龐思睿，許鴻飛，于 然，張姣姣，魏文亮，金 燊，趙慶凱，李雪梅
（國網冀北電力有限公司信息通信分公司,北京 100053）
摘 要： 分析了云計算在電力行業(yè)應用的關鍵技術，包括虛擬化技術、并行計算、分布式計算和云安全。并對云計算在電力行業(yè)中的應用，如電能質量在線監(jiān)測、智能變電站、電力仿真和電網GIS空間信息服務平臺進行了分析。
關鍵詞： 云計算；并行計算；智能變電站；電力仿真
0 引言
云計算是近年來的熱門技術，自誕生之日就引起了各界極大的關注。由于云計算是多種技術混合的演進，各大IT巨頭公司不遺余力的推動，云計算的發(fā)展極為迅速。云計算利用分布式計算和虛擬資源管理等技術，通過網絡將分散的ICT 資源集中起來形成共享的資源池，并以動態(tài)按需方式向用戶提供服務。用戶可以使用各種形式的終端(如PC、平板電腦、智能手機甚至智能電視等)通過網絡獲取ICT 資源服務。
隨著業(yè)界的重視，云計算在ICT領域的影響力也越來越大，帶來了新的計算模式和存儲模式、新的互聯(lián)網安全和數(shù)據(jù)隱私信息保護等方面的挑戰(zhàn)等。而對于眾多的企業(yè)來說，通過云計算，這些企業(yè)的信息化工作都可以用到先進技術，而且前期成本較低，非常容易隨著業(yè)務需求進行擴展。隨著企業(yè)對云計算的重視，企業(yè)內部關于云計算的標準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、應用軟件的集中服務，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、彈性擴展、安全可靠的云計算服務模式，提升資源應用效率、提高信息處理能力、增強集約化管理水平、降低系統(tǒng)建設運營成本。
1 云計算在電力應用的關鍵技術
云計算所涉及到的關鍵技術主要包括虛擬化技術、并行計算、分布式技術和云安全技術。
1.1 虛擬化技術
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，分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化等。虛擬化是資源池化的基礎，能夠有效提高資源管理水平。
虛擬化技術可以降低IT硬件投資成本，簡化服務器運維管理工作，降低運維管理成本，提升IT架構對業(yè)務應用的靈活適應能力，支持異構環(huán)境的整合與業(yè)務應用的持續(xù)運行。
在電網中引入虛擬化技術的主要優(yōu)點如下介紹。
?。?）IT資源集中部署和精細化管理：利用虛擬化技術，提升對信息資源全生命周期的管控精度，實現(xiàn)資源狀況的實時集中監(jiān)控，為信息資源整體規(guī)劃提供精準的決策依據(jù)。
?。?）系統(tǒng)建設與物理資源低耦合度：實現(xiàn)服務器、存儲、網絡等IT基礎設施的資源池化管理，按需快速分配資源，實現(xiàn)運行環(huán)境的快速自動化安裝配置，有效提高運維管理效率和人力投資成本。
（3）應用系統(tǒng)高可用性：實現(xiàn)服務器故障自動化管理，運行在故障服務器上的應用自動遷移到資源池中的空閑服務器，將應用的停機時間從數(shù)小時降低至分鐘級。
?。?）資源應用配置非獨占，高資源利用率：動態(tài)分配資源池中可用的計算、存儲、網絡等資源，按需供應給新應用和需要擴展資源的應用，大幅提高服務器資源整理利用效率。
1.2 并行計算
并行計算是在串行計算的基礎上演變而來，是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，它是實現(xiàn)高性能、高可用計算機系統(tǒng)的主要途徑。
并行計算可以提高面向海量數(shù)據(jù)處理的計算效率，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、易擴展的計算服務能力定制化開發(fā)。
并行計算引入帶來的優(yōu)點如下介紹。
（1）高性能：使用多種計算資源快速解決大型復雜計算問題，提供高性能云計算服務。
?。?）高并發(fā)：通過并發(fā)工作模式管理計算任務分解和計算結果整合，在簡化并行編程難度的同時，具備高吞吐量、低延遲的計算任務并發(fā)處理性能優(yōu)勢。
（3）高可用：基于資源動態(tài)調度機制改進并行計算任務分配機制，實現(xiàn)資源節(jié)點的動態(tài)加入和實效節(jié)點的修復與退出，保障云計算服務的高可用性。
?。?）高可擴展；使用PC服務器、刀片服務器等取代大型計算機，克服大型機規(guī)模擴展上的限制，同時運用網絡連接各計算資源協(xié)同工作，具備靈活的彈性擴展能力。
1.3 分布式技術
分布式技術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。
?。?）分布式存儲
分布式存儲是指將網絡中大量各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務訪問。
電力云引入分布式存儲的主要優(yōu)點：
?、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展能力：提升并發(fā)訪問量的高可擴展能力和存儲容量的高可擴展能力。
③服務高可靠：提升數(shù)據(jù)存儲服務的高可靠能力。
?、転膫淇苫謴停簲?shù)據(jù)的安全備份采用熱備份與熱還原技術，支持快速差異備份、增量備份與恢復，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：
?、偬摂M性：進一步提升工作并行能力和協(xié)作自治水平，增強系統(tǒng)運行可靠性和系統(tǒng)透明性。
②可用性：提升分布式環(huán)境下持續(xù)可用的文件服務能力和可靠的數(shù)據(jù)服務能力。
③擴展性：提升性能可擴展和管理可擴展，系統(tǒng)的性能增長與規(guī)模擴大呈線性關系，而系統(tǒng)規(guī)模的擴大不會帶來管理復雜度的過度增加。
④安全性：提升數(shù)據(jù)存儲安全和信任管理，保護文件系統(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。
?。?）分布式數(shù)據(jù)庫
分布式數(shù)據(jù)庫是計算機網絡上邏輯關聯(lián)、物理分布的數(shù)據(jù)庫多路匯集，使用計算機網絡將地理位置分散而管理和控制不同程度集中的多個邏輯單位（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：
?、傧到y(tǒng)可用性：提升系統(tǒng)的高可用性，通過增加應用的局部性，避免局部故障而導致整個系統(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，提高了響應速度。
?、巯到y(tǒng)可擴展性：提升系統(tǒng)可擴展性，采用模塊化設計并充分保留局部系統(tǒng)的自治性，便于系統(tǒng)規(guī)模的擴展。
?。?）分布式搜索
分布式搜索是在云計算基礎設施架構的基礎上，使用關鍵詞搜索的方法，提供面向文檔、圖片、視頻、網頁等非結構化數(shù)據(jù)，以及關系數(shù)據(jù)庫等結構化數(shù)據(jù)的信息檢索服務。
電力云引入分布式搜索，帶來的好處是：
①一體化搜索：通過構建多級搜索應用架構，實現(xiàn)跨業(yè)務系統(tǒng)的搜索集成，形成異構數(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。
?、诮Y構化搜索：屏蔽底層復雜的數(shù)據(jù)模式，克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫查詢在靈活性和實用性上的弊端，有效降低非專業(yè)人員查詢業(yè)務數(shù)據(jù)庫的技術門檻。
?、鄯墙Y構化搜索：基于知識管理，引入圖像處理、模式識別等技術，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
云安全是伴隨云計算發(fā)展的一項新技術，是傳統(tǒng)信息安全技術在云計算環(huán)境中的創(chuàng)新體現(xiàn)與深入發(fā)展，主要包括云內安全和云間安全。如圖1所示。
隨著云計算的發(fā)展與應用的普及，云安全的重要性逐步上升，是云計算建設與推廣應用的基本前提與保障。
與傳統(tǒng)IT架構相比，云架構其技術優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下四個方面：一是簡化信息資源的獲取，提高信息服務質量；二是降低IT總投資成本、降低運維服務成本，延長IT設備資產的壽命；三是提高系統(tǒng)運行效率、資源效能以及運維管理效率；四是提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性和系統(tǒng)運行的可靠性，實現(xiàn)計算的安全穩(wěn)定。
2 云計算在電網企業(yè)應用分析
在電力行業(yè)引入云計算，不僅要對傳統(tǒng)電網設施進行升級和改造，更是全面、深入的電網運行模式和業(yè)務模式的革新。首先，電網各環(huán)節(jié)業(yè)務協(xié)同性更強，發(fā)輸變配用以及調度環(huán)節(jié)的業(yè)務流、信息流趨于一致；電力生產經營管理與生產調度業(yè)務融合，電網運行全過程一體化監(jiān)控和風險預警控制能力大幅提升。其次，隨著電力技術和智能化裝備相繼投入應用，電網業(yè)務將在傳統(tǒng)模式下實現(xiàn)進一步擴展和衍生，產生出更多創(chuàng)新性業(yè)務。云計算能夠滿足智能電網建設對信息技術的要求，實現(xiàn)對現(xiàn)有電力信息系統(tǒng)硬件基礎設施的整合，大幅提高資源利用效率和數(shù)據(jù)處理能力。
電網智能化的實現(xiàn)需要對各環(huán)節(jié)產生的數(shù)據(jù)進行集中管理、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)處理的信息技術支撐。通過引入虛擬化、并行計算、分布式、云安全等關鍵技術，實現(xiàn)IT資源集中部署和精細化管理，進一步提高應用系統(tǒng)高可用性，改變現(xiàn)有應用于資源配置獨占方式導致的資源總體使用水平低的問題。云計算在電網中的應用包括以下幾方面。
?。?）電能質量在線監(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量數(shù)據(jù)信息的采集與存儲要求。由于系統(tǒng)計算分析能力不足，導致在線分析速度緩慢。通過云計算技術，增強系統(tǒng)的高吞吐能力和可靠性，提升電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)采集電能數(shù)據(jù)和實時電能質量查詢的效率。增強電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的計算分析能力，縮短整體的電能質量分析用時，及時了解電能質量狀況，給有關部門和領導提供決策依據(jù)。
（2）智能變電站：智能變電站中的智能生產控制云滴系統(tǒng)需要高度整合數(shù)據(jù)與硬件資源，提供對各項資源的靈活擴展、統(tǒng)一管理與高效處理。通過虛擬化技術和資源動態(tài)分配調度，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)運維成本。增強智能生產控制云滴系統(tǒng)的計算分析能力，最大限度地利用系統(tǒng)計算資源，整體提高處理效率。
?。?）電力仿真：現(xiàn)有的仿真分析技術手段單一，對軟硬件和網絡資源的利用效率不高，已有的仿真分析系統(tǒng)建設分散、多地多人多業(yè)務之間聯(lián)系較少，無法適應跨區(qū)電網聯(lián)合計算、數(shù)據(jù)分散維護集中管理等應用場景的多層級高效協(xié)同需求。提升跨區(qū)域電網、跨專業(yè)領域的電力生產業(yè)務全過程仿真能力，為內外部單位提供優(yōu)質的電網仿真分析服務，提升仿真分析科研成果的經濟社會價值。
（4）電網GIS空間信息服務平臺：隨著一級部署建設進程的加快，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、拓撲分析計算等方面的性能遠遠不能滿足未來的應用需求。提升對海量數(shù)圖數(shù)據(jù)的存取訪問速度，實現(xiàn)統(tǒng)一集中的存儲管理，加快了對GIS用戶的請求響應速度。提升地圖發(fā)布效率；提升對停電分析、路網分析業(yè)務的響應能力；提升對地圖查詢匹配的速度。
通過針對業(yè)務與技術的綜合分析，云計算技術也存在不適用的應用場景，主要包括以下三個方面：一是虛擬化技術暫不適用對磁盤I/O性能要求高、需要特殊硬件支持的應用，如特殊芯片組成的硬件。同時，由于一個物理機上的多臺虛擬機共享網絡通訊資源，虛擬化技術暫不適用于對帶寬和消息傳遞速度及質量要求很高的應用場景，如實時控制。二是分布式技術暫不適用于數(shù)據(jù)一致性要求高和實時性要求高的應用場景，如需要關聯(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應用。三是并行計算技術暫不適用大規(guī)模事務性處理的應用。另外，云安全是電力云建設與推廣應用的基本前提與保障，現(xiàn)有技術手段能夠確保信息內網云安全，信息外網還存有潛在的安全風險，現(xiàn)有安全手段尚不能完全保障外網云安全。
3 結束語
總之，在電力行業(yè)引入云計算技術，通過硬件資源、平臺組件、應用軟件的集中服務，為電力行業(yè)提供集中統(tǒng)一、按需服務、彈性擴展、安全可靠的云計算服務模式，可以提升電力行業(yè)的資源應用效率、提高信息處理能力、增強集約化管理水平，降低系統(tǒng)建設運營成本，提升電力行業(yè)的信息化水平。
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