陳翠和 徐曉安 劉雅劍

摘? 要：為減少故障排查與修復時間，有效降低漏電傷亡事故，提高用電安全，研發(fā)了居民漏電保護分布式監(jiān)控系統。給出了居民漏電保護監(jiān)控系統的網絡結構和系統功能體系，創(chuàng)新性地提出了基于國家電網通信標準的兩級負載均衡策略構建多入口、網絡I/O與業(yè)務分離的低成本分布式終端服務集群的方法，并給出了負載均衡算法。詳細闡述了設備實時監(jiān)控請求和終端服務兩個關鍵服務進程的設計方法。測試與運行結果表明，文中設計的分布式監(jiān)控系統能夠滿足居民漏電保護監(jiān)控所需的高并發(fā)與實時響應要求。

關鍵詞：漏電保護;負載均衡;WLC;WRR;分布式;集群;監(jiān)控系統

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0013-06

Abstract： In order to reduce the time of troubleshooting and restoration to effectively reduce electric leakage casualty accidents and improve power safety， a distributed monitoring system for resident electric leakage protection is developed. The network structure and function system of resident electric leakage protection monitoring system are given. It is proposed creatively， based on two-level load balancing strategy of the national power grid communication standard， to construct the method of low-cost distributed terminal service cluster with multiple entrances and separation between network I/O and services， and a load balancing algorithm is given. The design methods of two key service processes， equipment real-time monitoring request and terminal service， are described in detail. The test and operation results show that the distributed monitoring system designed in this paper can meet the requirements of high concurrency and real-time response for resident electric leakage protection monitoring.

Keywords： electric leakage protection; load balancing; WLC; WRR; distributed; cluster; monitoring system

0? 引? 言

國家電網低壓供電系統正在推動三級漏電保護工程以提高用電安全。三級漏電保護開關分別安裝在配電變壓器低壓側出口、分支線路出口和居民線路入口，通過合理設置各級剩余電流動作閾值和延遲時間實現供電系統的分級保護。三級漏電保護工程的實施減少了大面積停電與觸電傷亡事故的發(fā)生。但是，由于線路老化、電器故障、居民人為繞越漏電保護開關等諸多因素，在實際運行過程中，漏電保護開關頻繁跳閘、越級跳閘、人員觸電等現象仍然頻繁發(fā)生，加上居民小區(qū)的低壓配電系統一般都隱藏在地下室、橋架、豎井內，致使故障排查變得極為困難[1]，進一步延緩了故障的修復時間，降低了電網的安全水平。

為提高故障排查與修復效率，從根本上解決漏電及由此引發(fā)的用電事故，需要利用先進的技術手段和管理方法對居民漏電保護開關進行集中監(jiān)控管理，實時獲取漏電故障和漏電開關位置等信息并反饋給用戶和維護人員。文獻[2-6]研究了智能剩余電流動作保護開關及其應用。這種漏電保護開關不僅具備傳統漏電保護器的剩余電流、短路、過負荷、過壓等保護功能，還增加了遠程通信、漏電報警、動作報警和信息存儲等功能，從而為遠程監(jiān)控與集中管理漏電保護開關提供了物質基礎。文獻[7]研究了漏電保護開關遠程管理主站的軟件結構和通信功能，文獻[8]構建了一種“集中器—單相智能電表—漏電保護斷路器”組合運行的臺區(qū)漏電保護斷路器遠程監(jiān)控方案。

本文給出了居民漏電保護監(jiān)控網絡結構和系統功能體系，針對居民漏電保護開關數量龐大、終端請求具有高并發(fā)性的特點，提出了一種低成本的分布式終端服務集群的設計方案，給出了負載均衡算法和關鍵服務進程的實現方法。

1? 監(jiān)控網絡結構

圖1所示為居民漏電保護監(jiān)控網絡結構。每戶居民安裝一個漏電保護開關，用于檢測電器漏電情況。漏保開關通過RS485總線與終端連接。在發(fā)生漏電或跳閘/合閘動作事件時，漏保開關可以將該事件主動上報給終端或經由終端查詢（可由軟件設置主動上報或查詢）。終端是信息的匯聚點，一個終端最多可以連接8個漏保開關，其中記錄的漏保信息包括漏電事件類型、發(fā)生時間、最大剩余電流與漏電相位等。終端通過GPRS移動網絡接入互聯網，與云服務器建立TCP長連接進行通信。終端可以解析、執(zhí)行云服務器發(fā)來的指令，提供云服務器所需的信息（如漏電告警信息），或主動上報漏電告警事件。終端也可以直接轉發(fā)云服務器對漏保開關的跳閘/合閘等操作指令，實現透傳功能。云服務器用于提供數據庫服務、Web服務、終端服務以及各種底層支撐服務，以實現用戶所需的各項功能。

終端與漏保開關之間的通信遵循《剩余電流動作保護器通信規(guī)約》（DL/T—20），云服務器與終端之間的通信遵循《電力用戶用電信息采集系統通信協議》（Q/GDW 376.1）。

2? 居民漏電保護監(jiān)控系統功能

居民漏電保護監(jiān)控系統由檔案管理、設備監(jiān)控、告警管理和用戶管理四個功能模塊構成，如圖2所示。其中，設備監(jiān)控模塊不僅可以設置終端需要監(jiān)視的事件類型與所關聯的漏保開關地址、通信端口號、測量點號、通信協議，漏保開關的漏電跳閘動作閾值、跳閘延遲時間等數據，還可以實時獲取當前最大漏電電流和漏電相等漏保運行狀態(tài)，遠程控制漏保開關進行跳閘/合閘，試跳、預約跳閘/合閘等操作，方便維護人員進行故障診斷與排查。告警管理模塊則用于漏電短信告警信息的管理與統計分析。

3? 分布式云服務器的總體架構

為了實現漏保開關的遠程監(jiān)控與集中管理，云服務器需要響應以下請求：

（1）用戶通過瀏覽器發(fā)出的檔案管理、用戶管理、設備參數設置、漏保遠程控制、告警信息統計分析等請求。

（2）終端的登錄、心跳與漏電告警請求。

（3）終端對服務器命令的響應。

由于本系統同時在線的用戶較少，但終端數量則可達數萬甚至數十萬，因此，云服務器的設計主要考慮響應請求（2）與請求（3）的需要，即滿足終端的高并發(fā)請求，所需吞吐量可達105-106 QPS。

圖3是分布式云服務器的總體架構。系統使用1個Web服務器處理用戶的Web請求，1個實時請求服務進程RTW（Real-time Worker）用于集中處理Web用戶對終端與漏保開關的實時監(jiān)控請求及其響應信息，而終端業(yè)務則采用集群處理方式以滿足高并發(fā)的需要。Redis集群除了用于緩存數據提高系統響應速度外還具有兩項重要的功能，即負責Web服務器與后端服務進程RTW的信息交換通道以及利用其發(fā)布/訂閱功能完成實時短信報警服務。

4? 分布式終端服務集群設計

4.1? 負載均衡模型

使用分布式集群服務能大大提高系統的處理能力[9-13]。而集群處理能力的發(fā)揮有賴于良好的負載均衡技術[14-16]。目前，LVS（Linux Virtual Server）開源集群軟件被廣泛應用于服務集群建設[17]，圖4是應用LVS的典型負載均衡集群模型。

在這種模型中，由負載均衡器LB將所有請求分發(fā)給各個真實服務器RS進行處理。采用這種模型雖然有利于按照《Q/GDW 376.1》標準規(guī)定的鏈路層地址域中的主站地址指定RS地址實現負載均衡，但是這種模型本質上是一種單入口負載均衡模型，如果要提高響應速度，需要提高LB及相應交換機的性能，使成本劇增;否則，在并發(fā)量較大的情況下，會對LB造成巨大的處理壓力，產生較大時延甚至出現無法連接到服務器的現象[18]。

根據《Q/GDW 376.1》標準，主站（服務器）可以給終端發(fā)送命令，設置終端連接的服務器IP與端口號。利用這一特性，本文設計的終端服務集群采用兩級負載均衡策略，其模型如圖5所示。

4.1.1? 網絡通信與業(yè)務處理分離

為了處理終端高并發(fā)請求，同時方便擴展，本系統將網絡通信與業(yè)務處理分開，分別由網絡I/O服務進程I/O-S（I/O Service）和業(yè)務服務進程BW（Business Worker）負責，兩種服務進程都可以獨立布署以構建分布式服務器。

4.1.2? 第一級負載均衡

第一級負載均衡即網絡I/O負載均衡，其目標是將終端TM（Terminal）連接均衡地分配到各個I/O-S實現網絡I/O數據流的均衡。第一級負載均衡由I/O-LB（I/O Load Balance）負責，其實現流程為：

（1）TM首次入網時與I/O-LB建立TCP連接;

（2）I/O-LB在TCP連接事件處理回調函數中根據均衡算法選擇一臺I/O-S;

（3）I/O-LB根據《Q/GDW 376.1》協議，將TM的服務器IP地址與端口號修改為被選中的I/O-S;

（4）I/O-LB關閉與TM的連接;

（5）TM用新的IP地址和端口號與被選中的I/O-S建立長連接并進行后續(xù)通信。

通過第一級均衡，LVS模型中的單一服務入口被改進為多服務入口，從而可以利用多臺低性能物理服務器和交換機構建服務集群，降低整個系統的成本。

4.1.3? 第二級負載均衡

第二級負載均衡即業(yè)務負載均衡，其目標是將具體業(yè)務均衡地分配到各個BW進行處理。

第二級負載均衡由IO-S負責。當接收到來自TM的數據包時，IO-S根據均衡算法將數據包轉發(fā)給被選中的BW進行處理，當業(yè)務處理完需要向終端發(fā)送數據時也交由IO-S發(fā)送給終端。因此，IO-S既負責網絡I/O，也承擔業(yè)務均衡職責。

4.2? 負載均衡算法

居民漏保監(jiān)控網絡服務器的布署規(guī)模會隨著工程的推進逐步擴大，集群中將會存在不同性能的物理服務器，為此，我們給每個服務器指定一個與其性能匹配的權值，使其能夠接受相應權值數的服務請求，從而充分利用各服務器的性能。

4.2.1? 第一級負載均衡算法

第一級采用加權最小連接即WLC（Weighted Least Connections）調度算法[19]。設集群中有N個I/O-S服務器S0，S1，…，SN-1，則當有新的TM連接請求到來時，I/O-LB將選擇服務器So作為其目標服務器，則目標服務器So需滿足條件：

式中，i，o=0，1，2，…，N-1，C表示當前總連接數，ci、wi分別表示Si的當前連接數和權值（wi≠0）。

由于C是常量，為了降低計算復雜性，式（1）簡化為：

4.2.2? 第二級負載均衡算法

第二級負載均衡算法采用加權輪轉，即WRR（Weighted Round Robin）調度算法。設集群中有N個BW服務器W0，W1，…，WN-1，wn表示Wn的權值，wmax表示當前所有服務器最大權值，wgcd表示當前所有服務器權值的最大公約數，ind為上一次被調度的服務器索引，其初值為-1，wind為上一次被調度的服務器權值，初值為wmax，則算法流程為：

（1）一個新的請求到達;

（2）從ind+1開始遍歷權值數組，針對每個權值，計算：

if（wind≥wi）{

ind=i;∥即wi被調度

break，

}else{

i=（i++）%N;

if（i==0）{

wind-= wgcd;

wind=（ wind==0）？wmax： wind;

}

}

（3）將請求發(fā)送給wind處理。

5? 關鍵業(yè)務服務進程的實現

5.1? 實時請求服務進程RTW的實現

Web服務器將用戶的設備監(jiān)控請求發(fā)送到Redis的“請求隊列”，而請求的終端響應則由BW發(fā)送到Redis的“響應隊列”。RTW是一個定時服務進程，會周期性（T=0.1 s）從“請求隊列”中提取命令，預處理后放入自己的命令緩存，然后遍歷命令緩存。如果是待處理命令則構造請求數據包，交由IO-S發(fā)送給終端，否則將命令處理狀態(tài)經Redis返回。RTW以同樣的周期從“響應隊列”中提取終端響應信息，處理后送Redis緩存并由Web服務器取出后傳送給瀏覽器。RTW處理流程如圖6所示。

5.2? 終端服務進程BW的實現

終端服務進程BW采用事件驅動，由IO-S在接收到終端發(fā)來的數據時回調，其處理流程如圖7所示。

BW根據數據包的類型調用相應的業(yè)務處理函數。如果是登錄包，則進行合法性檢查;如果是終端響應包，預處理后將其發(fā)送到Redis的終端響應信息緩存中;如果是告警數據包，將告警信息存入數據庫，同時向Redis發(fā)布告警信息。告警信息發(fā)布后，由Redis自動回調短信服務器將告警信息發(fā)送到居民和技術員手機中。

6? 應用與測試

國網江西省電力有限公司宜春供電分公司對本文設計的居民漏電保護監(jiān)控系統進行了試點建設和應用，服務器配置如表1所示。

使用測試工具Jmeter[20]對LVS均衡策略與本文提出的兩級負載均衡策略的性能進行測試對比。為了更好地反映真實情況，構建了由1臺調度計算機和8臺執(zhí)行計算機組成的Jmeter測試集群，每臺執(zhí)行機上均部署三種測試線程組，分別模擬心跳、報警和實時請求業(yè)務，利用高斯隨機定時器在5 min內加載完成40 000個并發(fā)請求，并使用響應時間和請求成功數作為性能評判標準。測試結果如圖8、圖9所示。

在負載量較低時（<4 000個并發(fā)請求），兩種均衡策略的性能幾乎沒有差別。隨著并發(fā)量的提高，LVS均衡策略的響應時間逐步增加，當達到8 000個并發(fā)請求后，開始出現錯誤響應。當并發(fā)量進一步提高，LVS均衡策略的響應時間快速增加，直至沒有響應（>18 000個并發(fā)請求），出錯率也達到100%。而兩級均衡策略在并發(fā)請求數大于17 000時開始略有增加，并發(fā)請求數達40 000時平均響時間也只有117 ms，而其出錯率則維持0%，表明本文的負載均衡策略能有效提升系統的性能，滿足系統高并發(fā)要求。

7? 結? 論

建立漏電保護監(jiān)控系統是落實國家電網低壓供電系統三級漏電保護工程，提高用電安全目標的根本途徑。本文設計并實現了居民漏電保護分布式監(jiān)控系統。基于《電力用戶用電信息采集系統通信協議》（Q/GDW 376.1），提出了兩級負載均衡策略，實現了一個具有多入口、網絡I/O與業(yè)務分離的分布式服務器，達到利用多臺低性能物理服務器構建高性能服務集群以降低系統成本的目標。兩級負載均衡分別采用WLC調度算法和WRR調度算法以充分利用不同配置的物理服務器性能。本系統已由國網江西省電力有限公司宜春供電分公司進行試點應用，測試與運行結果均表明，本系統給出的解決方案能夠滿足高并發(fā)與實時響應兩方面的性能要求。

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作者簡介：陳翠和（1974—），男，漢族，江西宜春人，講師，碩士，主要研究方向：物聯網應用技術、自動化控制;徐曉安（1975—），男，江西宜春人，高級工程師，碩士，主要研究方向：電力管理信息化;劉雅劍（2000—），男，漢族，江西贛州人，本科在讀，研究方向：計算機科學與技術。

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