龐思睿，許鴻飛，于  然，張姣姣，魏文亮，金  燊，趙慶凱，李雪梅

　?。▏W(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司,北京 100053）

　　摘  要： 分析了云計(jì)算在電力行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬化技術(shù)、并行計(jì)算、分布式計(jì)算和云安全。并對云計(jì)算在電力行業(yè)中的應(yīng)用，如電能質(zhì)量在線監(jiān)測、智能變電站、電力仿真和電網(wǎng)GIS空間信息服務(wù)平臺進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞： 云計(jì)算；并行計(jì)算；智能變電站；電力仿真

0 引言

　　云計(jì)算是近年來的熱門技術(shù)，自誕生之日就引起了各界極大的關(guān)注。由于云計(jì)算是多種技術(shù)混合的演進(jìn)，各大IT巨頭公司不遺余力的推動(dòng)，云計(jì)算的發(fā)展極為迅速。云計(jì)算利用分布式計(jì)算和虛擬資源管理等技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將分散的ICT 資源集中起來形成共享的資源池，并以動(dòng)態(tài)按需方式向用戶提供服務(wù)。用戶可以使用各種形式的終端(如PC、平板電腦、智能手機(jī)甚至智能電視等)通過網(wǎng)絡(luò)獲取ICT 資源服務(wù)。

　　隨著業(yè)界的重視，云計(jì)算在ICT領(lǐng)域的影響力也越來越大，帶來了新的計(jì)算模式和存儲模式、新的互聯(lián)網(wǎng)安全和數(shù)據(jù)隱私信息保護(hù)等方面的挑戰(zhàn)等。而對于眾多的企業(yè)來說，通過云計(jì)算，這些企業(yè)的信息化工作都可以用到先進(jìn)技術(shù)，而且前期成本較低，非常容易隨著業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。隨著企業(yè)對云計(jì)算的重視，企業(yè)內(nèi)部關(guān)于云計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化需求也逐漸成為企業(yè)信息化工作的重要方面。在電力行業(yè)，提出了電力云概念。電力云是通過硬件資源、平臺組件、應(yīng)用軟件的集中服務(wù)，為電力企業(yè)及電力客戶、合作伙伴提供集中統(tǒng)一、按需服務(wù)、彈性擴(kuò)展、安全可靠的云計(jì)算服務(wù)模式，提升資源應(yīng)用效率、提高信息處理能力、增強(qiáng)集約化管理水平、降低系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營成本。

1 云計(jì)算在電力應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

　　云計(jì)算所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括虛擬化技術(shù)、并行計(jì)算、分布式技術(shù)和云安全技術(shù)。

　　1.1 虛擬化技術(shù)

　　虛擬化是指資源的抽象化，資源的邏輯表示，不受物理限制的約束，分為服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。虛擬化是資源池化的基礎(chǔ)，能夠有效提高資源管理水平。

　　虛擬化技術(shù)可以降低IT硬件投資成本，簡化服務(wù)器運(yùn)維管理工作，降低運(yùn)維管理成本，提升IT架構(gòu)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活適應(yīng)能力，支持異構(gòu)環(huán)境的整合與業(yè)務(wù)應(yīng)用的持續(xù)運(yùn)行。

　　在電網(wǎng)中引入虛擬化技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下介紹。

　　（1）IT資源集中部署和精細(xì)化管理：利用虛擬化技術(shù)，提升對信息資源全生命周期的管控精度，實(shí)現(xiàn)資源狀況的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控，為信息資源整體規(guī)劃提供精準(zhǔn)的決策依據(jù)。

　?。?）系統(tǒng)建設(shè)與物理資源低耦合度：實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等IT基礎(chǔ)設(shè)施的資源池化管理，按需快速分配資源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境的快速自動(dòng)化安裝配置，有效提高運(yùn)維管理效率和人力投資成本。

　　（3）應(yīng)用系統(tǒng)高可用性：實(shí)現(xiàn)服務(wù)器故障自動(dòng)化管理，運(yùn)行在故障服務(wù)器上的應(yīng)用自動(dòng)遷移到資源池中的空閑服務(wù)器，將應(yīng)用的停機(jī)時(shí)間從數(shù)小時(shí)降低至分鐘級。

　　（4）資源應(yīng)用配置非獨(dú)占，高資源利用率：動(dòng)態(tài)分配資源池中可用的計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源，按需供應(yīng)給新應(yīng)用和需要擴(kuò)展資源的應(yīng)用，大幅提高服務(wù)器資源整理利用效率。

　　1.2 并行計(jì)算

　　并行計(jì)算是在串行計(jì)算的基礎(chǔ)上演變而來，是指同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問題的過程，它是實(shí)現(xiàn)高性能、高可用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要途徑。

　　并行計(jì)算可以提高面向海量數(shù)據(jù)處理的計(jì)算效率，提高數(shù)據(jù)處理的并發(fā)性，簡化并行編程難度，提供高效、靈活、易擴(kuò)展的計(jì)算服務(wù)能力定制化開發(fā)。

　　并行計(jì)算引入帶來的優(yōu)點(diǎn)如下介紹。

　?。?）高性能：使用多種計(jì)算資源快速解決大型復(fù)雜計(jì)算問題，提供高性能云計(jì)算服務(wù)。

　?。?）高并發(fā)：通過并發(fā)工作模式管理計(jì)算任務(wù)分解和計(jì)算結(jié)果整合，在簡化并行編程難度的同時(shí)，具備高吞吐量、低延遲的計(jì)算任務(wù)并發(fā)處理性能優(yōu)勢。

　?。?）高可用：基于資源動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制改進(jìn)并行計(jì)算任務(wù)分配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和實(shí)效節(jié)點(diǎn)的修復(fù)與退出，保障云計(jì)算服務(wù)的高可用性。

　　（4）高可擴(kuò)展；使用PC服務(wù)器、刀片服務(wù)器等取代大型計(jì)算機(jī)，克服大型機(jī)規(guī)模擴(kuò)展上的限制，同時(shí)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)連接各計(jì)算資源協(xié)同工作，具備靈活的彈性擴(kuò)展能力。

　　1.3 分布式技術(shù)

　　分布式技術(shù)主要包括分布式存儲、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫和分布式搜索。

　　（1）分布式存儲

　　分布式存儲是指將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問。

　　電力云引入分布式存儲的主要優(yōu)點(diǎn)：

　?、俅嫒「咝阅埽禾嵘Ａ繑?shù)據(jù)處理的高吞吐量與低延遲性。

　?、诟邤U(kuò)展能力：提升并發(fā)訪問量的高可擴(kuò)展能力和存儲容量的高可擴(kuò)展能力。

　　③服務(wù)高可靠：提升數(shù)據(jù)存儲服務(wù)的高可靠能力。

　?、転?zāi)備可恢復(fù)：數(shù)據(jù)的安全備份采用熱備份與熱還原技術(shù)，支持快速差異備份、增量備份與恢復(fù)，提升數(shù)據(jù)持續(xù)可用性。

　?。?）分布式文件系統(tǒng)

　　分布式文件系統(tǒng)是存儲系統(tǒng)的核心，通過對操作系統(tǒng)所管理的存儲空間的抽象，向用戶提供統(tǒng)一的、對象化的訪問接口，屏蔽對物理設(shè)備的直接操作和資源管理。

　　電力云引入分布式文件系統(tǒng)，帶來的好處有：

　　①虛擬性：進(jìn)一步提升工作并行能力和協(xié)作自治水平，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)透明性。

　?、诳捎眯裕禾嵘植际江h(huán)境下持續(xù)可用的文件服務(wù)能力和可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。

　?、蹟U(kuò)展性：提升性能可擴(kuò)展和管理可擴(kuò)展，系統(tǒng)的性能增長與規(guī)模擴(kuò)大呈線性關(guān)系，而系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大不會帶來管理復(fù)雜度的過度增加。

　?、馨踩裕禾嵘龜?shù)據(jù)存儲安全和信任管理，保護(hù)文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不被竊取、篡改和破壞，提供共享文件的可信任性評估。

　　（3）分布式數(shù)據(jù)庫

　　分布式數(shù)據(jù)庫是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上邏輯關(guān)聯(lián)、物理分布的數(shù)據(jù)庫多路匯集，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將地理位置分散而管理和控制不同程度集中的多個(gè)邏輯單位（通常是集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）連接起來，共同組成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

　　電力云引入分布式數(shù)據(jù)庫，帶來的好處是：

　　①系統(tǒng)可用性：提升系統(tǒng)的高可用性，通過增加應(yīng)用的局部性，避免局部故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

　?、谔幚砀卟⑿行裕禾嵘幚砀卟l(fā)性，全局查詢請求可分解成若干子查詢，并分發(fā)至局部數(shù)據(jù)庫并行執(zhí)行，提高了響應(yīng)速度。

　?、巯到y(tǒng)可擴(kuò)展性：提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性，采用模塊化設(shè)計(jì)并充分保留局部系統(tǒng)的自治性，便于系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。

　?。?）分布式搜索

　　分布式搜索是在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用關(guān)鍵詞搜索的方法，提供面向文檔、圖片、視頻、網(wǎng)頁等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的信息檢索服務(wù)。

　　電力云引入分布式搜索，帶來的好處是：

　　①一體化搜索：通過構(gòu)建多級搜索應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)的搜索集成，形成異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一描述，提升面向多源多模態(tài)信息的檢索服務(wù)。

　?、诮Y(jié)構(gòu)化搜索：屏蔽底層復(fù)雜的數(shù)據(jù)模式，克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫查詢在靈活性和實(shí)用性上的弊端，有效降低非專業(yè)人員查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的技術(shù)門檻。

　?、鄯墙Y(jié)構(gòu)化搜索：基于知識管理，引入圖像處理、模式識別等技術(shù)，提升大數(shù)據(jù)、多媒體環(huán)境下的高效信息檢索能力。

　　1.4 云安全

　　云安全是伴隨云計(jì)算發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，是傳統(tǒng)信息安全技術(shù)在云計(jì)算環(huán)境中的創(chuàng)新體現(xiàn)與深入發(fā)展，主要包括云內(nèi)安全和云間安全。如圖1所示。

　　隨著云計(jì)算的發(fā)展與應(yīng)用的普及，云安全的重要性逐步上升，是云計(jì)算建設(shè)與推廣應(yīng)用的基本前提與保障。

　　與傳統(tǒng)IT架構(gòu)相比，云架構(gòu)其技術(shù)優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：一是簡化信息資源的獲取，提高信息服務(wù)質(zhì)量；二是降低IT總投資成本、降低運(yùn)維服務(wù)成本，延長IT設(shè)備資產(chǎn)的壽命；三是提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、資源效能以及運(yùn)維管理效率；四是提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)計(jì)算的安全穩(wěn)定。

2 云計(jì)算在電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)用分析

　　在電力行業(yè)引入云計(jì)算，不僅要對傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行升級和改造，更是全面、深入的電網(wǎng)運(yùn)行模式和業(yè)務(wù)模式的革新。首先，電網(wǎng)各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)協(xié)同性更強(qiáng)，發(fā)輸變配用以及調(diào)度環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)流、信息流趨于一致；電力生產(chǎn)經(jīng)營管理與生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)融合，電網(wǎng)運(yùn)行全過程一體化監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警控制能力大幅提升。其次，隨著電力技術(shù)和智能化裝備相繼投入應(yīng)用，電網(wǎng)業(yè)務(wù)將在傳統(tǒng)模式下實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展和衍生，產(chǎn)生出更多創(chuàng)新性業(yè)務(wù)。云計(jì)算能夠滿足智能電網(wǎng)建設(shè)對信息技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電力信息系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施的整合，大幅提高資源利用效率和數(shù)據(jù)處理能力。

　　電網(wǎng)智能化的實(shí)現(xiàn)需要對各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理、分析、挖掘、反饋，需要支持大規(guī)模數(shù)據(jù)訪問和高效數(shù)據(jù)處理的信息技術(shù)支撐。通過引入虛擬化、并行計(jì)算、分布式、云安全等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)IT資源集中部署和精細(xì)化管理，進(jìn)一步提高應(yīng)用系統(tǒng)高可用性，改變現(xiàn)有應(yīng)用于資源配置獨(dú)占方式導(dǎo)致的資源總體使用水平低的問題。云計(jì)算在電網(wǎng)中的應(yīng)用包括以下幾方面。

　?。?）電能質(zhì)量在線監(jiān)測：一級部署使得監(jiān)測數(shù)據(jù)呈幾何級增長，現(xiàn)有的系統(tǒng)無法滿足海量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息的采集與存儲要求。由于系統(tǒng)計(jì)算分析能力不足，導(dǎo)致在線分析速度緩慢。通過云計(jì)算技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的高吞吐能力和可靠性，提升電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)采集電能數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)電能質(zhì)量查詢的效率。增強(qiáng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)算分析能力，縮短整體的電能質(zhì)量分析用時(shí)，及時(shí)了解電能質(zhì)量狀況，給有關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)提供決策依據(jù)。

　　（2）智能變電站：智能變電站中的智能生產(chǎn)控制云滴系統(tǒng)需要高度整合數(shù)據(jù)與硬件資源，提供對各項(xiàng)資源的靈活擴(kuò)展、統(tǒng)一管理與高效處理。通過虛擬化技術(shù)和資源動(dòng)態(tài)分配調(diào)度，提高系統(tǒng)資源的可用性和使用率，降低智能變電站的硬件購置和系統(tǒng)運(yùn)維成本。增強(qiáng)智能生產(chǎn)控制云滴系統(tǒng)的計(jì)算分析能力，最大限度地利用系統(tǒng)計(jì)算資源，整體提高處理效率。

　?。?）電力仿真：現(xiàn)有的仿真分析技術(shù)手段單一，對軟硬件和網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率不高，已有的仿真分析系統(tǒng)建設(shè)分散、多地多人多業(yè)務(wù)之間聯(lián)系較少，無法適應(yīng)跨區(qū)電網(wǎng)聯(lián)合計(jì)算、數(shù)據(jù)分散維護(hù)集中管理等應(yīng)用場景的多層級高效協(xié)同需求。提升跨區(qū)域電網(wǎng)、跨專業(yè)領(lǐng)域的電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)全過程仿真能力，為內(nèi)外部單位提供優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)仿真分析服務(wù)，提升仿真分析科研成果的經(jīng)濟(jì)社會價(jià)值。

　?。?）電網(wǎng)GIS空間信息服務(wù)平臺：隨著一級部署建設(shè)進(jìn)程的加快，GIS系統(tǒng)在矢量地圖、衛(wèi)星圖片、地理高程圖等海量數(shù)圖數(shù)據(jù)存儲管理、地圖發(fā)布、拓?fù)浞治鲇?jì)算等方面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來的應(yīng)用需求。提升對海量數(shù)圖數(shù)據(jù)的存取訪問速度，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中的存儲管理，加快了對GIS用戶的請求響應(yīng)速度。提升地圖發(fā)布效率；提升對停電分析、路網(wǎng)分析業(yè)務(wù)的響應(yīng)能力；提升對地圖查詢匹配的速度。

　　通過針對業(yè)務(wù)與技術(shù)的綜合分析，云計(jì)算技術(shù)也存在不適用的應(yīng)用場景，主要包括以下三個(gè)方面：一是虛擬化技術(shù)暫不適用對磁盤I/O性能要求高、需要特殊硬件支持的應(yīng)用，如特殊芯片組成的硬件。同時(shí)，由于一個(gè)物理機(jī)上的多臺虛擬機(jī)共享網(wǎng)絡(luò)通訊資源，虛擬化技術(shù)暫不適用于對帶寬和消息傳遞速度及質(zhì)量要求很高的應(yīng)用場景，如實(shí)時(shí)控制。二是分布式技術(shù)暫不適用于數(shù)據(jù)一致性要求高和實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場景，如需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集上的頻繁數(shù)據(jù)更新的管理信息系統(tǒng)MIS應(yīng)用。三是并行計(jì)算技術(shù)暫不適用大規(guī)模事務(wù)性處理的應(yīng)用。另外，云安全是電力云建設(shè)與推廣應(yīng)用的基本前提與保障，現(xiàn)有技術(shù)手段能夠確保信息內(nèi)網(wǎng)云安全，信息外網(wǎng)還存有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有安全手段尚不能完全保障外網(wǎng)云安全。

3 結(jié)束語

　　總之，在電力行業(yè)引入云計(jì)算技術(shù)，通過硬件資源、平臺組件、應(yīng)用軟件的集中服務(wù)，為電力行業(yè)提供集中統(tǒng)一、按需服務(wù)、彈性擴(kuò)展、安全可靠的云計(jì)算服務(wù)模式，可以提升電力行業(yè)的資源應(yīng)用效率、提高信息處理能力、增強(qiáng)集約化管理水平，降低系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營成本，提升電力行業(yè)的信息化水平。

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