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(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)電力相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)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(jì)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(jìn)行APP間通信，提升電力設(shè)備運(yùn)維和計(jì)算能力。經(jīng)實(shí)際測試，該設(shè)備部署容器后軟硬件運(yùn)行正常，可通過遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)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(jì)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(jìn)，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(jí)的，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸壓力大、主站計(jì)算負(fù)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(shí)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(shí)間長、事故處理響應(yīng)慢等痛點(diǎn)［1］。隨著終端側(cè)裝置數(shù)量日益增多，對(duì)電網(wǎng)中心化數(shù)據(jù)處理平臺(tái)提出更高的需求。為降低系統(tǒng)成本并防止中心化節(jié)點(diǎn)成為瓶頸，邊緣計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［2］。提供強(qiáng)大算力的邊緣計(jì)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(shí)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(qiáng)大生產(chǎn)動(dòng)能，挖掘出大數(shù)據(jù)價(jià)值。其中邊緣計(jì)算設(shè)備作為提供算力的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在邊緣側(cè)要滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。如何動(dòng)態(tài)地、按需隨時(shí)將計(jì)算算力下發(fā)部署到邊緣設(shè)備節(jié)點(diǎn)上，并保證各計(jì)算之間互相隔離互不干擾就成為了技術(shù)要點(diǎn)。以Docker為代表的虛擬化技術(shù)天然具備動(dòng)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(gè)輕量級(jí)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(yùn)行，與操作系統(tǒng)其它進(jìn)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(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)“Build，ShipandRunAnyAPP，Anywhre”，即通過對(duì)應(yīng)用的封裝（Packing）、分發(fā)（Distribution）、部署（Deployment）、運(yùn)行（Runtime）生命周期進(jìn)行管理，達(dá)到應(yīng)用組件“一次封裝，到處運(yùn)行”的目的［3］。兩者差異如表1所示。Docker相對(duì)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(jì)

本項(xiàng)目硬件平臺(tái)采用ZYNQ－7000系列芯片，包括片外Flash存儲(chǔ)、EMMC存儲(chǔ)、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(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(chǔ)用于啟動(dòng)的u－boot、內(nèi)核鏡像、設(shè)備樹等文件，EMMC存儲(chǔ)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(jì)

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(jì)主要基于Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建容器運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行APP、建立各APP間通信機(jī)制。其中容器運(yùn)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(gè)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(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，計(jì)算任務(wù)需要分配到多個(gè)CPU、DSP才能完成，各CPU、DSP需要按照預(yù)定設(shè)計(jì)的目標(biāo)定時(shí)工作，并實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。因?yàn)槌Ｒ?guī)Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性滿足不了電力系統(tǒng)中一些高實(shí)時(shí)的計(jì)算任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用非對(duì)稱多進(jìn)程處理（AMP）模式，通過Linux＋裸核的方式運(yùn)行；ZYNQ－7000處理器集成雙核ARMCortex－A9，可在其中一個(gè)核上跑Linux操作系統(tǒng)，另一個(gè)核上進(jìn)行高實(shí)時(shí)性的運(yùn)算。其中Linux操作系統(tǒng)上每個(gè)業(yè)務(wù)APP都通過鏡像的方式運(yùn)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(dòng)設(shè)備文件獲取各類模擬量信息；系統(tǒng)管理進(jìn)程負(fù)責(zé)系管理系統(tǒng)中各類進(jìn)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(jìn)行各類消息主題的訂閱和。系統(tǒng)host上運(yùn)行遠(yuǎn)程管理模塊，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程運(yùn)維主站進(jìn)行通信；通過運(yùn)維主站進(jìn)行各容器APP部署下發(fā)，遠(yuǎn)程管理模塊可解析命令進(jìn)行APP的安裝部署，同時(shí)可將各APP的運(yùn)行狀態(tài)上送給運(yùn)維主站，達(dá)到遠(yuǎn)程運(yùn)維的目的。

3．2Linux內(nèi)核定制

容器運(yùn)行在宿主機(jī)上，與宿主機(jī)共享內(nèi)核。容器的正常運(yùn)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(yùn)行環(huán)境時(shí)，首先要定制相應(yīng)的內(nèi)核配置，以支撐容器的運(yùn)行。Docker運(yùn)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(gè)容器都有獨(dú)立的命名空間，每個(gè)運(yùn)行其中的應(yīng)用都像是擁有了獨(dú)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(jìn)程隔離、網(wǎng)絡(luò)管理接口、管理跨進(jìn)程通信訪問、管理掛載點(diǎn)、隔離內(nèi)核和版本標(biāo)識(shí)。內(nèi)核配置上需對(duì)以上命令空間進(jìn)行配置。控制組是Linux內(nèi)核的另一個(gè)特性，主要用來對(duì)共享資源進(jìn)行隔離、限制、審計(jì)等，只有能控制分配到容器的資源，才能避免多個(gè)容器同時(shí)運(yùn)行時(shí)對(duì)宿主機(jī)系統(tǒng)的資源競爭。資源控制是Docker的基礎(chǔ)，在Dockerd啟動(dòng)過程就需要cpuset、cpu、cpuacct、blkio、memory、devices、freezer、pids，要保證各個(gè)控制組已經(jīng)掛載完成。另外Docker啟動(dòng)時(shí)會(huì)使用iptables配置一些網(wǎng)絡(luò)規(guī)則等也會(huì)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(tái)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的BSP配置文件，并將配置文件設(shè)置為默認(rèn)BSP配置；2）進(jìn)行內(nèi)核recipe（配方）的配置。一個(gè)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(jìn)行rootfs的recipe配置。image用于指定需要編譯進(jìn)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(huì)根據(jù)整個(gè)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(gè)APP都做成鏡像運(yùn)行。可以通過Dockerfile來進(jìn)行APP鏡像的制作。Dockerfile是一個(gè)文本文件，記錄了鏡像構(gòu)建的所有步驟。下面是一個(gè)Dockerfile的實(shí)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(gè)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(gè)shell腳本，同樣拷貝到鏡像中，編寫Dockerfile的時(shí)候CMD后面執(zhí)行shell腳本來運(yùn)行程序。如果應(yīng)用有依賴的lib庫，lib庫需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的編譯鏈進(jìn)行編譯并打包到容器鏡像內(nèi)。

3．4APP通信機(jī)制

APP通信流程如圖2所示。在容器運(yùn)行環(huán)境下，各APP的通信設(shè)計(jì)基于以下原則：交互完全基于消息機(jī)制，以達(dá)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(jī)制，各APP間通信引入了MQTT總線。MQTT協(xié)議是一個(gè)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(jì)思想是輕巧、開放、簡單、規(guī)范、易于實(shí)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(duì)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(dòng)運(yùn)行時(shí)需先進(jìn)行、訂閱數(shù)據(jù)主題注冊；2）對(duì)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(jìn)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(chǔ)至實(shí)時(shí)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(dòng)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(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)APP服務(wù)容器化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前該技術(shù)已在某變電站遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中成功應(yīng)用。該項(xiàng)目通過遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)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(shí)別等；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的貫通，通過從底層驅(qū)動(dòng)獲取到電壓電流等數(shù)據(jù)通過APP計(jì)算后，使用MQTT總線上送到IEC104APP等，驗(yàn)證了各APP間數(shù)據(jù)交互、消息發(fā)送的機(jī)制和可行性。同時(shí)對(duì)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(shí)際應(yīng)用文件及依賴有所不同，一般在幾MB。系統(tǒng)運(yùn)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(duì)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(jī)制的方法，并對(duì)相關(guān)的操作進(jìn)行了闡述。通過引入Docker技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)容器化、軟硬件解耦操作，為軟件APP化提供了實(shí)踐方法。在當(dāng)前運(yùn)維和部署服務(wù)越來越復(fù)雜的情況下，為實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的業(yè)務(wù)需求彈性擴(kuò)展、快速滿足用戶需求以及邊緣計(jì)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(tái)，提供了開源、開放式的環(huán)境，對(duì)電力設(shè)備開發(fā)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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［4］楊保華，戴玉劍，曹亞侖．Docker技術(shù)入門與實(shí)踐［M］．北京：機(jī)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