劉家嚴 施昌建 陳有才 肖 遙 尹文琛

（南京豐道電力科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

為保證智能電氣設(shè)備能可靠運行，一般采用主備運行方式，其中一臺運行在主機狀態(tài)，作為主要控制節(jié)點，其他設(shè)備運行在備機狀態(tài)，當主機非正常運行時，備用設(shè)備能隨時切換到主機模式，替換原設(shè)備成為主要的控制節(jié)點。常用的主備方法存在硬件改動復(fù)雜，控制靈活性不足，切換主備控制策略復(fù)雜等問題。文獻[1]涉及比較多的硬件操作，主備切換功能不能主動進行操作，缺乏控制靈活性。文獻[2]在雙機中增加硬件NOE模塊，同時判別網(wǎng)絡(luò)故障，故障后切換，未對檢修等非故障切換進行處理。文獻[3]分析了當前主備切換模式不能主站選擇帶來的問題，提出調(diào)度主站能主動切換主備機需求。文獻[4]公布了一種實現(xiàn)主設(shè)備和備用設(shè)備倒換的方法，通過固定的故障權(quán)重映射表來體現(xiàn)設(shè)備的權(quán)重值，具備固定故障切換規(guī)則。文獻[5]介紹了通過網(wǎng)絡(luò)方式替代硬件電路實現(xiàn)主備切換功能。文獻[6]提出了通過同步數(shù)據(jù)庫方式實現(xiàn)主備切換和數(shù)據(jù)恢復(fù)。文獻[7]提出了虛擬化遙信閉鎖信息方法，通過虛擬的遙信進行功能閉鎖。文獻[8]闡述了雙機冗余方式能有效提高系統(tǒng)可靠性，同時提出了數(shù)據(jù)窗插值方法。文獻[9]和文獻[10]闡述了當前電力系統(tǒng)對雙機冗余和主備運行需求，以及故障情況下主備切換方法。

鑒于上述研究，本文提出一種主備運行切換方法。在主備運行方式中，對影響設(shè)備運行狀態(tài)的條件進行抽象賦值，不同的影響條件選取不同的權(quán)重值，把所有涉及的條件（及權(quán)重）進行累計，形成自身的權(quán)重，通過比較其他設(shè)備的權(quán)重值大小，確定自身的運行狀態(tài)，從而得到本機是否為主機狀態(tài)，是否需要切換模式。

1 設(shè)計方案

在主備運行情況下，引起主備設(shè)備切換的往往有手動切換、檢修切換、設(shè)備故障切換、主站主動控制等因素。同時，各個因素存在優(yōu)先級差異，如當出現(xiàn)設(shè)備故障情況，需要立刻進行主備切換操作，避免主機故障影響系統(tǒng)正常運行。為便于系統(tǒng)對各個切換因素進行合理整合判斷，本文對影響主備運行的條件進行抽象化處理，形成權(quán)重值（圖1），通過雙方權(quán)重值比較，有效實現(xiàn)主備機相互切換，協(xié)調(diào)運行。該方法中，若設(shè)備發(fā)生故障，則確定設(shè)備的故障類別，根據(jù)不同的運行情況進行權(quán)重的動態(tài)計算，將該權(quán)重值與設(shè)備原有的故障系數(shù)比較，得到設(shè)備當前的權(quán)重系數(shù)；判斷主設(shè)備的權(quán)重系數(shù)是否大于備用設(shè)備的權(quán)重系數(shù)，若是，則進行倒換，由備用設(shè)備承擔業(yè)務(wù)。通過給故障賦以權(quán)重，可以實現(xiàn)較為精確的主、備設(shè)備故障程度的比較，保證電力設(shè)備的高可用性。

圖1 切換因素抽象成具體權(quán)重值

2 影響因素抽象

在系統(tǒng)方案中，對影響系統(tǒng)運行的切換因素進行抽象處理，包括手動切換、檢修切換、設(shè)備故障切換、主站主動控制等因素，各個因素根據(jù)具體策略配置優(yōu)先級系數(shù)，如表1所示，將默認因素抽象成具體的權(quán)重值。

表1 默認權(quán)重因素和權(quán)重值構(gòu)成示意表

具體步驟如下：

步驟A：主備設(shè)備交互各自的權(quán)重值、心跳值、遙調(diào)值等信息。

步驟B：設(shè)置各個條件的權(quán)重值。涉及的權(quán)重條件包括但不限于運行模式、故障切換、主站選擇、優(yōu)選主機、前次模式等。

（1）運行模式：設(shè)置一個權(quán)重項x1，權(quán)重值為k1、k2、k3。

x1=k1，手動切換到主機模式。

x1=k2，手動切換到備機模式。

x1=k3，自動模式。

其中，k1＞k2=k3=0。

（2）故障切換：當收不到對端心跳信息，則認為處于故障未同步狀態(tài)，包括初始時未建立連接和運行過程中通信中斷。延時一定時間等待同步，如果超時則切換為主機運行模式。設(shè)置一個權(quán)重項x2，權(quán)重值為l1、l2。

x2=l1，故障狀態(tài)，未同步。

x2=l2，無故障，同步。

其中，l1＞l2=0。

（3）自動模式中，系統(tǒng)實現(xiàn)主站選擇進行主備切換，子站根據(jù)主站的遙調(diào)下發(fā)情況確定權(quán)重值。設(shè)置一個權(quán)重項x3，權(quán)重值為m1、m2、m3、m4。判斷方法：判斷兩個指令周期子站接收到的遙調(diào)情況，確定不同的權(quán)重值。

x3=m1，兩個指令周期沒有接收到主站指令。

x3=m2，兩個指令周期中接收到一個，這個遙調(diào)指令是新到的。

x3=m3，兩個指令周期中接收到一個，這個遙調(diào)指令是上次的舊指令（通過遙調(diào)量中的tick間隔確認指令時間。系統(tǒng)每次接收到遙調(diào)指令，記錄對應(yīng)該指令時間計數(shù)tick，tick間隔是指此遙調(diào)tick和當前tick時間差），設(shè)置m3＞m2，以滿足接收到兩個遙調(diào)指令才進行切換要求。

x3=m4，兩個指令周期接收到兩個遙調(diào)指令。

設(shè)置值大小順序為：m4＞m3＞m2＞m1。

自動模式中，使用指令時間差實現(xiàn)指令比較，以避免遙調(diào)指令周期不確定的限制。判斷時用遙調(diào)緩沖中最新兩個指令和當前tick時間差及Δt1、Δt2。

（4）設(shè)備通過自身設(shè)置的默認優(yōu)先級確定工作狀態(tài)，默認的優(yōu)先級權(quán)重值為x4=n1，n1的值要小于m1，且n1＜m1。

（5）前次設(shè)備運行情況權(quán)重值x5=f1。k、l、m、n、f按照不同數(shù)量級體現(xiàn)，它們均小于10，例如：k數(shù)量級為十萬，l數(shù)量級為萬，m數(shù)量級為千，n數(shù)量級為百，f數(shù)量級為個位。

步驟C：根據(jù)給定的條件進行判斷，形成不同的權(quán)重值，進行累計。設(shè)備的整體權(quán)重值為Qx=x1+x2+x3+x4+x5。

步驟D：比較設(shè)備之間的權(quán)重值大小，確定自身的運行狀態(tài)，權(quán)重大為主機狀態(tài)，權(quán)重小為備機狀態(tài)。

3 主備機通信通道

在主備機運行情況下，系統(tǒng)得到自身權(quán)重值后，通過建立的通信通道進行主機和備機通信交互。主備機之間的通信通道可以選取不同的物理接口，如網(wǎng)口、光纖、串口等方式。主備機之間的交互規(guī)約亦可以選用不同類型，常見的有IEC104、GOOSE等方式。

在一主一備架構(gòu)中，采用網(wǎng)絡(luò)直接互聯(lián)，通過IEC104規(guī)約建立通信通道。在主備設(shè)備中分別建立服務(wù)器和客戶端，權(quán)重值等數(shù)據(jù)通過IEC104突變方式相互傳輸，如圖2所示。

圖2 一主一備直聯(lián)運行

在一主多備架構(gòu)中，使用交換機形成設(shè)備局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主機和備機通過GOOSE組播傳輸自身權(quán)重和其他狀態(tài)數(shù)值，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備根據(jù)接收到的組播數(shù)據(jù)，結(jié)合自身權(quán)重值判斷是否需要切換操作，如圖3所示。

圖3 一主多備組網(wǎng)運行

4 實施案例

以一主一備架構(gòu)為例介紹具體的實施案例。系統(tǒng)以圖2為實施架構(gòu)，設(shè)備1和設(shè)備2分別運行在主備狀態(tài)，兩臺設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)建立硬件通道，使用IEC104進行數(shù)據(jù)交換。主備設(shè)備交互各自的權(quán)重值、心跳值、遙調(diào)值等信息。默認正常運行時，設(shè)備1為主機，設(shè)備2為備機。

正常運行時，設(shè)備1自身權(quán)重值計算方式如下：

系統(tǒng)運行模式為自動模式，則權(quán)重值x1=k3，k3取0。設(shè)備未故障，則x2=l2，l2取0。主站未進行選擇主備，則x3=m1，m1取2。設(shè)備1為默認的優(yōu)先級，權(quán)重值為x4=n1，n1的值取1。前次設(shè)備運行情況權(quán)重值x5=f1，f1取1。利用表1的權(quán)重計算方法，則Qx1=x1+x2+x3+x4+x5，即Qx1=k×100 000+l×10 000+m×1 000+n×100+f，Qx1=2 101。

正常運行時，設(shè)備2自身權(quán)重值計算方式如下：

系統(tǒng)運行模式為自動模式，則權(quán)重值x1=k3，k3取0。設(shè)備未故障，則x2=l2，l2取0。主站未進行選擇主備，則x3=m1，m1取2。設(shè)備1為默認的優(yōu)先級，權(quán)重值為x4=n1，n1的值取0。前次設(shè)備運行情況權(quán)重值x5=f1，f1取0。Qx2=2 000。

設(shè)備1接收到設(shè)備2權(quán)重值Qx2后，和自身Qx1比較，因為Qx1＞Qx2，在網(wǎng)絡(luò)中沒有比自身高的權(quán)重值設(shè)備，設(shè)備1認定自身為主機，設(shè)備1當前為主機狀態(tài)，不做改變運行狀態(tài)動作。

設(shè)備2接收到設(shè)備1權(quán)重值Qx1后，和自身Qx2比較，因為Qx1＞Qx2，設(shè)備2認定設(shè)備1為主機狀態(tài)，自身自動運行在備機狀態(tài)，不做改變運行狀態(tài)動作。

當設(shè)備1故障時，設(shè)備2收不到對端通過IEC104傳輸?shù)男奶畔ⅲ瑒t認為處于故障未同步狀態(tài)，權(quán)重值x2=l1，l1取值1。則設(shè)備2計算的自身權(quán)重值Qx2=120 100，設(shè)備2緩存的設(shè)備1權(quán)重值為Qx1=2 101，和自身Qx2比較，因為Qx1＜Qx2，設(shè)備2認定自身為主機狀態(tài)，設(shè)備2切換自身運行為主機狀態(tài)。

當設(shè)備1需要主動檢修時，則先設(shè)置設(shè)備2為主機模式，此時設(shè)備2的權(quán)重值x1=k1，k1取值1，則設(shè)備2計算自身的權(quán)重值Qx2=102 000。設(shè)備2獲取的設(shè)備1權(quán)重值為Qx1=2 101，和自身Qx2比較，因為Qx1＜Qx2，設(shè)備2認定自身為主機狀態(tài)，設(shè)備2切換自身運行為主機狀態(tài)。待設(shè)備2切換完成后，對設(shè)備1進行檢修，從而不影響整個系統(tǒng)正常運行。

5 總結(jié)及展望

主備運行模式，能夠顯著提高系統(tǒng)的可用性。當主機發(fā)生故障時，備機會立即接管任務(wù)和數(shù)據(jù)處理，確保系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運行，無須手動干預(yù)，縮短了服務(wù)中斷時間，減少了故障排除和恢復(fù)的時間及工作量。主備運行方法在提供高可用性和故障恢復(fù)能力方面有著顯著的優(yōu)勢，但其也存在資源浪費、數(shù)據(jù)同步延遲和系統(tǒng)復(fù)雜等缺點。

本文使用影響權(quán)重思想，對影響設(shè)備運行狀態(tài)的條件進行抽象賦值，不同的影響條件，選取不同的權(quán)重值，把所有涉及的條件（及權(quán)重）進行累計，形成權(quán)重，通過比較設(shè)備的權(quán)重值大小，確定運行狀態(tài)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行簡化，整體降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。本文通過IEC104、GOOSE等自身具備的突變傳輸?shù)葯C制，有效解決了數(shù)據(jù)同步延時等問題。綜上，該方法具備良好的應(yīng)用前景。