面向電網規劃平臺的應用數據子系統架構設計

杜振東，蘭洲，戴攀

0 引言

電網規劃是電力系統建設中一項重要且復雜的準備工作，規劃質量直接影響電網投資效益及電網運行安全[1-5]。目前，中國電網建設正朝堅強智能電網方向前進[6]，這對電網規劃提出了更高要求。合理的電網規劃是保證堅強電網的前提，并為電力市場提供規范、有效、有序的競爭平臺。電網規劃仿真在實際規劃之前模擬規劃的過程，對結果進行分析評估，對實際的電網仿真具有指導和借鑒的意義[7]。采用開放式結構，提供關鍵功能冗余的、支持分布式處理環境的網絡體系結構，滿足可擴充性、安全可靠性、開放性、易維護性等要求，是電網規劃仿真實驗平臺對應用數據子系統最基本的需求[8-9]。從電網規劃仿真工作的實際出發，通過分析電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的需求得出，電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統首先要從各個系統獲取電網規劃和仿真的基本數據。其次，要求數據的準確性和同步的及時性。實際上，這是解決諸多二次系統的集成問題，選擇正確的集成方法論對整個項目的成敗至關重要[10-14]。

傳統的集成方式采用點對點的集成框架，由于接口不可重用、接口無法升級等特點，接口式的數據集成并不能夠適應企業長期的集成目標。本文根據信息技術發展的成果，我們選取最新的基于數據總線的集成方法，在 CIM/CIS和數據規范化研究的基礎上，建立了數據中心數據集成平臺、完整的接口體系以及數據交換平臺，最大程度地實現了數據的接入、共享和交換。

1 電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統總體架構設計

針對電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的信息化特點，從系統的設計目標和功能要求出發，結合目前先進且成熟的信息技術與理念來設計系統，力求建設一套實用、先進、成熟、可靠的電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統，為電網規劃仿真提供可靠而全面的基礎數據，提高電網規劃仿真水平，驗證篩選合理的規劃方案，創造更大的經濟效益和社會效益。系統總體設計如圖1所示：

圖1 電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統系統總體架構設計圖

基礎數據來源與ERP系統、PMS系統和SCADA系統，通過不同的數據適配器接口通過統一的數據服務總線匯集到數據倉庫中，分為實時數據、歷史數據、圖形數據和GIS信息數據。與數據服務對應的是應用服務，應用數據子系統通過應用服務總線為電網規劃仿真平臺提供如算法調用等相關的應用服務。

2 電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統軟件架構

CORBA是解決跨異構系統分布式計算技術的理想方案之一，著重解決異構環境中分布式對象之間的互操作問題，在COM、DCOM等眾多中間件中，CORBA的實時性是最好的，CORBA既允許靜態調用，也允許動態調用，還具有高級語言聯編、系統自描述等優點。CORBA分布式對象模型與J2EE環境通過JavaIDL相結合代表了最具互操作性的分布式使能標準模型，因此，將電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統定位于基于CORBA/J2EE多層C/S和B/S混合構架的軟件系統。

2.1 系統軟件邏輯層次

系統軟件邏輯層次，如圖2所示：

圖2 系統軟件邏輯層次圖

2.1.1 應用中間件

應用中間件可以看作上層應用系統和底層不同硬件體系、不同操作系統之間的一個中間件軟件包，該軟件包有效地將上層應用和底層系統隔離開，同時建立在不同的計算機體系結構和操作系統之上的分布式并行運行平臺，為上層應用的設計和運行提供一種開發平臺和運行的環境。本系統采用分布式公用對象請求代理體系結構中間件CORBA、J2EE總線作為系統的通信和集成框架。

2.1.2 數據支持層

本系統采用oracle數據庫作為系統的數據庫平臺，負責管理應用系統的數據資源，通過大型關系數據庫管理系統，實現業務數據存儲管理服務，完成數據的存儲、檢索、優化、自我故障診斷備份、恢復等操作。同時數據總線還包括對其他現有系統的數據資源的集成。數據層通過數據模型有效地建立數據庫結構，客觀地反映系統中數據間存在的有機聯系，實現整個電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統數據的集中存儲，建立統一業務數據整合平臺。

2.1.3 服務支持層

服務支持層包括服務支持和算法服務庫。其中服務支持由系統應用框架，業務模型、調用控制、視圖表示組成。系統應用框架為整個系統提供所有功能模塊都必須的公共服務，業務模型、調用控制、視圖表示分別對應模型，控制器和視圖。

2.1.4 展現層

展現層事實上是功能模塊層分析結果的展現，采取B/S模式進行實時及預測信息發布，根據電網的當前狀態及變化趨勢，實時給系統使用人員提供預警或告警信號，并給出相應的建議措施，輔助運行人員及生產管理人員做出決策。

2.2 軟件平臺

2.2.1 軟件配置及設計原則

本系統的軟件配置及設計應遵循下列基本原則：

系統應能夠提供實時的、多任務的和多用戶的運行環境，應提供高優先級過程可以中斷低優先級過程的機制，應能夠監視高分辨率時鐘和定時喚醒相應的進程，能夠響應和處理各種硬件和軟件的中斷請求，并能夠自動安排其優先級。

數據庫服務器、應用服務器、WEB服務器等必須采用UNIX操作系統。所有工作站既支持UNIX/Linux，也可支持WINDOWS系統。系統應提供相應的機制來保護數據和文件不受破壞，只有允許的特權進程可以讀寫指定的數據區域。為支持硬件的各類驅動程序應包含在操作系統內。

2.2.2 數據庫

數據庫是信息系統的核心，所有的應用如 WEB、信息交換、數據處理等都圍繞著數據庫。作為中心信息系統數據庫，必須滿足并發用戶對數據庫數據的安全訪問，其存儲的數據也必須有較大的擴充能力，并必須具有較高的開放程度和良好的互操作性，可滿足關鍵性業務的高可靠性要求。采用的數據庫為企業級Oracle。

3 電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統功能設計

電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統通用功能包括：數據交換平臺、數據中心、模型中心、圖形中心、數據展示、數據查詢、信息服務、WEB、統一的信息維護平臺、對接入/嵌入第三方應用功能提供統一的平臺支撐等基本功能。

3.1 應用中間件層功能設計

3.1.1 系統管理

系統管理是系統的核心功能，它負責系統核心的構建和維護。具有如下基本功能：系統基本配置管理；系統節點管理；系統服務器管理；統進程管理；統基本運行環境配置。

3.1.2 系統安全

系統安全管理主要提供系統安全解決方案，保護計算機安全運行，如圖3所示：

圖3 系統安全管理示意圖

操作系統安全策略，網絡安全（防止黑客入侵）。病毒檢測，漏洞掃描，密碼管理等。

3.1.3 系統診斷

系統提供了大量的監視診斷工具，可以保證在系統即將出現故障或者出現故障時預防故障發生或者快速恢復系統，保證系統安全可靠運行。包括：系統運行工況監視；監視通信網關本地共享信息及接收信息；訊網關的連接管理及運行工況監視；故障診斷功能；監視及診斷結果可以查詢和管理；通過系統日志診斷系統。

3.1.4 網絡管理

電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統是一個分布式系統，網絡結構復雜，網絡節點眾多，為了保證網絡的可靠運行，系統提供了一系列的網絡管理功能：配置系統網絡節點；配置服務器網絡節點；監視網絡運行工況；雙網自動切換；雙網自動負載均衡。

3.1.5 進程管理

由于系統功能復雜、應用眾多，因此每個節點都要運行大量的進程來實現不同功能，為了保證個進程正常運行，系統提供了完善可靠的進程管理功能：配置不同節點上運行的進程；配置不同服務器上運行的進程；配置守護、周期、定時等進程啟動方式；監視不同節點上進程的運行工況；進程異常時產生報警，并自動重啟。

3.1.6 冗余管理

為了保證系統的安全運行，系統采用了多種冗余方式：網絡冗余；服務冗余。

3.1.7 服務定位

系統提供了統一的服務定位機制，應用需要與某一服務進行交互時，無須關心該服務位于系統中的哪個節點、IP是什么等等，而只需要提供服務名，系統平臺中間層的服務定位模塊會立刻將應用與服務關聯。

3.1.8 實時庫

實時庫是電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的實時數據核心，它采用客戶/服務器體系結構，以高速RAM存儲器為存儲介質，通過標準的、統一的、開放的、透明的數據接口為廣大客戶提供了快速數據存取，它不僅具有良好的實時性，同時也支持多客戶并發訪問。

實時庫具有如下功能特點：分布式客戶/服務器體系結構；豐富多樣的訪問模式；靈活開放的訪問接口；實時庫在線構建；多數據集支持；自動一致性；數據轉儲與恢復；實時庫展現工具；實時庫維護工具。

3.1.9 日志記錄

系統提供了通用日志功能，每個應用都可以根據自己的實際定義不同的日志格式。主要具有如下日志功能：操作日志；運行日志；日志查詢。

3.1.10 基于CORBA的軟總線

CORBA為解決數據庫系統異構性提供了基礎設施，為設計和實現分布式多數據源集成系統提供了非常好的方法和中間件功能，并且大大減輕了開發工作量，使系統具有良好的開放性、可擴展性和可伸縮性。

3.2 數據支持層功能設計

3.2.1 基于CIM/CIS的數據總線

CIM/CIS數據總線是基于 CORBA標準技術的、遵從IEC國際規范CIM/CIS的數據訪問總線。該總線支持多種語言訪問，如C++、Java、PHP等等，能夠為開發提供開放的服務，有利于應用層的實現。該總線基于CIM/CIS，保證了其它其它遵從 CIM/CIS相關應用的系統能夠友好地訪問應用數據子系統中的數據。

3.2.2 日志服務

豐富的日志信息，方便系統的調試和故障查找。系統統一管理所有的日志信息，提供共享緩沖區，所有應用程序及系統的日志信息都放在該緩沖區，提供專用的工具方便地查詢所有的日志信息，對遠程查詢也提供可靠方便的方式，詳細的日志信息對系統調試及故障查找等起著至關重要的作用，及時解決問題對系統的連續可靠運行提供了保障。系統日志功能如圖4所示：

圖4 系統日志功能示意圖

3.2.3 全局數據字典

元數據（Metadata ）是“關于數據的數據”，描述已有應用系統中的數據的位置、來源、內容、屬性和狀態。元數據映射是將CIM中的類與現有的數據庫中的表進行映射，由于CIM是對象模型，而現在的數據庫大多是關系型數據庫，因此有些類和屬性無法與現有數據庫表列進行一一映射，此時，元數據映射可以對這些類或屬性定義一定的操作方法，從而有效的實現模型轉換。

通過元數據映射將現有系統各異的數據模型可以映射成為統一的符合IEC61970標準的模型，從而有效的消除了由于數據模型不一致給企業集成帶來的障礙。元數據映射如圖5所示：

圖5 元數據映射示意圖

3.2.4 資源中心

模型中心：電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統按照CIM模型對電網進行面向對象建模，保證系統模型的可擴展性，接入多系統中的電網模型的全部信息。

實時數據中心：實時數據中心是企業實時信息的加工、存儲和保護中心，對于實時數據的完整性、準確性、及時性以及安全性有重要的作用。實時數據中心在物理上表現為服務器和存儲系統的集中部署，網絡是實時數據中心生存的基礎。

歷史數據中心：將接入的多系統的實時數據按照周期、手工、事件驅動等方式存盤，形成一個強大的歷史數據中心。

文件數據中心：系統間數據交換最容易實現的方式是通過數據中間文件進行交互，尤其表現在跨物理隔離的數據傳輸。對于系統的一些重要配置信息和日志信息，也通過文件進行備份，因此需要對這些文件進行集中管理，一方面，能夠提高對這些文件的使用效率，另一個方面，能夠提高文件數據的安全性。

圖形中心：圖形中心從各應用系統獲取圖形文件，轉換成標準SVG圖形格式，導入數據平臺存儲。

資源中心同時提供了對以上信息的訪問接口和訪問方式。

3.2.5 數據交換

數據交換滿足內外平臺之間的數據同步、各系統通過電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統進行數據交換、其它系統對電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的數據訪問。

當前數據交換在數據訪問上提供如下方式：CIM/CIS接口；私有的接口；規約；文件；商用數據庫接口；CIM/XML和E語言；Web Service。

數據交換類型包括：文件到文件；文件到數據庫；數據庫到文件；數據庫到數據庫。

交換啟動類型包括：周期啟動、定時啟動和手工啟動。

數據交換可以自定義路徑配置，包括源地址和目的地址，且可以跨I、II、III、IV區。具備數據中轉站功能，可作為同一安全區內圖形、模型、歷史數據的中轉站。

3.2.6 CIS服務

為了有效解決電力行業各系統之間的數據交互問題，國際電工組織（IEC）規范了電力企業信息模型（CIM）以及基于該模型的信息訪問接口（CIS），如圖6所示：

圖6 基于CIM的CIS接口與OMG接口的關系

同時，國際對象管理組織（OMG）為工業自動化系統制定了一套類似的工業自動化標準接口，它包括數據訪問設施（DAF）、工業系統數據訪問（DAIS）和工業系統歷史數據訪問（HDAIS）。為了和OMG保持一致性，IEC將CIS接口適配到OMG定義的這套工業自動化標準接口，并更具需要，對OMG的接口做了適度的擴展。

3.2.7 導入導出

XML/RDF基模型導出器的功能是將SCADA/EMS系統的數據格式轉換為IEC61970/CIM的標準格式，將經過格式轉換的電網模型數據導出為XML文件。XML/RDF基模型導出器的工作流程為，如圖7所示：

圖7 電網基模型導出模塊工作流程

3.2.8 Web Services

基于Web Service的集成技術作為一種新的面向函數和方法的應用集成技術，在很大程度上解決了原有集成技術在Internet遠程通信方面的問題。Web Service基于XML文檔進行服務描述，服務請求和反饋結果，可以在Internet上通過HTTP協議進行傳遞，很容易的被訪問和返回結果。同時，由于Web Service的相關標準都是W3C的開放協議，與平臺和操作系統無關，不同的平臺和操作系統上的 Web Service的實現在很大程度上可以做到互操作，這就使異構平臺上應用的集成變得很容易。

3.3 展現層功能設計

3.3.1 人機界面

人機界面系統是基于網絡窗口系統 X-Window, 工業標準OSF/Motif或 Windows和最新的三維圖形標準 OpenGL而開發的分布式的全圖形化人機接口，具有如下功能特點：窗口系統及畫面顯示系統；交互式操作管理；趨勢曲線功能；畫面的拷貝功能；記事本功能；報警功能SVG等圖形格式的支持；自動刷新。

3.3.2 圖模工具

系統提供了一個全圖形的畫面零件編輯器和各種畫面編輯器，各種畫面零件的生成和編輯操作實現了100%的鼠標化，畫面的生成即可以在放大模式下也可以是在縮小模式下，在畫面編輯器里提供了動態圖元的編輯，模擬量，狀態量的編輯，以及對其他圖象格式文件的編輯。該圖模工具具有如下功能特點：圖模庫一體化支持；全圖形畫面編輯；豐富的基本圖形元件；用戶自定義圖形元件；全網圖形文件同步；嚴格的圖形版本管理。

3.3.3 WEB平臺

系統為用戶提供了統一的WEB發布平臺來方便的對電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的各種模型、圖形、數據進行靈活的展示。其具有以下幾個功能特點：統一的權限管理；統一的電網模型維護；電網參數一體化管理；統一報表管理；統一圖形發布；多數據源管理；系統通知機制；WEB瀏覽。

3.3.4 綜合報表

電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統提供了通用、靈活、開放的通用綜合報表系統。該報表系統具有如下功能特點：兼容 Excel；面向對象的報表制作；多數據源支持；二次計算功能；可擴展的報表種類；面向對象的人性化的報表制作工具；大量的數據展現方式；靈活多樣的自動發布；可擴展的計算、分析、統計功能；豐富多樣的輸出格式；強大的查詢修改功能；安全可靠的權限驗證。

3.3.5 信息服務

電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統作為一個模型中心、數據中心、圖形中心，為本系統應用和第三方應用通過不同的接口方式提供了以下幾種信息服務：歷史數據發布；模型參數數據發布；實時數據發布；圖形數據發布。

4 總結

電網規劃工作的復雜性決定了電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的設計難度。本文從總體架構到具體功能，詳細論述了電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統的設計思路。基于 CIM/CIS和數據規范化采用了最新的基于數據總線和服務總線的集成方法，對上層提供多種應用服務接口，以實現上層接口的統一和跨平臺功能；對下層提供多種數據適配接口，以屏蔽來自不同數據體系的數據結構差異。通過數據集成交換平臺最大程度地實現了數據的接入、共享和交換。在結構上采用開放式結構，提供關鍵功能冗余的、支持分布式處理環境的網絡體系結構，滿足可擴充性、安全可靠性、開放性、易維護性需求。

該系統目前已經在浙江省經研院得到了初步的應用。本文設計的電網規劃研究仿真實驗室應用數據子系統為浙江省電網規劃工作提供了全面可靠的數據服務，大大提高了電網規劃工作的效率，提高了電網規劃方案的準確性，具有很高的推廣價值。

[1] 電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 周鯤鵬,方仍存,顏炯,等.電網規劃智能輔助決策系統的設計與實現[J].電力系統自動化,2013,37(3): 77-82.

[3] 羅鳳章,王成山,肖俊,等.上海城市配電網規劃輔助決策系統[J].電網技術,2009,33(3):79-88.

[4] 杜旭,申剛,劉中勝,等.電網規劃管理信息系統數據庫的研究與實現[J].電網技術,2013,25(2):163-166.

[5] 李峰,劉正超,羅鳳章,等.廣東電網一體化規劃信息系統研究與應用[J]電網技術,.2011,23(5):151-156.

[6] 肖世杰.構建中國智能電網技術思考[J].電力系統自動化,2009,33(9):1-4.

[7] 王偉,張粒子,舒雋,等.基于系統動力學的宏觀層電網規劃的仿真模型[J].中國電機工程學報,2008,28(4): 88-93.

[8] 王璞,王承民,金義雄,等.城市電網規劃數據的公共信息模型(CIM)[J].電力信息化,2009(11):55-58.

[9] 仇衛東,馮建雷,黃平.電網規劃基礎數據管理分析[J].電力建設,2011,32(10): 87-89.

[10] 郭金根,劉曄.基于 IEC61970 的智能電網數據采集平臺設計[J].浙江電力,2010,29(8):41-44.

[11] 張華峰,韓旭杉.SG186 業務應用系統數據庫整合模式[J].電力建設,2010,31(8).

[12] 欒文鵬,葛占君.城市電網規劃計算機輔助決策系統的應用[J].中國電力,1995,28(11):43-45.

[13] 孫海斌,徐高飛.城市電網規劃智能決策支持系統[J].江蘇電機工程,1999,18(2):16-19.

[14] 李勇,劉寧.城市電網規劃中若干問題的探討[J].供電企業管理,2009(6):37-38.