引言

    電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是電網(wǎng)運(yùn)行指揮中樞，負(fù)責(zé)監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電和配電設(shè)備的安全運(yùn)行，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。失去監(jiān)視控制和調(diào)度管理后，局部電網(wǎng)事件很可能會迅速擴(kuò)大到整個電網(wǎng)，甚至造成電網(wǎng)崩潰。2008年1月份國內(nèi)南方地區(qū)的冰雪災(zāi)害、5月份“汶川”發(fā)生的特大地震等一系列嚴(yán)重自然災(zāi)害，對電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，為保證不間斷的電網(wǎng)監(jiān)控和調(diào)度，迫切需要建立電網(wǎng)調(diào)度自動化災(zāi)備系統(tǒng)。隨著國內(nèi)智能電網(wǎng)的提出，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定高效自愈運(yùn)行目標(biāo)對電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的可靠性、容災(zāi)能力提出了更高的要求。

    在“十二五”期間，國家電網(wǎng)公司十分重視電網(wǎng)調(diào)度自動化災(zāi)備系統(tǒng)的建設(shè)并制定了規(guī)劃。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息技術(shù)的進(jìn)步，尤其是云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，為新型的基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)的云災(zāi)備系統(tǒng)建設(shè)提供了條件。依托全網(wǎng)分布建立的災(zāi)備中心，通過構(gòu)建面向服務(wù)的災(zāi)備平臺，實(shí)現(xiàn)基于底層網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲等分布式資源的虛擬化云計(jì)算服務(wù)，按需為電力調(diào)度中心用戶提供網(wǎng)絡(luò)化的災(zāi)備服務(wù)，并通過自身保護(hù)機(jī)制進(jìn)一步保證用戶災(zāi)備數(shù)據(jù)的可用性和安全性。

    目前電網(wǎng)中災(zāi)備系統(tǒng)建設(shè)方案較多，并沒有一個統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，許多災(zāi)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不合理，存在過多冗余和系統(tǒng)資源浪費(fèi)，或者備用容量不夠，在發(fā)生大的故障時(shí)達(dá)不到系統(tǒng)備用的要求。針對這一問題，本文首先提出了電網(wǎng)調(diào)度自動化災(zāi)備系統(tǒng)評價(jià)方案，然后對各備用系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最后結(jié)合云平臺技術(shù)，提出云災(zāi)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 災(zāi)備系統(tǒng)效用模型

    對于災(zāi)備系統(tǒng)進(jìn)行效用分析是評價(jià)系統(tǒng)可行性的一項(xiàng)重要內(nèi)容，可以給電網(wǎng)調(diào)度自動化災(zāi)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造提供參考。

    1．1 影響因素

    對于災(zāi)備系統(tǒng)，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(diào)度系統(tǒng)的兩大特點(diǎn)就是大數(shù)據(jù)量與大計(jì)算量，而海量數(shù)據(jù)是當(dāng)前的主要瓶頸，考核備用容量的重要指標(biāo)就是服務(wù)器的數(shù)據(jù)量，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量作為地區(qū)ｉ的備用容量Ｑｉ。

    2）設(shè)備投入

    設(shè)地區(qū)ｉ的設(shè)備投入為Ｐｉ，則服務(wù)器投入與備用容量關(guān)系為：

   P _i=_aC_priQ_i

    式中：Cpri為存儲成本價(jià)格；α為備用強(qiáng)度。

    3）地區(qū)災(zāi)難概率分析

    設(shè)地區(qū)ｉ的災(zāi)難概率為ｐｉ，所有人為、自然災(zāi)害對服務(wù)器造成的破壞，最終表現(xiàn)形式為：①硬件層面故障，包括傳輸故障、存儲故障；②服務(wù)層面故障，包括操作系統(tǒng)故障、應(yīng)用服務(wù)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(fēng)、網(wǎng)絡(luò)病毒等。層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 影響服務(wù)器的災(zāi)難層次分析圖

    設(shè)各底層事件在地區(qū)ｉ發(fā)生的概率如下：火災(zāi)事件ｐｆ、臺風(fēng)事件ｐｔ、地震事件ｐｅ、雷擊事件ｐｓ、網(wǎng)絡(luò)安全事件ｐｎ、病毒事件ｐｖ。假設(shè)底層事件的發(fā)生是相互獨(dú)立的，那么地區(qū)ｉ任一底層事件發(fā)生的概率為：

    ｐｉ ＝1－（1－ｐｆ）（1－ｐｔ）（1－ｐｅ）·（1－ｐｓ）（1－ｐｎ）（1－ｐｖ） （2）

    4）災(zāi)難損失

    災(zāi)難造成的負(fù)面損失Ｃｉ主要包括如下方面：①直接損失，即設(shè)備損壞的損失，是固定值；②間接損失，即因?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)壞掉對電力調(diào)度造成的潛在損失，與恢復(fù)時(shí)間ｔ有關(guān)系。

    設(shè)在地區(qū)ｉ建立一個工作站需要設(shè)備投資為Ｉｉ，災(zāi)難損失程度系數(shù)為λｉ，該系數(shù)不僅描述了當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)的設(shè)備損失程度（災(zāi)難發(fā)生時(shí)設(shè)備的損毀代價(jià)為λｉＩｉ），而且反映了數(shù)據(jù)損失的程度，而一般意義上，數(shù)據(jù)損失程度越大，恢復(fù)其正常工作所需要時(shí)間將越長，即λｉ同時(shí)也可以描述恢復(fù)所需時(shí)間。

    假定服務(wù)器日常動力、維護(hù)費(fèi)用為常值ｖ，在不同地區(qū)發(fā)生同樣程度災(zāi)害不存在修復(fù)速度差異，災(zāi)難發(fā)生服從Ｔ分布，即某災(zāi)難第1次發(fā)生概率與重建后的再次發(fā)生概率相同。那么在地區(qū)ｉ從最初設(shè)備投資到發(fā)生某種災(zāi)難所花費(fèi)的代價(jià)為：

    災(zāi)難損失程度系數(shù)λｉ應(yīng)該服從正態(tài)分布；ｐｉ與所選地區(qū)有關(guān)，即不同地區(qū)某類災(zāi)難事件發(fā)生概率不一致，這也就為備用服務(wù)器（災(zāi)備中心）選址奠定了基礎(chǔ)。一般要求同一災(zāi)難事件在主服務(wù)器和備用服務(wù)器同時(shí)發(fā)生的概率盡可能小，某幾起災(zāi)難同時(shí)發(fā)生的概率極低。

    上述分析為在某地建立服務(wù)器（主服務(wù)器或備用服務(wù)器）所需物質(zhì)代價(jià)評價(jià)提供了理論依據(jù)。另一方面，災(zāi)難事件發(fā)生導(dǎo)致數(shù)據(jù)的損失可描述如下：定義某主服務(wù)器存儲量為Ｒ，那么某次損失掉的數(shù)據(jù)ｒ＝λｉＲ。

    災(zāi)難損失數(shù)據(jù)定義了備用服務(wù)器最低容量。極端情況下，主服務(wù)器所有數(shù)據(jù)可能都會損失掉，為保證絕對安全，備用服務(wù)器保險(xiǎn)容量至少不低于主服務(wù)器容量。那么，如何優(yōu)化配置備用服務(wù)器容量就涉及主—備用服務(wù)分布策略。

    1．2 評價(jià)函數(shù)

    根據(jù)對上述4項(xiàng)影響因素的分析，一個災(zāi)備系統(tǒng)的好壞主要從投資和災(zāi)難損失2個方面進(jìn)行評價(jià)，在保證災(zāi)備系統(tǒng)可靠性的前提下，投資越少，災(zāi)難損失越小，災(zāi)備系統(tǒng)越優(yōu)，因此災(zāi)備系統(tǒng)的評價(jià)函數(shù)為：

    ｍｉｎＦ ＝ΣＰｉ＋ΣＣｉｐｉ

    Ｆ 越小，災(zāi)備系統(tǒng)效用越好。

2 災(zāi)備系統(tǒng)優(yōu)化分析

    根據(jù)現(xiàn)在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中的實(shí)際情況，電網(wǎng)調(diào)度災(zāi)備系統(tǒng)主要有建設(shè)專門的災(zāi)備系統(tǒng)及與其他系統(tǒng)互為備用2種建設(shè)方案。

    建設(shè)專門的災(zāi)備系統(tǒng)主要有以下4種策略。

    1）一主多備：即一個主服務(wù)器配置多個獨(dú)立的備用服務(wù)器。該策略可靠性最高，但投資巨大，系統(tǒng)中很少采用。

    2）一主一備：即一個主服務(wù)器配置一個獨(dú)立的備用服務(wù)器。該策略一般將備用服務(wù)器配置在異地，同時(shí)發(fā)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(diào)度自動化系統(tǒng)可靠性要求很高的系統(tǒng)，如省級及以上電網(wǎng)調(diào)度。

    3）多主一備：即多個主服務(wù)器配置一個中央災(zāi)備中心備用服務(wù)器。這樣一方面降低了建設(shè)費(fèi)用，另一方面由于數(shù)據(jù)輸入／輸出的動態(tài)屬性，存儲空間使用效率更高（即節(jié)約存儲空間），但是發(fā)生重大災(zāi)難時(shí)，備用一旦失效將導(dǎo)致系統(tǒng)全部失效，風(fēng)險(xiǎn)較大。

    4）分布式一體化互備：按照冗雜存儲設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)可用性提高，即災(zāi)備效率更高，同時(shí)對空閑存儲資源利用更好。

    由于地震、火災(zāi)等災(zāi)難性事件發(fā)生的概率很小，建設(shè)專用的電網(wǎng)調(diào)度自動化災(zāi)備系統(tǒng)的投入較大，可利用省、地、縣建設(shè)無人（少人）值班變電所集控中心與備用系統(tǒng)的機(jī)會，將本地集控系統(tǒng)與其他地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)建設(shè)成互備系統(tǒng)，無需大量增加投入就能增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)備用效果。這種異地互備方式無須另建專門的備用系統(tǒng)，可節(jié)約投資，但對下級調(diào)度中心的系統(tǒng)有較高的要求，包括系統(tǒng)的建模范圍、數(shù)據(jù)規(guī)模、通信條件等。

    集控／調(diào)度互備系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案如圖2所示，2套系統(tǒng)的硬件配置滿足獨(dú)立運(yùn)行的技術(shù)要求。正常情況下，2套系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，各司其職。但當(dāng)一套系統(tǒng)發(fā)生故障后，另一套系統(tǒng)能完全接替其相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)互為備用。

圖2 集控／調(diào)度互備系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)方案

    典型設(shè)計(jì)方案中，調(diào)度系統(tǒng)和集控系統(tǒng)采集同一數(shù)據(jù)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，具有平級關(guān)系，另外還可以實(shí)現(xiàn)上下級集控／調(diào)度系統(tǒng)的分層互備方案設(shè)計(jì)，如圖3所示，上層為上級數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（ＳＣＡＤＡ）集控系統(tǒng)／能量管理系統(tǒng)（ＥＭＳ）調(diào)度系統(tǒng)，下級為管轄區(qū)域內(nèi)的集控系統(tǒng)。當(dāng)任一集控系統(tǒng)故障時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)能夠快速接管集控系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)對集控系統(tǒng)的完全備用；當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)故障時(shí)，各集控系統(tǒng)分別承擔(dān)其管轄范圍內(nèi)廠站的ＳＣＡＤＡ 功能，對調(diào)度系統(tǒng)起到部分備用的作用，若干套集控系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)對調(diào)度系統(tǒng)的完全備用功能。

圖3 集控／調(diào)度互備系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案

    以上分析了4種常用的災(zāi)備系統(tǒng)方案，實(shí)際系統(tǒng)中采用何種設(shè)計(jì)方案應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求和評價(jià)函數(shù)，綜合評估各方案的備用效用，選擇最合理的集控／調(diào)度一體化互備的災(zāi)備系統(tǒng)方案。

    2．2 系統(tǒng)功能模塊分區(qū)域備用優(yōu)化

    電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的功能具有模塊化的特點(diǎn)，因此在做虛擬化備用存儲時(shí)，應(yīng)該按照電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)，按照監(jiān)控／調(diào)度的各種應(yīng)用分為不同的模塊分別備份。進(jìn)一步還可以按照廣域測量系統(tǒng)、ＳＣＡＤＡ 系統(tǒng)、自動發(fā)電控制、自動電壓控制、多媒體短信服務(wù)、狀態(tài)估計(jì)、調(diào)度員潮流、靜態(tài)安全分析、負(fù)荷預(yù)測、電能量計(jì)量、水調(diào)信息采集等不同的必備高級計(jì)算應(yīng)用模塊來分散互備。

    基于電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的多區(qū)域特點(diǎn)，在做虛擬化備用存儲時(shí)，按照電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)地域性，設(shè)共有 個區(qū)域，則主機(jī)存儲與備用存儲矩陣

    備用應(yīng)該遵照災(zāi)難概率與損失逆序性原則，災(zāi)難損失越大的模塊備用在災(zāi)難概率越小的地區(qū)，這樣能通過減少損失來降低災(zāi)備損失函數(shù)。

3 基于云平臺的災(zāi)備系統(tǒng)架構(gòu)

    基于電力系統(tǒng)集控／調(diào)度互備建設(shè)的要求，在云平臺的基礎(chǔ)上建立災(zāi)備系統(tǒng)，可以通過降低投資來減少災(zāi)備指標(biāo)，提升災(zāi)備的效果。云計(jì)算平臺由虛擬資源池、虛擬管理層、災(zāi)備基礎(chǔ)服務(wù)、災(zāi)備支撐應(yīng)用、災(zāi)備應(yīng)用服務(wù)、災(zāi)備服務(wù)總線等組成，為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和計(jì)算服務(wù)，如圖4所示。

    云平臺主要采用了服務(wù)器虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行環(huán)境與物理環(huán)境的隔離，提高了服務(wù)器資源的利用率。

圖4 云災(zāi)備平臺框架

    3．1 虛擬資源池

    虛擬資源池建立在大量計(jì)算機(jī)、存儲設(shè)備和雙網(wǎng)卡熱備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的云計(jì)算硬件平臺上，對分散的計(jì)算、存儲等物理資源進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)對云計(jì)算平臺異構(gòu)物理資源的統(tǒng)一調(diào)度和高效利用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控等應(yīng)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(tǒng)計(jì)算機(jī)與通信基礎(chǔ)設(shè)施層的物理存儲設(shè)備虛擬化管理，構(gòu)成供上層災(zāi)備服務(wù)統(tǒng)一調(diào)配的資源。通過對異構(gòu)存儲設(shè)備的統(tǒng)一管理，取得對存儲空間（物理和邏輯）的控制權(quán)，這是上層電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)災(zāi)備服務(wù)的關(guān)鍵。

    3．3 災(zāi)備服務(wù)

    災(zāi)備服務(wù)主要包括電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)備用所需要的基礎(chǔ)軟件、基礎(chǔ)服務(wù)、支撐應(yīng)用、應(yīng)用服務(wù)與提供互備服務(wù)的服務(wù)總線。

4 方案設(shè)計(jì)

    基于災(zāi)備平臺，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種面向用戶的、多層次、高質(zhì)量的電網(wǎng)調(diào)度災(zāi)備整體解決方案，系統(tǒng)架構(gòu)見附錄Ａ圖Ａ1。

    以某省９個主要地級電力調(diào)度中心備用為例，該方案以一個集控災(zāi)備云中心與一個調(diào)度災(zāi)備云中心同時(shí)分別為９個用戶提供廣域網(wǎng)絡(luò)異地集控與調(diào)度災(zāi)備服務(wù)，集控災(zāi)備云中心選址在省會，調(diào)度災(zāi)備云中心選址在遠(yuǎn)離省會的另一經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)核心區(qū)的第二大城市，既減少了成本，又提高了災(zāi)備的效果。

5 結(jié)語

    本文提出的電網(wǎng)調(diào)度災(zāi)備系統(tǒng)評價(jià)函數(shù)對各種方案的評估進(jìn)行了量化，為實(shí)際系統(tǒng)方案選擇提供了依據(jù)，可以在滿足可靠性要求的前提下，實(shí)現(xiàn)災(zāi)備系統(tǒng)方案優(yōu)化。基于云平臺提出了集控／調(diào)度一體化互備的災(zāi)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套電網(wǎng)運(yùn)行集控／調(diào)度一體化互備解決方案。未來將進(jìn)一步面向“運(yùn)行”構(gòu)建一體化的多級調(diào)度云系統(tǒng)，以滿足備用一體化與“大運(yùn)行”的應(yīng)用要求。 

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本文標(biāo)題：電網(wǎng)調(diào)度云災(zāi)備系統(tǒng)優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)

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