變電站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

卓懷忠，張玉姣，陶潁軍，王興安，竇中山

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

目前，對(duì)于變電站海量數(shù)據(jù)的管理并沒(méi)有完全成熟的辦法，其技術(shù)難度主要是大量數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作極易對(duì)磁盤造成損壞。有人提出采用分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，但其成本、技術(shù)難度都比較高，并沒(méi)有得到廣泛的推廣[1]。本文采用的數(shù)據(jù)管理方式是直接通過(guò)索引文件對(duì)磁盤操作，減少了磁頭的使用率，提高了磁盤的使用壽命[2]，且方法簡(jiǎn)單、效率高。

變電站數(shù)據(jù)管理存在的第二個(gè)技術(shù)難題是對(duì)于其不同協(xié)議的報(bào)文的解析及展示沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)，不同的廠家采用不同方法處理，對(duì)于細(xì)節(jié)處理不盡相同，給變電站的運(yùn)維人員帶來(lái)了操作和理解上的難度。本文采用模塊化設(shè)計(jì)，降低了不同協(xié)議報(bào)文之間的耦合性，并且解析方法和展示效果可通過(guò)配置文件靈活配置，也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行改動(dòng)，提高了用戶數(shù)據(jù)處理的工作效率。

1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的唯一接口，多個(gè)采集口分別采集不同的數(shù)據(jù)，按照特定格式重新組織打包，形成滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)與解析要求的報(bào)文格式。采集流程如圖1所示。

采集口網(wǎng)絡(luò)模塊為百兆/千兆自適應(yīng)模式，根據(jù)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量大小靈活配置。采集口采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)硬件FPGA模塊加上系統(tǒng)時(shí)標(biāo)[3]，按照網(wǎng)絡(luò)報(bào)文格式組織成標(biāo)準(zhǔn)的CAP格式報(bào)文，然后將每個(gè)采集口的數(shù)據(jù)匯總起來(lái)，形成一個(gè)總的大包數(shù)據(jù)。最后，可選擇硬件壓縮卡壓縮或軟件壓縮算法來(lái)將大包數(shù)據(jù)壓縮成容量更小的壓縮包，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[4]。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Data acquisition diagram

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能夠?qū)⑶捌诋a(chǎn)生的數(shù)據(jù)完整地保存下來(lái)以備查看分析。站內(nèi)保護(hù)裝置以及后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)都有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，但受限于容量大小和數(shù)據(jù)處理的要求，滿足不了站內(nèi)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析和查看需求。該系統(tǒng)使用4 TB容量硬盤，能夠連續(xù)不間斷地存儲(chǔ)至少7天的數(shù)據(jù)報(bào)文，并且具有檢索方便、速度快的特點(diǎn)。

為了滿足上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種自定義文件系統(tǒng)的方法，在硬盤數(shù)據(jù)區(qū)外定義了一個(gè)索引文件，用來(lái)記錄所存報(bào)文的有關(guān)信息。每保存一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)包，會(huì)將該數(shù)據(jù)包所在分區(qū)號(hào)、數(shù)據(jù)包起始地址、起始及結(jié)束時(shí)間以及數(shù)據(jù)包的大小等信息記錄下來(lái)，用戶查找數(shù)據(jù)時(shí)，再根據(jù)索引文件直接定位到硬盤分區(qū)對(duì)應(yīng)的地址上。數(shù)據(jù)包讀取流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包讀取示意Fig.2 Reading data packet diagram

該硬盤讀寫(xiě)不依賴文件系統(tǒng)，避免了二次操作，提高了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的速度。在此基礎(chǔ)上，程序定期地對(duì)索引文件進(jìn)行維護(hù)，發(fā)現(xiàn)索引文件和硬盤數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)時(shí)重新建立索引文件，保證了數(shù)據(jù)的安全性[5]。同時(shí)用戶讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只需要提供數(shù)據(jù)的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間即可。數(shù)據(jù)索引維護(hù)流程如圖3所示。

為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到硬盤剩余空間不足時(shí)，采用先入先出的原則，清理掉最早的報(bào)文，并將最新的報(bào)文寫(xiě)入，如此循環(huán)。

圖3 數(shù)據(jù)索引維護(hù)示意Fig.3 Data index maintenance diagram

3 報(bào)文數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)發(fā)

數(shù)據(jù)解析是按照配置的特定條件來(lái)判別報(bào)文里發(fā)生的“事件”、“狀態(tài)”和“統(tǒng)計(jì)”3 種數(shù)據(jù)項(xiàng)。 “事件”表示監(jiān)測(cè)的鏈路對(duì)象有錯(cuò)誤，需要立即報(bào)告；“狀態(tài)”表示監(jiān)測(cè)的鏈路對(duì)象某類狀態(tài)發(fā)生改變；“統(tǒng)計(jì)”表示監(jiān)測(cè)對(duì)象在一定周期內(nèi)發(fā)生變化的次數(shù)。數(shù)據(jù)解析流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析示意Fig.4 Data analysis diagram

前端采集到的數(shù)據(jù)首先判別協(xié)議類型，然后根據(jù)配置工具所配置的判別條件進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的解析，最后按照數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。配置工具配置效果如圖5所示。

所解析的狀態(tài)類數(shù)據(jù)項(xiàng)包括通信狀態(tài)、時(shí)間狀態(tài)、配置狀態(tài)、連接狀態(tài)等；所解析的時(shí)間類數(shù)據(jù)項(xiàng)包括遙控操作、定值操作、采樣丟幀、發(fā)送超時(shí)等；所解析的統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)項(xiàng)包括連接中斷次數(shù)、通信響應(yīng)超時(shí)次數(shù)、報(bào)告控制塊初始化次數(shù)、報(bào)文字節(jié)數(shù)、丟幀次數(shù)等。

圖5 配置工具生成配置文件Fig.5 Configuration files generates by configuration tool

數(shù)據(jù)的采集、解析與存儲(chǔ)完成后，需要發(fā)送給展示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，為了保證模塊之間的相互獨(dú)立性，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)發(fā)模塊，專門負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。解析流程如圖6所示。

圖6 解析流程示意Fig.6 Analytical process diagram

4 數(shù)據(jù)信息展示

數(shù)據(jù)展示是對(duì)數(shù)據(jù)處理直觀的最終顯示。把不同格式的數(shù)據(jù)完全展示到人機(jī)界面上，需要有統(tǒng)一的規(guī)劃和特點(diǎn)，使界面簡(jiǎn)潔、整齊。本文設(shè)計(jì)的人機(jī)界面如圖7所示。

展示的界面設(shè)計(jì)主要分為四部分。第一部分為全站工況光字牌，站內(nèi)每個(gè)間隔都對(duì)應(yīng)一個(gè)光字牌，該間隔有通信中斷或異常時(shí)，相應(yīng)的光字牌會(huì)變成不同的顏色進(jìn)行提示；第二部分為鏈路回路展示圖，鏈路回路上能夠展示具體鏈路的通信狀態(tài)、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流狀態(tài)；第三部分為具體鏈路的詳細(xì)信息，包括具體事件是否發(fā)生、具體狀態(tài)的狀態(tài)量以及所統(tǒng)計(jì)項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)值等信息；第四部分為采集模塊的采集信息，包含每個(gè)采集口的流量、幀速等信息。該界面從整體到局部，從示意圖到具體表格，完整地展現(xiàn)了所需數(shù)據(jù)的具體信息，方便操作人員清晰地掌握當(dāng)前變電站的運(yùn)行工況。

圖7 展示界面效果Fig.7 Interface display diagram

5 結(jié)語(yǔ)

本方法從數(shù)據(jù)的流向出發(fā)，介紹了對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，采集后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與解析，以及解析完成后的轉(zhuǎn)發(fā)與展示。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)管理的各個(gè)流程詳細(xì)說(shuō)明，并最終以界面的方式展現(xiàn)給用戶。本方法能夠完成站內(nèi)數(shù)百兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解析與離線存儲(chǔ)，且運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，能夠滿足實(shí)際變電站的需求，可以在變電站推廣應(yīng)用。

[1]王宇，張建偉，盧昱.構(gòu)建安全的分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，21（10）：109-111.

[2]王興安，竇中山，金華蓉，等.智能變電站新型網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)[J].電氣技術(shù)，2014（2）：82-85.

[3]鄔春明，程亮.變電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2014，51（3）：64-67.

[4]鄭翠芳.幾種常用無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮算法研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2011，21（9）：73-76.

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