陳 豐，杜成康，魏 敏，陳迎賓

(國家電投集團云南國際電力投資有限公司，云南 昆明 650228)

0 前 言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會對電力的需求不斷增加，對電力安全的穩(wěn)定性要求也越來越高，傳統(tǒng)模式的電力管理監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足信息技術(shù)發(fā)展的需要。特別是2020年8月21日國資委下發(fā)了《關(guān)于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，為電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型指明了方向[1]，電力企業(yè)逐漸從勞動密集型向高度自動化的信息密集型企業(yè)轉(zhuǎn)型，電力信息革命已悄然開始。

1 SD-WAN簡介

1.1 應(yīng)用情況

目前，電氣企業(yè)的核心業(yè)務(wù)大多數(shù)是通過電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)的電力專線、電力廣域網(wǎng)，以及聯(lián)通、移動、電信三大運營商專線來實現(xiàn)的。最近幾年，隨著電力業(yè)務(wù)的擴張、數(shù)字化轉(zhuǎn)型和云化部署的快速推進，SDH、MSTP、MPLS等廣域網(wǎng)存在價格高昂、開通周期長、運維效率差、管理方式低效等缺點，無法快速、靈活地滿足業(yè)務(wù)需求，大多發(fā)電企業(yè)需要重新評估其WAN的設(shè)計和部署，并尋求改進措施。

SD-WAN是一種應(yīng)用于WAN傳輸連接的基于軟件的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)[2]，采用廣域網(wǎng)連接和功能整合并虛擬化成集中式的策略，以簡化復(fù)雜WAN拓?fù)涞牟渴鸷凸芾恚喕疘T管理和運維工作。SD-WAN 的誕生滿足了發(fā)電企業(yè)對于廣域網(wǎng)的擴展性、可靠性和安全性方面的要求。

目前，華為、深信服、上海貝銳等近20家IT企業(yè)都提出了自有知識產(chǎn)權(quán)的SD-WAN解決方案，SD-WAN已廣泛應(yīng)用于連接廣闊地理范圍的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、云聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及云服務(wù)，國家電投中能融合工業(yè)信息安全態(tài)勢感知平臺，也采用了SD-WAN專網(wǎng)用以連接主站與發(fā)電廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。

1.2 技術(shù)特點

相較于傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，SD-WAN 組網(wǎng)技術(shù)擁有如下特性[3]：一是業(yè)務(wù)連續(xù)性，SD-WAN 采用數(shù)據(jù)復(fù)制功能，保證關(guān)鍵應(yīng)用的持續(xù)高可用，采用壓縮和緩存降低廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，整體上提升應(yīng)用訪問體驗；二是網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全性，SD-WAN提供了一種更簡單的接入方式，同時提供端到端數(shù)據(jù)加密，安全驗證、防火墻、IPS入侵防御、防病毒等全方面廣域網(wǎng)安全控制措施；三是業(yè)務(wù)部署快速性，SD-WAN可以提供零接觸部署(ZTD)，即通過管理節(jié)點或云端推送方式完成，幫助電站(場)以跨數(shù)據(jù)中心、遠程指導(dǎo)、外派人員等方式分鐘級快速接入網(wǎng)絡(luò)；四是線路接入的多樣性，SD-WAN設(shè)備具備接入各種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的能力、路由層面的相應(yīng)對接能力、根據(jù)不同線路的特點來發(fā)揮整體overlay網(wǎng)絡(luò)的最大效能[4]；五是線路感知的實時性，SD-WAN對于線路的質(zhì)量具有實時感知能力，進而對流量轉(zhuǎn)發(fā)路徑做出最佳選擇，降低擴容頻次；六是流量調(diào)度的智能性，SD-WAN技術(shù)可以在廣域網(wǎng)線路發(fā)生變化的情況下[5]，確保實時應(yīng)用數(shù)據(jù)傳送的連續(xù)性，無需預(yù)定義數(shù)據(jù)流帶寬疊加需達到的帶寬門限值；七是應(yīng)用流量的可視性，SD-WAN 可以實時展示廣域網(wǎng)線路質(zhì)量、具體應(yīng)用流量統(tǒng)計、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方面的線路情況展現(xiàn)和豐富報表。

2 系統(tǒng)方案

電力管控平臺主要目的是對生產(chǎn)過程的視頻監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集，采取扁平化設(shè)計作為管理和監(jiān)視控制的平臺，以視頻監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為主，遠程控制、IoT為輔助功能[6]。系統(tǒng)劃分為：應(yīng)用層、終端層、接入層、站控層、SD-WAN、平臺層、業(yè)務(wù)層共7層。

(1)應(yīng)用層。應(yīng)用層主要為應(yīng)用場景的設(shè)計，主要有：輸電線路遠程視頻監(jiān)控、無人機視頻(含紅外)巡視、現(xiàn)場施工作業(yè)過程、運行人員巡視、線路巡視、變電站視頻監(jiān)控、督導(dǎo)監(jiān)理、監(jiān)督檢查、隱蔽工程視頻記錄、風(fēng)機吊裝等移動與固定場景。

(2)終端層。終端層主要指采集終端的設(shè)計，主要有：廣播級視頻攝像機、大疆無人機、智能手機、防爆手機、智能視頻安全帽、電站各處部署的攝像頭、各類ESP8266物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板、I/O采集繼電器板、串口接入板、各類PLC、SIP IP音箱、話筒以及SIP電話等。

(3)接入層。接入層主要是電站現(xiàn)場可提供的接入途徑，如：光纖；網(wǎng)線接口；AP；無線WIFI；3G、4G、5G基站；專網(wǎng)基站；電力專線；電力載波等。

(4)站控層。站控層完成對所需要信息的收集、展示工作。為降低成本造價，部署Synology NAS服務(wù)器1～2臺，數(shù)據(jù)庫采用Synology NAS隨機附贈的MariaDB數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫與MySQL具有良好的兼容性。二區(qū)計算機監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫通過正向隔離裝置與三區(qū)站控層MariaDB數(shù)據(jù)庫定時(如1～10 s)同步數(shù)據(jù)。站控層組態(tài)軟件采用亞控科技的KingSCADA自動化軟件產(chǎn)品。站控層視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用Synology NAS隨機配備的Surveillance Station視頻監(jiān)控平臺，研華亞當(dāng)系列PLC、安訊士SIP IP音箱等產(chǎn)品可直接接入該平臺。

(5)SD-WAN。為降低成本造價、快速部署，經(jīng)比選后，選擇上海貝銳信息科技股份有限公司的工業(yè)級蒲公英4G無線路由器和機架式路由器。組網(wǎng)方案采用蒲公英為企業(yè)提供智能組網(wǎng)整體解決方案，全面覆蓋互聯(lián)網(wǎng)、專線、無線網(wǎng)絡(luò)等常見接入方式，多線動態(tài)BGP網(wǎng)絡(luò)出口帶寬，大幅提升網(wǎng)絡(luò)連接品質(zhì)，組建虛擬局域網(wǎng)，打破地域限制，實現(xiàn)各地區(qū)間設(shè)備、信息互聯(lián)互通。

(6)平臺層。平臺層主要部署在公司機關(guān)本部，平臺層部署Synology NAS高性能服務(wù)器1～2臺，實現(xiàn)手機、電腦、電視、大屏等的視頻監(jiān)視、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)視控制、電站(場)生產(chǎn)信息、設(shè)備運行狀態(tài)等的監(jiān)視[7]。部署Surveillance Station CMS(視頻中心管理系統(tǒng))，對所屬各場站音頻、視頻進行統(tǒng)一管理、存儲；部署KingAppPlatform自動化組態(tài)運維平臺，用于各站生產(chǎn)信息的發(fā)布，部署DeviceHive用于IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)視控制及發(fā)布。

(7)業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層指系統(tǒng)實現(xiàn)功能設(shè)計，該系統(tǒng)主要完成的功能有：視頻監(jiān)視、音頻監(jiān)聽、雙向?qū)χv、GIS地圖、PLC控制、工控組態(tài)、IoT物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、第三方接口等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)基于蒲公英SD-WAN將各電站局域網(wǎng)、總部平臺組成一個可以直接互通的“廣域網(wǎng)”，每個電站節(jié)點上部署NAS服務(wù)器、工業(yè)組態(tài)軟件；總部平臺部署視頻CMS、DeviceHive及大數(shù)據(jù)開發(fā)平臺。

3.1 SD-WAN

SD-WAN(軟件定義的廣域網(wǎng))是一種用于管理WAN(廣域網(wǎng))的自動化技術(shù)，減少跨越多個局域網(wǎng)間互相訪問的維護成本，可靠且可承受和整體適用性較強，其底層技術(shù)依然是VPN技術(shù)+靜態(tài)路由。

SD-WAN 可實現(xiàn)將昂貴專線和價格便宜的互聯(lián)網(wǎng)線路邏輯捆綁為高可用的混合 SD-WAN 虛擬通道，通過使用性價比高的鏈路，可有效減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用支出。根據(jù)測算，同比例帶寬情況下，SD-WAN 相較運營商專線，每年可節(jié)省近一半成本，并達到接近專線同等的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

各電站部署蒲公英工業(yè)SD-WAN路由器，與中心站組成SD-WAN網(wǎng)絡(luò)。蒲公英工業(yè)SD-WAN提供加密傳輸與非加密傳輸，電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)IO數(shù)據(jù)等采用加密傳輸。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)

中心主站配備2臺高性能的Synology NAS服務(wù)器，1臺部署Surveillance Station CMS視頻服務(wù)器，1臺通過Docker部署物聯(lián)網(wǎng)DeviceHive Server[8]。各電站、施工現(xiàn)場部署Synology NAS服務(wù)器1～2臺，實現(xiàn)NVR視頻存儲、監(jiān)視查看，提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)。6臺華為裸金屬服務(wù)器采用CentOS部署Apeach Hadoop大數(shù)據(jù)環(huán)境。

3.3 平臺軟件

3.3.1 視頻監(jiān)控

電站視頻監(jiān)控軟件采用Surveillance Station，各電站在NAS服務(wù)器上運行Surveillance Station，NAS服務(wù)器作為NVR使用。Surveillance Station提供直播視圖，提供直觀的界面和智能多流交換，可有效監(jiān)控多臺 IP 攝像機，通過警報面板和直播視圖分析功能可更輕松有效地監(jiān)測可疑活動[9]。根據(jù)需求設(shè)置各種錄制模式，并同時對比不同攝像機錄制的畫面(見圖1)。

通過實施額外的保護，可防止泄露敏感信息，多因子認(rèn)證功能可將敏感功能(如管理攝像機或訪問視頻記錄)限制為僅在獲得另一方授權(quán)的情況下才能執(zhí)行[10]。所有 Surveillance Station Client、網(wǎng)頁和移動應(yīng)用程序連接都通過 HTTPS 進行，使用ssl、tsl加密傳輸，確保數(shù)據(jù)隱私并防止篡改。使用 AES 256 位加密技術(shù)保護監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，并使用加密共享文件夾確保監(jiān)控錄制文件的安全。

將I/O模塊所連接的設(shè)備與操作規(guī)則相結(jié)合，允許不同設(shè)備進行交互，讓運作更加靈活和經(jīng)濟。如連接煙霧探測器并設(shè)置“檢測到煙霧就觸發(fā) LED 指示燈”的操作規(guī)則。事發(fā)地將在電子地圖中高亮顯示，監(jiān)控人員能輕松確定事件的確切地點。檢測到人或車輛跨越警告線時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，隨時保護無人看管的區(qū)域。主動監(jiān)控功能可保護電站資產(chǎn)，免于潛在入侵者的威脅。系統(tǒng)可自定義個人資料群組(例如，員工、?？?分配到不同類別(允許、VIP 或封鎖)，為每個類別創(chuàng)建不同的規(guī)則，如當(dāng)檢測到異常人員時觸發(fā)通知。

平臺主站在NAS服務(wù)器上運行Surveillance Station CMS，CMS具有連續(xù)錄制能力和主動控制能力，通過單一門戶網(wǎng)站管理所有錄制服務(wù)器，同時還能訪問直播視圖畫面和錄制文件，可多站點、多服務(wù)器監(jiān)控。發(fā)生意外時可自動或手動將服務(wù)器轉(zhuǎn)移到備份系統(tǒng)，從而降低服務(wù)器斷線時所造成的數(shù)據(jù)丟失或可能導(dǎo)致的其他損害風(fēng)險。平臺提供Web API接口，方便工程管理、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、多功能廳、展廳等的接入和展示。

3.3.2 電站三區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫

考慮到甲骨文公司收購MySQL后，有將MySQL閉源的潛在風(fēng)險，因此選擇與MySQL完全兼容(包括API和命令行)的代替品MariaDB作為三區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，并且作為生產(chǎn)管理系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，定時通過正向隔離裝置采集二區(qū)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫、電度量等數(shù)據(jù)。

3.3.3 組態(tài)軟件

考慮到電站層面技術(shù)水平，組態(tài)軟件采用亞控科技的KingAppPlatform自動化組態(tài)運維平臺[11]，并使用Docker技術(shù)部署。該平臺使其通過全組態(tài)方式快速構(gòu)建定制化工業(yè)APP應(yīng)用的平臺，全組態(tài)方式大大降低了工業(yè)APP開發(fā)與運維門檻，使開發(fā)者輕松實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲和展示，隨用隨編，隨時根據(jù)需求修改，提升監(jiān)控APP開發(fā)效率。

組態(tài)軟件支持Modus/TCP、OPC、OPC UA等主流工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議，支持MQTT、HTTPS等主流的網(wǎng)絡(luò)傳輸通訊協(xié)議；提供靈活易用的2D/3D流程圖編輯器，提供布局容器、各種UI組件、豐富的圖表組件、報警/事件組件等，使Web頁面對流程畫面通過拖拉拽、搭積木的方式在頁面上直觀地進行拼裝、組合、關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)自組態(tài)。總部平臺運維中心客戶端對運行節(jié)點的狀態(tài)、資源占用、應(yīng)用狀態(tài)、性能數(shù)據(jù)、運行日志進行統(tǒng)一監(jiān)視，可將第三方系統(tǒng)及軟件應(yīng)用接入，通過鏈接URL或網(wǎng)頁容器的形式，直接跳轉(zhuǎn)到其他平臺頁面，也可以通過提供接口的形式，將第三方平臺接入平臺當(dāng)中，實現(xiàn)集成連接。

圖1 電力監(jiān)控管理平臺拓?fù)涫疽?/p>

3.3.4 總部生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫

總部生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫采用Docker技術(shù)部署PostgreSQL。PostgreSQL是一種典型的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在保證數(shù)據(jù)可靠性和完整性方面表現(xiàn)出色，支持復(fù)雜數(shù)據(jù)對象處理等場景?？偛可a(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫定時同步各電站MariaDB三區(qū)數(shù)據(jù)庫。

3.3.5 物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺

物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺部署在總部NAS服務(wù)器上[12]，采用Docker技術(shù)部署DeviceHive。

DeviceHive是開源IoT平臺，Apache 2.0開源許可，可自由使用和更改，可以將單個虛擬機擴展到企業(yè)級群集，提供通過REST API，WebSockets或MQTT連接到任何設(shè)備?，F(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板主要采用低成本的ESP8266 WiFi開發(fā)板，它支持大數(shù)據(jù)解決方案，如ElasticSearch、Apache Spark、Cassandra和Kafka，用于實時和批處理，并帶有Apache Spark和Spark Streaming支持，支持用各種編程語言編寫的庫，包括Android和iOS庫，允許在設(shè)備數(shù)據(jù)之上運行批量分析和機器學(xué)習(xí)。

3.3.6 監(jiān)控數(shù)據(jù)的可視化展示

采用DeviceHive集成的Grafana組件完成，用以制作富有科技感的dashboard。Grafana支持的數(shù)據(jù)源也越來越豐富，如PostgreSQL、MySQL、Microsoft SQL Server等等。利用JSON數(shù)據(jù)源插件，無論數(shù)據(jù)存儲在什么數(shù)據(jù)源中，只需要相應(yīng)的接口，并在接口中實現(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Grafana的JSON插件所支持的數(shù)據(jù)格式，達到無縫對接目的。Grafana從各站數(shù)據(jù)庫、總部數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)并制作可視化監(jiān)控、指標(biāo)展示儀表盤，并形成動態(tài)視頻流展示在電視、LED大屏、展廳等地[13]。

3.3.7 大數(shù)據(jù)平臺

大數(shù)據(jù)平臺主要用于電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)、經(jīng)營、發(fā)展等經(jīng)濟活動分析的行業(yè)用電市場經(jīng)營決策技術(shù)研究[14]，采用6臺華為服務(wù)器，并安裝華為提供的FusionCompute虛擬機工作平臺，準(zhǔn)備3個以上的虛擬機節(jié)點，做Hadoop集群，其中一個是master結(jié)點，主要用于運行Hadoop程序中的namenode、secondorynamenode和jobtracker任務(wù)。另外兩個結(jié)點均為slave結(jié)點，其中一個是用于冗余目的，slave結(jié)點主要將運行Hadoop程序中的datanode和tasktracker任務(wù)。

4 結(jié) 語

SD-WAN+5G結(jié)合將是電力行業(yè)廣域網(wǎng)互聯(lián)的重要發(fā)展方向[15]。將5G和SD-WAN路由終端接入結(jié)合起來，實現(xiàn)多電站發(fā)電企業(yè)超大帶寬、超低時延、高速連接的能力，為電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了安全穩(wěn)定的通道。本方案除組態(tài)軟件外，全部采用開源軟件，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)可見、程序可見、體系可見”的應(yīng)用服務(wù)中臺，面向公司各電站、各專業(yè)、各基層單位和外部合作伙伴提供敏捷開發(fā)、開放的數(shù)據(jù)分析和共享服務(wù)，提升企業(yè)智慧運營和業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力。