為適應電力企業各類自動化與信息化系統不斷增長的互聯、集成及全方位開放需求,提出了一種用于電網SCADA/EMS/DMS等系統設計的平臺建設技術
摘 要
為適應電力企業各類自動化與信息化系統不斷增長的互聯、集成及全方位開放需求,提出了一種用于電網SCADA/EMS/DMS等系統設計的平臺建設技術。該技術基于廣義的網絡平臺(廣義軟總線)以及分組、分層、分塊的平臺體系結構。在構造應用系統及與電力企業網各系統的互聯通信中,此平臺技術體現了更大的開放度及持續可擴性。
關鍵詞 開放平臺 分層結構 廣義軟總線 SCADA/EMS/DMS
分類號 TM734
0 引言
電網建設的快速發展向支撐電網有效、可靠、經濟運行的電網自動化系統提出了新的持續可擴的發展策略:系統拓展的邏輯應用客戶關聯,一體化拓撲構成,以及網絡構架與通信互聯。目前,電網SCADA/EMS/DMS的主要問題有:系統隨應用發展可拓性較差,應用系統與支撐平臺的相容性較差,系統的網絡互聯應用接口開放性較差,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SCADA/EMS/DMS的開放系統環境（OSE）考慮,上述不足可定位于OSE的各項子集:應用的互操作性與互聯性,應用的可移植性與可伸縮性,以及應用的集成性與拓廣性中。因此,建立一個全方位的電網SCADA/EMS/DMS開放系統, 以便更大開放度地支持電力系統的可靠運行、電力企業網的橫向與縱向建設。此舉將是今后乃至跨世紀電網及其他自動化應用系統的根本途徑所在,也是當今國內外同類電網SCADA/EMS/DMS所應完備的定位目標。此兩項又都共同關聯于一個電力企業網的每個部門系統以及系統間的互聯通信。
目前國內外同類應用系統具有不同的設計模式,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SCADA/EMS設計不僅在支撐層,而且在應用層均體現了開放性,并具有積木結構的多層支撐平臺的模式。這種特殊的設計方法具有每一層的設計獨立性及邏輯相關性,具有良好的拓擴性及擴充性,使系統的開放度可持續延拓。
上述平臺設計思想已在EXOPENS SCADA/EMS/DMS應用系統實現。在網絡通信、任務分布、0EM模式、面向對象的應用層定義、GUI形象化交互等方面均可以透明地體現一對多的開放關系。
從上述意義上講,系統設計應具有以軟件工程思想為指導的綜合設計優勢,這樣可保證技術的持續先進性。即不僅注重下層的開放性,更應注重中層及上層的開放性,特別強調以中層開放驅動上層開放,從而以更大開放的綜合自由度滿足電網自動化不斷增長的應用需求(SCADA/EMS/DMS/信息系統)及電力企業網的建設需要。
1 平臺建設框架
系統平臺是應用系統構架的基礎,因此必須有一個開放性、健壯性、可拓性的建設目標。在擴大系統的開放度方面,強調平臺建設的中間件設計模式。這些中間件由自定義的“磚瓦構件”(Bricks & Tiles)、廣義軟總線(G.SBus)、Mail-Box、系統Shell以及語言控制系統等構成。由此形成的網絡級中性服務平臺僅服務于客戶請求的中性數據,而無需考慮數據的應用。這不僅豐富了系統服務定義的內涵,且為電力企業不斷擴大的各部門系統網的Intranet及與外層Internet的自適應網絡互聯帶來了潛在效能,使使用者可自行靈活定義拓廣的應用,并自動接入系統及與系統通信。
在平臺建設技術上,強調基于G.SBus及Mail-Box的分布對象技術。即按應用分布,建立分布及可互操作的對象機制;分布于網上的全部資源是可共享的對象集合;網上客戶可通過系統定義的接口或自定義接口訪問系統分布對象。為此建立了系統分布對象模型、對象請求代理、分層中間件建設及應用層框架建設。
在此基礎上,所有的外層應用(本系統及外部網絡系統)均視為邏輯應用。值得強調的是,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. 基于標準網絡體系的Middleware Shell(窄帶狀,與應用無關);
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. 通過邏輯應用建立起客戶/服務器及Mail-Box通信鏈路,邏輯應用雙方調用G.SBus庫,建立應用進程對象。
2 平臺設計結構
2.1 分層開放平臺支撐模式
總體設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,無嚴格的依附關系,且均為積術模塊化的Bricks & Tiles單元構成。 上層任一單元均體現與相對下面層1: n的支撐關系。這符合系統的軟件工程模式,具有良好的系統維護性與較為堅實的平臺基礎(提高系統開放度)。基礎平臺更考慮到網絡任務分布的客戶/服務器的通信模式。此總體規劃將產生邏輯應用與邏輯對象定義和封裝的Shell應用效應,從而使得系統的拓展與電力企業網應用系統互聯變為無縫關聯。
2.2 分層構架
為使平臺持續可擴及具有清晰的可用性,將其分為3個包容關系:層組、層以及磚瓦構件(Bricks & Tiles)。本文僅簡述層組定義。
a.工業與國際標準基礎支撐服務層(G1):基于工業與國際標準的多樣性硬件環境、系統核、網絡通信、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,由系統及自定義Shell構件組成。
c.擴展Shell(G3):亦為擴展Middleware,由各類庫、函數、宏、過程、進程等定義的主要磚瓦構件以及控制定義語言等形成。
d.面向對象的中間件子集（G4）。
e.網絡通信服務(G5):基于G.SBus結構 (Client/Server,Mail-Box等)。
f.應用層服務(G6):應用GUI、圖形用戶語言、系統運行管理、計算及控制子集、協議庫等。
g.應用服務對象(G7):各類拓撲公共模塊、系統定義,以及驅動與控制封裝定義。
h.應用集成(G8):基于以G.SBus為支撐核心平臺的系統內及系統間(外部系統)進行分布網絡通信與各子、分系統集成機制。
3 主要構件設計原則
3.1實施多樣化模式
系統編程體現不同層次的OOP,以及應用層的OOA(GUI)模式;網絡(內部網通信及外部網通信) 的G.SBus模式;商用數據庫(DB)固有網絡客戶/服務器通信模式;實時庫SQL訪問模式,以及無數據結構的外層應用模式。建立起具有整體開放的SCADA/EMS/DMS應用。例如:與外部系統實施的G.SBus通信模式;與外部系統商用DB實施的固有客戶/服務器通信模式;與外部系統實時庫實施的SQL訪問+G.SBus模式。
3.2數據庫管理系統(DBMS)設計模式
商用DBMS以Sybase,Oracle為主進行外包封裝:
a.客戶/服務器體系結構。具有平臺獨立性,增強系統可靠性、互操作性。
b.自成體系的分層模式。
c.實時性指標優化,提高DB效率。
d.體現DB應用透明性與應用開放性:分層索引機制(應用-點名-索引表-DB表);DB GUI友好交互界面、無DBMS應用概念;無數據結構應用模式(系統參數庫非固定數據、詞典模式),在線GUI增設記錄屬性;以Field名作為應用端人口,使應用擺脫數據庫常規的學術上的層次與屬性關系,并擺脫過去常用的廠站、點、號的檢索模式。
e.系統整體具有統一的DBMS模式:以庫記錄域為統一數據結構模式的Shell中間件,對歷史及實時庫訪問。
f.系統數據合法性、相關數據一致性、相關完整性維護。
g.具備統一的應用訪問中間件,即可靈活定義與自定義GUI風格數據庫表,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接口構件
系統主要針對實時庫設計了作為與外層節點或系統訪問的Shell接口,即擴展型SQL庫Et-SQL。 在G.SBus的支持下,可實現應用層節點或網絡靈活設計訪問實時庫的接口。這樣,既滿足于支持數據的快速處理、存儲及訪問,又滿足于國際流行的與外部系統通信的標準接口要求。
3.4 電力計算與分析系統分劃為4層應用結構
a.基礎層:網絡DB及網絡拓撲與建模;
b.基本層:狀態估計、調度員潮流、母線負荷預報等;
c.擴充層:短路電流計算、無功優化、最優潮流、故障診斷分析、暫態穩定、安全分析等;
d.集成層:上述子系統集成及DTS。
參考國際電網數據結構模型,結合國內實際較為規范的網絡數據庫,進而形成電力計算與分析各類子系統的基礎數據源(描述電力系統各類電力設 備的物理特征與相互間的拓撲結構)。
3.5 電力計算與分析應用對象
將各類電力計算與分析應用及相關庫視為對象定義與引用:
a.可位于單個節點或分節點;
b.對象元素可一對多操作選擇封裝或集成封裝(GUI方式);
c.網絡數據庫管理電網的面向節點數據結構及面向母線數據結構的數據,用于計算與分析應用及相關庫的數源;
d· 建立SCADA數據庫與網絡數據庫、DTS數據庫間客戶/服務器邏輯應用通信及映射接口,從而將電網運行信息、拓撲信息、參數信息結合于一體,構成電網的實時真實模型,實現各系統的緊密集成。
3.6 控制語言(定義)構件
為適應更大程度上的系統開放,除設計通常的計算語言系統外,還設計了面向上層應用的計算與控制表達定義及解釋的多樣化應用的環境。系統具 備下述語言元語:計算,邏輯,控制,過程。可生成上層的計算LIB、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,并將其包裝在數據庫外層,用于電力系統各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應用。
3.7 系統運行管理
一個開放、基于客戶/服務器網上任務分布及通信的應用系統必須有一個良好的系統運行管理環境。這也是稱之為開放系統的必要條件。設計的系統運行管理為分布式模式,主要任務包括系統全網配置及系統監控。系統監控采用事件定義機制對進程應用層、網絡應用層、用戶應用層、系統層的事件定義,并以相應的事件定義信號驅動進行管理。
3.8 事件(信號)驅動方式喚醒、啟動網上任務
系統運行管理采用事件(信號)驅動方式喚醒、啟動網上任務。事件為應用對象屬性;事件又分事件定義與驅動屬性。事件應具備非相關性及處理過程完備性。事件的收發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。例如正常任務驅動類、異常任務驅動類(報警、切換)。
3.9 多平臺圖形及形象化GUI構件
以往圖形軟件系統具有特定的硬件設備及應用環境。隨著這些環境的不斷更新與擴大,特定環境帶來了圖形應用軟件開發難度增大、開發成本提高以及維護困難等問題。圖形應用系統的開發直接在面向應用的高層次上進行,無需再在基本圖形、圖形軟件接口技術上花費功夫的前提是具有成熟、通用、與設備無關的標準化軟件接口。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,具有良好的可移植性。OpenGL圖形函數為圖形創建和圖 形發生器之間提供產生圖形基元的功能接口。此外,OpenGL順應信息時代發展要求,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。可視化的工具主要有: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構件設計主要原則:
a. 定義的人機有效結合模式(圖元、圖片元素自定義):兩類基本及應用圖元(靜、動態可選);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、靜動態等),使得所定義繪制的每個圖元具有多種應用圖元效應。
b.數據庫圖形對象定義、操作及網絡通信客戶:交互操作形象化;數字形象化;動態圖片、圖元組合形象化;動態線段、圖元定義支持圖形網絡拓撲處理,即與EMS具有相容的平臺。
3.10 DUAL網絡通信機制
采取冗余網絡安全措施,保證系統由于系統及應用進程故障、網絡設備故障(網絡適配器、互聯器、交換器、物理介質等)、網絡節點設備故障所引起的網絡通信中斷時快速切換,以滿足系統實時運行指標。所設計的系統DUAL網通信模式的特點是:雙網均處于HOT并行運行狀態;網上每個節點為 DUAL網基點,與服務器進行網上切換。服務器節點成立準則:該節點以DUAL網均存在為充要條件。
上述特點構筑下述優勢:系統運行與網絡切換高實時指標;分流網上通信數據流量(A,B網分流);避免基于全網切換的復雜判據因素;節點一對二的網絡關系亦可隨任務、網流等因素靈活配置。
4 結語
本文提出的是一種開放度持續可擴的電網SCADA/EMS/DMS平臺建設模式。其綜合效能體現在:
a.廣義的網絡平臺體系,表現出與電力企業不斷擴大的各部門系統網的自適應網絡互聯性;
b.分組、分層、分塊的平臺體系結構具有平臺本身的結構清晰性、易擴性,以及應用系統易構造性;
c.分層各構件與中間件,例如控制語言、專用數據庫SQL、系統運行、形象化GUI、網絡定義等均為應用層提供薄的透明的應用支持;
d.“一對多',應用開放性,適應應用不規范性與需求動態性;
e.平臺各層,除了應用層組的應用對象定義外,均體現中性構件。因此極易拓廣作為其它應用的支撐。
參 考 文 獻
1 于爾鏗,劉廣一,周京陽,等.能量管理系統(EMS)技術展望.電力系統自動化,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設計與網絡集成研究工作。
陸 文,女,1953年生,高級工程師,主要從事SCADA/EMS設計工作。程度上的系統開放,除設計通常的計算語言系統外,還設計了面向上層應用的計算與控制表達定義及解釋的多樣化應用的環境。系統具 備下述語言元語:計算,邏輯,控制,過程。可生成上層的計算LIB、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,并將其包裝在數據庫外層,用于電力系統各類操作命令序列控制、智能操作票的生成、培訓仿真等應用。
