基于超融合技術(shù)的抽水蓄能電站級數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法

劉立偉，張 林，雷 浩，鄭 波

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引 言

隨著計算機技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，抽水蓄能電站的信息化建設(shè)取得了長足進(jìn)步，建立起ERP、HPMS及基建管理等核心系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了對業(yè)務(wù)的全覆蓋，也對電站的計算機運維人員提出了更高要求。同時，電站的信息化系統(tǒng)雖然眾多，但是各個子系統(tǒng)之間相對獨立，并沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。因此，如何簡化電站的計算機運維操作、打破系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘及創(chuàng)建有效的電站級數(shù)據(jù)資產(chǎn)，成為未來數(shù)字化電站建設(shè)的重要方向。

1 電站級數(shù)據(jù)中心概念

電站級數(shù)據(jù)中心作為支撐電站數(shù)字化、智能化的核心載體，對促進(jìn)電站數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)共享融合及數(shù)據(jù)質(zhì)量提升具有重要的基礎(chǔ)性保障意義。電站級數(shù)據(jù)中心意在實現(xiàn)電站在規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)及生產(chǎn)運行等業(yè)務(wù)全過程中各類信息、數(shù)據(jù)和資料的采集，按公司統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲；有效支撐電站規(guī)劃、設(shè)計、制造、施工、移交及運維等環(huán)節(jié)的資產(chǎn)全壽命周期管理；與智能網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫銜接，為智能控制和智能分析提供堅強的數(shù)據(jù)支撐；通過各類數(shù)據(jù)的挖掘分析，為創(chuàng)新管理手段、提升管理水平提供有力抓手；按業(yè)務(wù)需求及數(shù)據(jù)特點承擔(dān)相應(yīng)的存儲、計算、應(yīng)用任務(wù)，實現(xiàn)電站級及集團公司級數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)和應(yīng)用成果的共享交互。

2 工業(yè)大數(shù)據(jù)云計算架構(gòu)

工業(yè)大數(shù)據(jù)云計算架構(gòu)平臺分為基礎(chǔ)設(shè)備即服務(wù)層、平臺即服務(wù)層及軟件即服三層[1]，即IaaS層、PaaS層及SaaS層。IaaS層的下面為底部物理層，該層主要是提供云平臺的硬件支撐，包括服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等；IaaS層主要是提供虛擬服務(wù)器、虛擬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及虛擬化計算，清洗、清理數(shù)據(jù)，為上層的PaaS層提供支撐；PaaS層主要是提供應(yīng)用開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、中間件及流服務(wù)等；最上層的SaaS層主要是提供各種應(yīng)用服務(wù)軟件等[2]。

IaaS層、PaaS層及SaaS層三者之間的關(guān)系可理解成一棟建筑物，而這棟建筑物又可以分為頂層、中間層及底部基礎(chǔ)層三大塊。基礎(chǔ)設(shè)施在底部基礎(chǔ)層，平臺在中間層，軟件在頂層。其他一些“軟”的層可以在這些層上面添加。

3 電站級數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計

本文針對抽水蓄能電站的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類繁多及應(yīng)用場景復(fù)雜等特點，從降低電站計算機運維人員操作復(fù)雜度、實現(xiàn)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的角度出發(fā)，創(chuàng)建基于超融合技術(shù)的抽水蓄能電站級數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法，以打破系統(tǒng)間的信息孤島。

3.1 超融合技術(shù)簡述

將計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等資源作為基本組成元素，超融合技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行選擇和預(yù)定義[3]。在超融合架構(gòu)的同一套單元設(shè)備中可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)搭建、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲及服務(wù)器虛擬化等功能，同時還可以實現(xiàn)快照技術(shù)、備份軟件、在線數(shù)據(jù)壓縮及重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等功能。此外，通過網(wǎng)絡(luò)還可以將多套單元設(shè)備聚合起來，實現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴展，進(jìn)而形成統(tǒng)一的資源池。對于使用安裝方面，可由供應(yīng)商預(yù)先根據(jù)用戶需求配置好，運輸至現(xiàn)場后簡單配置就可以使用，降低了對計算機運維人員的業(yè)務(wù)要求。

3.2 電站級數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計

基于超融合技術(shù)的抽水蓄能電站數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電站級數(shù)據(jù)中心架構(gòu)總體分為三層設(shè)計：一層為抽水蓄能電站各個子系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源層，數(shù)據(jù)類型包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；二層為私有云數(shù)據(jù)中心層，分為邊緣計算層、IaaS云基礎(chǔ)設(shè)施（超融合服務(wù)器集群）、平臺層-基礎(chǔ)PaaS、平臺層-抽蓄電站PaaS及工具支撐層，并遵守國網(wǎng)新源公司安全防護體系；三層為應(yīng)用中心層，主要是根據(jù)抽水蓄能電站的具體業(yè)務(wù)開展的應(yīng)用。

3.3 電站級數(shù)據(jù)中心工作原理

一層抽水蓄能電站各個子系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過二層中邊緣計算層、智能網(wǎng)關(guān)、相關(guān)協(xié)議及必要的預(yù)處理后傳輸至二層中IaaS層；該層為私有云的基礎(chǔ)設(shè)施層，采用服務(wù)器超融合技術(shù)，通過交換機內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)對服務(wù)器虛擬化集群的部署，進(jìn)而搭建大數(shù)據(jù)的存儲環(huán)境；二層的平臺層分為基礎(chǔ)PaaS層和抽蓄電站PaaS層，在基礎(chǔ)PaaS層中主要提供對數(shù)據(jù)的重構(gòu)及對數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性分析工作，抽蓄電站PaaS層則是根據(jù)抽蓄電站后期的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)封裝服務(wù)，包括具體的算法及事件等；平臺層的微服務(wù)通過統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)據(jù)接口（Open REST API）為二層中的工具支撐層提供調(diào)用數(shù)據(jù)的入口；在二層中的工具支撐層中，提供快速建模工具和應(yīng)用開發(fā)過程中的組態(tài)工具，為后期的三層的應(yīng)用中心層提供一定的支撐。整個二層采用必要的安全防護措施，并提供平臺的管理和運營界面。

3.4 電站級數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署

抽水蓄能電站的網(wǎng)絡(luò)按照不同的區(qū)域進(jìn)行劃分，整個中心按照抽水蓄能電站的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)部署在電站的管理信息大區(qū)，即電站的Ⅲ區(qū)。

抽水蓄能電站分為生產(chǎn)控制大區(qū)和信息管理大區(qū)，同時根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要性不同將生產(chǎn)控制大區(qū)劃分為控制區(qū)及非控制區(qū)，即安全區(qū)Ⅰ和安全區(qū)Ⅱ。控制區(qū)主要包括如下業(yè)務(wù)系統(tǒng)和功能模塊：水電廠集中監(jiān)控系統(tǒng)、水電廠監(jiān)控系統(tǒng)、機組輔機控制系統(tǒng)、自動發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）、相量測量裝置（PMU）、自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）、各種控制裝置（調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、變頻器控制系統(tǒng)等）、繼電保護及五防系統(tǒng)等。非控制區(qū)主要包括如下業(yè)務(wù)系統(tǒng)和功能模塊：水電廠生產(chǎn)實時系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）、水情自動測報系統(tǒng)、水電廠水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)、電能量采集裝置及故障錄波信息管理終端等。管理信息大區(qū)則是生產(chǎn)控制大區(qū)以外的，主要由企業(yè)管理、辦公自動化系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的安全區(qū)域。

電力系統(tǒng)的安全防護必須遵循“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則[4]。對于抽水蓄能電站，為了保障電廠的穩(wěn)定性，采用雙鏈路雙冗余的設(shè)計。對于邊界安全保護方面，加強信息內(nèi)網(wǎng)和公共外網(wǎng)之間的物理隔離，在電站內(nèi)網(wǎng)不同區(qū)域利用單向網(wǎng)閘進(jìn)行物理隔離，同區(qū)域不同系統(tǒng)之間利用防火墻進(jìn)行保護，在核心交換機與出口路由器之間安裝防火墻、入侵防御系統(tǒng)IPS等安全設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)隔離等網(wǎng)絡(luò)邊際保護后，電站內(nèi)部各個子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)匯總至電站級數(shù)據(jù)中心，并預(yù)留接口，供公司級數(shù)據(jù)中心調(diào)用。

4 結(jié) 論

本文針對抽水蓄能電站的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類繁多及應(yīng)用場景復(fù)雜等特點，設(shè)計了基于超融合技術(shù)的抽水蓄能電站級數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法，設(shè)計了工業(yè)大數(shù)據(jù)的平臺架構(gòu)。IaaS層采用超融合技術(shù)，融合計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)于一體，實現(xiàn)一站式交付，簡化了組裝服務(wù)器的步驟；配置了統(tǒng)一的管理化界面，方便管理；通過多重數(shù)據(jù)安全機制，保障電站數(shù)據(jù)的安全，提高服務(wù)器的穩(wěn)定性。PaaS層針對不同的系統(tǒng)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一接口形式。抽水蓄能電站的子系統(tǒng)需遵照規(guī)定的接口形式，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲處理，打破電站子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)壁壘，為后期的大數(shù)據(jù)分析挖掘、運維決策提供數(shù)據(jù)支撐。