孫樹才 朱陳鵬

基于私有云技術的區(qū)域變電站實施方案

孫樹才1,2朱陳鵬1,2

（1. 南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，南京 211100；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211100）

近年來物聯(lián)網(wǎng)技術、信息通信技術發(fā)展迅速，隨著智能變電站的建設，主體設備的智能化程度不斷提高，電力數(shù)據(jù)網(wǎng)不斷完善，為實現(xiàn)區(qū)域私有云提供了基礎條件，本文就區(qū)域變電站的概念、優(yōu)點、實施方案、建設過程、高級應用等方面提出了設計和實施方案，對應用方式和場景進行了探討。

變電站；私有云；虛擬化；區(qū)域變電站；變電站集群

隨著智能變電站的建設，主體設備的智能化程度不斷提高，電力數(shù)據(jù)網(wǎng)不斷完善，為實現(xiàn)區(qū)域私有云提供了基礎條件。

目前變電站還處于使用當?shù)刈越í毩⒈O(jiān)控系統(tǒng)的階段，需要獨立配備服務器，無形中增加了建設成本，維護困難，系統(tǒng)信息共享程度和災備能力較差。

本文對基于私有云的區(qū)域變電站方案進行了設計與探討。

1 私有云技術

1.1 云技術

云技術是指在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)將硬件、軟件、網(wǎng)絡等系列資源統(tǒng)一起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、儲存、處理和共享的一種托管技術。按照云的服務層次可以把云服務分為：基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）[1]。

IaaS：基礎設施即服務Infrastructure-as-a- Service，消費者通過Internet可以從完善的計算機基礎設施獲得服務。

PaaS：平臺即服務Platform-as-a- Service，PaaS實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶。因此，PaaS也是SaaS模式的一種應用。但是，PaaS的出現(xiàn)可以加快SaaS的發(fā)展，尤其是加快SaaS應用的開發(fā)速度。

SaaS：軟件即服務Software-as-a- Service，它是一種通過Internet提供軟件的模式，用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件來管理企業(yè)經(jīng)營活動。

1.2 虛擬化

虛擬化是云服務的基礎，是云服務的重要特征，通過虛擬化技術，云服務平臺可以將多臺服務器整合成一個聯(lián)動的集群，構成一個資源池，實現(xiàn)共同計算，共享資源，可以最大限度的利用系統(tǒng)內(nèi)的閑置計算資源。

圖1 以VMware產(chǎn)品為例的虛擬化示例圖

1.3 海量數(shù)據(jù)存儲

傳統(tǒng)的存儲方式采用專用存儲服務器（或直接使用應用服務器）存放所有的數(shù)據(jù)，存儲服務器成為系統(tǒng)性能的瓶頸，不能滿足大規(guī)模存儲應用的需要。數(shù)據(jù)通常采用的是就地存儲的方式，安全性較低，擴展性受限，共享能力弱。

海量數(shù)據(jù)存儲采用可擴展的系統(tǒng)結構，利用多臺存儲服務器分擔存儲負荷，利用尋址服務器定位存儲信息，有較高的可靠性、可用性和存取效率，且易于擴展。

圖2 海量存儲的結構示意圖

1.4 大數(shù)據(jù)[2]

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時間內(nèi)用常規(guī)軟件工具對其內(nèi)容進行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)技術是指從各種各樣類型的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價值信息的能力，大數(shù)據(jù)的基本特征為：數(shù)據(jù)體量巨大、數(shù)據(jù)類型多樣、處理速度快、價值密度低。

2 區(qū)域變電站

2.1 何為區(qū)域變電站

本文描述的區(qū)域變電站是指在一個特定供電區(qū)域內(nèi)，建立一個區(qū)域監(jiān)控中心，通過高速通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)多個實體變電站、獨立設備的統(tǒng)一管控。

需要澄清的是，區(qū)域變電站的區(qū)域概念只限于控制信息系統(tǒng)的區(qū)域化，實際供電系統(tǒng)仍按傳統(tǒng)方式實現(xiàn)。

2.2 結構示意圖

圖3 結構示意圖

2.3 優(yōu)勢

1）集中設備管理，優(yōu)化資源配置

區(qū)域變電站模式下采用了集中建站的方式，服務器、存儲設備全部集中于區(qū)域中心機房中。

在這種模式下，應用虛擬化技術，將所有的服務器進行硬件虛擬化，構建服務器資源池，實現(xiàn)IaaS。

傳統(tǒng)變電站的服務器一般資源利用率低，個別利用率高的現(xiàn)場又容易發(fā)生硬件故障，資源分配不均勻，不能實現(xiàn)資源共享。

數(shù)據(jù)存儲一般采用就地存儲，即存放于應用服務器的硬盤上或存儲于獨立的存儲服務器中，大量的存儲資源長期處于空閑狀態(tài)，利用率低。

表1是對于不同服務器數(shù)量下兩種模式的比對，假設單站資源平均需求為40，單臺服務器資源為100，資源警戒線為90%。

通過表1的對比發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)變電站建設模式，區(qū)域變電站模式對于服務器資源的節(jié)省是很明顯的，普遍節(jié)省約50%，在總投資不變的情況下，這50%就是所謂的系統(tǒng)裕度，可以作為熱備資源存在，提高系統(tǒng)運行可靠性。

另外，從預算的角度看，單站情況下服務器的預算有限，只能配置一般的服務器，性能及可靠性差。在區(qū)域模式下，多臺服務器的預算疊加，就可以綜合考慮性能及可靠性的需求，選用較好的服務器，從而提高了系統(tǒng)性能和安全質(zhì)量。

表1 不同服務器數(shù)量兩種模式的資源比對

2）優(yōu)化數(shù)據(jù)匯聚方案，減少基建重復投入

文中提到傳統(tǒng)的存儲服務器成為系統(tǒng)性能的瓶頸，不能滿足大規(guī)模存儲應用的需要。

傳統(tǒng)變電站中一般采用雙（多）機熱備的模式，應用只能利用單一設備的性能，處于熱備狀態(tài)的設備只能實現(xiàn)備份的作用，不能做到性能疊加或者負載均衡。

實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采用定時（1min或5min）采樣存儲的模式，其余數(shù)據(jù)采用丟棄的方式處理，系統(tǒng)不具備海量存儲和分析的能力。主站側(cè)在進行數(shù)據(jù)分析的時候，通常也采用規(guī)約上送，定時采點的模式獲取原始數(shù)據(jù)，這種模式下的網(wǎng)絡結構如下。

圖4 傳統(tǒng)模式數(shù)據(jù)獲取的網(wǎng)絡結構圖

傳統(tǒng)模式中通過遠動機進行數(shù)據(jù)上送，只能上送結構化數(shù)據(jù)，非結構化數(shù)據(jù)需要編碼處理后才能上送，數(shù)據(jù)的大小也受限。

采用區(qū)域變電站模式，可以有效解決該問題，區(qū)域變電站的性能較高，完全可以應對分布式數(shù)據(jù)處理的需要，在該模式下采用數(shù)據(jù)分布存儲的模式，避免數(shù)據(jù)大量遷移。

此時的網(wǎng)絡結構如圖5所示。

圖5 區(qū)域模式數(shù)據(jù)獲取的網(wǎng)絡結構圖

區(qū)域模式下，主站只需要從區(qū)間中心獲取原始數(shù)據(jù)，或者采用分布式計算的模型，將計算任務下放到區(qū)間中心的計算節(jié)點，就地取數(shù)計算后再將結果反饋給主站。

廠站與區(qū)域中心直接進行網(wǎng)絡通信，數(shù)據(jù)直連，只要保證網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定高速，就不存在數(shù)據(jù)獲取的障礙，區(qū)域中心直接獲取實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不間斷存儲，定期分析歸檔清理，數(shù)據(jù)安全性、可用性高。

3）提高數(shù)據(jù)共享互通能力，實現(xiàn)區(qū)域大數(shù)據(jù)分析

采用區(qū)域變電站模式，對于主站來講區(qū)域中心相當于分布式的數(shù)據(jù)中心，通過建立高速互聯(lián)網(wǎng)絡，可以輕松實現(xiàn)各區(qū)域中心之間、區(qū)域中心對主站的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，為分布式計算、大數(shù)據(jù)分析提供了基礎條件。

在此基礎上可以實現(xiàn)區(qū)域級別的保護系統(tǒng)，甚至跨域、多域的聯(lián)動保護系統(tǒng)。

4）實現(xiàn)快速恢復與系統(tǒng)擴容，提供統(tǒng)一的災備方案[3]

通過建立區(qū)域中心，可以利用虛擬機的特性，提供完美的主機熱備、鏡像、快照，支持實時遷移，快速恢復，動態(tài)擴容等功能。

通過區(qū)域互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地備份，實現(xiàn)系統(tǒng)冗余災備，甚至是極端情況下的系統(tǒng)級替代。相對于傳統(tǒng)變電站，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的冗余備份，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的RAID、多副本、異地備份，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性。

5）集中運維，降低維護難度，減少成本

傳統(tǒng)模式下，變電站的運維一般分析為一次班（運行人員）、二次班（遠動、繼保人員），所有的運維操作均需要在現(xiàn)場實施。

在區(qū)域模式下，系統(tǒng)被建立在云端，二次運維人員可以輕松地使用云終端系統(tǒng)通過專用通道或者VPN方式訪問和維護監(jiān)控系統(tǒng)。除了例行的現(xiàn)場設備檢修之外，其余情況均可以采用該方式。

未來可以將測控、保護設備也遷移到區(qū)域中心，現(xiàn)場全部采用智能終端、合并單元上送數(shù)據(jù)。此時，保護裝置的例行檢修也可以在區(qū)域中心完成了。

對于一次運行人員，可以安排在區(qū)域中心進行值班監(jiān)控，通過云終端、移動設備實時調(diào)取現(xiàn)場數(shù)據(jù)、視頻。結合智能推送機制，在關鍵信息產(chǎn)生時，準時推送到個人移動設備，減少信息傳遞的環(huán)節(jié)，縮短信息傳遞的時間，提高處理效率。

3 建設過程

本文根據(jù)網(wǎng)絡建設情況、信息化程度將區(qū)域變電站的建設分成了4個階段，具體如下：

1）集中建站，硬件虛擬化

在區(qū)域變電站建設的第一階段，主要是完成了監(jiān)控系統(tǒng)、服務器、存儲設備的集中化，采用虛擬化方法，實現(xiàn)私有云，硬件級無廠站分界，采用虛擬機技術構建監(jiān)控系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)。

這個階段，現(xiàn)場的測控、保護裝置不做任何改造，只將現(xiàn)場服務器、遠動設備取消，所有二次設備直接上網(wǎng)。

2）二次設備集中化

這個階段主要解決了第一階段中二次設備仍就地運行的問題，該階段的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡的建設情況，必須建設高帶寬、低延遲的通信網(wǎng)絡。

現(xiàn)場全部采用智能終端、合并單元直接上網(wǎng)的模式。保護、測控裝置全部遷移至區(qū)域中心，通過高速通信網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

3）平臺虛擬化

隨著信息化的推進，主體的監(jiān)控系統(tǒng)要改變傳統(tǒng)的單機安裝運行方式，進入云平臺運行方式。

操作系統(tǒng)級沒有廠站之分，廠站邏輯隔離通過云平臺的軟件架構實現(xiàn)，即實現(xiàn)了PaaS或SaaS。

4）區(qū)域互聯(lián)

通過進一步推進通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通建設，結合PaaS/SaaS的實現(xiàn)，區(qū)域中心間的數(shù)據(jù)訪問和遷移變得容易，此時區(qū)域間的分界不再明顯，平臺級實現(xiàn)互聯(lián)、互通、協(xié)作、災備。

4 高級應用

在建立了互聯(lián)互通的區(qū)域中心后，就可以利用云平臺的資源，實現(xiàn)一些高級應用，具體如下：

1）故障預測

通過實時采集分析區(qū)域數(shù)據(jù)的變化，采用大數(shù)據(jù)分析技術，建立故障預測模型，實現(xiàn)故障預警。

2）行為分析

接入人員單兵系統(tǒng)，分析人員操作習慣，對數(shù)據(jù)進行抽樣歸納，及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為，發(fā)出警示，通過聯(lián)動操作制止不當行為，實現(xiàn)智能五防。

3）實時故障轉(zhuǎn)移

通過建立快照、冗余備份、熱備等方式，對重要系統(tǒng)提供實時恢復、替代等支持，實現(xiàn)實時故障轉(zhuǎn)移。

5 結論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡基礎建設的發(fā)展，區(qū)域變電站技術不再有技術屏障。本文就區(qū)域變電站的概念、優(yōu)點、實施方案、建設過程、高級應用進行了分析，部分觀點可能還不成熟，有待于深入探討。

[1] 趙俊華, 文福拴. 云計算: 構建未來電力系統(tǒng)的核心計算平臺[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010(15): 1-8.

[2] 高海鵬. 大數(shù)據(jù)在通信行業(yè)的應用[J]. 通訊世界, 2016(4): 92-93.

[3] 朱征, 顧中堅. 云計算在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)災備業(yè)務中的應用研究[J]. 電網(wǎng)技術, 2012, 36(9): 43-50.

[4] 朱俐穎, 高亮. 基于站域保護原理的智能變電站過程總線信息共享特性分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(3): 87-92.

[5] 宋璇坤, 李穎超, 李軍, 等. 新一代智能變電站層次化保護系統(tǒng)[J]. 電力建設, 2013(7): 24-29.

[6] 馬靜, 史宇欣, 馬偉, 等. 基于電流保護融信因子的站域后備保護[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(4): 1-9.

[7] 陳磊, 張侃君, 夏勇軍, 等. 智能變電站站域保護研究綜述[J]. 華東電力, 2013, 41(5): 947-953.

[8] 蔣紅亮, 呂飛鵬. 基于圖論的智能變電站站域后備保護跳閘策略[J]. 電氣技術, 2017, 18(12): 24-29, 37.

[9] 王成山, 武震, 李鵬. 微電網(wǎng)關鍵技術研究[J]. 電工技術學報, 2014, 29(2): 1-12.

[10] 曹麗鵬, 李志剛, 王國玲, 等. 配電網(wǎng)可靠性的云綜合評判法[J]. 電工技術學報, 2015(S1): 418-421.

Implementation of regional substation based on private cloud technology

Sun Shucai1,2Zhu Chenpeng1,2

(1. NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211100; 2. NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 211100)

In recent years, Internet of things technology and information communication technology are developing rapidly. And with the construction of intelligent substation, the level of intelligence of the main equipment is constantly improved, and the power data network is constantly improved, which provides the basic conditions for the realization of the private cloud in the region. In this text, we proposed the design and implementation plans for concept, advantages, construction process, and advanced application of regional substation. Discussing the application mode and scene.

substation; private cloud technology; virtualization; regional substation; substation cluster

2018-05-10

孫樹才（1987-），男，南瑞集團有限公司電網(wǎng)事業(yè)部變電分公司高級軟件研發(fā)工程師，本科，主要從事電力系統(tǒng)自動化方向系統(tǒng)軟件研發(fā)工作。