大數(shù)據(jù)通信平臺的智能集成廣域保護控制系統(tǒng)設(shè)計

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(東南大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

0 引言

大數(shù)據(jù)通信平臺是一種將傳統(tǒng)通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機融合的新媒體聯(lián)通模式，解決了時間、地點等條件對網(wǎng)絡(luò)傳輸效果的限制，且通過這種方式獲得的數(shù)據(jù)信息通常能夠保持較強的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)包含控制主體、控制媒介、控制客體三個組成部分，在三者有機調(diào)節(jié)作用的促進下，通信設(shè)備、通信機器等機構(gòu)都可以向人們所期望的方向進化，使被控對象逐漸趨于更加穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[1-2]。按照控制原理的不同，可將常見的大數(shù)據(jù)通信平臺控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制兩大類。其中，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度、干擾抑制等特性相對較差，但裝置設(shè)備的組成方式較為簡單，所有邏輯結(jié)構(gòu)均保持時序連接方式。閉環(huán)控制系統(tǒng)以反饋原理作為基礎(chǔ)搭建規(guī)則，可以利用輸出量的期望偏差對系統(tǒng)的連接狀態(tài)進行直接控制[3]。傳統(tǒng)通信保護控制系統(tǒng)以FPGA設(shè)備作為邏輯控制核心，并通過改變串行通信接口連接狀態(tài)的方式，限制控制數(shù)據(jù)的傳輸速率。但隨著科學(xué)技術(shù)手段的進步，這種系統(tǒng)連接方式占用的傳輸信道過于單一，且控制信息的分布狀態(tài)相對較為集中，不符合大數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)絡(luò)的傳輸需求。為解決上述問題，通過搭建集成適配模塊等方式，設(shè)計一種新型的大數(shù)據(jù)通信平臺智能集成廣域保護控制系統(tǒng)，并通過對比實驗的方式，證明該系統(tǒng)的實用性價值。

1 智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

大數(shù)據(jù)通信平臺智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的硬件運行環(huán)境包含集成適配模塊等多個組成環(huán)節(jié)，其具體搭建方法可按如下步驟進行。

1.1 大數(shù)據(jù)通信平臺總體框架設(shè)計

大數(shù)據(jù)通信平臺的總體運行框架在結(jié)構(gòu)上，保留了與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)相似的模塊聯(lián)通形式，且在保證原有數(shù)據(jù)流通功能不受影響的前提下，增設(shè)了多個通信決策模塊，其中集成適配模塊中利用了協(xié)議寄存器，其是一個32位寬、IP(16位)的寄存器，集成芯片為74HC595A型號；廣域控制決策模塊中利用雙向串口RS485進行雙向通信傳輸。具體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)通信平臺總體框架圖

根據(jù)圖1可知，新型智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺包含集成適配、廣域控制、通信決策、保護控制、大數(shù)據(jù)分離與存儲5個基礎(chǔ)組成模塊。其中，集成適配模塊能夠獲取平臺中流通的信息數(shù)據(jù)，并將其重新排列成符合系統(tǒng)抓取規(guī)則的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。廣域控制決策模塊是大數(shù)據(jù)通信平臺的核心搭建環(huán)節(jié)，可以直接獲取集成適配模塊的物理信息，并通過增刪處理，減少數(shù)據(jù)中不合理成分。保護控制決策模塊為系統(tǒng)硬件運行環(huán)境提供基礎(chǔ)保障，并通過協(xié)調(diào)通信協(xié)議的方式，增加大數(shù)據(jù)通信平臺的運行穩(wěn)定性。保護控制模塊與大數(shù)據(jù)分離存儲模塊不能保持獨立的工作狀態(tài)，只能在相互配合的基礎(chǔ)上，對大數(shù)據(jù)通信平臺中的運行數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)保護控制操作。

1.2 集成適配模塊設(shè)計

集成適配模塊是大數(shù)據(jù)通信平臺下屬的最大保護控制結(jié)構(gòu)。該模塊能夠根據(jù)集成區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)類型，自動選擇最為適宜的傳輸控制協(xié)議，且可以自由的在多種傳輸控制協(xié)議間進行轉(zhuǎn)化操作。該模塊以協(xié)議寄存器作為核心搭建設(shè)備，且當大量通信數(shù)據(jù)同時進入大數(shù)據(jù)傳輸平臺時，協(xié)議寄存器可以對每類信息的協(xié)議種類進行詳細記錄，并根據(jù)既定的信令標準擴展這些數(shù)據(jù)的存儲形式[4]。這種新型的通信數(shù)據(jù)集成適配形式更貼合客戶端的指令需求，且為多項通信協(xié)議的并行使用提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。集成適配模塊的存儲方法與模板記錄形式類似，可以根據(jù)通信數(shù)據(jù)間的試探應(yīng)答信息，生成一條或多條連接請求，并可以利用該請求的自檢功能確定這些待傳輸信息的合法性。整合上述原理完成集成適配模塊設(shè)計，具體模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集成適配模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 廣域控制決策模塊設(shè)計

廣域控制決策模塊是連接新型系統(tǒng)軟硬件運行環(huán)境的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在大數(shù)據(jù)通信平臺保持穩(wěn)定運行的前提下，該模塊可以與集成適配模塊保持直接連通關(guān)系，并通過確定數(shù)據(jù)傳輸鏈路、節(jié)點交流方式等手段，使平臺環(huán)境中的通信數(shù)據(jù)保持較為高效的連通狀態(tài)。當大數(shù)據(jù)通信平臺中的傳輸鏈路保持順次連接時，廣域控制決策模塊可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)符合情況的手段，對所有通信數(shù)據(jù)進行挖掘分析，并以此方式擴充大數(shù)據(jù)通信平臺中信道占用率[5]。根據(jù)通信數(shù)據(jù)在廣域環(huán)境中的集成情況可知，在數(shù)據(jù)總量較大、實時傳輸狀態(tài)較為不穩(wěn)定的條件下，各項通信數(shù)據(jù)流間的關(guān)系不能長時間保持暢通狀態(tài)，且協(xié)議寄存器、控制協(xié)調(diào)器等設(shè)備中的信息流會出現(xiàn)交叉?zhèn)鬏敩F(xiàn)象，一部分通信數(shù)據(jù)可能受到偏移支流的影響而不能到達預(yù)期目的位置。為避免上述情況的發(fā)生，新型系統(tǒng)的廣域控制決策模塊以通信數(shù)據(jù)本體結(jié)構(gòu)作為核心搭建設(shè)備，并通過建立環(huán)形決策結(jié)構(gòu)的方式，為通信數(shù)據(jù)規(guī)劃完整的傳輸路徑，在各項集成條件穩(wěn)定的情況下，完成新型系統(tǒng)的硬件運行環(huán)境搭建，具體廣域控制決策模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 廣域控制決策模塊結(jié)構(gòu)圖

2 智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在大數(shù)據(jù)通信平臺智能集成廣域保護控制系統(tǒng)硬件運行環(huán)境的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)系統(tǒng)的順利應(yīng)用，還需按照如下步驟，完成系統(tǒng)的軟件運行環(huán)境搭建。

2.1 集成廣域通信協(xié)議設(shè)計

新型系統(tǒng)的集成廣域通信協(xié)議包含IPX/SPX、NetBEUI、RS-232-C、HDLC、SNMP五種基礎(chǔ)類型。其中，IPX/SPX集成廣域通信協(xié)議對大數(shù)據(jù)IP地址進行限定，且在實用過程中，不需對各決策模塊的連接方式進行設(shè)置，是一種包羅性較強的信息通信協(xié)議。NetBEUI集成廣域通信協(xié)議可以促進系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)連接強度，在大數(shù)據(jù)通信平臺的支持下，以這種協(xié)議連接的系統(tǒng)模塊具備最強的數(shù)據(jù)覆蓋能力。RS-232-C集成廣域通信協(xié)議對系統(tǒng)相關(guān)模塊的連接規(guī)格進行嚴格限制，當大數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器、輸出輸入接口等設(shè)備中的通信信息總量達到額定標準時，在該項通信協(xié)議的控制下，相關(guān)軟件運行模塊的控制有效性可以在短時間內(nèi)達到最高水平[6-7]。HDLC集成廣域通信協(xié)議完全收錄了系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸標準，且在大數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)保持高速傳輸狀態(tài)時，隨著這種協(xié)議的應(yīng)用，相關(guān)通信數(shù)據(jù)可以任意的組合形式來滿足系統(tǒng)的運行需求。SNMP集成廣域通信協(xié)議實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)通信節(jié)點間的單一連接，無論系統(tǒng)運行條件能不能達到最佳水平，該項協(xié)議都能夠通過改變控制對象、控制決策者間關(guān)系的方式，使通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定的存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。每種集成廣域通信協(xié)議的具體應(yīng)用優(yōu)勢如表1所示。

表1 集成廣域通信協(xié)議應(yīng)用優(yōu)勢列舉表

2.2 保護控制驅(qū)動程序設(shè)計

大數(shù)據(jù)通信平臺下只能繼承廣域系統(tǒng)的保護控制驅(qū)動程序能夠?qū)诵挠嬎銠C的占用狀態(tài)進行統(tǒng)一分配。新型廣域控制系統(tǒng)以windows2000/ XP大數(shù)據(jù)通信平臺作為核心硬件運行條件，但該平臺具備一定的硬件設(shè)備訪問限制性，隨著運行時間的不斷延長，控制信息的傳輸范圍會呈現(xiàn)逐漸縮小的變化趨勢，進而導(dǎo)致廣域網(wǎng)的覆蓋面積向著核心處理器不斷靠近。為解決上述問題，保護控制驅(qū)動程序沿用部分PCI代碼，并通過改變控制內(nèi)核用戶態(tài)的手段，使相關(guān)保護控制設(shè)備與應(yīng)用程序間建立多條傳輸通道，并在分流通信數(shù)據(jù)的前提下，使控制信息的覆蓋范圍不斷擴大[8]。當傳輸內(nèi)核逐漸失去對通信數(shù)據(jù)的控制權(quán)限時，保護控制驅(qū)動程序中的Application()語句可通過不斷協(xié)調(diào)廣域邊線范圍的方式，使程序的驅(qū)動效果最大化，達到預(yù)期控制水平。具體驅(qū)動代碼編程語句如下：

public need (Brid information)；

int Distance=.information System；

void main String sparrow；

Application(；

client Decorator string. h；

xscl palette include；

cursor define types glob；

)；

2.3 通信數(shù)據(jù)庫設(shè)計

新型智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)庫包含信息參數(shù)庫、指令庫、信息存儲庫、設(shè)備庫4個組成部分。其中，信息參數(shù)庫可以對通信數(shù)據(jù)進行位置編號，并通過區(qū)分大數(shù)據(jù)平臺中信息的運行狀態(tài)條件，來判斷這些數(shù)據(jù)是否符合系統(tǒng)的保護控制需求。指令庫以鏈路通信數(shù)據(jù)作為主要傳輸對象，且在傳輸過程中，會生成與數(shù)據(jù)實體信息相關(guān)的屬性記錄，為信息存儲庫提供可依附的節(jié)點條件[9]。信息存儲庫是通信數(shù)據(jù)庫的核心存儲單元，在大數(shù)據(jù)通信平臺中流通的所有信息，都會進入該結(jié)構(gòu)中進行集成廣域調(diào)配操作處理，使系統(tǒng)的保護控制執(zhí)行力始終保持較高水平[10]。設(shè)備庫能夠提供系統(tǒng)保護控制模塊所需的插入節(jié)點單元，且這些節(jié)點信息可以通過相關(guān)輸出路徑，自由的出入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，這也是新型系統(tǒng)控制信息局限性分布較為廣泛的主要原因。整合上述設(shè)計原理，完成大數(shù)據(jù)通信平臺智能集成廣域保護控制系統(tǒng)搭建，具體數(shù)據(jù)庫設(shè)計原理如圖4所示。

圖4 通信數(shù)據(jù)庫設(shè)計原理圖

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證大數(shù)據(jù)通信平臺的智能集成廣域保護控制系統(tǒng)的實用性價值，設(shè)計如下對比實驗。以兩臺配置協(xié)議寄存器、控制協(xié)調(diào)器設(shè)備的計算機作為實驗對象，其中搭載傳統(tǒng)通信保護控制系統(tǒng)的作為對照組，搭載新型通信保護控制系統(tǒng)的作為實驗組。在保持其它運行條件不變的情況下，應(yīng)用控制變量法，記錄應(yīng)用實驗組、對照組系統(tǒng)后，信道占用率、控制信息覆蓋面積的變化情況。

3.1 實驗參數(shù)設(shè)置

為保證實驗結(jié)果的真實性，可按照下表對相關(guān)實驗參數(shù)進行設(shè)置。

表2 實驗參數(shù)設(shè)置表

其中,EMT參數(shù)代表實驗時間、IOP參數(shù)代表信息占用參數(shù)、LCO參數(shù)代表信道占用率極限、WCP參數(shù)代表廣域覆蓋參數(shù)、LCA參數(shù)代表控制信息覆蓋面積極限，為保證實驗結(jié)果的真實性，實驗組、對照組實驗參數(shù)始終保持一致。

3.2 信道占用率對比

在信息占用參數(shù)為0.78的條件下，以50 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內(nèi)，應(yīng)用實驗組、對照組系統(tǒng)后，信道占用率的變化情況。具體實驗對比情況如表3所示。

表3 信道占用率對比表

分析表3可知，隨著實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組系統(tǒng)后，信道占用率呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定、階梯狀上升、下降的變化趨勢，實驗時間處于35～40 min之間時，信道占用率達到最大值81.45%，超過目標上限76.85%；應(yīng)用對照組系統(tǒng)后，信道占用率呈現(xiàn)上升、下降交替出現(xiàn)的變化趨勢，實驗時間為45 min時，信道占用率達到最大值65.97%，遠低于實驗組。綜上可知，應(yīng)用大數(shù)據(jù)通信平臺的智能集成廣域保護控制系統(tǒng)后，信道占用率可提升15.48%。

3.3 控制信息覆蓋面積對比

在廣域覆蓋參數(shù)為1.00～6.00的條件下，以50 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內(nèi)，應(yīng)用實驗組、對照組系統(tǒng)后，控制信息覆蓋面積的變化情況。具體實驗對比情況如圖5所示。

圖5 控制信息覆蓋面積對比圖

分析圖5可知，隨著實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組系統(tǒng)后，控制信息覆蓋面積呈現(xiàn)先增加、再減少的變化趨勢，實驗時間處于40～50 min時間、廣域覆蓋參數(shù)為5.00時，控制信息覆蓋面積達到最大值6.47 T/cm2，超過目標上限5.66 T/cm2；應(yīng)用對照組系統(tǒng)后，控制信息覆蓋面積呈現(xiàn)增加、下降、波動的變化趨勢，實驗時間處于10～20 min之間、廣域覆蓋參數(shù)為5.00時，控制信息覆蓋面積達到最大值4.36 T/cm2，遠低于實驗組。綜上可知，應(yīng)用大數(shù)據(jù)通信平臺的智能集成廣域保護控制系統(tǒng)后，控制信息覆蓋面積提升了2.11 T/cm2。

4 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)通信平臺的智能集成廣域保護控制系統(tǒng)以配置協(xié)議寄存器、控制協(xié)調(diào)器作為核心運行設(shè)備，且在PCI驅(qū)動代碼的促進下，這種新型系統(tǒng)的運行速度可以在較短時間內(nèi)達到頂峰水平。從運算總量方面考慮，這種新型的系統(tǒng)搭建方式不需對大量操作數(shù)據(jù)進行運算處理，從根本上提升了系統(tǒng)的運行精準度，具備一定的實用性可行性。