一種基于智能調(diào)度改造的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)

邵 杰

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一種基于智能調(diào)度改造的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)

邵 杰

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司池州市貴池區(qū)供電公司，安徽池州 247000）

調(diào)度自動(dòng)化體系是各級(jí)電網(wǎng)的核心，是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)保證?；谥悄苷{(diào)度改造的需要，調(diào)度自動(dòng)化體系處于不斷升級(jí)之中，這就涉及許多遠(yuǎn)方RTU的設(shè)置的配套更改。本文根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的多前置現(xiàn)狀，設(shè)想開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)用集群虛擬網(wǎng)關(guān)來(lái)解決調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程所導(dǎo)致的遠(yuǎn)方終端的一系列問(wèn)題以及調(diào)度前置的負(fù)載不均衡，以使智能調(diào)度得以快速實(shí)現(xiàn)。

智能調(diào)度；前置集群；遠(yuǎn)方終端；地址轉(zhuǎn)換

調(diào)度自動(dòng)化體系實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的全景監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，是電網(wǎng)運(yùn)行的核心[1]?；诎l(fā)展智能電網(wǎng)的時(shí)代要求，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)也需進(jìn)行不斷升級(jí)。在傳統(tǒng)技術(shù)條件下，前置服務(wù)器的變更（特別是增配冗余服務(wù)器），將牽涉大批量與調(diào)度主站相關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)動(dòng)終端（RTU）的配套升級(jí)工作（主要為RTU地址變更）。此外，還要關(guān)注RTU與前置系統(tǒng)層面的負(fù)載合理性問(wèn)題[2]，這個(gè)工作量無(wú)疑是巨大和復(fù)雜的。

文獻(xiàn)[3]對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)進(jìn)行全面闡述，認(rèn)為NAT技術(shù)可解決前置機(jī)變更所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)地址變動(dòng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]就負(fù)載均衡技術(shù)進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用到服務(wù)器帶寬擴(kuò)展、吞吐量增加等層面。文獻(xiàn)[5]就虛擬交換矩陣（VSM）技術(shù)在雙機(jī)冗余虛擬化、網(wǎng)絡(luò)安全可靠性提升等方面的應(yīng)用展開(kāi)探索。

本文將基于以上研究成果，依托某省級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)情，提出融合NAT技術(shù)、VSM技術(shù)和負(fù)載均衡技術(shù)的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)圖1所示的目標(biāo)希冀，從而優(yōu)化智能電網(wǎng)環(huán)境下的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。

圖1 基于前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)的目標(biāo)希冀

1 問(wèn)題的提出

當(dāng)前的省級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的組成框架如圖2所示。顯然，當(dāng)省調(diào)增加前置服務(wù)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題。

1）大量RTU的內(nèi)嵌地址需要補(bǔ)增。RTU與前置服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)是RTU內(nèi)設(shè)各服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址，因此當(dāng)前置部分?jǐn)U充時(shí)，需要花大量時(shí)間和人力來(lái)維護(hù)RTU內(nèi)的地址設(shè)置。

2）RTU的負(fù)載可能過(guò)高。每增加一個(gè)前置，就會(huì)對(duì)RTU增加新的負(fù)載，可能導(dǎo)致RTU處于高負(fù)荷狀態(tài)。

3）各前置的負(fù)載不均更加凸顯。主要是當(dāng)前調(diào)度系統(tǒng)缺乏對(duì)自動(dòng)化設(shè)備、通信鏈路等的有效監(jiān)測(cè)，以致無(wú)法對(duì)負(fù)載做優(yōu)化分布。

4）前置增加所牽涉的工程十分浩大，違背了“大運(yùn)行”建設(shè)所要求的減員增效、優(yōu)化系統(tǒng)等目標(biāo)。

綜上所述，借助地址復(fù)用技術(shù)、開(kāi)展前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)研究是十分必要和迫切的。

2 解決方案

2.1 前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)技術(shù)的總體架構(gòu)

根據(jù)前述分析，結(jié)合當(dāng)下相關(guān)研究成果，提出如圖3所示的解決方案。

技術(shù)構(gòu)思：以前置虛擬網(wǎng)關(guān)取代原二層交換機(jī)，借助VSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余虛擬化，一方面達(dá)成對(duì)外地址轉(zhuǎn)換并使得RTU側(cè)配置最小化；另一方面實(shí)現(xiàn)外部系統(tǒng)對(duì)內(nèi)訪問(wèn)的前置冗余。

2.2 省、地公司部署方案

以圖3為引領(lǐng)，可分別形成當(dāng)省調(diào)、地調(diào)需要增加前置服務(wù)器時(shí)應(yīng)采用的前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)部署方案，如圖4所示。相關(guān)部署流程如圖5所示。

3 三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

應(yīng)用前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)牽涉3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的投入，即以NAT技術(shù)達(dá)成前置服務(wù)器的公共地址復(fù)用，以VSM技術(shù)達(dá)成雙機(jī)冗余和簡(jiǎn)化組網(wǎng)，以負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)前置服務(wù)器性能最優(yōu)化。

3.1 NAT技術(shù)層面

1）NAT技術(shù)本質(zhì)[6-8]。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)前置服務(wù)器訪問(wèn)RTU時(shí)呈現(xiàn)單一網(wǎng)絡(luò)地址的目標(biāo)，其前提是前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)所配置的轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡(luò)地址與RTU配置內(nèi)容無(wú)差異。

2）NAT技術(shù)應(yīng)用流程的設(shè)計(jì)。前置機(jī)起動(dòng)訪問(wèn)RTU→報(bào)文進(jìn)入前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→地址復(fù)用技術(shù)起動(dòng)→報(bào)文源地址轉(zhuǎn)換→報(bào)文下達(dá)RTU→RTU處理后回應(yīng)→回應(yīng)報(bào)文到達(dá)前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→報(bào)文目的地址還原→報(bào)文達(dá)到對(duì)應(yīng)的前置機(jī)→交互結(jié)束。顯然，NAT技術(shù)的一個(gè)要點(diǎn)是要建立地址映射表（含端口號(hào)）。

下面以圖6為例說(shuō)明NAT技術(shù)在本案例的應(yīng)用。

1）當(dāng)?shù)刂窞?92.168.1.3的前置機(jī)訪問(wèn)地址為1.1.1.2的RTU，生成數(shù)據(jù)包1并到達(dá)前置虛擬網(wǎng)關(guān)。

2）前置虛擬網(wǎng)關(guān)通過(guò)對(duì)報(bào)頭的“查閱”，了解該數(shù)據(jù)的走向?yàn)椤皟?nèi)→外”，因此起動(dòng)“192.168.1.3→20.1.1.1”的地址轉(zhuǎn)換，同時(shí)記錄這一映射，然后將數(shù)據(jù)發(fā)向地址為1.1.1.2的RTU。

3）地址為1.1.1.2的RTU接收數(shù)據(jù)后生成數(shù)據(jù)包2作為對(duì)目的地址為20.1.1.1的前置機(jī)的回復(fù)。

4）當(dāng)數(shù)據(jù)包2抵達(dá)前置虛擬網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)查找已形成的NAT映射表，將地址20.1.1.1還原為192.168.1.3，并使報(bào)文最終抵達(dá)正確的前置機(jī)。

5）上述工作過(guò)程中，RTU無(wú)需知道與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的前置機(jī)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.3，因此在上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，就不需要對(duì)RTU進(jìn)行IP地址更改方面的工作。

3.2 VSM技術(shù)層面

VSM技術(shù)在本案的創(chuàng)新應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下3方面。

1）將配置一致的兩個(gè)前置網(wǎng)關(guān)（一個(gè)為主設(shè)備（Master），另一個(gè)為從設(shè)備（Slave））擬合成一個(gè)設(shè)備進(jìn)行管理。正常情況下，只有Master的管理口可用；若發(fā)生切換操作，則只有Slave的管理可用。這樣當(dāng)用戶(hù)經(jīng)由管理口登錄系統(tǒng)時(shí)，始終不會(huì)發(fā)生錯(cuò)登、多登、登不上等情形。

2）利用控制平面和數(shù)據(jù)平面進(jìn)行報(bào)文的高效處理?？刂破矫姝h(huán)境下，Master優(yōu)先處理協(xié)議報(bào)文（包括由Slave收到的報(bào)文），然后經(jīng)由VSM級(jí)聯(lián)通道將信息備份至Slave。數(shù)據(jù)平面用來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，分二層轉(zhuǎn)發(fā)、三層轉(zhuǎn)發(fā)乃至更高層級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)等多種可能情形，其要點(diǎn)是通過(guò)VSM成員學(xué)習(xí)、VSM級(jí)聯(lián)通道等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同源同宿，以使成員設(shè)備故障情況下業(yè)務(wù)流量可快速切換到其他成員設(shè)備。

3）經(jīng)由各種VSM狀態(tài)備份來(lái)實(shí)現(xiàn)雙前置應(yīng)用網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)縫切換。

綜上所述，通過(guò)VSM技術(shù)，兩臺(tái)前置網(wǎng)關(guān)就可以以一體化方式達(dá)成協(xié)同運(yùn)行和不間斷作業(yè)。采用虛擬化技術(shù)，避免了設(shè)備間海量協(xié)議報(bào)文的交互，使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率得以提升、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化[9]。另外，經(jīng)由虛擬化后，雖然對(duì)外呈現(xiàn)的是單臺(tái)網(wǎng)關(guān)樣貌，但交換容量和端口數(shù)量其實(shí)是單臺(tái)的兩倍，因此在很大程度上提高了調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)效性。

3.3 負(fù)載均衡技術(shù)層面

前已述及，通過(guò)NAT技術(shù)，前置機(jī)在主動(dòng)對(duì)外訪問(wèn)時(shí)呈現(xiàn)單一網(wǎng)絡(luò)地址；反過(guò)來(lái)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和協(xié)調(diào)，要求前置部分被訪時(shí)也具有類(lèi)似特 性[10]，本案中吸納負(fù)載均衡技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

流程設(shè)計(jì)：其他系統(tǒng)起動(dòng)訪問(wèn)前置服務(wù)器→報(bào)文進(jìn)入前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)→負(fù)載均衡技術(shù)運(yùn)行→識(shí)別當(dāng)前連接數(shù)最少且工作正常的前置服務(wù)器→利用地址映射表獲取目標(biāo)前置機(jī)的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)地址→報(bào)文送達(dá)→前置機(jī)處理并回應(yīng)→回應(yīng)報(bào)文進(jìn)入前置虛擬網(wǎng)關(guān)→訪問(wèn)源地址還原→回應(yīng)報(bào)文到達(dá)訪問(wèn)發(fā)起者→交互結(jié)束。對(duì)以上敘述可輔之以圖7進(jìn)行說(shuō)明。

圖7 負(fù)載均衡技術(shù)在本案的應(yīng)用示例

顯然，借助負(fù)載均衡技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)前置機(jī)被訪時(shí)單一地址、單一端口的要求，還能使各前置服務(wù)器的流量得到最大程度均衡化，這樣就極大優(yōu)化了調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，使系統(tǒng)的性能可持續(xù)保持在優(yōu)良水平。

4 實(shí)證分析

以東部某省為例。該省的電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所示（時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2016年6月底）。

表1 案例的電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

按照傳統(tǒng)模式（即主站增加前置機(jī)后對(duì)所有廠站的RTU進(jìn)行IP增設(shè)并調(diào)試），基于表1的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，主站側(cè)工作時(shí)間至少6個(gè)月，廠站側(cè)投入費(fèi)用至少618萬(wàn)元（按一個(gè)廠站2萬(wàn)計(jì)算）。

而按照本文方案，只需在主調(diào)和備調(diào)各布置兩臺(tái)前置應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，總投資約80萬(wàn)元。當(dāng)有前置機(jī)被新增時(shí)，只要在主站側(cè)進(jìn)行新增前置機(jī)的路由配置，然后通過(guò)前置網(wǎng)關(guān)與下屬RTU作通信測(cè)試，就可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求?？偣て诩s3～5天。

兩種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 兩種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

5 結(jié)論

智能電網(wǎng)的發(fā)展將推動(dòng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷升級(jí)。本文提出以前置集群虛擬網(wǎng)關(guān)應(yīng)用來(lái)破解前置增設(shè)時(shí)RTU地址變更、RTU負(fù)載超限、前置負(fù)載不均衡等諸多問(wèn)題，并對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵組成予以詳細(xì)闡述和應(yīng)用剖析。實(shí)證分析表明，所提出的方法對(duì)于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化以及“大運(yùn)行”下減員增效、系統(tǒng)提質(zhì)等有著良好的促進(jìn)作用，值得推廣。

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The Research and Application of Virtual Gateway based on Intelligent Scheduling

Shao Jie

(State Grid Anhui Chizhou Guichi District Electric Power Company, Chizhou, Anhui 247100)

Dispatching automation system is the core of all levels of power grid, is the power system security, stability and economic operation of the technical assurance. Based on the needs of intelligent scheduling, scheduling automation system is constantly upgrading, which involves a number of remote RTU settings supporting changes. The status of pre dispatch automation system, a series of problems caused by the original terminal vision for the development of a special cluster virtual gateway to solve the dispatching automation system upgrade process and scheduling the pre load imbalance, in order to make intelligent scheduling to achieve fast.

intelligent scheduling; pre cluster; remote terminal; address translation

邵 杰（1988-），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏φ{(diào)度自動(dòng)化。