引言
電網調度自動化系統是電網運行指揮中樞，負責監視和控制電力系統的發電、輸電、變電和配電設備的安全運行，對電力系統的安全穩定運行起著重要作用。失去監視控制和調度管理后，局部電網事件很可能會迅速擴大到整個電網，甚至造成電網崩潰。2008年1月份國內南方地區的冰雪災害、5月份“汶川”發生的特大地震等一系列嚴重自然災害，對電網調度自動化系統提出了嚴峻的考驗，為保證不間斷的電網監控和調度，迫切需要建立電網調度自動化災備系統。隨著國內智能電網的提出，電力系統的穩定高效自愈運行目標對電網調度自動化系統的可靠性、容災能力提出了更高的要求。
在“十二五”期間，國家電網公司十分重視電網調度自動化災備系統的建設并制定了規劃。
隨著計算機技術、通信技術、數據庫技術等信息技術的進步，尤其是云計算技術的飛速發展，為新型的基于服務器虛擬化技術的云災備系統建設提供了條件。依托全網分布建立的災備中心，通過構建面向服務的災備平臺，實現基于底層網絡、計算、存儲等分布式資源的虛擬化云計算服務，按需為電力調度中心用戶提供網絡化的災備服務，并通過自身保護機制進一步保證用戶災備數據的可用性和安全性。
目前電網中災備系統建設方案較多，并沒有一個統一的評價標準，許多災備系統設計并不合理，存在過多冗余和系統資源浪費，或者備用容量不夠，在發生大的故障時達不到系統備用的要求。針對這一問題，本文首先提出了電網調度自動化災備系統評價方案，然后對各備用系統方案進行優化分析，最后結合云平臺技術，提出云災備系統設計方案。
1 災備系統效用模型
對于災備系統進行效用分析是評價系統可行性的一項重要內容，可以給電網調度自動化災備系統的設計與建造提供參考。
1．1 影響因素
對于災備系統，以下4個方面是影響其投資成敗的主要因素。
1）備用容量
調度系統的兩大特點就是大數據量與大計算量，而海量數據是當前的主要瓶頸，考核備用容量的重要指標就是服務器的數據量，將系統的數據量作為地區ｉ的備用容量Ｑｉ。
2）設備投入
設地區ｉ的設備投入為Ｐｉ，則服務器投入與備用容量關系為：
P i=aCpriQi
式中：Cpri為存儲成本價格；α為備用強度。
3）地區災難概率分析
設地區ｉ的災難概率為ｐｉ，所有人為、自然災害對服務器造成的破壞，最終表現形式為：①硬件層面故障，包括傳輸故障、存儲故障；②服務層面故障，包括操作系統故障、應用服務故障。
上述2種故障的更底層（直接）事件可能如下：失火、雷電、臺風、網絡病毒等。層次關系如圖1所示。
圖1 影響服務器的災難層次分析圖
設各底層事件在地區ｉ發生的概率如下：火災事件ｐｆ、臺風事件ｐｔ、地震事件ｐｅ、雷擊事件ｐｓ、網絡安全事件ｐｎ、病毒事件ｐｖ。假設底層事件的發生是相互獨立的，那么地區ｉ任一底層事件發生的概率為：
ｐｉ ＝1－（1－ｐｆ）（1－ｐｔ）（1－ｐｅ）·（1－ｐｓ）（1－ｐｎ）（1－ｐｖ） （2）
4）災難損失
災難造成的負面損失Ｃｉ主要包括如下方面：①直接損失，即設備損壞的損失，是固定值；②間接損失，即因為電網調度自動化系統壞掉對電力調度造成的潛在損失，與恢復時間ｔ有關系。
設在地區ｉ建立一個工作站需要設備投資為Ｉｉ，災難損失程度系數為λｉ，該系數不僅描述了當災難發生時的設備損失程度（災難發生時設備的損毀代價為λｉＩｉ），而且反映了數據損失的程度，而一般意義上，數據損失程度越大，恢復其正常工作所需要時間將越長，即λｉ同時也可以描述恢復所需時間。
假定服務器日常動力、維護費用為常值ｖ，在不同地區發生同樣程度災害不存在修復速度差異，災難發生服從Ｔ分布，即某災難第1次發生概率與重建后的再次發生概率相同。那么在地區ｉ從最初設備投資到發生某種災難所花費的代價為：
災難損失程度系數λｉ應該服從正態分布；ｐｉ與所選地區有關，即不同地區某類災難事件發生概率不一致，這也就為備用服務器（災備中心）選址奠定了基礎。一般要求同一災難事件在主服務器和備用服務器同時發生的概率盡可能小，某幾起災難同時發生的概率極低。
上述分析為在某地建立服務器（主服務器或備用服務器）所需物質代價評價提供了理論依據。另一方面，災難事件發生導致數據的損失可描述如下：定義某主服務器存儲量為Ｒ，那么某次損失掉的數據ｒ＝λｉＲ。
災難損失數據定義了備用服務器最低容量。極端情況下，主服務器所有數據可能都會損失掉，為保證絕對安全，備用服務器保險容量至少不低于主服務器容量。那么，如何優化配置備用服務器容量就涉及主—備用服務分布策略。
1．2 評價函數
根據對上述4項影響因素的分析，一個災備系統的好壞主要從投資和災難損失2個方面進行評價，在保證災備系統可靠性的前提下，投資越少，災難損失越小，災備系統越優，因此災備系統的評價函數為：
ｍｉｎＦ ＝ΣＰｉ＋ΣＣｉｐｉ
Ｆ 越小，災備系統效用越好。
2 災備系統優化分析
根據現在電網調度自動化系統中的實際情況，電網調度災備系統主要有建設專門的災備系統及與其他系統互為備用2種建設方案。
建設專門的災備系統主要有以下4種策略。
1）一主多備：即一個主服務器配置多個獨立的備用服務器。該策略可靠性最高，但投資巨大，系統中很少采用。
2）一主一備：即一個主服務器配置一個獨立的備用服務器。該策略一般將備用服務器配置在異地，同時發生故障的概率非常小，可靠性很高，但投資較大，主要適用于對調度自動化系統可靠性要求很高的系統，如省級及以上電網調度。
3）多主一備：即多個主服務器配置一個中央災備中心備用服務器。這樣一方面降低了建設費用，另一方面由于數據輸入／輸出的動態屬性，存儲空間使用效率更高（即節約存儲空間），但是發生重大災難時，備用一旦失效將導致系統全部失效，風險較大。
4）分布式一體化互備：按照冗雜存儲設計，數據可用性提高，即災備效率更高，同時對空閑存儲資源利用更好。
由于地震、火災等災難性事件發生的概率很小，建設專用的電網調度自動化災備系統的投入較大，可利用省、地、縣建設無人（少人）值班變電所集控中心與備用系統的機會，將本地集控系統與其他地區電網調度自動化系統建設成互備系統，無需大量增加投入就能增強電網調度自動化系統備用效果。這種異地互備方式無須另建專門的備用系統，可節約投資，但對下級調度中心的系統有較高的要求，包括系統的建模范圍、數據規模、通信條件等。
集控／調度互備系統的典型設計方案如圖2所示，2套系統的硬件配置滿足獨立運行的技術要求。正常情況下，2套系統相互獨立運行，各司其職。但當一套系統發生故障后，另一套系統能完全接替其相應的功能，實現互為備用。
圖2 集控／調度互備系統典型設計方案
典型設計方案中，調度系統和集控系統采集同一數據網中的數據，具有平級關系，另外還可以實現上下級集控／調度系統的分層互備方案設計，如圖3所示，上層為上級數據采集與監控（ＳＣＡＤＡ）集控系統／能量管理系統（ＥＭＳ）調度系統，下級為管轄區域內的集控系統。當任一集控系統故障時，調度系統能夠快速接管集控系統的功能，實現對集控系統的完全備用；當調度系統故障時，各集控系統分別承擔其管轄范圍內廠站的ＳＣＡＤＡ 功能，對調度系統起到部分備用的作用，若干套集控系統一起實現對調度系統的完全備用功能。
圖3 集控／調度互備系統擴展設計方案
以上分析了4種常用的災備系統方案，實際系統中采用何種設計方案應根據系統需求和評價函數，綜合評估各方案的備用效用，選擇最合理的集控／調度一體化互備的災備系統方案。
2．2 系統功能模塊分區域備用優化
電網調度自動化系統的功能具有模塊化的特點，因此在做虛擬化備用存儲時，應該按照電網調度自動化系統的模塊化特點，按照監控／調度的各種應用分為不同的模塊分別備份。進一步還可以按照廣域測量系統、ＳＣＡＤＡ 系統、自動發電控制、自動電壓控制、多媒體短信服務、狀態估計、調度員潮流、靜態安全分析、負荷預測、電能量計量、水調信息采集等不同的必備高級計算應用模塊來分散互備。
基于電網調度自動化系統的多區域特點，在做虛擬化備用存儲時，按照電網調度自動化系統地域性，設共有 個區域，則主機存儲與備用存儲矩陣
備用應該遵照災難概率與損失逆序性原則，災難損失越大的模塊備用在災難概率越小的地區，這樣能通過減少損失來降低災備損失函數。
3 基于云平臺的災備系統架構
基于電力系統集控／調度互備建設的要求，在云平臺的基礎上建立災備系統，可以通過降低投資來減少災備指標，提升災備的效果。云計算平臺由虛擬資源池、虛擬管理層、災備基礎服務、災備支撐應用、災備應用服務、災備服務總線等組成，為整個系統提供數據服務和計算服務，如圖4所示。
云平臺主要采用了服務器虛擬化技術，實現了執行環境與物理環境的隔離，提高了服務器資源的利用率。
圖4 云災備平臺框架
3．1 虛擬資源池
虛擬資源池建立在大量計算機、存儲設備和雙網卡熱備網絡設備構成的云計算硬件平臺上，對分散的計算、存儲等物理資源進行抽象，實現對云計算平臺異構物理資源的統一調度和高效利用，實現電網運行監控等應用的透明化物理部署。
3．2 虛擬管理層
虛擬管理層通過對電力系統計算機與通信基礎設施層的物理存儲設備虛擬化管理，構成供上層災備服務統一調配的資源。通過對異構存儲設備的統一管理，取得對存儲空間（物理和邏輯）的控制權，這是上層電網調度自動化系統災備服務的關鍵。
3．3 災備服務
災備服務主要包括電網調度自動化系統備用所需要的基礎軟件、基礎服務、支撐應用、應用服務與提供互備服務的服務總線。
4 方案設計
基于災備平臺，設計實現一種面向用戶的、多層次、高質量的電網調度災備整體解決方案，系統架構見附錄Ａ圖Ａ1。
以某省９個主要地級電力調度中心備用為例，該方案以一個集控災備云中心與一個調度災備云中心同時分別為９個用戶提供廣域網絡異地集控與調度災備服務，集控災備云中心選址在省會，調度災備云中心選址在遠離省會的另一經濟發達核心區的第二大城市，既減少了成本，又提高了災備的效果。
5 結語
本文提出的電網調度災備系統評價函數對各種方案的評估進行了量化，為實際系統方案選擇提供了依據，可以在滿足可靠性要求的前提下，實現災備系統方案優化。基于云平臺提出了集控／調度一體化互備的災備系統設計，構建了一套電網運行集控／調度一體化互備解決方案。未來將進一步面向“運行”構建一體化的多級調度云系統，以滿足備用一體化與“大運行”的應用要求。
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本文標題：電網調度云災備系統優化分析與設計
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