CN105099777B - 适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法，通过对变电所间隔层配置硬件完全独立的冗余通信网关，采用双机冗余通信方法与所内IED(智能电子设备)建立数据通信，将IED数据转发给站控层通信管理机或接受通信管理机命令。对于两台独立的通信网关，根据间隔层各个设备通信规约及物理传输介质通道，配置通信网关设备接入方式规则库，进而依据接入方式规则库分别采用不同的通信规约及连接方式与其数据通信。配置主备用态条件规则集组成主备切换条件库，通信网关依据切换条件库进行自我诊断，最终根据双方切换权重值来确立工作状态，通过双网络通信方式将关联数据实时同步，使得同一时刻一主一备稳定可靠运行。

Description

适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法
技术领域
本发明属于轨道交通电力自动化监控系统领域，涉及变电所内间隔层通信网关双机热备冗余运行构造稳定可靠地电力综合自动化监控系统。
背景技术
伴随着计算机智能及其自动化技术的日益成熟，智能电子二次设备在城市轨道交通及电气化高速铁路领域的普及应用，电力监控运行维护方式有了质的改变，由原来有人值守兼顾值班员当地操作停送电转变为无人值守、定期巡检、远方控制中心程控停送电、事故分析为主的方式，因此，对电力监控综合自动化系统的实时、稳定、可靠性提出了更为严格的要求。在城市轨道交通电力监控综合自动化系统中，间隔层IED只与通信网关建立数据通信，通信网关作为电子智能二次设备与监控系统的数据交互中枢，起到上通下达的作用。目前，轨道交通领域高压侧保护及直流保护系统等关键系统均以国外厂家为主，这些IED通信接口多为串行接口。
在整个电力监控自动化系统中，最常用的通信方式为以太网口和串行接口，通信管理机作为变电所内站控层设备，普遍与控制中心通过DL/T 634.5104-2009或DL/T634.5101-2002进行主备双机双通道通信，实现了真正意义上的双冗余。而变电所内，过程层通信网关与IED、通信管理机的通信连接方式并没有得到真正的重视或者明确规范，每个综自设备厂家根据自家设备及软件设计特性进行不同的设备接入组网拓扑设计，所内普遍通过通信网关与IED所支持的通信规约及方式通信，通信网关与通信管理机通过其内部高速数据总线或者网络进行数据通信转发，实现其最终数据的信息汇集。此种方案，共同特点是仅实现了变电所与控制中心之间通信的设备与通道双冗余，而变电所内通信没有实现冗余，因此，从控制中心到间隔层IED的整个数据通信并没有实现真正意义上的冗余，为整个综合自动化系统的稳定可靠运行埋下了隐患。
发明内容
本发明目的在于：为了解决上述主流通信方案通信网关与IED通信没有完全冗余的缺陷，提出适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机热备通信的方法来解决此问题，构造坚实可靠的综合自动化系统通信网络。其技术解决方案为：
一种适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法，配置通信网关设备接入方式规则库，此配置用来设定主备用态通信网关与间隔层IED的通信规约及连接运行方式。同一时刻，只有主用态通信网关享有对其接入范围IED串行通信总线使用权，对使用串行通信接口方式的IED，主用态通信网关与其进行数据通信，备用态与其不建立通信，目前主流的串行接口为RS485，通信规约为IEC103、DNP3.0、Modbus及设备厂家私有规约。对于使用以太网通信的IED，因其网络连接点对点特性，根据IED设备通信规约或软件特性是否支持多连接来决定备用态是否与其建立数据通信关系。仅主用态通信网关与站控层通信管理机建立双通道通信连接。
配置主备态条件规则集，此规则集构成带有权重的切换条件库。两台通信网关分别标识为A和B，两者优先启动的享有主用态权，同时启动时通信网关A享有主用态权。对于每个切换条件，根据现场经验值及重要性程度设置相应权重，通信网关A和B之间实时诊断自身运行状态，累加匹配切换条件库来计算自身切换权重，通过网络通信报文交互来获取对方切换条件权重，如果主用态权重大于备用态，主用态向备用态发出切换为备用态请求，在得到备用态确认后切换为备用态，原备用态升级为主用态。同时记录切换时间及原因，并将故障信息上送通信管理机，以便运行管理人员及时解决故障。
通信网关A和B配置为双机冗余工作模式，两者之间通过双以太网UDP方式进行信息交互。起始上电后均为备用状态，A、B互发状态报文给对方，B机收到A机状态报文后确认A机为主用态。通信网关A、B依据接入方式规则库配置与间隔层IED建立通信。
设置未响应阀值Δd,通信网关A和B每秒相互发送状态报文，备用态检测到主用态未响应次数Cno-response，如果Cno-response≥Δd，强制升级为主用态。某些极端异常情况下，造成A、B通信网关失步，使得A、B均为主用态或备用态，在故障消失恢复同步后，A、B立即纠正异常状态，此时A机优先享有主用态权。
对于某台IED故障或通信线等因素造成与通信网关通信异常时，会引起A、B因为相同切换条件进行反复频繁切换，每次切换都将引起通信网关与IED通信重新初始化，造成整个综合自动化系统十分不稳定。可通过状态信息报文中信息字识别此种情况，在切换间隔时间到达后尝试切换。其中，设置切换时间基准Δt，切换累计次数Cswitch，切换次数门槛值Cthreshold，切换间隔时间Tswitch，切换间隔时间为本次即将切换时间与上次切换时间之差，如若Cswitch≤Cthreshold，Tswitch＝CswitchΔt，若Cswitch＞Cthreshold，Tswitch＝CthresholdΔt。待此次故障因素排除后，Cswitch置0。
通信网关A、B间通过自识别、自适应方式进行数据实时同步刷新，从而解决A、B发生切换时造成遥信、压板、遥测、累积量等数据上送通信管理机时无效或错误。如果A、B之间不进行数据同步刷新，A切换到B后，B初始数据仍然是上一次为主用态时与IED建立通信的原始值或者初始默认值，需要一定通信时间才能获取所有IED设备数据，在此过程中与通信管理机的通信会产生误报开关位置信号、压板状态及测量值曲线突变等错误结果。
技术效果：在城市轨道交通领域，电力供电系统关系着列车及相关各个专业设备是否能正常运行，电力监控作为其数字综合自动化的重要组成部分，对数据通信的实时性、有效性、可靠稳定性要求极高。通过对整个系统自上而下构建完整的通信网关、通信链路冗余可以在很大程度上提高上述要求特性。轨道交通领域电力监控系统中数据通信的冗余也越来越受到设计院所的重视，故此种双网关冗余方案具有良好的应用使用前景。
附图说明
图1为现有电力监控系统中变电所内通信网关与IED之间数据通信网络图。
图2为本发明双机冗余数据通信网络图。
图3为通信网关工作流程图。
图4为数据同步原理图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
本发明提出了一种适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法。在轨道交通电力监控系统中，通过对变电所间隔层配置硬件完全独立的冗余通信网关，采用双机冗余通信方法与所内IED(智能电子设备)建立数据通信，将IED数据转发给站控层通信管理机或接受通信管理机命令。对于两台独立的通信网关，根据间隔层各个设备通信规约及物理传输介质通道，配置通信网关设备接入方式规则库，进而依据接入方式规则库分别采用不同的通信规约及连接方式与其数据通信。配置主备用态条件规则集组成主备切换条件库，通信网关依据切换条件库进行自我诊断，最终根据双方切换权重值来确立工作状态，通过双网络通信方式将关联数据实时同步，使得同一时刻一主一备稳定可靠运行。对于主用态通信网关拥有间隔层IED完整数据而备用态只有部分数据的情况，备用态通信网关通过自识别、自适应方式与主用态通信网关交互来保持数据完整有效性。
图1为当前电力监控系统中变电所内通信网关与IED之间数据通信网络图。通信网关为单机，主要通过以太网或RS485串行总线与高压侧保护系统、牵引直流保护、交直流系统、400V、整流器、温控器等其他系统通信，其通信方式均为单机单通道。
图2为本发明所述双机冗余数据通信网络图。配置两台硬件独立的通信网关，通过以太网或RS485串行总线与各IED子系统建立数据通信，通信方式为双机双通道。
其实施过程如下：
通过通信网关组态配置软件，配置通信网关与各个IED通信所采用的通信规约，根据IED自身通信特性，采取不同的通信策略，组成接入方式规则库。对于串行接口方式通信的IED，由于IED自身通信模块均为单串口，所以同一时刻仅主用态通信网关拥有对其数据通信权，备用态通信网关与其不建立数据通信。对于以太网接口通信的IED，无论是TCP还是UDP方式，数据通信同时建立多个连接都不会混淆。对于UDP方式，如果IED通信模块支持多通信连接，主备用态通信网关可以同时与其通信，否则，只有主用态与之通信。
对于TCP方式，传统的通信为C/S(客户端/服务器端)模式，具体分为两种情况考虑：
通信网关作为客户端，此时通信网关作为建立通信连接的发起方，对于支持多客户端的IED来说，主备用态通信网关同时与其独立通信。对于不支持多客户端的IED，主用态通信网关与其建立连接通信，备用态网关与其不建立连接。
通信网关作为服务器端，主备用态均接受来自IED客户端的数据连接请求，分别与其进行数据通信。
配置主备用态条件规则集，根据每条规则的重要性程度赋予不同的权重，这些规则集构成权重切换库。本实例规则及权重划分原则如下：
(1)通信网关自身硬件模块异常，赋予最高权重值10；
(2)对于高压侧交流保护、直流牵引保护系统通信异常，权重为9；
(3)交直流、400V系统通信异常，权重为6；
(4)整流器、温控器等其它IED通信异常，权重为4；
(5)其它影响因素，权重为3；
配置两台通信网关为双机冗余工作模式。
两台通信网关分别标识为A、B，工作规则如下：
定义原语：
Rx-＞y,表示x向y转备请求；
Ax-＞y，表示x向y转备确认；
Sstandby(x)，表示x转为备用态；
Swork(x)，表示x转为主用态；
Estandby(x)，表示x转为备用态完成；
Ework(x)，表示x转为备用态完成；
通信网关A、B上电后，初始状态均为备用态，待A、B同步接收到对方状态心跳报文后，A默认享有主用态优先权，此时，B发送确认A为主用态报文，A接收到B的确认后升级为主用态；
A为主用态，建立与IED的数据通信，B依据接入方式规则库运行。待A检测到切换条件产生，对于首次切换，立即发送RA-＞B，报文中包含A请求切换原因，B发送AB-＞A予以确认，A收到AB-＞A后Sstandby(A)，并发送Estandby(A)报文，B转为Swork(B)，执行Ework(B)。此后的运行过程中，A、B相互可以通过接收对方工作状态报文获得对方运行信息，包括自身硬件状态，各个条件规则运行状态。
经过首次A向B切换后，当工作态B激活切换库中一个或多个条件规则后，通过累加权重切换库中各个条件权重得到自身切换权重gweight-B，A切换权重gweight-A。当gweig-hBt＞gweig-hAt时，发送RB-＞A。
在此过程中，如果gweight-A≠0，且gweight-A＝＝gweight-B，会引起A、B因为相同切换条件进行反复频繁切换，每次切换都将引起通信网关与IED通信重新初始化，造成整个综合自动化系统十分不稳定。设置切换时间基准Δt，切换累计次数Cswitch，切换次数门槛值Cthreshold，切换间隔时间Tswitch，切换间隔时间为本次将切换时间与上次切换时间之差，如若Cswitch≤Cthreshold，Tswitch＝CswitchΔt，若Cswitch＞Cthreshold，Tswitch＝CthresholdΔt。待此次故障因素排除后，Cswitch置0。
运行中，假设B为备用态，若满足条件Δd≥Cno-response，则B强制升级为主用态，A同样依此执行。因某些不可预知原因，导致A、B均为主用态或备用态，A享有主用态优先权。
通信网关A、B间通过UDP方式进行自适应、自识别数据信息实时交换，为了增强信息交换同步网络的可靠性，采用双以太网方式,同步双网可与通信管理机通信网共用。同一时刻，以太网口1和2同时发送接收UDP数据报文，此过程需要过滤冗余信息，避免不带时标遥信、压板等状态信息产生错误的假数据。通过给数据报文头增加帧发送序列号来区分报文内容信息，同一序列号的报文内容肯定相同。对于A、B，双网口发送帧序号初始化为0，当前接收处理序号初始化为-1，如果接收到的报文帧发送序列号大于当前接收并处理的序列号，则认为该报文为有效报文，解析并处理，更新当前接收处理序号为该处理报文帧的发送序列。否则，直接丢弃，不做处理。
假设A为主用态、B为备用态，在A和B发生切换时，由于B瞬时无法获取所有IED数据，这一过程B与通信管理机通信的数据会产生遥信、压板、遥测、累积量等数据品质无效或值不对现象。通过在切换之前，A将信息同步给B来解决此问题，将需要同步的数据分为快速数据、中速数据、低速数据，如遥信、压板等数字状态量为快速数据，遥测为中速数据，累积量等变化慢地为低速数据。此过程的宗旨是，快速数据发生品质或值变化立即发送，B定时向A总召唤快速、中速、慢速数据，A响应总召唤应答。快速、中速数据定时召唤时间间隔要明显短于慢速数据时间间隔。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但具体实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，所作各种变化或润饰，同样在本发明的权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于轨道交通电力监控系统中通信网关双机冗余的方法，其特征在于：通过对变电所间隔层配置硬件完全独立的冗余通信网关，采用双机冗余通信网关与变电所内智能电子设备IED建立数据通信，将IED数据转发给站控层通信管理机或接受通信管理机命令；对于两台独立的通信网关，根据间隔层各个设备通信规约及物理传输介质通道，配置通信网关设备接入方式规则库，进而依据接入方式规则库分别采用不同的通信规约及连接方式与其数据通信；配置主备用态条件规则集组成主备切换条件库，通信网关依据切换条件库进行自我诊断，最终根据双方切换权重值来确立工作状态，通过双网络通信方式将关联数据实时同步，使得同一时刻一主一备稳定可靠运行；
对于主用态通信网关拥有间隔层IED完整数据而备用态只有部分数据的情况，备用态通信网关通过UDP方式自识别、自适应与主用态通信网关交互来保持数据完整有效性；
通过通信网关组态配置软件，配置通信网关与各个IED通信所采用的通信规约，根据IED自身通信特性，采取不同的通信策略，组成接入方式规则库；对于串行接口方式通信的IED，由于IED自身通信模块均为单串口，所以同一时刻仅主用态通信网关拥有对其数据通信权，备用态通信网关与其不建立数据通信；对于以太网接口通信的IED，无论是TCP还是UDP方式，数据通信同时建立多个连接都不会混淆；对于UDP方式，如果IED通信模块支持多通信连接，主备用态通信网关可以同时与其通信，否则，只有主用态与之通信。
2.根据权利要求1所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：所述配置通信网关设备接入方式规则库，用来设定主备用态通信网关与间隔层IED的通信规约及连接运行方式。
3.根据权利要求2所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：对于串行接口方式通信的IED，由于IED自身通信模块均为单串口，所以同一时刻仅主用态通信网关拥有对其数据通信权，备用态通信网关与其不建立数据通信；对于以太网接口通信的IED，通过网络连接点对点特性，根据IED设备通信规约或软件特性是否支持多通信连接来决定备用态是否与其建立数据通信关系，或者主备用态通信网关可以同时与其通信，或者只有主用态与之通信。
4.根据权利要求1所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：所述配置主备用态条件规则集，根据每条规则的重要性程度赋予不同的权重，这些规则集构成带有权重的切换条件库；两台通信网关分别标识为A和B，两者优先启动的享有主用态权，同时启动时通信网关A享有主用态权。
5.根据权利要求4所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：对于每个切换条件，根据相应权重，通信网关A和B之间实时诊断自身运行状态，累加匹配切换条件库来计算自身切换权重，通过网络通信报文交互来获取对方切换条件权重，如果主用态权重大于备用态，主用态向备用态发出切换为备用态请求，在得到备用态确认后切换为备用态，原备用态升级为主用态。
6.根据权利要求4所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：通信网关A和B配置为双机冗余工作模式，两者之间通过双以太网UDP方式进行信息交互；起始上电后均为备用状态，A、B互发状态报文给对方，B机收到A机状态报文后确认A机为主用态；通信网关A、B依据接入方式规则库配置与间隔层IED建立通信。
7.根据权利要求5或6所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：设置未响应阀值Δd,通信网关A和B每秒相互发送状态报文，备用态检测到主用态未响应次数Cno-response，如果Cno-response≥Δd，强制升级为主用态。
8.根据权利要求7所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：对于某台IED故障或通信线因素造成与通信网关通信异常时，通过状态信息报文中信息字识别，在切换间隔时间到达后尝试切换；其中，设置切换时间基准Δt，切换累计次数Cswitch，切换次数门槛值Cthreshold，切换间隔时间Tswitch，切换间隔时间为本次即将切换时间与上次切换时间之差，如若Cswitch≤Cthreshold，Tswitch＝CswitchΔt，若Cswitch＞Cthreshold，Tswitch＝CthresholdΔt；待此次故障因素排除后，Cswitch置0。
9.根据权利要求5或6所述的通信网关双机冗余方法，其特征在于：通信网关A、B间通过UDP方式自识别、自适应进行数据实时同步刷新，对于主用态通信网关拥有间隔层IED完整数据而备用态只有部分数据的情况，备用态通信网关通过自识别、自适应方式与主用态通信网关交互来保持数据完整有效性。
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