分布式电力监控系统（共12篇）
分布式电力监控系统 篇1
分布式电力线路故障监测系统是集合微电子、计算机和通信等多种技术的综合性系统, 其能通过布置在电力线路中的故障定位仪, 实时、全面监控整个配电线路, 及时发现线路中存在的故障, 从而保障电路运行的安全性。
1 电力线路故障监测系统的技术基础
1.1 故障监测方面
在传统的电力线路故障监测中, 多采用故障定位仪, 其技术基础为付氏变换, 但此技术无法对信号进行同步的时频局部分析, 导致故障分析的处理效率、可靠性和时效性较低。
近年来, 为了提高故障信号处理水平, 在故障监测中, 多采用小波分析技术, 其优点在于能敏感察觉电力线路中的微弱信号和突变信号, 分析结果较为精确, 极大地提高了故障分析的可靠性。
1.2 抗干扰方面
数据传输系统是故障信息能被及时接收的重要保证, 而故障监测仪器分布于整个电力线路系统的各个部位, 需要采用无线通信技术。因此, 如何避免外部环境的干扰, 是相关技术人员使用数据传输系统时需要考虑的问题。数字通信是一种抗干扰能力强的数据传输技术, 对提高故障信息传递的可靠性起着十分重要的作用, 可应用于分布式电力线路故障监测系统中。
在应用数字通信技术时, 为了提高传输系统对电力线路附近磁场干扰、电场干扰的抵抗能力, 可结合使用线间耦合与浮空屏蔽技术, 避免线路中的强电对通讯弱电设备造成不利影响;同时, 可在电路芯片中加入吸收干扰脉冲的回路或利用屏蔽环等覆盖线路等方式, 提高其对外部电磁场的抗干扰能力。
此外, 为了避免因干扰造成的故障判断失误, 还可采用连续判断技术, 即对存在故障的电力线路电流电压信号进行持续搜集, 以固定间隔为判断点, 连续得出相应时间点上的判断结果, 并通过综合分析判断结果得到最可靠的结论。
1.3 无线射频通信方面
无线传输是分布式电力线路故障监测系统数据传输的主要方式, 为了保证故障信息远距离传输的可靠性, 除了要采取适当的抗干扰技术外, 还需要借助良好的无线通信通信技术, 即无线射频传输和GPS通信技术。
在无线射频通信技术中, 为了提高故障信息传输的可靠性, 可采取CRC校验、三取二判据和差错率重发等技术。后二者是指在三次故障信息传递过程中, 只要出现1次错误或差错率超出规定范围, 便会重新发送此故障点的信息, 这在很大程度上提高了故障信息的可靠性。
2 分布式电力线路故障监测系统的模块
2.1 查询信息软件
管理人员对电力线路故障的监测是通过查询软件实现的, 因此, 在开发软件时, 首先要保证具有查询功能, 管理人员通过查询历史信息、实时信息掌握电力线路网络的运行状态, 以及时发现潜在隐患或故障, 从而提高对电力线路故障的查找能力。
2.2 系统的权限和密码
在电力管理部门是由不同层次的管理人员和普通用户共同组成的, 其对电力线路故障监测承担的责任有所差异。因此, 为了保证整个管理部门工作的稳定、有序, 需要设置相应的权限和密码, 避免普通用户进入系统中擅自修改相关参数, 进而影响整个系统的准确性。
2.3 监控动态显示
在运行过程中, 系统得到的信息是整个电力线路网络中各个点的信息, 这些信息的总量、类型是非常庞大和繁杂的。如果仅以字符的方式静态显示信息, 并由管理人员被动地调整和阅读, 这不仅会增加管理人员的工作负担、降低整个监控工作的效率, 还很可能会疏忽重点信息, 导致电力线路故障无法被及时发现。因此, 在设计系统时, 需要具备监控动态显示功能, 通过监控图与缩略图的结合, 在电力线路发生故障时标注相应的位置点, 然后切换图像, 得到故障点附近的详细图形, 从而更加深入地判断和了解线路故障。
3 电力线路故障监测系统的整体结构
3.1 信息采集子系统
信息采集子系统是整个监测系统的基础, 其功能是搜集电力线路中发生的接地、短路等故障状态信息, 并对这些信息分类后传输到监控中心。
信息采集子系统功能的实现需要借助分布于电力线路中的监测设备, 比如以ARM技术为基础的新型故障指示器, 其能感应电力线路的电流状态, 通过内置的数字微处理器、利用精简后的小波算法对感应到的电流进行数字化处理, 并将分析结果作为监测数据, 通过数据传输系统将数据传输到监控中心, 从而实现故障种类、相位和故障点频率等信息的采集。
3.2 数据传输子系统
数据传输子系统是电力线路故障信息准确、高效、实时传递的重要保证, 其借助的是GPRS通信技术。在本监测系统中, 采取远程终端RTU单位, 其特点在于供电方式为蓄电池联合太阳能电池, 续航能力得到了很大提升, 解决了野外电力系统数据传输单位电源供应困难问题, 使数据传输的完整性得到了很大程度的提高。同时, RTU单位的安全工作时长可达16 000 h, 其故障维修时间大多可控制在0.5 h以内, 整体稳定性非常高, 可保证数据传输系统的可靠性。与其他功能相同的数据传输系统相比, RTU单元除了可接收由故障指示器发出的故障信息外, 还可以将接收到的信息分割后重新组合传输, 从而保证故障信息的及时处理和实时传输。
3.3 监控中心子系统
监控中心子系统是整个监控系统的核心, 具备查询和管理电力线路故障点等功能。
监控中心子系统在接收到RTU传来的信息后, 会通过相对应的解码软件解译信息。如果电力线路中存在故障, 则系统会将故障点的位置、故障所处的线路和故障点的类型、电压、频率等与正常参数相比较, 在确认故障信息与理论参数相符后, 将这些信息储存到数据库, 并利用GPRS将其传输到管理人员的信息接受端中;同时, 还会以告警、字符和报表等方式, 通过显示模块显示在监控视图中, 并标注故障点的位置, 以辅助电力系统的监控人员及时发现故障。如果电力线路无故障, 或所得到的数据为无用信息, 则监控中心子系统会通过接受信息数据表保存信息, 不会对信息进行相应的处理。这样, 有效提高了系统的工作效率, 避免了无效信息过多对监控造成的干扰。
监控中心子系统的操作端为普通的计算机, 不需要专业的操作软件, 故障信息的处理和分析都是在系统内部自动处理的, 监控人员只需要访问监测中心的系统信息, 或利用其他终端设备远程操作控制计算机, 就能及时了解故障的状态和位置等信息。
4 结束语
分布式电力线路故障监测系统的应用对电力企业提高供电安全的稳定性有着重要的意义。在分布式电力线路故障监测系统中, 对监测技术、通信技术和数据处理技术等有着较高的要求。在有效应用这些技术的基础上, 才能有效实现监测系统工作的自动化、高效化、智能化, 保证电力线路故障监测效果的大幅提升, 从而提高电力线路的安全性和稳定性。
摘要：介绍了分布式电力线路故障监测系统的相关技术和故障监测系统应具备的模块, 并分析了分布式电力线路故障监测系统的整体结构, 以期为分布式电力线路故障监测系统的建设提供支持。
关键词：电力故障监测系统,电力线路,小波分析技术,数字通信技术
参考文献
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[3]唐军, 杨安祺, 张俊明.基于P2P的分布式网络故障监测系统的研究[J].计算机工程与设计, 2011 (02) :442-445.
分布式电力监控系统 篇2
一、大型煤电基地分布
（一）山西煤电基地
山西是我国传统煤炭产区，包括晋北、晋中、晋东三个国家规划建设的大型煤炭基地，已探明保有储量2663亿吨。结合煤炭资源储量、生态环境等方面因素考虑，山西煤炭产区生产规模可达9亿吨/年。
山西水资源总量为123.8亿米3/年，多分布在盆地边缘及省境四周。未来山西煤电基地用水主要通过水利工程、城市中水和坑排水利用等方式满足，原则上不取用地下水。在采取节水、充分利用二次水源等措施后，预计2020年发电可用水量可达到7.10亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，晋东南、晋中、晋北三个煤电基地可开发电源装机容量约1亿千瓦。在满足本地电力需求的前提下，山西煤电基地外送规模2015年约2620万千瓦，2020年约4100万千瓦。
（二）陕北煤电基地
陕北煤炭产区煤炭储量丰富，煤质量优良，已探明保有储量1291亿吨，包括神东、榆神、榆横、府谷四个矿区，煤炭规划生产规模合计可达到4.55亿吨/年。随着煤炭资源勘探的进一步深入，各矿区生产规模还可进一步加大。
陕北地区位于我国西北黄土高原，河川径流较小，供水设施缺乏。综合规划水利工程、城市中水利用、矿井排水利用、黄河干流引水工程等水源供给能力分析，结合各项节能设施，陕北煤炭产区未来水资源供需可以得到平衡。煤炭基地用水近期以区内水源为主，远期通过黄河干流引水工程解决。预计2020年发电可用水量为1.48亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，陕北煤炭基地可开发电源装机容量约4380万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，陕北煤电基地外送规模2015年约1360万千瓦，2020年约2760万千瓦。
（三）宁东煤电基地
宁东煤炭产区煤炭已探明保有储量309亿吨，储量较为丰富，主要矿区煤质优良，开发技术条件较好。根据现有矿区资源条件，宁东煤炭产区规划生产规模达到1.35亿吨/年。
宁东煤炭产区位于银川市黄河以东，取水较为方便，宁东供水工程可以为用水企业提供可靠的水资源供应。宁东煤炭产区工业项目用水指标主要通过水权转换方式取得。根据宁夏回族自治区黄河水权转换规划，引黄灌区向工业可转换水量指标主要用于宁东基地项目，其中配置到电力的转换水量指标可达1.67亿米3/年，煤电基地建设所需水资源可以得到保证。
综合考虑煤炭和水资源，宁东煤电基地可开发电源装机容量约4880万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，宁东煤电基地外送规模2015年约1400万千瓦，2020年约1840万千瓦。
（四）准格尔煤电基地 准格尔煤炭产区煤层平均厚度达29米，已探明保有储量256亿吨，大部分为褐煤和长焰煤。根据各矿区的生产能力规划，准格尔煤炭产区生产规模可达到1.4亿吨/年。
准格尔地区水资源总量为3.6亿米3/年。煤电基地用水主要通过地下水开采、黄河干流引水、城市中水利用解决。根据对全社会水资源供需平衡分析，准格尔煤炭产区发电可用水量2020年可达到1.78亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，准格尔煤电基地可开发电源装机容量约6000万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，准格尔煤电基地外送规模2015年约3000万千瓦，2020年约4340万千瓦。
（五）鄂尔多斯煤电基地
鄂尔多斯煤炭产区煤炭已探明保有储量560亿吨，水资源总量25.8亿米3/年，发电可用水量2020年可达到1.81亿米3/年。综合考虑煤炭和水资源，鄂尔多斯煤炭基地可开发电源装机容量约6000万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，鄂尔多斯煤电基地外送规模2015年约240万千瓦，2020年约480万千瓦。
（六）锡盟煤电基地
锡盟（锡林格勒盟）位于内蒙古中部，煤炭资源储量丰富，已探明保有储量484亿吨。煤质以褐煤为主。锡盟煤电普遍具有煤层厚、结构稳定、开采条件好的特点，适合大规模露天开采，开发成本较低。根据资源条件估算，锡盟煤炭产区生产规模可达3.4亿吨/年。
锡盟煤炭产区水资源总量26.1亿米3/年。未来，通过建设水利工 程、加大城市中水和矿区排水利用等措施，锡盟地区可供水量可望有加大增加。根据对全社会水资源供需分析，预计2020年发电可用水量可达到1.52亿米3/年。
结合考虑煤炭和水资源，锡盟煤电基地可开发电源装机容量约5000万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，锡盟煤电基地外送规模2015年约1692万千瓦，2020年约3012万千瓦。
（七）呼盟煤电基地
呼盟（原呼伦贝尔盟）煤炭产区煤炭已探明保有储量338亿吨，以褐煤为主，大部分资源适合露天开采，具备成为大型煤电基地的条件。根据现有资源条件估算，呼伦贝尔煤炭产区生产规模可达到1.56亿吨/年。
呼伦贝尔地区水资源较为丰富，水资源总量127.4亿米3/年。发电可用水量较为充足，2020年预计可达到1.24亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，呼盟煤电基地可开发电源装机容量约3700万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，呼盟煤电基地外送规模2015年约1100万千瓦，2020年约1900万千瓦。
（八）霍林河煤电基地
霍林河煤炭产区煤炭已探明保有储量118亿吨，以褐煤为主，埋藏浅、煤层厚、结构简单，适应露天开采，煤炭生产规模可达到8000万吨/年以上。
霍林河煤炭产区水资源总量约2.4亿米3/年。通过加强水资源保护开发、兴修水利工程、坚持开源和节流并重、充分利用矿区疏干水 等措施，预计2020年发电可用水量可达到0.42亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，霍林河煤电基地可开发装机容量约1420万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，霍林河煤电基地外送规模2015年约360万千瓦。
（九）宝清煤电基地
宝清煤炭产区是黑龙江省重要的资源产区，已探明保有储量52亿吨，均为褐煤。根据各矿区煤炭资源条件和建设规划估算，宝清产区煤炭生产规模可达到6500万吨/年。
宝清地区水资源总量34.6亿米3/年，可为宝清煤电基地供水1.5亿米3/年，区域外松花江干流水资源可利用量为0.73亿米3/年，发电可用水量较为充足，水资源供给能力完全能够满足煤电基地建设要求。
综合考虑煤炭和水资源，宝清煤电基地可开发装机容量约1200万千瓦。在满足本地区电力需求的前提下，宝清煤电基地外送规模2015年约800万千瓦。
（十）哈密煤电基地
新疆哈密地区煤炭资源丰富，已探明保有储量373亿吨，煤层浅，开采技术条件好，未来哈密地区煤炭生产规模可达到1.8亿吨/年，并有进一步增产潜力。
哈密地区水资源总量5.7亿米3/年。根据当地水资源利用规划，到2020年前哈密将建设乌拉台等多个水库增加供水。水资源经全社会综合配置平衡后，2020年发电可用水量可达到0.62亿米3/年。综合考虑煤炭和水资源，哈密煤炭基地可开发电源装机容量超过2500万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，哈密煤电基地外送规模2015年约2100万千瓦。
（十一）准东煤电基地
新疆准东地区煤炭已探明保有储量789亿吨，煤层赋存浅、瓦斯含量低，开采技术条件好。根据准东能源基地建设规划，2020年煤炭生产规模可达到1.2亿吨/年。
准东地区水资源总量13.9亿米3/年。通过引额（额尔齐斯河）济乌（乌鲁木齐）工程及“500”水库东延供水工程进行跨流域调水，可以解决准东煤电基地的用水问题。2020年发电可用水量约0.84亿米3/年。
综合考虑准东煤炭产区经济社会的可持续发展及煤炭资源、水资源的合理利用，准东煤电基地可开发装机容量约3500万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，准东煤电基地外送规模2015年约1000万千瓦，2020年约3000万千瓦。
（十二）伊犁煤电基地
新疆伊犁煤炭产区煤炭已探明保有储量129亿吨，煤层埋藏浅，易于开采。根据煤炭产区的资源条件，可以建成年产量上亿吨的煤炭采区。
伊犁煤炭产区水资源总量170亿米3/年，水资源丰富。考虑全社会各行业用水需求后，发电可用水量2020年可达到3亿米3/年。
综合考虑煤炭和水资源，伊犁煤电基地可开发电源装机容量约 8700万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，伊犁煤电基地2015年后开始向外送电，2020年外送规模约1000万千瓦。
（十三）彬长煤电基地
彬长煤炭产区位于陕西省咸阳市西北部，已探明保有储量88亿吨。根据资源禀赋、开发现状及技术条件，彬长煤炭产区煤炭生产规模可达4000万吨/年。
彬长地区水资源总量为15.1亿米3/年。根据陕西省对省内河流流域水资源的开发利用规划，未来将建设多个水资源工程，主要用于解决居民生活和彬长矿区的工业用水。考虑矿区排水的循环利用，彬长地区发电可用水量2020年能够达到0.42亿米3/年。
综合考虑煤炭资源和水资源，彬长煤电基地可开发装机容量约1400万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，彬长煤电基地外送规模2015年约800万千瓦。
（十四）陇东煤电基地
甘肃陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南边缘，区域内煤炭资源丰富、煤质优良、分布集中、赋存条件好，已探明煤炭保有储量142亿吨，规划产能超过1亿吨/年。
陇东地区水资源总量为12.5亿米3/年，属相对缺水地区。为解决水资源匮乏问题，甘肃省计划结合陇东能源基地煤炭开发，修建多项水利供水工程，并充分利用城市污水处理厂的中水及煤矿疏干水，科学合理配置水资源，保障火电、化工项目用水需求。预计到2020年，发电可用水量能够达到0.79亿米3/年。综合考虑煤炭资源和水资源，陇东煤电基地可开发装机容量约2660万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，陇东煤电基地外送规模2015年约400万千瓦，2020年约800万千瓦。
（十五）淮南煤电基地
淮南煤炭产区煤炭已探明保有储量139亿吨，具有煤层厚度和分布集中的特点，开采煤层厚度平均20-30米。矿区内水系丰富，水资源总量58.0亿米3/年，煤电基地用水主要来自淮河干支流，发电可用水量较为充足。
综合考虑煤炭和水资源，淮南煤电基地可开发电源装机容量约2500万千瓦。在满足本地电力需求的前提下，淮南煤电基地外送规模2015年约1320万千瓦。
（十六）贵州煤电基地
贵州煤炭产区煤炭已探明保有储量549亿吨，水资源总量超过1000亿米3/年，发电可用水充足。随着贵州用电需求的快速增长，贵州煤电基地所发电力主要在本身范围内消纳。
二、大型水电基地分布
（一）金沙江水电基地
金沙江领域面积47.32万公里2，约占长江全流域面积的26%。金沙江水力资源极为丰富，理论蕴含量约占长江总蕴含量的42%，占全国总量的16.7%。
金沙江流域共规划25级电站，装机总容量7632万千瓦。其中上游13级电站，规划装机容量1392万千瓦；中游8级电站，规划装机 容量2090万千瓦；下游4级电站，规划装机容量4170万千瓦；根据金沙江水电基地建设规划，预计2020年投产装机规模达到6160万千瓦，2030年达到7352万千瓦。
（二）雅砻江水电基地
雅砻江地处青藏高原东南部。流域面积约13.6万公里2，天然落差3830米，蕴藏水能资源丰富，技术可开发容量3461万千瓦。雅砻江水能资源具有水量丰沛、大型电站多、水电开发淹没损失小、整体调节性能好等特点，开发前景较好。
雅砻江流域共规划22座电站，装机总容量2906万千瓦。其中上游11级电站，规划装机容量280万千瓦；中游6级电站，规划装机容量1156万千瓦；下游5级电站，规划装机容量1470万千瓦。根据雅砻江水电基地建设规划，预计2020年投产装机容量达到2460万千瓦，2030年达到2606万千瓦。
（三）大渡河水电基地
大渡河是长江上游岷江水系的最大支流，流域面积约7.7万公里2，干流全长1062公里，天然落差4175米，蕴藏水能资源丰富。大渡河流域共规划27级电站，装机总容量2673万千瓦。预计2020年投产装机容量达到2300万千瓦，2030年达到2673万千瓦。
（四）怒江水电基地
怒江发源于西藏唐古拉山南麓，经我国西藏和云南后进入缅甸。我国境内流域面积13.8万公里2，干流天然落差4848米，水量丰沛稳定，水电开发的地形地质条件好，移民较少。怒江流域共规划25级电站，装机总容量3639万千瓦。其中上游12级，规划装机容量1464万千瓦；中游9级，规划装机容量1843万千瓦；下游4级，规划装机容量332万千瓦。预计2020年投产装机容量达到468万千瓦，2030年达到2639万千瓦。
（五）澜沧江水电基地
澜沧江发源于唐古拉山北麓，流经我国青海、西藏、云南后进入老挝。我国境内流域面积16.4万公里2，天然落差约4695米。
澜沧江流域共规划22级电站，装机总容量3198万千瓦。其中上游13级，规划装机容量1552万千瓦；中游5级，规划装机容量811万千瓦；下游4级，规划装机容量835万千瓦。预计2020年投产装机容量达到2600万千瓦，2030年达到3158万千瓦。
（六）雅鲁藏布江水电基地
雅鲁藏布江是西藏最大的河流，也是世界上海拔最高的河流，干流全长2075公里，流域面积约24.0万公里2。雅鲁藏布江干流水电/水能资源技术可开发量8966万千瓦，其中下游河段占95%。预计2030年前后进入集中开发阶段。
三、大型风电基地分布
（一）酒泉风电基地
酒泉地区风能资源丰富，风能技术可开发规模约4000万千瓦，主要集中在瓜州、玉门和马鬃山地区。规划到2015年酒泉风电基地装机容量达到1300万千瓦，2020年达到2000万千瓦，2030年达到3200万千瓦。酒泉风电在充分利用西北主网风电消纳能力后，部分需要外 送东中部负荷中心地区消纳。
（二）哈密风电基地
哈密风电基地位于新疆三塘湖——淖毛湖风区和哈密东南部风区，技术可开发量约6500万千瓦。规划到2015年哈密风电基地装机容量达到500万千瓦，2020年达到1000万千瓦，2030年达到2000万千瓦。哈密风电除小部分在本地消纳外，大部分需要外送到东中部负荷中心地区消纳。
（三）河北风电基地
河北省风能资源主要分布在张家口、承德坝上地区和沿海秦皇岛、唐山、沧州地区。规划到2015年，河北风电基地装机容量达到1100万千瓦，2020年达到1600万千瓦，2030年达到1800万千瓦。河北风电优先考虑在京津唐电网及河北南网消纳，剩余部分考虑在更大范围内消纳。
（四）蒙西风电基地
蒙西风电基地主要位于内蒙古自治区的乌兰察布市、锡林郭勒盟、巴彦淖尔市、包头市、呼和浩特市等地，技术可开发量约为1.07亿千瓦。规划到2015年，蒙西风电基地装机容量达到1300万千瓦，2020年达到2700万千瓦，2030年达到4000万千瓦。蒙西风电优先在蒙西电网和华北电网消纳，剩余部分在更大范围内消纳。
（五）蒙东风电基地
蒙东风电基地位于内蒙古自治区的赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市境内，技术可开发量约为4300万千瓦。规划到2015年，蒙 东风电基地装机容量达到700万千瓦，2020年达到1200万千瓦，2030年达到2700万千瓦。蒙东风电优先送电东北电网，剩余部分在更大范围内消纳。
（六）吉林风电基地
吉林省风能资源主要分布在中西部平原的白城（含通榆）、四平、松原等地区。规划到2015年，吉林风电基地装机容量达到600万千瓦，2020年达到1000万千瓦，2030年达到2700万千瓦。吉林风电首先在省内和东北电网范围内消纳，剩余部分在更大范围内消纳。
（七）江苏沿海风电基地
江苏省风能资源储量主要集中在沿海滩涂和近海域。规划到2015年，江苏沿海风电基地装机容量达到600万千瓦，2020年达到1000万千瓦，2030年达到2000万千瓦。考虑华东电网调峰支援，江苏风电主要在本省范围内消纳，剩余部分在更大范围内消纳。
（八）山东沿海风电基地
分布式电力监控系统 篇3
研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术。通过在电缆上施加高压脉冲，使得电缆上有故障的位置产生局部放电，从而产生振动信号。并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统。通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号，并对振动信号进行定位。将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布，并进行试验验证。实验结果表明，该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况，并对故障点进行准确定位。
关键词：
分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 故障定位
中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.003
引言
电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蚀、老鼠破坏等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，应用科学手段实现对电力电缆的电缆的故障进行检测和定位、及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。
本文研究基于分布式光纤振动传感原理为核心的智能监测技术，利用光纤传感技术对电网中的电力电缆线路的故障进行全方位实时智能监测和定位。该智能监测系统可实现对电力电缆线路的故障进行检测和定位，确保电网安全、高效运行；综合分析处理各传感器信息，并且在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。
1分布式光纤振动传感技术原理
分布式光纤振动传感技术是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）[14]光时域反射计的干涉机理测试外界绕那扰动，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光[5]相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化时，通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应可定位振动信号的位置，并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。
分布式光纤振动传感系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量[6]。其基本原理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，返回系统主机后，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，再经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并确认入侵地点。
2基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成
整体系统由高压电缆放电试验系统、分布式光纤振动传感系统及综合平台软件组成，系统结构如图2所示。
系统通过分布式光纤振动传感系统监测来自于高压电缆上方的振动信号，通过振动信号来分析判断故障点的位置。当高压电缆放电试验系统对高压电缆发出高压脉冲信号时，同时会向分布式光纤振动传感系统发出一个上升沿或下降沿信号，以作标记信号。分布式光纤振动传感系统根据高压电缆放电试验主机给的脉冲同步信号进行振动信号的采集，实时监测高压电缆的振动情况，并将监测到振动信号保存到数据库中。高压电缆放电试验系统放电结束后，由综合平台对分布式光纤振动传感系统采集到的振动信号进行分析，并结合高压电缆放电试验系统放电脉冲情况，综合分析对故障点进行定位，并在软件界面是显示整段监测光缆的波形图、故障点位置。系统数据库中保存测量的振动信号和放电信号的历史数据，并绘制成报表，由用户选择查看。
该系统以高压电缆故障时所产生的震动为监测对象，可实现以下功能：
（1）实时监测电缆走廊路面施工振动位置的振动量，并根据实时监测值显示报警状态。实时监测高压电缆故障点所产生的震动情况，可对故障点进行定位，定位误差不大于±25 m；
（2）检测到电缆故障时，在界面上显示告警提示；
（3）软件界面可显示电缆的震动波形图；
（4）能与高压电缆放电试验系统通讯，接收该系统发来的上升沿或下降沿信号；
（5）各监测值的历史数据记录展示。
3试验结果
为了验证系统是否能探测到电缆的故障信号并准确定位故障信号的位置，搭建了一个测试系统。测试验证系统选取110 kV电缆300 m，在电缆上100 m、200 m和300 m位置分别模拟放电信号。用该系统来探测电缆的放电信号及其位置。
4结论
研究的基于分布式光纤振动传感原理的电缆故障定位系统可准确探测电力电缆故障为，预防因电力电缆自身老化等原因而发生故障。制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路发生故障时自动实现预警，自动定位故障发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高对电网供电的可靠性。
参考文献：
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分布式电力监控系统 篇4
常规情况下,由于成本的问题,很多电站使用的是SC1801、IEC60870-5-101、CDT、DNP3.0等规约与调度通信,通信设备通常为电力载波装置连接电力载波Modem(调制/解调),使用串口通信。电力线载波(Power Line Carrier)通信是利用高压电力线(在电力载波领域通常指35 k V及以上电压等级)、中压电力线(指10 k V电压等级)或低压配电线(380/220 V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。这种通信方式的缺点是存在变化的阻抗,不可预测的干扰,比如说特别容易受天气、干扰源的影响,遇到下雨天时信号就非常弱,中间经过中转站经常有干扰,严重时干扰好几天,而且规约数据量非常小、串口通信速度慢、一对一模式的特点都是信道本身的特性决定的,这些特性严重影响了通信质量和调度中心的监控。
IEC60870-5-104通信标准是国际电工委员会(IEC)于2000年12月颁布的,“采用标准传输文件集的IEC60870-5-101网络访问”的远动传输规约标准。作为一种国际标准协议,具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持网络传输等优点,有近60%的厂站端远动设备采用IEC60870-5-104规约与电网调度中心通信。本文根据分布式电力监控系统和电网调度中心通信的特点,提出基于公共对象请求代理体系结构(Common Object Request Broker Architecture,CORBA)技术的分布式电力监控系统IEC60870-5-104规约通信单元的设计方法。此方案应用于电站监控系统中,运行多年,安全、稳定,完全能够满足电站与电网调度中心的通信要求。
1 IEC 60870-5-104规约简介
IEC 60870-5-104通信标准利用了国际标准IEC60870-5的系列文件,规定了IEC 60870-5-101的应用层与TCP/IP提供的传输功能的结合,详细地定义了应用规约控制信息(APCI)以及它的控制域,控制域定义了保护报文不丢失和重复传送的控制信息、报文传输启动、停止以及传输连接的监视等控制信息。定义了三种格式报文(I、S、U格式)的用途和使用方法,其中报文类型为控制功能(U格式)、可计数的监视功能(S格式)和可计数的信息传输功能(I格式)。详细规定了TCP连接的端口号、建立和关闭,以及重发等的处理程序,相应的时间参数等。
IEC 60870-5-104规定本标准使用的端口号为2404,并且此端口号已经得到互联网地址分配机构(Internet Assigned Numbers Authority,IANA)的确认[1]。链路层采用非平衡方式传输的链路传输规则,控制系统组成主站,远动设备(或间隔单元)为从站(子站),即控制系统常常是始发站(启动站),远动设备(或间隔单元)常常是从动站。当主站没有进行数据召唤,而远动设备端中有变化数据时,远动设备要主动上送变化数据。
2 基于IEC 60870-5-104规约的通信方案
2.1 系统特点
分布式电力监控系统通常采用主备冗余系统,它对电站重要监控对象的状态、性能数据进行实时收集和处理,通过各种操作员站以图形、图像、表格和文本的形式显示出来,供电站运行人员控制和监视。同时系统根据一定的逻辑关系自动向分布在各站点的被监控对象或系统发送控制命令,由电站运行人员人工发布控制命令,从而完成对供电设备集中监控和调度管理,确保电站的供电质量和供电安全。
考虑到各电站监控系统的分布性和跨平台性,系统采用分布式中间件CORBA技术访问数据库,为快速实现与数据库的数据传输提供了良好的接口。网络实时数据传输采用传统的SOCKET网络通信技术,基于TCP/IP的以太网是一种开放式通信网络,适用于不同厂商之间的设备互联。
2.2 系统硬件结构
在这套方案中,分布式电力监控系统分三层,现地控制层、监控层、调度客户端。通信单元是监控层的一部分,负责与电网调度中心的通信工作。其网络拓扑图如图1。
系统配备两台主计算机、两台工程师操作站、两台通信机、一台工程师培训站,一台厂级终端,两台主计算机冗余配置,主从备份数据库[2],同时与历史库、通信单元等连接。为了实现通信的可靠性,通信单元层设置了两台独立的服务器作为通信机,主从备用,双网卡双通道冗余。当主机发生保障时,从机自动转换为主机,执行所有通信任务,最大限度地保障了通信的稳定性和可靠性。调度客户端层的物理层有两个主备用通道,每个通道连接两台通信机,所以电网调度中心总共有4台通信机,通过路由器,连接分布式电力监控系统的通信单元。
2.3 系统软件结构
分布式电力监控系统的操作系统为目前流行的Linux操作系统,通信单元IEC60870-5-104规约为子站。通信单元与调度侧通信采用典型的客户机/服务器(Client/Server,C/S)模式,即被控站(子站通信单元)是服务器端,控制站(主站调度)是客户机端。传输层使用TCP/IP协议,固定端口2404[3]。而通信单元主要采用CORBA技术作为通信机与主计算机之间的通信机制,分布式回调方式及时快速地从主计算机读取和设置实时数据库。
本软件最大的特点是使用CORBA分布式回调技术,实时实现通信单元软件与数据库的数据的交互,不同于传统的面向对象的分布式应用之间的数据交换都是基于SOCKET的面向字节流的方式,这种方式在运行效率、系统网络安全性和系统升级能力等具有一定的局限性。CORBA的体系结构是对象管理组织(Object Management Group,OMG)为解决分布式处理环境(DCE)中硬件和软件系统的互连而提出的一种解决方案。CORBA提供到C/C++、Java、Small Talk等高级语言的映射,很大程度地减小了对程序设计语言的依赖性,使软件开发人员可以在较大范围内共享已有成果。
功能结构图如图2所示。
2.4 关键技术
(1)利用CORBA分布式回调技术对数据的快速响应
CORBA的消息传递机制有很多种,比如回调接口、事件服务和通知服务等。回调接口的原理很简单,CORBA客户和服务器都具有双重角色,即充当服务器也是客户端。
从CORBA规范我们知道,一个CORBA接口在服务端和客户端有不同的表现形式,在客户端一般使用桩(Stub)文件,服务端则用到框架(Skeleton)文件,接口的规格采用IDL来定义。而回调函数的引入,使得服务端和客户端都需要实现一定的桩和框架[4]。
回调接口的反向调用与正向调用往往是同时进行的,假如服务端多次调用该回调接口,那么这个回调接口就变成异步接口了。因此,回调接口在CORBA中经常充当事件注册的用途,客户端调用该注册函数时,客户函数就是回调函数,在此后的调用中,由于不需要客户端的主动参与,该函数就是实现了一种异步机制。
在系统中,例如,客户端首先通过同步方式调用服务端的接口Driver Interface,用来注册回调接口Data Query Call Back。服务端收到该请求以后,就会保留该接口引用,如果发生某种事件需要向客户端通知的时候就通过该引用调用客户方的feed_back函数,以便对方及时处理。
(2)多线程设计
为了实现电力系统的快速响应性,在程序设计中采用Linux下多线程技术,多线程的设计方式提高了CPU的使用率,让程序的运行速度加快。主线程maintask_104实现TCP监听、接收、关闭等功能,第二个线程maintask_iec104_s_read_proc采用阻塞方式等待报文并处理报文,第三个线程maintask_104_s_send_proc负责发送数据的任务。第四个线程为超时处理。如图3。
主线程maintask_104从主程序开始运行时创建,在TCP连接建立前,一直处于侦听状态并等待主站的连接请求,当TCP连接已经建立,一直监测TCP连接的状态[5],如接收来自不同socket的数据放入异步队列和检测关闭状态。
同一进程下的线程之间共享数据空间,所以一个线程的数据可以直接为其他线程所用,这不仅快捷,而且方便。当然,数据的共享也带来一些问题,有的变量不能同时被两个线程所修改,为了避免这种情况,我们应用glib库中线程安全的异步队列进行数据的存储,这部分处理由线程maintask_iec104_s_read_proc完成,采用阻塞方式等待异步队列,一有数据立即校验处理,其中遥控遥调优先级最高,即使没有收到激活确认(STARTDT),也可以发送命令或设定值。
负责发送数据的线程maintask_104_s_send_proc,在TCP连接建立后,对主线程中已建立socket连接到的、已启动数据传输(STARTDT)的主站发送数据,包括:总召唤、时钟同步、变位遥信遥测、SOE、电度召唤功能。其中变位遥信遥测、SOE主动上送。
第四个线程具有防止报文丢失功能和超时设置功能。IEC60870-5-104规定了几个超时时间,即t0、t1、t2、t3,默认为30 s、15 s、10 s、20 s。t0规定了主站端和厂站端建立TCP连接的最大允许时间;t1表示发送或测试APDU的超时时间;t2表示无数据报文(t2
(3)用XML语言配置文件
由于各个省的电网调度中心对遥信遥测上送的类型、或者信息体地址的起始停止地址等信息要求不一致,这就要求我们能够对所需的信息进行配置。我们采用扩展标记语言(Extensible Markup Language,XML),它是一种简单的数据存储语言,使用一系列简单的标记描述数据,XML的简单使其易于在任何应用程序中读写数据。XML具有内容和结构分离、互操作性强、规范统一、支持多种编码格式等特点,广泛应用在Windows、Mac OS、Linux以及其他平台下[7]。
只要修改引号里面的数据即可修改遥测、遥信、电度等的功能码,程序自动根据功能码发送对应的报文。采用XML数据可视化程度高,也利于图形化界面的开发。
3 结束语
随着Internet技术的快速发展,电力监控系统越来越多地采用基于以太网数据传输的远动规约,IEC60870-5-104规约作为国际标准,能很好地保证通信的开放性和数据的高效性,标志着我国在调度自动化方面向国际标准的靠拢[5]。本文详细介绍了IEC60870-5-104规约在分布式电力监控系统中的具体应用,采用CORBA技术实时实现数据传输,作为远动通信协议的实施部分,是一个能满足各种数据类型的传输和保证通信可靠性的方案。
摘要：根据电网调度中心通信要求高数据容量、高速率数据通信的特点,提出分布式电力监控系统IEC60870-5-104规约通信单元的设计方法。硬件平台采用双网卡双通道冗余方式,最大限度地保障了通信的稳定性和可靠性。软件部分采用CORBA的分布式回调技术,结合多线程、XML技术,实时实现遥信、遥测、遥脉、SOE等数据传输,并迅速、及时响应遥控,遥调操作。实践运行证明该方法及时、安全、有效。
关键词：IEC60870-5-104,TCP/IP协议,分布式电力监控系统,CORBA
参考文献
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分布式存储系统 Katta 篇5
Katta可用于大量、重复、索引的碎片，以满足高负荷和巨大的数据集。这些索引可以是不同的类型。当前该实现在Lucene和Hadoop mapfiles
让大型高负荷的索引变简单
能为许多具有大型Lucene或Hadoop Mapfile 的索引碎片的服务器提供服务
在不同服务器上复制碎片以保证性能和容错性
支持插件化的网络拓扑
故障管理
快速、轻量级、易于集成
与Hadoop集群工作良好
Apache License,Version 2.0
分布式能源系统应用研究 篇6
【关键词】新能源；研究
一、引言
能源管控是一直以来持续热点的话题，尤其在当前社会进步和能源问题的日益严峻的情况下，以大电网模式为代表的传统的集中式供能系统已经逐渐暴露出一定的弊端，例如世界上多个国家陆续发生的大面积停电事故。因此对能源管理进行改善和变化就显得尤为重要，分布式能源系统作为一种新的供能方式，由于其是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，可以实现根据用户对能源的不同需求，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。因此，分布式能源被寄予了厚望，已经成为未来应对当前气候的变化，保障能源安全的一个重要方向。
二、什么是分布式能源系统
简而言之，分布式能源系统是一种建立在能量梯级利用概念基础之上，分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。分布式供能方式可实现冷、热、电三联产，通过将高品位的热能直接转换为高品质电能，将中低品位的热能直接转为所需的热和冷，以此将电、热、冷这3种能源有效地结合成1个系统，从而来实现能量的梯级利用。分布式能源系统主要是由动力设备和一个系统组成。动力设备是分布式能源系统的能量来源，其发展经历了蒸汽轮机、内燃机及外燃机、燃气轮机及微型燃气轮机、燃料电池和生物质能等可再生能源的历程。系统的作用是实现热、电、冷三联产，目前该系统的主要工作原理是利用广义的内燃机（产生电）的排气余热，通过余热锅炉产生蒸汽供热，同时通过吸收式制冷设备供冷。
三、分布式能源系统的优缺点
由于以大电厂、大电网为代表的传统能源系统在可预见的未来依然将占据重要作用，因此有必要将分布式能源系统与传统的集中式能源系统进行对比。通过分析对比两种能源系统的利弊，来更好地理解这两种能源系统各自的优劣势和适用范围。
分布式能源系统的最主要作用是體现在冷、热、电三联产中，这也是分布式能源系统最重要的优点。冷热电的联产符合总能系统的“梯级利用”的准则，可以实现较好能源利用率。而大型（热）电厂虽然可以产生大量电能，并且电能可实现远距离输送，但是热，尤其是冷，像电能那样较长距离有效地输送基本上不可能实现。另外由于电厂厂址的选择的局限，一般来说，电厂附近很难有足够大量的、合适的冷、热能用户，因此除非通过特殊设计并利用特殊的设备来使传统的集中式供能系统实现输送冷、热能的功能，否则集中式供能系统根本无法实现冷热电的联产。与此相反，由于分布式能源系统是按需就近设置，通过与用户很好的配合，来避免长距离输送冷、热能无法实现的问题，同时也不会存在电力输送过程中产生耗损的问题。综合考虑，分布式能源系统纯动力装置虽然本身效率低、价钱贵，但是分布式能源系统由于具有较大的调节、控制与保证能力，不仅可以保证各种二次能源的充分供应，同时也可以实现冷热电的联产。因此分布式能源系统作为新一代能源的发展方向必将取得飞速发展。
分布式能源系统的弊端主要体现在：分布式能源系统供能分散， 单机功率小，而现有动力设备都是机组越大、效率越高，所以分布式能源系统的发电效率较低。此外分布式能源系统的使用技术要求要比简单使用大电网供电来得高，分布式能源系统的使用需要要有相应的技术人员与适合的文化环境。
四、分布式能源系统的发展
自20世纪90年代以来，世界工业发达国家在发展大电源、大电网的同时，也开始了小型分散发电技术（即分布式能源）的应用。天然气分布式是分布式能源系统最重要的应用形式且在发达国家应用成熟，美国是目前全球分布式能源系统应用最广泛的国家，分布式能源系统多达6000多个，绝大多数为天然气分布式。2000年时，美国商业、公共建筑热电联产980座，总装机490万千瓦；工业热电联产1016座，总装机4550万千瓦，合计超过5000万千瓦。到2003年，热电联产总装机5600万千瓦，占全美电力装机7%，发电量占9%。2010年这一类的分布式总装机容量约为9200万千瓦，占全国发电量14%。根据美国能源部规划，2010-2020年将再新增9500万千瓦装机容量，占全国发电装机容量29%。美国的分布式发电以天然气热电联供为主，年发电量1600亿千瓦时，占总发电量的4.1%。美国能源部积极促进天然气为燃料的分布式能源系统，利用这些系统为基础发展微电网，再将微电网连接发展成为智能电网。分布式能源系统另一种重要应用形式是光伏分布式。分布式光伏在德国得到高度发展，德国是全球推广分布式光伏发电最成功的国家之一。截至2011年底，德国光伏发电总装机容量达到2470万千瓦，其中分布式光伏发电系统容量占比近80%，主要应用形式为屋顶光伏发电系统，单个发电系统平均容量仅为20千瓦。此外风力发电、生物质能发电等可再生能源发电系统也是分布式能源的重要组成部分。分布式能源系统在中国的最重要应用是广州大学城分布式能源站，该系统是中国华电集团公司在天然气高效利用方面的首个10万千瓦级分布式能源站建设项目，是亚洲最大的分布式能源系统，为分布式能源站在我国的发展提供了重大示范，为我国建立分布式能源系统设计系列化、模块化标准提供示范，
五、分布式能源系统的应用
由于分布式能源系统的初投资大，不仅需要好的燃料；同时还要有比较稳定的冷、热、电用户，分布式能源系统的应用主要体现以下几个场所：（1）城区商业休闲中心、公用事业单位。例如商场娱乐中心游泳馆、饭店宾馆、飞机场、银行、证券交易所、医院、学校、机关等大量需要冷、热的地方。（2）小型柴油机电站的淘汰。石油化工造纸纺织印染等领域的小型柴油机电站锅炉用分布式能源系统替代，不仅环保同时系统的经济性和效率可得到较大地提高。（3）城区燃煤热电联产机组的改造及燃气轮机电站的升级。利用分布式能源系统取代或者对这些电站进行升级，不仅可以减少污染，还可将蒸汽供应附近的工厂，实现冷、热、电联供。（4）中小型离散工业园区、新建的过程工业园区。在这些地方采用分布式能源系统来提供能源产品，来实现电、热、冷。（5）边远地区、孤岛、海港、海上作业平台、船舶等，这些地方集中式供能系统很难顾及，很适合采用分布式能源系统。
六、结论
分布式能源系统具有贴近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等优良特性，可以实现冷、热、电多联供的终端能源供给，可以有效降低地电、热、冷远距离输送的损失，同时还可以改善电源结构、改善供电效率、提高供电质量及供电可靠性等，因此已经成为传统集中式能源供应系统不可或缺的重要补充，以及未来世界能源技术的重要发展方向。由于我国的分布式能源起步较晚，且一直被政府的政策所冷遇，因为分布式能源系统的发展在我国依然是任重而道远。
参考文献
[1]周建华，李孝堂.关于分布式能源系统建设与发展的思考[J].航空发动机，2009年06期.
分布式电力监控系统 篇7
随着电网建设的不断深入和推进,电网运行和设备检、监测产生的数据量呈指数级增长[1][2],数据类型从单一的结构化数据迅速向半结构化或者非结构化数据转变,对可靠性和实时性要求更高,远远超出传统电网状态监测的处理范畴。国内传统电力系统信息平台的建设大多采用价格昂贵的大型服务器,存储采用磁盘阵列,数据库采用关系数据库系统,业务应用采用紧密耦合的套装软件[3][4],导致系统扩展性较差、成本较高,难以适应新时代电网高要求高标准。因此电力行业进入了大数据时代,必须重新审视现有的存储技术[5]。
本文针对不同类型不同应用场景的数据,推出一套完整的存储策略来解决传统电力系统信息平台遇到的存储瓶颈。
2 电网大数据
要制定符合国网实际情况的存储应用策略,首先需要对公司各类数据进行调研和分析,理清各类数据的量级、数据重要程度、数据访问频率、数据访问的实时性、以及数据访问的带宽要求等,这是制定国网应用策略的基础。
2.1 电网大数据分类
根据电网数据内在结构,可以将其分为结构化数据及非结构化数据。结构化数据主要包括关系型数据库中的存储数据,然而随着科技进步和公司业务的发展,原有的结构化数据在全部数据量中所占的比例迅速降低。80%以上的新增数据都是视频流、图片、文档等半结构化或非结构化数据。因此本文的分析主要针对半结构非结构化数据,也兼顾结构化数据。
2.1.1 按数据的访问频率分类
不同类型的数据被访问频率和被处理热度是不一样的,可以分为冷数据和热数据。大量的冷数据并不需要很高的响应速度,若采用可扩展性更灵活的廉价存储方案,能够节省大量的设备投资成本。在分布式存储系统中,数据类型按照数据的使用热度,可以分为在线、近线、离线数据,对不同热度的数据采取不同的技术策略。
2.1.2 按数据的实时性分类
按照数据的实时性可以分为实时响应数据、准实时响应数据、非实时响应数据,实时响应数据一般定义要求响应时间小于1秒,准实时响应数据一般定义响应时间小于60秒,非实时响应数据一般定义为60秒以上。
2.1.3 按非结构化文件大小分类
按照非结构化文件可以分为小文件、中等文件、大文件,小文件一般定义为1M以内,中等文件一般为大于1M小于100M,大文件一般定义为100M以上,不同大小的文件采用的存储策略和技术不同。
2.1.4 按照数据量分类
按照数据量可以分为小规模数据、中等规模数据、海量数据,小规模数据一般定义为1TB以下,中等规模数据量一般定义为1TB以上,1PB以下,海量数据一般定义为1PB以上。对于海量数据通过使用廉价的设备,牺牲部分性能来获取更高的存储效率,降低存储投资。
2.2 电网大数据特点
电力企业的非结构化数据贯穿于发电、输电、变电、配电、用电和调度所有环节。几乎存在于企业的所有业务应用当中,不仅如此,公司非结构化数据还具有以下特点:
1)数据格式多样化。在业务应用过程中非结构化数据格式呈现出多样化方式.如Word、Excel、PPT、P DF、CEB、TXT、JPEG、压缩文件、Cad图纸等。
2)业务对象多样化。非结构化数据的业务对象包括凭证、公文、发票、报表、技术规范书、标书、设计图、可研估算书、批复文件、生产文档、结算文档、图纸策划等。
3)存储方式多样化。非结构化数据由各个业务应用自行管理,有结构化数据库、FTP、纸质材料等多种存储方式。
4)业务流程多样化。非结构化数据业务流程包括业务系统内流转、人工流转、打印、扫描、复印、上传、下载等。
5)安全课题多样化。目前,非结构化数据在电力企业的各个业务应用中已经实现了初步的安全管控,但对于非结构化数据在线安全、离线安全、数据容灾等方面还需加强和补充。
3 电网大数据数据存储策略
3.1 不同文件大小的存储策略
3.1.1 大文件存储策略
对于大文件的存储,采用目前主流、开源的HDFS系统,HDFS是目前应用最多的开源分布式文件系统[6,7,8,9]。HDFS是一个高度容错性的系统,适合部署在廉价的机器上。HDFS能提供高吞吐量的数据访问,非常适合大规模数据集上的应用。它采用一次写入多次读取的文件模型,读取时采用流的方式批量读取(而非用户交互式读取)。HDFS采用主从架构,由唯一一个元数据节点(Name Node)和多个数据节点(Data Node)组成,HDFS的体系结构如图1所示。
1)数据块Blocks
HDFS默认的最基本的物理存储单位是64M数据块(可以进行配置),如果一个文件小于一个数据块的大小,它也不占用整个数据块的存储空间。
2)元数据节点Name Node
Name Node是集群的主节点,负责文件名的维护管理(包括文件和目录的创建、删除、重命名等),同时也管理数据块(Data Block)和数据节点(Data Node)的映射关系。
3)从元数据节点Secondary Name Node
Secondary Name Node周期性将Name Node的命名空间镜像文件和修改日志合并(合并过后的命名空间镜像文件也在从元数据节点保存了一份,以便备用),并上传到Name Node,便于Name Node恢复先前状态。
4)数据节点Data Node
Data Node是集群里的一台机器,负责数据的存储和读取。在写入时,由Name Node分配数据块的保存位置,客户端直接写到对应的Data Node。在读取时,客户端从Name Node获得文件与Data Block的映射关系后,到对应的数据节点读取数据。Data Node根据Na me Node的命令创建、删除、冗余复制Data Block。Dat a Node周期性的向namenode汇报其存储的数据块信息。
3.1.2 小文件存储策略
1)采用高端存储SAN或者NAS系统
网络附加存储(Network Attached Storage,简称NAS)即将存储设备通过标准的网络拓扑结构,连接到一群计算机上[10]。NAS是部件级的存储方法,它的重点在于帮助工作组和部门级机构解决迅速增加存储容量的需求。NAS产品包括存储器件(例如硬盘驱动器阵列、磁带驱动器或可移动的存储介质)和集成在一起的简易服务器,可用于实现涉及文件存取及管理的所有功能。简易服务器经优化设计,可以完成一系列简化的功能,例如文档存储及服务、电子邮件、互联网缓存等等。集成在NAS设备中的简易服务器可以将有关存储的功能与应用服务器执行的其他功能分隔开。
存储区域网络(Storage Area Network,简称SAN)采用光纤通道技术[11],通过光纤通道交换机连接存储阵列和服务器主机,建立专用于数据存储的区域网络。当前企业存储方案所遇到问题的两个根源是:数据与应用系统紧密结合所产生的结构性限制,以及小型计算机系统接口(SCSI)标准的限制。SAN正是专注于企业级存储的特有问题。SAN便于集成,能改善数据可用性及网络性能,而且还可以减轻管理作业。
NAS和SAN系统对于小文件的处理效率较高,但硬件成本较高。
2)采用Fast DFS文件系统
Fast DFS是一个开源的轻量级分布式文件系统[12,13]1[12,13]。它对小文件进行管理,功能包括:文件存储、文件同步、文件访问(文件上传、文件下载)等,解决了大容量存储和负载均衡的问题。特别适合以文件为载体的在线服务,如相册网站、视频网站等等。
Fast DFS服务端有两个角色:跟踪器(tracker)和存储节点(storage)。跟踪器主要做调度工作,在访问上起负载均衡的作用。存储节点存储文件,完成文件管理的所有功能:存储、同步和提供存取接口。
跟踪器和存储节点都可以由一台或多台服务器构成。跟踪器和存储节点中的服务器均可以随时增加或下线而不会影响线上服务。其中跟踪器中的所有服务器都是对等的,可以根据服务器的压力情况随时增加或减少。
为了支持大容量,存储节点(服务器)采用了分卷(或分组)的组织方式。存储系统由一个或多个卷组成,卷与卷之间的文件是相互独立的,所有卷的文件容量累加就是整个存储系统中的文件容量。一个卷可以由一台或多台存储服务器组成,一个卷下的存储服务器中的文件都是相同的,卷中的多台存储服务器起到了冗余备份和负载均衡的作用。
在卷中增加服务器时,同步已有的文件由系统自动完成,同步完成后,系统自动将新增服务器切换到线上提供服务。
当存储空间不足或即将耗尽时,可以动态添加卷。只需要增加一台或多台服务器,并将它们配置为一个新的卷,这样就扩大了存储系统的容量。
Fast DFS对小文件的存储效率较高,但由于其在存储文件时没有对文件进行分块处理,所以在大文件的处理上效率相对较低。
3)采用TFS文件系统
TFS(Taobao File System)是一个高可扩展、高可用、高性能的分布式文件系统[14],主要针对海量的非结构化数据,它构筑在普通的Linux机器集群上,可为外部提供高可靠和高并发的存储访问。它采用了HA架构和平滑扩容,保证了整个文件系统的可用性和扩展性。同时扁平化的数据组织结构,可将文件名映射到文件的物理地址,简化了文件的访问流程,一定程度上为TFS提供了良好的读写性能。
TFS系统的体系如图2所示。TFS的块大小一般为64M(可进行配置)。TFS的设计目标是海量小文件的存储,所以每个块中会存储许多不同的小文件。Data Ser ver进程会给Block中的每个文件分配一个ID,并将每个文件在Block中的信息存放在和Block对应的Ind ex文件中。这个Index文件一般都会全部load在内存,除非出现Data Server服务器内存和集群中所存放文件平均大小不匹配的情况。
在TFS中,将大量的小文件(实际用户文件)合并成为一个大文件,这个大文件称为块(Block)。TFS以Block的方式组织文件的存储。每一个Block在整个集群内拥有唯一的编号,这个编号是由Name Serve进行分配的,而Data Server上实际存储了该Block。在Name Server节点中存储了所有的Block的信息,一个Block存储于多个Data Server中以保证数据的冗余。对于数据读写请求,均先由Name Server选择合适的Data Server节点返回给客户端,再在对应的Data Server节点上进行数据操作。
4)采用相关合并技术赋予HDFS小文件支持能力
对于小文件问题,有两种解决方案:Hadoop Arch ive、Sequence File。
Hadoop Archive
将众多小文件打包成一个大文件进行存储,并且打包后原来的文件仍然可以通过Map Reduce进行操作,打包后的文件由索引和存储两大部分组成,索引部分记录了原有的目录结构和文件状态。其原理如图3所示。
Sequeues File
由一系列的二进制key/value组成,如果key为小文件名,value为文件内容,则可以将大批小文件合并成一个大文件。该方案对于小文件的存取都比较自由,不限制用户和文件的多少,支持Append追加写入,支持三级文档压缩(不压缩、文件级、块级别)。其存储结构如图4所示:
3.2 不同热度的非结构化数据存储策略
对于热数据,一般数据量不会太大,但由于并发访问高,为了提升数据的访问性能,考虑采用多副本机制,可使用两种策略。
3.2.1 热点数据存储高端存储
1)高端存储+RAID1(RAID5)
采用高端存储[15],并配合RAID1或者RAID5提升热数据访问效率。RAID1通过数据镜像实现数据冗余,在两对分离的磁盘上产生互为备份的数据。RAID1可以提高读的性能,当原始数据繁忙时,可直接从镜像中读取数据。RAID1是磁盘阵列中费用最高的,但提供了最高的数据可用率。当一个磁盘失效,系统可以自动地交换到镜像磁盘上,而不需要重组失效的数据。RAID5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折中方案。RAID5可以为系统提供数据安全保障,但保障程度要比Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID5具有和RAID0相近似的数据读取速度,只是多了一个奇偶校验信息,写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息,R AID5的磁盘空间利用率要比RAID1高,存储成本相对较低,是目前运用较多的一种解决方案。
2)分布式文件系统多副本机制
HDFS作为Hadoop中的一个分布式文件系统,而且是专门为它的Map Reduce设计,所以HDFS除了必须满足自己作为分布式文件系统的高可靠性外,还必须为Map Reduce提供高效的读写性能。首先,HDFS将每一个文件的数据进行分块存储,同时每一个数据块又保存有多个副本,这些数据块副本分布在不同的机器节点上,这种数据分块存储+副本的策略是HDFS保证可靠性和性能的关键,在这里,副本的存放策略又是HD FS实现高可靠性和搞性能的关键。
在大多数情况下,副本系数是3,HDFS的存放策略是将一个副本存放在本地机架节点上,一个副本存放在同一个机架的另一个节点上,最后一个副本放在不同机架的节点上。这种策略减少了机架间的数据传输,提高了写操作的效率。与此同时,因为数据块只存放在两个不同的机架上,所以此策略减少了读取数据时需要的网络传输总带宽。因为HDFS对文件的存储是分块来存储的,因此通过增加热点数据副本数据,可以有效提高热点数据的访问效率。
3.2.2 冷数据存储
通过分布式文件系统最少副本数,降低冷数据的存储成本。
3.3 数据不同访问延时存储策略
3.3.1 低延时数据存储策略
1)高端存储
以光纤为接口的存储网络SAN可提供多路4Gbps连接的高扩展性、高性能的网络存储机构,光纤交换机、光纤存储阵列同时提供高吞吐量和更大的服务器扩展空间。因此采用高端存储设备来解决低延时数据的存储问题。
2)采用盘古等分布式文件系统
在盘古系统中[16],文件系统的元数据存储在多个主服务器(Master)上,文件内容存储在大量的块服务器(C hunk Server)上。客户端程序在使用盘古系统时,首先从主服务器获取元数据信息(包括接下来与哪些块服务器交互),然后在块服务器上直接进行数据操作。由于元数据信息很小,大量的数据交互是客户端直接与块服务器进行的,因此盘古系统采用少量的主服务器来管理元数据,并使用Paxos协议保证元数据的一致性。此外,块大小被设置为64MB,进一步减少了元数据的大小,因此可以将元数据全部放到内存里,从而使得主服务器能够处理大量的并发请求。
3)优化开源的HDFS,满足低延时存储需求
HDFS不太适合于那些要求低延时(数十毫秒)访问的应用程序,因为HDFS是设计用于大吞吐量数据的,这是以一定延时为代价的[17]。HDFS是单Master的,所有的对文件的请求都要经过它,当请求多时,肯定会有延时。使用缓存或多master设计可以降低client的数据请求压力,以减少延时。
3.4 总体存储策略及演进路线
采用多种技术路线,构建面向不同文件大小、不同数据热度、不同访问延时的非结构化数据存储策略如下图所示:
前期
考虑到现有高端存储的利旧问题,及分布式文件系统在小文件存储和低延时数据访问等方面的问题,前期任保留高端存储,用于存放小文件、实时数据、在线数据、核心业务数据,将现有的大文件、非实时数据、离线业务数据、非核心业务数据逐步迁移至分布式存储上。同时,通过建立统一的数据管理平台,对外提供基于高端存储和分布式存储的统一界面。
中期
中期采用通过开源集成方式,采用不同的分布式存储产品(HDFS、Fast DFS),解决不同大小、不同延时要求、不同访问频率、不同重要程度的数据存储问题,同时通过自主研发方式,将现有的高端存储纳入到分布式存储的管理范围,最大程度上利用现有设备,减少投资。
后期
最后,通过采用统一的技术路线,选取一种开源的分布式文件系统(HDFS),通过自主研发和创新,解决HDFS在小文件存储、低延时访问等缺陷,使其满足各类业务数据的存储需求。
4 结束语
本文阐述了电网中大数据的数据特点、分类以及应用价值,重点分析了非结构化数据不同的存储策略,阐述了国网公司电网数据存储迁移的三大目标,逐步从昂贵的国外高端存储向开源的国产分布式文件系统转变,以满足新时代国网公司的新需要,响应国家去IOE政策,为我国电网大数据存储及处理提供参考。
摘要：随着科技的进步和时代的发展,电力行业得到长足的进步。伴随而来的是电网各个环节产生的数据量呈指数级增长,数据类型也从相对简单的结构化数据向非结构化数据转变。同时为响应国家去IOE政策和国网公司提出的集约型倡议,本文从数据的不同类型,不同的应用场景出发,对数据存储模式进行了详细的分析研究,推出了一套完整的数据存储和迁移方法 ,为国网大数据存储提供新的思路和模式。
分布式电力呼叫中心应急互备系统 篇8
某电力呼叫中心语音平台采用的是Cisco IPCC解决方案, 具备高度的系统架构完整性, 既充分演绎和发挥了电力通信广域网在全省的覆盖优势, 又实现了数据的大集中、终端设备的分布式, 极大地降低了整个系统的建设成本和管理维护成本。但受电力通信广域网规模大、覆盖范围广、网络环境复杂等因素影响, 自系统上线运行以来, 语音及数据也出现过中断, 为消除潜在影响因素, 在利用好现有资源的基础上, 可对电力呼叫中心开展平台应急互备冗余建设实施工程。
2 现状分析
Cisco IPCC系统基于全IP架构, 无需部署传统板卡或非标准设备, 全套采用纯软交换平台, 系统部署和坐席分布位于网络的任何角落, 确保呼叫中心运营在设计和管理上不受物理位置的限制, 整个系统由ICM、CallManager、IVR、Cisco语音网关等软硬件设备组成, 见图1:
系统建成至今, 在长期的运维实践工作中, 通过对IPCC遇到和发生过的系统故障事件的详细统计和分析可知, 严重的服务器硬件故障是处理时间最长的故障类型, 对这种严重的硬件故障类型, 目前已经采取了较为完善的应急处理措施, 如:电源、硬盘、主板等重要部件都具有双备件应急, 发生硬件故障时更换即可。对于更为严重的硬件故障, 通过已经建成的同城灾备应急系统切换, 即可消除严重的服务器硬件故障对呼叫中心的影响。
从多年的运维统计数据中可以看出, 当网络或语音网关发生中度以上故障时, 处理起来费力。目前部分系统上线较早的地市局分中心面临网络设备老化、固件版本较低等问题。为有效消除网络及语音网关故障的影响, 有必要对各呼叫中心进行语音网络链路的互备冗余。
3 建设规划
Cisco IPCC由于采用全IP架构, 网络的相干性较高, 部分上线较早的地市分中心已经出现网络设备老化, 成为系统稳定运行的安全隐患。需要在地市分中心语音链路通道上引入级联冗余机制, 充分发挥和利用95598数据大集中、跨区域、不受设备物理位置限制等优势特点, 进行相邻地市级呼叫中心的语音链路通道级联, 这样即使在本地网络及设备发生故障停止工作的情况下, 也能由约定的分中心进行电话呼入托管。
正常模式下地市分中心的PSTN交换网通过和本地语音网关相连的E1中继线进行语音链路数据传输, 当本地的语音网关或网络出现故障不可用后, 互为备份的两地间将通过电力PSTN内部程控交换网进行呼叫中心的服务电话的异地托管代接, 异地语音链路互备将有效消除因当地网关设备或网络故障导致的本地呼叫中心不可用问题。
4 体系架构及设计
Cisco IPCC系统采用的是语音数据大集中处理模式, 各地局分中心语音数据传输处理的主要依据是区号识别, 因此语音数据互备传输时必须依据严格的匹配识别规则, 进行数据的再处理, 从而判断出电话的呼入类型, 精确路由到相应的技能组。
语音链路互备为地市局分中心的话务机制提供了有效的灾备冗余, 但是缺少业务数据的互备支撑。为此, 根据语音互备的业务需求, 我们将着手对数据业务处理进行互备的升级体系改造, 使其和语音互备形成一个相辅相成的整体工作体系, 业务数据互备模块的设计主要从以下几个方面进行考虑。 1) 在业务系统中增加号码的区域识别及来电提醒功能:来电号码的区域识别和来电提醒功能是整个互备体系中最基本的一个功能环节, 为此将依据制定的“互备传输路由匹配规则表”进行来电号码的识别和分解处理。
2) 增加地市级坐席角色权限交叉功能。
要实现业务数据的互备功能, 业务系统必需由目前独立型角色权限变更为交叉型角色权限, 方能实现业务处理数据的完全共享, 通常系统的角色权限往往是和数据的可控性紧密绑定, 为实现业务数据的互备共享, 在现有业务系统的基础框架上将做较大的开发调整补充。
3) 业务处理流程应急互备设计:业务处理流程互备设计为各地市95598分中心在不同的应急环境及应急模式下提供了完善的系统应急机制和策略, 整个应急策略的选择和控制完全由系统根据当前平台的可用状态进行模式匹配自动选择, 应急模式分为三级响应。
5 结束语
综上所述, 基于IP语音架构体系的分布式呼叫中心应急互备建设, 作为一种有效可行的平台级冗余机制, 能以当前的呼叫中心为依托, 充分利用和整合现有网路和语音资源, 有效提升资源使用率, 降低新建项目成本, 对企业大型信息系统冗余备用机制的一种创新型建设实践的验证。
摘要：介绍呼叫中心语音平台的实际情况, 提出基于现有资源的平台应急互备冗余解决方案, 充分发挥和利用95598数据大集中、跨区域、不受设备物理位置限制等优势的特点, 进行地市级呼叫中心的语音链路冗余, 消除因当地网关设备或网络故障导致的本地95598不可用问题。
关键词：IPCC,语音,应急,冗余
参考文献
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[2]云南电网公司95598语音平台建设方案[Z].2007.
[3]Cisco路由器设置[Z].2006.
[4]Cisco路由规划指南[Z].2007.
[5]思科语音与IP通信[Z].2010.
分布式电力监控系统 篇9
电力能源作为国民经济发展的“三大命脉”之首,其发展水平、运行可靠性、自动化程度的提高直接影响着整个国民经济的发展步伐。而随着计算机软硬件、网络等技术的高速发展,电力系统的自动化水平也在不断提高,其中电力调度自动化系统(EMS)在保障电力系统的安全、稳定运行中起着越来越大的基础作用。
数据库技术产生于20世纪年代后期,其理论与技术发展极为迅速,应用也日益广泛,在当今的信息社会中,它几乎无所不在;其支持的数据模型,已经历了层次、网状、关系和面向对象模型等几个阶段,技术上逐渐走向成熟,在传统的应用领域获得了极大成功。然而,它们在现代的工程和时间关键型应用面前,却显得软弱无力,面临着新的严峻的挑战。由此而导致了实时数据库(Real-timeDatabase,RTDB)技术的产生和发展。实时数据库作为数据库技术的一个重要分支已有20多年的发展历史,随着网络技术迅速发展,实时数据库技术也得到很大发展。在电力系统方面,随着国内外对一体化系统(SCADA/EMS/DTS)的研究深入及用户需求的增加,如何设计与实现一个能较好支持一体化系统的实时数据库管理系统,也已成为调度自动化领域的一个重要课题[1]。本文介绍的这套系统已开发成功,并在多个实际工程中应用。
1 面向电力系统实时数据库的特点
作为一个面向电力系统调度一体化的实时数据库,它除了应符合作为数据库的一般要求外,还需要满足SCADA/EMS/DTS系统的应用要求。因此,实时数据库应具备以下重要特点:
(1)数据访问快速,能满足系统的实时性要求;
(2)具备完备的数据处理和管理功能,有效的恢复和重载机制;
(3)满足电力系统网络分析的要求,确保数据的实时性和一致性;
(4)高效的数据分布性能,支持数据的分布存储和访问;
(5)多任务的并发处理机制;
(6)支持多个工程的数据库并存机制,数据库间的数据方便切换,以提高工程管理效率;
(7)支持数据库的镜像功能机制,满足不同应用间的数据快速切换;
(8)提供数据库访问的规范接口,具有良好的数据安全性;
(9)开放性好,提供与其他系统数据交换机制[2]。
2 分布式数据库的特点
分布式数据库系统有两个方面的含义:一是存储分散性,数据库中的数据存储在不同的计算机存储设备上;二是逻辑整体性,这些存储在不同地方的数据在逻辑上是互相联系的,共为一个整体[3]。分布式数据库系统不是简单地把集中数据库分散地实现,而是具有下面这些特点和性质:
1)透明性:用户不必关心数据的逻辑分片,也不必关心数据物理位置分布的细节;
2)数据冗余度的适度增加:在集中数据库系统中,尽量减少数据的冗余度是系统的设计目标之一。而在分布式数据库系统中却需要一定的数据冗余,在不同的地方存储同一数据的多个副本;
3)全局的一致性、可串行性和可恢复性;
4)集中与自治相结合的控制结构。在分布式数据库中,数据重复和合理的分配是关键[3,4]。
目前,分布式数据库技术研究的热点是客户/服务器技术。对于多服务器系统而言,系统的数据分布在多个服务器中,多个客户共享多个数据库中的数据,服务器间协同工作,支持对数据的透明访问。
3 电力系统典型运行结构
通过对实时数据库和分布式数据库的特点分析,我们提出了一种结合二者优点的分布式实时数据库管理系统,它采用客户/服务器结构,并以内存数据库为基础,充分体现了网络条件下控制系统实时性的要求,为数据库技术在自动化系统中的应用提供了新的思路。下面设计的分布式实时数据库系统就采用了这样的一些设计理念,并在充分利用网络系统带宽的同时,做到负载均衡和双机双服务热备用。
图1给出了电力调度系统一种典型的运行结构图。
从图1可以看出,在电力调度系统中包含了各种应用服务器,每种应用服务器上部署有不同的服务进程和内存数据库,同时各种服务器之间也进行大量的数据交换以保持同步和一致性,客户节点也需要访问各种应用服务器上的服务和数据。
4 面向电力系统的分布式实时数据库系统的结构设计
这里所设计的实时数据库系统是面向电力调度系统的一种专用的实时内存数据库(MMDB)系统,考虑到电力系统运行的数据访问要求,把所有的数据分成三类:动态数据、静态数据和统计计算数据。由此,衍生出了两种数据存储要求,提取频繁访问的动态数据、计算数据以及部分必要的静态属性信息,按照设计的内存数据库结构生成内存映像文件,称作动态库;而按照关系模式在商用数据库中保存所有动态数据和静态数据,形成静态库。商用数据库中表关系的设计在此不再赘述,下面重点介绍实时数据库的内存结构设计。
4.1 结构设计
内存数据的组织结构在MMDB系统设计时,使用了现代操作系统提供的共享内存机制,系统初始化时将整个内存数据库映像文件装入一块共享内存区,运行时应用进程可以把整个数据库或一部分映射到自己的虚地址空间进行直接访问。针对关系和索引数据全在内存中这一特点,在数据结构和数据访问中广泛使用指针。应用进程可以通过指针,也可以通过位置独立的数据库偏移量访问数据,无需像DRDB那样与缓冲区管理器交互。另外,由于指针长度固定,因此可以很好地解决变长字段问题。其次,若一个大的数据对象在数据库中多次出现,则内存中只需存储一次,其他地方使用指针来引用。
本系统的内存数据库结构通常由四个相互独立的共享内存区组成,分别是数据库模式信息区、数据段索引区、数据段信息区和数据区,其中数据段信息区和数据区成组出现,映射为电力系统数据库中的各个数据关系。有时候对于常用的数据表也会再增加一个内存区域,或称数据记录HASH信息区,利用哈希函数直接查询到相应的数据记录,以加快访问记录的速度。数据区中包含的每个记录的属性由数据结构进行指定,为了加快访问的速度和减少内存中指针的移动次数,一些常用的信息通常也会进行冗余配置。同时,由于电力系统中许多应用软件采用连续内存进行数据处理,并且连续内存有利于提高系统的实时性,因此在镜像内存映像的时候,每个关系表的数据空间均进行连续内存分配。本系统的物理内存组织结构如图2所示。
4.2 内存数据库结构说明
下面给出内存数据库部分结构的C语言说明:
1)内存数据库头信息结构
2)数据段索引信息结构
5 分布式机制的实现
在电力调度自动化系统中包含了各种应用服务器,每种应用服务器上有相应的处理软件和数据,同时各种服务器之间进行大量的数据交换。而客户节点又需要同时访问各种应用服务器上的数据。由于电力调度自动化系统对系统的稳定性、可靠性、实时性要求比较高,因此对于关键部分均采用冗余配置。比如网络采用双网、各种应用服务器均为冗余配置。因此,数据库管理系统的设计围绕物理存储管理、网络信息共享、服务器冗余管理等方面进行。
在数据库底层网络功能的实现上,本文采取数据分流与冗余多网络的可靠通信,即系统中配置了多个相互独立的局域网,只要一条通信回路正常就可保证数据正确到达。这在实时监控系统中很有意义,因为实时系统要求数据具备高可靠性,数据丢失在这种应用中是不能接受的。
5.1 实时数据库的分布式部署
5.1.1 双机双服务的硬件分布部署
在系统运行图1中,可以看到主要的服务节点都采用双机热备的部署方式,它不但实现内存数据库实时复制备份,还同时起到了负载均衡的作用。例如在前置服务器A、B双机中,正常时A、B服务器分别负责各自直接配属的下级网络采集终端(RTU)的数据报文传输和解析,起到了数据流和访问服务的均衡负载。而当其中一个服务器发生宕机后,另一个服务器马上接管对方名下的服务,实现无缝的热备。而当故障解除之后,A、B服务器又重新接管各自的服务,达到网络和访问的均衡处理。具体的实现原理,参见下面的心跳服务和总裁选举。
5.1.2 内存数据库文件的分布式部署
从图2的电力系统运行结构图可以看出在电力系统的应用中存在着多个主要的数据处理服务,分别是前置数据采集通信服务、SCADA服务、PAS应用服务和DTS应用服务。不同的服务进程对于数据的要求不同,这样就可以根据部署服务节点的不同而生成不同的内存数据库映像文件,需要访问这些数据映像的时候分别进行加载即可实现数据的访问。
分布式实时数据库管理按照客户/服务器模式构建,对于某一个分布式实时数据库,整个系统内只有一个节点的数据库为参考,其他节点的数据库进行以该节点为基准,其数据自动向参考点的数据统一,以达到数据一致。因此,我们把部署在主机上的内存数据称作参考库(REFMAP),把部署在备机上的称作复制库(REPMAP)。
5.2 实现分布部署的关键技术
5.2.1 数据库自动复制技术
数据库自动复制技术(DatabaseAutomatedReplication,DAR)是用来保证参考库和复制库数据一致的关键技术。根据数据更新的不同,DAR提供了更新和下载数据库的三种技术。这三种技术分别是:
1)非优化的更新/下载技术:该技术包括下载表的全部项。对相对小的数据库来说,此技术是可行的。对大的数据库,完全下载的持续时间使此技术无法让人接受,特别是当数据库仅有一小部分被修改,而复制库节点请求下载时。
2)基本更新/下载优化技术:它有选择的下载复制库请求的、并发生了改变的表。mod count字段是一个表的修改计数,正常时每当参考数据库更新器对XXX Table表进行一次修改,mod count字段加1而且该字段的新值(与XXX Table1表所做的修改一起)被传播给所有复制数据库,所有的数据库就被同步更新了。而当复制数据库需要主动下载时,复制数据库首先向参考数据库下载服务器发送mod count,当下列条件满足时,参考数据库下载服务器下载该表:
下载目录表的num records、extent和mod count字段。END IF
3)增强更新/下载优化技术:此项更新/下载技术是基本更新/下载优化技术的增强。它允许下载与复制库请求相关表中被修改的记录。为了更好地检测修改,此技术需要增加一个更改计数表来存放基本表项的更改次数。由于存在额外的内存开销,此技术最适用于经常需要更改一些基本项的超大表。
5.2.2 心跳报文广播服务
上文论述了要在双机服务过程中实现网络访问和服务的负载均衡,这里双机所处的地位虽然是平等的,但是在任一时刻,在双机或者多机部署的情况下,系统中总存在一台作为主机服务,其余作为备机服务。首先,根据服务进程的配置参数选出一台作为主服务器使用,对它赋予比较高的优先级别,赋予其余的服务器不同的,或者相同稍低的服务级别。这样,首先由最高级别的服务器充当主机使用,主机和备机通过广播的心跳报文来保持通信的同步和服务的监控以及切换。
心跳报文广播采用UDP通信协议,它的特点是效率高但不可靠,适合于网络拓扑结构未知情况下的应用。在系统测试过程中发现,当系统发生连续的报文广播时,报文的丢失率高达20%以上。分析发现,报文丢失主要发生在接收端,而不是在网络上,可能是网卡的中断处理效率不够,以及接收线程来不及处理连续的报文,导致报文接收队列溢出所致。为提高可靠性,本系统采取对小报文缓存合并,每个报文发送之间采取一定间歇及采取双收策略,实际应用表明这样可基本消除报文丢失现象。
5.2.3 总裁选举协议
虽然心跳报文的广播服务解决了双机的同步和服务的监控问题,但是必须防止出现因主机宕机或者掉线而丢失主机心跳广播报文的情况发生,为此,引入了总裁选举协议来进行主机的推选工作。
总裁选举协议提供了一种机制,保证在任意时刻在一组分布式应用中只存在一个主服务,其他的应用为备用服务。该协议利用点对点通信服务中的数据报通信端点在各协作进程间交换信息。该总裁选举协议的选举策略就是:
6 结论
本文分析了面向电力调度系统的专用的分布式实时数据库的特点,以及在设计中面临的难点,对实现实时数据库所需要的关键技术进行了详细的阐述并给出解决方案。根据上述的原理实现的电力调度的分布式实时数据库系统已经成熟地运用在多个省地级的电力调度系统中,有力地支援了我国的电力调度事业的建设和发展。从总体和应用情况看,本系统提高了电力调度自动化系统的实时性、扩展性、通用性,缩短了电力调度自动化系统的开发周期,降低了系统开发的复杂程度和开发费用。同时,系统规模可灵活配置,适应多变的用户需求。此外本系统做一些适应性修改,便可应用于其他实时监控系统,从而显示了广阔的应用前景。
参考文献
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[2]吴文传,张伯,王鹏.一体化系统的分布式实时数据库管理系统.中国电力,2000;33(10):85—89
[3]杨武军,张继荣,屈军锁.内存数据库技术综述.西安邮电学院学报,2005;10(3):95—99
[4]叶建位,苏宏业.实时数据库系统关键技术及实现.计算机应用研究,2005;(3):45—47
分布式电力监控系统 篇10
在全球的许多国家, 传统的使用石油、天然气等一次能源的发电厂在环境治理上的花费往往比较高, 因此, 许多国家和地区均大力支持“绿色”能源技术的发展, 从而使得分布式发电在电力系统和智能电网中发挥着越来越重要的作用。
大规模实施分布式发电使得原本处于“被动”位置的中压配电网络朝着一个积极的方向变化为能够响应各种动态因素的“积极”电网, 这就对操作和管理电网提出了更高的挑战, 因此, 规划和操作新的系统必须面对更多全球体系的挑战[2]。
本文主要对分布式发电的高覆盖率对电力系统设计和运行的影响进行了分析, 着重探讨了电力公用事业大规模实施分布式发电的问题, 分布式发电的日益普及将对电力系统的设计、工程实施以及运行的可靠性提出很高的要求, 并引用电力示范项目例举说明。
1 现代供电趋势
1.1 集中供电与分散供电
世界大部分国家均采用集中供电的方式, 这些集中发电的发电站大部分利用一次能源的燃烧、水能或核反应堆来进行发电。这些中央电站大多数的装机容量都在300 MW和1.7 GW之间。这使得集中发电和分布式发电在装机容量和设施上有很大的区别, 分布式发电有以下特点[3]:
(1) 分布式发电站安装在不同的位置, 一般来讲更接近负荷中心, 且在整个电力系统相对独立。 (2) 机组额定功率一般从几千瓦到几十兆瓦。 (3) 被接入不同电网中时, 接入电网的电压等级不同, 一般为600 V到110 k V不等。
目前, 因为电力生产受到规模经济、燃料成本、能源利用率以及机组寿命的影响, 所以, 非分布式发电仍然占主导地位。此外, 虽然利用增加生产规模来降低生产每兆瓦发电量的成本是合理的, 但是, 由于大规模高参数的机组可以利用成熟的技术来提高燃料利用效率, 所以, 燃料成本和能源利用率仍然是继续建设大型电厂的另一个原因。总之, 寿命为25~50年的大型发电厂将仍然是主要电力来源。
相对于非分布式发电技术而言, 分布式发电技术能够提高效率, 提高供电安全性, 改进需求调节能力, 避免产能过剩, 而且能够更好的调峰, 从而降低电网损耗, 保证电能质量, 最终提高用户用电可靠性, 使环境污染分散化[4]。
分布式发电技术的可贵之处在于能够在花费较小成本条件下, 提供较高可靠性的电能质量。总之, 分布式发电可能最终成为一个更理想的电源, 是因为它更“接近”用户并且在电能输送上的花费比传统的集中供电更经济。而分布式发电的难点是电站的所有权和企业的经营、燃料输送问题、电网的连接问题、调度的局限性等。
1.2 智能电网开发
近年来, 电网的市场走向主要是:“智能电网——数字化电网——未来电网”[5]。这一市场走向趋势的驱动力是技术的提高和利益相关者的关注, 其趋势背后的主要观念是使用传感器与嵌入式数字处理技术, 来增强电力设备和技术, 使电网可视化 (使设备状态在电网中是可观测的) 、可控化 (对设备实现基于网络的控制) 、自动化 (能够自适应和自恢复) 以及用户友好化 (电站和用户可以互动) 。
智能电网概念的提出可以视为转变经济发展方式的有效途径, 发展智能电网可以为能源资源优化配置创造条件, 提供了切实可行的途径。发展智能电网可以为高新技术发展、科技创新、高端制造创造条件, 为公众生产、生活提供更高质量的电能。因此, 智能电网的提出及其发展是电力工业革命的曙光, 而不是工业电力革命的产物[6]。
那么, 一般来说, 这个市场的趋势, 需要一种新的方法进行系统设计, 从而达到网络集成设计实施的需求。此外, 用于公共事业的高覆盖率分布式发电机组应该制定明确的工程建设标准和操作维护规程。
2 分布式发电技术
2.1 分布式发电技术前景
分布式发电系统可以利用任何常规发电的技术, 如低/高温燃料电池、柴油发电机、燃气蒸汽联合循环发电机组、水力发电机组、或其他旋转机械、可再生能源技术, 包括太阳能发电、光伏发电、太阳能集热器、薄膜、风力发电技术、新兴发电技术等。每一种分布式发电技术都有其优点和缺点, 在选择过程中必须考虑[7]。
2.2 分布式发电机组与系统连接的要求
分布式发电机组与系统连接的设计取决于具体的装机容量, 然而, 系统整体安装应包括以下几部分[8~9]:
(1) 分布式发电燃料 (或主要能量来源) 和发电机组。
(2) 主变压器。
(3) 接地装置。
(4) 微机保护继电器: (1) 三相或单相故障检测和分布式发电机过载保护; (2) 速断保护和系统异常检测; (3) 电压和电流不平衡检测; (4) 不正常的反向功率检测; (5) 分布式发电机同步检测。
(5) 断路器或者刀闸。
(6) 计量、控制和数据记录设备。
(7) 调度控制和监视的通信线路。
3 高覆盖率分布式发电对电网的影响
高覆盖率分布式发电可能影响电网系统的性能, 这可以从下面几方面进行分析[10~11]:
(1) 分布式发电站的设计装机容量和类型, 比如功率变换、单元阻抗、继电保护功能、接口变压器、接地等。
(2) 分布式发电的原动力:风、光伏、冰等。
(3) 分布式发电的运行模式:带基本负荷运行、调峰运行、热电联产、带厂用电运行等等。
(4) 与其他分布式电站和负荷之间的联系。
(5) 在系统中的位置和网络的特性:诸如电网供电、接入点为系统阻抗连接点、电压控制设备的类型、位置和配置、接地设计、保护设备类型、地点和配置等。
分布式发电对系统的影响还依赖于分布式发电机组连接到系统中的“覆盖率”水平。在评价分布式发电在系统中的覆盖率水平时, 有很多因素需要考虑, 那么, 影响分布式发电覆盖率水平的因素包括:
(1) 分布式发电机组作为母线或者本地高峰负荷连接点电源的比例。
(2) 分布式发电机组作为变电站高峰电源或变电站电源的百分容量。
(3) 分布式发电机组作为连接点的压降容量。
(4) 分布式发电站故障电流占额定故障电流的百分数。
3.1 分布式发电机组对电压的调节
如何对电压进行调节, 使分布式发电机组出口电压升为特定的电压, 是限制高覆盖率分布式发电机组连接到电力系统的关键因素。电压分布调查表明, 分布式发电机组接入系统时, 在重负载条件下, 电压可能会降低到额定电压以下[12]。这是因为相对比较大的分布式发电机组在变电站中降低了抽头变压器的线路电流值。分接开关认为比实际值“小” (代表负载电流小) , 它会减少线圈避免“轻负荷, 高电压”。这种方法使得实际“重载、低电压”的情况变得更加糟糕。按照一般规律, 如果分布式发电机组提供小于20%的负载电流, 那么分布式发电机组的影响很小并且在大多数情况下可以忽略。
然而, 如果有功功率的流动方向是逆转流向变电站, 那么, 可变电阻器会工作在反向模式 (主要控制) 。由于变电站的电压与分布式发电机的电压相比, 变电站有更强的电源 (可变电阻器不能使它变低) , 那么, 可变电阻器将增加二次侧的电阻, 因此, 二次侧的电压会急剧增加。
3.2 分布式发电对电能质量影响
电压和频率是影响分布式发电电能质量的两个指标。一个分布式电站可以增加或者减少电网中的电压质量。
分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足, 提高用户用电的可靠性, 然而, 它也可能对电力系统的性能产生负面影响。当一个单一的大容量分布式发电机组或者若干个小容量分布式发电机组在接入和退出一个“弱”系统或负荷波动 (包括正常和异常) 时, 可能导致电能质量不合格。对某些类型的分布式发电机组, 如风力或太阳能, 由于不同的风或阳光的条件, 电流波动是一个最常见的问题[13]。
其他类型的分布式发电机组, 如内燃机或燃气轮机也会由于各种因素导致电能质量波动, 比如:当旋转发动机在1800转时, 会产生15 Hz的脉冲电流。
此外, 谐波可能造成一些设备过热或者使变压器、电缆和电机的绝缘降级缩短使用寿命。谐波也可能干扰敷设在系统邻近的一些通信系统。在极端的情况下, 可以引起谐振过电压、过电流, 造成设备故障等。
为了减轻谐波对系统的影响, 可以采取以下措施:
(1) 使用一个接口变压器与三角绕组或接地绕组减少三次谐波的形成。
(2) 中性点通过电抗器接地, 减少三次谐波进入系统。
(3) 使用特定设计的2/3绕组发电机。
(4) 应用滤波器或使用相位取消变压器。
(5) 对于逆变器, 可以选用特制的动作速度快的逆变器, 避免线路逆向供电或开关动作不及时可能产生的故障状态。
(6) 将分布式发电机组选为高比例的短路电流等级。
对于上述措施的选择, 必须在分布式发电机组对电能质量不影响的情况下, 依据分布式发电机组的故障电流占满负荷额定输出电流的比例, 通过详细的研究确定。
3.3 分布式发电机组对系统的冲击保护
一些分布式发电机组将会对系统装置产生冲击电流, 这种冲击电流将提高系统故障率, 甚至在某些情况下可能造成故障事故的扩大, 因此, 如何采取方法对分布式发电机组产生的冲击电流进行保护必须考虑。在没有任何保护的情况下, 冲击电流大小和对系统的影响程度取决于[14]:
(1) 分布式发电机组在母线上的功率大小和位置。
(2) 分布式发电机组的类型 (变频式发电机、同步发电机、感应电机) 和阻抗。
(3) 分布式发电机组的保护设备的设置。
(4) 阻抗保护和配置器。
(5) 分布式发电机组的接地和变压器类型。
分布式发电机在它的负荷发生故障产生时, 在负荷上产生的故障电流会在瞬时高达4~10倍的额定电流。逆变器会在故障电流为1~2倍额定电流时迅速跳闸, 理想条件下动作时间小于0.02s。
一般来说, 如果故障电流小于分布式发电机额定电流的5%, 它是不会影响到系统或者设备的运行。另外, 系统也必须考虑设备的中断能力, 例如断路器、开关和熔断器必须有足够能力在负荷侧发生故障时及时与分布式发电机断开。
4 分布式发电工程实例
4.1 实例1:通过改变变压器接线方式来影响同步分布式发电机故障电流
据调查, 在我国, 一些农村供电系统中同步分布式发电机母线接地电流为100 k VA, 500 k VA与2 MVA。此外, 主变压器的一次侧和负荷侧线圈接线形式 (三角形/星形/中性点接地的三角形接线) 都被改变了。
分布式发电机组产生的故障电流在从1% (一、二次侧都为三角接线) 到约30% (一次侧为星形接线, 二次侧为中性点接地的星形接线) 的范围内变动。当分布式发电机组与三角接线的变压器串联配置时, 负荷侧不接地的接线形式增加了故障电压。
4.2 实例2:农村供电可靠性的强化—有计划的应用独立电源
在我国部分地区, 用分布式发电作为一些农村供电的独立电源。由于环境和天气影响造成线路故障而停电, 那些接在只由一个单一的高压母线上的用户在每年可能经历几次持续几个小时的停电。若在本地配备额外的分布式发电机组, 那么, 它可以为在负载末端的变电站高压线供电或为在维修期间的变电站提供电源。
4.3 实例3:能量存储应用与间歇性的分布式可再生能源发电的结合
中高覆盖率的可再生能源的动态性质可引起功率的大幅度波动。功率的波动会引起无功功率进入电力系统, 特别是在轻负载条件下的母线。此外, 由于间歇性资源的固有特点, 这些以可再生能源为能源来源的分布式发电利用率可能非常低, 最终电网仍然需要主要的电站来为系统形成备用容量和应急电源。因此, 为了减少可再生能源发电对电力系统的不利影响, 适当安装一些达到足够规模的分布式能量存储单元, 便可适当的与可再生能源资源进行整合。
5 结论
全世界越来越多的电力行业正在寻求提供一种尽可能以用户为中心、竞争、创新、高效、环保、优良的能源服务之路。分布式发电将成为21世纪电力行业建设与智能电网开发中一个重要的组成部分。
目前, 分布式发电的难点是广泛实施分布式发电缺少成熟的技术和财政支持。此外, 尚有一些技术难题阻碍了分布式发电的大规模发展。因此, 分布式发电在计划、设计和操作的过程中, 应特别考虑到以下几点:
(1) 设计适合高覆盖率分布式发电的变压器和配电变电站。
(2) 利用增加设备来减小设备故障率。
(3) 母线电压调节和压降设计方法将影响高覆盖率分布式发电的发展。
(4) 分布式发电机组对系统的干扰和利用分布式发电提高可靠性的矛盾。
(5) 用接地的手段控制分布式发电装置引起的接地故障和过电压。
摘要：本文探讨了分布式发电对电力系统的设计、工程实施以及运行可靠性的要求, 考察了分布能源的大规模应用对电力系统设计、安全运行的影响, 并引用实例说明。同时, 本文也展望了未来分布式发电在电力工业中的发展远景。
分布式系统中进程互斥算法的研究 篇11
关键词：互斥算法；令牌；临界区
一、引言
在单机操作系统中，临界区、互斥以及其他有关同步问题，通常是用信号量和P*V操作、管程来解决。而在分布式系统当中，各个进程被认为是运行在不同的处理机上，为了防止出现以下情况：多个进程同时处于临界区；临界区外的进程阻塞其他的进程；有些进程在临界区外无休止的等待等等，多处理机系统的互斥不能简单地用单机的方法来实现，而是要用更为方便和高效的手段来实现多处理机系统的互斥。
解决进程互斥问题有软件的方法和硬件的方法，本文重点介绍软件方法，硬件方法从略。
二、经典互斥算法的探讨
（一）集中式算法
算法：选择一个进程作为协调器，用于协调临界区得进入。
特点：协调器在同一时间只允许一个进程进入临界区，故能保证互斥；因为请求消息是顺序排队得，不会出现“饿死”现象；单一的协调器是瓶颈。
（二）分布式算法
算法：想进入临界区的进程首先建立一个消息，该消息包括待进入的临界区名、进程名和时间戳。一个进程收到消息后，会有如下操作：不在临界区内且不想进入的话回复一个消息；在临界区内的话不回消息，将请求放入队列；不在临界区，也想进入的话就比较时间戳，时间戳小的进入。
特点：算法复杂，易出现“饿死”现象，系统不健壮；但它从理论上表明了算法的可行性，必将发展出实际可行的算法。
1、Lamport算法。特点：Lamport算法统一定序所有对临界段的请求，按先来先服务的原则让请求临界资源的进程进入其临界段；进程Pi发送的请求消息形如request（Ti，i），其中Ti=Ci是进程Pi发送此消息时对应的逻辑时钟值，i代表消息内容；每个进程保持一个请求队列，队列中的请求消息根据?准关系定序，队列初始为空。
2、Ricart and Agrawala算法。特点：算法实现了进程互斥，其控制是全分布的。因为进入临界区是根据时间戳的顺序来安排的（即先来先服务方式），所以根本不可能有进程“饥饿”现象发生。死锁也不可能发生，因为不存在环路等待。问题：其一，当有一个进程请求进入临界段时，所有其他进程都被牵连到。这就是说，每个进程都要知道其他进程的名字，当有新进程出现时，必须把新进程名字通知其他各进程，同时新进程要获知全部其他进程名。其二，如果某一进程故障，那么该算法因无法收到全部应答消息而崩溃。其三，没能进入临界区的进程只能频繁地暂停，因而只适用于小的进程集。
（三）令牌环算法
算法思想：整个系统只有一块令牌，只有令牌持有者才具有进入临界区的资格。当进程i从进程i-1接到令牌时，它检查是否想进入临界区，如果是，则进入，待其推出后，将令牌传递给进程i+1；如果不想进入，则直接把令牌向下传递。
问题：一是令牌丢失，事实上，检测令牌丢失是很困难的。二是进程故障，较容易恢复。
三、算法的改进（基于令牌的解决方案）
将令牌的概念引入到分布式的Ricart和Agrawala算法中，通过令牌即动态的单一点控制，使用对称的不同定义，这个算法要求的消息数在0到2（n－1）之间。在这个算法中，进程Pi收到来自Pj的回答消息后可以进入临界区（假设它得到所有其他进程的回答消息）任意次而无需再请求Pj的许可。因为当进程Pi收到Pj的回答消息时，隐含在该消息中的授权保持有效直到Pi收到来自Pj的请求消息。
算法思想：进入临界区的进程保留令牌。初始时，令牌被赋予任意一个进程。希望使用临界区的进程Pj不知道哪个进程拥有令牌，所以它通过向所有其他进程广播一个带时戳的消息来请求令牌。如果当前拥有令牌的进程Pi不再需要使用临界区，它就按照i＋1，i＋2，……n，1，2，……i－1的顺序搜索其他进程，找出第一个j，满足Pj最后一次请求令牌的时戳大于在令牌中记录的Pj最后一次拥有令牌的时戳，也就是说，Pj有一个未决的请求。于是，Pi把令牌传递给Pj。注意，优先级不是严格基于每个请求的时戳的，但是，由于令牌是沿着一个方向环绕传递的，所以不会有饥饿现象发生。算法：
P（i）：＝?鄢[请求资源消费释放资源处理-请求-消息其他]
分布式－互斥（distributed-mutual-exclusion）：＝||P （i：1...n）
以下变量用于每个Pi中：
clock：0，1，...，（初始化为0）
token_present：Boolean（除了一个进程，对所有其他进程均为F）
token_held：Boolean（F）
token：array（1...n）of clock（初始化为0）
request：array（1...n）of clock（初始化为0）
每个Pi中的函数定义如下：
其他：=所有其他不请求进入临界区的动作
消费：=进入临界区后消费资源
请求资源：=
[token_present＝T
→[send（request_signal，clock，i）toall；
receive（access_signal，token）；
token_present：=T；
token_held：=T
]
]
释放资源：=
[token（i）：＝clock；
token_held：=F；
min j in the order[i＋1，…，n， 1，2，…，i＋2，i－1]
∧（request（j）>token（j））
→[token_present：=F；
send（access_signal，token）to Pj
]
]
处理-请求-消息：：=
[receive（request_signal，k，j）
→[ request（j）：=max（request （j），k）；
token_present ∧token_held→ 释放资源
]
]
四、以上各种算法的性能分析
Lamport的算法需要3（n－1）个消息和两个时间单位的延迟来保证n个进程的互斥，消息量很大，且发送的应答信号的目的并不是出于可靠性。
Ricart和Agrawala算法在消息量上有了一定的改进，需要2（n-1）个消息来保证。
改进后的算法即基于令牌的Ricart和Agrawala算法：当请求进程没有持有令牌时，以上算法需要n个消息（n－1个用于广播请求，1个用于传送令牌）；当请求进程持有令牌时，以上算法需要0个消息。
五、结论
集中式算法比较健壮，不会出现“饿死”现象，但是单一的协调器是系统瓶颈。
分布式算法虽然没有前一算法健壮，但是从理论角度论证了分布式算法的可行性。
基于令牌的算法比非基于令牌的算法的时间复杂性和消息复杂性小。不会发生饥饿现象，不需要关心当前谁在临界区中，是通过竞争的方式进入临界区。这在基于令牌的Ricart和Agrawala算法中得以验证。
综上所述，基于令牌的算法在排除了令牌丢失和进程故障等问题之后，在今后的分布式系统中，能有更好的应用。
参考文献：
1、徐甲同.高级操作系统[M].西安电子科技大学出版社,1998.
2、Nancy A Lynch著;舒继武等译.分布式算法[M].机械工业出版社,2004.
3、刘丹,刘心松等.基于读写特征的分布式互斥算法[J].电子学报,2004(2).
4、Jie Wu.分布式系统设计(Distribute System Design)[M].机械工业出版社,2001.
5、邱建林.分布式系统互斥问题的研究[A].全国理论计算机科学学术年会论文集[C],2003.
分布式电力监控系统 篇12
电力系统特殊区域分布图是对输电线路特殊区域(污区、风区、雷区、冰区、舞动区等)分布信息的表征和模拟,能从宏观上综合把握线路自身运行及周边环境状况,以便采取相应措施防灾减灾,保障输电线路安全稳定运行。传统的电力系统特殊区域分布图是由相关专业人员根据长期积累的运行经验手工绘制的,绘制时间长且受制图者主观影响较大,不能完全满足国家相关规范的要求,绘制出来的图也不够科学与精确。随着计算机信息技术和地理信息系统(Geographic Information System,GIS)在电力行业中的广泛应用,开始了电力系统特殊区域分布图计算机辅助软件的电子化绘制,这种方法仍然需要大量的人工处理和操作,并且不能实时更新,修订工作困难,因此研究电力系统特殊区域分布图绘制系统十分必要。
本研究的特殊区域分布图包括雷区分布图、冰区分布图、舞动区域分布图。以数据库技术和可视化技术为支撑,以国家电网关于特殊区域分布图(雷区、冰区、舞动区)的相关规范标准为依据,将特殊区域分布图的绘制规则归类、抽象、建模,封装固有不变流程,将可变因子以规则库参数形式进行更新和调整,采用计算机软件集成技术和地理信息系统开发技术,开发集特殊区域分布图自动生成、编辑、审批、发布、输出、打印为一体的绘制系统,为电网规划和电网防灾减灾提供决策依据。
1 系统概述
电力系统特殊区域分布图绘制系统是以GIS为基础,多模块化的智能绘制平台。系统基于可扩展标记语言(Extensible Markup Language,XML)和Web Se rvice建立了数据交换接口引擎,为特殊区域分布图的绘制提供数据来源;通过模块化的规则参数管理,将绘制过程中可变的属性和方法作为规则参数因子存入数据库,可供用户查看和调整,将绘制过程中固定不变流程化的方法采用计算机建模;并提供易于操作、功能强大的编辑器解决运行经验对特殊区域分布图绘制的影响[1,2,3],同时还支持特殊区域分布图的审批、发布、输出、打印。电力系统特殊区域分布图绘制系统采用MS C#.NET和ArcGIS Engine10.0进行开发。数据采用集中式数据库设计,PostgreSQL9.1存储基础数据、在线监测数据、特殊区域分布图的图形数据,地理空间数据库(Geodatabase)存储静态电子地图数据。数据访问接口采用Ado.NET。系统技术架构如图1所示。
2 关键技术
2.1 雷区分布图地闪密度统计方法
地闪密度是指统计区域内单位面积、单位年度的地面雷击次数,可以精确反映地闪发生的频率和密集程度,是评估雷电活动强弱,计算雷击风险,防雷设计的重要参数[4]。采用网格法统计地闪密度,样本雷电参数来自于雷电定位系统自动监测数据[5]。网格法是将统计区域划分为若干连续的长宽相等的虚拟网格,统计各个网格内的地闪次数;将各网格地闪次数除以网格面积(km2)再除以时间间隔(以年为单位),即得到网格的地闪密度值(次/km2·a)[6]。网格大小依据统计区域的面积和所需要的精度可在0.01°×0.01°～0.05°×0.05°范围内选取。本研究中,采用ArcGIS Engine的Create Fishnet工具进行网格划分,采用PostGIS的空间包含关系函数统计网格内地闪次数。
2.2 雷区分布图危险雷电密度统计方法
危险雷电密度是指统计区域内单位面积、单位年度内雷电流幅值在危险电流段内的地闪密度值,可以精确反映输电线路发生雷击闪络危险的频率和密集程度,是雷害风险分布图绘制的基础参数。首先采用概率统计进行危险电流段的计算,然后采用网格法统计危险电流段内的地闪密度值[5]。
概率统计是根据区域内引起跳闸的雷电流幅值记录并按雷电流幅值大小分为3或4个区间段,分别统计各区间段内跳闸的次数,将各区间段跳闸次数除以总次数得到区间段的跳闸概率,跳闸概率大于80%的区间段即为危险电流段。
2.3 特殊区域分布图订正方法
本研究选取气象参量回归法进行冰区分级划分[7]。因此特殊区域分布图的订正包括冰区分布图的海拔订正和地形订正,舞动区域分布图的地形起伏度订正。特殊区域分布图订正的实质是将影响特殊区域分布图的因素(海拔、坡度、起伏度等),与特殊区域值(覆冰厚度、舞动总日数)进行回归分析,求取回归方程,然后采用回归方程计算的值替换原有特殊区域值。而回归函数估算中最常用的方法为最小二乘法,通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配,使模拟的直线和实际测定的所有相关点距离平方和为最小的一种估算方法[8,9]。本研究采用最小二乘法进行回归分析,估算特殊区域分布图的订正方程。
(1)冰区分布图海拔订正算法:利用ArcGIS Engine的Extract Values To Points工具提取各气象站台点的高程值、插值生成的纯气象覆冰厚度值;将各气象站台点高程值作为X自变量,各气象站台点纯气象覆冰厚度值作为Y因变量,采用高斯消元法进行一元线性回归分析。
(2)冰区分布图地形订正算法:以坡向、起伏度、坡度变率等地形因子为例,采用GIS相关的空间分析函数,从数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)提取坡向、起伏度、坡度变率数据;采用ArcGIS Engine的Extract Values To Points工具提取各气象站台点的坡向值、起伏度值、坡度变率值、插值生成的纯气象覆冰厚度值;将各气象站台点坡向值作为X1自变量,起伏度值作为X2自变量,坡度变率值作为X3自变量,纯气象覆冰厚度值作为Y因变量,采用上述高斯消元法原理进行多元线性回归分析。
(3)舞动区域分布图地形起伏度订正算法:利用ArcGIS Engine的Extract Values To Points工具提取插值后的各气象站点的纯气象舞动总日数、各气象站点的地形起伏度值;求取地形起伏度值的对数值作为X,纯气象舞动总日数作为Y,利用最小二乘法准则求取舞动总日数和起伏度的相关函数。
2.4 特殊区域分布图自动成图算法
2.4.1 雷区分布图
雷区分布图包括地闪密度分布图和雷害风险分布图[4]。前者表征地面各区域的地闪密度大小,后者表征各区域输电线路发生雷击闪络风险的相对大小。
(1)地闪密度分布图自动成图算法:获得研究区域范围坐标,采用PostGIS的空间包含关系函数统计研究区域内的所有落雷记录;将各个网格区域范围坐标与所有落雷点的经纬度坐标进行比较,统计出各个网格内的落雷总数;将各个网格落雷总数除以网格面积再除以统计年限,得到各个网格地闪密度值并记录于键值对集合中;采用字段赋值算法将地闪密度值写入网格中心点图层属性;采用反距离权重算法(Inverse Distance Weighted,IDW)插值算法生成栅格地闪密度分布图;采用Raster to Polygon将栅格地闪密度分布图转换成矢量格式数据,并进行数据处理。
(2)雷害风险分布图自动成图算法:根据雷电监测数据,采用概率法统计危险雷电流区间段;获得研究区域范围坐标,采用PostGIS的空间包含关系函数研究区域里在雷电流幅值危险雷电流区间段内的所有落雷记录;将各个网格区域范围与所有落雷点的经纬度坐标进行比较,统计出各个网格内的落雷总数;将各个网格落雷总数除以网格面积再除以统计年限,得到各个网格危险雷电密度值并记录于键值对集合中;采用字段赋值算法将危险雷电密度值写入网格中心点图层属性;采用IDW插值算法生成栅格危险雷电密度分布图;采用雷电流幅值概率分布[5](公式1)得到雷电流概率分布值,采用危险雷电密度分级分割点公式[5](公式2)计算危险雷电密度分级分割点;按照分割点对栅格危险雷电密度分布图进行分级,得到雷害风险分布图;采用Raster to Polygon进行栅格雷害风险分布图转成矢量格式,并进行数据处理;将雷击故障历史数据转换成Shape格式的点图层,采用Buffer将点缓冲成相应区域,将缓冲面图层与数据处理后的雷害风险分布图进行叠加分析,将重叠部分的雷害等级在原有基础上提高一级,形成雷害风险分布图。
式中:I为雷电流分割区间;P为雷电流幅值累积概率;Ng为各地闪密度值等级,分别为0.78,2.78,7.98;Ngc为危险雷电密度值等级。
2.4.2 冰区分布图
气象参量回归法是将覆冰标准冰厚与覆冰形成相关性较大的气象因子建立一种长期的统计关系,利用这种统计关系可在没有导线覆冰观测的区域,使用气象观测数据,计算标准冰厚。由于气象环境的多变性、不稳定性、地理差异性,气象建模回归分析需要人工干预量较大,因此本研究冰区分布图绘制基础数据为气象建模方程模拟的不同重现期的覆冰厚度数据。
冰区分布图自动成图算法模型:将不同重现期的覆冰厚度数据采用Create Feature Class方法转换成Shape格式点图层;采IDW插值算法生成不同重现期冰区栅格图;通过ArcGIS的表面分析函数(Surface)提取地形因子,并进行回归分析,得到海拔订正方程和地形订正方程,对不符合要求的方程进行人工修改;根据海拔高程订正方程、地形订正方程采用栅格计算器进行冰区分布图海拔订正、地形订正;将订正后的栅格冰区分布图采用Raster to Polygon转换成矢量,并进行数据处理。
2.4.3 舞动区域分布图
舞动区域分布图自动成图算法模型:根据气象阈值区间[10](表1),统计分析区域冬春季逐日主导风向、主导风向下的日最大风速、日平均相对湿度、日最低温度等气象因子,计算各气象站台舞动日总数;将各气象台站舞动日总数乘以10再除以气象数据跨越年数得到10年舞动日总数。
采用Create Feature Class方法转换成Shape格式点图层,采用IDW插值算法生成栅格舞动区域分布图;如果当前选择为自动计算地形起伏度方程模式,则采用邻域统计分析(Neighborhood Statistics)分别求取DEM最大、最小值,再采用栅格代数操作类求取DEM最大值和最小值之差,即为地形起伏度[11],采用Extract Values To Points提取各气象站台地形起伏度值,采用最小二乘法进行回归分析得到地形起伏度方程;如果当前选择为人工输入方程地形起伏度模式,则从PostgreSQL数据库中读取地形起伏度方程;采用栅格代数操作类进行地形起伏度修正;将修正后的栅格舞动区域分布图采用Raster to Polygon转换成矢量,并进行数据处理[12]。图3为特殊区域分布图自动绘制算法流程图。
2.5 特殊区域分布图编辑
自动绘制的电力系统特殊区域分布图需要结合实际运行经验进行人工订正,才能与实际情况相符。本研究提供3种图形编辑模式,用于工作人员对特殊区域分布图数据进行修正,如图4所示。
(1)多边形切割。根据用户绘制的多边形将原多边形切割,并将新增多边形的特殊区域等级在原多边形基础上增加一个等级。
(2)节点移动。可对图形节点进行拖动来细微改变图形的形状。
(3)属性修改。可对图形的属性进行编辑修改。对于特殊区域等级属性,如果修改后的特殊区域等级相较与相邻图形的特殊区域等级有跳级现象,可选择是否根据跳级级数自动添加2 km的缓冲带。
3 应用实例
收集湖北气象部门所有站台点的有效覆冰观测资料进行归类整理,导入到Postgresql数据库中,利用研究的智能绘制系统生成的冰区分布图,结果如图5所示。
4 结论
依据国网关于特殊区域分布图绘制的相关标准文件,将电力系统特殊区域分布图绘制过程中可变的属性和方法作为规则参数,可供用户修改调整,将绘制过程中固定不变流程化的方法采用计算机建模,通过GIS、.NET、数据库等相关技术,研发了电力系统特殊区域分布图绘制系统,实现了电力系统特殊区域分布图的自动生成、编辑、审批、发布、输出、打印等功能。经验证,采用本研究绘制的特殊区域分布图与实际运行经验相符,准确率高。为电力系统的特殊区域分布图提供绘制平台,同时也为电力系统防灾减灾提供有力的参考依据。
参考文献
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