1 引言

隨著“三交四直”特高壓工程投入運(yùn)行與“四交五直”特高壓工程的建設(shè)，特高壓建設(shè)已進(jìn)入全面提速階段，特高壓電網(wǎng)負(fù)荷重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沿途自然環(huán)境惡劣，如何確保大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是亟待解決的問(wèn)題。

目前已經(jīng)建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)公司總部、省電力公司兩級(jí)部署的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有部分特高壓站的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)接入了所在省電力公司的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站，但由于已有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)量龐大，省電力公司主站承擔(dān)著全省供電公司和國(guó)家電網(wǎng)公司總部的訪問(wèn)流量壓力，這種信息通道瓶頸在時(shí)效性上制約著國(guó)家電網(wǎng)公司總部及時(shí)獲取特高壓變電設(shè)備監(jiān)測(cè)信息。因此，本文提出從特高壓站直接獲取輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取方式，并與傳統(tǒng)方式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，通過(guò)直采方式獲取特高壓站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)效率較高，對(duì)服務(wù)器影響較小。

2 特高壓輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)依托國(guó)家電網(wǎng)公司特高壓站變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)和管理模式，各特高壓站或者把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至省電力公司，再由省電力公司將數(shù)據(jù)上傳至國(guó)家電網(wǎng)公司總部，或者直接把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至國(guó)家電網(wǎng)公司總部。在國(guó)家電網(wǎng)公司總部采用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建特高壓輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站，設(shè)備計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量需滿(mǎn)足當(dāng)前在運(yùn)和未來(lái)幾年投運(yùn)特高壓站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總后的查詢(xún)分析處理和存儲(chǔ)需要[1-2]。

在國(guó)家電網(wǎng)公司總部建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用，各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將匯總在總部存儲(chǔ)，考慮到數(shù)據(jù)的安全性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需在異地做容災(zāi)備份，數(shù)據(jù)的異地容災(zāi)備份可利用國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)有的容災(zāi)資源，選擇其他城市的容災(zāi)備份中心存放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

該架構(gòu)可以解決3方面問(wèn)題：

(1)解決各特高壓站變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總管理問(wèn)題。

(2)解決狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量增大后查詢(xún)分析的時(shí)效性問(wèn)題。

(3)通過(guò)在站端增布設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取/轉(zhuǎn)換裝置，解決部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問(wèn)題。

由圖1可知，網(wǎng)省電力公司數(shù)據(jù)按需接入總部云資源池，雷電、氣象等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線與云資源池進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；云資源池根據(jù)不同應(yīng)用需求提供高效便捷的底層框架與設(shè)施，為高級(jí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)；高級(jí)應(yīng)用通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的融合、清洗，分析處理，多維度展示，實(shí)現(xiàn)特高壓變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)裝置上送到國(guó)家電網(wǎng)公司總部一般可采用兩種方式。

方案1：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由特高壓變電站站內(nèi)服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳到省電力公司數(shù)據(jù)中心，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給特高壓變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站。

方案2：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由特高壓變電站站內(nèi)服務(wù)器直接實(shí)時(shí)上傳給特高壓變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站。

為了對(duì)比這兩種方案服務(wù)響應(yīng)時(shí)間以及對(duì)省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的影響和數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，本文基于通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET對(duì)上述兩種方案進(jìn)行仿真研究。通過(guò)仿真建模的分析和研究，比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

3 仿真建模

3.1 OPNET簡(jiǎn)介

在OPNET各種產(chǎn)品中，Modeler幾乎包含其他產(chǎn)品的所有功能，針對(duì)研發(fā)的需求，Modeler提供了一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，使用戶(hù)能夠建立新的協(xié)議和配備，并且能夠定義和模擬細(xì)節(jié)[3]。

Modeler采用階層性的模擬方式，從協(xié)議間關(guān)系看，節(jié)點(diǎn)模塊建模完全符合OSI標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)務(wù)層→TCP層→IP層→IP封裝層→ARP層→MAC層→物理層；從網(wǎng)絡(luò)物件層次關(guān)系看，提供了3層建模機(jī)制，最底層為進(jìn)程模型，以狀態(tài)機(jī)來(lái)描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。3層模型和實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

3.2 業(yè)務(wù)模型

為了比較方案1與方案2通信方式的優(yōu)劣，需要根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司與省電力公司之間以及省電力公司與特高壓變電站之間的通信拓?fù)?、主要?yīng)用特征等要素構(gòu)建兩種方案通信方式的業(yè)務(wù)模型，以安徽省電力公司蕪湖特高壓站為例進(jìn)行介紹。

(1)通信拓?fù)?。通信拓?fù)溆删W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和通信介質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，國(guó)家電網(wǎng)公司通信拓?fù)涓鶕?jù)地域大小又可以分為省際拓?fù)渑c省內(nèi)拓?fù)?。目前，?guó)家電網(wǎng)公司已建成大容量骨干光傳輸網(wǎng)，工程建設(shè)覆蓋公司系統(tǒng)除新疆、西藏外的所有省電力公司，將原有通信網(wǎng)的單波傳輸升級(jí)為40波，網(wǎng)絡(luò)帶寬也由10Gbit/s升級(jí)為400Gbit/s，每個(gè)省內(nèi)又建有若干個(gè)站點(diǎn)，供省際中繼或省內(nèi)通信應(yīng)用。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，安徽省電力公司與其他省電力公司之間帶寬取10Gbit/s，安徽省電力公司與蕪湖特高壓站帶寬取100Mbit/s，站內(nèi)帶寬取10Mbit/s，通信拓?fù)淙鐖D2所示。

(2)應(yīng)用特征。各省電力公司與特高壓站應(yīng)用特征雖然存在地區(qū)性差異，但大部分以數(shù)據(jù)服務(wù)和Web服務(wù)為主，各個(gè)公司與變電站又有所側(cè)重。正常情況下，省電力公司數(shù)據(jù)中心承擔(dān)全省大部分信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工作，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)負(fù)荷較重，Web服務(wù)相對(duì)較輕；變電站內(nèi)由于相對(duì)信息工作業(yè)務(wù)量較小，Web服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)負(fù)荷均較輕。

方案1采用省電力公司數(shù)據(jù)中心利用Web服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式，加重了省電力公司數(shù)據(jù)中心Web服務(wù)。因此，若采用方案1，省電力公司數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)與Web服務(wù)負(fù)荷均比較重。

方案2采用站端CAC同樣利用Web服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式，加重了站端Web服務(wù)負(fù)荷。若采用方案2，變電站內(nèi)服務(wù)器Web服務(wù)負(fù)荷較重。

(3)邊界條件。特高壓變電站主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的前提之一是不能影響其他信息化系統(tǒng)的正常運(yùn)行，由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要獲取在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)，會(huì)給省電力公司和變電站PMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)，為了不影響省電力公司與變電站PMS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的額外數(shù)據(jù)服務(wù)不應(yīng)使服務(wù)器CPU利用率超過(guò)50%。

3.3 仿真模型

以安徽省電力公司和蕪湖特高壓站為例，從以下3個(gè)層次建立特高壓變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信仿真模型[4-11]。

(1)省際通信拓?fù)?。為了保證通信拓?fù)浞从硨?shí)際情況的同時(shí)還要盡量簡(jiǎn)化仿真模型，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司大容量骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(見(jiàn)圖3)，選取了江蘇、山東、湖北、河南、河北、天津7家單位作為省際通信中繼單位，安徽省電力公司和中國(guó)電力科學(xué)研究院分別承擔(dān)數(shù)據(jù)推送和接收工作。

(2)省內(nèi)通信拓?fù)洹Ｊ?nèi)通信節(jié)點(diǎn)可以分為省電力公司數(shù)據(jù)中心和其他子網(wǎng)。省電力公司數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)化為兩臺(tái)8路CPU、單核服務(wù)器，子網(wǎng)簡(jiǎn)化為包括1000臺(tái)單CPU、雙核工作站的局域網(wǎng)，工作站主要發(fā)起數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)與網(wǎng)頁(yè)瀏覽請(qǐng)求，二者通過(guò)交換機(jī)和路由進(jìn)行通信，以湖北省電力公司通信拓?fù)錇槔?，安徽省電力公司需要與蕪湖變電站通信連接，多出1條直連蕪湖變電站的通信線路。省內(nèi)通信鏈路均采用100Mbit/s以太網(wǎng)。

(3)蕪湖站通信拓?fù)?。蕪湖站由于業(yè)務(wù)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化為1臺(tái)4路CPU、單核的服務(wù)器與10臺(tái)單路CPU、雙核的工作站，兩者通過(guò)交換機(jī)和路由進(jìn)行通信，通信帶寬為10Mbit/s。

4 仿真配置與結(jié)果分析

為了研究方案1和方案2數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間，以及對(duì)省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、變電站數(shù)據(jù)服務(wù)器的影響，以國(guó)家電網(wǎng)公司安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和蕪湖1000kV特高壓變電站數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)負(fù)載、CPU使用率、業(yè)務(wù)處理時(shí)間為研究對(duì)象，并假設(shè)國(guó)家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心部署在中國(guó)電力科學(xué)研究院，分別進(jìn)行仿真計(jì)算。

4.1 仿真配置

OPNET已預(yù)設(shè)16種業(yè)務(wù)模型，如大量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)、少量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)、大量郵件服務(wù)、少量郵件服務(wù)、大量文件傳輸服務(wù)、少量郵件傳輸服務(wù)、大量基于Http1.1協(xié)議的網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)、少量基于Http1.1協(xié)議的網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)等，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)模型定義了報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)文間隔等參數(shù)。各省電力公司應(yīng)用業(yè)務(wù)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)與Web服務(wù)為主。需根據(jù)不同等級(jí)站點(diǎn)的實(shí)際情況配置不同量級(jí)的Database Access與Web Browsing Http1.1服務(wù)。

根據(jù)上文可知，省電力公司一般數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和Web服務(wù)業(yè)務(wù)量較大，而蕪湖站兩種業(yè)務(wù)量相對(duì)較輕，因此，在正常情況下，省電力公司服務(wù)器配置為大量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)和少量基于Http1.1協(xié)議的網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)，蕪湖站服務(wù)器配置為少量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)和少量基于Http1.1協(xié)議的網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)。針對(duì)方案1，安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心需要向中國(guó)電力科學(xué)研究院轉(zhuǎn)發(fā)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，中國(guó)電力科學(xué)研究院除了配置滿(mǎn)足本地局域網(wǎng)業(yè)務(wù)要求的大量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)和大量基于Http1.1協(xié)議的網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)外，還需要配置向安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心作大量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)請(qǐng)求的業(yè)務(wù)應(yīng)用。而對(duì)于方案2，則需要將中國(guó)電力科學(xué)研究院數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)請(qǐng)求指向蕪湖變電站數(shù)據(jù)中心，這分別加重了安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心和蕪湖站數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)壓力。

各省電力公司和變電站服務(wù)器除了響應(yīng)各類(lèi)業(yè)務(wù)請(qǐng)求外，還需運(yùn)行各類(lèi)本地軟件，會(huì)占用一定CPU資源。因此，將各省電力公司和變電站服務(wù)器基礎(chǔ)CPU利用率設(shè)為20%，以模擬本地軟件占用的CPU資源。

考慮到省際網(wǎng)絡(luò)帶寬競(jìng)爭(zhēng)，以及背景流量對(duì)業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間的影響，將省際網(wǎng)絡(luò)背景流量按圖4進(jìn)行設(shè)置，以模擬不同時(shí)間段背景流量的變化。

4.2 結(jié)果分析

對(duì)于方案1，將中國(guó)電力科學(xué)研究院數(shù)據(jù)中心和安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器做相應(yīng)配置，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的源地址和目的地址分別為安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和中國(guó)電力科學(xué)研究院數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，然后進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖5～7所示。

對(duì)于方案2，將中國(guó)電力科學(xué)研究院數(shù)據(jù)中心和蕪湖站數(shù)據(jù)中心服務(wù)器做相應(yīng)配置，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的源地址和目的地址分別為蕪湖站數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和中國(guó)電力科學(xué)研究院數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，然后進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8～10所示。

(1)CPU利用率。對(duì)比圖5和圖8可知，采用方案1和方案2，安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心和蕪湖站數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU利用率均低于50%上限，但采用方案1使得安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心CPU利用率增長(zhǎng)較快，大約增加13%，而方案2蕪湖站CPU利用率僅增長(zhǎng)6%，這是由于安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心響應(yīng)的客戶(hù)端較多，本身數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)負(fù)荷較重，在額外承擔(dān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)后，CPU開(kāi)銷(xiāo)增加較快，而蕪湖站數(shù)據(jù)中心服務(wù)器本身負(fù)荷較輕，因此，承擔(dān)額外任務(wù)后，CPU利用率增長(zhǎng)較慢。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)負(fù)荷。對(duì)比圖6和圖9可知，采用方案1，安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)負(fù)荷增加較低，約為36%，而方案2蕪湖站數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)負(fù)荷增長(zhǎng)約為380%，這是由于蕪湖站服務(wù)器初始負(fù)荷較低，因此承擔(dān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)負(fù)荷增長(zhǎng)較快。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)時(shí)間。對(duì)比圖7和圖10可知，安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)時(shí)間均保持在0.033s左右，而采用方案2后的蕪湖站數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)時(shí)間變長(zhǎng)，從方案1的0.000017s增長(zhǎng)到0.033s。

綜合上述仿真結(jié)果可得，采用方案1和方案2均可以滿(mǎn)足特高壓變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的要求，但仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，采用方案1時(shí)，安徽省電力公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)壓力增長(zhǎng)較快，CPU利用率裕度較低，為防止偶然高并發(fā)訪問(wèn)引起CPU利用率超出上限，建議采用方案2轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　5 結(jié)語(yǔ)

本文提出從特高壓站直接獲取輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取方式，并利用OPNET建立仿真模型，對(duì)比了轉(zhuǎn)發(fā)方式與直采方式下，輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站數(shù)據(jù)中心服務(wù)器與特高壓站端數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)負(fù)載、CPU使用率、業(yè)務(wù)處理時(shí)間的異同。結(jié)果表明，通過(guò)直采方式獲取特高壓站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，特高壓站端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU利用率裕度較高、訪問(wèn)壓力較輕。