摘要：电力系统数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）作为电网运行核心系统之一，对数据处理能力和可靠性要求越来越高。直接对早期SCADA系统的数据服务器升级易造成的不同软件之间、软硬件之间不兼容问题，针对这一问题，开展了基于虚拟化技术的数据服务器升级技术研究，分析了不同虚拟化技术的特点，重点分析了VMware vSphere虚拟化平台和高性能虚拟化平台、高可用集群技术、热数据迁移技术，总结了在成本、性能、稳定性、安全性方面的优点，提供了虚拟化部署方法。
关键词： 虚拟化； 服务器； 升级； SCADA； VMware
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）19-0270-02
Abstract： virt Abstract： The power system supervisory control and data acquisition system， as one of the core systems of power grid operation， the demand for data processing capabilities and reliability is getting higher and higher. Incompatibility between different software and hardware and software is easily caused by directly upgrading the data server of the early SCADA system. In view of this problem， the technology of data server upgrading based on virtualization technology is studied and the characteristics of different virtualization technologies are analyzed. the analysis of VMware vSphere virtualization platform， VMware ESXi， VMware high availability and VMware vMotion are focused. The advantages of cost， performance， stability and security are summarized， and the virtualization deployment method is provided.
Key words： virtualization； server； upgrade； SCADA； VMware
1 引言
科技变革推动着智能电网的迅速發展，这要求电网必须精准掌握实时运行状态，同时也对电力系统的数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）提出了更高的要求。随着系统应用的增加和管理要求的精细，SCADA系统作为电网运行核心系统，对数据处理能力和可靠性要求也越来越高[1-4]。但是，随着数据服务器运行时间的积累，服务器逐渐老化，系统资源日渐紧张，已不能满足现场生产的实际需求。此外，数据服务器一般依靠品牌厂商提供维护，各个厂商对服务器都有严格的生命周期限制，当服务器使用到达生命周期后，维护费用会迅速增加，同时，服务器厂商不停地研发新的产品零部件，导致旧部件备品越来越少。
SCADA服务器一般的升级方法是使用新服务器替换旧服务器。随着信息技术的发展，新服务器硬件性能成倍提升，且服务器厂商一般不再对较早期的操作系统提供驱动程序，如提供早期Windows Server 2003操作系统的RAID卡、千兆网卡、芯片组等硬件的驱动程序，导致新服务器无法正常运行早期操作系统。
电网早期设计SCADA系统的开发语言和平台架构现在看来也比较老旧，与最新操作系统的兼容性较差，若简单的通过补丁更新等手段强行在新操作系统上运行，其稳定性无法保证。若在新开发平台对原先SCADA软件进行重写以适配最新系统的方法实施难度较大，无法完全仿照出同等功能、同等模式、同等可靠性的系统，且下一轮服务器生命周期到达后，SCADA软件又会面临同样适配最新操作系统的问题，无法保证SCADA系统的持续、稳定、经济的运行。
早期设计的SCADA监控系统软件功能齐全，实用性和稳定性均能满足当前电力设备运行要求，如果舍弃该系统重新开发势必造成资源浪费，因此采用虚拟化技术的数据服务器升级方案，使新服务器硬件能够稳定运行早期软件，则可以降低升级成本，缩短升级周期，提高系统的稳定性和安全性。
2 虚拟化技术及其优点
2.1 虚拟化技术
虚拟化技术是将计算机各种物理硬件进行抽象，转换成容器的技术。它打破了物理计算机不可分割的障碍。通过虚拟化的资源管理技术，可以将一台物理计算机虚拟为多台“逻辑”计算机，每个“逻辑”计算机均类似于一台实际的物理计算机，具有虚拟化的CPU、硬盘、网卡等硬件，可独立运行操作系统和各种应用软件，且多个“逻辑”计算机之间相互独立运行，互不影响[5]。
目前主流的虚拟化技术架构有裸金属架构和寄居架构。裸金属架构是将虚拟机管理程序直接部署在底层硬件上，直接捕获和处理硬件资源，效率较高。寄居架构是将虚拟机管理程序当作一个特定的程序运行在操作系统之上，它对硬件的支持很广泛。目前主流的虚拟化软件有OpenVZ、KVM、Hyper-V和VMware等，其中VMware虚拟化软件目前应用较为广泛，其全球最终用户数超过400万个[6]。从面向个人用户VMware Workstation到面向企业用户的VMware vSphere，多种不同的解决方案可供选择，组合灵活，按需配置[7]。
2.2 虚拟化技术优点
新服务器硬件性能强大，对于早期设计的业务系统来说硬件资源富足，造成了新服务器的性能浪费，虚拟化技术通过软件模拟可以运行多个业务系统，实现硬件资源的充分利用。虚拟化技术可以将一台物理服务器虚拟为多台“逻辑”服务器，当某台运行业务系统的“逻辑”服务器出现故障时，能快速切换使用另外一台正常的“逻辑”服务器，避免了业务系统长时间中断，同时也防止同一物理服务器存在多个业务系统的耦合，物理服务器某一业务系统造成服务器故障后，此台服务器上的其他业务系统也会受到影响。此外，虚拟化技术还可以大大减少物理计算机的数量，节约了机房空间，降低机房的用电负荷和运维人员的管理成本。
2.3 VMware vSphere虚拟化技术
VMware vSphere虚拟化技术是先进可靠的服务器虚拟化技术，在虚拟化软件市场占有主要位置，它具有运行稳定、管理工具丰富的特点。该技术采用裸金属架构，虚拟机管理程序可以在支持的硬件上自由分配和控制硬件资源，提高硬件的利用率，避免硬件之间发生冲突。
VMware vSphere虚拟化方案包括高性能虚拟化平台（ESXi）、高可用集群技术（HA）、热数据迁移技术（vMotion）等丰富的配套工具[8， 9]。高性能虚拟化平台可以创建虚拟机底层运行平台，它本身就是一个“操作系统”，可以管理硬件资源，虚拟化系统都要安装在它上面。高可用集群技术可以自动检测服务器状态，将服务从故障的物理计算机自动切换至容量范围内其他正常的物理计算机，避免服务中断。热数据迁移技术可以将运行中的虚拟机无感地迁移到另外一台物理计算机中继续运行，实现业务系统的不停机维护[10]。
3 虚拟化平台构建和部署
3.1 虚拟化平台构建
由于对服务器升级的重点在于使新服务器能够稳定运行早期设计的SCADA系统，而早期系统对于服务器的CPU、内存、硬盘等硬件性能要求都不高，当下主流的服务器硬件性能远远超过其运行要求。早期设计的SCADA系统架构由两台服务器A和B、一个外置冗余磁盘阵列和两台交换机组成，实现了重要系统和网络的双重化冗余配置。
采用虚拟化技术构建的新系统架构仍然为两台物理服务器Va和Vb、一个外置冗余磁盘阵列和两台交换机，可以使用原来的机房和机柜布置，物理服务器Va内虚拟出逻辑服务器A和B，同样物理服务器Vb内也虚拟出逻辑服务器A和B，这样逻辑服务器方面实现了四重化配置，可靠性比早期双重化设计的系统要高。原系统架构如图1所示，虚拟化升级后的架构如图2所示。
3.2 虚拟化平台的部署方法
首先在两台服务器上安装ESXi高性能虚拟化平台，并安装vCenter Server服务，作为连接到网络的ESXi主机的管理系统。vCenter Server可用于将两台主机的资源加入池中形成主机集群，并启用高可用集群（HA）和资源动态调度（DRS）功能，以提高容错性和实现负载均衡。
其次使用vCenter Converter软件，将正在运行的旧服务器A和B系统迁移到新服务器的虚拟机ESXi中的Va和Vb中，即完成了对物理计算机虚拟化的过程。
最后配置新服务器的网络和存储系统，由于生产数据安全非常重要，所以网络传输链路采用冗余设计，使用两块网卡组网Nic Team，存储采用存储阵列的方式，使用iSCSI接口，提高数据的安全性。至此，就完成了全部虚拟化的部署。
4 结论
基于虚拟化技术的数据服务器升级技术在解决较难升级改造SCADA系统时体现了巨大优势，避免了在升级换新服务器的时候出现的软件之间、软硬件之间不兼容等问题，既提高了服务器资源的利用效率，避免服务器计算资源利用不充分造成的投资效益低下的问题，又解决了服务器分散部署造成的空间资源浪费问题，降低了能耗，符合绿色可持续发展的科学理念。
参考文献：
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