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變電站自動化監控主站的系統資源平衡
更新時間︰2019-08-07 發布︰亚博|商务网

摘要 為保證變電站自動化系統監控主站的靠得住性,文章提出以其最重要的資本——中央處置器的負載水平作為衡量其靠得住性的指標之一,並在對其使命進行具體分析的根蒂根基上,估算出變電站正常運行時監控主站的資本平衡水平。最後,針對采用WindowsNT所提供的基于線程的多使命機制實現的監控主站,依據資本平衡的原則對其進行了實驗室測試,並對所發現的不足作了改良。
關頭詞 
變電站自動化 監控主站 資本平衡

BALANCEOFSYSTEMRESOURCESOFHOSTFORMONITORINGANDCONTROLLINGINSUBSTATIONAUTOMATION

WangHaiyou  HeRenmu
Dept.ofE.E.,NorthChinaElectricPowerUniversity(Beijing)
Beijing,100085China

ABSTRACT Inordertoensurethereliabilityofthehostformonitoringandcontrollinginasubstationautomationsystem,itisproposedthatthecentralprocessorsprocesstime,i.e.,thehostsmostimportantresource,canbeusedasastandardofmeasuringthehostsreliability.Thetasksofthehostareanalysedindetailsothattheresourcebalancelevelisestimatedduringthenormaloperationofthesubstation.Finally,thehost,whichappliesthemultithread-basedmechanismprovidedbyWindowsNT,istestedinthelaboratoryaccordingtotheprincipleofresourcebalanceanditsshortagesareimproved.
KEYWORDS Substationautomation Hostformonitoringandcontrolling Resourcebalance


1 引言
 
 在變電站自動化系統中,監控主站充任站內的庇護、丈量、控制及通訊裝配與變電站運行人員之間的接口,它能準確實時地轉換與傳輸變電站的運行狀態信息和運行人員的控制飭令是整個系統正常運轉的條件,地位十分重要。是以,靠得住性是監控主站的重要指標。衡量一個系統的靠得住性的最經常使用尺度是該系統的平均失效期待時間(meantimetofailure)和平均失效距離時間(meantimebetweenfailures)等。但這些指標的獲取均依賴于方針系統的長時間運行,使用起來不太利便。而且,這些指標也不能周全描寫監控主站這類實時性要求很高、資本需求較為密集的運用。
  今朝,一般采用PC機、基于Windows95或NT來實現監控主站。這樣,PC機及其操作系統的資本佔用水平就會對監控主站的靠得住性發生很年夜的影響。是以,可以采用在監控主站正常運行時所佔用的系統資本的數目,即監控主站的資本平衡水平,作為衡量監控主站靠得住性的一個指標。這里所說的系統資本主要是指監控主站運行所需要的CPU(中央處置器)的時間及佔用的內存等。其中,CPU時間是最關頭的資本,是以,本文將其作為衡量監控主站資本平衡水平的最重要指標。
  肯定監控主站的資本平衡水日常平凡,一般要斟酌以下三個問題︰第一,斟酌到包括操作系統在內的整個監控主站的穩定性,監控主站不允許持久滿負荷運行。換句話說,監控主站正常運行時,必需保有一定額度的備用資本。憑據以往的運行經驗,在變電站正常運行時,這個額度不應低于50;變電站發生故障時,不應低于20。第二,監控主站要能對變電站的各類運行狀態應付自如,不僅能夠在變電站正常運行時,靠得住、實時地完成站內各裝配與運行人員之間的信息轉換和傳輸,更重要的是,能夠在變電站發生故障時,將故障信息靠得住、實時地反映給運行人員和執行運行人員的控制飭令。在變電站正常運行時,站內各裝配按時上送遠測、遠信等報文,數目較少,處置進程也比力簡單,監控主站的負載不高;但當變電站發生故障時,有可能會引發多個庇護與丈量裝配同時上送報文,這些故障報文的處置進程遠較遠測及遠信報文復雜,從而使監控主站的負載比變電站正常運行時增加很多。這類較年夜的負載差距就要求在變電站正常運行時,所佔用的系統資本不能太多,必需保有一定的備用供監控主站應付變電站內的故障。而且,即使在變電站發生故障時,監控主站也不能佔用全數CPU資本,需要保有一定的穩定裕度。第三,監控主站還要為操作系統的經管使命留有一定的備用。由于Windows95和NT的日常經管使命,如日志記實等,需要佔用一些系統資本,出格是NT,其平安性較高,但經管使命也較多,需要佔用的系統資本也多。
  以往的變電站自動化系統,其監控主站年夜多采用問答式規約、經由過程RS-232串口與站內裝配通訊。由于串行通訊速度較慢,所以監控主站的負載較低,資本平衡對靠得住性的影響還不顯著。隨著用戶對自動化系統的性能提出日益嚴酷的要求,使得變電站的站內通訊量日益增年夜,出格是在變電站發生故障時,有可能會引發多個庇護與丈量裝配同時上送報文,可以使通訊量到達14 000B/s以上。這樣,速度較慢的串行通訊就遠不能順應這麼年夜的通訊需求,就需要采用多使命的並行處置方式來完成數據處置。由于監控主站的多個使命爭用系統的資本很容易造成資本的嚴重,必需注重監控主站各個使命之間的資本平衡,才能保證系統的靠得住性。出格是對于電壓品級較高、規模較年夜的變電站更是如斯。
  本文首先具體分析變電站自動化系統的監控主站的使命,估算出監控主站在變電站正常運行時的資本平衡水平;隨後,針對采用WindowsNT所提供的基于線程的多使命機制所實現的監控主站,憑據資本平衡的原則對其進行實驗室測試,並對不足的地方作出了改良。

2 變電站自動化系統概述
 
 在散布式變電站自動化系統中,采用美國ECHELON公司的LonWorks作為站內通訊網,把站內的庇護、丈量、控制及通訊裝配與監控主站聯接起來。監控主站與裝配經由過程站內通訊網交換信息〔1〕。其結構如圖1所示。


圖1 變電站自動化系統結構示意圖
Fig.1 Skeletondiagramofsubstationautomation

  今朝,LonWorks通訊網和站內的各類裝配已普遍運用于現場,其靠得住性已獲得證實。這樣,監控主站的靠得住性就成為首當其沖的問題。
  在散布式變電站自動化系統中,監控主站主要完成兩項使命︰其一是接收並詮釋站內庇護、丈量等裝配發送的上行報文,並將成效經由過程友好、直觀的人機界面反映給變電站的運行人員;其二是接收並詮釋運行人員經由過程人機界面下達的控制飭令,隨後經由過程LonWorks將其下傳至庇護及控制裝配。
  由于在變電站正常運行時,一次裝備的運行狀態變化不年夜,站內的庇護及丈量等裝配按時上送遠測與遠信報文。這些報文的處置進程比力簡單,而且拋棄一些報文其實不會丟失變電站運行狀態的變化,是以,在變電站正常運行時,監控主站的工作負載較小,實時性的要求也相對較低,對資本的需求就比力有限。可是,當變電站發生故障時,有可能會引發多個裝配一起上送報文,使得網上的通訊量年夜增,而且年夜部門故障報文,諸如庇護動作報文、庇護告警報文、SOE報文,其處置進程比力復雜,而且,這些報文相對遠測及遠信報文有較高的優先級,必需迅速、準確地將故障信息通知運行人員,這就使得監控主站的工作負載較變電站正常運行時年夜年夜加重,對實時性的要求也更高,所以對資本的需求水平年夜年夜提高了。
  為保證監控主站的實時性,本文彩用支持爭先式多使命的WindowsNTWorkstation作為操作系統,哄騙NT提供的基于線程的多使命機制以並行方式實現接收報文和處置報文,以確保報文不會丟失。是以,可以把監控主站的使命分化為若干個元使命,每一個元使命由一個線程來完成。

3 WindowsNT的資本監視機制〔2,3〕
  
今朝,PC機年夜多采用Intel公司的Pentium及其以上的處置器。這些處置器均提供了多重運行模式,並給運行于這些模式的運用法式分歧級此外特許權會見硬件。WindowsNT采用了其中的兩個模式︰特許模式(內核模式)和非特許模式(用戶模式)。運行在特許模式的運用法式可以直接會見硬件和系統中軟件資本。WindowsNT憑據靠得住性和性能來肯定具體的運用法式運行于何種模式。
  在WindowsNT中,Win32子系統負責所有的用戶輸進和輸出,在焦點(特權)模式運行,對整個系統的性能有重要影響。另外,由于WindowsNT是支持爭先式多使命調劑的操作系統,是以當系統中存在有多個使命時,NT會憑據使命的優先級和輪轉式時間片分配來調劑各個使命,其成效是使所有使命都有機遇被執行,不會有任何一個使命長時間獨有CPU,而褫奪其他使命的運行機遇。
  在WindowsNT所提供的經管工具集中,有一個工簽字叫“性能監視器”(performancemonitor),是用來監測當地計較機或網絡上其它計較機性能的圖形工具。在每台計較機上,可以借助性能監視器查看分歧對象,如處置器、內存、高速緩存、線程和進程的勾當。這些對象都有一套相互關連的計數器組,提供關于裝備用法、隊列長度和延遲的信息,和用于丈量吞吐量及內部擁塞的信息。
  在變電站自動化系統的監控主站中,主要監視對象為中央處置器的處置器時間,它是以處置器運行非余暇線程所履歷時間的百分比來暗示的,其值可以被視為用于處置有用工作的時間比。每個處置器在余暇時將會指定一個余暇線程(systemidleprocess)來消耗未被任何其他線程使用的處置器時間片。
  對于采用WindowsNT的多進程或多線程方式實現的多使命運用法式,由于各個進程或線程之間也需要爭用CPU,是以就會使系統的資本狀態更趨嚴重。對于基于多線程機制實現的監控主站,還需要監視野程(thread)的處置器時間,其值暗示該線程使用處置器來運行飭令所花費時間的百分比。監視這個對象可以知道在系統中存在多個線程的情況下,各個線程所佔用的處置器資本。

4 影響監控主站資本平衡的身分
  
在變電站自動化系統中,監控主站的工作負載主要包括以下四部門︰ヾ上、下行報文的傳輸;ゝ報文中所包括的數據的花式轉換,例如遠丈量在報文中以二進制編碼暗示,送到人機界面時則需要將其轉換為實數;ゞ報文處置所觸及的畫面刷新,如庇護動作報文的處置就需要立即彈出年夜幅而且能干的消息框,將消息通知給運行人員,遠信報文的處置也需要改變斷路器、隔脫離關的圖形顯示。前者的畫面刷新幅度較年夜,後者則較小;々某些重要信息的打印,諸如庇護動作信息、SOE報文、遠信變位等。
  對監控主站所做的測試講明,前兩個使命佔用的資本較少,而後兩個使命則要佔用較多的CPU時間片。是以,本文進一步對打印服務與畫面刷新幅度對系統性能的影響進行了比力測試。測試所用的機械設置裝備擺設為PentiumII266 MHz、64 M內存。測試成效如表1和表2所示。

表1 打印使命對監控主站的CPU負載水平的影響
Tab.1 CPUloadofthehostaffectedbyprinttasks序號無打印使命時的有打印使命時的打 印 CPU負載水平CPU負載水平效 果1070滿意23078滿意35395滿意47396滿意58898一般6100100不滿意注︰1. 測試所采用的打印機為EPSONLQ1600K,打印效果是以監控主站上只有打印使命時的效果為基準,經過比力得出的;
  2. 監控主站上只有打印使命時的CPU哄騙率在三種設置裝備擺設的PC機上進行了測試,其成效均在70左右。這三種設置裝備擺設劃分是(1)Pentium133 MHz,48 M內存;(2)Pentium166 MHz,56 M內存;(3)PentiumII266 MHz,64 M內存。

表2 畫面刷新幅度對監控主站的CPU負載水平的影響
Tab.2 CPUloadofthehostaffectedbydisplayrefreshing報文速度畫面刷新幅度(B/s)0481621 0003037537311 17015202456注︰ 畫面刷新幅度以一個顯示面積約為2 cm2的橢圓為基準,‘0’暗示沒有畫面刷新,‘4’暗示有4個這樣的橢圓需要刷新,‘8’和‘16’依此類推。
  從表1和表2中的數據可以得出以下結論︰
  (1)消息打印對系統資本的需求較年夜,出格是當監控主站收到報文的速度較快時,打印服務將使CPU的負載水平到達穩定裕度的邊緣;
  (2)畫面刷新對資本的需求與刷新幅度有關,需要刷新的畫面的面積越年夜,佔用的CPU資本就越多。

5 監控主站的資本平衡水平
  在變電站發生故障時,一方面,裝配上送的報文的數目要比正常運行時多得多,另外一方面,故障報文的處置進程也比遠測報文復雜得多,而且還需要用針式打印機將故障信息打印出來。在年夜部門時間內,變電站都運行于正常狀態。是以,需要肯定在變電站正常運行時,允許監控主站佔用的CPU時間。這要依據下面三個原則︰
  (1)在變電站發生故障時,監控主站所收到的上行報文的數目是變電站正常運行時的2倍以上,而且,對于故障報文的處置也比遠測、遠信等報文的處置復雜,所以可以估算監控主站在變電站發生故障時的工作負載是其正常運行時的3倍;
  (2)監控主站需要將故障信息打印出來;
  (3)斟酌到操作系統的穩定性和系統經管的需要,監控主站必需保有一定裕度,而不能持久滿負荷運行。
  從表1可以看出,在獲得比力滿意的打印效果,而且保有一定的穩定裕度的情況下,監控主站的CPU負載水平最年夜不能跨越75 。也就是說,在變電站發生故障時,監控主站處置上行報文所佔用的CPU資本不能跨越75 。是以,在變電站正常運行時,監控主站的CPU負載水平應為25 左右,不能跨越30 。

6 基于多線程的監控主站的資本平衡
  在通訊量不竭增加的情況下,為了知足系統實時性的要求,本文彩用多個線程實現報文的傳送和處置。這就需要同步與序列化多個線程的行為,以免發生會見沖突,從而極年夜地增加了法式的復雜性,使潛在問題年夜為增加。所以,本文除對監控主站進行代碼檢查、功能測試等常規測試外,還憑據資本平衡的原則對其進行了測試,以保證靠得住性。
  首先,監控主站建立兩個線程,劃分負責接收報文和處置報文。這兩個線程經由過程同享緩沖區交換數據。為避免對該緩沖區的會見沖突,設置了一把“鎖”和與之相對應的“鑰匙”。只有取得“鑰匙”的線程才能讀寫緩沖區。兩個線程對“鑰匙”有平等的會見權,先請求者先獲得,後來的只好期待。測試成效講明,監控主站雖然能夠知足實時性的要求,不會丟失報文,可是CPU的哄騙率到達了100,這類成效固然不能使人滿意。後來發現問題出在接收報文線程與詮釋報文線程的通訊方式上。測試講明,兩個線程經由過程同享緩沖區來通訊很是花費系統CPU資本,效果不理想。隨後,針對該問題,將這兩個線程的執行方式由對等改成主從,即接收報文線程收到報文後,再啟動詮釋報文線程,將報文交給它去向理。此時,這兩個線程並行執行。後者處置完這一批報文後,從系統退出。測試成效講明,在站內通訊網的通訊速度為11 170B/s時,這類方式的CPU哄騙率只有30。但可用內存隨著測試時間的延長而逐漸削減,其緣由是線程的建立和退出要花費少許內存資本,沒法回還給系統。最後,兩個線程改成經由過程系統公共隊列交換數據,將經管隊列、避免存取沖突的工作交給操作系統負責。測試成效講明,采用這類方式後,監控主站所佔用的CPU資本連結在低水平上,可用內存也連結穩定。
  由上可見,控制資本平衡水平在保證監控主站的靠得住性上起到了很關頭的作用。出格是對于多線程法式,其作用加倍較著。

7 結論
  對于變電站自動化系統來說,靠得住性是最重要的方針。采用監控主站的資本平衡作為其靠得住性控制指標,能夠確保包括操作系統、人機界面等在內的整個主站系統的靠得住性。出格是基于Windows多使命機制實現的監控主站,由于存在使命之間的通訊問題,資本平衡對于系統靠得住性的保證就顯得加倍重要。

作者簡介︰王海猷 男,1973年生,博士研究生,研究標的目的為變電站自動化。賀仁睦 女,1944年生,博士,教授,博士生導師,主要研究標的目的為負荷建模及電力系統的分析與控制。
作者單元︰華北電力年夜學(北京)電力工程系,100085北京清河

參考文獻
1 楊奇遜.變電站綜合自動化技術成長趨向.電力系統自動化,1995;(10)
2 SchildtH.WindowsNTprogramminghandbook.北京︰學苑出書社,1994
3 TaylorP著,李增平易近、王世本等譯.WindowsNT4經管員手冊.北京︰機械工業出書社,1997

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