大数据通信平台的智能集成广域保护控制系统设计

2019-03-05，

计算机测量与控制 2019年2期

，

(东南大学计算机科学与工程学院,南京 211189)

0 引言

大数据通信平台是一种将传统通信技术、计算机网络技术有机融合的新媒体联通模式，解决了时间、地点等条件对网络传输效果的限制，且通过这种方式获得的数据信息通常能够保持较强的稳定性。控制系统包含控制主体、控制媒介、控制客体三个组成部分，在三者有机调节作用的促进下，通信设备、通信机器等机构都可以向人们所期望的方向进化，使被控对象逐渐趋于更加稳定的平衡状态[1-2]。按照控制原理的不同，可将常见的大数据通信平台控制系统分为开环控制、闭环控制两大类。其中，开环控制系统的控制精度、干扰抑制等特性相对较差，但装置设备的组成方式较为简单，所有逻辑结构均保持时序连接方式。闭环控制系统以反馈原理作为基础搭建规则，可以利用输出量的期望偏差对系统的连接状态进行直接控制[3]。传统通信保护控制系统以FPGA设备作为逻辑控制核心，并通过改变串行通信接口连接状态的方式，限制控制数据的传输速率。但随着科学技术手段的进步，这种系统连接方式占用的传输信道过于单一，且控制信息的分布状态相对较为集中，不符合大数据广域网络的传输需求。为解决上述问题，通过搭建集成适配模块等方式，设计一种新型的大数据通信平台智能集成广域保护控制系统，并通过对比实验的方式，证明该系统的实用性价值。

1 智能集成广域保护控制系统的硬件设计

大数据通信平台智能集成广域保护控制系统的硬件运行环境包含集成适配模块等多个组成环节，其具体搭建方法可按如下步骤进行。

1.1 大数据通信平台总体框架设计

大数据通信平台的总体运行框架在结构上，保留了与传统信息系统相似的模块联通形式，且在保证原有数据流通功能不受影响的前提下，增设了多个通信决策模块，其中集成适配模块中利用了协议寄存器，其是一个32位宽、IP(16位)的寄存器，集成芯片为74HC595A型号；广域控制决策模块中利用双向串口RS485进行双向通信传输。具体框架结构如图1所示。

图1 大数据通信平台总体框架图

根据图1可知，新型智能集成广域保护控制系统的大数据平台包含集成适配、广域控制、通信决策、保护控制、大数据分离与存储5个基础组成模块。其中，集成适配模块能够获取平台中流通的信息数据，并将其重新排列成符合系统抓取规则的关联结构。广域控制决策模块是大数据通信平台的核心搭建环节，可以直接获取集成适配模块的物理信息，并通过增删处理，减少数据中不合理成分。保护控制决策模块为系统硬件运行环境提供基础保障，并通过协调通信协议的方式，增加大数据通信平台的运行稳定性。保护控制模块与大数据分离存储模块不能保持独立的工作状态，只能在相互配合的基础上，对大数据通信平台中的运行数据进行基础保护控制操作。

1.2 集成适配模块设计

集成适配模块是大数据通信平台下属的最大保护控制结构。该模块能够根据集成区域内的数据类型，自动选择最为适宜的传输控制协议，且可以自由的在多种传输控制协议间进行转化操作。该模块以协议寄存器作为核心搭建设备，且当大量通信数据同时进入大数据传输平台时，协议寄存器可以对每类信息的协议种类进行详细记录，并根据既定的信令标准扩展这些数据的存储形式[4]。这种新型的通信数据集成适配形式更贴合客户端的指令需求，且为多项通信协议的并行使用提供结构基础。集成适配模块的存储方法与模板记录形式类似，可以根据通信数据间的试探应答信息，生成一条或多条连接请求，并可以利用该请求的自检功能确定这些待传输信息的合法性。整合上述原理完成集成适配模块设计，具体模块结构如图2所示。

图2 集成适配模块结构图

1.3 广域控制决策模块设计

广域控制决策模块是连接新型系统软硬件运行环境的关键结构。在大数据通信平台保持稳定运行的前提下，该模块可以与集成适配模块保持直接连通关系，并通过确定数据传输链路、节点交流方式等手段，使平台环境中的通信数据保持较为高效的连通状态。当大数据通信平台中的传输链路保持顺次连接时，广域控制决策模块可以利用监测数据符合情况的手段，对所有通信数据进行挖掘分析，并以此方式扩充大数据通信平台中信道占用率[5]。根据通信数据在广域环境中的集成情况可知，在数据总量较大、实时传输状态较为不稳定的条件下，各项通信数据流间的关系不能长时间保持畅通状态，且协议寄存器、控制协调器等设备中的信息流会出现交叉传输现象，一部分通信数据可能受到偏移支流的影响而不能到达预期目的位置。为避免上述情况的发生，新型系统的广域控制决策模块以通信数据本体结构作为核心搭建设备，并通过建立环形决策结构的方式，为通信数据规划完整的传输路径，在各项集成条件稳定的情况下，完成新型系统的硬件运行环境搭建，具体广域控制决策模块结构如图3所示。

图3 广域控制决策模块结构图

2 智能集成广域保护控制系统的软件设计

在大数据通信平台智能集成广域保护控制系统硬件运行环境的基础上，为实现系统的顺利应用，还需按照如下步骤，完成系统的软件运行环境搭建。

2.1 集成广域通信协议设计

新型系统的集成广域通信协议包含IPX/SPX、NetBEUI、RS-232-C、HDLC、SNMP五种基础类型。其中，IPX/SPX集成广域通信协议对大数据IP地址进行限定，且在实用过程中，不需对各决策模块的连接方式进行设置，是一种包罗性较强的信息通信协议。NetBEUI集成广域通信协议可以促进系统客户端的数据连接强度，在大数据通信平台的支持下，以这种协议连接的系统模块具备最强的数据覆盖能力。RS-232-C集成广域通信协议对系统相关模块的连接规格进行严格限制，当大数据调制解调器、输出输入接口等设备中的通信信息总量达到额定标准时，在该项通信协议的控制下，相关软件运行模块的控制有效性可以在短时间内达到最高水平[6-7]。HDLC集成广域通信协议完全收录了系统数据链路层的传输标准，且在大数据通信数据保持高速传输状态时，随着这种协议的应用，相关通信数据可以任意的组合形式来满足系统的运行需求。SNMP集成广域通信协议实现了大数据通信节点间的单一连接，无论系统运行条件能不能达到最佳水平，该项协议都能够通过改变控制对象、控制决策者间关系的方式，使通信数据稳定的存储于系统数据库中。每种集成广域通信协议的具体应用优势如表1所示。

表1 集成广域通信协议应用优势列举表

2.2 保护控制驱动程序设计

大数据通信平台下只能继承广域系统的保护控制驱动程序能够对核心计算机的占用状态进行统一分配。新型广域控制系统以windows2000/ XP大数据通信平台作为核心硬件运行条件，但该平台具备一定的硬件设备访问限制性，随着运行时间的不断延长，控制信息的传输范围会呈现逐渐缩小的变化趋势，进而导致广域网的覆盖面积向着核心处理器不断靠近。为解决上述问题，保护控制驱动程序沿用部分PCI代码，并通过改变控制内核用户态的手段，使相关保护控制设备与应用程序间建立多条传输通道，并在分流通信数据的前提下，使控制信息的覆盖范围不断扩大[8]。当传输内核逐渐失去对通信数据的控制权限时，保护控制驱动程序中的Application()语句可通过不断协调广域边线范围的方式，使程序的驱动效果最大化，达到预期控制水平。具体驱动代码编程语句如下：

public need (Brid information)；

int Distance=.information System；

void main String sparrow；

Application(；

client Decorator string. h；

xscl palette include；

cursor define types glob；

)；

2.3 通信数据库设计

新型智能集成广域保护控制系统的通信数据库包含信息参数库、指令库、信息存储库、设备库4个组成部分。其中，信息参数库可以对通信数据进行位置编号，并通过区分大数据平台中信息的运行状态条件，来判断这些数据是否符合系统的保护控制需求。指令库以链路通信数据作为主要传输对象，且在传输过程中，会生成与数据实体信息相关的属性记录，为信息存储库提供可依附的节点条件[9]。信息存储库是通信数据库的核心存储单元，在大数据通信平台中流通的所有信息，都会进入该结构中进行集成广域调配操作处理，使系统的保护控制执行力始终保持较高水平[10]。设备库能够提供系统保护控制模块所需的插入节点单元，且这些节点信息可以通过相关输出路径，自由的出入系统数据库，这也是新型系统控制信息局限性分布较为广泛的主要原因。整合上述设计原理，完成大数据通信平台智能集成广域保护控制系统搭建，具体数据库设计原理如图4所示。

图4 通信数据库设计原理图

3 实验结果与分析

为验证大数据通信平台的智能集成广域保护控制系统的实用性价值，设计如下对比实验。以两台配置协议寄存器、控制协调器设备的计算机作为实验对象，其中搭载传统通信保护控制系统的作为对照组，搭载新型通信保护控制系统的作为实验组。在保持其它运行条件不变的情况下，应用控制变量法，记录应用实验组、对照组系统后，信道占用率、控制信息覆盖面积的变化情况。

3.1 实验参数设置

为保证实验结果的真实性，可按照下表对相关实验参数进行设置。

表2 实验参数设置表

其中,EMT参数代表实验时间、IOP参数代表信息占用参数、LCO参数代表信道占用率极限、WCP参数代表广域覆盖参数、LCA参数代表控制信息覆盖面积极限，为保证实验结果的真实性，实验组、对照组实验参数始终保持一致。

3.2 信道占用率对比

在信息占用参数为0.78的条件下，以50 min作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组系统后，信道占用率的变化情况。具体实验对比情况如表3所示。

表3 信道占用率对比表

分析表3可知，随着实验时间的增加，应用实验组系统后，信道占用率呈现上升、稳定、阶梯状上升、下降的变化趋势，实验时间处于35～40 min之间时，信道占用率达到最大值81.45%，超过目标上限76.85%；应用对照组系统后，信道占用率呈现上升、下降交替出现的变化趋势，实验时间为45 min时，信道占用率达到最大值65.97%，远低于实验组。综上可知，应用大数据通信平台的智能集成广域保护控制系统后，信道占用率可提升15.48%。

3.3 控制信息覆盖面积对比

在广域覆盖参数为1.00～6.00的条件下，以50 min作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组系统后，控制信息覆盖面积的变化情况。具体实验对比情况如图5所示。

图5 控制信息覆盖面积对比图

分析图5可知，随着实验时间的增加，应用实验组系统后，控制信息覆盖面积呈现先增加、再减少的变化趋势，实验时间处于40～50 min时间、广域覆盖参数为5.00时，控制信息覆盖面积达到最大值6.47 T/cm2，超过目标上限5.66 T/cm2；应用对照组系统后，控制信息覆盖面积呈现增加、下降、波动的变化趋势，实验时间处于10～20 min之间、广域覆盖参数为5.00时，控制信息覆盖面积达到最大值4.36 T/cm2，远低于实验组。综上可知，应用大数据通信平台的智能集成广域保护控制系统后，控制信息覆盖面积提升了2.11 T/cm2。