融合外部信息的電力調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 媛，劉俊勇，劉 洋

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

近年來罕見的臺(tái)風(fēng)、冰災(zāi)、地震等現(xiàn)象既說明了堅(jiān)強(qiáng)的一次系統(tǒng)是電力可靠性最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］，同時(shí)也表明在極端外部環(huán)境引發(fā)的巨型停電災(zāi)難下，需要為調(diào)度員引入三維地理、氣象、雷電等外部信息.未來智能電網(wǎng)面對(duì)的數(shù)據(jù)和信息將日益復(fù)雜并呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，各種信息之間的關(guān)聯(lián)程度也將越來越緊密［2］.因此，需要建立大范圍、多層次的外部共享知識(shí)信息，幫助調(diào)度員高效直接的控制.

現(xiàn)有的電力調(diào)度中心基本具有完整的電網(wǎng)運(yùn)行的一次、二次數(shù)據(jù)，通過SCADA/EMS、WAMS系統(tǒng)以及水調(diào)系統(tǒng)等［3］對(duì)電氣信息量進(jìn)行采集和監(jiān)控.氣象、水文、地質(zhì)等信息通常是通過相關(guān)部門轉(zhuǎn)發(fā)過來的一個(gè)個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)或數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)分散，交叉部分一致性較差，關(guān)聯(lián)部分缺乏必要的整合，難以同電氣信息融合，故需進(jìn)行綜合分析統(tǒng)計(jì)和深度挖掘，形成對(duì)調(diào)度員決策有價(jià)值的知識(shí)體系.

針對(duì)上述情況，筆者通過深入分析電網(wǎng)對(duì)外部信息的應(yīng)用需求，提出建立電力系統(tǒng)一次、二次信息以及三維地理、氣象、雷電等外部信息融合的數(shù)據(jù)平臺(tái)，以面向服務(wù)的體系構(gòu)架實(shí)現(xiàn)分布式構(gòu)件之間跨平臺(tái)、松耦合操作，利用2D/3D混合可視化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行融合和展示，為調(diào)度員在極端外部災(zāi)害面前提供強(qiáng)大的信息支撐，也為正常條件下調(diào)度員對(duì)事故的處理提供更豐富的信息，使其決策更科學(xué).

1 系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

融合外部信息的電力調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠接收電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的不同安全分區(qū)的信息，這些信息采用不同傳輸方式，其各有特點(diǎn)，如三維地理信息數(shù)據(jù)雖然精度較高，但對(duì)電網(wǎng)模型的衛(wèi)圖影像不能進(jìn)行解讀，且缺少對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、對(duì)比、分析、篩選、統(tǒng)計(jì)等功能，數(shù)據(jù)錄入效率低下.而傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)雖然能對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、分析，但無法加載和電網(wǎng)模型相關(guān)的三維地理、氣象、雷電等信息.因此，融合外部信息的電力調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)遵循國(guó)家電力調(diào)度通信中心對(duì)于調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合的指導(dǎo)思想和總體框架要求［4］，以及電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)體系要求搭建系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)各區(qū)之間的數(shù)據(jù)交互，通過安全密碼、分級(jí)控制機(jī)制進(jìn)行正反向?qū)?，按?guī)定格式進(jìn)行模型、數(shù)據(jù)歸并整理.

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service－Oriented Architecture，SOA）［5］使用自治、平臺(tái)獨(dú)立、松耦合且可重用的服務(wù)作為基本元素來快速低成本地構(gòu)建可互操作、可進(jìn)化的分布式軟件應(yīng)用，能夠靈活快速地應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的頻繁變化.采用基于SOA的數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)可以解決數(shù)據(jù)之間及系統(tǒng)之間無法互聯(lián)互通的情況.它以服務(wù)接口和服務(wù)實(shí)現(xiàn)的方式呈現(xiàn)，將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過服務(wù)之間定義的接口和契約聯(lián)系起來，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 融合外部信息的電力調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of external information fused power grid dispatching system

在該系統(tǒng)平臺(tái)中各種外部信息及電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息以“服務(wù)”形式提供，服務(wù)組件為服務(wù)提供統(tǒng)一的服務(wù)接口規(guī)范，使服務(wù)之間能夠互聯(lián)、互通以及互操作，并提供一種數(shù)據(jù)描述機(jī)制，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享，滿足服務(wù)對(duì)外公布/訂購(gòu)數(shù)據(jù)的需求.

系統(tǒng)的平臺(tái)層是服務(wù)與應(yīng)用分離的基礎(chǔ)，它便于實(shí)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)中各個(gè)組成部分的“即插即用”，使系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)充性，并組合不同的服務(wù)，滿足用戶需求.因此，平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下功能：

1）接口及信息的規(guī)范化.運(yùn)行平臺(tái)是一條服務(wù)總線，各種電網(wǎng)外部信息按統(tǒng)一的接口規(guī)范插入到總線上，并保證各種類型的電網(wǎng)外部信息按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入系統(tǒng)與其它服務(wù)發(fā)生交互.

2）管理功能.管理中心使用戶能在該中心注冊(cè)電網(wǎng)外部信息服務(wù)組件并查詢其它電網(wǎng)外部信息進(jìn)而訪問它.服務(wù)管理中心接受服務(wù)的注冊(cè)，并為使用者提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)和訪問機(jī)制，此外，它還需存儲(chǔ)服務(wù)的接口信息、功能模型、數(shù)據(jù)交互內(nèi)容以及請(qǐng)求位置等.同時(shí)，服務(wù)管理中心還負(fù)責(zé)各種電網(wǎng)外部信息系統(tǒng)的檢索、維護(hù)和更新等任務(wù).

3）組合功能.服務(wù)組合功能需要提供組合機(jī)制使得不同的電網(wǎng)外部信息可以組合，形成滿足用戶需求的服務(wù)，并且這種組合需要從語法、語義、語用和概念4個(gè)層次解決運(yùn)行服務(wù)的互操作問題.

應(yīng)用層提供相關(guān)電網(wǎng)外部信息數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)、用戶交互等，按照人機(jī)互動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)出若干能有效整合數(shù)據(jù)的界面，把系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)抽取出來，用人最關(guān)心的特性及視覺方式展現(xiàn)等.

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1）數(shù)據(jù)的采集.

數(shù)據(jù)平臺(tái)能接收各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).采集的數(shù)據(jù)源一般是本地各種應(yīng)用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)報(bào)文，或通過傳輸系統(tǒng)送達(dá)的數(shù)據(jù).由于它涵蓋的信息面廣，涉及的數(shù)據(jù)采集文件格式有文本、SVG，XML及E格式等；能接收按特定規(guī)約（如104，102規(guī)約）傳送的實(shí)時(shí)報(bào)文信息；能抽取包括 Oracle，SQL，Server，Sybase等歷史數(shù)據(jù)庫中的信息.通過定義映射，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ).

2）數(shù)據(jù)分析.

三維地理信息和基本天氣預(yù)報(bào)信息是構(gòu)成電網(wǎng)外部信息的基本組成.在人類對(duì)外界的認(rèn)知中已基本形成了對(duì)空間地理信息三維表達(dá)的概念，能用三維場(chǎng)景信息給出空間，包括地形、地貌、河流、公路、鐵路、城鎮(zhèn)以及電力線（地下電纜、電桿、鐵塔）、變電站、發(fā)電廠、重點(diǎn)用戶等經(jīng)緯度信息.而降水、暴雨（雪）、大風(fēng)、極端最高（低）氣溫及寒潮等各種氣象信息，洪水、臺(tái)風(fēng)、冰雹（雪）、雷電、大風(fēng)及大霧等氣象災(zāi)害信息，火山爆發(fā)、地震、山體崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害信息，風(fēng)暴潮、海嘯等海洋災(zāi)害信息，森林火災(zāi)等信息，已經(jīng)形成了相應(yīng)的圖形符號(hào)的表達(dá)，其等級(jí)程度已對(duì)人類形成概念性的表達(dá)，調(diào)度員能從這些信息的圖形符號(hào)形成主觀經(jīng)驗(yàn)，并和電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合形成對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)影響程度的判斷.調(diào)度員對(duì)這些信息的認(rèn)知實(shí)質(zhì)上是對(duì)非結(jié)構(gòu)化的外部信息的感知和對(duì)海量異構(gòu)信息的處理.

電網(wǎng)的外部信息利用在不同情景中的信息表達(dá)，多個(gè)感覺通道同時(shí)作用，平行處理海量信息，激發(fā)并調(diào)動(dòng)調(diào)度員已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)，選擇、探索、加工電網(wǎng)運(yùn)行的新信息，形成能適應(yīng)復(fù)雜的、不規(guī)律的應(yīng)用情景的更富彈性的知識(shí)結(jié)構(gòu).這些信息按特征可按圖2所示分類.

圖2 融合電網(wǎng)外部信息的數(shù)據(jù)分類Figure 2 Data classification of external information

3）數(shù)據(jù)融合.

整合各種信息資源，可為電網(wǎng)的全景動(dòng)態(tài)多維智能可視化提供數(shù)據(jù)保障.在智能電網(wǎng)建設(shè)中，數(shù)字化是它的一個(gè)顯著特點(diǎn).文獻(xiàn)［6］提出以信息流為主導(dǎo)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，通過信息的分層組織達(dá)到最佳的控制效果；文獻(xiàn)［7］提出電網(wǎng)基礎(chǔ)信息的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化在保證各種信息在智能電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)間的無縫流通，實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息全網(wǎng)共享有重要意義.

數(shù)據(jù)融合包含了數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)提供3個(gè)步驟的處理流程.考慮數(shù)據(jù)融合所涉及各種異構(gòu)、異質(zhì)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的差異性，須確定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接收標(biāo)準(zhǔn)化格式及數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化格式.數(shù)據(jù)接收標(biāo)準(zhǔn)化格式應(yīng)明確數(shù)據(jù)讀取方式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、讀取格式.

數(shù)據(jù)讀取方式指與數(shù)據(jù)源的通訊方式，例如：基于數(shù)據(jù)中心規(guī)范的方式、通過Web Service等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的方式、直接連接數(shù)據(jù)庫方式以及自定義報(bào)文方式等.

數(shù)據(jù)內(nèi)容指從數(shù)據(jù)源讀取的數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如設(shè)備臺(tái)帳、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等等.讀取格式是指從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)的格式，例如：數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)、Web Service元數(shù)據(jù)及報(bào)文格式等等.

數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化格式應(yīng)明確給系統(tǒng)應(yīng)用組件以何種方式提供數(shù)據(jù)，包括業(yè)務(wù)對(duì)象與原始數(shù)據(jù)2種方式，以及給系統(tǒng)應(yīng)用組件提供的數(shù)據(jù)內(nèi)容.數(shù)據(jù)融合的整體工作流程如圖3所示.

圖3 多源數(shù)據(jù)融合流程Figure 3 Process of fusing Multi－source data

在數(shù)據(jù)的加工中需要完成數(shù)值處理和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及定位.數(shù)值處理包括數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)備命名的標(biāo)準(zhǔn)化.數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化指時(shí)間的校準(zhǔn)、空間的校準(zhǔn)、度量單位的校準(zhǔn).設(shè)備命名的標(biāo)準(zhǔn)化采用2種方式：①對(duì)各種電網(wǎng)的外部信息系統(tǒng)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或單獨(dú)制定命名的規(guī)范；②基于公共信息模型（CIM）規(guī)范中的Pathname域，制定基于CIM的統(tǒng)一設(shè)備命名規(guī)范.數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及定位是將各個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合到具體的設(shè)備，這種關(guān)聯(lián)定位既可以是和具體設(shè)備圖形的相關(guān)，也可以是在主接線圖或地理接線圖上的關(guān)聯(lián)，它所融合的信息是數(shù)據(jù)應(yīng)用層所必需的.

4）數(shù)據(jù)展示的可視化.

SCADA/EMS數(shù)據(jù)采用電網(wǎng)可視化的方式表達(dá)［8］，同地理信息相關(guān)的故障定位、雷電、氣象、地質(zhì)、水文等信息在地圖上展示，自定義圖形曲線、表格的展示方式，從多角度、多層面動(dòng)態(tài)展示所關(guān)心的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)與反映出電網(wǎng)運(yùn)行生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等情況，提高工作效率，幫助發(fā)現(xiàn)潛在問題，指導(dǎo)工作.

3 應(yīng)用與實(shí)踐

筆者使用Visual Studio 2010C＃作為開發(fā)平臺(tái)，采用以 WPF（Silverlight）和FLEX為主體的技術(shù)研發(fā)思路，在某省公司部署了該系統(tǒng)平臺(tái)，其硬件布置如圖4所示.它融合了SCADA/EMS，WAMS，DMIS，OPS、繼電保護(hù)系統(tǒng)、風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、氣象信息系統(tǒng)等，通過信息融合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與異步信息高度耦合的并發(fā)顯示.為了把電氣量信息和外部信息有機(jī)整合在一起，通過時(shí)間和空間關(guān)系將它們聚合在一起，在其展示方面采用以下模式：

1）拼接模式.對(duì)呈現(xiàn)內(nèi)容較少，但要求所有信息同時(shí)呈現(xiàn)時(shí)，將所有的圖形、數(shù)字、文字均組織在同一頁面中.

2）主從模式.以地理圖、電氣接線圖為主界面場(chǎng)景，將其它多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按附從的形式呈現(xiàn).

3）動(dòng)態(tài)磁貼模式.用于一個(gè)功能模塊內(nèi)部導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)主要數(shù)據(jù)和信息在磁貼上的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)文字或縮略圖呈現(xiàn).

4）動(dòng)態(tài)網(wǎng)格.它是拼接界面和磁貼界面的結(jié)合，相當(dāng)于把屏幕劃分為N×N 個(gè)網(wǎng)格，各類信息分存于不同的網(wǎng)格，激活的網(wǎng)格占用較大的屏幕空間，同時(shí)擠壓其余網(wǎng)格分布于四周，保持各網(wǎng)格相對(duì)位置不變，非活躍網(wǎng)格可顯示類似磁貼的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)文字或縮略圖呈現(xiàn).

融合外部信息的電網(wǎng)可視化系統(tǒng)的效果如圖5，6所示.

圖4 系統(tǒng)硬件布置Figure 4 Structure chart arranged for hardware

圖5 系統(tǒng)主界面Figure 5 Main surface chart of system

圖6 2D/3D混合顯示Figure 6 The 2D/3Dmixed image display

4 結(jié)語

筆者提出了基于SOA構(gòu)架上的融合外部信息的電力調(diào)度監(jiān)視平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，在地理圖和電氣主接線圖上實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)外部信息與實(shí)時(shí)信息的聚合，并能對(duì)分區(qū)統(tǒng)計(jì)信息、氣象、地質(zhì)等信息進(jìn)行展示、告警、互動(dòng)等功能，為電網(wǎng)可視化發(fā)展提供了一個(gè)嶄新的展示平臺(tái)和手段，為非電氣量數(shù)據(jù)引入電力系統(tǒng)做了有益的嘗試.

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