地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)的人機界面設(shè)計

陳家乾，錢海峰，盧 冰，沈曉東，魏 亮

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

0 引言

湖州電力局現(xiàn)役的EMS（能量管理系統(tǒng)）為清大高科研發(fā)的TH2100平臺。近年來隨著湖州地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求也不斷提高，該系統(tǒng)已經(jīng)越來越難以滿足不斷增長的需求。

為此湖州電力局建設(shè)了1套基于國電南瑞OPEN3000平臺的地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)。在功能定位上，地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)不僅要服務(wù)于湖州地區(qū)調(diào)度（簡稱地調(diào)）和長興、安吉、德清3個縣級調(diào)度（簡稱縣調(diào)），并在地區(qū)和縣局兩個層面上分別將監(jiān)控功能涵蓋其中，需要滿足調(diào)度、運方、監(jiān)控和自動化等多個專業(yè)的工作需求。由于地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)面向的用戶分工不同、需求各異，設(shè)計合理的人機交互界面，使各類用戶都能高效地開展工作顯得尤其重要。由此提出1種基于LCF-DV模型的設(shè)計方法，以數(shù)據(jù)庫和視圖為目標，將各類用戶需求細分為管轄、分工和功能3個部分，通過與OPEN3000平臺融合，實現(xiàn)了良好的人機交互。

1 OPEN3000概述

OPEN3000平臺遵循IEC 61970，IEC 61968等技術(shù)規(guī)范，采用CIM/CIS（公共信息模型/企業(yè)形象識別系統(tǒng)）數(shù)據(jù)總線技術(shù)，在人機接口方面具有良好的開放性，實時庫是用戶和數(shù)據(jù)庫的主要交互接口。圖形界面分為應(yīng)用和業(yè)務(wù)兩大類，總控臺等應(yīng)用界面提供了調(diào)用各種業(yè)務(wù)界面的功能，圖形編輯器、告警窗口、公式編輯等業(yè)務(wù)界面為用戶提供業(yè)務(wù)信息和交互服務(wù)。OPEN3000采用圖模庫一體化技術(shù)，并提供權(quán)限管理和責任分區(qū)功能，便于界定操作權(quán)限和范圍。

地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)要在1個平臺上聯(lián)接地縣兩級電力調(diào)度機構(gòu)，橫跨調(diào)度、監(jiān)控、運行方式（以下簡稱運方）等多類業(yè)務(wù)，集多種應(yīng)用、維護工作于一體，需求的復(fù)雜性和多樣化增加了人機界面設(shè)計的難度。盡管OPEN3000平臺有許多先進技術(shù)作為支撐，但優(yōu)良的人機界面仍必須與應(yīng)用需求緊密結(jié)合。

2 LCF-DV模型

將數(shù)據(jù)和視圖分離，使底層數(shù)據(jù)組織方式對用戶透明，讓用戶關(guān)注的焦點呈現(xiàn)于交互界面，提升用戶交互體驗，提高信息交互效率[1，2]，這些是人機界面設(shè)計的核心。除了滿足上述指標，地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)人機界面設(shè)計還有其自身特點。一方面，該系統(tǒng)屬于多用戶系統(tǒng)，各類用戶操作習(xí)慣的區(qū)別，關(guān)注信息類型的不同、數(shù)量的差異等因素，在設(shè)計時都需要充分考慮，必要時根據(jù)用戶需求定制個性化交互界面。另一方面，該系統(tǒng)人機界面設(shè)計還必須考慮電網(wǎng)的安全性。這種安全性根源于數(shù)據(jù)正確、完整，操作嚴格授權(quán)[3]，在人機界面層次表現(xiàn)為數(shù)據(jù)及操作入口的可見性。

LCF-DV模型以數(shù)據(jù)（Data）為核心，以視圖（View）為目標，在保證數(shù)據(jù)操作安全基礎(chǔ)上，綜合考量各類用戶的不同需求設(shè)計人機界面。對訪問、更改、刪除等操作，采用權(quán)限控制機制，在根本上保證數(shù)據(jù)的安全性，并確保無權(quán)限人員在視圖層面上無法查看數(shù)據(jù)。以需求為導(dǎo)向，基于最小耦合原則，模型劃分為LCF 3個部分。

第1部分描述了管轄定義L（Layer）。電網(wǎng)的多級調(diào)度特性將地區(qū)級和縣級人員進行天然劃分，地區(qū)級人員與220 kV，110 kV及本地區(qū)35 kV電網(wǎng)和設(shè)備的運行維護相聯(lián)系，而縣級人員則與所在縣35 kV電網(wǎng)和設(shè)備相關(guān)。

第2部分描述了分工定義C（Character）。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)要求，必須能為調(diào)度、監(jiān)控、運方等專業(yè)提供電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對電力設(shè)備的操作和控制。調(diào)度、監(jiān)控、運方以及自動化專業(yè)技術(shù)人員都是該系統(tǒng)的最終用戶，整個人機界面的設(shè)計必須考慮上述專業(yè)分工的使用需求和使用習(xí)慣。

第3部分描述了職能定義F（Function）。不同的分工會有不同的智能需求，即使同一個工種也會有多方面的職能需求。調(diào)度員既需要關(guān)注電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、有功無功潮流、關(guān)口力率等，還要根據(jù)實際情況下達調(diào)度指令，改變電網(wǎng)的運行方式；監(jiān)控人員一方面需要看到告警窗內(nèi)各種告警信息、光字牌信息，另一方面還要根據(jù)調(diào)度員指令進行遙控操作等；自動化人員則需要編輯廠站主接線圖，還要及時根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備變更情況更改遙測信息的滿度值、TA（電流互感器）變比參數(shù)等。LCF結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LCF結(jié)構(gòu)

LCF-DV模型整體架構(gòu)如圖2所示。整個模型始于D端，終結(jié)于V端，通過LCF 3個部分將兩者聯(lián)系貫通。由于結(jié)合了調(diào)度系統(tǒng)的實際需求和工作職能定義，地縣電力調(diào)度一體化系統(tǒng)的任何1種需求都可以用上述模型進行描述，最重要的是這種描述方式可以將其與其他需求進行完全區(qū)分，保證了需求描述的完整性和唯一性。

圖2 LCF-DV模型

3 系統(tǒng)人機界面設(shè)計

將LCF-DV模型與OPEN3000平臺融合，是實現(xiàn)地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)人機界面設(shè)計的關(guān)鍵。OPEN3000設(shè)定的用戶通過權(quán)限定義和責任區(qū)分配，對不同資源具有不同的使用權(quán)限，是融合的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)據(jù)訪問控制

在LCF-DV模型中，數(shù)據(jù)訪問模式存在視圖界面操作和數(shù)據(jù)庫直接操作2種方式。OPEN3000系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫基于UNIX系統(tǒng)上的ORACLE數(shù)據(jù)庫，能在數(shù)據(jù)庫直接操作模式中對訪問實現(xiàn)完善的權(quán)限控制。

對于需要維護數(shù)據(jù)庫的地調(diào)自動化維護人員和縣調(diào)自動化維護人員，為其創(chuàng)建訪問專用賬號，并定義各自的訪問數(shù)據(jù)區(qū)域。除了自動化維護人員，其他人員對數(shù)據(jù)大多只需讀取，因而可以利用OPEN3000提供的圖模庫一體化技術(shù)將數(shù)據(jù)顯示于交互圖形界面。除了歷史數(shù)據(jù)庫，OPEN3000還提供了SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）實時庫的訪問界面。對于該種方式的訪問控制，在OPEN3000平臺層面上定義用戶賬號責任區(qū)的特殊屬性，將對實時庫的訪問控制精確到了“域”級。

3.2 管轄權(quán)限定義

LCF-DV模型從用戶需求出發(fā)，管轄定義L明確了用戶所處的調(diào)度等級。從設(shè)備管理角度可知，調(diào)度等級的實質(zhì)是對不同等級變電站及其設(shè)備的管轄權(quán)和操作權(quán)，因而可以用權(quán)限管理進行定義。OPEN3000提供的責任區(qū)工具以設(shè)備為單元，并在其上構(gòu)建了間隔、變電站等不同層次的設(shè)備集合。根據(jù)不同的管轄范圍，將設(shè)備或者設(shè)備集合選擇到相應(yīng)責任區(qū)，實現(xiàn)對這些設(shè)備操作權(quán)限的控制。

3.3 分工及功能設(shè)定

地縣電力調(diào)控一體化技術(shù)支持系統(tǒng)涵蓋調(diào)度、運方、監(jiān)控、自動化等多個專業(yè)。在地區(qū)調(diào)度管轄層面（或者縣調(diào)），各專業(yè)的分工及功能設(shè)定如下：

（1）調(diào)度人員關(guān)注本區(qū)域電網(wǎng)的整體信息，包括運行方式、潮流分布等，向監(jiān)控人員和運行人員下達調(diào)度指令，對某些設(shè)備進行操作。其功能主要涉及監(jiān)視對電網(wǎng)運行有重大影響的告警信息，各類應(yīng)用畫面的調(diào)閱與相關(guān)設(shè)備的操作等。

（2）運方人員關(guān)注地區(qū)電網(wǎng)的潮流分布，對電網(wǎng)架構(gòu)和運行方式的安全性進行評估，針對薄弱點編制應(yīng)急預(yù)案。其分工與功能僅限于對電網(wǎng)潮流分布信息的調(diào)閱及調(diào)度員潮流等模塊的使用。

（3）監(jiān)控人員執(zhí)行對設(shè)備的監(jiān)視控制任務(wù)，通過監(jiān)視告警信息窗的各類告警信號、變電站間隔和設(shè)備的保護信號以及斷路器開合、刀閘開合位置信息等，并根據(jù)值班調(diào)度員指令進行設(shè)備遙控操作，其功能涉及告警窗內(nèi)告警信號的監(jiān)視、變電站內(nèi)各間隔告警信息的查閱分析、變電站設(shè)備的監(jiān)視和控制等。

（4）自動化人員致力于維護整個調(diào)度自動化技術(shù)支持系統(tǒng)，包括系統(tǒng)平臺的運行維護，廠站接線圖的新增與修改，遙信、遙測、遙控點號的錄入等工作，其功能包括平臺各應(yīng)用功能的配置與維護、電網(wǎng)模型的構(gòu)建與維護、電網(wǎng)參數(shù)的錄入與修改、數(shù)據(jù)庫的維護、應(yīng)用畫面的制作等。

在OPEN3000平臺中利用圖模庫一體化、責任區(qū)、畫面編輯等技術(shù)，實現(xiàn)上述功能。在相應(yīng)責任區(qū)分配相關(guān)的變電站和設(shè)備，以實現(xiàn)對設(shè)備進行置數(shù)、遙控操作功能；在OPEN3000總控臺配置畫面瀏覽功能，并設(shè)置相關(guān)畫面的超鏈接，實現(xiàn)應(yīng)用畫面的調(diào)閱功能；配置平臺賬號權(quán)限，實現(xiàn)對告警窗內(nèi)管轄信息的確認；配置數(shù)據(jù)庫賬號權(quán)限，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)模型、參數(shù)、三遙點號的錄入維護。

3.4 視圖布局

在地縣電力調(diào)控一體化技術(shù)支持系統(tǒng)中，視圖布局應(yīng)充分考慮調(diào)度、監(jiān)控、運方和自動化人員等多類用戶的共同需求，如對各變電站一次接線圖信息上的斷路器、開關(guān)、刀閘位置信息的調(diào)閱功能，同時也要注意上述各類用戶關(guān)注焦點的不同。在視圖布局和設(shè)置環(huán)節(jié)以統(tǒng)一為原則，以差異化需求為目標，最大限度地實現(xiàn)視圖層面的管轄、分工和功能定義的解耦合。

OPEN3000主控臺是各項應(yīng)用功能激活的根節(jié)點，各類用戶登錄后自動根據(jù)主控臺參數(shù)配置文件o2000e_console.ini，對主控臺提供的各項應(yīng)用功能進行定制組合顯示。合理配置o2000e_console.ini，將應(yīng)用功能接口顯示提供給各類用戶。如果除了自動化人員，其他用戶無需對數(shù)據(jù)庫進行操作，則可以在主控臺上不顯示數(shù)據(jù)庫調(diào)閱程序。圖形瀏覽界面是所有用戶都需要使用的公共功能，統(tǒng)一配置在o2000e_console.ini文件中。

制作統(tǒng)一的圖形瀏覽登錄界面，如圖3所示。第一級是應(yīng)用模塊類，包含了SCADA，F(xiàn)ES（前置信息）， PAS（高級軟件應(yīng)用）， AVC（無功控制優(yōu)化）等。監(jiān)控人員只需關(guān)注SCADA模塊信息，而PAS模塊對調(diào)度、運方人員關(guān)注電網(wǎng)的整體運行信息非常有效。每個模塊又針對各類分工及其功能設(shè)定需求定制了多種應(yīng)用，以SCADA為例，該模塊中各應(yīng)用所對應(yīng)的用戶如表1所示。

圖3 統(tǒng)一的圖形瀏覽界面

表1 分工和功能與部分應(yīng)用對應(yīng)關(guān)系

在視圖層次和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面以調(diào)度和監(jiān)控兩大專業(yè)需求為原則，建立以SCADA模塊畫面為始發(fā)點、變電站廠站接線圖及其間隔接線圖為終結(jié)點，以地理接線圖和一次接線圖為雙核心的輻射狀鏈接關(guān)系。

變電站廠站接線圖及其間隔接線圖是電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)，也是調(diào)度、監(jiān)控和運方人員經(jīng)常需要關(guān)注的畫面，圖形和設(shè)備名稱符合標準化、規(guī)范化要求。與地理接線圖相關(guān)的地區(qū)關(guān)口、市區(qū)關(guān)口、主變壓器（簡稱主變）限額視圖等都是調(diào)度和運方人員所關(guān)注的焦點，監(jiān)控主畫面則包含了監(jiān)控人員所關(guān)心的直流一覽表、主變不平衡一覽表、站內(nèi)不平衡一覽表等應(yīng)用畫面。整個SCADA模塊中各類應(yīng)用的鏈接關(guān)系如圖4所示。此外，還利用OPEN3000平臺的告警窗為監(jiān)控人員提供定制的告警信息服務(wù)，并按照規(guī)范要求將告警信息劃分為事故、異常、變位、越限、告知五大類。

圖4 SCADA應(yīng)用鏈接關(guān)系

4 結(jié)語

地縣電力調(diào)控一體化系統(tǒng)的用戶包括調(diào)度、運方、監(jiān)控、自動化等專業(yè)人員，系統(tǒng)需求具有多樣化和復(fù)雜性的特點。為了使各類用戶都能夠可靠、高效地使用系統(tǒng)，提出1種基于LCF-DV模型的人機界面設(shè)計方法，以數(shù)據(jù)庫和視圖為目標，把需求細分為管轄、分工和功能3個部分，實現(xiàn)了各類用戶不同需求的解耦合，并與OPEN3000平臺的緊密融合，在滿足各類應(yīng)用基礎(chǔ)上達到了良好的人機交互效果。

[1]施奈德曼.用戶界面設(shè)計——有效地人機交互策略[M].3版.張國印，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]黃艷群，黎旭，李榮麗.設(shè)計人機界面[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[3]董建明.人機交互：以用戶為中心的設(shè)計和評價[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.