摘要 为保证变电站自动化系统监控主站的靠得住性，文章提出以其重要的资本——中央处置器的负载水平作为衡其靠得住性的指标，并在对其使命进行具体分析的根蒂根基上，估算出变电站正常运行时监控主站的资本平衡水平。后，针对采用WindowsNT所提供的基于线程的多使命机制实现的监控主站，依据资本平衡的原则对其进行了实验室测试，并对所发现的不足作了改良。
关头词 变电站自动化 监控主站 资本平衡
BALANCEOFSYSTEMRESOURCESOFHOSTFORMONITORINGANDCONTROLLINGINSUBSTATIONAUTOMATION
WangHaiyou HeRenmu
Dept.ofE.E.,NorthChinaElectricPowerUniversity(Beijing)
Beijing,100085China
ABSTRACT Inordertoensurethereliabilityofthehostformonitoringandcontrollinginasubstationautomationsystem,itisproposedthatthecentralprocessorsprocesstime,i.e.,thehostsmostimportantresource,canbeusedasastandardofmeasuringthehostsreliability.Thetasksofthehostareanalysedindetailsothattheresourcebalancelevelisestimatedduringthenormaloperationofthesubstation.Finally,thehost,whichappliesthemultithread-basedmechanismprovidedbyWindowsNT,istestedinthelaboratoryaccordingtotheprincipleofresourcebalanceanditsshortagesareimproved.
KEYWORDS Substationautomation Hostformonitoringandcontrolling Resourcebalance
1 引言
在变电站自动化系统中，监控主站充任站内的庇护、丈、控制及通讯装配与变电站运行人员之间的接口，它能准确实时地转换与传输变电站的运行状态信息和运行人员的控制饬令是整个系统正常运转的条件，地位十分重要。是以，靠得住性是监控主站的重要指标。衡一个系统的靠得住性的经常使用尺度是该系统的平均失效期待时间（meantimetofailure）和平均失效距离时间（meantimebetweenfailures）等。但这些指标的获取均依赖于方针系统的长时间运行，使用起来不太利便。而且，这些指标也不能周全描写监控主站这类实时性要求很高、资本需求较为密集的运用。
今朝，一般采用PC机、基于Windows95或NT来实现监控主站。这样，PC机及其操作系统的资本占用水平就会对监控主站的靠得住性发生很年夜的影响。是以，可以采用在监控主站正常运行时所占用的系统资本的数目，即监控主站的资本平衡水平，作为衡监控主站靠得住性的一个指标。这里所说的系统资本主要是指监控主站运行所需要的CPU（中央处置器）的时间及占用的内存等。其中，CPU时间是关头的资本，是以，本文将其作为衡监控主站资本平衡水平的重要指标。
肯定监控主站的资本平衡水日常平凡，一般要斟酌以下三个问题：，斟酌到包括操作系统在内的整个监控主站的稳定性，监控主站不允许持久满负荷运行。换句话说，监控主站正常运行时，必需保有一定额度的备用资本。凭据以往的运行经验，在变电站正常运行时，这个额度不应低于50；变电站发生故障时，不应低于20。第二，监控主站要能对变电站的各类运行状态应付自如，不仅能够在变电站正常运行时，靠得住、实时地完成站内各装配与运行人员之间的信息转换和传输，更重要的是，能够在变电站发生故障时，将故障信息靠得住、实时地反映给运行人员和执行运行人员的控制饬令。在变电站正常运行时，站内各装配按时上送远测、远信等报文，数目较少，处置进程也比力简单，监控主站的负载不高；但当变电站发生故障时，有可能会引发多个庇护与丈装配同时上送报文，这些故障报文的处置进程远较远测及远信报文复杂，从而使监控主站的负载比变电站正常运行时增加很多。这类较年夜的负载差距就要求在变电站正常运行时，所占用的系统资本不能太多，必需保有一定的备用供监控主站应付变电站内的故障。而且，即使在变电站发生故障时，监控主站也不能占用全数CPU资本，需要保有一定的稳定裕度。第三，监控主站还要为操作系统的经管使命留有一定的备用。由于Windows95和NT的日常经管使命，如日志记实等，需要占用一些系统资本，出格是NT，其平安性较高，但经管使命也较多，需要占用的系统资本也多。
以往的变电站自动化系统，其监控主站年夜多采用问答式规约、经由过程RS-232串口与站内装配通讯。由于串行通讯速度较慢，所以监控主站的负载较低，资本平衡对靠得住性的影响还不显著。随着用户对自动化系统的性能提出日益严酷的要求，使得变电站的站内通讯日益增年夜，出格是在变电站发生故障时，有可能会引发多个庇护与丈装配同时上送报文，可以使通讯到达14 000B/s以上。这样，速度较慢的串行通讯就远不能顺应这么年夜的通讯需求，就需要采用多使命的并行处置方式来完成数据处置。由于监控主站的多个使命争用系统的资本很容易造成资本的严重，必需注重监控主站各个使命之间的资本平衡，才能保证系统的靠得住性。出格是对于电压品级较高、规模较年夜的变电站更是如斯。
本文首先具体分析变电站自动化系统的监控主站的使命，估算出监控主站在变电站正常运行时的资本平衡水平；随后，针对采用WindowsNT所提供的基于线程的多使命机制所实现的监控主站，凭据资本平衡的原则对其进行实验室测试，并对不足的地方作出了改良。
2 变电站自动化系统概述
在散布式变电站自动化系统中，采用美国ECHELON公司的LonWorks作为站内通讯网，把站内的庇护、丈、控制及通讯装配与监控主站联接起来。监控主站与装配经由过程站内通讯网交换信息［1］。其结构如图1所示。
图1 变电站自动化系统结构示意图
Fig.1 Skeletondiagramofsubstationautomation
今朝，LonWorks通讯网和站内的各类装配已普遍运用于现场，其靠得住性已获得证实。这样，监控主站的靠得住性就成为首当其冲的问题。
在散布式变电站自动化系统中，监控主站主要完成两项使命：其一是接收并诠释站内庇护、丈等装配发送的上行报文，并将成效经由过程友好、直观的人机界面反映给变电站的运行人员；其二是接收并诠释运行人员经由过程人机界面下达的控制饬令，随后经由过程LonWorks将其下传至庇护及控制装配。
由于在变电站正常运行时，一次装备的运行状态变化不年夜，站内的庇护及丈等装配按时上送远测与远信报文。这些报文的处置进程比力简单，而且抛弃一些报文其实不会丢失变电站运行状态的变化，是以，在变电站正常运行时，监控主站的工作负载较小，实时性的要求也相对较低，对资本的需求就比力有限。可是，当变电站发生故障时，有可能会引发多个装配一起上送报文，使得网上的通讯年夜增，而且年夜部门故障报文，诸如庇护动作报文、庇护告警报文、SOE报文，其处置进程比力复杂，而且，这些报文相对远测及远信报文有较高的先级，必需迅速、准确地将故障信息通知运行人员，这就使得监控主站的工作负载较变电站正常运行时年夜年夜加重，对实时性的要求也更高，所以对资本的需求水平年夜年夜提高了。
为保证监控主站的实时性，本文彩用支持争先式多使命的WindowsNTWorkstation作为操作系统，哄骗NT提供的基于线程的多使命机制以并行方式实现接收报文和处置报文，以确保报文不会丢失。是以，可以把监控主站的使命分化为若干个元使命，每一个元使命由一个线程来完成。
3 WindowsNT的资本监视机制［2,3］
今朝，PC机年夜多采用Intel公司的Pentium及其以上的处置器。这些处置器均提供了多重运行模式，并给运行于这些模式的运用法式分歧级此外特许权会见硬件。WindowsNT采用了其中的两个模式：特许模式（内核模式）和非特许模式（用户模式）。运行在特许模式的运用法式可以直接会见硬件和系统中软件资本。WindowsNT凭据靠得住性和性能来肯定具体的运用法式运行于何种模式。
在WindowsNT中，Win32子系统负责所有的用户输进和输出，在焦点（特权）模式运行，对整个系统的性能有重要影响。另外，由于WindowsNT是支持争先式多使命调剂的操作系统，是以当系统中存在有多个使命时，NT会凭据使命的先级和轮转式时间片分配来调剂各个使命，其成效是使所有使命都有机遇被执行，不会有任何一个使命长时间独有CPU，而褫夺其他使命的运行机遇。
在WindowsNT所提供的经管工具集中，有一个工签字叫“性能监视器”（performancemonitor），是用来监测当地计较机或网络上其它计较机性能的图形工具。在每台计较机上，可以借助性能监视器查看分歧对象，如处置器、内存、高速缓存、线程和进程的勾当。这些对象都有一套相互关连的计数器组，提供关于装备用法、队列长度和延迟的信息，和用于丈吞吐及内部拥塞的信息。
在变电站自动化系统的监控主站中，主要监视对象为中央处置器的处置器时间，它是以处置器运行非余暇线程所履历时间的百分比来暗示的，其值可以被视为用于处置有用工作的时间比。每个处置器在余暇时将会指定一个余暇线程（systemidleprocess）来消耗未被任何其他线程使用的处置器时间片。
对于采用WindowsNT的多进程或多线程方式实现的多使命运用法式，由于各个进程或线程之间也需要争用CPU，是以就会使系统的资本状态更趋严重。对于基于多线程机制实现的监控主站，还需要监视野程（thread）的处置器时间，其值暗示该线程使用处置器来运行饬令所花费时间的百分比。监视这个对象可以知道在系统中存在多个线程的情况下，各个线程所占用的处置器资本。
4 影响监控主站资本平衡的身分
在变电站自动化系统中，监控主站的工作负载主要包括以下四部门：①上、下行报文的传输；②报文中所包括的数据的花式转换，例如远丈在报文中以二进制编码暗示，送到人机界面时则需要将其转换为实数；③报文处置所触及的画面刷新，如庇护动作报文的处置就需要立即弹出年夜幅而且能干的消息框，将消息通知给运行人员，远信报文的处置也需要改变断路器、隔脱离关的图形显示。前者的画面刷新幅度较年夜，后者则较小；④某些重要信息的打印，诸如庇护动作信息、SOE报文、远信变位等。
对监控主站所做的测试讲明，前两个使命占用的资本较少，而后两个使命则要占用较多的CPU时间片。是以，本文进一步对打印服务与画面刷新幅度对系统性能的影响进行了比力测试。测试所用的机械设置装备摆设为PentiumII266 MHz、64 M内存。测试成效如表1和表2所示。
表1 打印使命对监控主站的CPU负载水平的影响
Tab.1 CPUloadofthehostaffectedbyprinttasks序号无打印使命时的有打印使命时的打 印 CPU负载水平CPU负载水平效 果1070满意23078满意35395满意47396满意58898一般6100100不满意注：1. 测试所采用的打印机为EPSONLQ1600K，打印效果是以监控主站上只有打印使命时的效果为基准，经过比力得出的；
2. 监控主站上只有打印使命时的CPU哄骗率在三种设置装备摆设的PC机上进行了测试，其成效均在70左右。这三种设置装备摆设划分是（1）Pentium133 MHz，48 M内存；（2）Pentium166 MHz，56 M内存；（3）PentiumII266 MHz，64 M内存。
表2 画面刷新幅度对监控主站的CPU负载水平的影响
Tab.2 CPUloadofthehostaffectedbydisplayrefreshing报文速度画面刷新幅度(B/s)0481621 0003037537311 17015202456注： 画面刷新幅度以一个显示面积约为2 cm2的椭圆为基准，‘0’暗示没有画面刷新，‘4’暗示有4个这样的椭圆需要刷新，‘8’和‘16’依此类推。
从表1和表2中的数据可以得出以下结论：
(1)消息打印对系统资本的需求较年夜，出格是当监控主站收到报文的速度较快时，打印服务将使CPU的负载水平到达稳定裕度的边缘；
(2)画面刷新对资本的需求与刷新幅度有关，需要刷新的画面的面积越年夜，占用的CPU资本就越多。
5 监控主站的资本平衡水平
在变电站发生故障时，一方面，装配上送的报文的数目要比正常运行时多得多，另外一方面，故障报文的处置进程也比远测报文复杂得多，而且还需要用针式打印机将故障信息打印出来。在年夜部门时间内，变电站都运行于正常状态。是以，需要肯定在变电站正常运行时，允许监控主站占用的CPU时间。这要依据下面三个原则：
(1)在变电站发生故障时，监控主站所收到的上行报文的数目是变电站正常运行时的2倍以上，而且，对于故障报文的处置也比远测、远信等报文的处置复杂，所以可以估算监控主站在变电站发生故障时的工作负载是其正常运行时的3倍；
(2)监控主站需要将故障信息打印出来；
(3)斟酌到操作系统的稳定性和系统经管的需要，监控主站必需保有一定裕度，而不能持久满负荷运行。
从表1可以看出，在获得比力满意的打印效果，而且保有一定的稳定裕度的情况下，监控主站的CPU负载水平年夜不能跨越75 。也就是说，在变电站发生故障时，监控主站处置上行报文所占用的CPU资本不能跨越75 。是以，在变电站正常运行时，监控主站的CPU负载水平应为25 左右，不能跨越30 。
6 基于多线程的监控主站的资本平衡
在通讯不竭增加的情况下，为了知足系统实时性的要求，本文彩用多个线程实现报文的传送和处置。这就需要同步与序列化多个线程的行为，以免发生会见冲突，从而极年夜地增加了法式的复杂性，使潜在问题年夜为增加。所以，本文除对监控主站进行代码检查、功能测试等常规测试外，还凭据资本平衡的原则对其进行了测试，以保证靠得住性。
首先，监控主站建立两个线程，划分负责接收报文和处置报文。这两个线程经由过程同享缓冲区交换数据。为避免对该缓冲区的会见冲突，设置了一把“锁”和与之相对应的“钥匙”。只有取得“钥匙”的线程才能读写缓冲区。两个线程对“钥匙”有平等的会见权，先请求者先获得，后来的只好期待。测试成效讲明，监控主站虽然能够知足实时性的要求，不会丢失报文，可是CPU的哄骗率到达了100，这类成效固然不能使人满意。后来发现问题出在接收报文线程与诠释报文线程的通讯方式上。测试讲明，两个线程经由过程同享缓冲区来通讯很是花费系统CPU资本，效果不理想。随后，针对该问题，将这两个线程的执行方式由对等改成主从，即接收报文线程收到报文后，再启动诠释报文线程，将报文交给它去向理。此时，这两个线程并行执行。后者处置完这一批报文后，从系统退出。测试成效讲明，在站内通讯网的通讯速度为11 170B/s时，这类方式的CPU哄骗率只有30。但可用内存随着测试时间的延长而逐渐削减，其缘由是线程的建立和退出要花费少许内存资本，没法回还给系统。后，两个线程改成经由过程系统公共队列交换数据，将经管队列、避免存取冲突的工作交给操作系统负责。测试成效讲明，采用这类方式后，监控主站所占用的CPU资本连结在低水平上，可用内存也连结稳定。
由上可见，控制资本平衡水平在保证监控主站的靠得住性上起到了很关头的作用。出格是对于多线程法式，其作用加倍较着。
7 结论
对于变电站自动化系统来说，靠得住性是重要的方针。采用监控主站的资本平衡作为其靠得住性控制指标，能够确保包括操作系统、人机界面等在内的整个主站系统的靠得住性。出格是基于Windows多使命机制实现的监控主站，由于存在使命之间的通讯问题，资本平衡对于系统靠得住性的保证就显得加倍重要。
作者简介：王海猷 男，1973年生，博士研究生，研究标的目的为变电站自动化。贺仁睦 女，1944年生，博士，教授，博士生导师，主要研究标的目的为负荷建模及电力系统的分析与控制。
作者单元：华北电力年夜学（北京）电力工程系，100085北京清河
参考文献
1 杨奇逊.变电站综合自动化技术成长趋向.电力系统自动化，1995;(10)
2 SchildtH.WindowsNTprogramminghandbook.北京：学苑出书社，1994
3 TaylorP著，李增平易近、王世本等译.WindowsNT4经管员手册.北京：机械工出书社，1997