大規(guī)模電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步技術(shù)研究

陳然

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

大規(guī)模電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步技術(shù)研究

陳然

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

為提高大規(guī)模電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)從電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)向電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)同步的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，本文基于XML、E文件接口、WebService及FtpFS等技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的大規(guī)模數(shù)據(jù)跨安全區(qū)、跨系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步方法。在取代傳統(tǒng)方法應(yīng)用后，同步的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性得到大幅提升。

電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)；電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)；實(shí)時(shí)同步

0 前言

電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)需要大量電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為支撐，需要將電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng) (OCS)的實(shí)時(shí)采集、計(jì)算數(shù)據(jù)以較短的周期跨安全區(qū)、跨系統(tǒng)同步到電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)規(guī)模也呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，目前已達(dá)到十萬(wàn)至二十萬(wàn)點(diǎn)規(guī)模。從傳統(tǒng)同步接口運(yùn)行情況看，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)時(shí)性低、不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)的功能應(yīng)用。本文通過(guò)探索研究，基于XML[1]、E文件[2]接口、WebService[3]及FtpFS文件系統(tǒng)技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的大規(guī)模數(shù)據(jù)跨安全區(qū)、跨系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步方法，解決了電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)同步的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性難題。

1 電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步需求

OMS的各功能模塊及子系統(tǒng)對(duì)OCS存在大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步需求。如圖1所示。按照當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)模，電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)單次同步需求量約在10萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右，未來(lái)五年內(nèi)可能達(dá)到15萬(wàn)甚至20萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，同步周期需求為1 min以內(nèi)。傳統(tǒng)的同步接口所能承受的同步量約為5千至1萬(wàn)點(diǎn)，同步周期15 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足當(dāng)前需求。

OCS位于生產(chǎn)控制大區(qū) (安全Ⅰ區(qū))，OMS位于生產(chǎn)管理大區(qū) (安全Ⅲ區(qū))，兩系統(tǒng)由不同廠家開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)同步不僅需要跨域安全Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)之間的橫向隔離裝置，還需要建立跨系統(tǒng)的通用接口。

圖1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步需求

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步方案

2.1 OCS內(nèi)部Ⅰ/Ⅲ區(qū)跨安全區(qū)同步法

安全Ⅰ區(qū)與安全Ⅲ區(qū)之間部署的橫向隔離裝置為正向隔離裝置，即僅允許Ⅰ區(qū)向Ⅲ區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸被切分為了獨(dú)立的兩段，首先允許Ⅰ區(qū)程序與隔離裝置之間建立前段TCP連接，先將數(shù)據(jù)包發(fā)送至隔離裝置，經(jīng)隔離裝置內(nèi)部安全策略過(guò)濾之后，再由隔離裝置與Ⅲ區(qū)程序建立后段 TCP連接，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)送至Ⅲ區(qū)。

為解決跨區(qū)問(wèn)題，在OCS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)Ⅰ/Ⅲ區(qū)的同步：

1)OCS的前置程序在Ⅰ區(qū)采集廠站數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理、計(jì)算后，映射在內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)中，做為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的源。

2)開(kāi)發(fā)OCS內(nèi)部同步程序 (SYN)，在Ⅰ區(qū)服務(wù)器上部署，該程序從Ⅰ區(qū)內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與正向隔離裝置建立前段TCP連接，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至正向隔離裝置。

3)擴(kuò)展OCS，在安全Ⅲ區(qū)部署同步服務(wù)器，建立與安全Ⅰ區(qū)同樣的內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)。同樣部署同步程序 (SYN)，與正向隔離裝置建立后段TCP連接，接收經(jīng)過(guò)正向隔離裝置安全策略過(guò)濾之后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存入Ⅲ區(qū)內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)中，最終實(shí)現(xiàn)OCS內(nèi)部Ⅰ、Ⅲ區(qū)實(shí)時(shí)庫(kù)的同步，如下圖所示。

圖2 OCS安全Ⅰ區(qū)向安全Ⅲ區(qū)同步數(shù)據(jù)

2.2 OCSⅢ區(qū)向OMS同步數(shù)據(jù)方法

因?yàn)镺MS模塊、子系統(tǒng)眾多，且開(kāi)發(fā)廠商也不一致，OCSⅢ區(qū)實(shí)時(shí)庫(kù)如果分別向OMS各模塊和子系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)，不僅需要開(kāi)發(fā)大量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，而且將出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)重復(fù)同步的情況，降低了網(wǎng)絡(luò)有效利用率。本方案通過(guò)在OMS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)統(tǒng)一建模存儲(chǔ)，由OCS向OMS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)一次性完成同步數(shù)據(jù)：

1)在OMS的數(shù)據(jù)庫(kù)中建模，用于統(tǒng)一存儲(chǔ)從OCS同步來(lái)的電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2)OCSⅢ區(qū)實(shí)時(shí)庫(kù)一次性向OMS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存入OMS數(shù)據(jù)庫(kù)中。

此為跨系統(tǒng)同步最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，如果組織不同廠家開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸專用接口將耗費(fèi)大額開(kāi)發(fā)費(fèi)用，并且不具備通用性。本文基于XML和標(biāo)準(zhǔn)E文件接口原理，結(jié)合通用的FTP傳輸機(jī)制解決了該項(xiàng)難題，成功實(shí)現(xiàn)了十萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)規(guī)模，以30 s為周期的自動(dòng)同步方法，同步流程如下圖所示：

圖3 OCSⅢ區(qū)實(shí)時(shí)庫(kù)向OMS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)同步數(shù)據(jù)原理圖

首先在OCSⅢ區(qū)同步服務(wù)器上開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)“分類導(dǎo)出程序” (EFileExportDaemon)，將內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)歸類，并定期 (30 s)按固定格式 (由雙方約定的XML規(guī)范)從實(shí)時(shí)庫(kù)中導(dǎo)出生成14個(gè)E格式的文本文件，然后將所有分類生成的E文件打包，通過(guò)FTP傳輸?shù)絆MS的FTP服務(wù)器。

最后在OMS開(kāi)發(fā)E文件解析程序和入庫(kù)程序，按照雙方約定的XML規(guī)范解析接收到的E文件，從文件讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成兩大系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。

2.3 OMS內(nèi)部按需獲取數(shù)據(jù)方法

當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從OCS同步到OMS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)后，需要解決的是OMS內(nèi)部各子模塊、子系統(tǒng)如何按需獲取數(shù)據(jù)的問(wèn)題。由于各模塊和子系統(tǒng)各自所需數(shù)據(jù)量相對(duì)要小得多，實(shí)時(shí)性要求也不盡相同。因此，按照OMS內(nèi)部模塊、子系統(tǒng)與電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)平臺(tái)耦合程度及實(shí)時(shí)性要求高低不同，設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)獲取方式。

第一種，針對(duì)程序與運(yùn)行管理系統(tǒng)平臺(tái)本身深度耦合，實(shí)時(shí)性要求高的模塊，直接開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口，由模塊自行調(diào)用獲取所需數(shù)據(jù)。

第二種，對(duì)于程序與運(yùn)行管理系統(tǒng)平臺(tái)耦合程度較低，實(shí)時(shí)性要求不高的子系統(tǒng)，直接開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口存在一定風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于它們實(shí)時(shí)性要求不高，所需數(shù)據(jù)量不大，因此完全可以通過(guò)WebService接口方式獲取數(shù)據(jù)。

3 提高數(shù)據(jù)同步穩(wěn)定性法

由于OCS安全Ⅲ區(qū)的 “分類導(dǎo)出程序”生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)E文件周期為30 s，即生成下一個(gè)時(shí)刻的E文件之前，僅有30 s的時(shí)間調(diào)用FTP客戶端將本次生成的E文件包傳輸?shù)絆MS FTP服務(wù)端。一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞或者FTP服務(wù)端出現(xiàn)響應(yīng)延時(shí)，F(xiàn)TP客戶端程序的返回時(shí)間超過(guò)30 s，將導(dǎo)致 “分類導(dǎo)出程序”錯(cuò)過(guò)下一個(gè)30 s生成E文件的時(shí)間點(diǎn)，最終致使網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)間內(nèi)的所有同步數(shù)據(jù)將丟失，如圖4所示。

圖4 E文件傳統(tǒng)同步流程圖及時(shí)間要求

該問(wèn)題在本文同步方法應(yīng)用初期多次出現(xiàn)，根本原因是 “分類導(dǎo)出程序”在調(diào)用Linux FTP客戶端程序執(zhí)行傳送任務(wù)時(shí)，F(xiàn)TP客戶端程序的執(zhí)行時(shí)間不可控。

為使 “分類導(dǎo)出程序”按時(shí)從內(nèi)存實(shí)時(shí)庫(kù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，首先應(yīng)該考慮的就是把FTP客戶端程序(Linux系統(tǒng)自帶程序，無(wú)法干涉其內(nèi)部運(yùn)行)這個(gè)不可控因素分離出去。 “分類導(dǎo)出程序”不再考慮E文件傳送的問(wèn)題，僅負(fù)責(zé)按30 s時(shí)間周期生成E文件并完成打包。

E文件包的傳輸，使用Shell腳本以及FtpFS文件系統(tǒng)技術(shù)解決。FtpFS是一種支持將遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器映射為本地文件系統(tǒng)目錄的技術(shù)。最關(guān)鍵的是，映射之后可在本地通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)API操控遠(yuǎn)端FTP服務(wù)端，這使得使用Linux Shell腳本控制E文件傳輸成為可能。

首先在OCSⅢ區(qū)同步服務(wù)器上基于CurlFtpFS (FtpFS技術(shù)的Linux實(shí)現(xiàn))將OMS FTP服務(wù)端映射到本地文件系統(tǒng)目錄，例如 “Trans”目錄，對(duì)該目錄的所有文件操作等同于對(duì)OMS FTP服務(wù)端的所有文件操作。然后通過(guò)Linux Shell腳本程序，一方面負(fù)責(zé)監(jiān)控并維護(hù)CurlFtpFS保持在正常運(yùn)行狀態(tài)，一方面負(fù)責(zé)掃描 “分類導(dǎo)出程序”的輸出路徑，將其生成的E文件包加上時(shí)間戳并移動(dòng)到“Trans”目錄中，CurlFtpFS在底層自動(dòng)把 Trans目錄中的文件傳輸至FTP服務(wù)端，如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)故障僅會(huì)導(dǎo)致Trans目錄不可訪問(wèn)，“分類導(dǎo)出程序”照常生成E文件保存在本地。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，Shell程序會(huì)將未成功傳輸文件重新移動(dòng)到Trans目錄中完成傳輸。至此，將E文件的生成和FTP傳輸徹底獨(dú)立，解決了因網(wǎng)絡(luò)原因?qū)е翭TP延時(shí)影響E文件生成的問(wèn)題。

圖5 基于FtpFS與Shell腳本的FTP同步方案

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的大規(guī)模電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以30 s為周期，單次10萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)規(guī)模的跨安全區(qū)、跨系統(tǒng)同步。相比傳統(tǒng)接口，周期縮短了30倍，數(shù)據(jù)量提升了20倍。同時(shí)，解決了因網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。由于該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步方法是一種通用方法，其原理和技術(shù)均可以移植到不同的同步場(chǎng)景中，可在公司各部門、供電局全面推廣。

[1] 馮進(jìn)，丁博，史殿習(xí)，等.XML解析技術(shù)研究 [J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31(2)：120-124.

[2] 鄧大為，李可，陸俊.基于CIM/E文件的電網(wǎng)全景建模技術(shù)研究 [J].廣東電力，2013，26(11)：49-53.

[3] 呂曦，王化文.Web Service的架構(gòu)與協(xié)議 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，22(12)：62-65.

Research on Real-time Synchronization Techniques of Large-scale Power Grid Operation Data

CHEN Ran
(Yunnan Electric Power Dispatch and Control Center，Kunming 650011，China)

In order to improve the instantaneity and stability of large-scale data transmission from Operation Control System to Operation Management System，in this paper，we put forward and realized a new large-scale data real-time synchronization method across different security areas and systems based on XML，E-File interface，WebService and FtpFS technologies.After we replaced the traditional method with the new one，instantaneity and stability of synchronization has been greatly improved.

operation control system；operation management system；real-time synchronization

TM76

B

1006-7345(2015)05-0024-03

2015-04-10

陳然 (1983)，男，碩士，工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事調(diào)度自動(dòng)化相關(guān)工作 (e-mail)crandy＠foxmail.com。