為適應(yīng)電力企業(yè)各類自動化與信息化系統(tǒng)不斷增長的互聯(lián)、集成及全方位開放需求,提出了一種用于電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS等系統(tǒng)設(shè)計的平臺建設(shè)技術(shù)
摘 要
為適應(yīng)電力企業(yè)各類自動化與信息化系統(tǒng)不斷增長的互聯(lián)、集成及全方位開放需求,提出了一種用于電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS等系統(tǒng)設(shè)計的平臺建設(shè)技術(shù)。該技術(shù)基于廣義的網(wǎng)絡(luò)平臺(廣義軟總線)以及分組、分層、分塊的平臺體系結(jié)構(gòu)。在構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)及與電力企業(yè)網(wǎng)各系統(tǒng)的互聯(lián)通信中,此平臺技術(shù)體現(xiàn)了更大的開放度及持續(xù)可擴性。
關(guān)鍵詞 開放平臺 分層結(jié)構(gòu) 廣義軟總線 SCADA/EMS/DMS
分類號 TM734
0 引言
電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展向支撐電網(wǎng)有效、可靠、經(jīng)濟運行的電網(wǎng)自動化系統(tǒng)提出了新的持續(xù)可擴的發(fā)展策略:系統(tǒng)拓展的邏輯應(yīng)用客戶關(guān)聯(lián),一體化拓撲構(gòu)成,以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與通信互聯(lián)。目前,電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS的主要問題有:系統(tǒng)隨應(yīng)用發(fā)展可拓性較差,應(yīng)用系統(tǒng)與支撐平臺的相容性較差,系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)應(yīng)用接口開放性較差,以及人機一體化GUI交互友好性(上層開放性)較差。
從一個電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS的開放系統(tǒng)環(huán)境（OSE）考慮,上述不足可定位于OSE的各項子集:應(yīng)用的互操作性與互聯(lián)性,應(yīng)用的可移植性與可伸縮性,以及應(yīng)用的集成性與拓廣性中。因此,建立一個全方位的電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS開放系統(tǒng), 以便更大開放度地支持電力系統(tǒng)的可靠運行、電力企業(yè)網(wǎng)的橫向與縱向建設(shè)。此舉將是今后乃至跨世紀電網(wǎng)及其他自動化應(yīng)用系統(tǒng)的根本途徑所在,也是當今國內(nèi)外同類電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS所應(yīng)完備的定位目標。此兩項又都共同關(guān)聯(lián)于一個電力企業(yè)網(wǎng)的每個部門系統(tǒng)以及系統(tǒng)間的互聯(lián)通信。
目前國內(nèi)外同類應(yīng)用系統(tǒng)具有不同的設(shè)計模式,就開放性而言,具有不同層次的開放度。本文提出的分層全方位開放的多平臺電網(wǎng)SCADA/EMS設(shè)計不僅在支撐層,而且在應(yīng)用層均體現(xiàn)了開放性,并具有積木結(jié)構(gòu)的多層支撐平臺的模式。這種特殊的設(shè)計方法具有每一層的設(shè)計獨立性及邏輯相關(guān)性,具有良好的拓擴性及擴充性,使系統(tǒng)的開放度可持續(xù)延拓。
上述平臺設(shè)計思想已在EXOPENS SCADA/EMS/DMS應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)通信、任務(wù)分布、0EM模式、面向?qū)ο蟮膽?yīng)用層定義、GUI形象化交互等方面均可以透明地體現(xiàn)一對多的開放關(guān)系。
從上述意義上講,系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有以軟件工程思想為指導的綜合設(shè)計優(yōu)勢,這樣可保證技術(shù)的持續(xù)先進性。即不僅注重下層的開放性,更應(yīng)注重中層及上層的開放性,特別強調(diào)以中層開放驅(qū)動上層開放,從而以更大開放的綜合自由度滿足電網(wǎng)自動化不斷增長的應(yīng)用需求(SCADA/EMS/DMS/信息系統(tǒng))及電力企業(yè)網(wǎng)的建設(shè)需要。
1 平臺建設(shè)框架
系統(tǒng)平臺是應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ),因此必須有一個開放性、健壯性、可拓性的建設(shè)目標。在擴大系統(tǒng)的開放度方面,強調(diào)平臺建設(shè)的中間件設(shè)計模式。這些中間件由自定義的“磚瓦構(gòu)件”(Bricks & Tiles)、廣義軟總線(G.SBus)、Mail-Box、系統(tǒng)Shell以及語言控制系統(tǒng)等構(gòu)成。由此形成的網(wǎng)絡(luò)級中性服務(wù)平臺僅服務(wù)于客戶請求的中性數(shù)據(jù),而無需考慮數(shù)據(jù)的應(yīng)用。這不僅豐富了系統(tǒng)服務(wù)定義的內(nèi)涵,且為電力企業(yè)不斷擴大的各部門系統(tǒng)網(wǎng)的Intranet及與外層Internet的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來了潛在效能,使使用者可自行靈活定義拓廣的應(yīng)用,并自動接入系統(tǒng)及與系統(tǒng)通信。
在平臺建設(shè)技術(shù)上,強調(diào)基于G.SBus及Mail-Box的分布對象技術(shù)。即按應(yīng)用分布,建立分布及可互操作的對象機制;分布于網(wǎng)上的全部資源是可共享的對象集合;網(wǎng)上客戶可通過系統(tǒng)定義的接口或自定義接口訪問系統(tǒng)分布對象。為此建立了系統(tǒng)分布對象模型、對象請求代理、分層中間件建設(shè)及應(yīng)用層框架建設(shè)。
在此基礎(chǔ)上,所有的外層應(yīng)用(本系統(tǒng)及外部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))均視為邏輯應(yīng)用。值得強調(diào)的是,本文定義的廣義軟總線不同于通常的軟總線概念,它具有下述概念:
a. 基于標準網(wǎng)絡(luò)體系的Middleware Shell(窄帶狀,與應(yīng)用無關(guān));
b. 本身既可為某平臺層,又可為上層廣義軟總線的支撐(嵌套);
c. 通過邏輯應(yīng)用建立起客戶/服務(wù)器及Mail-Box通信鏈路,邏輯應(yīng)用雙方調(diào)用G.SBus庫,建立應(yīng)用進程對象。
2 平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)
2.1 分層開放平臺支撐模式
總體設(shè)計為分層開放平臺支撐模式,整體平臺幾何形狀為錐形。每層相對獨立,無嚴格的依附關(guān)系,且均為積術(shù)模塊化的Bricks & Tiles單元構(gòu)成。 上層任一單元均體現(xiàn)與相對下面層1: n的支撐關(guān)系。這符合系統(tǒng)的軟件工程模式,具有良好的系統(tǒng)維護性與較為堅實的平臺基礎(chǔ)(提高系統(tǒng)開放度)。基礎(chǔ)平臺更考慮到網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分布的客戶/服務(wù)器的通信模式。此總體規(guī)劃將產(chǎn)生邏輯應(yīng)用與邏輯對象定義和封裝的Shell應(yīng)用效應(yīng),從而使得系統(tǒng)的拓展與電力企業(yè)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)變?yōu)闊o縫關(guān)聯(lián)。
2.2 分層構(gòu)架
為使平臺持續(xù)可擴及具有清晰的可用性,將其分為3個包容關(guān)系:層組、層以及磚瓦構(gòu)件(Bricks & Tiles)。本文僅簡述層組定義。
a.工業(yè)與國際標準基礎(chǔ)支撐服務(wù)層(G1):基于工業(yè)與國際標準的多樣性硬件環(huán)境、系統(tǒng)核、網(wǎng)絡(luò)通信、GUI、圖形平臺、語言以及DBMS等開放支撐 體系。
b.基本Shell(G2):亦為基本Middleware,由系統(tǒng)及自定義Shell構(gòu)件組成。
c.擴展Shell(G3):亦為擴展Middleware,由各類庫、函數(shù)、宏、過程、進程等定義的主要磚瓦構(gòu)件以及控制定義語言等形成。
d.面向?qū)ο蟮闹虚g件子集（G4）。
e.網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)(G5):基于G.SBus結(jié)構(gòu) (Client/Server,Mail-Box等)。
f.應(yīng)用層服務(wù)(G6):應(yīng)用GUI、圖形用戶語言、系統(tǒng)運行管理、計算及控制子集、協(xié)議庫等。
g.應(yīng)用服務(wù)對象(G7):各類拓撲公共模塊、系統(tǒng)定義,以及驅(qū)動與控制封裝定義。
h.應(yīng)用集成(G8):基于以G.SBus為支撐核心平臺的系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間(外部系統(tǒng))進行分布網(wǎng)絡(luò)通信與各子、分系統(tǒng)集成機制。
3 主要構(gòu)件設(shè)計原則
3.1實施多樣化模式
系統(tǒng)編程體現(xiàn)不同層次的OOP,以及應(yīng)用層的OOA(GUI)模式;網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)部網(wǎng)通信及外部網(wǎng)通信) 的G.SBus模式;商用數(shù)據(jù)庫(DB)固有網(wǎng)絡(luò)客戶/服務(wù)器通信模式;實時庫SQL訪問模式,以及無數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的外層應(yīng)用模式。建立起具有整體開放的SCADA/EMS/DMS應(yīng)用。例如:與外部系統(tǒng)實施的G.SBus通信模式;與外部系統(tǒng)商用DB實施的固有客戶/服務(wù)器通信模式;與外部系統(tǒng)實時庫實施的SQL訪問+G.SBus模式。
3.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)設(shè)計模式
商用DBMS以Sybase,Oracle為主進行外包封裝:
a.客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。具有平臺獨立性,增強系統(tǒng)可靠性、互操作性。
b.自成體系的分層模式。
c.實時性指標優(yōu)化,提高DB效率。
d.體現(xiàn)DB應(yīng)用透明性與應(yīng)用開放性:分層索引機制(應(yīng)用-點名-索引表-DB表);DB GUI友好交互界面、無DBMS應(yīng)用概念;無數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用模式(系統(tǒng)參數(shù)庫非固定數(shù)據(jù)、詞典模式),在線GUI增設(shè)記錄屬性;以Field名作為應(yīng)用端人口,使應(yīng)用擺脫數(shù)據(jù)庫常規(guī)的學術(shù)上的層次與屬性關(guān)系,并擺脫過去常用的廠站、點、號的檢索模式。
e.系統(tǒng)整體具有統(tǒng)一的DBMS模式:以庫記錄域為統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式的Shell中間件,對歷史及實時庫訪問。
f.系統(tǒng)數(shù)據(jù)合法性、相關(guān)數(shù)據(jù)一致性、相關(guān)完整性維護。
g.具備統(tǒng)一的應(yīng)用訪問中間件,即可靈活定義與自定義GUI風格數(shù)據(jù)庫表,并可成組對該表起始記錄一終止記錄、起始列一終止列進行增加、刪除、復制、存盤等操作。
3.3 專用DBMS的SQL接口構(gòu)件
系統(tǒng)主要針對實時庫設(shè)計了作為與外層節(jié)點或系統(tǒng)訪問的Shell接口,即擴展型SQL庫Et-SQL。 在G.SBus的支持下,可實現(xiàn)應(yīng)用層節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)靈活設(shè)計訪問實時庫的接口。這樣,既滿足于支持數(shù)據(jù)的快速處理、存儲及訪問,又滿足于國際流行的與外部系統(tǒng)通信的標準接口要求。
3.4 電力計算與分析系統(tǒng)分劃為4層應(yīng)用結(jié)構(gòu)
a.基礎(chǔ)層:網(wǎng)絡(luò)DB及網(wǎng)絡(luò)拓撲與建模;
b.基本層:狀態(tài)估計、調(diào)度員潮流、母線負荷預報等;
c.擴充層:短路電流計算、無功優(yōu)化、最優(yōu)潮流、故障診斷分析、暫態(tài)穩(wěn)定、安全分析等;
d.集成層:上述子系統(tǒng)集成及DTS。
參考國際電網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合國內(nèi)實際較為規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,進而形成電力計算與分析各類子系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源(描述電力系統(tǒng)各類電力設(shè) 備的物理特征與相互間的拓撲結(jié)構(gòu))。
3.5 電力計算與分析應(yīng)用對象
將各類電力計算與分析應(yīng)用及相關(guān)庫視為對象定義與引用:
a.可位于單個節(jié)點或分節(jié)點;
b.對象元素可一對多操作選擇封裝或集成封裝(GUI方式);
c.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理電網(wǎng)的面向節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及面向母線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),用于計算與分析應(yīng)用及相關(guān)庫的數(shù)源;
d· 建立SCADA數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、DTS數(shù)據(jù)庫間客戶/服務(wù)器邏輯應(yīng)用通信及映射接口,從而將電網(wǎng)運行信息、拓撲信息、參數(shù)信息結(jié)合于一體,構(gòu)成電網(wǎng)的實時真實模型,實現(xiàn)各系統(tǒng)的緊密集成。
3.6 控制語言(定義)構(gòu)件
為適應(yīng)更大程度上的系統(tǒng)開放,除設(shè)計通常的計算語言系統(tǒng)外,還設(shè)計了面向上層應(yīng)用的計算與控制表達定義及解釋的多樣化應(yīng)用的環(huán)境。系統(tǒng)具 備下述語言元語:計算,邏輯,控制,過程�？缮缮蠈拥挠嬎鉒IB、邏輯LIB、過程控制LIB以及知識LIB。這些LIB即為上述開放定義層的Bricks& Tiles。例如通過邏輯定義語言,可自定義智能化過程;通過控制定義語言,可自定義控制序列過程,并將其包裝在數(shù)據(jù)庫外層,用于電力系統(tǒng)各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應(yīng)用。
3.7 系統(tǒng)運行管理
一個開放、基于客戶/服務(wù)器網(wǎng)上任務(wù)分布及通信的應(yīng)用系統(tǒng)必須有一個良好的系統(tǒng)運行管理環(huán)境。這也是稱之為開放系統(tǒng)的必要條件。設(shè)計的系統(tǒng)運行管理為分布式模式,主要任務(wù)包括系統(tǒng)全網(wǎng)配置及系統(tǒng)監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控采用事件定義機制對進程應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層、用戶應(yīng)用層、系統(tǒng)層的事件定義,并以相應(yīng)的事件定義信號驅(qū)動進行管理。
3.8 事件(信號)驅(qū)動方式喚醒、啟動網(wǎng)上任務(wù)
系統(tǒng)運行管理采用事件(信號)驅(qū)動方式喚醒、啟動網(wǎng)上任務(wù)。事件為應(yīng)用對象屬性;事件又分事件定義與驅(qū)動屬性。事件應(yīng)具備非相關(guān)性及處理過程完備性。事件的收發(fā)記錄自動存于事件注冊表中。事件(信號)可按事件屬性進行定義。例如正常任務(wù)驅(qū)動類、異常任務(wù)驅(qū)動類(報警、切換)。
3.9 多平臺圖形及形象化GUI構(gòu)件
以往圖形軟件系統(tǒng)具有特定的硬件設(shè)備及應(yīng)用環(huán)境。隨著這些環(huán)境的不斷更新與擴大,特定環(huán)境帶來了圖形應(yīng)用軟件開發(fā)難度增大、開發(fā)成本提高以及維護困難等問題。圖形應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)直接在面向應(yīng)用的高層次上進行,無需再在基本圖形、圖形軟件接口技術(shù)上花費功夫的前提是具有成熟、通用、與設(shè)備無關(guān)的標準化軟件接口。所采用的OpenGL為最新一代適用于各類工作站及Windows NT平臺的、已被先進計算機環(huán)境(ACE)集團接受為世界開放圖形標準。它獨立于任何硬件及操作系統(tǒng),具有良好的可移植性。OpenGL圖形函數(shù)為圖形創(chuàng)建和圖 形發(fā)生器之間提供產(chǎn)生圖形基元的功能接口。此外,OpenGL順應(yīng)信息時代發(fā)展要求,提供了多項促進交互可視化的工具,從而使問題的解決更為快速、形象�？梢暬墓ぞ咧饕�:三維可視變換、真實感圖形(消隱、光照模型、紋理映射等)、實時動畫。
人機一體形象化GUI構(gòu)件設(shè)計主要原則:
a. 定義的人機有效結(jié)合模式(圖元、圖片元素自定義):兩類基本及應(yīng)用圖元(靜、動態(tài)可選);窗口文件交互修改圖元的幾何變換屬性,以及圖形屬性 (顏色、靜動態(tài)等),使得所定義繪制的每個圖元具有多種應(yīng)用圖元效應(yīng)。
b.數(shù)據(jù)庫圖形對象定義、操作及網(wǎng)絡(luò)通信客戶:交互操作形象化;數(shù)字形象化;動態(tài)圖片、圖元組合形象化;動態(tài)線段、圖元定義支持圖形網(wǎng)絡(luò)拓撲處理,即與EMS具有相容的平臺。
3.10 DUAL網(wǎng)絡(luò)通信機制
采取冗余網(wǎng)絡(luò)安全措施,保證系統(tǒng)由于系統(tǒng)及應(yīng)用進程故障、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障(網(wǎng)絡(luò)適配器、互聯(lián)器、交換器、物理介質(zhì)等)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備故障所引起的網(wǎng)絡(luò)通信中斷時快速切換,以滿足系統(tǒng)實時運行指標。所設(shè)計的系統(tǒng)DUAL網(wǎng)通信模式的特點是:雙網(wǎng)均處于HOT并行運行狀態(tài);網(wǎng)上每個節(jié)點為 DUAL網(wǎng)基點,與服務(wù)器進行網(wǎng)上切換。服務(wù)器節(jié)點成立準則:該節(jié)點以DUAL網(wǎng)均存在為充要條件。
上述特點構(gòu)筑下述優(yōu)勢:系統(tǒng)運行與網(wǎng)絡(luò)切換高實時指標;分流網(wǎng)上通信數(shù)據(jù)流量(A,B網(wǎng)分流);避免基于全網(wǎng)切換的復雜判據(jù)因素;節(jié)點一對二的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系亦可隨任務(wù)、網(wǎng)流等因素靈活配置。
4 結(jié)語
本文提出的是一種開放度持續(xù)可擴的電網(wǎng)SCADA/EMS/DMS平臺建設(shè)模式。其綜合效能體現(xiàn)在:
a.廣義的網(wǎng)絡(luò)平臺體系,表現(xiàn)出與電力企業(yè)不斷擴大的各部門系統(tǒng)網(wǎng)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性;
b.分組、分層、分塊的平臺體系結(jié)構(gòu)具有平臺本身的結(jié)構(gòu)清晰性、易擴性,以及應(yīng)用系統(tǒng)易構(gòu)造性;
c.分層各構(gòu)件與中間件,例如控制語言、專用數(shù)據(jù)庫SQL、系統(tǒng)運行、形象化GUI、網(wǎng)絡(luò)定義等均為應(yīng)用層提供薄的透明的應(yīng)用支持;
d.“一對多',應(yīng)用開放性,適應(yīng)應(yīng)用不規(guī)范性與需求動態(tài)性;
e.平臺各層,除了應(yīng)用層組的應(yīng)用對象定義外,均體現(xiàn)中性構(gòu)件。因此極易拓廣作為其它應(yīng)用的支撐。
參 考 文 獻
1 于爾鏗,劉廣一,周京陽,等.能量管理系統(tǒng)(EMS)技術(shù)展望.電力系統(tǒng)自動化,1998,22(2)
高鳴燕,男,1952年生,博士,教授,總工程師,主要從事電力自動化系統(tǒng)設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)集成研究工作。
陸 文,女,1953年生,高級工程師,主要從事SCADA/EMS設(shè)計工作。程度上的系統(tǒng)開放,除設(shè)計通常的計算語言系統(tǒng)外,還設(shè)計了面向上層應(yīng)用的計算與控制表達定義及解釋的多樣化應(yīng)用的環(huán)境。系統(tǒng)具 備下述語言元語:計算,邏輯,控制,過程�？缮缮蠈拥挠嬎鉒IB、邏輯LIB、過程控制LIB以及知識LIB。這些LIB即為上述開放定義層的Bricks& Tiles。例如通過邏輯定義語言,可自定義智能化過程;通過控制定義語言,可自定義控制序列過程,并將其包裝在數(shù)據(jù)庫外層,用于電力系統(tǒng)各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應(yīng)用。
