調峰調頻發電公司移動應用平臺建設

于國際, 鐘建栩, 余少鋒, 馬一寧, 廖崇陽

(南方電網調峰調頻發電有限公司 信息通信分公司, 廣東 廣州 511400)

0 引言

工業網絡移動應用平臺是將工業運行、調度信息向公共互聯網移動平臺進行信息互聯、推送的軟硬件綜合平臺。為了讓工業網絡可以實現更全面的移動互聯網功能，且在調用位于公共數據交換網的移動互聯網連接的同時，實現工業數據的安全性，工業網絡移動平臺需要具備一系列的安全保障措施[1-3]。

調峰調頻發電公司屬于電網企業運營的用于平衡電網用電需求峰谷值對供電電壓和頻率影響的負荷電廠。其中涉及到的電能調配信息、燃料能源調配信息、電網配電輸電信息等，均牽扯到涉密信息管理流程，這些信息在向移動互聯網推送時，必須確保其絕對安全性[4-5]。調峰調頻發電公司與傳統發電公司的區別在于該型發電公司并非以電能上網作為主要受益，而是以控制電網負荷的供需比以提升電網內電能質量為核心目的，所以此類電廠的啟停過程較為頻繁，控制工作量較大，且因為大部分管理人員在輪休期間必須使用移動終端實現24小時待命，所以其移動接入的可靠性要求較高[6-7]。所以有必要對其移動應用服務平臺的可靠性和可用性進行深入研究。該研究對提升調峰調頻發電公司的行政管理、安全管理、生產運行管理等綜合管理效率有積極意義[8]。

因為電網信息互聯網的安全性保障設施復雜且昂貴，所以需要探討一種運行在傳輸層之下，包括物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層的移動互聯網應用平臺系統，該系統在調峰調頻發電公司移動平臺個案中部署，對整個能源行業、電網行業、發電行業的移動互聯網接入策略，均有理論意義和工程實踐意義[9-10]。

1 移動應用平臺的整體建設思路

該研究將在傳輸層之下實現對移動應用運行環境的全面支持，使移動應用的開發、運行環境得到充足的安全保障和高可用支持?？紤]到調峰調頻電廠核心數據機房的實際運行架構，其實際功能需求歸納如圖1所示。

圖1 移動應用平臺的分層功能實現模式圖

圖1中，物理層方面，通過接入移動通信公司提供的公網專線，進入到移動通信公司的交換骨干網中，進而在其分布式基站系統中轉為移動信號。所以，在該系統中，并不需要考慮移動基站的實際部署條件和跳轉漫游模式。在發電公司核心機房內僅需要按照接入協議部署接入系統即可完成相應接入工作。鏈路層的主要安全設施是對數據鏈路層的DDoS(分布式拒絕服務攻擊)冗余設備進行布局，同時還應部署防止MAC(訪問控制欺騙攻擊)或其他拒絕訪問型攻擊的冗余設備。網絡層中負責布局各種邊界路由、單臂路由，對核心機房的路由控制進行綜合管理。傳輸層主要通過防火墻設備對TCP/UDP接口進行管理。雖說再上層相關功能并不在該研究范圍內，但會話層的行為控制功能仍需要有硬件設備作為支撐，所以還應考慮到行為控制主機的布局模式。而表示層的數據加密過程和應用層的數據脫敏過程，雖說仍需要對服務器進行相關配置升級，但其更多運行在軟件層面，且該研究并不涉及服務器硬件，所以不進行深入討論。

2 移動應用平臺的常規實現模式

綜合上述分析，該核心機房的硬件架構，包括數據接入和邊界安全管理系統、內部數據管理系統、交換背板系統等，所有負荷以交換背板為樞紐，實現數據的互通互聯，即該交換背板是整個系統的負荷管理短板。其實際物理接線邏輯圖如圖2所示。

圖2 移動應用平臺物理接線邏輯圖

圖2中，該核心機房的物理層設計主要包括3個組成部分。

首先，接入系統包括多個接入柜，每個接入柜包括一臺光端機、一臺硬件防火墻、一臺邊界路由器和一臺接入控制網橋(七層)，其中，接入控制網橋負責DDoS冗余等網絡安全的控制和訪問控制行為的監控。

其次，功能系統包括多組設備集群模塊，借鑒一般電力系統的CBAS架構，需要至少4個功能模塊實現相關功能，分別為云計算系統(C.C.)負責運行核心機房相關的功能軟件平臺；大數據倉庫型(B.D.)負責管理SSD+NAS架構的存儲型主機存儲相關數據；人工智能計算中心系統(A.I.)負責管理GPU+RAM架構的浮點型主機運行神經網絡、模糊矩陣等數據深度挖掘進程;服務器集群系統(S.C.)負責管理系統內的LAMP服務器(網絡服務系統)、流媒體服務器、日志服務器等。每個功能系統除相關服務器堆棧之外，需要在應用平臺上構建功能系統專用交換機、任務主機、負載均衡器等。

再次，在核心交換機一側安裝單臂路由器，用于整合控制該私有云系統的內部路由控制，同時還應有工業網橋設備，以將物聯網信息接入到該交換背板中。

3 移動應用的平臺支持策略升級

在前節物理接線邏輯的支持下，該平臺運行在IaaS(Infrastructure as a Service)的服務模式下。IaaS指“基礎設施及服務”的核心機房實現模式，即通過搭建硬件平臺，通過對相關硬件的聯合調試，實現相應的服務功能。雖然圖2中的物理邏輯架構較為復雜，但其實際對移動平臺的支持模式，來自該平臺支持下的服務器陣列和數據流向。假定將該平臺封裝為一個黑箱，則該支持策略如圖3所示。

圖3 移動應用平臺的IaaS支持策略

在圖3的革新策略中，將絕大部分網絡安全工作、流量控制工作和行為管理工作，從軟件層面交給硬件層面處理，則其在系統部署過程中，可以節約大量的任務量，且該硬件層面的相關處理，并不影響在軟件層面進行相關功能的軟件加強。所以，相同軟件運行在該基于IaaS的移動終端應用平臺支持下，應能發揮出更強大的功能。

相比較傳統的PaaS(Platform as a Service)移動應用平臺，該IaaS移動應用平臺有諸多差異，如表1所示。

表1 兩種移動應用平臺的技術差異比較表

表1中，使用IaaS架構布置的革新應用平臺模式，將原PaaS架構的大部分運行在七層設備上的軟件系統轉移到三層、四層設備的的硬件設備上執行。硬件設備因為邏輯結構和軟件模塊更簡單，所以其安全性更高、穩定性更強。之所以進行從PaaS到IaaS的技術改造，是因為早期系統并非完整的PaaS架構，而是多次移動平臺和桌面平臺分別獨立開發對核心機房設施的分別獨立變更的技術堆疊狀態。因為缺少完整的硬件規劃，導致核心機房中的硬件設施缺少邏輯關聯，容易出現硬件系統的漏洞。革新方案將大部分軟件功能移交給專業硬件的同時，將相應的硬件功能進行統一規劃，從物理層層面實現了核心機房設備的優化。

4 系統升級效能測試

以某調峰調頻發電公司核心數據機房的升級改造項目規劃仿真實驗為個案，該機房擁有各型通用服務器32臺、各型浮點計算主機60臺、各型存儲主機75臺，實際生產環境中為表1特征下的傳統PaaS模式，即為缺少統一規劃且為實現具體功能對機房設施進行的技術堆疊。優化方案為前文論述的統一規劃方案，且該方案運行在SimuWorks仿真平臺上，運行數據為2018年至2019年的電廠實際數據系統負荷日志記錄。該電廠擁有5個移動端系統，包括鍋爐控制預警系統、并網控制預警系統、錄波圖輕量化查詢系統、人員定位信息遠端查詢系統、移動端辦公流程管理系統等。移動端操作用戶125人。

首先比較2018年至2019年兩套方案的實際資源占用情況，傳統方案根據實際日志數據分析獲得，優化方案在SimuWorks仿真平臺上根據真實網絡負荷記錄數據仿真獲得。比較結果如表2所示。

表2 網絡資源占用情況比較表

表2中，兩套模式運行過程中，私有云、計算中心、數據倉庫和服務器組4個功能模塊內的數據交換負荷率基本一致，偏差均小于3%，但革新模式下，背板交換資源的占有率從傳統模式的63.7%下降到39.1%，下降幅度為38.6%，可見使用基于IaaS架構統一規劃后的移動應用服務平臺可以在基礎計算資源負荷保持不變的前提下，有效壓縮系統總背板中不必要的廣播和控制信息，最大程度壓縮背板負荷。該背板交換負荷的降低，可以有效提升系統的穩定性，使系統延遲得到最大程度壓縮。

比較125個用戶的實際移動端操作延遲，基于ICMP(互聯網報文控制協議)進行延遲測量，求取500次測量的均值?？梢缘玫狡湟苿佣搜舆t對比情況表，如表3所示。

表3 移動端服務延遲情況對比表

表3中，對125個終端分別測試500次操作延遲，傳統模式丟包151次，革新模式丟包6次，同樣在上述測試操作條件下，延遲超過200 ms的回包，傳統模式共4 076次，革新模式共51次。兩者相比，兩種評價方式下傳統模式的微故障率分別為革新模式的25.2倍和79.9倍。可得革新模式在移動端服務支持方面，可靠性、可用性均得到顯著提升。且在未丟包條件下，傳統模式最大延遲達到革新模式的29.6倍，平均延遲為革新模式的1.8倍。

隨著智能電網工程的逐漸部署，預計未來5年該系統的實際運行數據負荷將提升3倍以上，在SimuWorks仿真平臺中構建傳統模式的硬件拓撲圖，同樣在該SimuWorks平臺下，對兩種硬件拓撲進行當前數據負荷3倍條件下的耐壓性測試，測試結果如表4所示。

表4 移動端服務預期負荷仿真情況對比表

表4中，傳統模式在當前負荷3倍條件下，已經表現出3.55%的丟包率和36.74%的大延遲率(延遲超過200 ms)，該網絡架構已經完全失去了可用性。如果不能對該網絡硬件架構進行全面升級，在未來5年來該網絡將在該發電企業預期網絡數據交換負荷下癱瘓，這將直接影響到發電企業的安全生產。而革新模式的平均延遲時間增加18.1%，丟包率保持在0.1%以下，大延遲率保持在1.0%以下，可以在未來5年預期數據交換負荷條件下，保持網絡的可靠性和可用性。

5 總結

該移動應用平臺升級策略，是在原有的由歷史原因形成的較為混亂的準PaaS架構移動應用平臺條件下進行基于IaaS架構的硬件升級，同時實現對應的硬件配置信息優化。仿真實驗中，經過該次技術革新優化，革新系統不但從當前發電企業歷史運行數據條件下，表現出更強的交換背板控制能力，在未來5年內預期數據交換需求下，系統仍可保持移動端訪問過程的高可靠性和高可用性。所以，該方案對調峰調頻發電企業核心機房移動應用服務平臺的數據系統優化有積極意義。