CN104539055A - 基于网络的电力系统关键设备多机备一的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于网络的电力系统关键设备多机备一的方法及系统，包括多个节点，多个节点中其中一个为主节点，其余的为子节点，节点之间通过网络通讯，节点的状态为主状态、选举状态及从状态；主节点通过节点状态列表及节点优先级列表来维护总线的全局状态及对各子节点进行管理；本发明主节点通过选举动态产生，当子节点发现主节点失效时，将触发选举机制，从而产生新的主节点。本发明选举机制，可以保证本方案准确、可靠。

Description

基于网络的电力系统关键设备多机备一的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于网络的电力自动化系统关键设备多机备一的实现方法及系统。

背景技术

电力自动化系统的关键设备往往会使用传统的双机热备方案，有很多情况双机仍不能满足对高可靠性的要求。多机备一方案是一种更可靠的选择。

在电力自动化业务方向有些关键设备我们会用到多机备一(含双机备一)，多机备一概念：多台同型号设备(以下简称节点)并入同一计算机网络中，有些时候希望实现在任意时间有且仅有一台设备对外提供服务，其他设备处于备用状态。当提供服务的节点出现故障后，备用的节点中再选出一台对外提供服务。

通讯管理机等变电站关键设备早期的双机热备方案往往选择串口或开入信号来进行心跳通信，速度慢且易被干扰，导致双机热备方案出错。当前变电站网络设备越来越多，基于网络的热备方案更简单可靠。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于网络的电力自动化系统关键设备多机备一的实现方法，基于网络实现多机备一的实现方法：当主节点失效后从节点触发选举机制产生新的主节点。系统由一个主节点和多个子节点组成，主节点通过选举动态产生，当子节点发现主节点失效时，将触发选举机制，从而产生新的主节点。本发明还介绍了一种实现此方法的选举机制，可以保证上述方案准确、可靠。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统，包括多个节点，多个节点中其中一个为主节点，其余的为子节点，节点之间通过网络通讯，节点的状态为主状态、选举状态或从状态；主节点通过节点状态列表及节点优先级列表来维护总线的全局状态及对各子节点进行管理；每个节点均包括节点选举器、节点状态同步器及心跳器；

所述节点选举器用于监测节点的选举状态，当节点处于选举状态时，向其他节点发选举报文，将其中优先级最高的节点置为主状态；

所述节点状态同步器负责周期性的同步节点状态列表和优先级列表；

所述心跳器负责维护检测各节点之间的心跳是否正常。

所述节点状态列表记录了每个节点的名称、IP、当前状态及运行服务信息，为所有子节点提供状态同步服务。

所述优先级列表用于描述各个节点的负载情况，为选举和任务的迁移提供依据。

所述心跳是指网络中主从节点之间定时通知对方自己状态的一个自定义的通讯包，按照一定的时间间隔进行发送，类似于心跳。主要用来判断对方(设备，进程或其它网元)是否正常运行，采用定时发送简单的通讯包，如果在指定时间段内未收到对方响应，则判断对方已经离线。

基于网络的电力系统关键设备多机备一的方法，包括：

主节点通过节点状态列表及节点优先级列表来维护总线的全局状态及对各子节点进行管理；

具体为：网络中主从节点之间通过心跳包定时通知对方自己状态，用于判断对方设备是否正常运行，如果指定时间内未收到对方响应包，此时为异常运行，则判断对方离线；

当正常运行时：主节点周期性向子节点发送心跳包，子节点收到心跳包后将本节点状态进行封包处理并发送，主节点收到返回报文后解包，并更新所有节点的节点状态列表；

当异常运行时：子节点在周期内未收到主节点的心跳，则本子节点转为选举状态，向其他节点发出选举报文，接收其他节点发出的选举回应报文，如果其他节点优先级高，则将自己置为从状态，若周期内未收到其他高优先级节点的回应，则将自己置为主节点状态。

所述主节点的心跳机制为：

主节点收到从节点心跳包后，将网络中所有节点的信息返回给从节点，作为对心跳的回应；

主节点如果超过一定时间收不到从节点的信息，将主动对该节点发起询问；

如果询问该节点q次仍无回应，则认为该节点异常。

所述主节点的状态转换的过程为：

主节点固定时间间隔向网络发送主权宣示包；

主节点固定时间间隔检查节点状态列表中各节点最后一次心跳至今的时间间隔；

主节点和各节点的正常通讯也可以刷新最后一次心跳的时间；

如果主节点发现某节点连续多个心跳未发送，则进入暂时失去某从节点状态；

此时主节点主动询问该从节点；

如果从节点仍不回应，则主节点检查是否已失去所有节点；

如果仅失去该节点，则将该节点状态置位故障；

如果已失去所有节点，则进入孤立节点状态。

所述从节点的心跳机制为：

心跳是按固定间隔，由从节点主动发送给主节点，主节点做回应；

当从节点和主节有正常的通讯时，可将心跳顺延；

若此正常通讯时间大于设定值，则要强制进行一次心跳，目的是是要获取网络状态，心跳重发r次后都无回应，则认为与主节点失去联系。

所述从节点的状态转换过程为：

从节点在正常状态下按固定时间间隔向主节点发送心跳包，主节点收到后立刻进行回应；

从节点和主节点的普通通讯也可以表示两节点通讯正常；

如果持续普通通讯几个心跳间隔，则强制启动一次心跳，保证服务状态的同步；

如果从节点对主节点的几个心跳都没有回应，则进入暂时与主节点失去联系状态；

在暂时失去联系状态，从节点要发网络状态问询包，以确定本机网络状态；

如果此时收到主节点回复，在回到从节点正常态；

如果仅收到其它节点的网络回复，则确认失去主节点，进入选举态；

如果未收到任何回复，则认为本节点网络故障，进入孤立节点态。

本发明的有益效果：

本发明主节点通过选举动态产生，当子节点发现主节点失效时，将触发选举机制，从而产生新的主节点。本发明选举机制，可以保证本方案准确、可靠。当主节点发生问题后，能快速通过选举动态产生新的主节点保证对外提供稳定的服务。

附图说明

图1(a)本发明的每个节点的功能及其网络结构示意图；

图1(b)本图为本发明节点状态转换示意图，表述整个系统各节点之间的选举及状态转换流程；

图2本发明的主节点状态转换及其流程图；

图3本发明的主节点与从节点的心跳的回应流程图；

图4本发明的从节点状态转换的流程及其条件示意图；

图5本发明的节点选举器通过一次选举产生主节点及从节点过程的流程图；

图6本发明的选举机制节点状态转移流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

每个节点由心跳器、节点状态同步器、节点选举器组成；所有节点通过以太网络接入同一网络。将网络中对外提供服务的设备称为主节点(以下简称Master)，将提供备用服务的设备称为子节点(以下简称Standby)。系统由一个主节点和多个子节点组成，主节点通过选举动态产生，当子节点发现主节点失效时，将触发选举机制，从而产生新的主节点。

如图1(b)所示，整个系统各节点之间的选举及状态转换流程，新节点：从未加入任何网络的节点，加入网络：新节点发送申请加入请求报文。1)收到单个主节点正常回应，作为从节点加入此网络。2)收到多个主节点正常回应，任意选择一个加入，作为此网络的从节点。3)只收到从节点信息，且信息中包含主节点信息一致，作为此网络的从节点。本新节点状态转换为加入网络的从节点。

收到编号低的选举帧，收到其他孤立节点回应：新节点申请加入网络过程中，收到编号较低的选举帧，且收到其他孤立节点回应，触发选举。收到编号高的选举帧：新节点申请加入网络过程中，收到编号较高选举帧，则参与本次选举。

选举：选举状态，提议发起选举后，本节点置为选举状态，等待选举进行。参与选举：参与选举状态。启动选举过程尚未产生新主节点前，节点处于参与选举状态。若在选举完毕后仍未产生新的主节点，则本节点变为孤立节点。若选举完毕后产生一个新的主节点，其余节点变为从节点。

孤立节点：新节点申请加入帧无回应，节点状态变为孤立节点状态。主节点与所有从节点失去联系，自身置为孤立节点。孤立节点收到选举组播报文或收到其他孤立节点回应，本身状态变为选举状态。孤立节点加入网络：节点状态变为从节点。

从节点：新节点或孤立节点加入网络状态置为从节点。参与选举后若产生新的主节点，其他节点置为从节点。从节点发现主节点退或收到其他节点选举组帧置为选举状态，等网络内其他节点均变位选举状态后参与选举。

具体实现实施例子：

主节点负责维护总线的全局状态及对各子节点进行管理。主节点维护一个节点状态列表，该表记录了每个节点的名称、IP、当前状态等，为所有子节点提供查询与状态同步服务。主节点还维护一个优先级列表，通过这个列表可以知道各个节点的运行情况，为选举及主备迁移提供依据。

主节点与子节点间选举机制的实现：

将节点状态定义为三种：主(Master)、选举(Election)、从(Standby)。

网络中主从节点之间通过心跳包定时通知对方自己状态，用于判断对方设备是否正常运行，如果指定时间内未收到对方响应包，则判断对方离线。

正常：主节点周期性向子节点发送心跳包，子节点收到心跳包后将本节点状态进行封包处理并发送。主节点收到返回报文后解包，并更新所有节点的节点状态列表。

异常：在周期内未收到主节点的心跳，则本节点转为选举状态，向其他节点发出选举报文。接收其他节点发出的选举回应报文，如果其他节点优先级高，则将自己置为从状态，若周期内未收到其他高优先级节点的回应，则将自己置为主节点状态。

状态转换流程及判据：

一、心跳设计及状态转换流程

1、主节点

1.1主节点心跳机制：如图3所示：

1>主节点收到从节点心跳包后，将网络中所有节点的信息返回给从节点，作为对心跳的回应，。

2>主节点如果超过一定时间收不到从节点的信息，将主动对该节点发起询问

3>如果询问该节点q次仍无回应，则认为该节点异常。

1.2主节点状态转换及流程，如图2所示：

1>主节点固定时间间隔发送网络主权宣示包

2>主节点固定时间间隔检查节点列表中各节点最后一次心跳至今的时间间隔

3>主节点和各节点的正常通讯也可以刷新最后一次心跳的时间

4>如果主节点发现某节点连续多个心跳未发送，则进入暂时失去某从节点状态

5>此时主节点主动询问该从节点

6>如果从节点仍不回应，则主节点检查是否已失去所有节点

7>如果仅失去该节点，则将该节点状态置位故障。

8>如果已失去所有节点，则进入孤立节点状态。

对于从节点，如图4所示：

2.1从节点心跳机制：

1心跳是按固定间隔，由从节点主动发送给主节点，主节点做回应。

2当从节点和主节有正常的通讯时，可将心跳顺延。

3若此正常通讯时间过长，则要强制进行一次心跳(原因是要获取网络状态)。

心跳重发r次后都无回应，则认为与主节点失去联系。

2.2从节点状态转换及流程：

1从节点在正常状态下按固定时间间隔向主节点发送心跳包，主节点收到后立刻进行回应；

2从节点和主节点的普通通讯也可以表示两节点通讯正常；

3如果持续普通通讯几个心跳间隔，则强制启动一次心跳，保证服务状态的同步；

4如果从节点对主节点的几个心跳都没有回应，则进入暂时与主节点失去联系状态；

5在暂时失去联系状态，从节点要发网络状态问询包，以确定本机网络状态；

6如果此时收到主节点回复，在回到从节点正常态；

7如果仅收到其它节点的网络回复，则确认失去主节点，进入选举态；

8如果未收到任何回复，则认为本机网络故障，进入孤立节点态。

二、节点选举器的工作原理：

如图5-6所示，单个节点的节点推举器流程图：当监测到本机处于选举状态时，向其他节点发选举报文。接收其他节点发来的回应包，如果其他节点优先级高，则将自己置为从状态；若周期内未收到其他高优先级节点回应，则将自己置为主状态。若当前自己是从节点状态，收到其他节点选举包，如果自己优先级高，则向其他节点发回应包，并将自己状态置为选举，引发下一轮选举，如果自己优先级低，则不回应。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统，其特征是，包括多个节点，多个节点中其中一个为主节点，其余的为子节点，节点之间通过网络通讯，节点的状态为主状态、选举状态及从状态；主节点通过节点状态列表及节点优先级列表来维护总线的全局状态及对各子节点进行管理；每个节点均包括节点选举器、节点状态同步器及心跳器；

所述节点选举器用于监测节点的选举状态，当节点处于选举状态时，向其他节点发选举报文，将其中优先级最高的节点置为主状态；

所述节点状态同步器负责周期性的同步节点状态列表和优先级列表；

所述心跳器负责维护检测各节点之间的心跳是否正常。

2.如权利要求1所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，包括：

主节点通过节点状态列表及节点优先级列表来维护总线的全局状态及对各子节点进行管理；

具体为：网络中主从节点之间通过心跳包定时通知对方自己状态，用于判断对方设备是否正常运行，如果指定时间内未收到对方响应包，此时为异常运行，则判断对方离线；

当正常运行时：主节点周期性向子节点发送心跳包，子节点收到心跳包后将本节点状态进行封包处理并发送，主节点收到返回报文后解包，并更新所有节点的节点状态列；

当异常运行时：子节点在周期内未收到主节点的心跳，则本子节点转为选举状态，向其他节点发出选举报文，接收其他节点发出的选举回应报文，如果其他节点优先级高，则将自己置为从状态，若周期内未收到其他高优先级节点的回应，则将自己置为主节点状态。

3.如权利要求2所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，所述节点状态列表，该表记录了每个节点的名称、IP及当前状态，为所有子节点提供查询与状态同步服务，优先级列表，记载各个节点的运行情况，为选举及主备迁移提供依据。

4.如权利要求2所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，所述主节点的心跳机制为：

主节点收到从节点心跳包后，将网络中所有节点的信息返回给从节点，作为对心跳的回应；

主节点如果超过一定时间收不到从节点的信息，将主动对该节点发起询问；

如果询问该节点q次仍无回应，则认为该节点异常。

5.如权利要求2所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，所述主节点的状态转换的过程为：

主节点固定时间间隔发送网络主权宣示包；

主节点固定时间间隔检查节点状态列表中各节点最后一次心跳至今的时间间隔；

主节点和各节点的正常通讯刷新最后一次心跳的时间；

如果主节点发现某节点连续多个心跳未发送，则进入暂时失去某从节点状态；

此时主节点主动询问该从节点；

如果从节点仍不回应，则主节点检查是否已失去所有节点；

如果仅失去该节点，则将该节点状态置位故障；

如果已失去所有节点，则进入孤立节点状态。

6.如权利要求2所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，所述从节点的心跳机制为：

心跳是按固定间隔，由从节点主动发送给主节点，主节点做回应；

当从节点和主节有正常的通讯时，可将心跳顺延；

若此正常通讯时间大于设定值，则要强制进行一次心跳，目的是是要获取网络状态，心跳重发r次后都无回应，则认为与主节点失去联系。

7.如权利要求2所述的基于网络的电力系统关键设备多机备一的系统的方法，其特征是，所述从节点的状态转换过程为：

从节点在正常状态下按固定时间间隔向主节点发送心跳包，主节点收到后立刻进行回应；

从节点和主节点的普通通讯也可以表示两节点通讯正常；

如果持续普通通讯几个心跳间隔，则强制启动一次心跳，保证服务状态的同步；

如果从节点对主节点的几个心跳都没有回应，则进入暂时与主节点失去联系状态；

在暂时失去联系状态，从节点要发网络状态问询包，以确定本机网络状态；

如果此时收到主节点回复，在回到从节点正常态；

如果仅收到其它节点的网络回复，则确认失去主节点，进入选举态；

如果未收到任何回复，则认为本节点网络故障，进入孤立节点态。