CN106253239A - 基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，面向间隔配置母线保护子机，将保护计算任务分配在不同的子机，基于分布式计算框架MapReduce实现并行运算，降低了保护资源消耗，解决了在目前主流硬件上的配置方案无法支持更多间隔的工程应用，且提高了保护装置的扩展能力。

Description

基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法

技术领域

本发明涉及一种基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术

目前提出或已经实现分布式母线保护的方案基本可以分为两种，1）无主分布式母线保护，各子机通过环网通信网络连接，各子机完成独立的保护功能，一般实现方式是全主式，每个子机均是主机，完成所有的保护计算任务；2）有主分布式母线保护，一种是树形通信网络拓扑，即一个主机连接N个子机，母线保护原理主要在主站实现，子机完成部分后备保护，另一种是环网通信网络拓扑，指定一个子机为主机，计算任务主要由主机实现，子机一般实现数据采集和跳闸等终端功能。其中树形结构，由于主机需提供多个通信接口，装置功耗和体积不利于保护装置小型化和就地化，故目前主流的分布式配置一般采用环网结构。若主机完成主要计算任务，一般随着间隔的增加资源消耗急剧增大，当接入的间隔增多时，虽然增加的模拟量数据、开关量数据很少，但由于所有涉及的功能均会产生大量的中间量数据，而这些数据均需要一个CPU在一个0.833ms（一个周波采集24次采样数据）内运算完是不现实的。即使使用运算更快的CPU，更大的内存，在面对间隔增长时，CPU所承担的运算量是呈现非线性增加的，因为在增加一个间隔数据时，除了需处理单间隔相关数据，还需要增加跟其他模块之间的数据交互。同时对于需求的变化，需要增加更多功能时，CPU的效率始终是一个短板。在面对双母单分段接线时，涉及到4个差动元件的计算（大差、I母小差、II母小差、III小差），为了在某下异常情况下保证差动元件的可靠性，部分学者提出了区域大差的概念，即有7个差动元件的计算（大差、I母小差、II母小差、III母小差、I-II母区域大差、II-III母区域大差、I-III母区域大差），差动元件的计算量随着差动元件的个数急剧增加。同时在目前双母双分段一般采用两套保护实现，若采用一套装置实现，则需要9个差动元件的计算（大差、I母小差、II母小差、III母小差、IV母小差、I-II母区域大差、II-III母区域大差、III-IV母区域大差、IV-I母区域大差），若由一个主机实现差动元件的功能，则随着母线段数的增加而导致保护的计算量超过了本身的计算极限，限制了保护的适用性。随着电力系统的发展，超多间隔母线的出现，一个母线保护装置可能需要接入35甚至40个间隔，若一套母线保护无法接入这么多间隔，而导致现场需要分多套装置实现整个母线保护功能，导致配置复杂，成本增加。

考虑到可靠性，继电保护装置的硬件升级周期一般很长，甚至长达十年左右，在面对需求的变化，仅靠硬件的升级是不现实的，在目前保护装置就地化的进程中，保护装置按照间隔配置子机已成趋势，在多个子机CPU可以利用的情况下，有必要提出一种新的技术方案，在有限硬件资源的情况下提高保护的间隔接入能力和性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，实现了在现有硬件的基础上，基于MapReduce架构实现分布式并行计算，解决目前效率低部分保护性能差的现状，提高了保护在间隔增多、保护元件功能变化等新需求的适应性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）每个间隔配置一个子机，子机通过环网组成，子机采集模拟量和开关量信息通过环网共享；

2）确定一个子机为调度节点JobTracker，作为对任务的调度及装置状态上送及监控，其余子机作为任务节点TaskTracker，负责执行调度节点JobTracker安排的计算任务，并执行跳合断路器操作；

3）依次执行Map任务阶段和Reduce任务阶段：

所述Map任务输出和Reduce任务输入结果格式固定为<key,value>键值对，其中，key值对应保护功能类别，value为此功能输出的结果；

JobTracker根据任务的情况和环网中间隔数确定差动保护和后备保护的Map任务，分别布置给各个任务节点TaskTracker，Map任务在每个子机中并行执行，每个子机均执行所有保护功能的事件、跳闸、信号、录波驱动，将保护功能的计算或判断过程作为Map函数，所述Map任务输出的<key,value>中，key包括支路XX和功能信息，value包括支路XX-功能的计算结果；

支路XX子机，执行对应支路XX的map函数，并将计算结果按照<key,value>的形式通过环网发送给其余子机；

支路XX子机将接收到的<key,value>，进行Reduce任务，按照key值将对应的value赋值到各个子机；

Reduce任务将一个保护功能的分布式计算结果进行合并并输出相关事件、驱动跳闸和信号。

前述的每个间隔的子机包含CPU+FPGA，其中，FPGA采集模拟量和开关量，传输给其余子机FPGA，每个子机的FPGA均接收其余间隔的模拟量和开关量数据，并将数据进行插值后送给CPU进行保护逻辑计算。

前述的一个子机运行任务包括三类任务：1）公共模块：即所有子机均执行此任务模块；2）必备模块：即本子机肯定执行的任务；3）冗余模块：即根据网络的拓扑完成其余子机的必备模块冗余计算任务；所述必备模块任务和冗余模块任务使用MapReduce架构进行并行计算。

前述的每个间隔的子机对应一个唯一的编码，根据此编码保护程序自动识别确认间隔号、间隔属性。

前述的指定PT子机为调度节点JobTracker，若母线保护的间隔不配置PT子机，则确认任意一台子机或额外增加一台子机为调度节点JobTracker。

前述的JobTracker和TaskTracker节点均向环网发送心跳报文，告知包括CPU剩余可用资源在内的本身状态及用于环网的通信状态监测；JobTracker节点监视网络的拓扑结构以及TaskTracker节点的运行情况，结合节点的负载情况及网络拓扑结构，确认每个TaskTracker节点的冗余计算任务。

前述的环网中间隔数小于门槛k时，则差动元件作为一个整体，由JobTracker安排三个节点计算差动保护任务，在不足三个节点时，则按实际节点数目安排计算任务，若间隔数超过门槛k时，则将差动元件拆分为大差元件和小差元件，每个元件由JobTracker分别安排三个节点计算，差动元件的动作出口经本间隔的启动元件闭锁；其中，门槛k由JobTracker根据各个TaskTracker的剩余资源及增加节点后增加的计算任务估计决定。

前述的Reduce任务需要多级处理，

第一级是对于同key值的不同的节点的计算结果，则按照“出口三取二”的原则合并操作，具体如下：

a）若存在三个冗余结果，则选择三取二操作后确认结果，若多于三个，则参考此条原则；

b）若仅存在两个冗余结果，则只要有一个动作，则确认是动作；

c）若仅存在一个同key值的输入，则执行此计算结果；

第二级是进行各间隔数据合并；

第三级是执行合并后的结果。

本发明所达到的有益效果：

本发明以MapReduce架构为基础，各子机分布式进行运算，将各间隔保护相关的保护计算任务分配到各间隔同时进行计算任务，这样在目前的硬件基础上即可支持母线保护接入更多间隔，且能大幅提高保护的资源可用率，并带来很强的扩展性，以适应工程应用的各种需求；跳闸结果采用出口三取二方式保证了保护的可靠性。

附图说明

图1为分布式母线保护环网连接配置图；

图2为分布式母线保护子机结构示意图；

图3为分布式母线保护任务分配示意图；

图4为差动元件Reduce任务合并示意图；

图5为支路CT断线Reduce任务合并示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

本发明的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法如图1所示：面向间隔配置母线保护子机，子机完成本间隔相关保护逻辑计算，并通过环网交互中间计算结果，实现多子机并发处理多间隔计算任务，并最终合并出最终结果，执行跳闸或输出相关信号。

如图1和图2所示，子机接入母线保护的间隔，每个间隔配置一个子机，设置子机的属性，标明其身份，各个子机通过环网组成。

每个子机对应一个唯一的编码，根据此编码保护程序自动识别确认间隔号、间隔属性（主变、线路、母联）等。

每个间隔的子机包含CPU+FPGA，其中，FPGA实现采样数据的同步、开关量数据及环网应用数据的交互等，CPU部分完成逻辑计算任务。FPGA采集模拟量和开关量，传输给其他子机FPGA，每个子机的FPGA均接收其他间隔的模拟量和开关量数据，并将采样数据进行插值后送给CPU进行保护逻辑计算。每个子机的CPU均能获得所有的电气量数据，所有数据实时刷新，历史数据可存于缓存，用于突变量等计算。

在环网中子机又称为节点。如图1所示，一般确认PT子机为调度节点JobTracker，作为对任务的调度及装置状态上送及监控，并负责部分的计算任务。其余子机为任务节点TaskTracker，负责执行JobTracker安排的计算任务，并执行跳合断路器等操作。若母线保护间隔不配置PT子机时，可确认任意一台子机或额外增加一台子机为JobTracker节点。JobTracker和TaskTracker节点均向环网发送心跳报文，告知本身状态（包括CPU剩余可用资源）及用于环网的通信状态监测，JobTracker监测TaskTracker节点的状态，若某个TaskTracker节点退出运行，则调整相关节点的计算任务。

一个子机运行任务包括三类任务：1）公共模块：即所有子机均执行此任务模块；2）必备模块：即本子机肯定执行的任务；3）冗余模块：即根据网络的拓扑完成其余子机的必备模块冗余计算任务，用于提高保护的可靠性。仅必备模块任务和冗余模块任务使用MapReduce架构进行并行计算。各个节点的任务分布如图3所示。其中，所有子机的公共模块任务均为：定值读入，跳闸出口，电流计算，时间驱动，输入处理，录波，采用FPGA采集模拟量和开关量并与其它子机进行信息交互。另外，PT子机的必备模块任务包括：PT断线，复压闭锁元件，差动元件，运行方式判别。主变1子机的必备模块任务包括：主变1失灵保护，主变1CT断线，主变1运行方式判别，补跳元件；主变1子机的冗余模块任务包括：线路1必备模块任务，母联必备模块任务，PT子机必备模块任务。母联子机的必备模块任务包括：母联失灵保护，母联CT断线，母联充电过流，母联运行方式，母联非全相，母联充电逻辑；母联子机冗余模块任务包括：主变1必备模块任务，线路1必备模块任务。线路1子机的必备模块任务包括：线路1失灵保护，线路1CT断线，线路1运行方式判别，补跳元件；线路1子机的冗余模块任务包括：主变1必备模块任务，母联必备模块任务，PT子机必备模块任务。

JobTracker节点监视网络的拓扑结构以及TaskTracker节点的运行情况，结合节点的负载情况及网络拓扑结构，确认每个TaskTracker节点的冗余计算任务（一般是冗余计算相邻的TaskTracker节点的相关保护功能），并将对应key告知TaskTracker，保证每个TaskTracker节点的Map任务有三个节点计算，TaskTracker确认此key，执行冗余模块任务，其中，必备模块任务不需要JobTracker的分配，上电后跟公共模块任务一样自主运行。

基于MapReduce架构的母线保护配置分为两个过程：Map任务阶段和Reduce任务阶段。主保护、后备保护作为Map任务，比如差动保护、电压计算、线路间隔（CT断线、失灵保护等）、主变间隔（CT断线、失灵保护等）、母联间隔（CT断线、失灵保护、非全相保护充电过流保护、充电逻辑等）等。Map任务输出和Reduce任务输入结果格式固定为<key,value>键值对，其中，key值对应保护功能类别（具体到间隔），value为此功能输出的结果（包括动作与否、异常信号、动作或返回时的电气量信息等）。Map任务在每个子机中并行执行，每个子机均执行所有保护及功能的事件、跳闸、信号、录波等驱动，将保护功能（如CT断线、失灵保护、复压逻辑等）的计算或判断过程作为map函数，输出的<key,value>中，key包括支路XX和功能信息，value包括支路XX-功能的计算结果，支路XX子机，执行对应支路XX的map函数，并将计算结果按照<key,value>的形式通过环网发送给其他子机。支路XX子机将接收到的<key,value>，进行Reduce步骤，按照key值将对应的value赋值到各个子机。Reduce任务将一个功能的分布式计算的结果进行合并并输出相关事件、驱动跳闸和信号等，对于同key值的不同的节点的计算结果，则按照“出口三取二”的处理原则。对于冗余结果的判断，是根据节点的心跳报文来监视，若某个节点持续无心跳，则改变结果判断。

与Map相同，Reduce任务也是多个并行处理。如此将计算量大的任务分配到各个子机并行完成，从各子机处均能获得所有的事件、录波，便于调试和故障分析。

由于差动保护是母线保护的主保护，计算量也是最大的一个保护元件，差动元件分为大差元件、小差元件和区域大差元件（若有则配置）。考虑到间隔越少，差动元件的计算量相对较小，在间隔数小于k值时，则差动元件作为一个整体，由JobTracker安排三个节点计算差动保护任务，在不足3个节点时，则按实际节点数目安排计算任务，若间隔超过k值时，考虑到差动元件计算任务增多，则将差动元件拆分为大差元件、小差元件和区域大差元件（若有则配置），每个元件由JobTracker分别安排三个节点计算。其中k为门槛，由节点的可用资源以及增加节点后剩余资源估计综合考虑。JobTracker运行后，根据环网中JobTracker节点的多少，确认差动元件计算安排，输出<key,value>至TaskTracker的差动保护跳闸Reduce任务，TaskTracker根据自身节点的启动元件是否开放确定是否跳闸，若确认此跳闸，则驱动本间隔跳闸出口跳开本间隔断路器，防止JobTracker输出的<key,value>错误或JobTracker的误动，提高主保护的可靠性。

在TaskTracker上执行本间隔的必备Map任务，并根据TaskTracker分配的计算任务，执行冗余模块任务，计算结果实时以<key,value>格式向环网共享，其余TaskTracker节点或JobTracker节点执行对应的Reduce任务。按照差动元件作为整体和分为大差、小差元件两个情况，差动元件的Reduce任务执行过程如图4所示。Reduce任务主要需要多级处理。第一级是相同key进行合并操作。若数据存在冗余，如果数据来源有三个，则Map任务计算结果中跳闸、闭锁或信号等结果类信号采用三取二方式，其他中间信息采用选中的一个信息即可。若出现其中一个节点异常，长时间未送出Map计算结果，则采用“二取一”的方式，当出现其中两个节点异常时，采用“一取一”的方式。第二级是进行各间隔数据合并。若线路1A相CT闭锁，线路2A相CT闭锁，则需合并为A相CT断线闭锁差动保护，若I母线路1失灵保护动作，I母线路2失灵保护动作，则需合并为I母失灵保护动作。第三级是执行结果，将此功能的结果驱动相关事件、录波、跳闸、点灯等。如图5所示，为支路1A相CT断线和支路2B相CT断线的Reduce任务执行过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）每个间隔配置一个子机，子机通过环网组成，子机采集模拟量和开关量信息通过环网共享；

2）确定一个子机为调度节点JobTracker，作为对任务的调度及装置状态上送及监控，其余子机作为任务节点TaskTracker，负责执行调度节点JobTracker安排的计算任务，并执行跳合断路器操作；

3）依次执行Map任务阶段和Reduce任务阶段：

所述Map任务输出和Reduce任务输入结果格式固定为<key,value>键值对，其中，key值对应保护功能类别，value为此功能输出的结果；

JobTracker根据任务的情况和环网中间隔数确定差动保护和后备保护的Map任务，分别布置给各个任务节点TaskTracker，Map任务在每个子机中并行执行，每个子机均执行所有保护功能的事件、跳闸、信号、录波驱动，将保护功能的计算或判断过程作为Map函数，所述Map任务输出的<key,value>中，key包括支路XX和功能信息，value包括支路XX-功能的计算结果；

支路XX子机，执行对应支路XX的map函数，并将计算结果按照<key,value>的形式通过环网发送给其余子机；

支路XX子机将接收到的<key,value>，进行Reduce任务，按照key值将对应的value赋值到各个子机；

Reduce任务将一个保护功能的分布式计算结果进行合并并输出相关事件、驱动跳闸和信号。

2.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，每个间隔的子机包含CPU+FPGA，其中，FPGA采集模拟量和开关量，传输给其余子机FPGA，每个子机的FPGA均接收其余间隔的模拟量和开关量数据，并将数据进行插值后送给CPU进行保护逻辑计算。

3.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，一个子机运行任务包括三类任务：1）公共模块：即所有子机均执行此任务模块；2）必备模块：即本子机肯定执行的任务；3）冗余模块：即根据网络的拓扑完成其余子机的必备模块冗余计算任务；所述必备模块任务和冗余模块任务使用MapReduce架构进行并行计算。

4.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，所述每个间隔的子机对应一个唯一的编码，根据此编码保护程序自动识别确认间隔号、间隔属性。

5.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，指定PT子机为调度节点JobTracker，若母线保护的间隔不配置PT子机，则确认任意一台子机或额外增加一台子机为调度节点JobTracker。

6.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于， JobTracker和TaskTracker节点均向环网发送心跳报文，告知包括CPU剩余可用资源在内的本身状态及用于环网的通信状态监测；JobTracker节点监视网络的拓扑结构以及TaskTracker节点的运行情况，结合节点的负载情况及网络拓扑结构，确认每个TaskTracker节点的冗余计算任务。

7.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，环网中间隔数小于门槛k时，则差动元件作为一个整体，由JobTracker安排三个节点计算差动保护任务，在不足三个节点时，则按实际节点数目安排计算任务，若间隔数超过门槛k时，则将差动元件拆分为大差元件和小差元件，每个元件由JobTracker分别安排三个节点计算，差动元件的动作出口经本间隔的启动元件闭锁；其中，门槛k由JobTracker根据各个TaskTracker的剩余资源及增加节点后增加的计算任务估计决定。

8.根据权利要求1所述的基于MapReduce架构的分布式母线保护配置方法，其特征在于，所述Reduce任务需要多级处理，

第一级是对于同key值的不同的节点的计算结果，则按照“出口三取二”的原则合并操作，具体如下：

a）若存在三个冗余结果，则选择三取二操作后确认结果，若多于三个，则参考此条原则；

b）若仅存在两个冗余结果，则只要有一个动作，则确认是动作；

c）若仅存在一个同key值的输入，则执行此计算结果；

第二级是进行各间隔数据合并；

第三级是执行合并后的结果。