基于私有云技术的区域变电站实施方案

孙树才 朱陈鹏

基于私有云技术的区域变电站实施方案

孙树才1,2朱陈鹏1,2

（1. 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京 211100；2. 国电南瑞科技股份有限公司，南京 211100）

近年来物联网技术、信息通信技术发展迅速，随着智能变电站的建设，主体设备的智能化程度不断提高，电力数据网不断完善，为实现区域私有云提供了基础条件，本文就区域变电站的概念、优点、实施方案、建设过程、高级应用等方面提出了设计和实施方案，对应用方式和场景进行了探讨。

变电站；私有云；虚拟化；区域变电站；变电站集群

随着智能变电站的建设，主体设备的智能化程度不断提高，电力数据网不断完善，为实现区域私有云提供了基础条件。

目前变电站还处于使用当地自建独立监控系统的阶段，需要独立配备服务器，无形中增加了建设成本，维护困难，系统信息共享程度和灾备能力较差。

本文对基于私有云的区域变电站方案进行了设计与探讨。

1 私有云技术

1.1 云技术

云技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来，实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术。按照云的服务层次可以把云服务分为：基础设施即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）[1]。

IaaS：基础设施即服务Infrastructure-as-a- Service，消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。

PaaS：平台即服务Platform-as-a- Service，PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。但是，PaaS的出现可以加快SaaS的发展，尤其是加快SaaS应用的开发速度。

SaaS：软件即服务Software-as-a- Service，它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件来管理企业经营活动。

1.2 虚拟化

虚拟化是云服务的基础，是云服务的重要特征，通过虚拟化技术，云服务平台可以将多台服务器整合成一个联动的集群，构成一个资源池，实现共同计算，共享资源，可以最大限度的利用系统内的闲置计算资源。

图1 以VMware产品为例的虚拟化示例图

1.3 海量数据存储

传统的存储方式采用专用存储服务器（或直接使用应用服务器）存放所有的数据，存储服务器成为系统性能的瓶颈，不能满足大规模存储应用的需要。数据通常采用的是就地存储的方式，安全性较低，扩展性受限，共享能力弱。

海量数据存储采用可扩展的系统结构，利用多台存储服务器分担存储负荷，利用寻址服务器定位存储信息，有较高的可靠性、可用性和存取效率，且易于扩展。

图2 海量存储的结构示意图

1.4 大数据[2]

大数据是指无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行抓取、管理和处理的数据集合。大数据技术是指从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力，大数据的基本特征为：数据体量巨大、数据类型多样、处理速度快、价值密度低。

2 区域变电站

2.1 何为区域变电站

本文描述的区域变电站是指在一个特定供电区域内，建立一个区域监控中心，通过高速通信网络，实现对区域内多个实体变电站、独立设备的统一管控。

需要澄清的是，区域变电站的区域概念只限于控制信息系统的区域化，实际供电系统仍按传统方式实现。

2.2 结构示意图

图3 结构示意图

2.3 优势

1）集中设备管理，优化资源配置

区域变电站模式下采用了集中建站的方式，服务器、存储设备全部集中于区域中心机房中。

在这种模式下，应用虚拟化技术，将所有的服务器进行硬件虚拟化，构建服务器资源池，实现IaaS。

传统变电站的服务器一般资源利用率低，个别利用率高的现场又容易发生硬件故障，资源分配不均匀，不能实现资源共享。

数据存储一般采用就地存储，即存放于应用服务器的硬盘上或存储于独立的存储服务器中，大量的存储资源长期处于空闲状态，利用率低。

表1是对于不同服务器数量下两种模式的比对，假设单站资源平均需求为40，单台服务器资源为100，资源警戒线为90%。

通过表1的对比发现，相比于传统变电站建设模式，区域变电站模式对于服务器资源的节省是很明显的，普遍节省约50%，在总投资不变的情况下，这50%就是所谓的系统裕度，可以作为热备资源存在，提高系统运行可靠性。

另外，从预算的角度看，单站情况下服务器的预算有限，只能配置一般的服务器，性能及可靠性差。在区域模式下，多台服务器的预算叠加，就可以综合考虑性能及可靠性的需求，选用较好的服务器，从而提高了系统性能和安全质量。

表1 不同服务器数量两种模式的资源比对

2）优化数据汇聚方案，减少基建重复投入

文中提到传统的存储服务器成为系统性能的瓶颈，不能满足大规模存储应用的需要。

传统变电站中一般采用双（多）机热备的模式，应用只能利用单一设备的性能，处于热备状态的设备只能实现备份的作用，不能做到性能叠加或者负载均衡。

实时产生的数据采用定时（1min或5min）采样存储的模式，其余数据采用丢弃的方式处理，系统不具备海量存储和分析的能力。主站侧在进行数据分析的时候，通常也采用规约上送，定时采点的模式获取原始数据，这种模式下的网络结构如下。

图4 传统模式数据获取的网络结构图

传统模式中通过远动机进行数据上送，只能上送结构化数据，非结构化数据需要编码处理后才能上送，数据的大小也受限。

采用区域变电站模式，可以有效解决该问题，区域变电站的性能较高，完全可以应对分布式数据处理的需要，在该模式下采用数据分布存储的模式，避免数据大量迁移。

此时的网络结构如图5所示。

图5 区域模式数据获取的网络结构图

区域模式下，主站只需要从区间中心获取原始数据，或者采用分布式计算的模型，将计算任务下放到区间中心的计算节点，就地取数计算后再将结果反馈给主站。

厂站与区域中心直接进行网络通信，数据直连，只要保证网络环境稳定高速，就不存在数据获取的障碍，区域中心直接获取实时数据，数据不间断存储，定期分析归档清理，数据安全性、可用性高。

3）提高数据共享互通能力，实现区域大数据分析

采用区域变电站模式，对于主站来讲区域中心相当于分布式的数据中心，通过建立高速互联网络，可以轻松实现各区域中心之间、区域中心对主站的数据互联互通，为分布式计算、大数据分析提供了基础条件。

在此基础上可以实现区域级别的保护系统，甚至跨域、多域的联动保护系统。

4）实现快速恢复与系统扩容，提供统一的灾备方案[3]

通过建立区域中心，可以利用虚拟机的特性，提供完美的主机热备、镜像、快照，支持实时迁移，快速恢复，动态扩容等功能。

通过区域互联，实现数据的异地备份，实现系统冗余灾备，甚至是极端情况下的系统级替代。相对于传统变电站，实现了系统级的冗余备份，实现了数据的RAID、多副本、异地备份，极大地提高了系统的稳定性、可用性。

5）集中运维，降低维护难度，减少成本

传统模式下，变电站的运维一般分析为一次班（运行人员）、二次班（远动、继保人员），所有的运维操作均需要在现场实施。

在区域模式下，系统被建立在云端，二次运维人员可以轻松地使用云终端系统通过专用通道或者VPN方式访问和维护监控系统。除了例行的现场设备检修之外，其余情况均可以采用该方式。

未来可以将测控、保护设备也迁移到区域中心，现场全部采用智能终端、合并单元上送数据。此时，保护装置的例行检修也可以在区域中心完成了。

对于一次运行人员，可以安排在区域中心进行值班监控，通过云终端、移动设备实时调取现场数据、视频。结合智能推送机制，在关键信息产生时，准时推送到个人移动设备，减少信息传递的环节，缩短信息传递的时间，提高处理效率。

3 建设过程

本文根据网络建设情况、信息化程度将区域变电站的建设分成了4个阶段，具体如下：

1）集中建站，硬件虚拟化

在区域变电站建设的第一阶段，主要是完成了监控系统、服务器、存储设备的集中化，采用虚拟化方法，实现私有云，硬件级无厂站分界，采用虚拟机技术构建监控系统、存储系统。

这个阶段，现场的测控、保护装置不做任何改造，只将现场服务器、远动设备取消，所有二次设备直接上网。

2）二次设备集中化

这个阶段主要解决了第一阶段中二次设备仍就地运行的问题，该阶段的实现依赖于网络的建设情况，必须建设高带宽、低延迟的通信网络。

现场全部采用智能终端、合并单元直接上网的模式。保护、测控装置全部迁移至区域中心，通过高速通信网络实现数据采集。

3）平台虚拟化

随着信息化的推进，主体的监控系统要改变传统的单机安装运行方式，进入云平台运行方式。

操作系统级没有厂站之分，厂站逻辑隔离通过云平台的软件架构实现，即实现了PaaS或SaaS。

4）区域互联

通过进一步推进通信网络的互联互通建设，结合PaaS/SaaS的实现，区域中心间的数据访问和迁移变得容易，此时区域间的分界不再明显，平台级实现互联、互通、协作、灾备。

4 高级应用

在建立了互联互通的区域中心后，就可以利用云平台的资源，实现一些高级应用，具体如下：

1）故障预测

通过实时采集分析区域数据的变化，采用大数据分析技术，建立故障预测模型，实现故障预警。

2）行为分析

接入人员单兵系统，分析人员操作习惯，对数据进行抽样归纳，及时发现违规行为，发出警示，通过联动操作制止不当行为，实现智能五防。

3）实时故障转移

通过建立快照、冗余备份、热备等方式，对重要系统提供实时恢复、替代等支持，实现实时故障转移。

5 结论

随着物联网技术、网络基础建设的发展，区域变电站技术不再有技术屏障。本文就区域变电站的概念、优点、实施方案、建设过程、高级应用进行了分析，部分观点可能还不成熟，有待于深入探讨。

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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

孙树才（1987-），男，南瑞集团有限公司电网事业部变电分公司高级软件研发工程师，本科，主要从事电力系统自动化方向系统软件研发工作。