CN112542887A - 一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统 - Google Patents

一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统。所述系统由：I区包括变电站模块和储能站模块；变电站模块设有三层两网；储能站模块设有监视控制网，监视控制网按电池组分区分别设置各个子网，再通过汇聚交换机级联至站控层网络；II区用于传输变电站模块中设备在线监测相关信息及全站各个功能模块分区的环境、安防、消防信息；IV区用于传输全站各个功能模块区域的视频监视图像信息。本发明基于一体化监控平台，通过创建虚拟机的方式，实现站控层应用功能与硬件服务器设备的解耦，及其在硬件层设备不同服务器上的在线迁移，从而避免软硬件烟囱林立现象及不同厂家间的软硬件兼容问题，提升硬件应用效率及系统可靠性。

Description

一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统
技术领域
本发明属于多站融合监控系统技术领域，具体涉及一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统。
背景技术
多站融合指的是充分利用变电站现有空间、人力、供能、自动化管理等资源，就近消纳新能源，统筹设计优化变电站、数据中心站、储能站、5G基站、北斗地面增强站等整体建设方案，通过变电站一站多用、资源整合、商业模式创新等举措实现整体节能增效的一种新型能源信息体建设模式。
对多个功能模块的统一监控是信息管控融合的主要方面，目前国内已建的多站融合站多采用的是在变电站监控系统基础架构，在此基础上新增数据服务器及安全防护设备，用于站内其它功能模块的信息一体化采集与处理。
现有的监控系统架构实现了一体化监控的功能，但简单的叠加关系导致了如下问题：
（1）软硬件紧密耦合，随着站控层相关功能增加，硬件数量直线上升，成本与运维工作量相应增加，不利于系统扩展。目前的监控系统软件与硬件基本是一一对应的关系，即由固定的服务器安装单个或多个固定的软件，实现固定的功能，软件与硬件之间的对应关系是明确且固定的，这种模式简单清晰，但是对于多站融合型变电站而言，当站控层的软件功能需求增加时，相应的硬件也几乎成线性的比例增加，导致成本和运维工作量大幅增加。
（2）各个子系统间呈烟囱状关系，未进行有效整合，不利于信息的一体化展示，造成信息筛选困难，运维难度加大。多站融合站监控系统不仅包含了变电站原有的监控、计量、保信、录波、PMU、在线监测、智能辅控、消防等多个子系统，还包含了储能站电池信息监控、能量管理系统，以及储能、数据中心等建筑区域的安消防及环境的信息监控子系统，系统数量和信息数据量都显著增多，如果仍旧采用传统的模式，子系统间主机独立，信息相对隔离，冗繁的系统和散乱的信息导致运维人员需要辗转于不同的系统间，人为分析信息间的关联关系，运维工作量巨大。
（3）不同厂家间的系统难以兼容，无法取多家之长，同一厂家的设备升级改造困难。现有的监控系统方案一般由监控系统厂家提供一体化监控系统平台，并同步提供后台的一系列功能软件，软件提供商单一，难集各家之长，优化站控层后台功能配置。
鉴于上述问题，本申请提出了一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，基于一体化监控平台，通过创建虚拟机的方式，实现站控层应用功能与硬件服务器设备的解耦，及其在硬件层设备不同服务器上的在线迁移，从而避免软硬件烟囱林立现象及不同厂家间的软硬件兼容问题，提升硬件应用效率及系统可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，基于一体化监控平台，通过创建虚拟机的方式，实现站控层应用功能与硬件服务器设备的解耦，及其在硬件层设备不同服务器上的在线迁移，从而避免软硬件烟囱林立现象及不同厂家间的软硬件兼容问题，提升硬件应用效率及系统可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，所述系统分为三个安全区域I区、II区和IV区，其中：
I区包括变电站模块和储能站模块；变电站模块设有三层两网，三层包括站控层设备、间隔层设备和过程层设备，两网包括站控层网和过程层网，其中站控层设备和间隔层设备接入站控层网络，间隔层设备和过程层设备接入过程层网络；站控层网络用于站控层设备与间隔层设备间的信息交互；过程层网络用于过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的信息交互；储能站模块设有监视控制网，监视控制网可分开设置，也可合并设置，按电池组分区分别设置各个子网，再通过汇聚交换机级联至站控层网络；
II区用于传输变电站模块中设备在线监测相关信息及全站各个功能模块分区的环境、安防、消防信息；
IV区用于传输全站各个功能模块区域的视频监视图像信息。
在本发明一实施例中，站控层设备与间隔层设备间的交互信息，包括：间隔层设备上送的电网实时运行信息、变电站内一二次设备的状态信息、站内其它功能模块站用电相关设备状态信息，以及站控层设备向间隔层设备下发的各类控制命令类信息。
在本发明一实施例中，过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的交互信息，包括：一次设备电压电流模拟量信息、一次设备状态开关量信息、过程层设备状态信息、间隔层二次设备间的联闭锁信息。
在本发明一实施例中，监视控制网分为监视网和控制网，其中监视网用于传输电池状态信息、PCS状态信息，控制网用于传输有功、无功功率控制相关信息。
在本发明一实施例中，所述站控层网采用基于虚拟机的松耦合架构，其自下而上分别是硬件层、操作系统层、管理层和应用层四层逻辑框架，其中：
硬件层用于运行各类应用软件的服务器，按分区分业务的原则，全站设有变电站模块I区硬件层、储能站模块I区硬件层、II区硬件层和IV区硬件层，每一个硬件层有多个服务器；
宿主机操作系统层是直接运行于硬件层上的操作系统；
资源管理层用于实现对共享同一硬件层内服务器资源的应用程序进行IT资源的合理分配与管理；
应用层即应用程序的集合，应用程序以两种形式存在，一种是采用常规的变电站监控系统方案，具有独立的硬件设备，安装特定的程序，实现特定的功能，包括I区和II区对调控/集控站端通信的数据通信网关机和IV区的智能巡检主机；另一种是采用共享服务器硬件资源，以虚拟机的形式存在的实现各类功能的应用程序，每个虚拟机的逻辑框架包括有虚拟操作系统、虚拟资源和应用程序，应用程序在执行指令的过程中，只需与虚拟操作系统交互，再由虚拟操作系统向宿主机操作系统发送指令，调用硬件层的设备。
在本发明一实施例中，所述资源管理层通过虚拟机的资源分配策略实现虚拟机的资源分配，具体方式如下：
（1）首先统计应用程序总数量y，并排成序列Y1、Y2、…、Yy；
（2）再统计统计服务器总数量f，并排成序列F1、F2、…、Ff；
（3）令应用程序Yn=Y1，服务器Fm=F1；
（4）为应用程序Yn在服务器Fm创建虚拟机；
（5）比较n是否小于y，如小于，则进入步骤（6），如不小于，则说明分配结束，结束分配程序；
（6）令Yn=Yn+1；
（7）统计应用程序Yn的实时、内存、存储指标在全部应用程序中的排序，并选择排名最靠前的指标；其中实时性指标通过统计应用程序的流入流出流量总和得来，数值越大，排名越靠前；内存指标通过统计应用程序的运行时内存占用率得来，数值越大，排名越靠前；存储指标通过统计应用程序本身及运行过程中所需存储空间总和得来，数值越大，排名越靠前；
（8）根据上一步的统计判断应用程序Yn是否实时性排名最靠前，如是，则进入步骤（11），如不是，则进入步骤（9）；
（9）根据步骤（8）的统计判断应用程序Yn是否内存占用排名最靠前，如是，则进入步骤（12），如不是，则进入步骤（10）；
（10）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序存储占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（11）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序流量总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（12）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序内存占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（13）假设将在服务器Fm创建应用程序Yn的虚拟机；
（14）对所有服务器的运行性能指标进行监测，判断是否超过预先设定的限值，如超过，则将其从服务器集中剔除，不再进入下一轮分配，并返回步骤（7），如没有越限，则进入下一轮分配，循环进入步骤（4）。
在本发明一实施例中，所述变电站模块的虚拟机应用程序包括有数据采集、数据辨识、运行监视、设备监视、操作控制、一键顺控、防误校核、故障分析、事件追忆、无功优化、模型配置、安全监测。
在本发明一实施例中，所述储能站模块的虚拟机应用程序包括有能量管理、电池监测。
在本发明一实施例中，所述II区的虚拟机应用程序包括有在线监测、环境监视、安防监视、消防监视。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）站控层的应用功能与硬件服务器设备实现解耦，不再是一一对应的关系，从而避免了扩充应用功能时伴随着站控层硬件设备数量急剧增长的现象，在保证负载均衡的基础上可以实现硬件资源最大化共享。
（2）应用程序对应的虚拟机可以实现在一个硬件层的多台服务器间在线迁移，意味着多台服务器是相互备用的功能，可靠性较常规主备方案更高。
（3）站控层应用程序与硬件之间无直接关联，从而避免了不同厂家间的软硬件兼容性问题，可以实现不同厂家应用程序功能软件的优化集成。
（4）站控层的应用程序间的操作系统相互独立，单个程序故障不影响其它程序的正常运行，系统可靠性大幅提升。
附图说明
图1为本发明监控系统架构图。
图2为本发明站控层基本框架图。
图3为本发明虚拟机的资源分配策略。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，所述系统分为三个安全区域I区、II区和IV区，其中：
I区包括变电站模块和储能站模块；变电站模块设有三层两网，三层包括站控层设备、间隔层设备和过程层设备，两网包括站控层网和过程层网，其中站控层设备和间隔层设备接入站控层网络，间隔层设备和过程层设备接入过程层网络；站控层网络用于站控层设备与间隔层设备间的信息交互；过程层网络用于过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的信息交互；储能站模块设有监视控制网，监视控制网可分开设置，也可合并设置，按电池组分区分别设置各个子网，再通过汇聚交换机级联至站控层网络；
II区用于传输变电站模块中设备在线监测相关信息及全站各个功能模块分区的环境、安防、消防信息；
IV区用于传输全站各个功能模块区域的视频监视图像信息。
以下为本发明的具体实施过程。
如图1所示，本发明监控系统采用一体化监控系统和IEC61850规约，对应变电站监控系统安全分区要求，共划分为I区、II区和IV区，站内各功能模块监控信息在各分区内共同组网。
I区由变电站模块和储能站模块设备组成。变电站模块设有三层两网，三层设备包括站控层设备、间隔层设备和过程层设备，两网即站控层网和过程层网，其中站控层和间隔层设备接入站控层网络，间隔层和过程层设备接入过程层网络。站控层网络用于站控层设备与间隔层设备间的信息交互，包括间隔层设备上送的电网实时运行信息、变电站内主要一、二次设备的状态信息、站内其它功能模块站用电相关设备状态信息，以及站控层设备向间隔层设备下发的各类控制命令类信息；过程层网络则用于过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的信息交互，包括一次设备电压电流模拟量信息、一次设备状态开关量信息、过程层设备状态信息、间隔层二次设备间的联闭锁信息。储能站模块设有监视控制网，监视控制网可分开设置，也可合并设置，按电池组分区分别设置各个子网，再通过汇聚交换机级联至站控层网络，监视网主要用于传输电池状态信息、PCS状态信息，控制网主要用于传输有功、无功功率控制相关信息。
II区用于传输变电站模块中设备在线监测相关信息及全站各个功能模块分区的环境、安防、消防信息。
IV区用于传输全站各个功能模块区域的视频监视图像信息。
站控层采用基于虚拟机的松耦合架构，基本框架如图2所示：
站控层采用四层逻辑框架，自下而上分别是硬件层、操作系统层、管理层和应用层。
硬件层指用于运行各类应用软件的服务器，为提升系统安全性和便于设备的运行维护管理，按分区分业务的原则，I区、II区及IV区的硬件设备物理独立，分别设置，I区内变电站模块和储能站模块的硬件设备物理独立，分别设置。因而全站设有变电站模块I区硬件层、储能站模块I区硬件层、II区硬件层和IV区硬件层，每一个硬件层包含了多个服务器。
宿主机操作系统层指的是直接运行于硬件层上的操作系统，安装宿主机操作系统的目的是为避免上层应用的虚拟软件与硬件设备的兼容性问题，采用常规的Windows或Linux操作系统即可。
资源管理层指的是用于实现对共享同一硬件层内服务器资源的应用程序进行IT资源的合理分配与管理，具备创建、删除、在线迁移、启动、关闭、冻结和备份虚拟机的功能。
应用层指的是应用程序的集合，应用程序以两种形式存在，一种是采用常规的变电站监控系统方案，具有独立的硬件设备，安装特定的程序，实现特定的功能，包括I区和II区对调控/集控站端通信的数据通信网关机和IV区的智能巡检主机；另一种是采用共享服务器硬件资源，以虚拟机的形式存在的实现各类功能的应用程序，每个虚拟机的逻辑框架包括有虚拟操作系统、虚拟资源（CPU、内存、存储、外设等）和应用程序，应用程序在执行指令的过程中，只需与虚拟操作系统交互，再由虚拟操作系统向宿主机操作系统发送指令，调用硬件层的设备。虚拟操作系统不必与宿主机操作系统完全相同，同时由于虚拟操作系统不必直接调用硬件层设备，因此，避免了软硬件的兼容性问题。变电站模块的虚拟机应用程序包括有数据采集、数据辨识、运行监视、设备监视、操作控制、一键顺控、防误校核、故障分析、事件追忆、无功优化、模型配置、安全监测等；储能站模块的虚拟机应用程序包括有能量管理、电池监测等；II区的虚拟机应用程序包括有在线监测、环境监视、安防监视、消防监视等。以上应用程序均可根据需求进行自由删减，当需要增加新功能时，只需在相应的硬件层设备上通过资源管理层相关程序新增一个虚拟机，并装载相应的应用程序即可，当需要删减已有的应用程序时，只需通过资源管理层相关程序删除相应的应用程序即可。
虚拟机虽可实现在同一硬件层内不同的服务器间进行在线迁移，但对于任一时间断面，某个特定的虚拟机是运行在特定的服务器上，那么某个虚拟机应该运行在哪一个服务器上是一个IT资源分配问题，这项工作由资源管理层完成，如图3所示，，分配策略如下：
（1）首先统计应用程序总数量y，并排成序列Y1、Y2、…、Yy；
（2）再统计统计服务器总数量f，并排成序列F1、F2、…、Ff；
（3）令应用程序Yn=Y1，服务器Fm=F1；
（4）为应用程序Yn在服务器Fm创建虚拟机；
（5）比较n是否小于y，如小于，则进入步骤（6），如不小于，则说明分配结束，结束分配程序；
（6）令Yn=Yn+1；
（7）统计应用程序Yn的实时、内存、存储指标在全部应用程序中的排序，并选择排名最靠前的指标；其中实时性指标通过统计应用程序的流入流出流量总和得来，数值越大，排名越靠前；内存指标通过统计应用程序的运行时内存占用率得来，数值越大，排名越靠前；存储指标通过统计应用程序本身及运行过程中所需存储空间总和得来，数值越大，排名越靠前；
（8）根据上一步的统计判断应用程序Yn是否实时性排名最靠前，如是，则进入步骤（11），如不是，则进入步骤（9）；
（9）根据步骤（8）的统计判断应用程序Yn是否内存占用排名最靠前，如是，则进入步骤（12），如不是，则进入步骤（10）；
（10）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序存储占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（11）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序流量总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（12）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序内存占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（13）假设将在服务器Fm创建应用程序Yn的虚拟机；
（14）对所有服务器的运行性能指标进行监测，判断是否超过预先设定的限值，如超过，则将其从服务器集中剔除，不再进入下一轮分配，并返回步骤（7），如没有越限，则进入下一轮分配，循环进入步骤（4）。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述系统分为三个安全区域I区、II区和IV区，其中：
I区包括变电站模块和储能站模块；变电站模块设有三层两网，三层包括站控层设备、间隔层设备和过程层设备，两网包括站控层网和过程层网，其中站控层设备和间隔层设备接入站控层网络，间隔层设备和过程层设备接入过程层网络；站控层网络用于站控层设备与间隔层设备间的信息交互；过程层网络用于过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的信息交互；储能站模块设有监视控制网，监视控制网可分开设置，也可合并设置，按电池组分区分别设置各个子网，再通过汇聚交换机级联至站控层网络；
II区用于传输变电站模块中设备在线监测相关信息及全站各个功能模块分区的环境、安防、消防信息；
IV区用于传输全站各个功能模块区域的视频监视图像信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，站控层设备与间隔层设备间的交互信息，包括：间隔层设备上送的电网实时运行信息、变电站内一二次设备的状态信息、站内其它功能模块站用电相关设备状态信息，以及站控层设备向间隔层设备下发的各类控制命令类信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，过程层设备与间隔层设备间、过程层设备间、间隔层设备间的交互信息，包括：一次设备电压电流模拟量信息、一次设备状态开关量信息、过程层设备状态信息、间隔层二次设备间的联闭锁信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，监视控制网分为监视网和控制网，其中监视网用于传输电池状态信息、PCS状态信息，控制网用于传输有功、无功功率控制相关信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述站控层网采用基于虚拟机的松耦合架构，其自下而上分别是硬件层、操作系统层、管理层和应用层四层逻辑框架，其中：
硬件层用于运行各类应用软件的服务器，按分区分业务的原则，全站设有变电站模块I区硬件层、储能站模块I区硬件层、II区硬件层和IV区硬件层，每一个硬件层有多个服务器；
宿主机操作系统层是直接运行于硬件层上的操作系统；
资源管理层用于实现对共享同一硬件层内服务器资源的应用程序进行IT资源的合理分配与管理；
应用层即应用程序的集合，应用程序以两种形式存在，一种是采用常规的变电站监控系统方案，具有独立的硬件设备，安装特定的程序，实现特定的功能，包括I区和II区对调控/集控站端通信的数据通信网关机和IV区的智能巡检主机；另一种是采用共享服务器硬件资源，以虚拟机的形式存在的实现各类功能的应用程序，每个虚拟机的逻辑框架包括有虚拟操作系统、虚拟资源和应用程序，应用程序在执行指令的过程中，只需与虚拟操作系统交互，再由虚拟操作系统向宿主机操作系统发送指令，调用硬件层的设备。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述资源管理层通过虚拟机的资源分配策略实现虚拟机的资源分配，具体方式如下：
（1）首先统计应用程序总数量y，并排成序列Y1、Y2、…、Yy；
（2）再统计统计服务器总数量f，并排成序列F1、F2、…、Ff；
（3）令应用程序Yn=Y1，服务器Fm=F1；
（4）为应用程序Yn在服务器Fm创建虚拟机；
（5）比较n是否小于y，如小于，则进入步骤（6），如不小于，则说明分配结束，结束分配程序；
（6）令Yn=Yn+1；
（7）统计应用程序Yn的实时、内存、存储指标在全部应用程序中的排序，并选择排名最靠前的指标；其中实时性指标通过统计应用程序的流入流出流量总和得来，数值越大，排名越靠前；内存指标通过统计应用程序的运行时内存占用率得来，数值越大，排名越靠前；存储指标通过统计应用程序本身及运行过程中所需存储空间总和得来，数值越大，排名越靠前；
（8）根据上一步的统计判断应用程序Yn是否实时性排名最靠前，如是，则进入步骤（11），如不是，则进入步骤（9）；
（9）根据步骤（8）的统计判断应用程序Yn是否内存占用排名最靠前，如是，则进入步骤（12），如不是，则进入步骤（10）；
（10）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序存储占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（11）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序流量总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（12）统计并比较剩余的服务器指标，选择已有应用程序内存占用总和最小的服务器设为Fm，并进行步骤（13）；
（13）假设将在服务器Fm创建应用程序Yn的虚拟机；
（14）对所有服务器的运行性能指标进行监测，判断是否超过预先设定的限值，如超过，则将其从服务器集中剔除，不再进入下一轮分配，并返回步骤（7），如没有越限，则进入下一轮分配，循环进入步骤（4）。
7.根据权利要求5所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述变电站模块的虚拟机应用程序包括有数据采集、数据辨识、运行监视、设备监视、操作控制、一键顺控、防误校核、故障分析、事件追忆、无功优化、模型配置、安全监测。
8.根据权利要求5所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述储能站模块的虚拟机应用程序包括有能量管理、电池监测。
9.根据权利要求5所述的一种基于虚拟机的松耦合架构多站融合监控系统，其特征在于，所述II区的虚拟机应用程序包括有在线监测、环境监视、安防监视、消防监视。
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