基于智能调度改造的前置集群虚拟网关的研究和应用

池州市贵池区供电公司电力调度控制分中心的研究人员邵杰，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，调度自动化体系是各级电网的核心，是电力系统安全、稳定和经济运行的技术保证。基于智能调度改造的需要，调度自动化体系处于不断升级之中，这就牵涉到许多远方RTU的设置的配套更改。

文章根据调度自动化系统的多前置现状，设想开发一种专用集群虚拟网关来解决调度自动化系统升级过程所导致的远方终端的一系列问题以及调度前置的负载不均衡，以使智能调度得以快速实现。

调度自动化体系实现对电网的全景监测和实时控制，是电网运行的核心[1]。基于发展智能电网的时代要求，调度自动化系统也需进行不断升级。在传统技术条件下，前置服务器的变更(特别是增配冗余服务器)，将牵涉大批量与调度主站相关联的远动终端(RTU)的配套升级工作(主要为RTU地址变更)，此外还要关注RTU与前置系统层面的负载合理性问题[2]，这个工作量无疑是巨大和复杂的。

文献[3]对网络地址转换(NAT)技术进行全面阐述，认为NAT技术可解决前置机变更所带来的网络地址变动的问题。文献[4]就负载均衡技术进行研究，并将其应用到服务器带宽扩展、吞吐量增加等层面。文献[5]就虚拟交换矩阵(VSM)技术在双机冗余虚拟化、网络安全可靠性提升等方面的应用展开探索。

本文将基于以上研究成果，依托某省级调度系统的实情，提出融合NAT技术、VSM技术和负载均衡技术的前置集群虚拟网关技术，以实现图1所示的目标希冀，从而优化智能电网环境下的调度自动化系统。

图1  基于前置集群虚拟网关技术的目标希冀

1  问题的提出

当前的省级调度自动化系统的组成框架见图2所示。显然，当省调增加前置服务器时会产生以下问题：

(1)大量RTU的内嵌地址需要补增。RTU与前置服务器之间进行数据交互的基础是RTU内设各服务器的网络地址，因此当前置部分扩充时，需要花大量时间和人力来维护RTU内的地址设置。

(2)RTU的负载可能过高。每增加一个前置，就会对RTU增加新的负载，可能导致RTU处于高负荷状态。

(3)各前置的负载不均更加凸显。主要是当前调度系统缺乏对自动化设备、通信链路等的有效监测，以致无法对负载做优化分布。

(4)前置增加所牵涉的工程十分浩大，违背了“大运行”建设所要求的减员增效、优化系统等目标。

由上，借助地址复用技术、开展前置集群虚拟网关研究是十分必要和迫切的。

图2  当前调度自动化系统结构框架

2  解决方案

2.1  前置集群虚拟网关技术的总体架构

根据前述分析，结合当下相关研究成果，提出如图3所示的解决方案。

图3  基于前置集群虚拟网关的解决方案

技术构思：以前置虚拟网关取代原二层交换机，借助VSM技术实现双机冗余虚拟化，一方面达成对外地址转换并使得RTU侧配置最小化，另一方面实现外部系统对内访问的前置冗余。

2.2  省、地公司部署方案

以图3为引领，可分别形成当省调、地调需要增加前置服务器时应采用的前置集群虚拟网关部署方案，见图4所示，相关部署流程见图5所示。

图4  前置集群虚拟网关在省调和地调的部署架构

图5  省、地公司部署前置集群虚网关的步骤

3  三个关键技术的应用研究

应用前置集群虚拟网关牵涉到三项关键技术的投入：即以NAT技术达成前置服务器的公共地址复用，以VSM技术达成双机冗余和简化组网，以负载均衡技术实现前置服务器性能最优化。下面详述。

3.1  NAT技术层面

NAT技术本质[6-8]：通过对网络地址的转换，实现前置服务器访问RTU时呈现单一网络地址的目标，其前提是前置集群虚拟网关所配置的转换后的网络地址与RTU配置内容无差异。

NAT技术应用流程的设计：前置机启动访问RTU→报文进入前置集群虚拟网关→地址复用技术启动→报文源地址转换→报文下达RTU→RTU处理后回应→回应报文到达前置集群虚拟网关→报文目的地址还原→报文达到对应的前置机→交互结束。显然，NAT技术的一个要点是要建立地址映射表(含端口号)。

下面以图6为例进行NAT技术在本案应用的说明。

图6  NAT技术在本案的应用示例

(1)当地址为192.168.1.3的前置机访问地址为1.1.1.2的RTU，生成数据包1并到达前置虚拟网关。

(2)前置虚拟网关通过对报头的“查阅”，了解该数据的走向为“内→外”，因此启动“192.168.1.3→20.1.1.1”的地址转换，同时记录这一映射，然后将数据发向地址为1.1.1.2的RTU。

(3)地址为1.1.1.2的RTU接收数据后生成数据包2作为对目的地址为20.1.1.1的前置机的回复。

(4)当数据包2抵达前置虚拟网关，网关查找已形成的NAT映射表，将地址20.1.1.1还原为192.168.1.3，并使报文最终抵达正确的前置机。

(5)上述工作过程中，RTU无须知道与其进行数据交互的前置机的实际网络地址为192.168.1.3，因此在上级调度系统升级时，就不需要对RTU进行IP地址更改方面的工作。

3.2  VSM技术层面

VSM技术在本案的创新应用主要体现在三个方面。

(1)将配置一致的两个前置网关(一个为主设备(Master)，另一个为从设备(Slave))拟合成一个设备进行管理。正常情况下，只有Master的管理口可用；发生切换操作，则只有Slave的管理可用；这样当用户经由管理口登录系统时，始终不会发生错登、多登、登不上等情形。

(2)利用控制平面和数据平面进行报文的高效处理。控制平面环境下，Master优先处理协议报文(包括由Slave收到的报文)，然后经由VSM级联通道将信息备份至Slave。数据平面用来实现应用网关对数据的转发，分二层转发、三层转发乃至更高层级转发等多种可能情形，其要点是通过VSM成员学习、VSM级联通道等方式来实现同源同宿，以使成员设备故障情况下业务流量可快速切换到其他成员设备。

(3)经由各种VSM状态备份来实现双前置应用网关之间的无缝切换。

综上，通过VSM技术，两台前置网关就可以以一体化方式达成协同运行和不间断作业。由于采用虚拟化技术，避免了设备间海量协议报文的交互，使得网络运行效率得以提升、网络结构得到简化[9]。另外，经由虚拟化后，虽然对外呈现的是单台网关样貌，但交换容量和端口数量其实是单台的两倍，因此在很大程度上提高了调度系统的效用性。

3.3  负载均衡技术层面

前已述及，通过NAT技术，前置机在主动对外访问时呈现单一网络地址；反过来，为了保证系统稳定和协调，要求前置部分被访时也具有类似特性[10]，本案中吸纳负载均衡技术来实现这一目标。

流程设计：其他系统启动访问前置服务器→报文进入前置集群虚拟网关→负载均衡技术运行→识别当前连接数最少且工作正常的前置服务器→利用地址映射表获取目标前置机的真实网络地址→报文送达→前置机处理并回应→回应报文进入前置虚拟网关→访问源地址还原→回应报文到达访问发起者→交互结束。以上叙述可辅之以图7进行说明。

显然，借助负载均衡技术，不仅可实现前置机被访时单一地址、单一端口的要求，还能使各前置服务器的流量得到最大程度均衡化，这样就极大优化了调度自动化系统，使系统的性能可持续保持在优良水平。

图7  负载均衡技术在本案的应用示例

4  实证分析

以东部某省为例。该省的电网数据统计见表1所示(时间节点为2016年6月底)。

表1  案例的电网数据统计

按照传统模式(即主站增加前置机后对所有厂站的RTU进行IP增设并调试)，基于表1的电网数据，主站侧工作时间至少6个月，厂站侧投入费用至少618万元(按一个厂站2万计算)。

而按照本文方案，只需在主调和备调各布置2台前置应用网关，总投资约80万元。当有前置机新增，只要在主站侧进行新增前置机的路由配置，然后通过前置网关与下属RTU作通信测试，就可实现应用需求。总工期约3~5天。相关比较见表2所示。

表2  两种方案经济技术比较

5  结论

智能电网的发展将推动调度自动化系统的不断升级。文章提出以‑前置集群虚拟网关应用来破解前置增设时RTU地址变更、RTU负载超限、前置负载不均衡等诸多问题，并对该项技术的关键组成予以详细阐述和应用剖析。

实证分析表明，文章提出的方法对于调度自动化系统优化，对于“大运行”下减员增效、系统提质等有着良好的促进作用，值得推广。