（国网三门峡供电公司 河南三门峡 472000）
摘要：以特高压、三华联网为代表的智能电网飞速发展，国家电网公司集约化、扁平化管理的快速推进，计算机、通信技术的长足进步，推动了智能电网调度控制系统（简称“D5000系统”）的研发和推广。尤其在推进“大运行”体系建设和保障电网安全运行方面发挥了重要作用。本文在智能电网调度控制系统信息规模及处理压力剧增的情况下，面向电网发展的实际需求，分析了通用集群技术在智能电网调度控制系统中的适用性，提出了超大规模电网调度控制系统集群化总体架构。介绍了资源管理、心跳管理、资源定位、分布式数据存储与访问等平台集群化支撑技术。
关键词：智能电网；大运行；调度控制系统；集群化技术
引言
随着特高压交直流混合电网的大规模建设及“大运行”体系的全面构建，D5000系统信息规模及处理压力剧增，系统运行面临新的挑战，亟须进一步提升系统的支撑服务能力，突出体现在：电网结构日益复杂、调控规模日益扩大，接入系统的信息量剧增；系统客户端数量逐步增加，数据访问量及访问规模逐步扩大；系统计算分析类功能逐步实现全面的在线化，数据访问频度大幅提高；系统服务的业务类型及业务部门逐步扩大，系统的技术支撑作用和重要性愈发显著。
集群是一组相互独立的、通过高速网络互联的计算机，它们构成了一个组，并以单一系统的模式加以管理。与常规的将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机的虚拟化技术有所不同，本文讨论的集群化技术本质上是将系统的多台服务器虚拟成一台更高性能的服务器，完成传统单独节点的计算系统无法完成的任务，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可扩展性及可靠性等方面的相对较高的收益，满足充分利用资源、提高处理效率、提升整体性能的需要，达到更多的计算机等于更快速度的目标。
1、D5000系统集群化总体架构
现有主流调度自动化系统主要由各类服务器和工作站构成，遵循面向服务的体系架构，各应用一般配置两台服务器，由主机对外提供服务，未能实现负载均衡，单机性能成为系统性能的瓶颈，限制了可靠性和可扩展性的提高。因此，D5000系统集群化的总体目标是进一步提高系统可靠性、处理效率和可扩展性。为实现这一目标，需在吸收D5000系统多机多网任务管理等已有成果基础上充分利用单机内部多路多核技术和多机集群技术的优势。
1.1硬件架构
D5000系统由多个群组成，每个群配置一组服务器对应一类应用功能或多类相似的应用功能，如数据采集群、实时监控群、网络分析群、调度计划群等。硬件设备主要由服务器、存储设备和网络设备构成，服务器包括机架服务器和刀片服务器等，网络设备包括交换机、路由器、隔离装置和防火墙等。硬件结构既支持横向分布又考虑纵向整合，实现应用在多个集群节点的合理分布及高耦合度功能的深度整合，以提升集群的计算能力和数据处理的实时性。
1.2软件框架
D5000系统在软件上由基础支撑层、扩展支撑层和应用功能层3层软件构成。基础支撑层为D5000平台软件，提供通用的平台支撑；扩展支撑层在D5000平台上扩展，为集群化的实现提供支撑服务，主要包括集群化管理、资源定位、资源调度、心跳管理、分布式数据存储与访问等，资源管理接口和数据管理接口满足各应用的使用，为基于集群化平台的二次开发提供支撑；应用功能层在D5000应用软件基础上进行集群化改造，实现资源的充分利用，提高处理效率及整体性能，包括实时监控、网络分析、自动控制等。
1.3应用部署
D5000系统最下层为数据库集群和时序库集群，提供集群化的数据支撑。应用群分为私有群和公共群。私有群：数据采集群、实时监控处理群中有各区域的数据处理服务器，在数据采集群和实时监控群中一一对应，同样的，应用分析群和实时监控处理群中的各个区域处理服务器也一一对应。公有群：在实时监控群和应用群中存在一至两台服务器，包含该群中全部数据，服务于任务无法分布的个别功能。数据采集、实时监控应用构成垂直的上下应用群。
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1.4与主备机制的对比分析
集群模式的突出优势是能从根本上解决制约系统整体性能的瓶颈问题，突破传统的主备机运行机制的局限，实现系统资源的充分利用和性能的有效提升，主要体现在以下两个方面。
第一，处理效率高：采用集群模式有效分担了机器负载，极大地提高了系统的处理能力和响应速度。
第二，可靠性高：采用集群模式有效分担了机器故障的风险，任何一台服务器故障，任务都可以快速转移，保障了系统的稳定可靠运行。
2、D5000系统集群化平台支撑技术
D5000系统中的集群化支撑技术有很多，受篇幅限制，在此不一一赘述，本节只介绍几种最基础、对集群化系统影响最大的几项平台支撑技术。
2.1资源管理
资源管理模块能够管理所有参与计算的硬件资源，包括服务器、存储设备和网络设备等，主要负责资源的动态发现，监视资源的投入和退出等。资源管理模块周期性收集节点的状态信息和节点的负载信息，并根据当前的节点能力和节点负载状况通知任务调度程序作出动态调整。每个节点上的管理程序向同一个组播地址发送组播报文，通知其他节点本节点的状态。当某个节点的管理程序退出，或者此节点网络故障达到一定时间，则此节点将被判定为离线。
2.2心跳管理
心跳管理是提高集群可用性的重要技术之一。心跳管理周期性检测集群中节点的工作状态，当节点的工作状态变化时，能够通知集群软件的其他部件。也可通过心跳判断节点的在线情况，超过一定时间没有收到节点的心跳，可判断该节点为故障。心跳报文分为群内心跳和群间心跳，可避免心跳风暴的发生，每个群内设立组长，负责汇总该群内所有节点的状态，每个群只有组长向其他群发送心跳。
2.3资源定位
资源定位在非集群系统中的机制是先寻找某个应用的主机，再把对某个服务的请求定位到这个服务所属应用的主机上。资源定位应考虑带数据的服务管理和定位方式，服务的定位要包含数据的计算架构，需要达到计算和数据的一致。可以在原有服务中增加属性，实现类似域名系统（DNS）的功能。当访问的数据属于一个区域时，提交该区域所属数据节点信息；当访问的数据属于多个区域时，提交公有群中的公共节点信息。
资源定位改造后的流程是：①获取服务定位信息；②获取数据分布信息；③获取节点信息；④返回定位结果。相应的服务总线需修改服务定位接口，增加区域信息，增加服务注册代理，压缩网络连接。
3、结语
集群技术在D5000系统中的应用，可以适应电网监控规模和复杂度的快速增长，从根本上解决制约D5000系统整体性能的瓶颈问题，有效提高系统实时处理效率、可靠性及可扩展性，保障系统稳定可靠运行，从而保障电网安全运行。
集群的规模越大，越有利于发挥集群计算的优势，但同时也会带来如调度开销、状态同步、计算资源定位等多方面的问题。如何平衡这些矛盾，使得集群规模扩大，能够切实提高计算性能，还需要继续探索和研究。
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论文作者:李云锋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：集群论文; 节点论文; 系统论文; 电网论文; 数据论文; 技术论文; 服务器论文; 《电力设备》2017年第5期论文;