基于網(wǎng)絡技術的白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)研究

胡 康，談德才，陳 華

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.九寨溝水電開發(fā)有限責任公司，四川 阿壩藏族羌族自治州 624000)

0 引 言

隨著大量梯級水電站的建設和投入運行，水電站的管理已從單庫調(diào)度向流域梯級聯(lián)合調(diào)度轉型。在梯級聯(lián)合調(diào)度中，與單庫調(diào)度相比，流域梯級水電站群運行的生產(chǎn)環(huán)境和調(diào)度管理更加復雜。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)應運而生，為解決日益復雜的運行調(diào)度管理提供了方案。

網(wǎng)絡技術，在初期是計算機與通信相結合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)和發(fā)展使計算機應用發(fā)生了巨大的變化。計算機的處理模式從最初的以大型主機為核心的集中式運算和以個人電腦為基本單元的獨立處理后，已發(fā)展成現(xiàn)在的網(wǎng)絡計算，其應用范圍已遠遠超出了科學計算，成為綜合信息、通信和娛樂的工具，計算機網(wǎng)絡的發(fā)展即受到計算機科學技術和通信科學技術的支撐，又受到運用計算機網(wǎng)絡的那些專業(yè)領域技術的支持[1]。網(wǎng)絡技術的發(fā)展主要依托于以及表現(xiàn)在硬件方面以及網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展，硬件的發(fā)展相對較慢，但其每一次突破都會產(chǎn)生應用上的飛躍，如新一代因特網(wǎng)、移動IP技術、物聯(lián)網(wǎng)等[2]。其所產(chǎn)生的新的應用形式如大數(shù)據(jù)和云計算正深刻地改變著世界[3]；網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展非常迅速，并已逐漸滲透到各行各業(yè)中，如HTML協(xié)議的發(fā)展和完善導致調(diào)度系統(tǒng)軟件設計開發(fā)由C/S(Client/Server)模式轉向B/S(Brower/Server)模式。

隨著網(wǎng)絡硬件和網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展，梯級電站調(diào)度系統(tǒng)的設計開發(fā)也由C/S架構設計模式轉向B/S架構設計模式。目前，國內(nèi)關于水電站調(diào)度系統(tǒng)的成果已有很多，C/S模式的有河海大學的閩江流域預報調(diào)度系統(tǒng)[4]、南瑞集團的WDS-9000電網(wǎng)水調(diào)自動化系統(tǒng)[5]等；B/S模式的有重慶電網(wǎng)水電站群中長期發(fā)電調(diào)度決策系統(tǒng)[6]、橫江流域梯級水電站防洪及綜合調(diào)度系統(tǒng)[7]、柳江流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)[8]等。由于C/S模式存在工作量繁重、維護成本高、功能擴展困難、數(shù)據(jù)無法共享、跨平臺性差等缺陷[9]，現(xiàn)在的研究主要集中在B/S模式上。部分學者就對B/S模式下特定的網(wǎng)絡技術在水庫調(diào)度系統(tǒng)中的應用進行了研究，這些網(wǎng)絡技術有三層B/S結構、Web Service技術、面向對象技術和MVC技術等[10-12]。但網(wǎng)絡技術的應用涉及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、?shù)據(jù)安全和科學計算速度等關鍵問題，本文將以白水江梯級水電站群為研究對象，結合水文水資源專業(yè)和計算機信息化技術，針對上述問題展開研究和探討，并開發(fā)基于網(wǎng)絡技術下梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)。

1 基于網(wǎng)絡技術的三層架構系統(tǒng)設計

系統(tǒng)開發(fā)將遵循先進性、實用性、可靠性、安全性和開放性原則，采用最新的網(wǎng)絡應用開發(fā)技術，對于基于網(wǎng)絡技術的梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)進行設計。互聯(lián)網(wǎng)的普及，導致了大量網(wǎng)絡用戶的產(chǎn)生，這些迅速增長的用戶群使得網(wǎng)絡應用產(chǎn)生了新的形式。網(wǎng)絡應用開發(fā)也由面向控件的形式，基于各開發(fā)平臺已經(jīng)封裝好的類和對象，轉為直接面向網(wǎng)絡，直接基于像HTML、CSS、Javascript這些互聯(lián)網(wǎng)的基礎規(guī)范和技術。由于這些規(guī)范和技術是全球統(tǒng)一的，它在滿足互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的同時，也大大促進了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，同時自身也得到快速發(fā)展。一些新的網(wǎng)絡技術不斷涌現(xiàn)，如HTML5、CSS3、Bootstrap、JQuery、基于JQuery的HighCharts框架和HTTPS協(xié)議等。這些技術中有增強網(wǎng)絡信息安全的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如HTTPS；有增強網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率的協(xié)議和技術，如HTML5、Bootstrap、HighCharts等；還有增強開發(fā)效率和用戶體驗的技術等。白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)將基于這些新的網(wǎng)絡技術進行設計開發(fā)。根據(jù)研究任務要求和相關的功能模塊，可以把整個梯級水調(diào)度的高級應用系統(tǒng)納入一個總體的結構框架中。應用系統(tǒng)體系結構劃分三部分：數(shù)據(jù)層、應用支撐層、應用層。對應的軟件平臺為：協(xié)同數(shù)據(jù)平臺、算法調(diào)度平臺、綜合管理平臺。系統(tǒng)框架及軟件平臺結構見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構圖

數(shù)據(jù)層主要包括實時水雨情數(shù)據(jù)庫(氣象業(yè)務系統(tǒng)提供)、調(diào)度數(shù)據(jù)庫和預報數(shù)據(jù)庫等。為了支持應用服務，需要做好與水情(氣象)和水調(diào)的接口程序，將采用標準化方法來設計。為了支持應用服務，數(shù)據(jù)層需要采用第三方提供的數(shù)據(jù)接口，主要指連接調(diào)度庫采用的WebServices應用接口；同時提供了數(shù)據(jù)傳輸接口，主要指長中短期發(fā)電調(diào)度計劃編制和96點日前發(fā)電計劃的上傳信息等。

協(xié)同數(shù)據(jù)平臺的邏輯處理內(nèi)容如下：①基礎業(yè)務數(shù)據(jù)存儲；②存儲綜合管理平臺對算法平臺的請求以及相關參數(shù)；③存儲算法平臺相關狀態(tài)；④存儲計算結果；⑤存儲相關報表的觸發(fā)器和存儲過程。

應用支撐層主要包括基礎應用服務、高級應用業(yè)務服務、基礎數(shù)據(jù)維護三大部分組成，主要利用標準控件來提供應用基礎服務，根據(jù)應用業(yè)務要求，通過再開發(fā)形成應用支持層?；A應用服務包括常用的各種圖形、表格、數(shù)據(jù)結構、通用算法、用戶管理，這些服務通過標準數(shù)據(jù)、圖形、表格控件和標準函數(shù)來實現(xiàn)。高級業(yè)務應用支持主要包括發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型、水電負荷分配算法和常規(guī)調(diào)度計算方法等，為了便于系統(tǒng)可擴展和維護，采用標準化的模型控件來設計。基礎數(shù)據(jù)維護主要提供與第三方接口、數(shù)據(jù)通信、基礎數(shù)據(jù)增加、刪除、編輯等功能，采用標準控件來實現(xiàn)。根據(jù)任務要求，將形成梯級水電站中長期發(fā)電優(yōu)化、短期(實時)優(yōu)化調(diào)度和數(shù)據(jù)維護等3個應用支撐服務。

算法調(diào)度平臺的邏輯處理內(nèi)容如下：①從協(xié)同數(shù)據(jù)平臺監(jiān)聽計算請求，并讀取相關參數(shù)；②向協(xié)同數(shù)據(jù)平臺反饋請求狀態(tài)；③計算結果，并存放到協(xié)同數(shù)據(jù)平臺。

應用層主要包括長中短期發(fā)電優(yōu)化、實時調(diào)度、評價分析和數(shù)據(jù)維護等的業(yè)務應用，用戶操作鼠標、鍵盤，通過瀏覽器方式就可以完成相關的應用操作。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術研究

在B/S模式的梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)中，計算服務都發(fā)生在中心服務器上，用戶通過瀏覽器與數(shù)據(jù)傳輸通道和服務器相連，獲取數(shù)據(jù)服務。這也使得系統(tǒng)在運行有些問題需要解決。在服務器端，由于梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是一個典型的高維、多約束、非線性復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題[13]，計算工作量大；同時，由于系統(tǒng)是運行在網(wǎng)絡中的，會有多用戶同時訪問的情況發(fā)生，這對于服務器是承重的負擔。在數(shù)據(jù)傳輸通道上，基本上所有的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸都是采用TCP/IP協(xié)議進行，這可能會導致傳輸鏈路上數(shù)據(jù)的擁堵和信息的泄露。在瀏覽器端，由于瀏覽器只識別HTML、CSS、Javascript，這使得系統(tǒng)在顯示專業(yè)圖表時開發(fā)任務繁重。在白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)中，通過以下技術可有效解決這些問題。

2.1 梯級水電站調(diào)度標準化動態(tài)庫

在科學計算問題上，C#(面向對象的高級語言)不如Fortran(面向科學計算)、C(面向計算機底層)高效。將使用計算效率高的語言寫成的梯級水電站調(diào)度算法編譯成動態(tài)鏈接庫供C#調(diào)用，提高算法計算效率；同時C#通過并行調(diào)用動態(tài)庫，充分利用計算機的并行計算性能。這將能大大提高服務器的計算服務能力。通過定義標準化的動態(tài)庫接口，發(fā)揮兩種語言各自的優(yōu)勢，系統(tǒng)的結構和功能得到分離，系統(tǒng)的可移植性和可擴展性均得到加強。

2.2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術

在基于網(wǎng)絡技術的應用中，一個很關鍵的問題是數(shù)據(jù)傳輸效率的問題。結合AJAX和JSON技術可以使我們在不用增加硬件成本的基礎大大增強用戶體驗。

AJAX使瀏覽器可以為用戶提供更為自然的瀏覽體驗。在AJAX之前，Web站點強制用戶進入提交/等待/重新顯示范例，用戶的動作總是與服務器的“思考時間”同步。AJAX提供與服務器異步通信的能力，從而使用戶從請求/響應的循環(huán)中解脫出來。JSON(JavaScript Object Notation)是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。

在本項目中，我們將使用JavaScript對象標志(JSON)和JSON分析器在服務器和客戶端AJAX引擎之間創(chuàng)建復雜而強有力的JSON數(shù)據(jù)傳輸層。具體過程包括：創(chuàng)建一組JavaScript對象；把JavaScript對象串行化為JSON；把JSON反串行化為客戶端JavaScript對象。

2.3 信息安全保障技術

常見WEB攻擊方式有SQL注入攻擊、XSS腳本攻擊、CSRF請求偽造和md5加密安全碰撞攻擊。其中，SQL注入攻擊通過把SQL命令插入到Web表單提交或輸入域名或頁面請求的查詢字符串，最終達到欺騙服務器執(zhí)行惡意的SQL命令；XSS(Cross-site scripting)，它是一種網(wǎng)站應用程序的安全漏洞攻擊，是代碼注入的一種，它允許惡意用戶將代碼注入網(wǎng)頁上，其他用戶在觀看網(wǎng)頁時就會受到影響；CSRF(Cross-site request forgery)跨站請求偽造是一種對網(wǎng)站的惡意利用；md5是一種不可逆加密算法，但攻擊者可以利用MD5彩虹表以及互聯(lián)網(wǎng)上的共用解密平臺，通過MD5碰撞逆推加密前的原始字符串。

本系統(tǒng)基于ASP.NET MVC框架，系統(tǒng)的安全體系架構如圖2。在應對SQL注入攻擊時，由于用戶的所有請求是由核心控制器模塊調(diào)度的，這就防止了用戶直接操作數(shù)據(jù)庫的可能，同是ORM結構又在訪問數(shù)據(jù)庫時提供了一種關系映射機制，這樣就完全杜絕好任何SQL注入攻擊的可能。在應對XSS腳本攻擊時，前端本系統(tǒng)采用成熟的 JQuery 及 Razor框架結構，配合合理的過濾策略可以很好地防止對惡意腳本請求。在應對CSRF請求偽造攻擊時，本系統(tǒng)合理的設計，可有效防止偽造Cookies的可能，同時asp.net MVC有著強大的過濾功能，能自動辨別任何偽造的Session請求。在應對加密安全碰撞攻擊時，系統(tǒng)研發(fā)采用了安全 MD5加鹽算法，大大增加了反查難度。

圖2 基于MVC模式的系統(tǒng)安全體系

2.4 Web圖表顯示技術

基于網(wǎng)絡技術的白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)需要大量圖表顯示，圖表顯示的效果直接影響著用戶體驗。本系統(tǒng)采用基于Highcharts的多元化圖形提供優(yōu)良的用戶體驗。

Highcharts是一個用純JavaScript編寫的一個圖表庫，能夠便捷的在web網(wǎng)站或是web應用程序添加有交互性的圖表，支持的圖表類型有曲線圖、柱狀圖、餅狀圖、散狀點圖和綜合圖表。HighCharts的主要特性包括：

(1) 兼容性：HighCharts采用純JavaScript編寫，兼容當今大部分的瀏覽器，包括Safari、IE和火狐等等。

(2) 支持大部分圖表類型：HighCharts支持圖表類型，包括曲線圖、區(qū)域圖、柱狀圖、餅狀圖、散狀點圖和綜合圖表等等，可以滿足各種需求。

(3) 提示功能：HighCharts生成的圖表中，可以設置在數(shù)據(jù)點上顯示提示效果，即將鼠標移動到某個數(shù)據(jù)點上，可以顯示該點的詳細數(shù)據(jù)，并且可以對顯示效果進行設置。

(4) 放大功能：HighCharts可以大量數(shù)據(jù)集中顯示，并且可以放大某一部分的圖形，將圖表的精度增大，進行詳細的顯示，可以選擇橫向或者縱向放大。

3 應用實現(xiàn)

白水江為白龍江的一級支流，發(fā)源于岷山山脈東麓，全長287 km，天然落差2 958 m，河道平均比降1.03%，流域面積8 316 km2。白水江規(guī)劃為“一庫七級”開發(fā)方案，目前已完成“一庫四級”開發(fā)，自上至下依次為：多諾(龍頭水庫)電站、黑河塘電站、雙河電站和青龍電站。

白水江流域已建的“一庫四級”電站中，通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和模擬發(fā)現(xiàn)：在使用了調(diào)度系統(tǒng)的情況下，梯級電站、黑河塘、雙河以及青龍的多年平均年發(fā)電量分別提高了2.3%(0.37億kWh)、4.5%(0.18億kWh)、2.8%(0.1億kWh)、2%(0.09億kWh)，裝機年平均利用小時數(shù)分別提高了2.4%(416 h)、4.5%(209 h)、2.8%(123 h)、2%(84 h)。增加效果顯著。見表1。

白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)平臺為VS2012，運行平臺為WINDOWS SERVER 2012。數(shù)據(jù)庫軟件使用SQLSERVER2012，通過Entity Framework訪問數(shù)據(jù)庫，使用泛型編程技術封裝數(shù)據(jù)訪問類，在業(yè)務邏輯層調(diào)用梯級水電站調(diào)度標準化動態(tài)庫，并使用linq語法和lamdba表達式為動態(tài)庫的輸入輸出準備數(shù)據(jù)。顯示層采用MVC框架，WEB前端使用Razor引擎以及眾多的JQuery框架。整個開發(fā)過程流程規(guī)范合理，團隊合作良好，高效，使用了最新的網(wǎng)絡開發(fā)技術，有效地解決了系統(tǒng)開發(fā)和運行中的一些問題，并重點考慮和解決了網(wǎng)絡信息安全問題。本系統(tǒng)主要功能模塊有：基礎信息維護、中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、短期優(yōu)化調(diào)度和方案管理與評價等。

表1 已建電站基本信息

系統(tǒng)在目標服務器上首先部署數(shù)據(jù)庫和發(fā)布網(wǎng)站后，便可在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)上訪問。主界面上功能菜單包括：基礎數(shù)據(jù)管理、水庫實時水情、中長期調(diào)度、短期調(diào)度以及系統(tǒng)設置。以短期調(diào)度以電定水為例，新增以電定水方案，系統(tǒng)會加載默認的水位、流量、電價、機組數(shù)據(jù)等約束條件，也可人工進行修改，界面如圖3所示。然后點擊計算，系統(tǒng)會調(diào)用相應的調(diào)度算法進行計算，結果會存入數(shù)據(jù)庫供讀取和顯示。調(diào)度結果如圖4和圖5所示。

圖3 以電定水新增方案

圖4 水位流量過程線

圖5 機組出力圖

4 結 語

白水江梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)基于結構與功能分離的理念，采用平臺化的設計思路和分層的設計方法，建立了數(shù)據(jù)層、應用支撐層、應用層，分別對應協(xié)同數(shù)據(jù)平臺、算法調(diào)度平臺、綜合管理平臺。系統(tǒng)結構合理，邏輯清晰，可以很方便地移植到其他流域。同時，本文總結了基于網(wǎng)絡技術的梯級水電站調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)和運行中的一些難題，并在具體的開發(fā)實踐中給出了解決方案：①通過并行調(diào)用科學計算語言編寫的標準化動態(tài)庫，有效解決了服務器負載重的問題；②結合AJAX和JSON技術提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率；③通過ASP.NET MVC的安全體系架構有力地防止了信息安全問題的出現(xiàn)；④使用HighCharts等JQuery框架，增強瀏覽器前端顯示效果，給用戶良好的交互體驗。通過實踐應用證明，系統(tǒng)界面友好，數(shù)據(jù)傳輸安全，計算效率高，為白水江流域的梯級水電站調(diào)度運行管理提供了強有力的支持。

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