CN102801211A - 刀片式构架的数据集中器 - Google Patents

Abstract

刀片式构架的数据集中器，设有管理单元、存储单元、网络单元、扩展I/O单元、光纤P2P单元和过程层总线单元，构建高速同步数据总线，所有单元通过背板高速同步总线进行数据共享，形成了具有独立模式和集群模式两种工作模式的刀片式数据集中器；管理单元、存储单元、网络单元采用实时嵌入式操作系统，网络单元设有4个或更多以太网接口，可同时与4个或更多的不同网段的主站建立连接；每个光纤P2P单元或过程层总线单元采用实时嵌入式操作系统，设有4组光纤接口，解决了基于普通工控机的数据集中器在可靠性、和可扩展性等方面的问题，刀片式构架的设计理念也为电网智能通信装置等类似的产品提供了解决思路。

Description

刀片式构架的数据集中器

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，涉及电网广域测量系统。

背景技术

为进一步加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力，应在重要的变电站和发电厂安装同步相量测量装置（PMU），构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心的广域测量系统（WAMS）主站实现对电力系统动态过程的监测和分析。该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据平台的主要数据源之一，并逐步与EMS系统及安全自动控制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控，提高调度机构准确把握系统运行状态的能力，并有助于研究大电网的动态过程，为制订电力系统控制策略和设计、运行、规划方案提供依据。

在此背景下发展起来的PMU子站系统主要用于电力系统同步相量测量和输出以及动态过程的记录，其核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与WAMS主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。

数据集中器（PDC）是连接PMU测量单元和WAMS主站的关键环节，数据集中器（PDC）和PMU二者构成PMU子站系统。PDC从PMU单元收集相量测量数据，并进行同步组包、本地存储以及发送至WAMS主站。现有的PDC大多采用工控机模式，其优点是无需专门设计硬件、产品开发周期短，但一般的工控机是通用设备，作为数据集中器其针对性、可靠性、可扩展性都比较差。

1.数据集中器的基本应用需求分析。

WAMS电网广域测量系统典型结构如图1所示，其中PMU测量单元负责完成电流、电压、开关量采集以及相量计算和功角测量等功能，并将计算所得的数据送到数据集中器，经数据集中器打包后通过调度数据网或专网发送至主站，同时还要将这些数据在本地进行存储。数据集中器可以向主站提供两种数据，一是实时数据，根据实际应用需求，数据集中器必须能以最快10ms一帧的速率向主站均匀发送实时相量数据，发送速率可配置。同时发送的内容也能够定制，主站通过下发CFG2配置文件，要求数据集中器根据配置有选择地发送相量数据；二是离线数据，离线数据是指数据集中器本地保存的历史相量数据和暂态故障录波数据，当主站召唤历史相量数据时，这些离线数据帧被插入实时数据发送间隔之间向主站均匀传输。当存在多个主站、或多个通道冗余的情况下，就要求数据集中器能以不同的速率、不同的内容通过不同的通道同时与多个WAMS主站通信，某些重要的厂站甚至要向省调、网调以及国调的WAMS系统或EMS系统同时发送数据，若主站有A、B套备用或通信有冗余设计，并要求各通道之间相互独立，这些需求对通信的扩展能力要求就非常之高，一些场合还要求实时数据和离线数据在调度数据网的Ⅰ区和Ⅱ区分别传输，由于可扩展能力弱，现有的工控机模式很难满足上述各种要求。

除了灵活多变的通信需求外，数据集中器还有保存14天的动态相量数据的存储要求，若用于控制还有扩展I/O的需求以及内部通信与外部通信网络隔离的需求等，数字化变电站过程层总线的处理，这些都对数据集中器的适应性和可扩展性提出了新的挑战。刀片式构架正是应对这些挑战的最佳方案之一。

2.刀片式构架的基本概念

刀片式构架的概念来自于刀片式服务器。服务器经历了从第一代塔式服务器到新一代机架式服务器，再到第三代高密度的刀片式服务器，一直在朝高密度方向发展，其目标是体积更小、功耗更低、更高的扩展性和可管理性。

所谓刀片式构架服务器是指在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元，实现高可用和高密度。每一块″刀片″实际上就是一块系统主板。它们可以通过板载硬盘启动自己的操作系统，如Windows NT/2000、Linux、VxWorks等，每个刀片都类似于一个个独立的服务器，在这种模式下，每一块主板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间可以没有关联。此外，管理员可以使用系统软件将这些主板集合成一个服务器集群。在集群模式下，所有的主板可以连接起来提供高速的网络环境，并共享资源，为相同的或不同的用户群服务。在集群中插入新的"刀片″，就可以扩展服务器应用以及提高整体性能。

这些刀片服务器在设计之初都具有低功耗、空间小、单机售价低等特点，同时它还继承发扬了传统服务器的一些技术指标，比如把热插拔和冗余运用到刀片服务器之中，这些设计满足了密集计算环境对服务器性能的需求；有的还通过内置的负载均衡技术，有效地提高了服务器的稳定性和核心网络性能。而从外表看，与传统的机架、塔式服务器相比，刀片服务器能够最大限度地节约服务器的使用空间和费用，并为用户提供灵活、便捷的扩展升级手段。

发明内容

本发明目的是，提出一种刀片式构架的电网广域测量系统数据集中器PDC技术实现方案和设置方法。PDC从PMU单元收集相量测量数据，并进行同步组包、本地存储以及发送至WAMS主站。本发明使电网广域测量系统数据集中器（PDC）的针对性、可靠性、可扩展性都得到优化。

本发明技术方案是：电网广域测量系统刀片式构架的数据集中器，数据集中器是网广域测量系统中连接同步相量测量单元和测量主站的设备，本发明将刀片式服务器的构架理念引入到广域测量系统中数据集中器的设计中，设有刀片单元包括管理单元、存储单元、网络单元、扩展I/O单元、光纤P2P单元或过程层总线单元，构建高速同步数据总线，所有刀片通过背板高速同步总线进行数据共享，形成了具有独立模式和集群模式两种工作模式的刀片式数据集中器。为描述方便，以下内容中的“刀片单元”简称为“单元”。

管理单元、存储单元、网络单元采用（高性能）实时嵌入式操作系统。每个网络单元采用（高性能）实时嵌入式操作系统，设有4个或更多以太网接口，可同时与4个不同网段的主站建立连接。

每个光纤P2P单元或过程层总线单元采用（高性能）实时嵌入式操作系统，设有4组光纤接口，可通过高速实时通信或网络交换机连接多个PMU测量单元的实时采样数据。

除管理单元外，其他单元都能够（可以）扩展，可安放在除管理单元外的任何插槽。所有单元通过背板高速同步总线进行数据共享，任何一个单元的数据都可同时与其他任何一个单元共享数据，可真正实现实际意义上的并行处理。

本发明技术方案的具体化是：

1．硬件设计

如图2所示，根据数据集中器的应用需求，采用了标准19英寸16槽4U机箱，共设计以下几种单元：

a．管理单元，采用嵌入式处理器，用于管理和配置数据集中器各单元工作方式以及数据共享管理；

b．存储单元，采用嵌入式处理器，设有128G固态电子盘，用于存储不少于14天的动态相量数据；

c．网络单元，采用嵌入式处理器，设有4电（或2光加2电）共4个以太网接口，用于与WAMS主站进行数据通信；

d．光纤P2P单元，采用嵌入式处理器，FPGA等器件，设有4组点对点光口，用于与站内PMU单元进行数据通信获取采样数据；

e．过程层总线单元（可用于替代光纤P2P单元），采用嵌入式处理器，FPGA等器件，设有多对光纤以太网接口，用于接受和处理SMV和GOOSE信息。即SV&GOOSE网络单元连接过程层交换机，SV&GOOSE网络单元用于IEC61850变电站中，过程层交换机连接MU测量单元的实时采样数据。

f．扩展I/O单元，采用嵌入式处理器，用于开入、开出或告警等输入输出功能。

管理单元、存储单元、网络单元的硬件设计完全相同，并采用高性能实时嵌入式操作系统，其中存储单元内部配置一块128G固态电子盘，用于储存14天动态相量数据，且克服了采用普通硬盘有旋转器件易损坏的缺点。每个网络单元的4个以太网接口，可同时与4个不同网段的主站建立连接。每个光纤P2P单元的4组光纤接口，可通过高速实时通信同时多个PMU测量单元的实时采样数据。

2．高速同步总线

高速同步总线是实现刀片式服务器的关键技术，这项技术保证了单元之间的数据同步共享。如图3所示，每个单元都设有私有内存和共享内存两个空间，私有内存用于单元自身的数据处理，共享内存用于单元之间的共享数据处理。所有单元需要交换的共享内存数据由单元底层驱动的对话机制相互协调完成，每个单元需要共享的数据都会在一个同步周期内映射到其它任何一个单元的共享内存空间里，也就是说所有单元的共享内存中都具有相同的数据内容，从而使得并行处理、负载均衡、单元冗余以及分布式计算等技术得以实现。

3．刀片式构架的工作模式

当系统结构中存在多个同类单元时，可通过管理单元将该类单元设置为独立工作模式或集群工作模式。在独立工作模式下，同类各单元独立完成自己的工作，彼此互不干扰，一个单元出现问题将自动从系统中挂起且不会影响其它单元正常工作；在集群工作模式下，同类单元之间互为热备用，其中一个单元出现问题被挂起后，其工作任务可立即被其它同类单元分担。独立工作模式适用于工作任务单一且不可替代的单元角色，例如光纤P2P单元、扩展I/O单元或一般功能要求的存储单元、网络单元。集群工作模式适合于工作任务类似且可分布协同的单元角色，例如利用多个存储单元构成存储阵列实现高可靠性的存储功能，或利用多个网络单元构建冗余网络接口以增强通讯能力的鲁棒性。通过不同种类单元及其工作模式的灵活组合，可以轻松实现复杂多变的通信需求。

每一块″刀片″实际上就是一块嵌入式系统主板。它们可以通过板载电子盘启动自己的操作系统，每个刀片都是一个独立的计算机系统，可通过管理单元将数据集中器设置为独立工作模式或集群工作模式。在独立工作模式下，同类各单元独立完成自己的工作，彼此互不干扰，一个单元出现问题将自动从系统中挂起且不会影响其它单元正常工作；在集群工作模式下，同类单元之间互为热备用，其中一个单元出现问题被挂起后，其工作任务可立即被其它同类单元分担。

刀片式构架的概念来自于刀片式服务器。服务器经历了从第一代塔式服务器到新一代机架式服务器，再到第三代高密度的刀片式服务器，一直在朝高密度方向发展，其目标是体积更小、功耗更低、更高的扩展性和可管理性。

所谓刀片式构架服务器是指在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元，实现高可用和高密度。每一块″刀片″实际上就是一块系统主板。每一块主板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间可以没有关联。此外，可以使用系统软件将这些主板集合成一个服务器集群。在集群模式下，所有的主板可以连接起来提供高速的网络环境，并共享资源，为相同的或不同的用户群服务。在集群中插入新的″刀片″，就可以扩展服务器应用以及提高整体性能。

本发明的有益效果是：本发明采用刀片式构架的理念，设计了管理单元、存储单元、网络通信单元、光纤P2P单元、过程层总线片单元、I/O单元，构建了单元之间的高速同步数据总线，形成了刀片式构架的数据集中器，克服了传统基于工控机的数据集中器在可靠性、可扩展性、适应性等方面的缺陷。

1.本发明设计的刀片式构架以及各类刀片采用嵌入式处理器，可靠性高、扩展方式灵活、通信和存储能力强大，功耗低。

2.本发明采用的高速同步数据总线，实现了刀片之间的数据同步和共享，从而使得并行处理、负载均衡、刀片冗余以及分布式计算等技术得以实现。

3.本发明构建的刀片式构架数据集中器的，可以满足复杂多变的工程实现需求，不但可以应用于传统变电站的WAMS系统，而且完全兼容基于IEC61850过程层总线的数字化变电站，同时也为智能通信装置等类似的产品提供了解决思路，因此具有广泛的适用性。

本发明通过设有管理刀片单元、存储刀片单元、网络通信刀片单元、光纤P2P刀片单元、过程层总线刀片单元、I/O刀片单元，构建了刀片单元之间的高速同步数据总线，形成具有独立工作模式和集群工作模式的数据集中器。刀片式构架的数据集中器高度的可靠性、灵活的扩展方式、强大的通信和存储能力以及较的低功耗，为电网广域测量系统提供了坚强的保证，这种构架不仅解决了基于普通工控机的数据集中器在可靠性、和可扩展性等方面的问题，而且顺应了基于IEC61850智能变电站的发展和建设，同时刀片式构架的设计理念也为电网智能通信装置等类似的产品提供了解决思路，因此具有广泛的适用性。

附图说明

图1广域测量系统结构示意图；

图2刀片式数据集中器；

图3高速同步数据总线；

图4刀片式数据集中器在常规变电站中的应用示意图；

图5刀片式数据集中器在IEC61850变电站中的应用示意图；

图6刀片式数据集中器在实际工程中的详细通信接线图。

具体实施方式

1硬件设计

如图2所示，根据数据集中器的应用需求，采用了标准19英寸16槽4U机箱，共设计以下几种刀片单元：

a．管理单元，设计和采用了：32bit嵌入式处微理器、256MB内存、16G电子盘、以太网接口、打印接口、嵌入式Linux操作系统，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用，用于完成管理和配置数据集中器各刀片的工作方式以及数据共享的管理；

b．存储单元，设计和采用了包括：32bit嵌入式处微理器、内存、电子盘、以太网接口、打印接口、嵌入式Linux操作系统，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用；电子盘采用128G固态电子盘，用于存储不少于14天的动态相量数据。

c．网络单元，设计和采用了包括：32bit嵌入式处微理器、内存、电子盘、以太网接口、打印接口、嵌入式Linux操作系统，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用；以太网接口设有4个电接口（或2光加2电接口方式），用于与WAMS主站进行数据通信。

d．光纤P2P单元，设计和采用了嵌入式数字信号处理器，内存，FPGA等器件，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用，设有4组点对点光口，用于与站内PMU单元进行数据通信获取采样数据。

e．过程层总线单元，设计和采用了嵌入式数字信号处理器，内存，FPGA等器件，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用，设有多对光纤以太网接口，用于接受和处理SMV和GOOSE信息。

f．扩展I/O单元，设计和采用嵌入式处理器，内存被划分成私有、和共享两块空间，分别供私有数据和共享数据处理使用，用于开入、开出或告警等输入输出功能；

2高速同步总线

高速同步总线是实现刀片式服务器的关键技术，这项技术保证了刀片单元之间的数据同步共享。如图3所示，每个单元都设有私有内存和共享内存两个空间，私有内存用于单元自身的数据处理，共享内存用于单元之间的共享数据处理。所有单元需要交换的共享内存数据由各单元底层驱动软件的对话机制相互协调完成，每个单元需要共享的数据都会在一个同步周期内映射到其它任何一个单元的共享内存空间里，也就是说所有单元的共享内存中都具有相同的数据内容，从而使得并行处理、负载均衡、单元冗余以及分布式计算等技术得以实现。例如：首先，将各单元的计算周期设计为1ms，高速总线同步刷新周期设计为0.1ms，则0.1ms各单元的数据就可以同步一次，满足1ms计算周期对数据同步的需求。其次，将各单元的数据按实际需要定义为私有变量和共享变量，私有变量被安排在私有内存地址空间，共享变量被安排在共享内存地址空间；最后，通过个单元的底层软件驱动程序，将安排在共享内存空间的数据以0.1ms的同步周期刷新到各单元的共享内存空间，至此，所有的单元都会在0.1ms内获得刷新的数据。一般情况下，同步周期与计算周期可设为一样。

3独立和集群工作模式

在刀片式构架的硬件基础上，数据集中器的刀片可通过软件配置为独立工作模式和集群工作模式。在独立工作模式下，同类各单元独立完成自己的工作，彼此互不干扰，一个单元出现问题将自动从系统中挂起且不会影响其它单元正常工作；在集群工作模式下，同类单元之间互为热备用，其中一个单元出现问题被挂起后，其工作任务可立即被其它同类单元分担。独立工作模式适用于工作任务单一且不可替代的单元角色，例如光纤P2P单元、扩展I/O单元或一般功能要求的存储单元、网络单元。集群工作模式适合于工作任务类似且可分布协同的单元角色，例如利用多个存储单元构成存储阵列实现高可靠性的存储功能，或利用多个网络单元构建冗余网络接口以增强通讯能力的鲁棒性。通过不同种类单元及其工作模式的灵活组合，可以轻松实现复杂多变的通信需求。

如图4所示，

在独立工作模式下：2块网络通讯单元工作配置为独立工作模式，各自从同步总线获得数据后进行打包发送给主站，2块网络通讯单元分别与不同的主站进行独立的通讯，两者可以有不同的IP、路由、发送内容、发送速率等，二者除共享数据原始相量数据和电源外其余都是独立的。其中一个单元的通讯异常不会影响另外一个单元；

在集群工作模式下：2块网络通讯单元配置为集群工作模式，各自从同步总线获得共享的数据，正常情况下，2块通信单元（假设为A和B），各自独立与主站通信，相互之间通过同步总线交换运行状态，当A故障、B正常，则B会检测到A出现故障，将自动接替A的任务，并完全按照A的通信参数和内容与主站进行通信。当A恢复了功能，则B自动将任务交还给A。若A的计算任务重而B的计算任务轻，则可以将A的部分计算任务分给B处理，B通过同步总线将计算结果返回给A。若有更多的计算任务，则可以通过配置多个单元分担处理，形成并行处理的集群工作模式。集群工作模式可以在无需重新设计新硬件的基础上满足产品应用中不断增加的用户需求以及实现一些单处理器无法完成的复杂算法。

刀片式数据集中器在WAMS系统中的应用。

刀片式数据集中器，不但可以适用于常规变电站PMU子站的各种通信需求，同时还能适应智能变电站过程层总线的接入需求。

对于常规变电站其实现方案如下：如图4所示光纤P2P单元通过点对点通信方式与常规站PMU测量单元进行高速实时通信，PMU测量单元传输的相量数据经过仅1ms即可到达数据集中器，保证了相量数据传输的实时性。光纤P2P单元收到数据后经背板高速同步总线与所有单元共享，存储单元将数据进行存盘操作，网络通信单元与WAMS主站进行数据通信操作，I/O单元根据需要进行相应的输入输出操作。存储单元的数据在网络单元上建立镜像目录，当主站需要读取历史存储数据时，网络单元直接从本地镜像目录读取发送给主站。

随着智能电网建设的深入开展，基于IEC61850过程层总线的智能变电站大量投入，对传统变电站的广域测量实现方案提出了许多挑战，以往基于工控机的解决方案很难适应新的需求，需要从硬件设计和软件结构做出较大的改动，甚至需要设计新的构架，而本文提出的单元式构架的数据集中器对于基于IEC61850过程层总线的智能变电站有着天然的优势，可以不动构架，只增加相应的过程层总线数据处理单元，即可实现SMV和GOOSE的接收和处理。

对于智能变电站其实现方案如下：如图5所示，将传统变电站采用的光纤P2P单元替换为过程层总线单元，如图所示，该单元负责站内过程层总线的SMV、GOOSE等数据的接收，同时进行相应的计算和处理，得到的采样数据、GOOSE变位以及计算出的相量通过内部高速总线同步到其它各单元的共享内存，录波、存储、通信等处理过程与常规变电站的数据集中器实现方案完全一致。可以看出，在智能变电站中，刀片式构架的数据集中器的解决方案较之传统方案，构架更简洁，实现更简单，只要一台单装置即可实现整个PMU子站系统，这也充分显示出刀片式构架数据集中器在可扩展性和适应性等方面的优越性能。

图6是刀片式数据集中器在实际工程中的详细通信接线图。

Claims (5)

1.刀片式构架的数据集中器，其特征是数据集中器是电网广域测量系统中连接同步相量测量单元和测量主站的设备，设有管理单元、存储单元、网络单元、扩展I/O单元、光纤P2P单元和过程层总线单元，构建高速同步数据总线，所有单元通过背板高速同步总线进行数据共享，形成了具有独立模式和集群模式两种工作模式的刀片式数据集中器；

管理单元、存储单元、网络单元采用实时嵌入式操作系统，网络单元设有4个或更多以太网接口，可同时与4个或更多的不同网段的主站建立连接；

每个光纤P2P单元或过程层总线单元采用实时嵌入式操作系统，设有4组光纤接口，可通过高速实时通信或网络交换机连接多个PMU测量单元的实时采样数据；

除管理单元外，其他单元都能够扩展，安放在除管理单元外的任何插槽；所有单元通过背板高速同步总线进行数据共享，任何一个单元的数据都可在一个同周期内与其他任何一个单元共享数据，实现并行处理。

2.根据权利要求1所述的刀片式构架的数据集中器，其特征是： a．所述管理单元，用于管理和配置数据集中器各单元工作方式、数据共享、对时、打印、显示和键盘等；

b． 存储单元，设有128G固态电子盘，用于存储不少于14天的动态相量数据；

c． 网络单元，设有4电（或2光加2电）共4个以太网接口，用于与WAMS主站进行数据通信；

d． 光纤P2P单元，设有4组点对点光口，用于与站内PMU单元进行数据通信获取采样数据；

e． 过程层总线单元，设有多对光纤以太网接口，用于接受和处理IEC61850过程层总线的SMV和GOOSE信息；

f． 扩展I/O单元，用于开入、开出或告警等输入输出功能。

3.根据权利要求1所述的刀片式构架的数据集中器，其特征是：每个单元都设有私有内存和共享内存两个空间，私有内存用于单元自身的数据处理，共享内存用于单元之间的共享数据处理；所有单元需要交换的共享内存数据由单元底层驱动的对话机制相互协调完成，每个单元需要共享的数据都会在一个同步周期内映射到其它任何一个单元的共享内存空间里，从而使得并行处理、负载均衡、单元冗余以及分布式计算等技术得以实现；所有单元通过背板高速同步总线进行数据共享，构建单元之间的高速同步数据总线，保证单元之间的数据同步共享。

4.根据权利要求1所述的刀片式构架的数据集中器，其特征是：刀片式数据集中器具有独立工作模式和集群工作模式两种模式；每一块"单元"实际上就是一块嵌入式系统主板；通过板载电子盘启动自己的操作系统，每个单元是一个独立的计算机系统，通过管理单元将数据集中器设置为独立工作模式或集群工作模式；在独立工作模式下，同类各单元独立完成自己的工作，彼此互不干扰，一个单元出现问题将自动从系统中挂起且不会影响其它单元正常工作；在集群工作模式下，同类单元之间互为热备用，其中一个单元出现问题被挂起后，其工作任务可立即被其它同类单元分担。

5.根据权利要求4所述的刀片式构架的数据集中器，其特征是：独立工作模式适用于工作任务单一且不可替代的单元角色，光纤P2P单元、扩展I/O单元或一般功能要求的存储单元、网络单元；集群工作模式适合于工作任务类似且可分布协同的单元角色，利用多个存储单元构成存储阵列实现高可靠性的存储功能，或利用多个网络单元构建冗余网络接口以增强通讯能力的鲁棒性。

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