電力二次設(shè)備中容器技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：能源互聯(lián)網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的新階段，海量設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)量要求電力二次設(shè)備具備邊緣計算能力，實現(xiàn)電力相關(guān)設(shè)備實時感知、監(jiān)測及智能控制。為了快速部署、響應(yīng)用戶新業(yè)務(wù)新需求，提升邊緣設(shè)備的計算能力，介紹在設(shè)備上應(yīng)用Docker技術(shù)的方案，通過軟件APP化以及使用MQTT消息總線進行APP間通信，提升電力設(shè)備運維和計算能力。經(jīng)實際測試，該設(shè)備部署容器后軟硬件運行正常，可通過遠程運維平臺管理裝置上的各類APP，具有較好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：容器；邊緣計算；配電網(wǎng)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進，大量的傳感器接入，電力系統(tǒng)獲取的感知數(shù)據(jù)是海量級的，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸壓力大、主站計算負荷重。傳統(tǒng)的傳感信息獲取方式處理方式存在數(shù)據(jù)良莠不齊、數(shù)據(jù)缺失、格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)處理不及時等問題，導(dǎo)致電力系統(tǒng)尤其是低壓配電系統(tǒng)存在故障定位時間長、事故處理響應(yīng)慢等痛點［1］。隨著終端側(cè)裝置數(shù)量日益增多，對電網(wǎng)中心化數(shù)據(jù)處理平臺提出更高的需求。為降低系統(tǒng)成本并防止中心化節(jié)點成為瓶頸，邊緣計算利用更接近用戶側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施，在網(wǎng)絡(luò)邊緣對數(shù)據(jù)進行處理［2］。提供強大算力的邊緣計算技術(shù)方案可以將分散的電力設(shè)備作為數(shù)字電網(wǎng)的重要端口，在新一代信息技術(shù)支撐下，實現(xiàn)互聯(lián)互通，全面感知狀態(tài)、高效處理信息，形成數(shù)字化管理的強大生產(chǎn)動能，挖掘出大數(shù)據(jù)價值。其中邊緣計算設(shè)備作為提供算力的計算節(jié)點，在邊緣側(cè)要滿足行業(yè)在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。如何動態(tài)地、按需隨時將計算算力下發(fā)部署到邊緣設(shè)備節(jié)點上，并保證各計算之間互相隔離互不干擾就成為了技術(shù)要點。以Docker為代表的虛擬化技術(shù)天然具備動態(tài)部署、隔離應(yīng)用的特性，因此在邊緣設(shè)備上應(yīng)用Docker技術(shù)能較好地適應(yīng)這種場景。

1Docker容器技術(shù)簡介

容器技術(shù)作為一種資源隔離的虛擬化技術(shù)，其概念始于1979年提出的UNIXchroot。經(jīng)過多年發(fā)展，從最初的chroot到Jails、LinuxVserver、Solaris、OpenVZ、Process容器、Con-trolGroups到LXC以及現(xiàn)在火熱的Docker技術(shù)等。容器作為一個輕量級的虛擬化技術(shù)，由應(yīng)用程序及其依賴構(gòu)成，并在Host操作系統(tǒng)的用戶空間運行，與操作系統(tǒng)其它進程隔離。在嵌入式裝置中應(yīng)用較多的是容器技術(shù)是Docker和LXC。LXC起源于cgroup（源自控制組群）和namespaces（命名空間）在Linux內(nèi)核方面的發(fā)展，它支持輕便的虛擬技術(shù)操作系統(tǒng)環(huán)境。LXC系統(tǒng)提供工具管理容器，先進的網(wǎng)絡(luò)和存儲支持，還有最小容器操作系統(tǒng)模板的廣泛選擇。Docker的構(gòu)想是要實現(xiàn)“Build，ShipandRunAnyAPP，Anywhre”，即通過對應(yīng)用的封裝（Packing）、分發(fā)（Distribution）、部署（Deployment）、運行（Runtime）生命周期進行管理，達到應(yīng)用組件“一次封裝，到處運行”的目的［3］。兩者差異如表1所示。Docker相對于LXC技術(shù)，在可移植性、工具生態(tài)系統(tǒng)、開放兼容性、工具生態(tài)系統(tǒng)上等方面都更具優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)采用Docker技術(shù)作為最終使用的虛擬化技術(shù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本項目硬件平臺采用ZYNQ－7000系列芯片，包括片外Flash存儲、EMMC存儲、DDR內(nèi)存、模擬量采集、數(shù)字輸入輸出、串口RS485／232等［4］。該芯片性能強大，可以實現(xiàn)保護控制通信等多種功能，適合在電力設(shè)備上使用。其中片外Flash主要存儲用于啟動的u－boot、內(nèi)核鏡像、設(shè)備樹等文件，EMMC存儲文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序及日志、數(shù)據(jù)信息。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

電力二次設(shè)備大多采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件設(shè)計主要基于Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建容器運行環(huán)境、運行APP、建立各APP間通信機制。其中容器運行環(huán)境構(gòu)建主要包括：Linux內(nèi)核定制、容器基礎(chǔ)鏡像的構(gòu)建、APP鏡像的構(gòu)建。以下先介紹應(yīng)用整體框架，再分別介紹構(gòu)建容器環(huán)境的幾個環(huán)節(jié)。

3．1應(yīng)用整體框架

基于Docker容器技術(shù)的系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在作為分布式計算系統(tǒng)應(yīng)用時，計算任務(wù)需要分配到多個CPU、DSP才能完成，各CPU、DSP需要按照預(yù)定設(shè)計的目標定時工作，并實時交換數(shù)據(jù)。因為常規(guī)Linux系統(tǒng)實時性滿足不了電力系統(tǒng)中一些高實時的計算任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計采用非對稱多進程處理（AMP）模式，通過Linux＋裸核的方式運行；ZYNQ－7000處理器集成雙核ARMCortex－A9，可在其中一個核上跑Linux操作系統(tǒng)，另一個核上進行高實時性的運算。其中Linux操作系統(tǒng)上每個業(yè)務(wù)APP都通過鏡像的方式運行在容器中，通過docker設(shè)備映射功能訪問各外設(shè)設(shè)備，如配變交采類應(yīng)用可通過驅(qū)動設(shè)備文件獲取各類模擬量信息；系統(tǒng)管理進程負責(zé)系管理系統(tǒng)中各類進程；各APP與系統(tǒng)管理程序及APP之間通過容器間IP化技術(shù)和MQTT總線進行各類消息主題的訂閱和。系統(tǒng)host上運行遠程管理模塊，通過網(wǎng)絡(luò)與遠程運維主站進行通信；通過運維主站進行各容器APP部署下發(fā)，遠程管理模塊可解析命令進行APP的安裝部署，同時可將各APP的運行狀態(tài)上送給運維主站，達到遠程運維的目的。

3．2Linux內(nèi)核定制

容器運行在宿主機上，與宿主機共享內(nèi)核。容器的正常運行依賴內(nèi)核自身的許多特性。因此在開發(fā)構(gòu)建容器的運行環(huán)境時，首先要定制相應(yīng)的內(nèi)核配置，以支撐容器的運行。Docker運行要求內(nèi)核版本不低于3．10。內(nèi)核中與容器緊密相關(guān)的最核心的特性是Namespaces命名空間和Controlgroups（cgroups）控制組。利用命名空間這一特性，每個容器都有獨立的命名空間，每個運行其中的應(yīng)用都像是擁有了獨立的操作系統(tǒng)，保證了容器彼此之間的互不干擾。命名空間提供了系統(tǒng)資源隔離的基礎(chǔ)，其包括了進程隔離、網(wǎng)絡(luò)管理接口、管理跨進程通信訪問、管理掛載點、隔離內(nèi)核和版本標識。內(nèi)核配置上需對以上命令空間進行配置。控制組是Linux內(nèi)核的另一個特性，主要用來對共享資源進行隔離、限制、審計等，只有能控制分配到容器的資源，才能避免多個容器同時運行時對宿主機系統(tǒng)的資源競爭。資源控制是Docker的基礎(chǔ)，在Dockerd啟動過程就需要cpuset、cpu、cpuacct、blkio、memory、devices、freezer、pids，要保證各個控制組已經(jīng)掛載完成。另外Docker啟動時會使用iptables配置一些網(wǎng)絡(luò)規(guī)則等也會涉及一些內(nèi)核配置，不一一贅述。

3．3基礎(chǔ)鏡像及APP鏡像的構(gòu)建

采用Yocto框架來構(gòu)建基礎(chǔ)鏡像。Yocto的基礎(chǔ)使用方法，可參照Yocto官方文檔。構(gòu)建方法主要分為以下幾步：1）根據(jù)相應(yīng)的硬件平臺，設(shè)置對應(yīng)的BSP配置文件，并將配置文件設(shè)置為默認BSP配置；2）進行內(nèi)核recipe（配方）的配置。一個完整的OS由內(nèi)核和rootfs構(gòu)成，兩者需保持兼容。在構(gòu)建rootfs的過程中，必須要選擇和該內(nèi)核兼容的kernel來配置recipe；3）進行rootfs的recipe配置。image用于指定需要編譯進rootfs的軟件以及其依賴軟件。比如要使用Docker軟件，就需要將Docker以及相關(guān)的依賴，比如Docker－registry增加到image中；4）一些特殊的定制。通常會根據(jù)整個系統(tǒng)的兼容性和需求，調(diào)整相關(guān)軟件的版本和配置。比如容器只需要Docker，不需要lxc，需要設(shè)置runc的recipe；5)使用bitbake（構(gòu)建系統(tǒng)）構(gòu)建相應(yīng)的版本。APP容器化的基礎(chǔ)是每一個APP都做成鏡像運行?？梢酝ㄟ^Dockerfile來進行APP鏡像的制作。Dockerfile是一個文本文件，記錄了鏡像構(gòu)建的所有步驟。下面是一個Dockerfile的實例，baseimage是基礎(chǔ)鏡像，appname是要打包的APP，需在“／bin”目錄執(zhí)行。＃DockerfileexampleFROMbaseimageMAINTAINERauthornameemail＠xxx．comCOPYappname／binCMD／bin／appname將Dockerfile和appname放置在同一個目錄后，可通過如下命令制作APP鏡像。dockerbuild－tappimage．執(zhí)行完成后，就可以通過dockerimages命令查看到生成的APP鏡像。如果執(zhí)行的命令比較復(fù)雜，也可以做成一個shell腳本，同樣拷貝到鏡像中，編寫Dockerfile的時候CMD后面執(zhí)行shell腳本來運行程序。如果應(yīng)用有依賴的lib庫，lib庫需要根據(jù)對應(yīng)的編譯鏈進行編譯并打包到容器鏡像內(nèi)。

3．4APP通信機制

APP通信流程如圖2所示。在容器運行環(huán)境下，各APP的通信設(shè)計基于以下原則：交互完全基于消息機制，以達到數(shù)據(jù)交互解耦，避免私有交互造成的管理復(fù)雜性；各APP開發(fā)統(tǒng)一的預(yù)留接口，保證互通互用?；谙C制，各APP間通信引入了MQTT總線。MQTT協(xié)議是一個客戶端服務(wù)端架構(gòu)的／訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，設(shè)計思想是輕巧、開放、簡單、規(guī)范、易于實現(xiàn)。所有APP間通信可通過MQTT總線／訂閱消息，獲取系統(tǒng)資源以及APP交互，可提供一對多的消息分發(fā)和應(yīng)用間的解耦。具體的消息交互流程如下：1）MQTT消息總線提供訂閱主題接口，各應(yīng)用APP啟動運行時需先進行、訂閱數(shù)據(jù)主題注冊；2）對外提供數(shù)據(jù)的APP應(yīng)用，在生成新數(shù)據(jù)后調(diào)用總線消息接口進行數(shù)據(jù)；3）消息總線接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲至實時數(shù)據(jù)庫。消息總線在發(fā)現(xiàn)被訂閱的數(shù)據(jù)變化后，啟動主題推送程序，根據(jù)訂閱主題信息調(diào)用訂閱方接收接口，推送數(shù)據(jù)。

4應(yīng)用情況

本文完成了在嵌入式裝置上部署容器運行環(huán)境，實現(xiàn)APP服務(wù)容器化的設(shè)計目標。目前該技術(shù)已在某變電站遠程運維系統(tǒng)中成功應(yīng)用。該項目通過遠程運維平臺部署各容器／業(yè)務(wù)APP到電力裝置上，如104通信規(guī)約APP、停電告警、相序識別等；實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的貫通，通過從底層驅(qū)動獲取到電壓電流等數(shù)據(jù)通過APP計算后，使用MQTT總線上送到IEC104APP等，驗證了各APP間數(shù)據(jù)交互、消息發(fā)送的機制和可行性。同時對裝置資源的消耗和容器大小測試，其中容器鏡像文件大小根據(jù)實際應(yīng)用文件及依賴有所不同，一般在幾MB。系統(tǒng)運行中CPU和內(nèi)存占用率有所上升，只是在原有基礎(chǔ)上增加幾十MB內(nèi)存的占用，對系統(tǒng)開銷影響不大。

5結(jié)束語

在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的背景下，本文提出一種在電力設(shè)備上應(yīng)用Docker技術(shù)以及設(shè)備上各APP間通信機制的方法，并對相關(guān)的操作進行了闡述。通過引入Docker技術(shù)，實現(xiàn)了邊緣計算節(jié)點業(yè)務(wù)容器化、軟硬件解耦操作，為軟件APP化提供了實踐方法。在當(dāng)前運維和部署服務(wù)越來越復(fù)雜的情況下，為實現(xiàn)電力行業(yè)的業(yè)務(wù)需求彈性擴展、快速滿足用戶需求以及邊緣計算的應(yīng)用提供了有力支撐。為電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供軟件平臺，提供了開源、開放式的環(huán)境，對電力設(shè)備開發(fā)提供一定的參考。

參考文獻

［1］張樹華，仝杰，張鋆等．面向能源互聯(lián)網(wǎng)智能感知的邊緣計算技術(shù)研究［J］．電力信息與通信技術(shù)，2020（18）：4

［2］李彬，賈濱誠，曹望璋，等．邊緣計算在電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用展望［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2018，42（1）：79－87

［4］楊保華，戴玉劍，曹亞侖．Docker技術(shù)入門與實踐［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2014

作者：吳汪兵 龔行梁 劉偉 單位：南京南瑞繼保電氣有限公司