居民漏電保護(hù)分布式監(jiān)控系統(tǒng)

陳翠和 徐曉安 劉雅劍

摘? 要：為減少故障排查與修復(fù)時(shí)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(hù)分布式監(jiān)控系統(tǒng)。給出了居民漏電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能體系，創(chuàng)新性地提出了基于國(guó)家電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的兩級(jí)負(fù)載均衡策略構(gòu)建多入口、網(wǎng)絡(luò)I/O與業(yè)務(wù)分離的低成本分布式終端服務(wù)集群的方法，并給出了負(fù)載均衡算法。詳細(xì)闡述了設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控請(qǐng)求和終端服務(wù)兩個(gè)關(guān)鍵服務(wù)進(jìn)程的設(shè)計(jì)方法。測(cè)試與運(yùn)行結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足居民漏電保護(hù)監(jiān)控所需的高并發(fā)與實(shí)時(shí)響應(yīng)要求。

關(guān)鍵詞：漏電保護(hù);負(fù)載均衡;WLC;WRR;分布式;集群;監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guó)家電網(wǎng)低壓供電系統(tǒng)正在推動(dòng)三級(jí)漏電保護(hù)工程以提高用電安全。三級(jí)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)分別安裝在配電變壓器低壓側(cè)出口、分支線路出口和居民線路入口，通過(guò)合理設(shè)置各級(jí)剩余電流動(dòng)作閾值和延遲時(shí)間實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的分級(jí)保護(hù)。三級(jí)漏電保護(hù)工程的實(shí)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(hù)開(kāi)關(guān)等諸多因素，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)頻繁跳閘、越級(jí)跳閘、人員觸電等現(xiàn)象仍然頻繁發(fā)生，加上居民小區(qū)的低壓配電系統(tǒng)一般都隱藏在地下室、橋架、豎井內(nèi)，致使故障排查變得極為困難[1]，進(jìn)一步延緩了故障的修復(fù)時(shí)間，降低了電網(wǎng)的安全水平。

為提高故障排查與修復(fù)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(jìn)的技術(shù)手段和管理方法對(duì)居民漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)進(jìn)行集中監(jiān)控管理，實(shí)時(shí)獲取漏電故障和漏電開(kāi)關(guān)位置等信息并反饋給用戶和維護(hù)人員。文獻(xiàn)[2-6]研究了智能剩余電流動(dòng)作保護(hù)開(kāi)關(guān)及其應(yīng)用。這種漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)不僅具備傳統(tǒng)漏電保護(hù)器的剩余電流、短路、過(guò)負(fù)荷、過(guò)壓等保護(hù)功能，還增加了遠(yuǎn)程通信、漏電報(bào)警、動(dòng)作報(bào)警和信息存儲(chǔ)等功能，從而為遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中管理漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]研究了漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程管理主站的軟件結(jié)構(gòu)和通信功能，文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了一種“集中器—單相智能電表—漏電保護(hù)斷路器”組合運(yùn)行的臺(tái)區(qū)漏電保護(hù)斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。

本文給出了居民漏電保護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能體系，針對(duì)居民漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)數(shù)量龐大、終端請(qǐng)求具有高并發(fā)性的特點(diǎn)，提出了一種低成本的分布式終端服務(wù)集群的設(shè)計(jì)方案，給出了負(fù)載均衡算法和關(guān)鍵服務(wù)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)方法。

1? 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1所示為居民漏電保護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每戶居民安裝一個(gè)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)電器漏電情況。漏保開(kāi)關(guān)通過(guò)RS485總線與終端連接。在發(fā)生漏電或跳閘/合閘動(dòng)作事件時(shí)，漏保開(kāi)關(guān)可以將該事件主動(dòng)上報(bào)給終端或經(jīng)由終端查詢（可由軟件設(shè)置主動(dòng)上報(bào)或查詢）。終端是信息的匯聚點(diǎn)，一個(gè)終端最多可以連接8個(gè)漏保開(kāi)關(guān)，其中記錄的漏保信息包括漏電事件類型、發(fā)生時(shí)間、最大剩余電流與漏電相位等。終端通過(guò)GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，與云服務(wù)器建立TCP長(zhǎng)連接進(jìn)行通信。終端可以解析、執(zhí)行云服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令，提供云服務(wù)器所需的信息（如漏電告警信息），或主動(dòng)上報(bào)漏電告警事件。終端也可以直接轉(zhuǎn)發(fā)云服務(wù)器對(duì)漏保開(kāi)關(guān)的跳閘/合閘等操作指令，實(shí)現(xiàn)透?jìng)鞴δ堋Ｔ品?wù)器用于提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、Web服務(wù)、終端服務(wù)以及各種底層支撐服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)用戶所需的各項(xiàng)功能。

終端與漏保開(kāi)關(guān)之間的通信遵循《剩余電流動(dòng)作保護(hù)器通信規(guī)約》（DL/T—20），云服務(wù)器與終端之間的通信遵循《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》（Q/GDW 376.1）。

2? 居民漏電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)功能

居民漏電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)由檔案管理、設(shè)備監(jiān)控、告警管理和用戶管理四個(gè)功能模塊構(gòu)成，如圖2所示。其中，設(shè)備監(jiān)控模塊不僅可以設(shè)置終端需要監(jiān)視的事件類型與所關(guān)聯(lián)的漏保開(kāi)關(guān)地址、通信端口號(hào)、測(cè)量點(diǎn)號(hào)、通信協(xié)議，漏保開(kāi)關(guān)的漏電跳閘動(dòng)作閾值、跳閘延遲時(shí)間等數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前最大漏電電流和漏電相等漏保運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制漏保開(kāi)關(guān)進(jìn)行跳閘/合閘，試跳、預(yù)約跳閘/合閘等操作，方便維護(hù)人員進(jìn)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(tǒng)計(jì)分析。

3? 分布式云服務(wù)器的總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)漏保開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中管理，云服務(wù)器需要響應(yīng)以下請(qǐng)求：

（1）用戶通過(guò)瀏覽器發(fā)出的檔案管理、用戶管理、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、漏保遠(yuǎn)程控制、告警信息統(tǒng)計(jì)分析等請(qǐng)求。

（2）終端的登錄、心跳與漏電告警請(qǐng)求。

（3）終端對(duì)服務(wù)器命令的響應(yīng)。

由于本系統(tǒng)同時(shí)在線的用戶較少，但終端數(shù)量則可達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)，因此，云服務(wù)器的設(shè)計(jì)主要考慮響應(yīng)請(qǐng)求（2）與請(qǐng)求（3）的需要，即滿足終端的高并發(fā)請(qǐng)求，所需吞吐量可達(dá)105-106 QPS。

圖3是分布式云服務(wù)器的總體架構(gòu)。系統(tǒng)使用1個(gè)Web服務(wù)器處理用戶的Web請(qǐng)求，1個(gè)實(shí)時(shí)請(qǐng)求服務(wù)進(jìn)程RTW（Real-time Worker）用于集中處理Web用戶對(duì)終端與漏保開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)控請(qǐng)求及其響應(yīng)信息，而終端業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度外還具有兩項(xiàng)重要的功能，即負(fù)責(zé)Web服務(wù)器與后端服務(wù)進(jìn)程RTW的信息交換通道以及利用其發(fā)布/訂閱功能完成實(shí)時(shí)短信報(bào)警服務(wù)。

4? 分布式終端服務(wù)集群設(shè)計(jì)

4.1? 負(fù)載均衡模型

使用分布式集群服務(wù)能大大提高系統(tǒng)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(fù)載均衡技術(shù)[14-16]。目前，LVS（Linux Virtual Server）開(kāi)源集群軟件被廣泛應(yīng)用于服務(wù)集群建設(shè)[17]，圖4是應(yīng)用LVS的典型負(fù)載均衡集群模型。

在這種模型中，由負(fù)載均衡器LB將所有請(qǐng)求分發(fā)給各個(gè)真實(shí)服務(wù)器RS進(jìn)行處理。采用這種模型雖然有利于按照《Q/GDW 376.1》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鏈路層地址域中的主站地址指定RS地址實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，但是這種模型本質(zhì)上是一種單入口負(fù)載均衡模型，如果要提高響應(yīng)速度，需要提高LB及相應(yīng)交換機(jī)的性能，使成本劇增;否則，在并發(fā)量較大的情況下，會(huì)對(duì)LB造成巨大的處理壓力，產(chǎn)生較大時(shí)延甚至出現(xiàn)無(wú)法連接到服務(wù)器的現(xiàn)象[18]。

根據(jù)《Q/GDW 376.1》標(biāo)準(zhǔn)，主站（服務(wù)器）可以給終端發(fā)送命令，設(shè)置終端連接的服務(wù)器IP與端口號(hào)。利用這一特性，本文設(shè)計(jì)的終端服務(wù)集群采用兩級(jí)負(fù)載均衡策略，其模型如圖5所示。

4.1.1? 網(wǎng)絡(luò)通信與業(yè)務(wù)處理分離

為了處理終端高并發(fā)請(qǐng)求，同時(shí)方便擴(kuò)展，本系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)通信與業(yè)務(wù)處理分開(kāi)，分別由網(wǎng)絡(luò)I/O服務(wù)進(jìn)程I/O-S（I/O Service）和業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)程BW（Business Worker）負(fù)責(zé)，兩種服務(wù)進(jìn)程都可以獨(dú)立布署以構(gòu)建分布式服務(wù)器。

4.1.2? 第一級(jí)負(fù)載均衡

第一級(jí)負(fù)載均衡即網(wǎng)絡(luò)I/O負(fù)載均衡，其目標(biāo)是將終端TM（Terminal）連接均衡地分配到各個(gè)I/O-S實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)I/O數(shù)據(jù)流的均衡。第一級(jí)負(fù)載均衡由I/O-LB（I/O Load Balance）負(fù)責(zé)，其實(shí)現(xiàn)流程為：

（1）TM首次入網(wǎng)時(shí)與I/O-LB建立TCP連接;

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

（3）I/O-LB根據(jù)《Q/GDW 376.1》協(xié)議，將TM的服務(wù)器IP地址與端口號(hào)修改為被選中的I/O-S;

（4）I/O-LB關(guān)閉與TM的連接;

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

通過(guò)第一級(jí)均衡，LVS模型中的單一服務(wù)入口被改進(jìn)為多服務(wù)入口，從而可以利用多臺(tái)低性能物理服務(wù)器和交換機(jī)構(gòu)建服務(wù)集群，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

4.1.3? 第二級(jí)負(fù)載均衡

第二級(jí)負(fù)載均衡即業(yè)務(wù)負(fù)載均衡，其目標(biāo)是將具體業(yè)務(wù)均衡地分配到各個(gè)BW進(jìn)行處理。

第二級(jí)負(fù)載均衡由IO-S負(fù)責(zé)。當(dāng)接收到來(lái)自TM的數(shù)據(jù)包時(shí)，IO-S根據(jù)均衡算法將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給被選中的BW進(jìn)行處理，當(dāng)業(yè)務(wù)處理完需要向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也交由IO-S發(fā)送給終端。因此，IO-S既負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)I/O，也承擔(dān)業(yè)務(wù)均衡職責(zé)。

4.2? 負(fù)載均衡算法

居民漏保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的布署規(guī)模會(huì)隨著工程的推進(jìn)逐步擴(kuò)大，集群中將會(huì)存在不同性能的物理服務(wù)器，為此，我們給每個(gè)服務(wù)器指定一個(gè)與其性能匹配的權(quán)值，使其能夠接受相應(yīng)權(quán)值數(shù)的服務(wù)請(qǐng)求，從而充分利用各服務(wù)器的性能。

4.2.1? 第一級(jí)負(fù)載均衡算法

第一級(jí)采用加權(quán)最小連接即WLC（Weighted Least Connections）調(diào)度算法[19]。設(shè)集群中有N個(gè)I/O-S服務(wù)器S0，S1，…，SN-1，則當(dāng)有新的TM連接請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，I/O-LB將選擇服務(wù)器So作為其目標(biāo)服務(wù)器，則目標(biāo)服務(wù)器So需滿足條件：

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

由于C是常量，為了降低計(jì)算復(fù)雜性，式（1）簡(jiǎn)化為：

4.2.2? 第二級(jí)負(fù)載均衡算法

第二級(jí)負(fù)載均衡算法采用加權(quán)輪轉(zhuǎn)，即WRR（Weighted Round Robin）調(diào)度算法。設(shè)集群中有N個(gè)BW服務(wù)器W0，W1，…，WN-1，wn表示W(wǎng)n的權(quán)值，wmax表示當(dāng)前所有服務(wù)器最大權(quán)值，wgcd表示當(dāng)前所有服務(wù)器權(quán)值的最大公約數(shù)，ind為上一次被調(diào)度的服務(wù)器索引，其初值為-1，wind為上一次被調(diào)度的服務(wù)器權(quán)值，初值為wmax，則算法流程為：

（1）一個(gè)新的請(qǐng)求到達(dá);

（2）從ind+1開(kāi)始遍歷權(quán)值數(shù)組，針對(duì)每個(gè)權(quán)值，計(jì)算：

if（wind≥wi）{

ind=i;∥即wi被調(diào)度

break，

}else{

i=（i++）%N;

if（i==0）{

wind-= wgcd;

wind=（ wind==0）？wmax： wind;

}

}

（3）將請(qǐng)求發(fā)送給wind處理。

5? 關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)

5.1? 實(shí)時(shí)請(qǐng)求服務(wù)進(jìn)程RTW的實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器將用戶的設(shè)備監(jiān)控請(qǐng)求發(fā)送到Redis的“請(qǐng)求隊(duì)列”，而請(qǐng)求的終端響應(yīng)則由BW發(fā)送到Redis的“響應(yīng)隊(duì)列”。RTW是一個(gè)定時(shí)服務(wù)進(jìn)程，會(huì)周期性（T=0.1 s）從“請(qǐng)求隊(duì)列”中提取命令，預(yù)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(gòu)造請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，交由IO-S發(fā)送給終端，否則將命令處理狀態(tài)經(jīng)Redis返回。RTW以同樣的周期從“響應(yīng)隊(duì)列”中提取終端響應(yīng)信息，處理后送Redis緩存并由Web服務(wù)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(wù)進(jìn)程BW的實(shí)現(xiàn)

終端服務(wù)進(jìn)程BW采用事件驅(qū)動(dòng)，由IO-S在接收到終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)回調(diào)，其處理流程如圖7所示。

BW根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理函數(shù)。如果是登錄包，則進(jìn)行合法性檢查;如果是終端響應(yīng)包，預(yù)處理后將其發(fā)送到Redis的終端響應(yīng)信息緩存中;如果是告警數(shù)據(jù)包，將告警信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)向Redis發(fā)布告警信息。告警信息發(fā)布后，由Redis自動(dòng)回調(diào)短信服務(wù)器將告警信息發(fā)送到居民和技術(shù)員手機(jī)中。

6? 應(yīng)用與測(cè)試

國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司宜春供電分公司對(duì)本文設(shè)計(jì)的居民漏電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)和應(yīng)用，服務(wù)器配置如表1所示。

使用測(cè)試工具Jmeter[20]對(duì)LVS均衡策略與本文提出的兩級(jí)負(fù)載均衡策略的性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。為了更好地反映真實(shí)情況，構(gòu)建了由1臺(tái)調(diào)度計(jì)算機(jī)和8臺(tái)執(zhí)行計(jì)算機(jī)組成的Jmeter測(cè)試集群，每臺(tái)執(zhí)行機(jī)上均部署三種測(cè)試線程組，分別模擬心跳、報(bào)警和實(shí)時(shí)請(qǐng)求業(yè)務(wù)，利用高斯隨機(jī)定時(shí)器在5 min內(nèi)加載完成40 000個(gè)并發(fā)請(qǐng)求，并使用響應(yīng)時(shí)間和請(qǐng)求成功數(shù)作為性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

在負(fù)載量較低時(shí)（<4 000個(gè)并發(fā)請(qǐng)求），兩種均衡策略的性能幾乎沒(méi)有差別。隨著并發(fā)量的提高，LVS均衡策略的響應(yīng)時(shí)間逐步增加，當(dāng)達(dá)到8 000個(gè)并發(fā)請(qǐng)求后，開(kāi)始出現(xiàn)錯(cuò)誤響應(yīng)。當(dāng)并發(fā)量進(jìn)一步提高，LVS均衡策略的響應(yīng)時(shí)間快速增加，直至沒(méi)有響應(yīng)（>18 000個(gè)并發(fā)請(qǐng)求），出錯(cuò)率也達(dá)到100%。而兩級(jí)均衡策略在并發(fā)請(qǐng)求數(shù)大于17 000時(shí)開(kāi)始略有增加，并發(fā)請(qǐng)求數(shù)達(dá)40 000時(shí)平均響時(shí)間也只有117 ms，而其出錯(cuò)率則維持0%，表明本文的負(fù)載均衡策略能有效提升系統(tǒng)的性能，滿足系統(tǒng)高并發(fā)要求。

7? 結(jié)? 論

建立漏電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)是落實(shí)國(guó)家電網(wǎng)低壓供電系統(tǒng)三級(jí)漏電保護(hù)工程，提高用電安全目標(biāo)的根本途徑。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了居民漏電保護(hù)分布式監(jiān)控系統(tǒng)。基于《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》（Q/GDW 376.1），提出了兩級(jí)負(fù)載均衡策略，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有多入口、網(wǎng)絡(luò)I/O與業(yè)務(wù)分離的分布式服務(wù)器，達(dá)到利用多臺(tái)低性能物理服務(wù)器構(gòu)建高性能服務(wù)集群以降低系統(tǒng)成本的目標(biāo)。兩級(jí)負(fù)載均衡分別采用WLC調(diào)度算法和WRR調(diào)度算法以充分利用不同配置的物理服務(wù)器性能。本系統(tǒng)已由國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司宜春供電分公司進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，測(cè)試與運(yùn)行結(jié)果均表明，本系統(tǒng)給出的解決方案能夠滿足高并發(fā)與實(shí)時(shí)響應(yīng)兩方面的性能要求。

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作者簡(jiǎn)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)化控制;徐曉安（1975—），男，江西宜春人，高級(jí)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

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