智能設備主備運行方法研究

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，作為主要控制節點，其他設備運行在備機狀態，當主機非正常運行時，備用設備能隨時切換到主機模式，替換原設備成為主要的控制節點。常用的主備方法存在硬件改動復雜，控制靈活性不足，切換主備控制策略復雜等問題。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，同時判別網絡故障，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，提出調度主站能主動切換主備機需求。文獻[4]公布了一種實現主設備和備用設備倒換的方法，通過固定的故障權重映射表來體現設備的權重值，具備固定故障切換規則。文獻[5]介紹了通過網絡方式替代硬件電路實現主備切換功能。文獻[6]提出了通過同步數據庫方式實現主備切換和數據恢復。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可靠性，同時提出了數據窗插值方法。文獻[9]和文獻[10]闡述了當前電力系統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，對影響設備運行狀態的條件進行抽象賦值，不同的影響條件選取不同的權重值，把所有涉及的條件（及權重）進行累計，形成自身的權重，通過比較其他設備的權重值大小，確定自身的運行狀態，從而得到本機是否為主機狀態，是否需要切換模式。

1 設計方案

在主備運行情況下，引起主備設備切換的往往有手動切換、檢修切換、設備故障切換、主站主動控制等因素。同時，各個因素存在優先級差異，如當出現設備故障情況，需要立刻進行主備切換操作，避免主機故障影響系統正常運行。為便于系統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，形成權重值（圖1），通過雙方權重值比較，有效實現主備機相互切換，協調運行。該方法中，若設備發生故障，則確定設備的故障類別，根據不同的運行情況進行權重的動態計算，將該權重值與設備原有的故障系數比較，得到設備當前的權重系數；判斷主設備的權重系數是否大于備用設備的權重系數，若是，則進行倒換，由備用設備承擔業務。通過給故障賦以權重，可以實現較為精確的主、備設備故障程度的比較，保證電力設備的高可用性。

圖1 切換因素抽象成具體權重值

2 影響因素抽象

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

表1 默認權重因素和權重值構成示意表

具體步驟如下：

步驟A：主備設備交互各自的權重值、心跳值、遙調值等信息。

步驟B：設置各個條件的權重值。涉及的權重條件包括但不限于運行模式、故障切換、主站選擇、優選主機、前次模式等。

（1）運行模式：設置一個權重項x1，權重值為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，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。設置一個權重項x2，權重值為l1、l2。

x2=l1，故障狀態，未同步。

x2=l2，無故障，同步。

其中，l1＞l2=0。

（3）自動模式中，系統實現主站選擇進行主備切換，子站根據主站的遙調下發情況確定權重值。設置一個權重項x3，權重值為m1、m2、m3、m4。判斷方法：判斷兩個指令周期子站接收到的遙調情況，確定不同的權重值。

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，這個遙調指令是新到的。

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

x3=m4，兩個指令周期接收到兩個遙調指令。

設置值大小順序為：m4＞m3＞m2＞m1。

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

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

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

步驟C：根據給定的條件進行判斷，形成不同的權重值，進行累計。設備的整體權重值為Qx=x1+x2+x3+x4+x5。

步驟D：比較設備之間的權重值大小，確定自身的運行狀態，權重大為主機狀態，權重小為備機狀態。

3 主備機通信通道

在主備機運行情況下，系統得到自身權重值后，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，如網口、光纖、串口等方式。主備機之間的交互規約亦可以選用不同類型，常見的有IEC104、GOOSE等方式。

在一主一備架構中，采用網絡直接互聯，通過IEC104規約建立通信通道。在主備設備中分別建立服務器和客戶端，權重值等數據通過IEC104突變方式相互傳輸，如圖2所示。

圖2 一主一備直聯運行

在一主多備架構中，使用交換機形成設備局域網，網絡內主機和備機通過GOOSE組播傳輸自身權重和其他狀態數值，網內設備根據接收到的組播數據，結合自身權重值判斷是否需要切換操作，如圖3所示。

圖3 一主多備組網運行

4 實施案例

以一主一備架構為例介紹具體的實施案例。系統以圖2為實施架構，設備1和設備2分別運行在主備狀態，兩臺設備通過網絡建立硬件通道，使用IEC104進行數據交換。主備設備交互各自的權重值、心跳值、遙調值等信息。默認正常運行時，設備1為主機，設備2為備機。

正常運行時，設備1自身權重值計算方式如下：

系統運行模式為自動模式，則權重值x1=k3，k3取0。設備未故障，則x2=l2，l2取0。主站未進行選擇主備，則x3=m1，m1取2。設備1為默認的優先級，權重值為x4=n1，n1的值取1。前次設備運行情況權重值x5=f1，f1取1。利用表1的權重計算方法，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，設備2自身權重值計算方式如下：

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

設備1接收到設備2權重值Qx2后，和自身Qx1比較，因為Qx1＞Qx2，在網絡中沒有比自身高的權重值設備，設備1認定自身為主機，設備1當前為主機狀態，不做改變運行狀態動作。

設備2接收到設備1權重值Qx1后，和自身Qx2比較，因為Qx1＞Qx2，設備2認定設備1為主機狀態，自身自動運行在備機狀態，不做改變運行狀態動作。

當設備1故障時，設備2收不到對端通過IEC104傳輸的心跳信息，則認為處于故障未同步狀態，權重值x2=l1，l1取值1。則設備2計算的自身權重值Qx2=120 100，設備2緩存的設備1權重值為Qx1=2 101，和自身Qx2比較，因為Qx1＜Qx2，設備2認定自身為主機狀態，設備2切換自身運行為主機狀態。

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

5 總結及展望

主備運行模式，能夠顯著提高系統的可用性。當主機發生故障時，備機會立即接管任務和數據處理，確保系統能夠繼續正常運行，無須手動干預，縮短了服務中斷時間，減少了故障排除和恢復的時間及工作量。主備運行方法在提供高可用性和故障恢復能力方面有著顯著的優勢，但其也存在資源浪費、數據同步延遲和系統復雜等缺點。

本文使用影響權重思想，對影響設備運行狀態的條件進行抽象賦值，不同的影響條件，選取不同的權重值，把所有涉及的條件（及權重）進行累計，形成權重，通過比較設備的權重值大小，確定運行狀態，對系統數據結構進行簡化，整體降低了系統復雜性。本文通過IEC104、GOOSE等自身具備的突變傳輸等機制，有效解決了數據同步延時等問題。綜上，該方法具備良好的應用前景。