楊小凡，高志勇

(國電南京自動化股份有限公司，南京 211100)

0 引言

隨著電力系統智能變電站的大量建設，調度數據網雙平面改造不斷優化，電力系統主站調度對子站采集的“源數據”的要求越來越高，這要求新一代的遠動設備——智能網關機(以下簡稱網關機)必須具備越來越強的功能及越來越高的性能。網關機已經從傳統意義的遠動通信服務器發展為集遠動、保信、電能采集、精密測量單元(PMU)、在線監測、智能告警、遠程瀏覽等業務于一體的綜合通信服務器。目前各種文獻[1-3]對單個業務的單機上送方案有較多的討論，從實際應用來看，現場子站雙網關機也大多采用2臺網關機同時運行的方式(以下簡稱雙主獨立運行)。雙網關機獨立運行時各自遵守“直采直送”的原則，2臺網關機之間互相獨立，不進行任何數據交互，作為提供數據的一方，子站網關機是否上送數據由調度根據通信規約來決定，如當主子站間采用IEC 104[1，4-5]規約進行通信時，調度系統可通過規約中的“啟/停”幀來決定本邏輯鏈路是否允許上送實時信息到主站。此模式的優點是當網關機檢修、數據庫維護或系統升級時，可保證有1臺網關機完全獨立運行，使得子站和調度的通信不中斷，而此模式的缺點隨著電力信息全景化的推廣也逐漸顯露出來。本文對其缺點做具體的分析，對網關機的主備模式各種方案進行比較，推薦一種適應目前電力系統調度實際情況的雙機主備方案，并給出其簡要的實現策略。

1 雙主運行的缺點

在網關機雙主運行的方案中，雙機之間獨立采集間隔層的實時信息，各自將調度需要的信息轉發至調度主站，如圖1所示。調度前置機[6]可采用冷、熱備用方式運行，目前有些地區的調度主站前置機備用方式不以物理的前置機進行全部的主備部署，而是按運行在2臺前置機上的端口進行主備的部署，其優點在一些文獻[7-8]中已有提及。本文以調度的雙前置或雙端口中同一時刻只有1臺網關機在值班運行的情況為主要分析對象。

圖1 雙主運行示意圖

雙主運行最大的缺點是調度當前值班的前置機時，只能實時監視到與之通信的網關機的工作狀態，而不能監視到當前未與之通信的網關機的工作狀態，這對于要求安全、穩定運行的電力系統來說是極度危險的。配置雙網關機的原本目的是使子站與調度的通信更加穩定可靠，但當未與調度通信的網關機出現故障時，就無法及時通知調度，此時如果與調度正在通信的網關機也出現了故障，就出現了“雙主而不備”的情況，導致全站無法同調度正常通信，調度主站短期內將失去對此變電站的監視及控制功能，這對電力系統來說是絕對不允許的。

雙主運行的另一個缺點是當雙機之間進行切換時，調度監控會收到以前未值班通道緩存下來的信息，而這些信息有些是以前的通道已經上送給調度的，有些是還沒來得及上送給調度的。如果采用切換后全部上送緩存的方案，會導致調度監控收到一大部分歷史信息，嚴重干擾值班員的分析判斷；如果采用切換后全部清除緩存的方案，雖然不會上送重復信息，但也有可能漏掉切換過程中新產生的信息。雙主獨立運行時，2臺前置機同時收發數據，由調度監控系統來處理冗余信息，此種方案能做到信息“不漏不多”，但由于調度監控對每個信息點都需要比較一下是否冗余，將大大增加調度系統的負擔，因此這種方案在實際應用中采用的并不多。所以目前在雙主運行的方案中，并沒有十全十美的方案來解決在切換過程中產生的冗余信息。現場有些地區只保留未值班機器緩存的指定條目數或指定最近時間段的信息上送給調度，此方案在切換過程中能避免漏掉新產生的信息，相當于從時間或信息條目上設置了一個“閥門”，如果“閥值”設置得當可以保證避免大量的冗余信息上送給調度，但即使“閥值”再精確，也仍會有冗余的信息上送給調度主站，所以此方案不能從根本上滿足調度主站對子站上送信息“不漏不丟”的要求。

2 主備方案的分析

2.1 主備方案介紹

基于雙主方式運行的網關機運行模式已經不能滿足智能變電站對全景信息的需求。雙機之間必須采用主備運行模式的解決方案，雙機之間必須要有信息交互，交互的信息包括網關機自身的硬件狀態、軟件狀態、運行信息以及上送給調度主站的需要同步的“四遙”信息(遙測信息、遙信信息、遙控信息及遙調信息)。硬件狀態包含了網卡、串口等物理設備的情況，軟件狀態包含了內存使用、CPU負荷、硬盤使用的情況，運行信息包含了系統進程、應用規約進程的運行以及各通道同調度通信的通斷情況等。這些信息從屬于二次設備在線監測的內容，作為智能變電站的重要組成部分，需按IEC 61850標準進行嚴格的建模，將相關信息送給調度主站、監控后臺以及對側網關機。網關機之間通過某種手段進行通信，交互各自機器的二次設備信息，根據本機的工況和對側機的工況，綜合判斷由網關機的某一邏輯通道響應調度的信息請求。

本文以智能變電站中網關機的主備模式為例進行分析，某些只配置1臺網關機的運行模式則不在討論之列，故以下方案不涉及只有1臺網關機或只有1臺前置機的情況。

按照國家電網、南方電網相關規定，子站送往調度的信息必須遵守“直采直送”[9]的原則，互為主備的網關機相互獨立地采集間隔層的信息，對外通信的主子站進程之間互為備用，即“對上主備、對下獨立”。鑒于各個地區的主子站通信規約有所不同，以最具代表性也是絕大部分主子站均支持的IEC 104通信規約作為代表，說明“對上主備”的實現原理，其余規約可參照執行。主備示意圖如圖2所示。圖中每臺前置機分別同網關機1、網關機2建立邏輯通道，共有4個邏輯通道。4個邏輯通道互為備用，同一時刻只有1個邏輯通道處于運行狀態，其余通道按調度需求部署為熱備用狀態或冷備用狀態。

圖2 “對上主備，對下獨立”示意圖

2.2 主備邏輯通道的狀態及其對應的行為

邏輯通道的狀態分為運行、熱備用及冷備用3種。當邏輯通道狀態為運行時，所有的信息從本通道上送，本通道對應的緩存信息不需要清理，需要在收到主站的確認信號(IEC 104規約中提出可通過S幀來確認信息的序列號)后將已確認的信息發送給本通道的備用通道；當邏輯通道狀態為熱備用時，本通道只進行鏈路的維護(IEC 104規約中傳輸控制協議TCP連接情況下只進行測試幀的收發)，不給調度主站發送任何應用層的數據，接收運行通道被調度主站確認的信息，同本通道的緩存信息進行比較，如有相同的信息，則清除本通道中對應的緩存；當邏輯通道為冷備用狀態時，除了不建立鏈路鏈接外，其余行為同熱備用狀態。3種通道狀態的行為比較見表1。表1中：建立鏈路(主子站間)即調度同子站僅完成鏈路狀態的監視；收發應用數據(主子站間)即接收調度下發的命令，上送全數據及變化數據給調度；發送已確認信息(到備通道)即將調度確認過的信息同步到備用通道緩存中；接收已確認信息(從主通道)即備通道從主通道接收調度已確認的信息，并存入本通道的緩存中；比較已確認信息即備通道將應用緩存的信息同已確認的信息進行比較，如發現已被確認則從應用緩存中刪除。

表1 幾種通道狀態的行為比較

2.3 主備通道的信息同步機制

為了實現邏輯通道之間的主備功能，各邏輯通道的進程至少需要3個緩存空間，1個用來維護從間隔層接收的準備上送給調度的信息緩存，1個用來維護已經上送給調度的信息緩存，1個用來維護被調度確認的信息緩存。3個緩存之間的聯系如圖3所示。圖中只畫了雙通道互為備用的示意圖，實際應用中可以根據調度的前置機數量，靈活地冗余配置邏輯通道的個數，配置原則就是N個邏輯通道中，保證只有1個通道處于運行態，N-1個通道處于備用狀態。

圖3 主備通道的信息同步機制

從圖3可以看出，主通道從“上送調度信息緩存”中獲取信息上送給調度，同時將發送出去的信息保存到“已發送調度信息緩存”。主通道接收到調度的確認信息后，如確認到SOE3，將SOE3及之前的信息從“已發送調度信息緩存”中取出，同步到各備用邏輯通道，取出的信息見圖中“已發送調度信息緩存”部分。備用邏輯通道不主動發送信息給調度，平常接收來自主通道的被調度確認的信息存入“備用通道已確認緩存”，將此緩存中的信息同備用通道的“上送調度信息緩存”進行比較，如有相同的信息，則從備用通道的“上送調度信息緩存”中清除。此時如果運行通道發生故障，備用通道升為主通道，由于之前調度確認的信息已經被清除，故新運行的通道從SOE4開始發送。這樣網關機就能將子站的信息“不漏不丟”地送給調度。

圖3中雖然原主通道將信息發送至SOE5，但由于調度只確認到了SOE3，故同步時只同步到SOE3，這樣做是為了確保調度不會漏掉任何信息。但還有一種意外情況，即雖然調度確認到了SOE3，但也有可能已經收到了SOE4，SOE5發送的信息，只是沒來得及確認，這種情況下，調度監控就有可能收到2次SOE4和SOE5。從理論上講，單靠子站和主站之間的信息確認機制無法徹底解決冗余的問題，所以建議主站的前置機之間最好也能做類似于子站邏輯通道之間的主備工作，主、子站配合起來，將大大提高信息傳輸的可靠性和準確性。

上述邏輯通道不僅可分布于不同的網關機上，還可分布于同一網關機上，這將提高整個邏輯鏈路的冗余度。這要求在設計進程間同步時，考慮分布式的部署，同步模塊既能完成進程間通信(IPC)功能，也能完成遠程過程調用協議(RPC)功能。

3 結束語

本文分析了智能變電站中網關機雙主運行的缺點，建議采用“對下獨立，對上主備”的網關機主備運行方案，給出一種所有邏輯通道N+1的冗余方式，并就此方式分析了主備方案中主備狀態機對應的各種運行行為，最后給出了主備邏輯通道的實現機制，同時建議調度前置機間也采取一定的同步機制，通過主子站間的配合，真正實現主子站間信息傳遞的“不漏不多”，推進智能變電站主子站間通信的規范化，提高主子站間通信的可靠性及準確性。

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