虛擬機技術在調度管理系統中的應用

趙 軍壽 增

（國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

虛擬機技術在調度管理系統中的應用

趙 軍，壽 增

（國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

在十三五規劃期間國家電網將通過新技術、新手段加快電網優化升級整合的步伐，目標是構建更安全、更高效、更智能的電網系統以滿足國家經濟與社會穩步發展對電力的需求。電網調度管理系統是電網調度系統的重要組成部分，支撐整個電網調度系統的安全運行。通過使用先進的服務器虛擬化技術，以虛擬機的方式實現電網調度管理系統的靈活部署、優化整合、快速上線、容災備份，滿足電網調度智能化需求。

十三五規劃；虛擬化；調度管理系統；調度智能化

從傳統電網業務部署模式的角度來說，每個應用系統擁有獨立的服務器以及應用運行環境，即每個應用對應一套獨立的服務器、存儲、中間件、數據庫資源，每個應用的資源都是獨享的、孤立的，資源無法實現共享。雖然這種方式實現簡單，同時能夠保證各個系統互不干擾，但是隨著電網應用系統的高速發展，在電網業務系統不斷豐富、升級的過程中，傳統業務部署模式隨著業務系統的擴展使服務器、網絡、存儲等IT基礎設施設備快速增長，系統設施臃腫不堪，管理越來越復雜，運維成本越來越高。圖1為IT系統部署模型。

按照電網信息化發展建設的要求，未來電網調度管理系統是一個組織龐大、架構靈活、安全可靠的智能系統［1］。在電網調度管理系統中部署服務器虛擬化技術可以優化系統體系架構，提高設備資源利用率，降低建設成本，減少運維投入，是實現電網調度管理系統智能化的根本手段，同時也是解決目前電網調度管理系統面臨問題的有效方法。

圖1 IT系統部署模型

1 電網調度管理系統面臨的挑戰

在遼寧電網調度智能化建設進程中，應用需求一直處于主導地位并不斷地推動著基礎設施建設和發展。在基礎設施建設被動擴張的同時，隨之而來的資源利用率偏低、業務部署緩慢、運維成本升高、管理手段落后、數據備份與災難恢復等復雜性問題，在很大程度上阻礙了電網智能化業務水平的發展。

1.1 高額的成本支出

隨著IT規模的不斷膨脹，數據中心內的服務器數量、網絡復雜程度以及存儲容量急劇增長，隨之帶來的是高昂的硬件成本支出以及運營成本支出。

硬件成本：每年服務器在容量和計算能力上都呈增長趨勢。隨著服務器變得越來越強大，最大化利用這些超強資源也變得愈加困難。由于在應用規劃時考慮到應用與資源綁定，所以每個應用都需要按照其峰值業務量進行資源的配置，往往服務器、網絡、存儲資源都需大量投入從而保證系統安全可靠運行。但是系統峰值業務量情況較少、部分時間系統都在正常業務量狀態下運行。這導致在大部分時間許多資源都處于閑置狀態，幾乎在所有情況下，部署這些功能強大的服務器將會使服務器資源過剩嚴重。導致硬件成本投入過高，系統資源利用率過低。

軟件成本：通常服務器需要從操作系統或應用軟件廠商那里獲取許可證與支持。

管理成本：迄今為止，管理成本是服務器成本中最大的一個部分，分析專家估計管理成本占服務器總擁有成本的50%～70%。IT技術人員不得不對軟硬件進行升級、打補丁、備份以及修復，部署新的服務器及應用，維護用戶賬戶并執行許多其他任務。隨著服務器數量的增長，IT部門發現他們面臨著滿足相關服務器管理需求的挑戰。

1.2 電網業務部署緩慢

新業務規劃時在傳統的模式下，各個業務部門如果要部署新的業務，每一次的業務部署都要經歷硬件選型、招標采購、上架安裝、操作系統和應用程序安裝以及網絡配置等操作。一般情況下選型與招標采購需要4～6周的時間，操作系統、數據庫應用部署工作量需20～40 h，使得業務的部署極為緩慢，新業務系統不能在第一時間形成生產力，一線業務部門意見較大。

1.3 分散的管理策略

電網數據中心內IT基礎設施處于分散的管理狀態，具體表現為：提交變更請求與進行運營變更之間存在較長的延遲；缺少統一的集中化IT構建策略，無法對數據中心內的基礎設施進行監控、管理、報告和遠程訪問。

2 服務器虛擬化技術

目前IT信息技術已經延伸到電網業務系統的各個層面，從電網調度管理系統角度看，服務器虛擬化有利于電網調度管理系統信息資源整合，實現信息共享，降低運維與投入成本，促進電網信息化的發展［2］。

2.1 服務器虛擬機技術

服務器虛擬機技術就是將獨立的物理服務器、操作系統及其應用程序“打包整合”為一個數據檔案——可移動的虛擬機（VM），如圖2所示。

圖2 服務器虛擬機示意圖

1臺物理服務器經過虛擬化后可以實現一個物理服務器上承載多臺獨立的虛擬機，這些虛擬機共享物理服務器的底層硬件資源（如CPU、內存、網絡、存儲等），從應用的角度看每臺虛擬機就像是1臺獨立的物理服務器，通過在1臺物理服務器上部署多個虛擬機以實現承載多個應用從而提高服務器的利用率。虛擬機以文件形式存儲在虛擬化管理系統中，通過虛擬化管理系統的高可用特性，虛擬機可以在不同的物理服務器上實現自動遷移，保障了業務的高可用。

服務器虛擬化特性如下。

a.業務多樣性。在1臺物理服務器上同時運行多臺虛擬機，提高物理服務器資源利用率。

b.業務隔離性。在同一服務器上的虛擬機之間相互邏輯隔離，互不影響。

c.封裝文件性。整個虛擬機都封裝在文件中，而且可以通過移動和復制這些文件的方式來移動和復制該虛擬機，使業務系統部署更加方便、快速和靈活。

d.操作一致性。用戶遠程操作虛擬機與操作物理服務器感覺相同，不影響用戶體驗。

2.2 業界主流的虛擬機架構

業界主流的虛擬化技術有2種架構：寄居架構和裸金屬架構。

a.寄居架構

在寄居架構中，X86服務器提供底層硬件資源，在X86底層硬件資源上需要部署獨立的用戶操作系統。整個服務器虛擬化平臺是部署在用戶操作系統之上的，即虛擬化平臺必須寄居在一個服務器操作系統上運行，通過服務器操作系統來調用底層硬件資源。虛擬化平臺被視為一個系統應用軟件。

在這種方式下所有的虛擬機都依賴于用戶操作系統，當用戶操作系統發生風險時會影響所有的虛擬機，無法保證應用安全。同時用戶操作系統也會產生系統開銷，消耗底層服務器的硬件資源。

由于在寄居架構中部署虛擬機需要額外的操作系統開銷與操作系統風險，所以寄居架構虛擬化產品一般用在實驗環境或者承載簡單非關鍵性業務，不合適企業級應用。

b.裸金屬架構

和寄居架構不同，裸金屬架構中虛擬化平臺直接部署在X86底層硬件資源上，不再需要用戶操作系統的支持，虛擬化平臺直接調用底層資源。這種虛擬化方式不需要消耗底層用戶操作系統開銷，虛擬化平臺直接調用底層資源，性能強大、效率高；不會面臨底層用戶操作系統安全風險，安全性高，是企業級應用的首選產品。

3 遼寧電網調度三區調度管理系統虛擬化部署

3.1 系統組網架構

通過以調度三區作為試點建立了一套采用KVM虛擬化技術的裸金屬虛擬化系統，通過虛擬化技術的先進性、穩定性、擴展性與靈活性打破傳統調度管理系統的業務部署模式，極大提高了調度三區信息化綜合業務能力，具體建設系統圖如圖3所示。

目前調度三區共30多個業務系統，通過部署虛擬化軟件，在4臺應用服務器上形成了小型的云計算環境，并且在云計算平臺上部署了6個應用業務，分別是智能變電站管控系統、繼電保護統計及運行分析、OMS考試系統、網源協調系統、信息發布系統以及三公調電系統。建設云計算虛擬化技術有助于電力業務系統從粗放式、離散化的建設模式向集約化、整體化的可持續發展模式轉變，使基礎資源和業務系統的管理和運維從各自為政、相互封閉的運作方式向跨部門、跨區域的協同互動和資源共享轉變，極大提高電網數據系統的交換能力與處理能力，為智能電網提供強有力的技術支持，并為電網信息化的管理與運維提供有效技術保障。

圖3 系統部署圖

3.2 虛擬化方案設計

組網設計原則如下。

a.2臺以太網交換機做IRF堆疊，通過建設高效、可靠的網絡系統以適應虛擬化技術安全穩定運行的需要［4］。

b.2臺FC交換機之間不需要做堆疊。

c.CVM主機（即管理主機）使用2個網卡，分別連接2臺以太網交換機，2個網卡做聚合，此時CVM主機不承載虛擬機業務。

d.CVK主機（即業務主機）使用4個網卡，分別用于管理網（2個網卡）和業務網絡（2個網卡）。管理網和業務網絡的2個網卡分別連接到2臺以太網交換機，并且管理網和業務網絡的2個網卡分別做網卡聚合。使用1個雙端口的FC HBA卡，分別連接2臺FC交換機，并且配置多路徑。

e.FC SAN共享存儲使用雙端口FC HBA卡，分別連接2臺FC交換機，并且配置多路徑。

管理網和業務網絡通過VLAN隔離，如圖4所示。

3.3 虛擬化方案優勢

通過虛擬機技術實現調度三區電網調度管理系統的虛擬機業務承載優勢明顯，具體如下。

圖4 系統架構示意圖

a.實現高效率電網數據中心。通過在調度三區部署虛擬化技術打破了傳統部署方式，在1臺服務器上運行多個虛擬機并對應不同操作系統及調度管理應用，在保持虛擬機之間的獨立性的同時，將物理服務器CPU與內存的利用率提高到60%以上、提高了電網數據中心計算效率，實現價值最大化。

b.實現綠色電網數據中心，節約IT建設與維護成本。在虛擬化之后，1臺虛擬機就相當于1臺物理服務器。通過虛擬化技術，1臺服務器可以承載原本多臺服務器的任務，從而有效精簡服務器與配套網絡、安全、存儲等設備的數量，可以從減少機房空間、并且在能耗與制冷需求中獲益，從而降低IT建設成本。按照1臺物理服務器開啟5臺虛擬機計算，設備綜合電力與維護成本可以降低70%以上［5］。

c.緩解電力系統IT運維壓力，提高IT管理水平。電網數據中心經過多年發展，涵蓋了不同品牌、性能的服務器、網絡、存儲等設備，而這些設備分別管理起來是十分費時費力的。通過虛擬化技術，能夠屏蔽這些硬件的差異化，為管理與運維人員呈現出一個統一的管理界面來集中監控與管理設備與業務系統，簡化管理工作，預防系統風險，提高運維管理效率。通過資源電子化自助申請減少運維人員額外的工作投入，緩解電力系統IT運維壓力，提高管理水平。

d.實現電網應用業務的快速部署，業務極速上線。通過部署虛擬化之后，當選定了應用軟件之后，直接在現有虛擬化資源池中劃撥出所需資源，虛擬機上進行安裝、調試即可完成業務部署。免去了傳統模式的招標、采購等環節，將業務上線時間大幅縮短，從而實現電網調度管理應用的快速部署。

e.為電網調度管理系統安全生產提供保障。為了實現電力調度管理系統關鍵業務的連續性，管理員通常會選用HA集群軟件實現，而這樣的軟件部署復雜且不便維護，還會增加額外的部署成本，并且在1臺服務器宕機時，集群軟件的自動化切換也不一定能及時保證，很多情況時需要手動才能完成集群軟件的切換從而增加了重要業務的宕機時間影響電網安全生產。而虛擬化技術都自帶這樣的高可用HA功能，可以免費為虛擬化平臺上的所有業務提供高可用保障，有效減少非計劃宕機時間，在保證電網重要業務連續性為電力系統安全生產提供保障。

4 調度管理系統虛擬化技術未來展望

目前調度三區已經有6個調度管理業務部署在虛擬化平臺，已經實現在一定規模區域內云計算初步模型，未來計劃從如下幾個方面繼續延伸云計算虛擬化技術的應用，從而不斷探索云計算虛擬化技術的價值，實現電網IT系統高速發展。

4.1 循序漸進增加云計算虛擬化技術部署規模，打造電力云系統

未來計劃在調度三區擴大虛擬化業務系統的部署規模，逐步把調度三區業務其它遷移到虛擬化平臺，并且將虛擬化技術應用到調度一區與二區，探索云計算虛擬化技術與電網D5000系統的融合實現電力云系統，從而更加高效的支撐電網業務系統。

4.2 為電網大數據系統提供有效支撐

通過應用大數據等信息通信技術，電網智能化和數字化水平進一步提升。云計算虛擬化技術將為電網大數據價值的挖掘提供更富有靈活擴展、高效利用的技術支持，有助于簡化大數據應用承載模型，從而實現大數據的更快部署實施和更高效的應用，使電網邁進全新時代。

4.3 建設完善的電力SDN網絡

未來通過打造電網調度SDN網絡，進一步提高電網網絡資源的利用率，完成業務自動化部署，提升網絡運維的效率，提高云計算網絡安全管理能力。

5 結束語

通過在電網調度管理系統上部署服務器虛擬化技術，在降低電網數據中心IT總投資成本、提高管理與運維水平、增加IT應變能力、保障電網系統安全生產等方面具有卓越表現，能夠解決電網數據中心投資、運維、管理等難題。此外，還可以借助云計算及相關技術對內提供多種個性化服務，使電網IT完成由被動滿足需求到主動提供服務的轉變，從而實現電網IT服務模式的根本變革，為智能電網的發展提供強有力的技術支撐。

［1］劉 陽，李 淼.云存儲技術在智能電網調度技術支持系統的應用［J］.東北電力技術，2012，33（2）：29－31.

［2］陳小潮.云計算在智能電網調度技術支持系統中的應用研究［J］.華東電力，2010，38（6）：800－804.

［3］張云男，唐積強，閆健恩，等.基于KVM虛擬化的網絡環境自動構建技術研究［J］.高技術通訊，2014，24（10）：64－74.

［4］王 強，施毅斌.網絡技術信息技術在生產運行和管理中的應用［J］.東北電力技術，2001，22（10）：16－18.

［5］葉可江，吳朝暉，姜曉紅，等.虛擬化云計算平臺的能耗管理［J］.計算機學報，2012，35（6）：1 262－1 285.

Application on Virtual Machine Technology in OMS

ZHAO Jun，SHOU Zeng
（State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

In 13 th Five?Year period，national grid quickens the pace of power grid optimization and upgrading integration.The target offers security，efficiency and intelligent network system to meet needs of national economic and social development.OMS is an impor?tant of the dispatching system that sustains safe operation of power grid dispatching system.By using the virtual machine with server virtualization technology to realize flexible deployment，advanced integration and optimzation，fast on?line and backup，this period can meet the demand of intelligent power grid dispatching.

13 th Five?Year plan；virtualization；OMS；dispatching intelligentization

TP302

A

1004－7913（2016）11－0031－04

趙 軍（1974），男，學士，高級工程師，主要從事電網調度自動化工作。

2016－08－20）