一种基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机系统与设计方法

摘要

一种基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机系统及设计方法，首先设置多CPU节点，确定CPU节点插件模块个数并依次插入背板槽位，其中每个CPU节点插件用以独立完成远动机的其中任意一个应用业务，其次创建以太网与串口通讯的动态前置组，接着分配主、备管理节点并分配数据指纹作为内部识别序号，然后下载配置文件至远动机存储器，之后由CPU节点创建本节点IP地址并写入操作系统，最后远程机程序运行工作，各节点插件运行节点管理程序。本发明的系统及方法对多态应用业务进行分解，也对单个业务的站内采集通信和远端传输通信进行分解，实现松散耦合的部署方式，冗余运行，以提升远动机的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统调度自动化技术领域，涉及一种基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机系统与设计方法。

背景技术

远动机设备作为电力系统调度自动化领域的关键设备，其核心作用是为了实现调度主站对变电站的二次设备采集数据的监测，以及控制和调节命令的下发。相对于站内监控系统在就地实现的类似功能，远动机是供远程监控使用，故称远动。随着电力系统自动化技术的发展，变电站从有人值守逐步转变为无人值守，远动机作为远程监测和控制的门户设备，又增加了告警直传和远程浏览两项业务。同时，可以实现与电力系统其他业务主站通信的设备还有故障信息子站，PMU数据集中器，电量计量单元，网络安全监测装置，电能质量监测装置，辅控网关机等。近年随着网络攻击导致电网故障的案例时有发生，电力系统信息安全建设加强，多个设备出站导致可供入侵的危险点增多，技术趋势上要求整合所有出站的远程应用业务到远动机，统一对该设备实施信息安全策略。

在这种背景下，远动机承担的业务包括远动业务、告警直传业务、图形浏览业务、电量计量业务、电能质量监测业务、保护故障信息子站业务、安全稳定控制信息传输业务、同步相量数据信息传输业务、网络安全信息采集业务、辅控设备信息采集与控制业务。这些业务关注的数据形态各异，业务优先级也有差别，被称为多态业务。这种形式下，以传统的工控机模式进行多态业务的承载，并按照规范要求保留CPU负荷率和内存使用率的裕度，大幅度提升了对硬件资源的要求。而硬件故障将会导致所有业务失去，单个业务进行调试修改时该硬件上其他运行业务也受影响，远动机的运维风险增大了。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种分布式的远动机硬件设计方法以及配套的多态业务松散耦合部署方法。该方法在硬件上有别于传统的单CPU工控机，设计了多CPU节点组的模式，在软件设计上，为适应分布式硬件结构，对多态应用业务进行分解，也对单个业务的站内采集通信和远端传输通信进行分解，实现松散耦合的部署方式，冗余运行，以提升远动机的可靠性。

本发明采用以下技术方案：

一种基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机，包括机箱、电源模块、背板模块、多组CPU节点插件；其特征在于：

所述电源、背板模块及多组CPU节点插件均设置在机箱中；

每一CPU节点插件用于独立完成远动机的其中任意一个应用业务；

所述背板模块为具备多个固定插件槽位的背板，多组CPU插件插入背板模块的对应固定插件槽位形成多组CPU节点；

各个CPU节点通过背板实现应用业务功能；

所述电源模块为各CPU节点提供所需电能。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述CPU节点插件通过插针结构连接到固定插件槽位，每个槽位有5个插针组合为槽位识别码，槽位识别码按照槽位顺序号自然累加，互不相同；

各个插件通过C类IP地址在内网进行唯一性识别，C类地址的前三个字节固定，最后一个字节由槽位识别码确定，当CPU插件固定在

一个固定插件槽位后即实现了内部IP地址的自动锁定。

所述CPU节点分为主管理节点与备管理节点，当一台远动机中仅部署一个CPU节点时，该节点默认为管理节点；当一台远动机中部署CPU节点超过一个时，选择其中一个运行业务消耗资源最低的CPU节点作为默认主管理节点，选择运行业务消耗资源次低的一个CPU节点作为默认备管理节点；

当主管理节点故障时，备管理节点接替全部节点的管理工作，并挑选其余存活节点中的一个作为备用节点；只有当主备管理节点均故障时，远动机才停止工作。

本发明还公开了一种基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机设计方法，其特征在于，所述分布式远动机设计方法包括以下步骤：

步骤1：设置多CPU节点，确定CPU节点插件模块个数并依次插入背板槽位，其中每个CPU节点插件用以独立完成远动机的其中任意一个应用业务；

步骤2：创建以太网与串口通讯的动态前置组；

步骤3：分配主、备管理节点；

步骤4：分配数据指纹作为内部识别序号；

步骤5:下载配置文件至远动机存储器；

步骤6：CPU节点创建本节点IP地址并写入操作系统；

步骤7：各节点插件运行节点管理程序。

所述步骤1中，针对以太网转发业务时，分配的CPU节点插件个数与分配的IP地址个数相同；

针对站内以太网通信设备接入业务时，如果单套设备冗余运行，按照该设备可提供的虚拟通信接口的数目分配CPU节点插件；如果两套以上设备冗余运行，分配的CPU节点插件个数与冗余设备的个数相同；

当以串口方式进行站内数据采集业务或者出站转发业务时，每个CPU节点插件提供一个同名串口，所需CPU节点插件个数与业务可提供的串口个数相同；

所述插件通过C类IP地址在内网进行唯一性识别，C类地址的前三个字节固定，最后一个字节由槽位识别码确定，当CPU插件固定在一个固定插件槽位后即实现了内部IP地址的自动锁定。

所述步骤2中，对于每个独立的出站应用业务创建一个动态前置组；对于每类通信协议相同的设备，创建一个动态前置组；

对于以太网通信的动态前置组，动态前置组所包含的通道数目由虚拟远端通信接口的数目确定；对于串口通信的动态前置组，动态前置组所包含的通道数目由消耗的远动机同名串口数目确定。

所述步骤3中，如果只使用了一个CPU节点，则该节点默认为主管理节点；如果使用了超过一个CPU节点，则选择一个运行业务消耗资源最低的CPU节点作为默认主管理节点，选择一个运行业务消耗资源次低的CPU节点作为默认备管理节点。

管理节点在运行应用业务的同时，具备管理多CPU节点组中其他节点的权力；

备管理节点仅运行应用业务，而不对多CPU节点插件组负责节点管理；

多节点管理模块在所有CPU节点插件中均部署并运行；

当主管理节点故障时，备管理节点接替全部节点的管理工作，并挑选其余存活节点中的一个作为备用节点；

只有当主备管理节点均故障时，远动机才停止工作。

所述步骤4中的数据指纹，是指一种以64位的整形ID不可逆的方式分配各个数据元素的检索识别符，而不是基于数据在业务通信规约中规定的唯一性识别符；

利用hash算法快速检索数据指纹，实现业务在多节点迁移时，使用到的数据指纹对数据库的映射关系不变；

所述数据库为实时数据库，完成各个节点之间的数据共享，其管理的数据形态覆盖多态业务的需求，包括各种数值和文件。

所述步骤7中各个插件根据锁定的内部IP地址，获取本节点分配的业务和通道对应的配置文件，启动应用程序开始工作，各插件均运行节点管理程序；被配置为主管理节点的CPU节点插件上，节点管理程序激活并获取节点群的管理控制权；被配置为备管理节点的CPU节点插件上，节点管理程序激活但只监视各个节点的运行状态；其余非管理节点的节点管理程序伺服等待被激活的指令。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1、降低远动机硬件成本。变电站各种出站业务向远动机设备整合的趋势下，以传统单CPU工控机作为远动机硬件的技术条件下，必须通过提升CPU计算性能及内存容量的方式，按照最大业务可能性考虑选取高主频CPU芯片和大容量内存作为硬件资源，功耗较高。远动机技术规范为保证设备的长期稳定运行，明确规定不能使用机械风扇散热，设计专门的散热技术也会带来的成本提升。而分布式设计技术仅需按照1～2个业务对资源的需求设计硬件，可以使用主频较低的嵌入式级别CPU芯片，以及较低容量的内存芯片完成插件的设计。嵌入式芯片成本低，且功耗较低，散热成本小，硬件制造成本降低。从应用上考虑，传统单CPU工控机必须按照最大业务考虑提供硬件资源，而分布式远动机可以根据不同变电站规模需要的出站业务数目不同，灵活配置插件数目，也可以降低远动机的硬件供货成本。

2、提升远动机工作可靠性。基于传统单CPU工控机硬件技术的远动机，业务需要集中部署，在CPU芯片或内存核心器件故障，或者出现软件运行致命错误导致死机，所有业务会同时失去。而分布式远动机设计技术，类似故障被物理的隔离在一个插件上，其他插件的业务仍可以正常运行，从而提升了业务整体的运行可靠性。

3、降低用户运维成本，提升运维效率。客户在进行备品备件储备时，分布式远动机支持单插件储备的模式，相比传统单CPU工控机仅支持整机储备模式，可以降低客户储备成本。在进行变电站各个业务的运维工作时，可以仅面向运行本次运行相关业务的插件开展工作，而不影响其他插件业务的运行，降低了安全反措等管理工作的要求，可以有效提升运维效率。

附图说明

图1为本基于平衡式通信CPU节点群的分布式远动机的结构示意图；

图2为本发明串口通信动态前置组虚拟示意图；

图3为本发明以太网通信动态前置组虚拟示意图；

图4为本发明的基于平衡式通信CPU节点群的分布式远远动机设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

在硬件模块组织上，如附图1所示。远动机硬件由CPU节点插件、具备网络交换功能的背板、电源模块、机箱及其他安装辅料组成。其中，

a)插件式的CPU节点模块，通过抽象电力系统多态应用业务的通信模式，以插件的形式实现单个CPU节点，其资源可以独立完成任意一个多态应用业务的运行；插件基于嵌入式低功耗CPU设计，具备1路内部背板以太网通信接口，和若干对外以太网通信、对外RS232/485复用串口。所述通讯业务包括实时数据库总线和消息总线，实时数据库总线完成各个节点之间的数据共享，消息总线完成各个节点之间进程消息的发布与订阅。

b)槽位自识别的背板模块，背板模块具备多个固定插件槽位的背板，插件通过通用插针结构连接，每个槽位有5个插针组合为槽位识别码，槽位识别码按照槽位顺序号自然累加，互不相同。背板具备以太网交换机功能，各个CPU节点引出一路内部以太网通信端口通过插针接入背板；各个插件通过C类IP地址在内网进行唯一性识别，C类地址的前三个字节固定，最后一个字节，由槽位识别码确定，当插件固定在一个槽位后即实现了内部IP地址的自动锁定，保证不会由于人为的意外错误导致出现内网的IP地址冲突导致运行异常；

如附图4设计方法的流程图所示，本发明还包括以下设计方法的步骤：

步骤1，应用时，根据多态业务的数目和容量，确定使用的CPU插件数目，依次插入背板槽位。针对以太网转发业务时，站外调度主站根据其各个业务平面多个前置服务器提供的冗余通信网段数目，给站内远动机分配IP地址，远动机需要保证至少有一个冗余通道保持通信正常，分配的CPU节点插件个数与分配的IP地址个数相同；

针对站内以太网通信设备接入业务时，如果设备单套运行，一般会提供2个以上的以太网通信链路实现冗余，对于每个通信链路可以抽象为一个虚拟通信接口，此时，按照该设备可提供的虚拟通信接口的数目分配CPU节点插件；如果两套以上设备冗余运行，远动机按照每台设备均接入一个实际以太网端口进行数据采集，此时实际以太网端口数目与虚拟通信接口一致，分配的CPU节点插件个数与冗余设备的个数相同；

串口通信方式转发业务时候，一个物理链路仅能运行一个通信连接，当以串口方式进行站内数据采集业务或者出站转发业务时，每个CPU节点插件提供一个同名串口，所需CPU节点插件个数与业务可提供的串口个数相同；

步骤2，动态前置组创建。每个独立的出站应用业务创建一个动态前置组；每类相同通信协议的设备接入功能，创建一个动态前置组。如图3所示，对于以太网通信的动态前置组，包含的通道数目由虚拟远端通信接口的数目确定；如图2所示，对于串口通信的动态前置组，包含的通道数目由消耗的远动机同名串口数目确定。

通过对多态业务采用的各种通信通道以及联结方式的抽象，提出了基于虚拟联结回路算法创建的动态前置组的概念。由多个CPU节点以及相应节点上被配置使用的通信通道的识别符构成了一个动态前置组。动态前置组管理的通道数目由虚拟联结回路算法确定。一个业务进程的运行将基于动态前置组进行部署。前置通信组具有优先级管理功能，一个业务按照优先级选择在最高优先级的节点以及对应的通道上运行，当该通道故障时，前置通信模块继续选择可用的最高优先级通道进行迁移，直至该前置组的所有节点和通道故障。

通过动态前置组的方法，实现数据的冗余采集和冗余转发，达到多业务部署松散化，单节点故障或者检修时不会导致远动机多态业务同时停止。动态前置组通过虚拟联结回路算法确定。定义远动机CPU节点上的以太网或者串口为本地端，与远动机通信的站内设备或者远方主站为远端，则虚拟联结回路方法具体描述为：由于本地端的连接端子可在动态前置组迁移，以动态前置组整体作为一个虚拟的前置机，提供虚拟联结回路的虚拟起始通信接口；远端可提供的与本地端构成一个完成完整通信功能的联结回路的通信参数组合，作为一个虚拟远端通信接口；虚拟远端通信接口与远端可提供的实际通信接口不同；对于以太网通信方式，虚拟远端通信接口定义为一个IP和绑定端口号的组合，所以以太网通信的虚拟联结回路的个数由虚拟远端通信接口个数确定。对于串口通信，强制要求远端可提供的冗余通道需连接在多个CPU插件的同名串口上，例如CPU卡可提供的串口文件描述符为COM1、COM2…COMn，如果一台设备可提供两个冗余的485口与远动机通信，则在工程实施中，如果一路485口连接在了插件k的COMx上，则另一路485口则必须连接在另外一个插件l的COMx上。所以串口通信的虚拟联结回路的个数由远动机提供的同名串口数目确定。

步骤3，分配主、备管理节点。如果只使用了一个CPU节点，则该节点默认为主管理节点；如果使用了超过一个CPU节点，则选择其中一个运行业务消耗资源最低的CPU节点作为默认主管理节点，选择一个运行业务消耗资源次低的CPU节点作为默认备管理节点。

按照节点在分布式协作运行时的功能，分为管理节点和业务节点。管理节点在运行应用业务的同时，具备管理多CPU节点组中其他节点的权力；业务节点仅运行应用业务，而不对多CPU节点组负责节点管理。当主管理节点故障时，备管理节点接替全部节点的管理工作，并挑选其余存活节点中的一个作为备用节点。只有当主备管理节点均故障时，远动机才停止工作。

步骤4，完成以上工作后，再按照业务要求完成信息点表的编辑，利用组态工具对每个独立的信息元素分配数据指纹作为内部识别序号。实时数据库采用数据指纹技术，统一以64位的整形ID不可逆的分配各个数据元素的检索识别符，而不基于数据在业务通信规约中规定的唯一性识别符。利用hash算法快速检索，从而保证多态业务的数据以统一的方式管理，实现业务在多节点迁移时，使用到的数据对数据库的映射关系不变。

所述数据库管理的数据形态覆盖多态业务的需求，包括各种数值和文件。多态业务的数据索引使用数据指纹技术，不受该业务的通信规约、部署位置、运行位置限制，保证业务在多个节点间迁移时的可追溯性。

步骤5，把配置文件下装到远动机存储器。

3)上电后，背板槽位上的识别插针与CPU插件接触后，CPU插件获取自身槽位识别码，根据预置的网段，创建本节点IP地址，写入操作系统。

4)远动机程序运行时，各个插件根据锁定的内部IP地址，获取本节点分配的业务和通道对应的配置文件，启动应用程序开始工作，各插件均运行节点管理程序。被配置为主管理节点的CPU节点上，节点管理程序激活并获取节点群的管理控制权，被配置为备管理节点的CPU节点上，节点管理程序激活但只监视各个节点的运行状态。其余非管理节点的节点管理程序伺服等待被激活的指令。

5)远动机程序运行时，如果需要检修主管理节点的硬件，可以执行以下步骤达到对其他节点运行业务的最小波及。步骤一：通过工具修改该节点为应用节点，随后修改备节点的应用权限为主节点；步骤二：对于运行于本节点的业务，如果其他节点有冗余通道，则停止本节点对应的通道，等待其他节点的通道自动启动。如果其他节点无冗余通道，则停止本节点对应的通道，本机上该通道对应的业务完成数据存储后退出，在有备机的情况下，业务会自动切换到备机运行，无备机的情况下，本业务完全退出运行。步骤三：拔出本节点对应的插件，完成检修工作。

根据本发明的另一方面，对应远动机的分布式硬件结构，提出了一种多态通信业务分散耦合的设计方法，包括如下模块：

a)一种多个CPU节点组的管理模块，多CPU节点组分为管理节点和业务节点。其中管理节点指运行对所有节点进行核心管理权限的任务的节点。业务节点仅运行多态业务的一个或多个，对其他节点无管理功能。管理节点上也可以运行业务。管理节点可以在多CPU节点组迁移。管理模块以进程的形态部署在所有CPU节点，但仅在管理节点运行，并指定备用管理节点。

b)一种总线通信模块，包括实时数据库总线和消息总线。实时数据库总线完成各个节点之间的数据共享，消息总线完成各个节点之间进程消息的发布与订阅。

c)一种分布式实时库模块。该模块实现实时库的管理功能，既可单节点运行，也可以通过实时库总线分布式运行。数据库管理的数据形态覆盖多态业务的需求，包括各种数值和文件。多态业务的数据索引使用数据指纹技术，不受该业务的通信规约、部署位置、运行位置限制，保证业务在多个节点间迁移时的可追溯性。

d)基于虚拟联结回路算法的前置通信模块。该模块实现各个业务通信进程的管理，根据分布式部署的特点，硬件设备中有多个CPU节点，前置通信机不再唯一。通过对多态业务采用的各种通信通道以及联结方式的抽象，提出了基于虚拟联结回路算法创建的动态前置组的概念。由多个CPU节点以及相应节点上被配置使用的通信通道的识别符构成了一个动态前置组。动态前置组管理的通道数目由虚拟联结回路算法确定。一个业务进程的运行将基于动态前置组进行部署。前置通信组具有优先级管理功能，一个业务按照优先级选择在最高优先级的节点以及对应的通道上运行，当该通道故障时，前置通信模块继续选择可用的最高优先级通道进行迁移，直至该前置组的所有节点和通道故障。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。