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摘要：灾难事件的发生会对电力调度系统造成损害，使得电网监控和调度中断、电网运行失常，对社会造成极大的影响。为了提高电网运行的防灾减灾能力，建立经济有效的电网调度自动化灾备系统迫在眉睫。比较分析了电力调度系统的多种备用方案，论证了一体化互备的解决方案的优越性。并在云计算灾备技术的基础上，构建了一套电力调度一体化互备解决方案，既节省了成本又提高了备用系统的安全性。
关键词：电力调度；一体化；备用；虚拟化；云计算
作者简介：黄彦（1980-），男，福建福州人，福州供电公司电力调度控制中心，工程师。（福建 福州 350001）
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0201-02
一、概述
1.电力调度系统的重要性
电网调度自动化系统对电力系统的安全稳定运行起着不可或缺的作用，在监控电力系统发、输、变、配和用电的同时，保证设备的安全运行是电网安全稳定运行的关键环节。在我国电网结构将形成跨区域、远距离传输的特高压交直流混合输电系统时，为了保证电网的运行具有更加高效、更加稳定的性能，电力调度系统将有更高的需求，需要更高的可靠性来作为保障。[1]
2.灾备的重要性
现代社会的各种突发事件以及自然灾害都会对电网的稳定性提出很大挑战，在近几年全世界范围内发生的几起大停电事故中可以看到，一旦灾害导致电网失去控制，当地事件很可能迅速影响整个电网，情况严重时会导致电网的大范围瘫痪。在我国发生重大自然灾害时，这时对电网的监视控制管理就需要电网调度系统的支持。2008年四川发生汶川地震后，四川省调南充备调系统肩负起重要的作用，随时处在热备用状态，一旦发生主调度系统功能丧失的情况，备调中心随时能够被激活，立即接手四川电网调度权，保障电力调度指挥的不间断性，为抗震救灾期间四川电网的安全稳定运行上了“双保险”。因此，电网调度自动化灾备系统可以保证在电网遇到突发性事件破坏时为电网提供持续的监视控制和管理，提高灾害事件下电网的运行能力。
二、灾备的意义与传统灾备的缺点分析
1.灾备的重要性
所谓灾难备份是指利用技术、管理手段以及相关资源确保既定的机构在灾难发生后关键数据、关键数据处理系统和关键业务可以恢复的过程。灾难备份系统将对业务的连续、数据的完整、系统的不间断运行提供强有力的保证，是信息系统安全的关键基础设施。信息技术的进步极大推动了社会发展和人们生活水平的提高，越来越多的企业、机构的正常运行依赖于计算机信息系统提供的服务，同时，不期而至的各种灾难也给信息安全带来极大的挑战。地震、水灾、冰雪等自然灾害以及火灾、战争、恐怖袭击、网络攻击、设备故障、人为破坏等无法预料的突发事件都可能导致计算机信息系统关键业务数据丢失，应用中断，甚至系统瘫痪的严重后果。一旦计算机信息系统遭到损坏，轻则给企事业机构带来经济损失，重则给社会经济正常运行，甚至国家安全带来重大影响。
在美国“9·11”事件中，许多律师事务所多年积累的经营数据毁于一旦，而一些建立完善灾备系统的金融企业，如总部设在世贸中心的摩根·斯坦利却在第二天就恢复了正常运转。“9·11”事件再次唤起了人们对建设灾难备份系统的重视。
与电信、金融等行业相比，电网调度自动化领域的灾备系统建设长期处于落后地位。造成这种局面的原因主要是电网调度自动化系统对实时性、可靠性、可维护性等方面有着很高的要求。目前市场上许多商用灾备产品，如IBM、HP、VERITAS等厂家提供的方案并不能满足电网调度自动化系统的灾备需求。
2.传统灾备系统的不足
由于历史上EMS备用系统主要在一部分网省公司一级进行尝试性建设，所以为保证EMS的可靠运行，目前国内的大多数调度自动化系统主要采用的是冗余配置的方式，如采用双网、双机配置来保证系统在某些故障情况下的正常运行。但是，目前这种双机、双网的冗余配置仅能够解决一些简单的单点故障。如果系统发生更大规模的故障，例如双机故障，甚至整个系统所有机器的故障（例如重大自然灾害或人为事故），则当前的调度自动化系统都将失去调度功能，对电网的调度将完全瘫痪。为保证在上述重大故障下仍然能够实现对电网的正常调度，因此需要建立相对独立的EMS备用系统。该系统能够保证在整个调度系统都瘫痪的情况下仍然能够保证调度功能的正常实现。[6]
随着计算机技术、通信技术、数据库技术等IT技术的进步，国内的电力监控设备提供商开发出了新一代采用新技术、新标准和新思想的电网调度自动化产品。同时，各级电力公司调度通信数据网络的建成为调度自动化灾备系统的建设创造了必要的条件。
3.基于云计算的新型灾备系统
电力调度一体化互备需要新型服务器虚拟化技术的支持，云计算技术为其提供了技术支持。
根据用户的需求，云计算向用户提供三种类型的服务：由底层计算、网络、存储硬件资源构建的基础设施，即服务（IaaS）；构建在IaaS云基础设施服务上主要用来开发各类云计算应用支撑软件的平台，即服务（PaaS）；基于PaaS平台开发的各类应用服务的软件，即服务（SaaS）。
云计算提供的这种网络化服务使得中小型用户可以实现业务系统的灾备保护。通过构建面向服务的灾备平台，依托全网分布建立的灾备中心，用户可以按照需求向灾备中心寻求网络化灾备服务，达到基础设施即服务类型的云计算服务，用户数据的安全和可用性得到了进一步保障。[2]
本文对备用系统方案进行详细分析，提出了电力调度一体化互备系统的解决方案，并以福建地区为例设计与实现了基于服务器虚拟化技术的分布式备用策略。
三、备用系统方案优化分析
1.备用模式分析
备用系统主要有两种建设模式。 自备模式：为主系统单独建一套备系统。备系统一般需配置数据采集设备、应用服务器、数据库服务器等设备，具备完整的实时监控功能。备系统作为纯粹的备用，平时保持备用的工作状态，仅在主系统失效时启用。这种模式一般适用于省级及以上的EMS系统。
互备模式：主系统与其他调度或监控中心的自动化系统形成互备关系。两套系统在正常情况下均在线运行，承担各自的监控任务。当主系统失效时，备系统除继续负责原有的任务外，还可接管主系统的任务。这种模式的典型应用为地区调度系统与集控系统的互备。
小概率灾难性事件如火山、地震、台风等，不值得为此投入大量资金去建设专用的灾备系统，根据这种情况，利用各地建设无人（少人）值班变电所集控中心的机会，将当地的地区电网调度自动化系统与集控系统建设成互备系统，这样可以有效利用资源，减少资金投入，同时又增强了电网调度自动化系统的备用效果，提高了可靠性。
同时，与自备系统模式相比，集控/调度互备的显著区别是：在两套系统都正常工作的情况下，两套系统均独立在线运行，各自承担不同的任务；然而在一套系统故障情况下，另一套系统能快速接管，同时承担两套系统（集控和调度功能）的任务。集控系统与调度系统作为面向不同专业用户的两套系统，其在管辖范围、关注重点、应用功能、数据采集范围等方面存在一定的差异。因此，集控调度互备的技术难度更大，考虑的因素也更多。[1]
2.备用方式分析
备用方式主要有同城备、异地备和分布式互备三种。
同城备的方式是在原有的调度中心建设备用的EMS系统。同城备的优势在于，原有的调度中心大楼可以直接提供运行EMS备用系统所需的网络、机房等硬件设备，不需要进行额外的投入，因此可行性较高。但同城备的缺点在于，一般老调度中心与新调度中心在同一城市较近的地方，在遇到严重的自然灾害或者区域断电的情况时新、老调度中心皆会受到影响，此时同城备的方式就起不到备用的作用。
异地备的方式是指在远离主调度中心的城市建设EMS备用系统。异地备由于主、备调度中心不在同一城市，可以很好地解决同城备遇到的主、备调度中心同时失效的情况，信息的保存与恢复得到保障。但异地备的缺点在于由于主、备调度中心相隔两个城市，调度中心之间的通信需要较高的要求，若备用中心所在城市的通信条件欠发达，则需要进一步投入较大的资金完善通信系统，才能保证各级调度中心之间的通信要求。
布式互备的方式是利用上级调度中心与下级调度中心之间形成备用关系，当上级调度中心不可用时直接以下级某调度中心作为上级的控制中心。分布式互备方式拥有以上两种互备方式的优点，既不需要进行额外的投资建设，也能保证主、备调度中心的可靠运行。但分布式互备方式由于需要下级调度中心为上级调度中心做备用，因此对下级调度中心的自动化系统有较高的要求。
3.备用强度分析
备用强度分析有一主一备、一主多备、多主一备、分布式云互备四种方案策略。
策略一与策略二都具有很高的可靠性，但就服务器的建设投入费用来讲，这两种方案的代价巨大，不具有通用性。
策略三既节省了备用服务器的数量又利用数据I/O的动态属性提高存储空间的使用效率，这样不但降低了建设费用又节约了存储所需要的空间。
策略四是根据云计算技术而提出的互备方案，利用云计算的优点，这种方案可以提高灾备的效率，而且更好地利用了存储资源。
四、基于云计算技术的一体化互备解决方案
1.一体化互备的设计框架
（1）面对严重自然或人为灾害，分布式灾备保护机制可以为用户数据提供有效的保护，通过（n，m）数据分散模块，灾备平台为用户的容灾数据分布到不同的灾备中心，可以迅速将用户的数据实现恢复。当灾难发生时，容灾数据被灾备中心通过数据分散模块算法拆分成n份，分布到其他n个灾备中心。这种算法的好处在于，当源灾备中心或者不多于n-m个备份灾备中心发生破坏的情况下，仍然可以通过剩余的m个灾备中心中的片段数据将原始数据恢复完整，这样不但会对原始数据起到很好的保护作用，而且节省了存储空间，还可以提高容灾数据的安全性。
（2）当灾难发生时，灾备中心将用户数据复制到异地灾备中心的存储空间中，用户的数据得到完好保存的同时，灾备中心按照国际灾难恢复等级SHARE78中Tier3级的灾难恢复能力，将容灾数据快速恢复，减少用户的损失。为提高容灾数据的安全性，灾备平台可以采用时间锁模块对容灾数据启用防篡改功能。
（3）当灾难发生时，用户数据通过灾备平台发送至灾备中心，在灾备中心用户数据的保护及快速恢复都可以通过近线备份域完成，近线备份域的搭建可以通过WORM备份模块或虚拟磁带库对本地用户容灾数据提供保护。
2.备用容量与服务器投入
假设在某次灾害中，用户的容灾数据共有80TB，若采用传统容灾保护方式，将容灾数据存放在10个灾备中心中，每个灾备中心存放8TB，这样灾备中心需要占用80TB的存储空间来保存所有的容灾数据。若采用（10，4）数据分散模块算法对容灾数据进行分布式存储，每个灾备中心存放的数据仅约2TB，此时灾备中心仅需2TB×9+8TB=26TB的存储空间，较前一种方式节省了大约70%的存储空间。
五、结论
基于基础设施即服务类型云计算服务架构，本文设计了一种电力调度一体化互备系统，在分析了传统灾备系统的缺点及不足的情况下提出了一种新型灾备系统。该系统具有常用的技术，增加了智能虚拟化管理、时间锁、WORM备份、数据分散等功能模块。根据该灾备平台对备用方案进行优化分析，并构建了基于云计算技术的一体化互备解决方案，为用户的数据提供经济有效的灾备保护措施。
参考文献：
[1]周伟锋.电网调度自动化系统灾备策略研究及其前置子系统的设计与实现[D].南京：国网电力科学研究院，2009.
[2]康东明，吴建国，于微伟.面向服务灾备平台的设计与实现[J].计算机工程与科学，2011， 33（4）：146-149.
[3]吴涛.虚拟化存储技术研究[D].武汉：华中科技大学，2004.
[4]Rabin M. Efficient Dispersal of Information for Security， Load Balancing， and Fault-Tolerance[J].Journal of the ACM，1989，36（2）：355-348.
[5]Rabin M.The Information Dispersal Algorithm and its Applications[C].Proc of Sequences：Combinatorics，Compression， Security and Transmission，1990：406-419.
[6]王兰.EMS（EMS）备用系统的研究[D].南京：东南大学，2009.
[7]肖达，刘建毅.云灾备的关键技术[J].中兴通讯技术，2010，
16（5）：24-27.
[8]李立新，谢巧云，袁荣昌，等.电网调度云灾备系统优化分析与设计[J].电力系统自动化，2012，36（23）：82-85.
关键词：电力调度；一体化；备用；虚拟化；云计算
作者简介：黄彦（1980-），男，福建福州人，福州供电公司电力调度控制中心，工程师。（福建 福州 350001）
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0201-02
一、概述
1.电力调度系统的重要性
电网调度自动化系统对电力系统的安全稳定运行起着不可或缺的作用，在监控电力系统发、输、变、配和用电的同时，保证设备的安全运行是电网安全稳定运行的关键环节。在我国电网结构将形成跨区域、远距离传输的特高压交直流混合输电系统时，为了保证电网的运行具有更加高效、更加稳定的性能，电力调度系统将有更高的需求，需要更高的可靠性来作为保障。[1]
2.灾备的重要性
现代社会的各种突发事件以及自然灾害都会对电网的稳定性提出很大挑战，在近几年全世界范围内发生的几起大停电事故中可以看到，一旦灾害导致电网失去控制，当地事件很可能迅速影响整个电网，情况严重时会导致电网的大范围瘫痪。在我国发生重大自然灾害时，这时对电网的监视控制管理就需要电网调度系统的支持。2008年四川发生汶川地震后，四川省调南充备调系统肩负起重要的作用，随时处在热备用状态，一旦发生主调度系统功能丧失的情况，备调中心随时能够被激活，立即接手四川电网调度权，保障电力调度指挥的不间断性，为抗震救灾期间四川电网的安全稳定运行上了“双保险”。因此，电网调度自动化灾备系统可以保证在电网遇到突发性事件破坏时为电网提供持续的监视控制和管理，提高灾害事件下电网的运行能力。
二、灾备的意义与传统灾备的缺点分析
1.灾备的重要性
所谓灾难备份是指利用技术、管理手段以及相关资源确保既定的机构在灾难发生后关键数据、关键数据处理系统和关键业务可以恢复的过程。灾难备份系统将对业务的连续、数据的完整、系统的不间断运行提供强有力的保证，是信息系统安全的关键基础设施。信息技术的进步极大推动了社会发展和人们生活水平的提高，越来越多的企业、机构的正常运行依赖于计算机信息系统提供的服务，同时，不期而至的各种灾难也给信息安全带来极大的挑战。地震、水灾、冰雪等自然灾害以及火灾、战争、恐怖袭击、网络攻击、设备故障、人为破坏等无法预料的突发事件都可能导致计算机信息系统关键业务数据丢失，应用中断，甚至系统瘫痪的严重后果。一旦计算机信息系统遭到损坏，轻则给企事业机构带来经济损失，重则给社会经济正常运行，甚至国家安全带来重大影响。
在美国“9·11”事件中，许多律师事务所多年积累的经营数据毁于一旦，而一些建立完善灾备系统的金融企业，如总部设在世贸中心的摩根·斯坦利却在第二天就恢复了正常运转。“9·11”事件再次唤起了人们对建设灾难备份系统的重视。
与电信、金融等行业相比，电网调度自动化领域的灾备系统建设长期处于落后地位。造成这种局面的原因主要是电网调度自动化系统对实时性、可靠性、可维护性等方面有着很高的要求。目前市场上许多商用灾备产品，如IBM、HP、VERITAS等厂家提供的方案并不能满足电网调度自动化系统的灾备需求。
2.传统灾备系统的不足
由于历史上EMS备用系统主要在一部分网省公司一级进行尝试性建设，所以为保证EMS的可靠运行，目前国内的大多数调度自动化系统主要采用的是冗余配置的方式，如采用双网、双机配置来保证系统在某些故障情况下的正常运行。但是，目前这种双机、双网的冗余配置仅能够解决一些简单的单点故障。如果系统发生更大规模的故障，例如双机故障，甚至整个系统所有机器的故障（例如重大自然灾害或人为事故），则当前的调度自动化系统都将失去调度功能，对电网的调度将完全瘫痪。为保证在上述重大故障下仍然能够实现对电网的正常调度，因此需要建立相对独立的EMS备用系统。该系统能够保证在整个调度系统都瘫痪的情况下仍然能够保证调度功能的正常实现。[6]
随着计算机技术、通信技术、数据库技术等IT技术的进步，国内的电力监控设备提供商开发出了新一代采用新技术、新标准和新思想的电网调度自动化产品。同时，各级电力公司调度通信数据网络的建成为调度自动化灾备系统的建设创造了必要的条件。
3.基于云计算的新型灾备系统
电力调度一体化互备需要新型服务器虚拟化技术的支持，云计算技术为其提供了技术支持。
根据用户的需求，云计算向用户提供三种类型的服务：由底层计算、网络、存储硬件资源构建的基础设施，即服务（IaaS）；构建在IaaS云基础设施服务上主要用来开发各类云计算应用支撑软件的平台，即服务（PaaS）；基于PaaS平台开发的各类应用服务的软件，即服务（SaaS）。
云计算提供的这种网络化服务使得中小型用户可以实现业务系统的灾备保护。通过构建面向服务的灾备平台，依托全网分布建立的灾备中心，用户可以按照需求向灾备中心寻求网络化灾备服务，达到基础设施即服务类型的云计算服务，用户数据的安全和可用性得到了进一步保障。[2]
本文对备用系统方案进行详细分析，提出了电力调度一体化互备系统的解决方案，并以福建地区为例设计与实现了基于服务器虚拟化技术的分布式备用策略。
三、备用系统方案优化分析
1.备用模式分析
备用系统主要有两种建设模式。 自备模式：为主系统单独建一套备系统。备系统一般需配置数据采集设备、应用服务器、数据库服务器等设备，具备完整的实时监控功能。备系统作为纯粹的备用，平时保持备用的工作状态，仅在主系统失效时启用。这种模式一般适用于省级及以上的EMS系统。
互备模式：主系统与其他调度或监控中心的自动化系统形成互备关系。两套系统在正常情况下均在线运行，承担各自的监控任务。当主系统失效时，备系统除继续负责原有的任务外，还可接管主系统的任务。这种模式的典型应用为地区调度系统与集控系统的互备。
小概率灾难性事件如火山、地震、台风等，不值得为此投入大量资金去建设专用的灾备系统，根据这种情况，利用各地建设无人（少人）值班变电所集控中心的机会，将当地的地区电网调度自动化系统与集控系统建设成互备系统，这样可以有效利用资源，减少资金投入，同时又增强了电网调度自动化系统的备用效果，提高了可靠性。
同时，与自备系统模式相比，集控/调度互备的显著区别是：在两套系统都正常工作的情况下，两套系统均独立在线运行，各自承担不同的任务；然而在一套系统故障情况下，另一套系统能快速接管，同时承担两套系统（集控和调度功能）的任务。集控系统与调度系统作为面向不同专业用户的两套系统，其在管辖范围、关注重点、应用功能、数据采集范围等方面存在一定的差异。因此，集控调度互备的技术难度更大，考虑的因素也更多。[1]
2.备用方式分析
备用方式主要有同城备、异地备和分布式互备三种。
同城备的方式是在原有的调度中心建设备用的EMS系统。同城备的优势在于，原有的调度中心大楼可以直接提供运行EMS备用系统所需的网络、机房等硬件设备，不需要进行额外的投入，因此可行性较高。但同城备的缺点在于，一般老调度中心与新调度中心在同一城市较近的地方，在遇到严重的自然灾害或者区域断电的情况时新、老调度中心皆会受到影响，此时同城备的方式就起不到备用的作用。
异地备的方式是指在远离主调度中心的城市建设EMS备用系统。异地备由于主、备调度中心不在同一城市，可以很好地解决同城备遇到的主、备调度中心同时失效的情况，信息的保存与恢复得到保障。但异地备的缺点在于由于主、备调度中心相隔两个城市，调度中心之间的通信需要较高的要求，若备用中心所在城市的通信条件欠发达，则需要进一步投入较大的资金完善通信系统，才能保证各级调度中心之间的通信要求。
布式互备的方式是利用上级调度中心与下级调度中心之间形成备用关系，当上级调度中心不可用时直接以下级某调度中心作为上级的控制中心。分布式互备方式拥有以上两种互备方式的优点，既不需要进行额外的投资建设，也能保证主、备调度中心的可靠运行。但分布式互备方式由于需要下级调度中心为上级调度中心做备用，因此对下级调度中心的自动化系统有较高的要求。
3.备用强度分析
备用强度分析有一主一备、一主多备、多主一备、分布式云互备四种方案策略。
策略一与策略二都具有很高的可靠性，但就服务器的建设投入费用来讲，这两种方案的代价巨大，不具有通用性。
策略三既节省了备用服务器的数量又利用数据I/O的动态属性提高存储空间的使用效率，这样不但降低了建设费用又节约了存储所需要的空间。
策略四是根据云计算技术而提出的互备方案，利用云计算的优点，这种方案可以提高灾备的效率，而且更好地利用了存储资源。
四、基于云计算技术的一体化互备解决方案
1.一体化互备的设计框架
（1）面对严重自然或人为灾害，分布式灾备保护机制可以为用户数据提供有效的保护，通过（n，m）数据分散模块，灾备平台为用户的容灾数据分布到不同的灾备中心，可以迅速将用户的数据实现恢复。当灾难发生时，容灾数据被灾备中心通过数据分散模块算法拆分成n份，分布到其他n个灾备中心。这种算法的好处在于，当源灾备中心或者不多于n-m个备份灾备中心发生破坏的情况下，仍然可以通过剩余的m个灾备中心中的片段数据将原始数据恢复完整，这样不但会对原始数据起到很好的保护作用，而且节省了存储空间，还可以提高容灾数据的安全性。
（2）当灾难发生时，灾备中心将用户数据复制到异地灾备中心的存储空间中，用户的数据得到完好保存的同时，灾备中心按照国际灾难恢复等级SHARE78中Tier3级的灾难恢复能力，将容灾数据快速恢复，减少用户的损失。为提高容灾数据的安全性，灾备平台可以采用时间锁模块对容灾数据启用防篡改功能。
（3）当灾难发生时，用户数据通过灾备平台发送至灾备中心，在灾备中心用户数据的保护及快速恢复都可以通过近线备份域完成，近线备份域的搭建可以通过WORM备份模块或虚拟磁带库对本地用户容灾数据提供保护。
2.备用容量与服务器投入
假设在某次灾害中，用户的容灾数据共有80TB，若采用传统容灾保护方式，将容灾数据存放在10个灾备中心中，每个灾备中心存放8TB，这样灾备中心需要占用80TB的存储空间来保存所有的容灾数据。若采用（10，4）数据分散模块算法对容灾数据进行分布式存储，每个灾备中心存放的数据仅约2TB，此时灾备中心仅需2TB×9+8TB=26TB的存储空间，较前一种方式节省了大约70%的存储空间。
五、结论
基于基础设施即服务类型云计算服务架构，本文设计了一种电力调度一体化互备系统，在分析了传统灾备系统的缺点及不足的情况下提出了一种新型灾备系统。该系统具有常用的技术，增加了智能虚拟化管理、时间锁、WORM备份、数据分散等功能模块。根据该灾备平台对备用方案进行优化分析，并构建了基于云计算技术的一体化互备解决方案，为用户的数据提供经济有效的灾备保护措施。
参考文献：
[1]周伟锋.电网调度自动化系统灾备策略研究及其前置子系统的设计与实现[D].南京：国网电力科学研究院，2009.
[2]康东明，吴建国，于微伟.面向服务灾备平台的设计与实现[J].计算机工程与科学，2011， 33（4）：146-149.
[3]吴涛.虚拟化存储技术研究[D].武汉：华中科技大学，2004.
[4]Rabin M. Efficient Dispersal of Information for Security， Load Balancing， and Fault-Tolerance[J].Journal of the ACM，1989，36（2）：355-348.
[5]Rabin M.The Information Dispersal Algorithm and its Applications[C].Proc of Sequences：Combinatorics，Compression， Security and Transmission，1990：406-419.
[6]王兰.EMS（EMS）备用系统的研究[D].南京：东南大学，2009.
[7]肖达，刘建毅.云灾备的关键技术[J].中兴通讯技术，2010，
16（5）：24-27.
[8]李立新，谢巧云，袁荣昌，等.电网调度云灾备系统优化分析与设计[J].电力系统自动化，2012，36（23）：82-85.