯(lián)通道將信息備份至Slave。數(shù)據(jù)平面用來實現(xiàn)應用網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，分二層轉(zhuǎn)發(fā)、三層轉(zhuǎn)發(fā)乃至更高層級轉(zhuǎn)發(fā)等多種可能情形，其要點是通過VSM成員學習、VSM級聯(lián)通道等方式來實現(xiàn)同源同宿，以使成員設備故障情況下業(yè)務流量可快速切換到其他成員設備。

3）經(jīng)由各種VSM狀態(tài)備份來實現(xiàn)雙前置應用網(wǎng)關(guān)之間的無縫切換。

綜上所述，通過VSM技術(shù)，兩臺前置網(wǎng)關(guān)就可以以一體化方式達成協(xié)同運行和不間斷作業(yè)。采用虛擬化技術(shù)，避免了設備間海量協(xié)議報文的交互，使得網(wǎng)絡運行效率得以提升、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)得到簡化[9]。另外，經(jīng)由虛擬化后，雖然對外呈現(xiàn)的是單臺網(wǎng)關(guān)樣貌，但交換容量和端口數(shù)量其實是單臺的兩倍，因此在很大程度上提高了調(diào)度系統(tǒng)的實效性。

3.3 負載均衡技術(shù)層面

前已述及，通過NAT技術(shù)，前置機在主動對外訪問時呈現(xiàn)單一網(wǎng)絡地址；反過來，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和協(xié)調(diào)，要求前置部分被訪時也具有類似特 性[10]，本案中吸納負載均衡技術(shù)來實現(xiàn)這一目標。

流程設計：其他系統(tǒng)起動訪問前置服務器→報文進入前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→負載均衡技術(shù)運行→識別當前連接數(shù)最少且工作正常的前置服務器→利用地址映射表獲取目標前置機的真實網(wǎng)絡地址→報文送達→前置機處理并回應→回應報文進入前置虛擬網(wǎng)關(guān)→訪問源地址還原→回應報文到達訪問發(fā)起者→交互結(jié)束。對以上敘述可輔之以圖7進行說明。

圖7 負載均衡技術(shù)在本案的應用示例

顯然，借助負載均衡技術(shù)，不僅可實現(xiàn)前置機被訪時單一地址、單一端口的要求，還能使各前置服務器的流量得到最大程度均衡化，這樣就極大優(yōu)化了調(diào)度自動化系統(tǒng)，使系統(tǒng)的性能可持續(xù)保持在優(yōu)良水平。

4 實證分析

以東部某省為例。該省的電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1所示（時間節(jié)點為2016年6月底）。

表1 案例的電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

按照傳統(tǒng)模式（即主站增加前置機后對所有廠站的RTU進行IP增設并調(diào)試），基于表1的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，主站側(cè)工作時間至少6個月，廠站側(cè)投入費用至少618萬元（按一個廠站2萬計算）。

而按照本文方案，只需在主調(diào)和備調(diào)各布置兩臺前置應用網(wǎng)關(guān)，總投資約80萬元。當有前置機被新增時，只要在主站側(cè)進行新增前置機的路由配置，然后通過前置網(wǎng)關(guān)與下屬RTU作通信測試，就可實現(xiàn)應用需求?？偣て诩s3～5天。

兩種方案的經(jīng)濟技術(shù)比較見表2。

表2 兩種方案的經(jīng)濟技術(shù)比較

5 結(jié)論

智能電網(wǎng)的發(fā)展將推動調(diào)度自動化系統(tǒng)的不斷升級。本文提出以前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)應用來破解前置增設時RTU地址變更、RTU負載超限、前置負載不均衡等諸多問題，并對該項技術(shù)的關(guān)鍵組成予以詳細闡述和應用剖析。實證分析表明，所提出的方法對于調(diào)度自動化系統(tǒng)優(yōu)化以及“大運行”下減員增效、系統(tǒng)提質(zhì)等有著良好的促進作用，值得推廣。

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The Research and Application of Virtual Gateway based on Intelligent Scheduling

Shao Jie

(State Grid Anhui Chizhou Guichi District Electric Power Company, Chizhou, Anhui 247100)

Dispatching automation system is the core of all levels of power grid, is the power system security, stability and economic operation of the technical assurance. Based on the needs of intelligent scheduling, scheduling automation system is constantly upgrading, which involves a number of remote RTU settings supporting changes. The status of pre dispatch automation system, a series of problems caused by the original terminal vision for the development of a special cluster virtual gateway to solve the dispatching automation system upgrade process and scheduling the pre load imbalance, in order to make intelligent scheduling to achieve fast.

intelligent scheduling; pre cluster; remote terminal; address translation

邵 杰（1988-），男，本科，助理工程師，研究方向為電力調(diào)度自動化。