面向新能源的超融合技術(shù)研究

楊曉儀，高 健

（廣東粵電新會(huì)發(fā)電有限公司，廣東 江門 529000）

0 引 言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，新能源電站數(shù)字化建設(shè)和信息化建設(shè)已經(jīng)取得階段性成果。新能源電站的核心系統(tǒng)及其子系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了全部業(yè)務(wù)。雖然新能源電站的信息化應(yīng)用系統(tǒng)較多，但各系統(tǒng)間相對(duì)獨(dú)立，尚未實(shí)現(xiàn)通信。為打破應(yīng)用子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信壁壘，需簡化電站計(jì)算機(jī)運(yùn)維操作，實(shí)現(xiàn)不同場景的應(yīng)用與基礎(chǔ)物理架構(gòu)松耦合，保障應(yīng)用的便捷擴(kuò)展和敏捷上線[1-3]。

1 電站級(jí)數(shù)據(jù)中心

在電站數(shù)字化和智能化發(fā)展過程中，電站級(jí)數(shù)據(jù)中心是至關(guān)重要的載體，是實(shí)現(xiàn)電站數(shù)據(jù)融合共享的重要前提和全面提升數(shù)據(jù)質(zhì)量的可行路徑。電站級(jí)數(shù)據(jù)中心能夠全面整合設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)以及生產(chǎn)運(yùn)維過程中的數(shù)據(jù)信息，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)存采集數(shù)據(jù)，與智能網(wǎng)絡(luò)無縫連接，為智能分析和智能控制提供數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)中心的核心為數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，主干架構(gòu)為光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用面向服務(wù)的智能化分布式結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)平臺(tái)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)平臺(tái)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 工業(yè)大數(shù)據(jù)云計(jì)算框架

大數(shù)據(jù)云計(jì)算框架包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS） 層、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）層和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）層。IaaS層包括網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、服務(wù)器等，可以實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)搭建、虛擬服務(wù)器支撐、虛擬化計(jì)算及數(shù)據(jù)處理等功能，為PaaS層的硬件支撐層。PaaS層為中間層，提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)、應(yīng)用平臺(tái)以及流服務(wù)等。SaaS層為最上層，根據(jù)實(shí)際需求提供應(yīng)用軟件。

3 電站級(jí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)建目標(biāo)

3.1 構(gòu)建高效、統(tǒng)一的運(yùn)維管理平臺(tái)

從實(shí)際需求出發(fā)，建立健全一套統(tǒng)一的運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心所有虛擬機(jī)、業(yè)務(wù)以及服務(wù)器的全面監(jiān)控，并通過短信/郵件等方式實(shí)時(shí)告警，為數(shù)據(jù)中心的自動(dòng)化管控提供有力支持。構(gòu)建統(tǒng)一的運(yùn)維管理平臺(tái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種緊急問題，降低人工成本，提升整體運(yùn)維效率，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可利用釋放的人力資源支持業(yè)務(wù)創(chuàng)新，提升業(yè)務(wù)發(fā)展和信息技術(shù)架構(gòu)之間的融合度，發(fā)揮信息技術(shù)的作用和價(jià)值[4]。

3.2 構(gòu)建可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的硬件資源池

以標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)原則為基礎(chǔ)，打造一套符合實(shí)際需求的動(dòng)態(tài)硬件資源池，為業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展提供硬件方面的支持。平臺(tái)采用X86架構(gòu)服務(wù)器，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算以及安全虛擬化等多方面服務(wù)，應(yīng)用時(shí)只需添加新的服務(wù)器即可擴(kuò)容。虛擬機(jī)支持手動(dòng)和自動(dòng)擴(kuò)容2種模式，且擴(kuò)容操作簡單方便，對(duì)業(yè)務(wù)不產(chǎn)生負(fù)面影響，體現(xiàn)出云計(jì)算的彈性特性。

3.3 構(gòu)建高可靠、高性能、穩(wěn)定、安全的云基礎(chǔ)平臺(tái)

穩(wěn)定的高性能信息技術(shù)基礎(chǔ)框架是保障平臺(tái)穩(wěn)定安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，是保證核心數(shù)據(jù)安全的重要前提。結(jié)合實(shí)際需求打造一套分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，引入條帶化存儲(chǔ)技術(shù)，全面提升數(shù)據(jù)利用效率，借助多維度數(shù)據(jù)保護(hù)和業(yè)務(wù)保護(hù)保證業(yè)務(wù)的平穩(wěn)持續(xù)運(yùn)行，打造一個(gè)安全、高效以及可靠的云基礎(chǔ)平臺(tái)。

4 電站級(jí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)架設(shè)計(jì)

新能源電站具有數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)體量大以及面向場景復(fù)雜多變的特點(diǎn)，以簡化電站運(yùn)維人員工作流程、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)，構(gòu)建基于超融合技術(shù)的新能源電站級(jí)數(shù)據(jù)中心，破除數(shù)據(jù)中心各子系統(tǒng)間的信息數(shù)據(jù)孤島。

4.1 超融合技術(shù)概述

超融合技術(shù)以網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算以及儲(chǔ)存等作為基本資源元素，根據(jù)系統(tǒng)需要及要求預(yù)定義選取?；诔诤蠘?gòu)架的統(tǒng)一設(shè)備單元，可完成數(shù)據(jù)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及虛擬化服務(wù)器等功能，具備軟件備份、快照技術(shù)、數(shù)據(jù)在線壓縮以及刪除重復(fù)數(shù)據(jù)功能。多套設(shè)備單元可通過網(wǎng)絡(luò)聚合完成無縫橫向模塊化拓展，構(gòu)成統(tǒng)一資源池。在安裝使用方面，根據(jù)用戶實(shí)際使用需求提前配置，運(yùn)輸?shù)绞褂矛F(xiàn)場后連接配置，弱化使用現(xiàn)場對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)維人員的技術(shù)要求[5]。

4.2 數(shù)據(jù)中心構(gòu)架設(shè)計(jì)

基于超融合技術(shù)搭建新能源電站級(jí)數(shù)據(jù)中心，其中構(gòu)架設(shè)計(jì)采用分層模式。構(gòu)架由數(shù)據(jù)源層、私有云數(shù)據(jù)中心層以及應(yīng)用中心層構(gòu)成。數(shù)據(jù)源層由新能源電站各子系統(tǒng)生成的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。私有云數(shù)據(jù)中心層包括IaaS層、PaaS層、SaaS層、邊緣計(jì)算層以及支撐工具層。應(yīng)用中心層為根據(jù)新能源電站實(shí)際業(yè)務(wù)需求加載的應(yīng)用軟件。超融合數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具體內(nèi)容如下文所述。

數(shù)據(jù)中心構(gòu)建過程中，以交換機(jī)為主體，通過服務(wù)器有效連接交換機(jī)和網(wǎng)卡，配置硬盤及獨(dú)立冗余磁盤陣列（Redundant Array of Independent Disk，RAID）卡，提升數(shù)據(jù)信息的儲(chǔ)存效率?？茖W(xué)配置業(yè)務(wù)支撐數(shù)據(jù)（Service Support Data，SSD）硬盤，有效結(jié)合 SAS硬盤和SSD硬盤，為數(shù)據(jù)中心提供大容量儲(chǔ)存。基于超融合構(gòu)架技術(shù)，確保系統(tǒng)在多硬件平臺(tái)的順暢運(yùn)行，提高軟件系統(tǒng)的運(yùn)行性能。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過雙鏈路設(shè)計(jì)，采用2臺(tái)以上的以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)，降低單點(diǎn)故障率，實(shí)現(xiàn)整個(gè)技術(shù)構(gòu)架各環(huán)節(jié)和全冗余平臺(tái)的環(huán)境構(gòu)建。

超融合數(shù)據(jù)中心設(shè)備配置及參數(shù)如表1所示。數(shù)據(jù)中心由超融合主機(jī)、交換機(jī)以及超融合軟件3部分構(gòu)成。

表1 超融合數(shù)據(jù)中心設(shè)備配置及參數(shù)

4.3 數(shù)據(jù)中心工作原理分析

數(shù)據(jù)源層中新能源電站各子系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，由私有云數(shù)據(jù)中心層的智能網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算層以及相應(yīng)協(xié)議預(yù)處理后傳送于私有云數(shù)據(jù)中心層的IaaS層。IaaS層基于服務(wù)器超融合技術(shù)，經(jīng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署服務(wù)器的虛擬化集群，滿足大數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存需求。私有云數(shù)據(jù)中心層中的平臺(tái)層包括新能源電站PaaS層和基礎(chǔ)IaaS層?；A(chǔ)IaaS層完成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分析和數(shù)據(jù)重構(gòu)。新能源電站PaaS層根據(jù)新能源電站后期使用需求，封裝數(shù)據(jù)的事件及算法。私有云數(shù)據(jù)中心層中的平臺(tái)層，通過規(guī)定模式的數(shù)據(jù)接口，為私有云數(shù)據(jù)中心層中的工具支撐層提供數(shù)據(jù)調(diào)用入口服務(wù)。工具支撐層具有組態(tài)工具和建模工具功能，保障應(yīng)用中心層的支撐服務(wù)。

4.4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署

數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)部署需滿足以下需求。

4.4.1 網(wǎng)絡(luò)隔離需求

網(wǎng)絡(luò)隔離需求包括數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)網(wǎng)接入要求和公網(wǎng)接入要求。2個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面之間的數(shù)據(jù)交換必須通過專用交換硬件設(shè)備，以保障網(wǎng)絡(luò)安全和管理控制。

4.4.2 用戶接入需求

首先，需支持互聯(lián)網(wǎng)用戶接入，使?jié)撛诳蛻臬@取相應(yīng)產(chǎn)品服務(wù)。其次，需支持企業(yè)內(nèi)部員工辦公接入，包括內(nèi)網(wǎng)辦公、分支接入、遠(yuǎn)程辦公以及移動(dòng)辦公等。最后，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)維人員對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)的接入管理。

4.4.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性需求

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備高可靠和高可用性等需求，避免單點(diǎn)故障。設(shè)備之間冗余和業(yè)務(wù)模塊冗余需要滿足高可靠要求。

4.4.4 網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性需求

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選型和架構(gòu)需要具有可擴(kuò)展性，以支撐未來業(yè)務(wù)持續(xù)發(fā)展。

按照不同區(qū)域，劃分新能源電站網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)中心按照新能源電站網(wǎng)絡(luò)安全要求部署于電站管理信息大區(qū)（Ⅲ區(qū)）。

新能源電站分為信息管理大區(qū)和生產(chǎn)控制大區(qū)。生產(chǎn)控制大區(qū)根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要程度又可分為控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）和非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）。控制區(qū)包括監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組輔助控制系統(tǒng)、測量裝置、發(fā)電控制系統(tǒng)、電壓控制系統(tǒng)以及繼電保護(hù)系統(tǒng)等。非控制區(qū)包括測報(bào)系統(tǒng)、生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)、自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)、故障管理系統(tǒng)及電量采集系統(tǒng)等。信息管理大區(qū)是由自動(dòng)化辦公系統(tǒng)、企業(yè)管理以及信息網(wǎng)絡(luò)組建的安全區(qū)域。

5 結(jié) 論

從當(dāng)前新能源電站數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)來源復(fù)雜以及數(shù)據(jù)總量龐大的客觀特點(diǎn)出發(fā)，梳理并設(shè)計(jì)了一套以超融合技術(shù)為基礎(chǔ)的新能源電站級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法，融入超融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及存儲(chǔ)技術(shù)。一站式交付，簡化了服務(wù)器安裝流程。從實(shí)際需求角度出發(fā)，為客戶提供了統(tǒng)一的管理界面，降低了管理難度。綜合運(yùn)用多重?cái)?shù)據(jù)安全機(jī)制，可為電站數(shù)據(jù)安全管理提供強(qiáng)有力的制度支持。統(tǒng)一不同的數(shù)據(jù)接口，提高數(shù)據(jù)交互的有效性，簡化了數(shù)據(jù)的匯聚。通過統(tǒng)一存儲(chǔ)，有效突破了各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鴻溝，可為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析管理奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，為后期的運(yùn)維決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。