虚拟冗余测控单元自适应加载技术研究.pdf

1、 2020-1-虚 拟 冗 余 测 控 单 元 自 适 应 加 载 技 术 研 究 蔡亮亮、龚世敏、唐斌、李帅、洪莹、袁泉（南 京 国 电 南 自电 网 自 动化 有 限 公 司，江苏 南 京 211100）；Research on Adaptive loading technology of Virtual Backup Measure-Control Units CAI liangliang,GONG shimin,TANG bin,LI Shuai,YING Hong,YUAN quan(Nanjing SAC Power Grid Automation Co.,Ltd.,Nanjing

2、 211151,China)摘要：冗 余 测 控 装 置 在 智 能 变 电 站 中 的 应 用 越 来 越 广 泛，该 装 置 支 持 模 拟 多 个 虚 拟 测 控 单 元 来 实 现 对 多 台 实 体 测 控 装置 的 功 能 后 备，目 前 主 流 的 方 案 是 通 过 多 核 或 多 CPU 插 件 的 方 式 进 行 硬 件 资 源 配 置 以 满 足 多 虚 拟 测 控 单 元 的 运 行 需求。但 是 冗 余 测 控 中 的 虚 拟 测 控 单 元 大 部 分 时 间 是 出 于 后 备 休 眠 状 态，硬 件 利 用 率 很 低，本 文 主 要 介 绍 了 一 种 虚 拟

3、 测控单元自适应加载技术，通过该技术可以高效地复用硬件资源，从而大幅降低冗余测控装置的制造成本。关键词：冗余测控；虚拟测控单 元；实 体 测控；功 能 后 备；自 适 应 加 载；ABSTRACT:Backup measure-control devices are more and more widely used in smart substation.This device supports the simulation of measure-control units to implement the backup function of multiple real devices.A

4、t present,the mainstream solution is to deploy hardware resources by means of multi-Core or multi-CPU plug-ins to meet the requirements of multiple virtual measure-control units.However,most virtual measure-control units is running in a stand-by hibernating mode,so the hardware utilization rate is v

5、ery low.This paper mainly introduces an adaptive loading technology of measure-control units,through which the hardware resources can be effectively reused,that will greatly reducing the manufacturing cost of Backup measure-control device.KEY WORD:backup measure-control device;virtual measure-contro

6、l unit;main measure-control device;function backup;adaptive loading;1 引言 目前 在 电力系 统 自 动 化 配 置 中，测 控 装 置的 配置区别 于 保 护 双 重 化，测 控 装 置 采 用 单一配置，按照间隔和断 路 器 进 行 划 分1。一旦测控 装置发生 故 障 或 者 处 于 检 修 状 态 时，该 间隔将 失去 测 控 功 能，监 控 系 统 将 无 法 掌 握 其 实 时状态并 对 其 无 法 进 行 控 制 操 作，这将会 严重威胁电力系统的稳定运行。针对上 述 问 题，在 第三代智能变电站 设计中 引

7、入 了 冗 余 测 控 装 置，冗余测控装置一般 采 用 多 功 能 插 件 设 计，能够集中运 行 多 个 虚 拟 测 控 单 元，每 个 虚 拟 测 控 单元 的 配 置 和 参 数 与 按 间 隔 配 置 的 实 体 测 控 相 同且一一对应匹配。冗余测控 装 置 可 在 一 台 设 备中实现至少15 个 实 体 测 控的 功 能，当实体测控故障或检修时，由 运 维 人 员 通过手 动 操 作 软 压板的方式 将 冗 余 测 控 装 置 中 对 应 的 虚 拟 测 控 单元投入运行，以此 来 实 现 对 特 定 实 体 间 隔 测 控的 功能后备6。目前，主 流 的 冗 余 测 控 装

8、置 的实现大多是 使 用 多 个 功能插件或者使用多核中央 处 理 器（CPU）来实时加载 运 行 所 有 虚 拟测 控单元，虚 拟 测 控 单 元 在 未 投 入 运 行 时 对 外 保 持通信静默，是 运 行 在 一 种 热 备 用 状 态。该方法存在较多的 硬 件 和 能 源 浪 费，不 符 合 智 能 变电站绿色 节 能 的 愿景。本文提出了一 种 虚 拟 测 控 单 元 的 自 适 应 加载技术，能 够 在实体测 控 由 于 检 修 或 故 障 退 出运行后自动加载 与 该 实 体 测 控 匹配的 虚 拟 测 控单元，在实 体 测 控 恢 复 正 常 运 行 再 后 自 动 退出 2

9、020-2-匹配的 虚拟 测 控 单 元，整 个 过 程 无 须 运 维 人 员干预。该 技 术 能 够 自 适 应 地 调 节 冗 余 测 控 装置的 硬件 资 源，减 少 了 插 件 数 量，降 低 了 硬 件 设计 复杂度，在 降 低 智 能 站 建 设 成 本 的 同 时 也 减轻 了 运 维 工 作 量。2 现 状 与 不 足 分 析 冗余测控装置目前 主 流 的实 现 方 法 是 采 用多功能插件或多核CPU（大于15 个 核）的 方 式来 实 现 多 个 虚 拟测 控 单 元的 并 行 热备运 行。采用多核CPU 的 方 案 一 般 是一 个 核 运 行 一 个虚 拟测 控 单

10、元。那 么 选 取 的 CPU 必须含有至少有15个核，这将导致CPU 芯片的选型大大受 限，且成本、功耗及 稳定 性 将 是个 挑 战8-10。另一个常 用 方 案是 采 用 多功 能 插 件 堆 砌 的方式，目前电力 设备二次 设 备 主 要 采 用 单核 或双核CPU 即可满 足 一 般 的装 置 使 用，为 了节 省开 发 经 费 并 缩 短开 发 周 期，简 单 的 方 案 则是 在机箱中插入 多 块功 能 插 件，假设一个功能 插件使用双核CPU，该 插 件则最 多 可 运行2 个 虚拟测控单元，那么 冗余测 控则 需 要 8 块 功能插件才能实现16 个 虚 拟 测 控 单元 的

11、 热 备 运 行，这 从变 电 站 建 设 成 本和 运维方面 来 看 均 是 不可 接受的。在虚拟 测 控 单 元投 退 方 面，目 前 主 流 的 方案还是 由 运 维 人员 手 动 操作，人工 确 认 实体 测控 已 经 退 出 运 行后 再 手 动投 入 对应的 虚 拟测 控单元。这种 方 式存 在 一 定误 操 作 的 风 险，在实时 响 应 方 面 也 存在 较 大 的时 间 延 迟。当 实体 测控故障后 要 等 待运 维 人 员发 现 并 确认故 障才 能投入相应 的 虚拟 测控单元，这段时 间 内 该间 隔将失去测控功能，不利于 电力系统 稳 定 运行。3.解决 方 案 关 键

12、 技 术 由于只有在实体间隔测控故障或检修的情况 下 才 需 要 投 入 冗 余 测 控 中 相 应 的 虚 拟 测 控 单元，从 实 际 工 程 维 护 来 看，大 多 情 况 下 一 座 变电 站 同 时 故 障 或 进 行 维 修 的 测 控 装 置 数 量 不 会太 多，一 般 少于 3 台11。因此冗余测控装 置没有必要满足同时运行 15 个虚拟测控单元的能力，只需能够在 实体测 控 检 修 或 故 障 时 再 动态加载和 运行 这 些 实 体 测控的配置来 实 现 相 应 的后 备 虚 拟 测 控 单 元，从而完成故障测 控 装 置 的功能替代。如何降低冗余测控装置的制造成本，减少

13、装 置 的 插 件 数 量，目 前 还 没 有 成熟的 方 案。现有技术的实现在 成 本 和 运 维 上 都 不 同 程 度 存 在缺陷。如何能够 根据现场实体测控的 运 行 状 态实时调配冗余测 控 的 资 源，自适应地 加 载 虚 拟测控单元 来 实 现 动 态 后 备 是 本 文 主 要 的 阐述内容。3.1 测控冗余机制 冗余测控装置 的 冗 余 后 备原 则 是 在 实体测控 退出 运 行 或 故障 时 能够 替 代 实 体 测 控 装置 实现当前故障间 隔的 测 控 功能。冗余测 控 装置 中的 各 虚 拟 测 控 单元 采用 与对应 的 实 体 测 控相 同的配置和程序，虚拟 测

14、 控单 元 对 过 程 层 装 置和站 控 层 装 置 的 表现 与 实 体测 控 装 置 相 同。虚拟测控单元 的 投 退逻 辑 如 下图 1 所示。实 体 测 控正常 运行相 应 虚 拟 测 控单 元 投 入 运 行是 否虚 拟 测 控 单元退 出运行虚拟 测控单元 运行中监测 实体测 控装 置 运 行 状 态是 图 1 虚 拟 测 控 单 元 投 退 逻 辑 Fig.1 The switching logic of virtual measure-control units 只有当 冗 余 测 控监 测 到 实体 测 控 装 置 完 全退 出 运 行 时 才 自动 投 入 相应 的 后

15、备 虚 拟 测控 单元，在 虚 拟 测 控单 元 投 入运 行 后 依 然 实 时监 测实 体 测 控 的 运 行状 态，一旦 发 现 实 体 测 控恢 复正常运行则 自动 退出12。3.2 装置硬件设计 本文提 及 的 冗 余测 控 装 置采 用 变 电 站 二 次设备通用4U 整层 机 箱，主要 插 件 有 1 块 电源插件、1 块 开入插件、1 块 过程 层 插 件、1 块站控层插件和 1 块 面板模件13，后 视 图 如 图 2 所示。过程层插件和 站控 层 插 件 均选用同一款6核 CPU 芯 片（含 Core_0Core_5），两 者 均 包含 2020-3-RAM 和 FLASH

16、 芯片用 以支持 系 统 的 运 行 和文 件的存储。此 外，过 程层 插件 还 包 含 一 块 FPGA 芯片 负 责 处 理 所 有间 隔 的 过程 层 采样值（SV）报文 的接收 和 面 向通 用 对 象的 变 电 站 事 件（GOOSE）报 文 的收 发 处理14-18。各 插 件通 过 装置 母 板 进 行 电 连接，母板 主 要 包 含 内 部 数据 总线、IO 总线和 对 时 总线，各 插 件 通 过 这 些数 据总 线 进 行 内 部 数据 交 互。面板模 件 主 要 包含 液晶、指 示 灯、键盘，主要 用 来 显 示 装 置 的运 行状态、设置 装 置的 运 行 参数。空电源

17、+空电源-空GNDNO.16+5V 24V(1)ONOFF345678910装 置 告 警-装置 告警+12装 置 故 障+装置 故障-DINO.15DINO.13DONO.12DONO.11 NO.10 NO.5 NO.3 NO.7DI12NO.2 NO.112246108121416181359711131517DINO.9DONO.8DONO.4 NO.6DINO.14开入插 件电源插 件过程层 插件站控层 插件 图 2 冗 余 测 控 装 置 背 视 图 Fig.2 Back view of backup measure-control device 3.3 装置软件架构 本 文 所

18、述 冗 余 测控 的 软 件架 构 如 下 图 3 所示。过程层插件用于接入 变 电 站 过 程 层 网 络，负责处理各虚拟测控单元的过程层 SV 订阅及GOOSE 收发。站 控 层插 件用 于 接 入 站 控 层网 络，负 责 处 理 各 虚 拟 测 控 单 元 的 站 控 层 的 制 造 报 文规 范（MMS）报 文。两 个 插件 通 过 自 动 加 载与 站内 多 个 的 实 体 测 控 间 隔 相 同 的 程 序 及 配 置 来 实现 对 其 功 能 后 备，本 文中的 系 统 以 CPU Core 为单 位，每 个 Core 虚 拟 一 个测 控 单 元，每 个 虚拟测 控 单 元

19、对 于 过 程 层 和 站 控 层 网 络 来 说 都 是 一个 完 整 的 测 控 装置，与 实体 测 控 无 异。过程层插件上 FPGA 芯片通过两个千兆光口 分 别 接 入 过 程层 A/B 网交换机，能够获 取 和解析所有15 个 间 隔 的 过程层 报SV/GOOSE 报文。在板载 RAM 中 开 辟 一 块 共享 内 存，该 内 存按 间隔划分，FPGA 将 收 到 的 过程 层 报 文 进 行 解析 后，将 对 应 间 隔 的 数 据 存 储 到 相 应 间 隔 内 存 区域中，板 上 CPU 芯片与FPGA 芯片可 共 享 内 存中 这15 个 间 隔 的 过 程 层数 据。C

20、PU 芯片中 Core_0 专用作计算 15 个 间 隔 的 遥 测、遥 信、装 置 运 行状 态 等 信 息，并 记 录 这 些 数 据 的 变 化。其 他 5个Core 则用来实现5 个 虚拟 测 控 单 元 的 过程 层通 信 及 测 控 逻 辑功 能。Core_0 计 算 的 遥 测、遥信 等 信 息 通 过 插 件 间 的 内 部 总 线 发 送 至 站 控 层插 件，由 站控 层 插 件 上 Core_0 负责处理这些信息 并 在 面板模件 上 进 行 显示。站控层插件 CPU 芯 片 中的 Core_0 负责 装置的界面显示和人机交 互 功 能，同 时 还 承 担 着实 体 测

21、控 运 行 状态 的 监 测任 务19。Core_0 根据FLASH 中存储的15 个 实体测控装置的界面 配置文件对15 个 间 隔 的信 息 进行 独 立 显 示，其 中 各间隔的 遥 测、遥 信、装 置 运 行 状 态 等 信 息 由 过程层插件的 Core_0 提供，所 有 虚 拟 间 隔 菜单 均实时 显 示 当 前 的 间 隔 运 行 状 态。而 其 它 5 个Core 则用来实现5 个 虚 拟测 控 单 元 的 站 控层 通信功能。在当前实际工程应用中，冗 余 测 控 装 置 中的 虚 拟 测 控 单 元 大 多 是 通 过 运 维 人 员 手 动 投 入运 行 的，这 种 操

22、作 方 式 大 大 降 低 了 冗 余 测 控 介入 的 实 时 性 和 准 确 性，因 此 下 文 将 阐 述 如 何 针对 现 场 出 现 故 障 或 检 修 的 实 体 装 置 实 时 自 动 加载 对 应 的 后 备 虚 拟 测 控 单 元，并 完 成 硬 件 资 源的分配工作。A网口B 网口过程 层A 网交 换机FPGA共 享 内 存 区过程层插件站控层插件监控后台间隔1间隔2间隔3.间隔16过程 层B 网交 换机Core_0映射n个间隔测控功能处理CPUCore_0CPU映射n 个间隔HMI 数据处理MMS*n事件、状态.界面设置计算16 个间隔遥测、遥信遥测、遥信显示间隔资源配置

23、文件间隔资源配置文件FTP功能配置文件16功能配置文件1功能配置文件2.功能配置文件3FLASH61850 配置文件1661850 配置文件161850 配置文件2.61850 配置文件3FLASH显示模件液晶&按键内部通信Core_1 Core_2.Core_nCore_1 Core_2.Core_n图 3 冗 余 测 控 软 硬 件 设 计 架 构 Fig.3 Hardware and software architecture of backup measure-control device 3.4 动态加载原则 2020-4-当实体测控装置 检修或 故障 时，站控层插件的CPU Cor

24、e_0 检测到实 体 测 控 退 出 运行 后将 对 需加载 的 虚拟 测 控 单元 自 动 分配CPU 资源，并生成 间 隔 资源 配 置文 件。假 设 编号为1、3、4、5、8 这 5 个 实 体 测控 退 出 运 行，冗余 测控 装 置 则 需 要 加载 这些实体 测 控 的 配 置 和程 序来 虚 拟 相 应 的 测控 功 能。站控层插件中CPU Core_0 负 责 给 需 要加 载 的 5 个虚拟间隔分配CPU 资源，首次使用时 按照 虚 拟 测 控 间 隔编 号递 增 的 方 式 依 次分 配 CPU Core。本 例 中 的对 应关系则为 虚 拟 间隔1、3、4、5、8 对应C

25、PU Core_1、Core_2、Core_3、Core_4、Core_5，在自动规划 完成后生成 所需 的 间 隔资 源 配 置 文 件。该文件 只 需 存 储 简 单的 映 射 关系 即 可，如“Bay_x-Core_n”，表 明 实体 间 隔 x 的功能在Core_n 中去虚拟实现。上述 文 件 内 容 则 为“Bay1-Core_1，Bay3-Core_2，Bay4-Core_3，Bay5-Core_4，Bay8-Core_5”。站 控 层 插 件 生成该 文 件 后 会 覆 盖旧 的 间 隔资 源 配 置 文 件，同 时也 将 该 文 件 发 送至 过 程 层插 件 的 Core_0

26、 去覆盖旧的 间 隔 资 源配 置 文 件。当 其 中 一 个 实体 测控恢复正常时，站 控 层 插件 的 CPU Core_0 检测 到实体测控 恢复，则 剔除 列 表 中 相 应 的映 射关 系。假 设 实 体间 隔 4 恢复，则新的映射 关系为“Bay1-Core_1，Bay3-Core_2，Null-Core_3，Bay5-Core_4，Bay8-Core_5”，仅仅将Core_3运 行 的 虚 拟 测 控单 元 任 务退 出，其 它 Core 保持现 有 运 行 状 态。当 再 有 新的 实 体 间 隔 退 出运 行时，首 先 扫描 当 前 空 闲 Core,利用空闲Core 加载

27、新 的 虚 拟 测 控单 元。过 程 层 插 件 和 站控 层 插 件中 除 Core_0 以外的所有Core_n，定 期 检查 上 述 间 隔 资 源配 置文 件 的 状 态，一旦 发 现 文件 被 更 新 则 认 为间 隔部署发生了改变 则 解 析 该配 置 文 件，实 现 虚拟测控单元 在 对应Core_n 中 的 重新加载。开始间隔 资源配 置文件 更新将间隔资源配置文件发送至CPU 插件解析间隔 资源 配置文件本Core 对应 的间隔 是否变 化中止当前IEC61850 任务导入新IEC61850 配置文件启动IEC61850 服务任务是是 图 4 站 控 层 插 件 自 动 加 载

28、 流 程 Fig.4 The automatic loading process of station control module 如图4 流程图所示，站控 层插件上的Core_n 在解析新的间 隔 资源 配 置 后 获 取 当前 被分配到本 Core 上 的 间 隔 号，如 果 与 现有 间 隔 号相 同，则 不 作 处理；如 果不 同 则 首 先 退 出当 前加 载 的 虚 拟 测 控单 元，重 新加 载 新 间 隔 的61850配置文件，实 现虚 拟 测 控单 元 的 站 控 层 通信 任务，相关61850 配 置 文 件存 储 在 站 控 层 插件 上的 FLASH 中，如 图 2

29、所 示。如 果 本 Core 未 作 配置，则 退 出 当 前加 载 的 虚拟 测 控 单 元 任 务。开始收到HMI 间 隔 资 源 配 置 文 件 更 新解析间隔资源配置文件本Core 对应 的间隔 是否变 化中止当前间隔功能任务导入新间隔的功能配置文件启动间隔测控功能任务是 图 5 过 程 层 插 件 自 动 加 载 方 式 Fig.5 The automatic loading method of the process layer control module 如上图5 流 程 图 所 示，在站 控 层 插 件 下 发间隔资源配置 文件 到 过 程层 插 件 后，过 程层 插件 上的

30、 各 Core_n 通过解 析新 的 间 隔 资 源 配置文件，整 体 流 程与 上 述 站控 层 插 件 相 同。但 过程层插件Core_n 加载的 是图2 中所示的功 能配 2020-5-置文件，实 现 的虚 拟 测 控单 元 的 过 程 层 数据 收发 及 逻 辑 处 理 任务。4.总结 本文提出的一 种冗 余 测 控装 置 虚 拟 间 隔 动态 加 载 和 释 放 的方 法，可通 过 实 时 监 测 实体 测控 的 运 行 状 态 自动 规 划 虚拟 测 控 单 元 的 CPU 资源 部 署，并 通 过任 务 的 卸载、新 配 置 载 入、重启相关任务 的 方式 实 现 冗余 测 控

31、装置中 各虚 拟测控单元 功 能 的动 态 释 放 和重载。本技术 无需使用过多的CPU 核或功能 插 件，降 低 了 冗余 测控 的 硬 件 成 本，减 少 了 插件 数 量，使 得 冗余 测控 装 置 的 运 维 更加 高 效 智能。参 考 文 献 1.Q/GDW679-2011 智 能 变 电 站 一 体 化 监 控 系 统 建 设 技 术 规范S 北京:国家 电 网 公司，2012 2.李峰,易 永 辉,陶 永 健,等.智 能 变 电 站 测 控 技 术 方 案 研究J.电测 与 仪 表,2013(7):118-122.3.邵 茜 楠.智 能 变 电 站 的 应 用 现 状 及 前 景

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