引言
电网调度自动化系统是电网运行指挥中枢，负责监视和控制电力系统的发电、输电、变电和配电设备的安全运行，对电力系统的安全稳定运行起着重要作用。失去监视控制和调度管理后，局部电网事件很可能会迅速扩大到整个电网，甚至造成电网崩溃。2008年1月份国内南方地区的冰雪灾害、5月份“汶川”发生的特大地震等一系列严重自然灾害，对电网调度自动化系统提出了严峻的考验，为保证不间断的电网监控和调度，迫切需要建立电网调度自动化灾备系统。随着国内智能电网的提出，电力系统的稳定高效自愈运行目标对电网调度自动化系统的可靠性、容灾能力提出了更高的要求。
在“十二五”期间，国家电网公司十分重视电网调度自动化灾备系统的建设并制定了规划。
随着计算机技术、通信技术、数据库技术等信息技术的进步，尤其是云计算技术的飞速发展，为新型的基于服务器虚拟化技术的云灾备系统建设提供了条件。依托全网分布建立的灾备中心，通过构建面向服务的灾备平台，实现基于底层网络、计算、存储等分布式资源的虚拟化云计算服务，按需为电力调度中心用户提供网络化的灾备服务，并通过自身保护机制进一步保证用户灾备数据的可用性和安全性。
目前电网中灾备系统建设方案较多，并没有一个统一的评价标准，许多灾备系统设计并不合理，存在过多冗余和系统资源浪费，或者备用容量不够，在发生大的故障时达不到系统备用的要求。针对这一问题，本文首先提出了电网调度自动化灾备系统评价方案，然后对各备用系统方案进行优化分析，最后结合云平台技术，提出云灾备系统设计方案。
1 灾备系统效用模型
对于灾备系统进行效用分析是评价系统可行性的一项重要内容，可以给电网调度自动化灾备系统的设计与建造提供参考。
1．1 影响因素
对于灾备系统，以下4个方面是影响其投资成败的主要因素。
1）备用容量
调度系统的两大特点就是大数据量与大计算量，而海量数据是当前的主要瓶颈，考核备用容量的重要指标就是服务器的数据量，将系统的数据量作为地区ｉ的备用容量Ｑｉ。
2）设备投入
设地区ｉ的设备投入为Ｐｉ，则服务器投入与备用容量关系为：
P i=aCpriQi
式中：Cpri为存储成本价格；α为备用强度。
3）地区灾难概率分析
设地区ｉ的灾难概率为ｐｉ，所有人为、自然灾害对服务器造成的破坏，最终表现形式为：①硬件层面故障，包括传输故障、存储故障；②服务层面故障，包括操作系统故障、应用服务故障。
上述2种故障的更底层（直接）事件可能如下：失火、雷电、台风、网络病毒等。层次关系如图1所示。
图1 影响服务器的灾难层次分析图
设各底层事件在地区ｉ发生的概率如下：火灾事件ｐｆ、台风事件ｐｔ、地震事件ｐｅ、雷击事件ｐｓ、网络安全事件ｐｎ、病毒事件ｐｖ。假设底层事件的发生是相互独立的，那么地区ｉ任一底层事件发生的概率为：
ｐｉ ＝1－（1－ｐｆ）（1－ｐｔ）（1－ｐｅ）·（1－ｐｓ）（1－ｐｎ）（1－ｐｖ） （2）
4）灾难损失
灾难造成的负面损失Ｃｉ主要包括如下方面：①直接损失，即设备损坏的损失，是固定值；②间接损失，即因为电网调度自动化系统坏掉对电力调度造成的潜在损失，与恢复时间ｔ有关系。
设在地区ｉ建立一个工作站需要设备投资为Ｉｉ，灾难损失程度系数为λｉ，该系数不仅描述了当灾难发生时的设备损失程度（灾难发生时设备的损毁代价为λｉＩｉ），而且反映了数据损失的程度，而一般意义上，数据损失程度越大，恢复其正常工作所需要时间将越长，即λｉ同时也可以描述恢复所需时间。
假定服务器日常动力、维护费用为常值ｖ，在不同地区发生同样程度灾害不存在修复速度差异，灾难发生服从Ｔ分布，即某灾难第1次发生概率与重建后的再次发生概率相同。那么在地区ｉ从最初设备投资到发生某种灾难所花费的代价为：
灾难损失程度系数λｉ应该服从正态分布；ｐｉ与所选地区有关，即不同地区某类灾难事件发生概率不一致，这也就为备用服务器（灾备中心）选址奠定了基础。一般要求同一灾难事件在主服务器和备用服务器同时发生的概率尽可能小，某几起灾难同时发生的概率极低。
上述分析为在某地建立服务器（主服务器或备用服务器）所需物质代价评价提供了理论依据。另一方面，灾难事件发生导致数据的损失可描述如下：定义某主服务器存储量为Ｒ，那么某次损失掉的数据ｒ＝λｉＲ。
灾难损失数据定义了备用服务器最低容量。极端情况下，主服务器所有数据可能都会损失掉，为保证绝对安全，备用服务器保险容量至少不低于主服务器容量。那么，如何优化配置备用服务器容量就涉及主—备用服务分布策略。
1．2 评价函数
根据对上述4项影响因素的分析，一个灾备系统的好坏主要从投资和灾难损失2个方面进行评价，在保证灾备系统可靠性的前提下，投资越少，灾难损失越小，灾备系统越优，因此灾备系统的评价函数为：
ｍｉｎＦ ＝ΣＰｉ＋ΣＣｉｐｉ
Ｆ 越小，灾备系统效用越好。
2 灾备系统优化分析
根据现在电网调度自动化系统中的实际情况，电网调度灾备系统主要有建设专门的灾备系统及与其他系统互为备用2种建设方案。
建设专门的灾备系统主要有以下4种策略。
1）一主多备：即一个主服务器配置多个独立的备用服务器。该策略可靠性最高，但投资巨大，系统中很少采用。
2）一主一备：即一个主服务器配置一个独立的备用服务器。该策略一般将备用服务器配置在异地，同时发生故障的概率非常小，可靠性很高，但投资较大，主要适用于对调度自动化系统可靠性要求很高的系统，如省级及以上电网调度。
3）多主一备：即多个主服务器配置一个中央灾备中心备用服务器。这样一方面降低了建设费用，另一方面由于数据输入／输出的动态属性，存储空间使用效率更高（即节约存储空间），但是发生重大灾难时，备用一旦失效将导致系统全部失效，风险较大。
4）分布式一体化互备：按照冗杂存储设计，数据可用性提高，即灾备效率更高，同时对空闲存储资源利用更好。
由于地震、火灾等灾难性事件发生的概率很小，建设专用的电网调度自动化灾备系统的投入较大，可利用省、地、县建设无人（少人）值班变电所集控中心与备用系统的机会，将本地集控系统与其他地区电网调度自动化系统建设成互备系统，无需大量增加投入就能增强电网调度自动化系统备用效果。这种异地互备方式无须另建专门的备用系统，可节约投资，但对下级调度中心的系统有较高的要求，包括系统的建模范围、数据规模、通信条件等。
集控／调度互备系统的典型设计方案如图2所示，2套系统的硬件配置满足独立运行的技术要求。正常情况下，2套系统相互独立运行，各司其职。但当一套系统发生故障后，另一套系统能完全接替其相应的功能，实现互为备用。
图2 集控／调度互备系统典型设计方案
典型设计方案中，调度系统和集控系统采集同一数据网中的数据，具有平级关系，另外还可以实现上下级集控／调度系统的分层互备方案设计，如图3所示，上层为上级数据采集与监控（ＳＣＡＤＡ）集控系统／能量管理系统（ＥＭＳ）调度系统，下级为管辖区域内的集控系统。当任一集控系统故障时，调度系统能够快速接管集控系统的功能，实现对集控系统的完全备用；当调度系统故障时，各集控系统分别承担其管辖范围内厂站的ＳＣＡＤＡ 功能，对调度系统起到部分备用的作用，若干套集控系统一起实现对调度系统的完全备用功能。
图3 集控／调度互备系统扩展设计方案
以上分析了4种常用的灾备系统方案，实际系统中采用何种设计方案应根据系统需求和评价函数，综合评估各方案的备用效用，选择最合理的集控／调度一体化互备的灾备系统方案。
2．2 系统功能模块分区域备用优化
电网调度自动化系统的功能具有模块化的特点，因此在做虚拟化备用存储时，应该按照电网调度自动化系统的模块化特点，按照监控／调度的各种应用分为不同的模块分别备份。进一步还可以按照广域测量系统、ＳＣＡＤＡ 系统、自动发电控制、自动电压控制、多媒体短信服务、状态估计、调度员潮流、静态安全分析、负荷预测、电能量计量、水调信息采集等不同的必备高级计算应用模块来分散互备。
基于电网调度自动化系统的多区域特点，在做虚拟化备用存储时，按照电网调度自动化系统地域性，设共有 个区域，则主机存储与备用存储矩阵
备用应该遵照灾难概率与损失逆序性原则，灾难损失越大的模块备用在灾难概率越小的地区，这样能通过减少损失来降低灾备损失函数。
3 基于云平台的灾备系统架构
基于电力系统集控／调度互备建设的要求，在云平台的基础上建立灾备系统，可以通过降低投资来减少灾备指标，提升灾备的效果。云计算平台由虚拟资源池、虚拟管理层、灾备基础服务、灾备支撑应用、灾备应用服务、灾备服务总线等组成，为整个系统提供数据服务和计算服务，如图4所示。
云平台主要采用了服务器虚拟化技术，实现了执行环境与物理环境的隔离，提高了服务器资源的利用率。
图4 云灾备平台框架
3．1 虚拟资源池
虚拟资源池建立在大量计算机、存储设备和双网卡热备网络设备构成的云计算硬件平台上，对分散的计算、存储等物理资源进行抽象，实现对云计算平台异构物理资源的统一调度和高效利用，实现电网运行监控等应用的透明化物理部署。
3．2 虚拟管理层
虚拟管理层通过对电力系统计算机与通信基础设施层的物理存储设备虚拟化管理，构成供上层灾备服务统一调配的资源。通过对异构存储设备的统一管理，取得对存储空间（物理和逻辑）的控制权，这是上层电网调度自动化系统灾备服务的关键。
3．3 灾备服务
灾备服务主要包括电网调度自动化系统备用所需要的基础软件、基础服务、支撑应用、应用服务与提供互备服务的服务总线。
4 方案设计
基于灾备平台，设计实现一种面向用户的、多层次、高质量的电网调度灾备整体解决方案，系统架构见附录Ａ图Ａ1。
以某省９个主要地级电力调度中心备用为例，该方案以一个集控灾备云中心与一个调度灾备云中心同时分别为９个用户提供广域网络异地集控与调度灾备服务，集控灾备云中心选址在省会，调度灾备云中心选址在远离省会的另一经济发达核心区的第二大城市，既减少了成本，又提高了灾备的效果。
5 结语
本文提出的电网调度灾备系统评价函数对各种方案的评估进行了量化，为实际系统方案选择提供了依据，可以在满足可靠性要求的前提下，实现灾备系统方案优化。基于云平台提出了集控／调度一体化互备的灾备系统设计，构建了一套电网运行集控／调度一体化互备解决方案。未来将进一步面向“运行”构建一体化的多级调度云系统，以满足备用一体化与“大运行”的应用要求。
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本文标题：电网调度云灾备系统优化分析与设计
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