故障录波联网多机在线切换方案设计与实现(共11页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上故障录波联网多机在线切换方案设计与实现 摘要：本文介绍了故障信息系统在我国电力系统的应用现状，结合实际应用分析了故障信息系统的总体架构，对系统中的多服务器在线管理角色及功能定义进行了阐述，提出了支持多服务器智能在线切换方案设计与实现方法。利用软件行业测试规范及国网主站验收规范对功能及性能进行了测试，测试结果表明本文技术方案完全符合标准要求。验证了该技术可行性，能够很好地满足电力系统客户对数据完整可靠，服务器软硬件灵活配置的要求，为电力系统多服务器冗余软件系统研究提供了一个新思路。 关键词：故障信息处理系统 多机在线切换 切换策略 中图分类号：TM938 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）03-0149-03 故障信息系统，是一套采集子站一二次设备信息的系统，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对电网复杂运行环境中各类设备状态的获取和特定对象行为的监视及智能控制1。通过故障信息系统采集终端实时采集电网内子站二次设备的运行信息，能及时监视设备运行状态，并对设备行为进行故障预测，也能根据系统各个子站采集的数据进行高级分析应用，系统对电网的安全运行提供事前监视、事后数据分析故障定位、隔离故障、快速恢复供电的作用。为电力系统管理部门决策提供依据。为电网的安全稳定运行提供保障。 本文介绍了故障信息系统在我国电力系统的应用现状，结合实际应用，分析了故障信息系统的总体架构，对系统中的多服务器在线管理角色及功能定义进行了阐述，提出了支持多服务器智能在线切换方案设计与实现方法。利用软件行业测试规范及国网主站验收规范对系统的功能及性能进行了测试。 1 系统设计 1.1 背景 在故障信息主站系统中，典型配置包括数据服务器、通信服务器、应用服务器。 （1）数据服务器：用于提供保存系统模型配置、历史数据入库及检索。 （2）通信服务器：用于接入各个子站端采集终端，把各个厂家或不同地区通信协议进行转换，统一为系统内部可识别格式的数据，并对系统内所有前后台运行模块提供通信支持。 （3）应用服务器：用于在接收到的基础数据上进行高级应用，以支持客户基于海量基础数据的高级分析。 故障信息主站系统典型结构如（图1）所示。 在此体系中，通信服务器作为主站系统与子站系统的通信枢纽，承担了极端情况下海量数据的传输任务，是决定整体系统性能的最重要部分。运行时同时作为内网与数据网的连接点，实现与各子站系统的远程信息交互，对其稳定性和安全性要求较高，因此通常要求在设计时进行冗余配置提高可靠性。无冗余配置的单机单网模式在实际运行中越来越少。对规模较大的系统一般推荐双重冗余组网方式2-4。目前已经实现了数据服务器的冗余配置及网络的冗余配置。数据服务器通过集群软件如HA及共享的磁盘阵列实现了双机互备。双网互备分为两块：内网的双网互备和数据网通道的双网互备。对于内网，目前几乎所有的主站都是双网配置，硬件上使用两台交换机组成独立的两个子网，各服务器与工作站使用独立的网卡接入各子网，软件上各客户端程序自动进行的网络通道的切换，完成与目标服务器的连接。对于数据网，软件上各类与子站通信的规约子程序已经实现了与子站的双通道的自动切换，硬件上则依赖于各地数据网的建设及通道的分配情况，目前大多数主站的数据网通道是单通道运行。 故障信息系统主站接入子站的规模越来越大，一般主站接入子站规模一般都在150个以上，逐渐达到最初设计接入规模最大限制，后期增加子站的接入，通讯服务器硬件及软件上承担负载压力也越来越大，原来的单机及简单双机热备的模式，慢慢表现出了其局限性，如操作系统方面对进程内存分配、线程分配的约束；硬件方面对内存及网络的限制等，通讯服务器可能成为系统中的薄弱环节，可能影响整个系统响应速度。在单机及双机热备的情况下全部负载（子站）都通入单一服务器接入，单机模式，当服务器崩溃，全部负载即失掉，而多（双）机互为热备形式下，备用机平时并不参与负载的接入，只有在运行服务崩溃后才会接管原来的负载，两者之间硬件使用率并不平衡。备用服务器平时备用时闲置，造成资源成本的浪费。 根据上述情况。有必要对上述情况提出新的多机双网方案。多机双网的目的在于通过冗余配置提高系统的可用性，使得系统发生故障时能够在短时间内恢复正常，避免长时间的服务中断，保证系统长期、可靠的服务。多机是指通过服务器（这里指通信服务器）的冗余配置，使用多台服务器，相互备份，共同执行同一服务。当一台服务器出现故障时，可以由其他服务器接管故障服务器提供服务，从而保证系统能够持续提供服务。双网是指通过网络通道的冗余配置，使用两个独立的子网，互为备份，使得系统中的设备在出现网络故障时能够有备用的通道进行互联。 1.2 目标 多机双网设计目标是在现有基础上，增加通信服务器的冗余配置，使得通信服务器达到在线热备负载分配的目标。系统具备分组运行的能力，组内的服务器冗余配置、相互热备，各前端客户可以运行于某个组、也可以同时运行于多个组，基于上述设计的系统结构图如（图2）所示。 不同的分组之间独立运行，各服务器只关心自己所属分组内的服务器的运行工况，切换逻辑只对组内生效。客户端可以跨组运行，接收所属各分组的服务器的心跳，并与各服务器通信。图3为单组运行时多通信服务器冗余配置的拓扑结构图。由于服务器的切换逻辑只在组内生效。 对于通信服务器的多机运行模式，考虑通过配置来实现兼容两种模式：主从模式（Active/Standby）和互备模式（Active/Active）。 主从模式（Active/Standby）：所有服务器均运行相同的服务，一台服务器在线运行（Active）时，其他服务器作为备用机处于待机状态（Standby），当Active服务器出现故障时，通过心跳的判断，Standby服务器自动激活（有多台Standby机器时根据预设规则处理），接管所有的服务。 互备模式（Active/Active）：所有服务器均运行不同的服务（对于通信服务器是指负责与不同的子站通信），所有的服务器均为在线状态（Active），当一台服务器出现故障时，其他服务器根据预设规则自动接管该服务器负责的子站的通信。 2 功能设计 本文设计涵盖电力系统各级别用户的使用要求，软硬件可以灵活配置。具有以下三种模式。 2.1 单机模式 服务器单机单独运行，此模式具有成本低，实施方便，维护简单的特点，在此模式下，并不需要进行服务器切换，但在线管理模块具备以下功能，以支持此模式可以随时扩展为其它两种模式。单机模式提供以下功能：（1）从数据库读取本服务器组对应的所有子站的配置；（2）通过回调函数通知在线状态及子站列表；（3）定时发送心跳报文。 2.2 Active/Standby模式 多服务器互备运行，只有一台服务器在线，其他机器处于热备状态，是现阶段实际运行中典型双机热备形式。但其切换逻辑并未考虑服务器自身状态，而是较简单切换处理，应用中不是非常灵活，在新方案将增加在切换时增加对各个服务器当前状态的判断以选择最优方式进行功换。Active/Standby模式提供以下功能：（1）从数据库读取本服务器组对应的所有子站的配置；（2）根据配置负载最优的机器切为在线状态，其他机器切为备用状态；（3）通过回调函数通知在线状态及子站列表；（4）监视其他服务器心跳，服务器心跳接收超时或服务器心跳中的运行状态为不可用都判为服务器故障；（5）当在线机出现故障时，其他备用机根据配置负载最优的机器切为在线状态，其他机器仍为备用状态；（6）定时发送心跳报文；（7）根据配置，监视服务器对应的网关，网关不通时，服务器被认为不可用，切为备用状态。 2.3 Active/Active模式 多服务器同时在线运行，根据预配置各自运行对应的子站，当有服务器故障时，其他服务器通过算法判断接管该服务器的子站，Active/Active模式提供以下功能：（1）从数据库读取本服务器对应的所有子站的配置；（2）通过回调函数通知在线状态（默认是在线状态）及子站列表；（3）监视其他服务器心跳，服务器心跳接受超时或服务器心跳中的运行状态为不可用都判为服务器故障；（4）当有机器出现故障时，判断该机器对应的子站是被哪台服务器接管，该服务器是否故障，如果故障的话，则由负载最优的服务器接管该服务器的子站；（5）本服务器若接管了其他服务器的子站，则要判断该服务器是否恢复，如已恢复则应该卸载该服务器的子站；（6）定时发送心跳报文；（7）根据配置，监视服务器对应的网关，网关不通时，服务器被认为不可用。 3 系统实现 根据方案设计要求，本文设计一套逻辑机制来实现各个服务器定时获取各个服务器上的相关状态，并依据各个服务器的情况，综合判断是否切换或接管负载。 3.1 心跳收发 （1）由于心跳报文需要向网络内的所有通信节点（包括各通信服务器和各客户端）发送，心跳报文的传输采用UDP广播的模式； （2）心跳报文的传输单独组网，各服务器、工作站使用专用网卡接专用交换机组成专用的心跳网络。出于成本考虑的需要，也可以使用现有的内网双网作为备选方案； （3）在使用内网的双网时，由于不是心跳专网，为避免受业务报文传输的影响，应充分利用双网的冗余环境，发送心跳时向双网广播，接收时应从双网上同时接收心跳报文，根据双网上收到的冗余心跳信息判定服务器的状态； （4）心跳的间隔默认定为20s，并可配置。 3.2 心跳内容 系统中需要的心跳报文有两类：一是服务器发出的心跳通知报文，用于向其他通信节点通知本服务器的工况状态；二是客户端发出的手动切换的通知用于向各服务器下发手动切换的请求心跳报文并提供以下信息：报文类型、源地址、服务器标识、分组号、服务器可用状态、在线状态（Active/Standby）、时标、负载评分、挂载的子站列表等信息。 3.3 故障判断 对于服务器故障的判断，考虑一定的时间间隔内无心跳判为故障或收到心跳但可用状态为“不可用”。平时应通过ping操作判断各服务器心跳地址的工况，对于心跳地址ping不通的服务器应视为状态未知，不考虑进行切换操作，避免服务器间因为网络不通导致互相收不到心跳后都进行切换重复加载子站的情况。为了提高可靠性，考虑将内网作为备用的心跳网络进行双重判断。 3.4 服务器端处理 服务器的处理两种模式下有所不同。 Active/Standby模式： （1）启动时根据配置进入Active或Standby状态，在线机加载所有子站，备用机不加载子站； （2）对外周期发送心跳报文通知自己的工况； （3）接收其他服务器的心跳，根据心跳报文内容更新内存中各服务器的工况信息； （4）根据切换规则进行切换操作，保持一台服务器在线； （5）当收到客户端的手动切换通知后，指定的在线机将状态设为Active并加载指定的子站，其它服务器将状态设为Standby，如果服务器加载了子站则卸载它们。 Active/Active模式： （1）启动时都作为在线机启动，根据配置加载默认需加载的子站； （2）对外周期发送心跳报文通知自己的工况； （3）接收其他服务器的心跳，根据心跳报文内容更新内存中各服务器的工况信息； （4）根据切换规则进行切换操作，保持在线的服务器可以覆盖所有的子站； （5）当收到客户端的手动切换通知后，指定的服务器加载指定的子站，其他服务器判断自己已加载的子站列表，如果子站被指定加载其他服务器的，则卸载该子站。 3.5 客户端处理 客户端接收各服务器的心跳报文，根据报文维护收到过心跳的服务器的工况状态，在连接服务端时，选择连接所有在线的服务器，这样客户端可以不管服务器的运行模式，在Active/Standby模式时同时只有一台服务器在线；在Active/Active模式时所有在线机可以覆盖所有子站。各服务器向客户端分别自动上送。在发送命令时指定命令的目标子站，然后根据心跳信息反应的子站分布情况将命令发给对应的服务器，由该服务器处理命令回复结果。 在客户端需要进行手工切换时，组织手工切换的请求，广播给所有的服务器，服务器再根据请求进行切换。 4 结语 本文结合实际分析了故障信息系统的总体结构，根据系统的特点设计实现多通信服务器在线切换方案，通过系统功能测试，验证了设计目标，该方案能够很好地适应故障信息系统海量数据接入，通讯服务器集群方式运行的特点，保证系统可靠稳定运行，为电力系统相关部门的运行维护提供保障。 参考文献 1王皓，谢红福，何鸣.220kV电网故障信息管理系统规约体系的应用研究J.电力系统保护与控制，2009 37（03）：41-45. 2华北电网公司.华北61850故障信息系统主子站工程实施规范S.2010. 3浙江电网公司.浙江61850故障信息系统主子站工程实施规范S.2010. 4国家电网公司.Q/GDW273-2009继电保护故障信息处理系统技术规范S.2009.专心-专注-专业