劉媛媛,蔡澤祥,陳元櫸,劉文澤,胡凱強(qiáng),屈徑

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州市 510641;2. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司,廣州市 510000)

0 引 言

隨著新型電力系統(tǒng)的不斷建設(shè),分布式電源(distributed generation, DG)、儲能、可控負(fù)荷等廣泛接入配電網(wǎng)中,使系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理等相較以往發(fā)生巨大變化[1-2]。而在目前的配電網(wǎng)自動化體系架構(gòu)中,監(jiān)控、保護(hù)、自愈控制等不同控保裝置分立、功能單一,難以實(shí)現(xiàn)對新能源裝置多元化業(yè)務(wù)的管控處理等,采用多功能一體化的智能化保護(hù)控制終端(protection and control intelligent terminal,PCIT)處理配電網(wǎng)日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)成必然趨勢[3-4]。隨云原生技術(shù)的發(fā)展,容器技術(shù)以資源虛擬化、快速啟動、靈活部署、運(yùn)行獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn),成為解決多元化多并發(fā)業(yè)務(wù)處理問題的重要手段[5]。

目前,容器技術(shù)是構(gòu)建配電網(wǎng)PCIT模型、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)調(diào)度的關(guān)鍵[6]。在容器技術(shù)利用上,文獻(xiàn)[7]分析容器技術(shù)在資源配置與調(diào)度、服務(wù)部署等方面的優(yōu)勢,指出其是實(shí)現(xiàn)終端功能擴(kuò)展、軟硬件解耦等的關(guān)鍵技術(shù),為終端實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件定義提供理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]利用輕量級容器技術(shù)完成微服務(wù)的封裝以實(shí)現(xiàn)資源隔離,有效解決了業(yè)務(wù)應(yīng)用間的相互影響,提高可靠性。即容器技術(shù)對實(shí)現(xiàn)PCIT資源利用結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)處理獨(dú)立性與可靠性具有重要意義。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建基于容器的邊緣計(jì)算終端模型并進(jìn)行相應(yīng)仿真,但并未考慮終端對多元業(yè)務(wù)的處理分析。

對于終端業(yè)務(wù)調(diào)度而言,PCIT需根據(jù)多元化多并發(fā)業(yè)務(wù)的不同需求合理化終端資源,對業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度存在挑戰(zhàn)[10]。文獻(xiàn)[11]利用Docker容器進(jìn)行調(diào)控,在資源分配、響應(yīng)速率等方面具有較好性能,為PCIT處理多并發(fā)業(yè)務(wù)的有效調(diào)度提供思路。文獻(xiàn)[12]提出一種基于面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)的工業(yè)軟件業(yè)務(wù)調(diào)度算法,雖具備一定的調(diào)度性能,但難以滿足電力系統(tǒng)保護(hù)控制業(yè)務(wù)的計(jì)算處理及資源調(diào)度需求。文獻(xiàn)[13]提出一種基于動態(tài)優(yōu)先級的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的調(diào)度策略,但其并未考慮業(yè)務(wù)固有重要度對多元化并發(fā)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響。

因此,本文提出基于容器的配電網(wǎng)保護(hù)控制終端業(yè)務(wù)調(diào)度模型與策略,并進(jìn)行仿真分析。首先,分析新形勢下的配電網(wǎng)PCIT架構(gòu)及業(yè)務(wù)優(yōu)化調(diào)度需求。其次,建立PCIT模型,包括終端業(yè)務(wù)處理模型及其調(diào)度模型。再次,闡述耦合多并發(fā)業(yè)務(wù)調(diào)度方法,提出利用業(yè)務(wù)重要度生成調(diào)度隊(duì)列并建立相應(yīng)指標(biāo)。最后,利用算例仿真多個(gè)業(yè)務(wù)場景下不同調(diào)度策略性能,其結(jié)果證明本文所提終端建模方法的有效性、可行性,為配電網(wǎng)多元化業(yè)務(wù)高效處理奠定理論基礎(chǔ)。

1 PCIT架構(gòu)及業(yè)務(wù)調(diào)度需求

1.1 基于容器技術(shù)的PCIT架構(gòu)

傳統(tǒng)終端的單體應(yīng)用架構(gòu)、軟硬件強(qiáng)耦合等特點(diǎn)局限了其使用場景[14-15],具有較多弊端,難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展[16]。而基于容器的配電網(wǎng)PCIT通過“共享內(nèi)存+平臺服務(wù)化”的方式[17-18],實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與數(shù)據(jù)解耦,容器為應(yīng)用新增配置、資源彈性配置提供技術(shù)手段。依托于硬件資源與軟件技術(shù)的支持,PCIT被廣泛應(yīng)用于處理配電網(wǎng)多元化業(yè)務(wù),為更好研究配電網(wǎng)保護(hù)控制業(yè)務(wù)的處理與資源的利用,本文闡述了基于容器的PCIT架構(gòu)。PCIT架構(gòu)的關(guān)鍵要素包括服務(wù)總線、端口等硬件資源和容器、容器操作系統(tǒng)、Linux內(nèi)核、調(diào)度器、公共數(shù)據(jù)區(qū)等軟件資源,其框架如圖1所示。

圖1 PCIT框架Fig.1 The framework of PCIT

在如圖1所示的PCIT架構(gòu)中,容器是PCIT中處理業(yè)務(wù)的最小資源空間[19],不同資源的配置及業(yè)務(wù)應(yīng)用函數(shù)的加載,使容器可運(yùn)行不同的業(yè)務(wù),容器的端口資源使其能夠與共享內(nèi)存、服務(wù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,從而實(shí)現(xiàn)不同容器、不同業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)傳輸。PCIT通過操作系統(tǒng)管控容器,使容器進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、資源調(diào)度等操作[20-21]。此外,操作系統(tǒng)通過調(diào)度器實(shí)現(xiàn)將動態(tài)到達(dá)的業(yè)務(wù)分配至不同容器中處理,實(shí)現(xiàn)資源與業(yè)務(wù)的適配,業(yè)務(wù)池中的業(yè)務(wù)通過調(diào)度器映射至容器系統(tǒng)中,PCIT通過容器管理進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度。公共數(shù)據(jù)區(qū)由共享內(nèi)存、模型庫、歷史數(shù)據(jù)組成,具備信息同步讀寫、模型支撐等功能,各容器可從公共數(shù)據(jù)區(qū)獲取需要的數(shù)據(jù)信息[22]。

1.2 PCIT業(yè)務(wù)調(diào)度需求

1.2.1 配電網(wǎng)業(yè)務(wù)功能

明確配電網(wǎng)業(yè)務(wù)功能是利用PCIT進(jìn)行多元化業(yè)務(wù)處理與調(diào)度的前提[23],不同業(yè)務(wù)功能與PCIT管控設(shè)備類型相關(guān)。PCIT作為環(huán)網(wǎng)點(diǎn)母線區(qū)域的信息決策與控制中心[24],其管控對象包括“源網(wǎng)荷儲”的多種類型的設(shè)備,不同類型的設(shè)備決定了PCIT應(yīng)承擔(dān)的業(yè)務(wù)功能,主要體現(xiàn)為保護(hù)、故障自愈、調(diào)壓和源荷控制[25-27]以及數(shù)據(jù)獲取、存儲、通信等業(yè)務(wù)。

由于DG、儲能、可控負(fù)荷等“源網(wǎng)荷儲”設(shè)備的接入,一方面,通過調(diào)節(jié)DG有功或無功出力、儲能的充放狀態(tài)、負(fù)荷的投切進(jìn)行功率平衡、電壓調(diào)節(jié)控制,或利用DG/儲能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供、失電負(fù)荷的恢復(fù)等,充分提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。另一方面,當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí),短路電流或?qū)⒘鹘?jīng)DG支線所在開關(guān),影響保護(hù)判斷;配電網(wǎng)分支分段增加、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁多變,使得相應(yīng)的功率計(jì)算、孤島運(yùn)行及并網(wǎng)分析等控制決策復(fù)雜化。多元化業(yè)務(wù)處理時(shí)呈現(xiàn)出一定的業(yè)務(wù)耦合關(guān)系,因此,要求PCIT可根據(jù)耦合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算負(fù)荷分析與資源調(diào)用,其中PCIT承擔(dān)的業(yè)務(wù)功能內(nèi)容如表1所示。

表1 PCIT承擔(dān)的業(yè)務(wù)功能內(nèi)容Table 1 The content of the business functions undertaken by PCIT

1.2.2 業(yè)務(wù)優(yōu)化調(diào)度需求

PCIT面向的是多類管控設(shè)備請求的多元化業(yè)務(wù),而業(yè)務(wù)數(shù)量、種類隨管控區(qū)域內(nèi)接入的末端設(shè)備的增加而增加,由此造成節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)復(fù)雜化、業(yè)務(wù)計(jì)算難度激增、計(jì)算資源需求劇增等問題。不同類別業(yè)務(wù)的處理特性差異,為PCIT靈活調(diào)度各類業(yè)務(wù)提供途徑。隨管控設(shè)備業(yè)務(wù)的動態(tài)請求,在一定時(shí)間內(nèi),PCIT需同時(shí)處理多個(gè)不同類型業(yè)務(wù)。不同類型業(yè)務(wù)請求的資源數(shù)量及其延時(shí)容忍度不同,優(yōu)先處理緊急業(yè)務(wù)可緩解PCIT資源需求程度。

因此,PCIT在利用有限資源處理多元化并發(fā)業(yè)務(wù)過程中,存在優(yōu)化資源利用的業(yè)務(wù)調(diào)度需求,體現(xiàn)為需針對配電網(wǎng)業(yè)務(wù)特性確定并發(fā)業(yè)務(wù)的處理次序,從而實(shí)現(xiàn)對多元化業(yè)務(wù)的有序高效處理。為此,下文

分別從業(yè)務(wù)模型、調(diào)度模型、調(diào)度方法等幾方面開展對PCIT優(yōu)化調(diào)度的研究。

2 PCIT業(yè)務(wù)調(diào)度模型

定量分析不同保護(hù)控制業(yè)務(wù)對PCIT資源的需求、明確業(yè)務(wù)處理調(diào)度過程是進(jìn)行PCIT業(yè)務(wù)優(yōu)化調(diào)度、資源高效利用的關(guān)鍵。因此,本節(jié)建立業(yè)務(wù)特征模型與耦合關(guān)系模型,并據(jù)此分析業(yè)務(wù)處理時(shí)產(chǎn)生的計(jì)算負(fù)荷與處理延時(shí);且進(jìn)一步結(jié)合PCIT運(yùn)行機(jī)制與業(yè)務(wù)處理特性,闡述PCIT中基于容器的耦合多并發(fā)業(yè)務(wù)調(diào)度模型,包括資源分配與業(yè)務(wù)調(diào)度框架以及基于容器管理的業(yè)務(wù)調(diào)度過程分析。

2.1 PCIT業(yè)務(wù)模型

2.1.1 PCIT業(yè)務(wù)特征模型

配電網(wǎng)保護(hù)控制業(yè)務(wù)的處理特性常以業(yè)務(wù)周期、延時(shí)約束、計(jì)算負(fù)荷等進(jìn)行表征。業(yè)務(wù)并發(fā)請求呈周期性與觸發(fā)性2種,且業(yè)務(wù)并發(fā)的數(shù)量與PCIT管控設(shè)備數(shù)量呈正相關(guān);延時(shí)約束為業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求,可分為強(qiáng)實(shí)時(shí)與弱實(shí)時(shí)約束,為業(yè)務(wù)的最大容忍時(shí)間,業(yè)務(wù)超時(shí)完成或?qū)?dǎo)致系統(tǒng)的安全性、可靠性下降;計(jì)算負(fù)荷表征業(yè)務(wù)處理時(shí)的復(fù)雜程度,以及占用PCIT資源數(shù)量的多少[28]。因此,建立配電網(wǎng)保護(hù)控制業(yè)務(wù)模型進(jìn)行表征,如下所示:

(1)

式中:i為業(yè)務(wù)類型編號;Wi為第i類業(yè)務(wù)的特征模型;ui為業(yè)務(wù)i的待處理數(shù)據(jù)量;wi為業(yè)務(wù)i的計(jì)算負(fù)荷;φi為處理周期;Ti為業(yè)務(wù)i的延時(shí)容忍度。

PCIT將其接收的業(yè)務(wù)放入業(yè)務(wù)池中等待調(diào)度處理,故將業(yè)務(wù)池模型表征為:

(2)

式中:Y為到達(dá)n個(gè)業(yè)務(wù)的特征模型集合。

2.1.2 業(yè)務(wù)耦合關(guān)系

PCIT管控設(shè)備請求的業(yè)務(wù)服務(wù)常需其他數(shù)據(jù)處理結(jié)果支撐,多元化業(yè)務(wù)計(jì)算結(jié)果的復(fù)用為PCIT高效處理配電網(wǎng)業(yè)務(wù)奠定基礎(chǔ),如無功調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)需要數(shù)據(jù)采集、平臺服務(wù)等業(yè)務(wù)提供的數(shù)據(jù),而其處理結(jié)果將為主動源荷控制業(yè)務(wù)提供支撐。即PCIT承擔(dān)的多種配電網(wǎng)業(yè)務(wù)滿足一定的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系[29],如圖2所示。

圖2 PCIT業(yè)務(wù)耦合關(guān)系Fig.2 PCIT business coupling relationship

進(jìn)一步地,建立關(guān)系矩陣C=(cij)6×6以表征各業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系,如式(3)所示:

(3)

式中:j為區(qū)別于i的業(yè)務(wù)編號。

2.1.3 多并發(fā)耦合業(yè)務(wù)計(jì)算負(fù)荷

PCIT管控設(shè)備的業(yè)務(wù)或資源請求動態(tài)到達(dá),使業(yè)務(wù)具有不確定性。而不同業(yè)務(wù)間的復(fù)用、耦合關(guān)系,使得PCIT處理業(yè)務(wù)時(shí)的總計(jì)算負(fù)荷并非依據(jù)到達(dá)的業(yè)務(wù)類型與數(shù)量進(jìn)行簡單的疊加。故在時(shí)刻t0下,考慮業(yè)務(wù)耦合關(guān)系的PCIT計(jì)算負(fù)荷wΣ(t0)為:

(4)

2.1.4 多并發(fā)耦合業(yè)務(wù)處理延時(shí)

PCIT業(yè)務(wù)處理延時(shí)與其承擔(dān)的業(yè)務(wù)類型、數(shù)量、耦合關(guān)系等相關(guān)。耦合業(yè)務(wù)處理時(shí)存在串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)處理方式,串聯(lián)下業(yè)務(wù)處理延時(shí)依次疊加,并聯(lián)下處理延時(shí)取最大的處理延時(shí)作為該并聯(lián)業(yè)務(wù)的處理延時(shí),如下所示:

(5)

式中:τcon(t0)、τpar(t0)分別為串聯(lián)、并聯(lián)方式下的處理延時(shí);Vcon(t0)、Vpar(t0)分別為串聯(lián)、并聯(lián)方式下PCIT分配的計(jì)算資源。串并聯(lián)方式的處理延時(shí)為多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)部分處理延時(shí)的加和。

2.2 基于容器的耦合多并發(fā)業(yè)務(wù)調(diào)度模型

2.2.1 考慮業(yè)務(wù)耦合的資源分配與調(diào)度框架

基于PCIT操作系統(tǒng)與容器技術(shù)提出的資源分配與調(diào)度機(jī)制如圖3所示。調(diào)度器具有輔助功能、業(yè)務(wù)隊(duì)列管理功能、業(yè)務(wù)調(diào)度功能。輔助功能實(shí)現(xiàn)資源分配與調(diào)度過程的相關(guān)輔助性工作,包括:

圖3 PCIT中資源分配與調(diào)度框架Fig.3 Resource allocation and scheduling framework in PCIT

1)業(yè)務(wù)池/資源池更新,由于業(yè)務(wù)的到達(dá)、完成,實(shí)時(shí)更新業(yè)務(wù)池中的業(yè)務(wù),以及實(shí)時(shí)更新當(dāng)前資源池中的空閑資源容量;

2)業(yè)務(wù)預(yù)處理,計(jì)算各業(yè)務(wù)的計(jì)算負(fù)荷、計(jì)算延時(shí),并利用業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間分析業(yè)務(wù)的截止時(shí)間;

3)處理進(jìn)程監(jiān)控,主要用于獲取調(diào)度器所需的業(yè)務(wù)處理狀態(tài)及資源利用信息,包括容器的運(yùn)行狀態(tài)與資源利用率、業(yè)務(wù)的處理狀態(tài)、物理機(jī)的資源信息等。

業(yè)務(wù)隊(duì)列管理功能主要完成對各業(yè)務(wù)的重要度計(jì)算及業(yè)務(wù)隊(duì)列的生成,根據(jù)不同的處理需要選擇合適的業(yè)務(wù)優(yōu)先級計(jì)算方法;根據(jù)業(yè)務(wù)的重要度生成業(yè)務(wù)隊(duì)列,包括將新到達(dá)的業(yè)務(wù)加入至隊(duì)列中,以及將處理完成的業(yè)務(wù)從隊(duì)列中移除,其應(yīng)與業(yè)務(wù)池同步更新,業(yè)務(wù)池模型如式(2)所示。業(yè)務(wù)之間存在的聯(lián)系、耦合關(guān)系將影響PCIT對業(yè)務(wù)的處理過程,即業(yè)務(wù)隊(duì)列的生成。

業(yè)務(wù)調(diào)度功能利用不同的算法以滿足不同業(yè)務(wù)的處理需求,包括不同優(yōu)先級下的搶占機(jī)制、相同優(yōu)先級下的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)與隨機(jī)處理機(jī)制等。

2.2.2 基于容器的業(yè)務(wù)調(diào)度過程

容器是PCIT中創(chuàng)建的用于托管不同業(yè)務(wù)的獨(dú)立資源空間,為業(yè)務(wù)處理過程中的資源分配、調(diào)度、并發(fā)處理等提供便利。根據(jù)不同類型業(yè)務(wù)到達(dá)情況,PCIT中形成業(yè)務(wù)調(diào)度隊(duì)列,調(diào)度器將利用容器對該隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度處理,圖4為PCIT中基于容器技術(shù)的業(yè)務(wù)調(diào)度過程。

圖4 基于容器的PCIT業(yè)務(wù)調(diào)度過程Fig.4 Container-based PCIT business scheduling process

不同類型業(yè)務(wù)被放置于相應(yīng)的容器中,當(dāng)隊(duì)列中業(yè)務(wù)的調(diào)度狀態(tài)為成功時(shí),容器得以利用系統(tǒng)資源進(jìn)行業(yè)務(wù)處理,而當(dāng)業(yè)務(wù)調(diào)度失敗時(shí)將重新返回至業(yè)務(wù)隊(duì)列中。容器運(yùn)行時(shí)存在多種狀態(tài),如初始化、啟動、運(yùn)行、暫停、重啟等,不同容器的狀態(tài)對應(yīng)不同的業(yè)務(wù)處理過程,如業(yè)務(wù)調(diào)度需優(yōu)先處理其他業(yè)務(wù)時(shí),將令當(dāng)前容器由運(yùn)行態(tài)進(jìn)入暫停態(tài)并存儲相應(yīng)運(yùn)行結(jié)果,恢復(fù)業(yè)務(wù)處理時(shí)容器由暫停態(tài)進(jìn)入重啟、運(yùn)行態(tài)。而此時(shí),因不同業(yè)務(wù)的耦合關(guān)系,要求隊(duì)列中的業(yè)務(wù)需具備一定條件才可進(jìn)行優(yōu)先調(diào)度處理,如:1)優(yōu)先調(diào)度對象為處于耦合關(guān)系同一位置的不同類型設(shè)備請求的業(yè)務(wù);2)位于耦合關(guān)系后方業(yè)務(wù)需等待前方業(yè)務(wù)處理完成才可進(jìn)行優(yōu)先調(diào)度處理等。

3 面向多業(yè)務(wù)并發(fā)的業(yè)務(wù)調(diào)度方法

上文對不同業(yè)務(wù)的資源需求、PCIT的業(yè)務(wù)調(diào)度過程進(jìn)行相關(guān)敘述,為優(yōu)化PCIT資源的利用、提高業(yè)務(wù)處理效率而進(jìn)行的業(yè)務(wù)調(diào)度,需考慮不同業(yè)務(wù)處理時(shí)的重要程度。因此,本節(jié)提出基于加權(quán)重要度的業(yè)務(wù)調(diào)度方法。首先,綜合考慮靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)先級進(jìn)行業(yè)務(wù)重要度的計(jì)算;其次,基于業(yè)務(wù)加權(quán)重要度生成業(yè)務(wù)隊(duì)列,利用業(yè)務(wù)調(diào)度方法對隊(duì)列中的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度;最后,提出評價(jià)指標(biāo)以評定不同調(diào)度算法的優(yōu)劣。

3.1 業(yè)務(wù)重要度計(jì)算

PCIT在對多并發(fā)業(yè)務(wù)的處理過程中,需明確各業(yè)務(wù)對資源的需求量以及各業(yè)務(wù)間的先后處理順序[30]。前者以業(yè)務(wù)模型進(jìn)行描述;后者利用業(yè)務(wù)的重要度進(jìn)行刻畫。考慮不同業(yè)務(wù)對靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)先級的效用,提出基于效用計(jì)算的加權(quán)重要度方法:

(6)

(7)

Lj(t)=Sj-dj-tnow

(8)

式中:Lj(t)為業(yè)務(wù)j的松弛度;Sj為截止時(shí)間;dj為完成業(yè)務(wù)j的處理還需的時(shí)間;tnow為當(dāng)前時(shí)間。對于gj(t)而言,當(dāng)業(yè)務(wù)j錯(cuò)過截止時(shí)間時(shí),松弛度為負(fù)數(shù),gj(t)恒為1;當(dāng)業(yè)務(wù)具有較大的處理時(shí)間寬限,松弛度為(0, 1)間的非負(fù)數(shù),其值越大,gj(t)越小;當(dāng)業(yè)務(wù)緊急,gj(t)將逐漸增大并趨于1。通過利用業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間及其剩余的可處理時(shí)間,動態(tài)設(shè)置業(yè)務(wù)處理的先后順序,可最大程度避免因業(yè)務(wù)本身的固有重要度引起的資源搶占以及因資源搶占導(dǎo)致的業(yè)務(wù)處理超時(shí)。

3.2 基于處理隊(duì)列生成的業(yè)務(wù)調(diào)度算法

1)業(yè)務(wù)隊(duì)列生成。

3.1節(jié)闡述了業(yè)務(wù)重要度計(jì)算方法,據(jù)此可在PCIT中形成業(yè)務(wù)調(diào)度處理隊(duì)列,而隊(duì)列中的業(yè)務(wù)順序并非保持不變。設(shè)Z(t)為加權(quán)重要度下在PCIT內(nèi)形成的業(yè)務(wù)隊(duì)列,且在tk時(shí)刻已形成隊(duì)列Z(tk)。在tk+1時(shí)刻到達(dá)新的業(yè)務(wù)j0,此時(shí)Z(tk)中的業(yè)務(wù)重要度可能發(fā)生變化。即新到達(dá)的業(yè)務(wù)影響tk+1時(shí)刻隊(duì)列的形成,j0的位置取決于與隊(duì)列中各業(yè)務(wù)在tk+1時(shí)的重要度、業(yè)務(wù)耦合關(guān)系。若j0的加權(quán)效用值、耦合關(guān)系滿足式(9),則j0將進(jìn)行資源搶占,對應(yīng)tk+1時(shí)刻的業(yè)務(wù)隊(duì)列變?yōu)閆(tk+1),如式(10)所示。當(dāng)發(fā)生j0的資源搶占時(shí),當(dāng)Z(tk)與Z(tk+1)中相同業(yè)務(wù)排序不發(fā)生變化時(shí),隊(duì)列中業(yè)務(wù)所需的處理時(shí)間如式(11)所示。若tnow+dj(tk+1)>Sj,業(yè)務(wù)j超時(shí)完成。

(9)

Lj(t)=Sj-dj-tnow

(10)

(11)

式中:Δtk=tk+1-tk。

上述過程講述新到達(dá)一個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)業(yè)務(wù)隊(duì)列的生成方法。同理,到達(dá)多個(gè)業(yè)務(wù)后的業(yè)務(wù)隊(duì)列生成方法同上所述。且監(jiān)測到業(yè)務(wù)處理完成時(shí),只需將其移除即可完成對應(yīng)隊(duì)列的更新。

2)業(yè)務(wù)調(diào)度算法。

多元化并發(fā)業(yè)務(wù)調(diào)度是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高效處理、資源優(yōu)化利用的重要手段[31],目前常見的智能裝置內(nèi)的業(yè)務(wù)調(diào)度方法包括先到先服務(wù)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、隨機(jī)處理等方式。

而僅利用上述方法無法滿足PCIT配電網(wǎng)不同緊急程度的多元化業(yè)務(wù)的處理需求,為此本文結(jié)合業(yè)務(wù)隊(duì)列對上述調(diào)度方法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與比較,包括基于靜態(tài)優(yōu)先級的隨機(jī)調(diào)度(策略1)、基于靜態(tài)優(yōu)先級的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度(策略2)、基于加權(quán)重要度的業(yè)務(wù)調(diào)度(策略3)、考慮最小松弛度的業(yè)務(wù)調(diào)度(策略4)、考慮最早截止時(shí)間的業(yè)務(wù)調(diào)度(策略5)、業(yè)務(wù)先到先服務(wù)(策略6)[32-35]。其中,策略3的算法流程如下所示:

策略3:基于加權(quán)重要度的業(yè)務(wù)調(diào)度算法1t=tk+1;// 當(dāng)前時(shí)間;w1,w2;// 權(quán)重系數(shù);Δt;// 時(shí)間間隔;2A(tk+1);// 將tk+1時(shí)刻待處理的業(yè)務(wù)j1、j2,…形成矩陣3B(tk+1);// 存放A(tk+1)中各業(yè)務(wù)松弛度或截止時(shí)間4C(tk+1);// 存放A(tk+1)中各業(yè)務(wù)的靜態(tài)優(yōu)先級5m=length of [A(tk+1)];// 計(jì)算矩陣A(tk+1)的長度6foreach i=1:m7 find the deadline of i;// 確定業(yè)務(wù)i的截止時(shí)間8 calculate the duration time of i;// 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻下業(yè)務(wù)i所需的處理時(shí)間9 calculate the laxity of i;// 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻下業(yè)務(wù)i的松弛度10 B(tk+1)←[i; S; d; L];// 加入計(jì)算結(jié)果11D(tk+1)=w2·B(tk+1)+w1·C(tk+1);// 計(jì)算加權(quán)重要度12D(tk+1)=sort[D(tk+1) ];// 對矩陣D(tk+1)進(jìn)行排序13sum cij0≥ sum cij;// 判斷是否滿足業(yè)務(wù)耦合關(guān)系14update A(tk+1);// 根據(jù)D(tk+1)的排序結(jié)果更新業(yè)務(wù)矩陣A(tk+1)15Y(tk+1)=Y(tk)+A(tk+1);// 形成tk+1時(shí)刻的業(yè)務(wù)矩陣16OS implement Y(tk+1);// 執(zhí)行業(yè)務(wù)隊(duì)列17t=tk+1+Δt;// 當(dāng)前時(shí)刻,更新時(shí)刻18repeat step1 to step15.// 重復(fù)上述步驟

3.3 調(diào)度算法性能評價(jià)指標(biāo)

3.3.1 業(yè)務(wù)按時(shí)完成率

業(yè)務(wù)是否按時(shí)完成是衡量PCIT可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。本文將按時(shí)完成的業(yè)務(wù)數(shù)量與總業(yè)務(wù)的比值表征為業(yè)務(wù)按時(shí)完成率,如下所示:

(12)

(13)

3.3.2 平均響應(yīng)時(shí)延

(14)

(15)

3.3.3 平均等待時(shí)延

(16)

(17)

3.3.4 平均周轉(zhuǎn)時(shí)延

周轉(zhuǎn)時(shí)延是完成業(yè)務(wù)處理的總時(shí)延,平均周轉(zhuǎn)時(shí)延計(jì)算如下:

(18)

(19)

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文探究配電網(wǎng)PCIT在管控區(qū)域內(nèi)設(shè)備及完成相應(yīng)多元化并發(fā)業(yè)務(wù)的處理時(shí),不同調(diào)度策略對PCIT資源利用情況的影響。各業(yè)務(wù)的相關(guān)參數(shù)如表2所示[22, 28]。仿真時(shí)隙取0.01 ms,PCIT配置1 GHz的CPU資源。設(shè)置了多種仿真場景:場景1為周期時(shí)間內(nèi)PCIT接收的處理業(yè)務(wù)數(shù)量為基準(zhǔn)值;場景2的業(yè)務(wù)數(shù)量為場景1的1.5倍;場景3為2倍;場景4為2.5倍;場景5為3倍。

表2 業(yè)務(wù)仿真參數(shù)Table 2 Business simulation parameters

4.2 基于重要度的耦合業(yè)務(wù)調(diào)度結(jié)果分析

策略3在5種場景中對到達(dá)的業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算資源調(diào)度,根據(jù)調(diào)度結(jié)果繪制CPU資源使用時(shí)序圖,如圖5所示。在計(jì)算資源充足時(shí),向PCIT請求的耦合業(yè)務(wù)處理需遵循處理邏輯,在故障觸發(fā)后,PCIT執(zhí)行故障態(tài)的保護(hù)業(yè)務(wù),并在執(zhí)行完成后觸發(fā)自愈業(yè)務(wù)?；诩訖?quán)重要度的業(yè)務(wù)調(diào)度策略需在滿足業(yè)務(wù)耦合關(guān)系才可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先調(diào)度處理,如故障觸發(fā)需等待采集業(yè)務(wù)、相應(yīng)平臺服務(wù)才可進(jìn)行保護(hù)計(jì)算。

圖5 PCIT耦合業(yè)務(wù)調(diào)度時(shí)序結(jié)果Fig.5 PCIT coupling service scheduling timing results

PCIT利用策略3進(jìn)行業(yè)務(wù)處理調(diào)度的結(jié)果如圖6所示。對于強(qiáng)實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)而言,其固有重要度和實(shí)時(shí)性要求高,所得的加權(quán)重要度相對較高,故該類任務(wù)在處理調(diào)度過程中會被優(yōu)先處理,因此盡管隨PCIT處理的并發(fā)業(yè)務(wù)增多,強(qiáng)實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)的平均等待、響應(yīng)、周轉(zhuǎn)時(shí)延變化程度不大。而對于弱實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)而言,其固有重要度與實(shí)時(shí)性要求不高,故當(dāng)業(yè)務(wù)的處理數(shù)量增多時(shí),受其他任務(wù)資源搶占的影響,弱實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)的平均等待、響應(yīng)、周轉(zhuǎn)時(shí)間將劇增。

圖6 策略3下業(yè)務(wù)調(diào)度性能結(jié)果Fig.6 Service scheduling performance results under strategy 3

4.3 調(diào)度策略性能結(jié)果分析

利用容器將業(yè)務(wù)部署在PCIT內(nèi)部,當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),調(diào)度器生成業(yè)務(wù)隊(duì)列,使容器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),此業(yè)務(wù)被執(zhí)行。相同業(yè)務(wù)在不同的調(diào)度策略下的運(yùn)行情況存在差異,不同調(diào)度策略對資源的搶占情況不同,如圖7所示。搶占次數(shù)大意味著顛簸程度大,顛簸現(xiàn)象會導(dǎo)致系統(tǒng)的額外開銷大大增加,消耗系統(tǒng)資源。在PCIT中,其搶占次數(shù)將影響其容器運(yùn)行、暫停、銷毀等狀態(tài)。

不同調(diào)度策略下強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按時(shí)完成比例如圖8所示。由圖8可知,在業(yè)務(wù)到達(dá)率較低(場景1、場景2、場景3)時(shí),僅策略6的強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)完成率為72.88%、39.41%、19.29%,其余策略下強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)完成比例能達(dá)到97%以上。在場景4中,策略5和策略4的業(yè)務(wù)按時(shí)完成率分別降低了90.3%和89.4%,而策略3、策略1、策略2基本無變化。在場景5中,對于業(yè)務(wù)完成率,策略3無變化,而策略1、策略2分別降低了5.5%和6.1%。對于強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言,其固有重要度大且截止時(shí)間緊迫,因此在調(diào)度過程中,采用策略3,即業(yè)務(wù)的重要程度由靜態(tài)優(yōu)先級與動態(tài)優(yōu)先級共同決定,強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)動態(tài)變化,但優(yōu)先級仍然高,因此,該策略下,強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按時(shí)完成的比例也會高。

圖8 不同調(diào)度策略下強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按時(shí)完成比例Fig.8 Under different scheduling strategies, the proportion of real-time services completed on time is strong

同理,分析弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在不同調(diào)度策略下的按時(shí)完成情況,如圖9所示。在業(yè)務(wù)率到達(dá)較低(場景1、場景2、場景3)時(shí),僅策略6的弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)完成率為75.00%、57.78%、21.00%,其余策略下強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)完成比例能達(dá)到90%以上。在場景4中,策略5和策略4的業(yè)務(wù)按時(shí)完成率分別降低了86.50%和78.79%,而策略1、2、3的按時(shí)完成率略微降低,仍有90%以上。在場景5中,策略1、2、3的業(yè)務(wù)按時(shí)完成率分別降低了50.50%、35.00%、44.00%。

圖9 不同調(diào)度策略下弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按時(shí)完成比例Fig.9 The proportion of weak real-time services completed on time under different scheduling strategies

4.4 不同策略下PCIT業(yè)務(wù)調(diào)度結(jié)果對比

計(jì)算不同策略下每個(gè)場景中業(yè)務(wù)的響應(yīng)時(shí)間、等待時(shí)間及周轉(zhuǎn)時(shí)間,如表3所示。強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在不同調(diào)度策略下性能有較大差異。對于強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),策略1、2、3將強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置較高,其能搶占優(yōu)先級低的業(yè)務(wù),因此,在這3種策略下,強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的平均響應(yīng)、平均等待時(shí)間都比最小松弛度、最早截止時(shí)間、先到先服務(wù)這3種策略的性能更佳,滿足配電網(wǎng)PCIT強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。

表3 場景5下不同調(diào)度策略的業(yè)務(wù)調(diào)度結(jié)果對比Table 3 Comparison of service scheduling results of different scheduling policies in scenario 5

對于弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),策略3考慮了業(yè)務(wù)動態(tài)變化的情況,可根據(jù)當(dāng)前的業(yè)務(wù)執(zhí)行情況,動態(tài)調(diào)整優(yōu)先級來調(diào)整業(yè)務(wù)執(zhí)行情況。因此,弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的性能相比于靜態(tài)優(yōu)先級策略來說,保障了強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)處理的同時(shí),也兼顧了弱實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)按時(shí)完成情況,提升了業(yè)務(wù)的平均等待、平均響應(yīng)時(shí)延。

5 結(jié) 論

PCIT面向多元化并發(fā)業(yè)務(wù)的處理,需根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求合理分配、調(diào)度終端的資源,故本文提出了基于容器的PCIT業(yè)務(wù)調(diào)度模型與策略,包括對PCIT建模、業(yè)務(wù)重要度分析方法以及不同調(diào)度策略下業(yè)務(wù)處理性能的仿真分析等,得到如下結(jié)論:

PCIT利用資源虛擬化、容器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)字化、智能化處理。首先,建立PCIT模型,包括終端框架、容器管理等,為工業(yè)化智能終端提供基本的建模方法,具備普適性;而進(jìn)一步對業(yè)務(wù)時(shí)序邏輯的建模,使智能終端的應(yīng)用具備針對性。其次,通過對配電網(wǎng)業(yè)務(wù)重要度分析,生成業(yè)務(wù)隊(duì)列,有利于智能終端根據(jù)不同業(yè)務(wù)的處理需求合理化資源的利用,從而提高PCIT對多并發(fā)業(yè)務(wù)的消納能力。此外,不同的調(diào)度策略下業(yè)務(wù)處理性能與資源利用情況相異,基于重要度計(jì)算的資源調(diào)度策略在處理多并發(fā)、多元化業(yè)務(wù)時(shí)可動態(tài)決策業(yè)務(wù)處理順序,效果較優(yōu)。綜上所述,本文所提方法為配電網(wǎng)多元化業(yè)務(wù)的高效處理奠定基礎(chǔ),具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。