居民漏电保护分布式监控系统

2021-03-13陈翠和徐晓安刘雅剑

现代信息科技 2021年15期

陈翠和徐晓安刘雅剑

摘要：为减少故障排查与修复时间，有效降低漏电伤亡事故，提高用电安全，研发了居民漏电保护分布式监控系统。给出了居民漏电保护监控系统的网络结构和系统功能体系，创新性地提出了基于国家电网通信标准的两级负载均衡策略构建多入口、网络I/O与业务分离的低成本分布式终端服务集群的方法，并给出了负载均衡算法。详细阐述了设备实时监控请求和终端服务两个关键服务进程的设计方法。测试与运行结果表明，文中设计的分布式监控系统能够满足居民漏电保护监控所需的高并发与实时响应要求。

关键词：漏电保护;负载均衡;WLC;WRR;分布式;集群;监控系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A文章编号：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

國家电网低压供电系统正在推动三级漏电保护工程以提高用电安全。三级漏电保护开关分别安装在配电变压器低压侧出口、分支线路出口和居民线路入口，通过合理设置各级剩余电流动作阈值和延迟时间实现供电系统的分级保护。三级漏电保护工程的实施减少了大面积停电与触电伤亡事故的发生。但是，由于线路老化、电器故障、居民人为绕越漏电保护开关等诸多因素，在实际运行过程中，漏电保护开关频繁跳闸、越级跳闸、人员触电等现象仍然频繁发生，加上居民小区的低压配电系统一般都隐藏在地下室、桥架、竖井内，致使故障排查变得极为困难[1]，进一步延缓了故障的修复时间，降低了电网的安全水平。

为提高故障排查与修复效率，从根本上解决漏电及由此引发的用电事故，需要利用先进的技术手段和管理方法对居民漏电保护开关进行集中监控管理，实时获取漏电故障和漏电开关位置等信息并反馈给用户和维护人员。文献[2-6]研究了智能剩余电流动作保护开关及其应用。这种漏电保护开关不仅具备传统漏电保护器的剩余电流、短路、过负荷、过压等保护功能，还增加了远程通信、漏电报警、动作报警和信息存储等功能，从而为远程监控与集中管理漏电保护开关提供了物质基础。文献[7]研究了漏电保护开关远程管理主站的软件结构和通信功能，文献[8]构建了一种“集中器—单相智能电表—漏电保护断路器”组合运行的台区漏电保护断路器远程监控方案。

本文给出了居民漏电保护监控网络结构和系统功能体系，针对居民漏电保护开关数量庞大、终端请求具有高并发性的特点，提出了一种低成本的分布式终端服务集群的设计方案，给出了负载均衡算法和关键服务进程的实现方法。

1 监控网络结构

图1所示为居民漏电保护监控网络结构。每户居民安装一个漏电保护开关，用于检测电器漏电情况。漏保开关通过RS485总线与终端连接。在发生漏电或跳闸/合闸动作事件时，漏保开关可以将该事件主动上报给终端或经由终端查询（可由软件设置主动上报或查询）。终端是信息的汇聚点，一个终端最多可以连接8个漏保开关，其中记录的漏保信息包括漏电事件类型、发生时间、最大剩余电流与漏电相位等。终端通过GPRS移动网络接入互联网，与云服务器建立TCP长连接进行通信。终端可以解析、执行云服务器发来的指令，提供云服务器所需的信息（如漏电告警信息），或主动上报漏电告警事件。终端也可以直接转发云服务器对漏保开关的跳闸/合闸等操作指令，实现透传功能。云服务器用于提供数据库服务、Web服务、终端服务以及各种底层支撑服务，以实现用户所需的各项功能。

终端与漏保开关之间的通信遵循《剩余电流动作保护器通信规约》（DL/T—20），云服务器与终端之间的通信遵循《电力用户用电信息采集系统通信协议》（Q/GDW 376.1）。

2 居民漏电保护监控系统功能

居民漏电保护监控系统由档案管理、设备监控、告警管理和用户管理四个功能模块构成，如图2所示。其中，设备监控模块不仅可以设置终端需要监视的事件类型与所关联的漏保开关地址、通信端口号、测量点号、通信协议，漏保开关的漏电跳闸动作阈值、跳闸延迟时间等数据，还可以实时获取当前最大漏电电流和漏电相等漏保运行状态，远程控制漏保开关进行跳闸/合闸，试跳、预约跳闸/合闸等操作，方便维护人员进行故障诊断与排查。告警管理模块则用于漏电短信告警信息的管理与统计分析。

3 分布式云服务器的总体架构

为了实现漏保开关的远程监控与集中管理，云服务器需要响应以下请求：

（1）用户通过浏览器发出的档案管理、用户管理、设备参数设置、漏保远程控制、告警信息统计分析等请求。

（2）终端的登录、心跳与漏电告警请求。

（3）终端对服务器命令的响应。

由于本系统同时在线的用户较少，但终端数量则可达数万甚至数十万，因此，云服务器的设计主要考虑响应请求（2）与请求（3）的需要，即满足终端的高并发请求，所需吞吐量可达105-106 QPS。

图3是分布式云服务器的总体架构。系统使用1个Web服务器处理用户的Web请求，1个实时请求服务进程RTW（Real-time Worker）用于集中处理Web用户对终端与漏保开关的实时监控请求及其响应信息，而终端业务则采用集群处理方式以满足高并发的需要。Redis集群除了用于缓存数据提高系统响应速度外还具有两项重要的功能，即负责Web服务器与后端服务进程RTW的信息交换通道以及利用其发布/订阅功能完成实时短信报警服务。

4 分布式终端服务集群设计

4.1 负载均衡模型

使用分布式集群服務能大大提高系统的处理能力[9-13]。而集群处理能力的发挥有赖于良好的负载均衡技术[14-16]。目前，LVS（Linux Virtual Server）开源集群软件被广泛应用于服务集群建设[17]，图4是应用LVS的典型负载均衡集群模型。

在这种模型中，由负载均衡器LB将所有请求分发给各个真实服务器RS进行处理。采用这种模型虽然有利于按照《Q/GDW 376.1》标准规定的链路层地址域中的主站地址指定RS地址实现负载均衡，但是这种模型本质上是一种单入口负载均衡模型，如果要提高响应速度，需要提高LB及相应交换机的性能，使成本剧增;否则，在并发量较大的情况下，会对LB造成巨大的处理压力，产生较大时延甚至出现无法连接到服务器的现象[18]。

根据《Q/GDW 376.1》标准，主站（服务器）可以给终端发送命令，设置终端连接的服务器IP与端口号。利用这一特性，本文设计的终端服务集群采用两级负载均衡策略，其模型如图5所示。

4.1.1 网络通信与业务处理分离

为了处理终端高并发请求，同时方便扩展，本系统将网络通信与业务处理分开，分别由网络I/O服务进程I/O-S（I/O Service）和业务服务进程BW（Business Worker）负责，两种服务进程都可以独立布署以构建分布式服务器。

4.1.2 第一级负载均衡

第一级负载均衡即网络I/O负载均衡，其目标是将终端TM（Terminal）连接均衡地分配到各个I/O-S实现网络I/O数据流的均衡。第一级负载均衡由I/O-LB（I/O Load Balance）负责，其实现流程为：

（1）TM首次入网时与I/O-LB建立TCP连接;

（2）I/O-LB在TCP连接事件处理回调函数中根据均衡算法选择一台I/O-S;

（3）I/O-LB根据《Q/GDW 376.1》协议，将TM的服务器IP地址与端口号修改为被选中的I/O-S;

（4）I/O-LB关闭与TM的连接;

（5）TM用新的IP地址和端口号与被选中的I/O-S建立长连接并进行后续通信。

通过第一级均衡，LVS模型中的单一服务入口被改进为多服务入口，从而可以利用多台低性能物理服务器和交换机构建服务集群，降低整个系统的成本。

4.1.3 第二级负载均衡

第二级负载均衡即业务负载均衡，其目标是将具体业务均衡地分配到各个BW进行处理。

第二级负载均衡由IO-S负责。当接收到来自TM的数据包时，IO-S根据均衡算法将数据包转发给被选中的BW进行处理，当业务处理完需要向终端发送数据时也交由IO-S发送给终端。因此，IO-S既负责网络I/O，也承担业务均衡职责。

4.2 负载均衡算法

居民漏保监控网络服务器的布署规模会随着工程的推进逐步扩大，集群中将会存在不同性能的物理服务器，为此，我们给每个服务器指定一个与其性能匹配的权值，使其能够接受相应权值数的服务请求，从而充分利用各服务器的性能。

4.2.1 第一级负载均衡算法

第一级采用加权最小连接即WLC（Weighted Least Connections）调度算法[19]。设集群中有N个I/O-S服务器S0，S1，…，SN-1，则当有新的TM连接请求到来时，I/O-LB将选择服务器So作为其目标服务器，则目标服务器So需满足条件：

式中，i，o=0，1，2，…，N-1，C表示当前总连接数，ci、wi分别表示Si的当前连接数和权值（wi≠0）。

由于C是常量，为了降低计算复杂性，式（1）简化为：

4.2.2 第二级负载均衡算法

第二级负载均衡算法采用加权轮转，即WRR（Weighted Round Robin）调度算法。设集群中有N个BW服务器W0，W1，…，WN-1，wn表示Wn的权值，wmax表示当前所有服务器最大权值，wgcd表示当前所有服务器权值的最大公约数，ind为上一次被调度的服务器索引，其初值为-1，wind为上一次被调度的服务器权值，初值为wmax，则算法流程为：

（1）一个新的请求到达;

（2）从ind+1开始遍历权值数组，针对每个权值，计算：

if（wind≥wi）{

ind=i;∥即wi被调度

break，

}else{

i=（i++）%N;

if（i==0）{

wind-= wgcd;

wind=（ wind==0）？wmax： wind;

}

（3）将请求发送给wind处理。

5 关键业务服务进程的实现

5.1 实时请求服务进程RTW的实现

Web服务器将用户的设备监控请求发送到Redis的“请求队列”，而请求的终端响应则由BW发送到Redis的“响应队列”。RTW是一个定时服务进程，会周期性（T=0.1 s）从“请求队列”中提取命令，预处理后放入自己的命令缓存，然后遍历命令缓存。如果是待处理命令则构造请求数据包，交由IO-S发送给终端，否则将命令处理状态经Redis返回。RTW以同样的周期从“响应队列”中提取终端响应信息，处理后送Redis缓存并由Web服务器取出后传送给浏览器。RTW处理流程如图6所示。

5.2 终端服务进程BW的实现

终端服务进程BW采用事件驱动，由IO-S在接收到终端发来的数据时回调，其处理流程如图7所示。

BW根據数据包的类型调用相应的业务处理函数。如果是登录包，则进行合法性检查;如果是终端响应包，预处理后将其发送到Redis的终端响应信息缓存中;如果是告警数据包，将告警信息存入数据库，同时向Redis发布告警信息。告警信息发布后，由Redis自动回调短信服务器将告警信息发送到居民和技术员手机中。

6 应用与测试

国网江西省电力有限公司宜春供电分公司对本文设计的居民漏电保护监控系统进行了试点建设和应用，服务器配置如表1所示。

使用测试工具Jmeter[20]对LVS均衡策略与本文提出的两级负载均衡策略的性能进行测试对比。为了更好地反映真实情况，构建了由1台调度计算机和8台执行计算机组成的Jmeter测试集群，每台执行机上均部署三种测试线程组，分别模拟心跳、报警和实时请求业务，利用高斯随机定时器在5 min内加载完成40 000个并发请求，并使用响应时间和请求成功数作为性能评判标准。测试结果如图8、图9所示。

在负载量较低时（<4 000个并发请求），两种均衡策略的性能几乎没有差别。随着并发量的提高，LVS均衡策略的响应时间逐步增加，当达到8 000个并发请求后，开始出现错误响应。当并发量进一步提高，LVS均衡策略的响应时间快速增加，直至没有响应（>18 000个并发请求），出错率也达到100%。而两级均衡策略在并发请求数大于17 000时开始略有增加，并发请求数达40 000时平均响时间也只有117 ms，而其出错率则维持0%，表明本文的负载均衡策略能有效提升系统的性能，满足系统高并发要求。

7 结论

建立漏电保护监控系统是落实国家电网低压供电系统三级漏电保护工程，提高用电安全目标的根本途径。本文设计并实现了居民漏电保护分布式监控系统。基于《电力用户用电信息采集系统通信协议》（Q/GDW 376.1），提出了两级负载均衡策略，实现了一个具有多入口、网络I/O与业务分离的分布式服务器，达到利用多台低性能物理服务器构建高性能服务集群以降低系统成本的目标。两级负载均衡分别采用WLC调度算法和WRR调度算法以充分利用不同配置的物理服务器性能。本系统已由国网江西省电力有限公司宜春供电分公司进行试点应用，测试与运行结果均表明，本系统给出的解决方案能够满足高并发与实时响应两方面的性能要求。

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