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)
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。
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,對促進電站數(shù)據(jù)標準化、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)標準進行存儲;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。
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?;A(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。
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。
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。
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。
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)需求進行進一步的數(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。
抽水蓄能電站的網(wǎng)絡(luò)按照不同的區(qū)域進行劃分,整個中心按照抽水蓄能電站的網(wǎng)絡(luò)安全標準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??刂茀^(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)閘進行物理隔離,同區(qū)域不同系統(tǒng)之間利用防火墻進行保護,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。
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)建標準化的統(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。