CN111708728B - 一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法及系统 - Google Patents

一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法和系统，响应于虚拟间隔投退软压板的状态变化，获取到需要运行或者退出运行的虚拟间隔编号，根据所述编号和已保存的间隔映射配置文件自动进行CPU资源分配，生成新的间隔映射配置文件，并发送给过程层插件；HMI插件和过程层插件分别解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，不作处理；如果不同则释放现有虚拟间隔任务，重新加载新间隔的配置文件启动间隔任务；如果本核未配置虚拟间隔，则释放现有间隔任务。本发明可实现冗余测控装置多个虚拟间隔功能的动态加载和释放，提升了冗余测控装置的硬件资源利用率和后续工程维护的便利性。

Description

一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法及系统
技术领域
本发明涉及一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法及系统，属于电力系统测控装置技术领域。
背景技术
随着国民经济发展对稳定电力供应的需求越来越高，对变电站监控系统的可靠性提出了更高的要求，为提高变电站测控功能的冗余及可靠性引入了冗余测控装置。冗余测控装置需要能够对变电站内至少16个间隔进行功能后备，冗余测控中运行至少16个虚拟间隔，每个虚拟间隔的功能和配置与实体间隔相同，虚拟测控在对应的实体测控退出运行时启动，实现后备功能。
目前主流的实现方法是采用多个过程层插件或多核的方式来实现多个虚拟间隔的运行。多核方案一般是采用一个Core(核)运行一个虚拟间隔的功能，那么选用的CPU必须含有至少有16个Core。另外一个常用方案是采用多个过程层插件堆砌的方式，该方案中假设每个CPU支持4个Core，那么共需采用4个过程层插件。CPU的Core越多成本越大，越复杂，插件越多功耗越大，设计越复杂，成本也高，且难以维护。上述两种方式从成本的考虑上均存在不足，由于只有在实体间隔测控故障或检修的情况下才需要投入冗余测控中相应的虚拟间隔测控，从实际工程维护来看，大多情况下一座变电站同时故障或进行维修的测控装置数量不会太多，一般在3台左右。因此冗余测控装置没有必要满足同时运行16个虚拟间隔的能力，只需能对检修或故障间隔进行功能后备即可。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放的方法，解决了现有技术冗余测控装置虚拟间隔加载和释放成本高、设计复杂和难以维护的问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，包括过程层插件、HMI插件、电源插件和显示插件；
过程层插件包括：FPGA芯片、第一CPU芯片、第一FLASH芯片和RAM芯片，FPGA芯片通过光口分别接入过程层A、B网交换机，用于获取间隔的过程层SV报文和GOOSE报文；FPGA芯片将收到的过程层报文进行解析后得到间隔数据，将间隔数据分别存储到RAM芯片对应的间隔内存中；第一CPU芯片获取RAM芯片中的间隔数据用于计算间隔的遥测、遥信；第一CPU芯片还用于根据HMI插件发送的间隔映射配置文件加载或释放间隔测控功能任务，第一FLASH芯片用于存放虚拟间隔功能配置文件，供第一CPU芯片调用；
HMI插件包括第二CPU芯片和第二FLASH芯片；第二CPU芯片用于根据虚拟间隔投退状态生成间隔映射配置文件，并发送给第一CPU芯片，根据间隔映射配置文件加载或释放IEC61850服务任务；第二FLASH芯片用于存储虚拟间隔的IEC61850配置文件，供第二CPU芯片调用；第二CPU芯片还接收和处理第一CPU芯片发送的遥测、遥信信息，并发送给显示插件显示；
电源插件用于给其他插件供给工作电压。
进一步的，所述过程层插件和HMI插件在各自的FLASH芯片中以独立文件夹的方式分别存储了所有虚拟间隔的功能配置文件和IEC61850配置文件。
进一步的，所述RAM芯片中开辟一块共享内存，该内存按间隔划分，FPGA将解析后的数据对应存储到各个间隔内存区中，并将该内存区域与第一CPU芯片共享，供第一CPU芯片对各间隔数据调用。
进一步的，所述第一CPU芯片和第二CPU芯片相同型号，采用多核处理器，第一CPU芯片的第一个核Core0用作计算虚拟间隔的遥测、遥信、通信告警、装置运行状态信息，并通过插件间的内部总线发送至HMI插件；第二CPU芯片的第一个核Core0用于界面显示和设置。
进一步的，所述第一CPU芯片的其他核用于解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则释放现有间隔的任务，重新加载新间隔的功能配置文件并启动间隔测控功能任务，如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔各项任务；所述第二CPU芯片的其他核用于解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则首先释放现有虚拟间隔相关的各个任务，重新加载新间隔的IEC61850配置文件并启动间隔IEC61850服务任务；如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔各项任务。
进一步的，所述显示插件包括液晶和按键。
进一步的，所述HMI插件还与监控后台连接，通过MMS报文进行通信，交互的数据有遥信、遥测和遥控数据。
一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放的方法，包括步骤：
响应于虚拟间隔投退软压板的状态变化，HMI插件获取到需要运行或者退出运行的虚拟间隔编号，HMI插件的第二CPU芯片根据所述编号和已保存的间隔映射配置文件自动进行CPU资源分配，生成新的间隔映射配置文件，并发送给过程层插件的第一CPU芯片；
HMI插件的第二CPU芯片和过程层插件的第一CPU芯片除第一核以外的其他核分别解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则释放现有虚拟间隔相关的各个任务，重新加载新间隔的IEC61850配置文件或者功能配置文件并启动间隔任务；如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔各个任务。
进一步的，HMI插件的第二CPU芯片的其他核重新加载新间隔的IEC61850配置文件并启动IEC61850服务任务。
进一步的，过程层插件的第一CPU芯片的其他核重新加载新间隔的功能配置文件并启动间隔测控功能任务。
本发明的有益效果：本发明操作人员对需要参与运行的后备虚拟间隔进行灵活部署，该方法可实时监测及更新各虚拟间隔的部署情况，并通过任务释放、新配置加载的方式实现冗余测控中各虚拟间隔功能的动态加载和释放，无需使用过多的CPU核或过程层插件，降低了冗余测控的硬件成本，减少了插件数量，降低了运维的复杂度；
本发明中过程层插件和HMI(人机接口)插件都选用同一款6核CPU，除了第一个核Core0处理所有间隔的遥测、遥信、通信告警、装置运行状态等信息的计算和显示以外，其它5个Core都可以用来运行16个虚拟间隔中的任意5个间隔，完全能够满足变电站现场运维的使用，同时降低了冗余测控装置的硬件成本，减少了插件数量，降低了运维的复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的冗余测控装置的整体架构示意图；
图2本发明实施例提供的过程层插件与HMI插件的配置文件说明；
图3本发明实施例提供的HMI插件间隔映射配置文件更新处理流程图；
图4本发明实施例提供的过程层插件间隔映射配置文件更新处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例1：
如图1所示，一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，装置包括：过程层插件、HMI插件、电源插件和显示插件，各插件通过母板进行电气连接。
电源插件通过母板与其他插件进行电连接，用以给这些插件供给工作电压。
显示插件包括液晶和按键，用于人机交互，主要是遥信、遥测状态的显示和各类配置参数的设定。液晶的显示和按键操作均与HMI插件中的CPU Core0交互。
过程层插件用于接入过程层SV(Sampled Values，采样值)报文，和收发GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)报文，并进行计算处理用以实现测控装置的遥信、遥测和遥控等功能；过程层插件包括FPGA芯片和一块6核第一CPU芯片、2G的第一FLASH芯片和128M RAM芯片；FPGA芯片通过两个千兆光口分别接入过程层A、B网交换机，能够获取所有16个间隔的过程层SV报文/GOOSE报文。
过程层插件支持对16个间隔的实体测控提供测控功能的后备，板上FPGA芯片负责接收和解析16个间隔的过程层(GOOSE、SV)数据报文，在插件内的RAM芯片中开辟一块共享内存，该内存按间隔划分，FPGA将收到的过程层数据报文进行解析后，将对应间隔的数据存储到16个相应间隔内存中，板上第一CPU芯片与FPGA芯片在硬件上分别与RAM芯片通过数据线和地址线并接，软件上采用访问互斥机制可以共享这16个间隔内存中的过程层数据。第一CPU芯片中第一个核Core0专用作计算16个间隔的遥测、遥信、通信告警、装置运行状态等信息，并记录这些数据的变化，其他五个核都可以通过动态加载16个虚拟间隔中的任意5个间隔的配置来实现5个间隔的测控功能，完全能够满足变电站现场运维的使用，同时降低了冗余测控装置的硬件成本，减少了插件数量，降低了运维的复杂度。第一CPU芯片中第一个核Core0的遥测、遥信信息通过插件间的内部总线发送至HMI插件，由HMI插件上第一个核Core0负责处理，并送显示插件进行显示。
第一FLASH芯片中存储有：各虚拟间隔的功能配置文件，包括：软件配置文件.ecs、硬件配置文件.ehc、和逻辑配置文件.egs，按间隔区分，每个间隔有独立的文件夹存放这些配置文件。软件配置文件主要包括定值、压板等资源的配置，硬件配置文件主要包括硬开入等硬件资源的配置。针对变电站不同类型的间隔，共分为三种间隔类型：线路测控、母线测控、3/2接线测控。
HMI插件包括一块和过程层插件中相同的6核第二CPU芯片、第二FLASH芯片，第二CPU芯片中的Core0负责界面的显示和设置功能，如遥信、遥测状态的显示、间隔部署设置、定值整定、IP地址修改、对时方式设置等，每个间隔具有独立的显示目录，Core0将其他核Coren的信息根据间隔映射配置文件对应地显示到相应的间隔目录中。
此外第二CPU芯片的Core0还负责接收、存储、显示本CPU其它核Coren产生的事件、状态等信息。第二CPU芯片的Core0通过显示配置文件对16个间隔的信息进行独立显示，其中的遥测、遥信、通信告警、装置运行状态等信息通过过程层插件的Core0获取，这些信息不受间隔映射配置文件影响，所有虚拟间隔根据实时值进行显示。
第二FLASH芯片存储有虚拟间隔的IEC61850配置文件；各虚拟间隔的IEC61850配置文件有：configured.cid、configured.ccd文件，按间隔区分，每个间隔有独立的文件夹。操作系统采用Linux操作系统，采用多进程方式，每个间隔测控的IEC61850服务任务都是一个单独的进程。
HMI插件的其它核负责5个虚拟测控的站控层通信功能，过程层插件除Core0之外的其它核负责5个虚拟测控的过程层数据处理和测控逻辑实现。HMI插件的core1-core5与过程层插件的core1-core5加载的是同一个虚拟测控不同的配置文件(分别为61850配置文件和功能配置文件)，配合起来实现一个完整的测控功能。
HMI插件还与监控后台连接，通过MMS报文进行通信，交互的数据有遥信、遥测和遥控数据。监控后台用于监测所有测控装置的运行状态，并可以对测控装置进行遥控。
由于实际工程运行中，冗余测控装置无需同时运行所有16个测控间隔的功能，因此可通过对需要投入运行的虚拟间隔进行人工选择和CPU Core资源自动分配，将这些虚拟间隔的功能动态部署到对应的CPU Core中去实现。
实施例2：
参照图2、3、4，一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法，包括步骤如下：
步骤1：响应于虚拟间隔投退软压板的状态变化，HMI插件获取到需要运行或者退出的虚拟间隔编号，HMI插件的第二CPU芯片的Core0根据所述编号和已保存的间隔映射配置文件自动进行CPU资源分配，生成新的间隔映射配置文件，并发送给过程层插件的第一CPU芯片的Core0。间隔映射配置文件中记载了CPU核和对应虚拟间隔的映射关系。
运维人员通过检修计划得知现场需要因检修而退出运行的实体测控装置编号，随后在显示插件或者监控后台上将与该实体间隔对应的虚拟间隔的投退软压板投入，(压板投入表示该虚拟间隔将启动运行，压板退出表示该虚拟间隔将退出运行)，假设1、3、4、5、8、9这6个实体测控装置退出运行，冗余测控装置则需要加载同样编号的实体测控的配置来虚拟相应的测控功能，HMI插件中第二CPU Core0负责给需要加载的6个虚拟间隔分配CPU资源，若已保存的间隔映射配置文件中未给CPU其他核分配虚拟间隔，则按照虚拟间隔编号递增的方式依次分配CPU Core。本例中的对应关系就是虚拟间隔1、3、4、5、8对应第二CPUCore1、Core2、Core3、Core4、Core5，因为投入的虚拟间隔总数大于5，因此虚拟间隔9无法被部署，在界面提示运维人员该虚拟间隔无法被加载，在设置完成后生成间隔映射配置文件。
若已保存的间隔映射配置文件中已经给部分CPU核分配了虚拟间隔，则按照虚拟间隔编号递增的方式依次分配给空闲CPU核；
间隔映射配置文件只需存储简单的映射关系即可，如“Bayx-Corey”，表明间隔x的功能在Corey中去实现。上述设置所产生的间隔映射配置文件内容则为“Bay1-Core1，Bay3-Core2，Bay4-Core3，Bay5-Core4，Bay8-Core5”。HMI插件生成该文件后会覆盖旧的间隔映射配置文件，同时也将该文件发送至过程层插件的Core0去覆盖旧的间隔映射配置文件。
当实体测控装置恢复正常运行后，运维人员将在显示插件或者监控后台上将与该实体间隔对应的虚拟间隔的投退软压板退出。假设1号实体测控装置恢复了正常运行，运维人员将对应的1号虚拟间隔投退软压板退出，获得需要退出运行的虚拟间隔编号。HMI插件中的Core0根据需要退出运行的虚拟间隔编号以及已有的间隔映射配置文件，生成新的间隔映射配置文件内容为“null-Core1，Bay3-Core2，Bay4-Core3，Bay5-Core4，Bay8-Core5”。并将该文件发送至过程层插件Core0。
步骤2，HMI插件中第二CPU芯片中的Core0以外的所有核Coren分别解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本Core上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则首先释放现有虚拟间隔相关的各个任务，重新加载新间隔的IEC61850配置文件并启动间隔IEC61850服务任务(即MMS通信服务)；如果本Core未配置加载虚拟间隔(null)，则释放现有间隔相关各项任务；
同时，过程层插件中除Core0以外的所有核Coren分别解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本Core上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则首先释放现有间隔相关各项任务，重新加载新间隔的功能配置文件并启动间隔测控功能任务，如果本Core未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔相关各项任务。间隔测控功能任务主要是实现间隔测控功能的实现，如遥测、遥信值处理，遥控命令执行，防误闭锁逻辑判断等。
过程层插件和HMI插件中除Core0以外的所有Coren，定期检查上述间隔映射配置文件的状态，一旦发现文件被更新则认为间隔部署发生了改变，开始解析该配置文件；
过程层插件Core0还会对所有间隔的遥测、遥信、通信告警等信息变化进行记录，记录包含变化的时间，变化前后的值等信息，每个间隔开辟500条记录的内存空间，记录在FLASH中。当某间隔被过程层插件Coren加载运行后，该间隔对应的Coren会将该间隔信息的历史变化记录发送至HMI插件中的Coren,最终以报告的方式发送至后台监控设备，避免了实体间隔测控与虚拟间隔测控在切换过程中的信息丢失。
在运维人员投退相关虚拟间隔后，过程层插件和HMI插件对应的Coren将会更新加载的虚拟间隔功能配置文件和IEC61850配置文件，实现新的间隔功能。由于过程层插件和HMI插件使用了同一种CPU芯片，解析的是同一个间隔映射配置文件，那么两个插件之间Coren的信息是具备间隔一致性的，可以按照Core的序号进行简单的一对一通信，降低了设计难度。
操作人员对需要参与运行的后备虚拟间隔进行灵活部署，该方法可实时监测及更新各虚拟间隔的部署情况，并通过任务卸载、新配置载入、重启相关任务等方式实现冗余测控中各虚拟间隔功能的动态加载和释放，无需使用过多的CPU核或过程层插件，降低了冗余测控的硬件成本，减少了插件数量，降低了运维的复杂度。
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)

1.一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，其特征在于，包括过程层插件、HMI插件、电源插件和显示插件；
过程层插件包括：FPGA芯片、第一CPU芯片、第一FLASH芯片和RAM芯片，FPGA芯片通过光口分别接入过程层A、B网交换机，用于获取间隔的过程层SV报文和GOOSE报文；FPGA芯片将收到的过程层报文进行解析后得到间隔数据，将间隔数据分别存储到RAM芯片对应的间隔内存中；第一CPU芯片获取RAM芯片中的间隔数据用于计算间隔的遥测、遥信；第一CPU芯片还用于根据HMI插件发送的间隔映射配置文件加载或释放间隔测控功能任务，第一FLASH芯片用于存放虚拟间隔功能配置文件，供第一CPU芯片调用；
HMI插件包括第二CPU芯片和第二FLASH芯片；第二CPU芯片用于根据虚拟间隔投退状态生成间隔映射配置文件，并发送给第一CPU芯片，根据间隔映射配置文件加载或释放IEC61850服务任务；第二FLASH芯片用于存储虚拟间隔的IEC61850配置文件，供第二CPU芯片调用；第二CPU芯片还接收和处理第一CPU芯片发送的遥测、遥信信息，并发送给显示插件显示；
电源插件用于给其他插件供给工作电压；
所述第一CPU芯片和第二CPU芯片相同型号，采用多核处理器，第一CPU芯片的第一个核Core0用作计算虚拟间隔的遥测、遥信、通信告警、装置运行状态信息，并通过插件间的内部总线发送至HMI插件；第二CPU芯片的第一个核Core0用于界面显示和设置；
所述第一CPU芯片除第一个核Core0以外的其他核用于解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则释放现有间隔的任务，重新加载新间隔的功能配置文件并启动间隔测控功能任务，如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔各项任务；所述第二CPU芯片除第一个核Core0以外的其他核用于解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则首先释放现有虚拟间隔相关的各个任务，重新加载新间隔的IEC61850配置文件并启动间隔IEC61850服务任务；如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔各项任务。
2.根据权利要求1所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，其特征在于，所述过程层插件和HMI插件在各自的FLASH芯片中以独立文件夹的方式分别存储了所有虚拟间隔的功能配置文件和IEC61850配置文件。
3.根据权利要求1所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，其特征在于，所述RAM芯片中开辟一块共享内存，该内存按间隔划分，FPGA将解析后的数据对应存储到各个间隔内存区域中，并将该内存区域与第一CPU芯片共享，供第一CPU芯片对各间隔数据调用。
4.根据权利要求1所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，其特征在于，所述显示插件包括液晶和按键。
5.根据权利要求1所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放系统，其特征在于，所述HMI插件还与监控后台连接，通过MMS报文进行通信，交互的数据有遥信、遥测和遥控数据。
6.一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放的方法，其特征在于，包括步骤：
响应于虚拟间隔投退软压板的状态变化，HMI插件获取到需要运行或者退出运行的虚拟间隔编号，HMI插件的第二CPU 芯片根据所述编号和已保存的间隔映射配置文件进行CPU资源分配，生成新的间隔映射配置文件，并发送给过程层插件的第一CPU芯片；
HMI插件的第二CPU芯片和过程层插件的第一CPU芯片除第一核以外的其他核分别解析间隔映射配置文件，获取当前被分配到本核上的虚拟间隔号，如果与现有虚拟间隔号相同，则不作处理；如果不同则释放现有虚拟间隔任务，重新加载新间隔的IEC61850配置文件或者功能配置文件并启动间隔任务；如果本核未配置加载虚拟间隔，则释放现有间隔任务。
7.根据权利要求6所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法，其特征在于，HMI插件的第二CPU芯片的其他核重新加载新间隔的IEC61850配置文件并启动IEC61850服务任务。
8.根据权利要求6所述的一种冗余测控装置虚拟间隔动态加载和释放方法，其特征在于，过程层插件的第一CPU芯片的其他核重新加载新间隔的功能配置文件并启动间隔测控功能任务。
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