遵循SG-CIM及WCF的電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伍 弘 馬飛越 張利花 牛 勃

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遵循SG-CIM及WCF的電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伍 弘 馬飛越 張利花 牛 勃

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011）

隨著電氣檢測(cè)新技術(shù)的快速發(fā)展，各種用于帶電檢測(cè)、停電試驗(yàn)及在線監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的電氣設(shè)備不斷增多，亟需開(kāi)發(fā)出一款通用性好、可擴(kuò)展性好及交互性強(qiáng)的協(xié)同管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)遵循國(guó)家電網(wǎng)公司公共信息模型（SG-CIM）對(duì)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)擴(kuò)展建模并編碼，采用IEC 61970組件接口規(guī)范（CIS）中通用數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)（GDA）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，用WCF構(gòu)建服務(wù)端與客戶端間通信；對(duì)開(kāi)發(fā)出的原型程序進(jìn)行測(cè)試，其能夠快速、準(zhǔn)確完成對(duì)檢測(cè)設(shè)備的信息管理操作。后續(xù)將不斷完善信息管理功能并擴(kuò)展其他功能組件。

公共信息模型；IEC 61970；WCF；電氣檢測(cè)；管理系統(tǒng)

隨著能源經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模急速擴(kuò)大，輸變電設(shè)備數(shù)量激增。這些設(shè)備如變壓器、開(kāi)關(guān)、電力電纜等基數(shù)增大，發(fā)生或可能發(fā)生的故障總數(shù)也不斷增加。為了準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)消除設(shè)備運(yùn)行隱患，或在故障發(fā)生后快速查找故障原因，減小設(shè)備停電時(shí)間，各種基于不同原理的停電、帶電、在線監(jiān)測(cè)類電氣檢測(cè)設(shè)備不斷增多并投入使用[1-2]。這類檢測(cè)設(shè)備具有種類繁多、易損耗等特點(diǎn)，一般多采用分類別、分地點(diǎn)、分優(yōu)先級(jí)存放。然而，這些設(shè)備包含信息繁雜，且在設(shè)備出入庫(kù)、數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)、送檢管理等方面僅依靠物理層面已不能滿足實(shí)際要求，亟需一款通用性好、可擴(kuò)展性好、交互性強(qiáng)的軟件輔助管理。

為了滿足上述管理需求，設(shè)計(jì)出一款功能完善、性能優(yōu)越的電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)：

1）針對(duì)當(dāng)前信息管理系統(tǒng)普遍存在的交互性差、通用性和可擴(kuò)展性不足的問(wèn)題，且考慮系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用范圍及應(yīng)用特點(diǎn)，采用分布式架構(gòu)。

2）遵循國(guó)家電網(wǎng)公司公共信息模型SG-CIM（State Grid common information model）對(duì)電氣檢測(cè)設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行擴(kuò)展并建模。

3）按照IEC 61970-403通用數(shù)據(jù)訪問(wèn)GDA（generic data access）的模式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)信息訪問(wèn)接口。

4）綜合考慮現(xiàn)行的多種分布式技術(shù)，采用微軟公司的WCF（windows communication foundation）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)客戶端與服務(wù)端之間的通信。

采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)將使其本身變得更加開(kāi)放，且可根據(jù)實(shí)際需要繼續(xù)添加新的功能組件，這為電力企業(yè)一般設(shè)備的高效管理指明了方向。

1 SG-CIM及WCF

國(guó)家電網(wǎng)公司公共信息模型SG-CIM是在研究IEC 61970/IEC 61968的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，梳理、分析了全網(wǎng)共享交換數(shù)據(jù)需求，按照國(guó)家電網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)組織形式，對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的研究成果進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化而形成的公共數(shù)據(jù)模型，其本質(zhì)是一種用面向?qū)ο蟮母拍睿▽?duì)象類和屬性及他們之間的關(guān)系）描述和表示電力系統(tǒng)資源、業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

SG-CIM根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的實(shí)際業(yè)務(wù)進(jìn)行篩選、分類，劃分為設(shè)備、電網(wǎng)、資產(chǎn)等12個(gè)主題域，并在各主題域按照公司具體業(yè)務(wù)進(jìn)一步劃分，形成二級(jí)主題域[3]。各種基于CIM或SG-CIM的數(shù)據(jù)域分析軟件、配網(wǎng)自動(dòng)化平臺(tái)、人力資源信息平臺(tái)等應(yīng)用也相繼展開(kāi)研究[4-7]。

WCF是微軟為構(gòu)建面向服務(wù)的應(yīng)用提供的分布式通信編程框架，是.NET Framework 3.5及以上版本的重要組成部分[8]。其提供了一種構(gòu)建安全可靠的分布式面向服務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一框架，整合了.NET Remoting、DCOM、Web Service等技術(shù)，解決了遠(yuǎn)程對(duì)象之間的互操作問(wèn)題[9-11]。

組成WCF服務(wù)的基本單位是WCF訪問(wèn)點(diǎn)（或稱端點(diǎn)），它包含了實(shí)現(xiàn)通信所必須的所有信息，如圖1所示。

圖1 WCF的通信模型

相較于其他分布式技術(shù)而言，WCF主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）統(tǒng)一性。由于WCF整合多項(xiàng)技術(shù)，完全由托管代碼編寫(xiě)，因此可利用其創(chuàng)建面向服務(wù)的應(yīng)用程序。

2）互操作性。WCF技術(shù)最基本的通信機(jī)制是簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議SOAP（simple object access protocol），保證了系統(tǒng)之間的互操作性。

3）安全性。多種Web服務(wù)策略被添加到SOAP消息中，用于用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證、數(shù)據(jù)隱私等多種安全策略，這些WCF都提供了支持。

4）兼容性。WCF可與舊有系統(tǒng)兼容，不會(huì)影響原有的技術(shù)支持。

2 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電氣檢測(cè)設(shè)備資產(chǎn)管理主要包括設(shè)備出入庫(kù)管理、信息統(tǒng)計(jì)（查詢及更新）管理、送檢管理等。不同的用戶基于不同的需求和權(quán)限來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)，而相互之間不能產(chǎn)生干擾，即設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)能滿足多客戶端同時(shí)訪問(wèn)。因此，該管理系統(tǒng)宜采用瘦客戶端（C/S, Client/Server）模式，即圖模分離模式：客戶端只存儲(chǔ)用戶操作界面等內(nèi)存量很小的數(shù)據(jù)，服務(wù)端則封裝檢測(cè)設(shè)備對(duì)象的模型、對(duì)象間的關(guān)系、所要進(jìn)行訪問(wèn)的接口及數(shù)據(jù)庫(kù)本體等。在利用分布式通信組件構(gòu)建客戶端與服務(wù)端之間的通信后，多個(gè)用戶便能同時(shí)遠(yuǎn)端調(diào)用服務(wù)器中的服務(wù)。

用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML（unified modeling language）描述管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)服務(wù)器采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，核心為服務(wù)器管理組件，由其統(tǒng)一管理、調(diào)配服務(wù)器中其他組件運(yùn)行，而它又依賴于數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)組件。

2.2 遵循SG-CIM的數(shù)據(jù)模型及編碼規(guī)則

SG-CIM的設(shè)備域描述了企業(yè)擁有的物理、電子和機(jī)械的設(shè)備，包括在電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用的和在網(wǎng)運(yùn)行電力及其他設(shè)備信息。根據(jù)電氣檢測(cè)設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)及管理需要，對(duì)設(shè)備域包含的二級(jí)主題域“變電設(shè)備”擴(kuò)展一個(gè)類：檢測(cè)設(shè)備類（Equ Detection），其固有屬性名、屬性代碼及數(shù)據(jù)類型見(jiàn)表1。

按照《GB/T 7027—2002信息分類和編碼的基本原則與方法》，遵循SG-CIM，從邏輯上反映電氣檢測(cè)設(shè)備資源信息，對(duì)電氣檢測(cè)設(shè)備資源進(jìn)行編碼，包括具體設(shè)備名稱、資料信息及所屬設(shè)備類別（帶電檢測(cè)類、停電試驗(yàn)類、在線監(jiān)測(cè)類等）。

圖2 電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)架構(gòu)部署圖

表1 檢測(cè)設(shè)備（EquDetection）類的固有屬性

為了與現(xiàn)有遵循IEC 61970組件接口規(guī)范CIS的系統(tǒng)或應(yīng)用互聯(lián)，電氣檢測(cè)設(shè)備資源編碼亦采用緊湊的128位（16字節(jié)）ID數(shù)字，即32位字符串組成。資源ID惟一確定電氣檢測(cè)設(shè)備，不同系統(tǒng)或應(yīng)用通過(guò)資源ID完成信息交互，并以此識(shí)別。

2.3 數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口

電氣檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)信息是一種非實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，而IEC 61970-403定義了一種用于模型數(shù)據(jù)管理與更新的通用數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口GDA，利用GDA可準(zhǔn)確高效地完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的讀、寫(xiě)操作[12-13]。因此采用GDA設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。

1）數(shù)據(jù)訪問(wèn)“讀”服務(wù)

用UML描述數(shù)據(jù)訪問(wèn)“讀”服務(wù)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中數(shù)據(jù)訪問(wèn)“讀”服務(wù)的主體類為Resource QueryService，該類主要關(guān)聯(lián)ResourceID、ClassID、PropertyID（PropertySequence）、Association、ResourceDescription等，分別對(duì)應(yīng)于普通查詢、范圍查詢和關(guān)聯(lián)查詢（關(guān)聯(lián)類對(duì)象作為主體類的屬性），以及查詢后返回的資源形式；PropertyID和ClassID繼承自ResourceID，因此，類和屬性的標(biāo)識(shí)與對(duì)象標(biāo)識(shí)具有相同的編碼規(guī)則；客戶端類Client與服務(wù)器類Server互相關(guān)聯(lián)，且一個(gè)服務(wù)器對(duì)應(yīng)多個(gè)客戶端，而一個(gè)服務(wù)器又組合至少一個(gè)Resource QueryService。

當(dāng)要對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的“讀”訪問(wèn)時(shí)，可在上述“讀”訪問(wèn)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)過(guò)濾器（過(guò)濾節(jié)點(diǎn)）用于篩選查詢結(jié)果。數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)“讀”操作流程如下：客戶端訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，首先調(diào)用服務(wù)器中的方法create_res_query()給客戶端實(shí)例化一個(gè)讀服務(wù)對(duì)象；其后客戶端再調(diào)用該服務(wù)對(duì)象中的3種方法獲取具體的資源描述；最后將該資源描述返回給客戶端。操作序列如圖4所示。

2）數(shù)據(jù)訪問(wèn)“寫(xiě)”服務(wù)

“寫(xiě)”服務(wù)主要用于設(shè)備管理員或其他有權(quán)限的人員對(duì)檢測(cè)設(shè)備信息進(jìn)行更新操作?！皩?xiě)”服務(wù)借助四組差異模型（DifferentModel，每組模型為一個(gè)資源描述序列）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SG-CIM模型對(duì)象的增、刪、改操作?！皩?xiě)”服務(wù)可以無(wú)返回值，或返回一組資源標(biāo)識(shí)符，用來(lái)通知客戶端“哪些數(shù)據(jù)發(fā)生了怎樣的改變”這一事實(shí)。

3 管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)面向的是多客戶端同時(shí)訪問(wèn)、中遠(yuǎn)程操作等問(wèn)題，因此采用WCF技術(shù)構(gòu)建客戶端與服務(wù)器間通信。以服務(wù)器中數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口為例，詳細(xì)介紹其與客戶端間通信的建立過(guò)程。

圖3 數(shù)據(jù)訪問(wèn)“讀”服務(wù)靜態(tài)類圖

3.1 服務(wù)端建立

將數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)（類）封裝后，通過(guò)配置其WCF服務(wù)的ABC便可將其公開(kāi)至客戶端。因此服務(wù)端的建立便是ABC的建立。其具體過(guò)程如下。

1）添加服務(wù)操作。協(xié)定（Contract）。WCF服務(wù)協(xié)定一般包括服務(wù)協(xié)定（ServiceContract）、操作協(xié)定（OperationContract）、數(shù)據(jù)協(xié)定（DataContract），分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)中的接口、方法和類。按照對(duì)應(yīng)規(guī)則，在WCF服務(wù)庫(kù)中依次添加上述協(xié)定。

2）添加配置文件。地址（Address）、綁定（Binding）。當(dāng)添加完各種協(xié)定后，再添加應(yīng)用程序配置文件并配置其WCF的A、B項(xiàng)。

另外，客戶端和服務(wù)端之間關(guān)于服務(wù)的具體信息交互依賴于元數(shù)據(jù)交換（Metadata Exchange），因此配置文件中還需加上元數(shù)據(jù)的EndPoint。

3）服務(wù)托管。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的WCF服務(wù)是公開(kāi)的，所以需要一個(gè)運(yùn)行服務(wù)的宿主環(huán)境，并通過(guò)宿主程序加載實(shí)現(xiàn)服務(wù)。在服務(wù)托管后，便能動(dòng)態(tài)監(jiān)聽(tīng)端點(diǎn)消息。

圖4 數(shù)據(jù)訪問(wèn)“讀”服務(wù)序列圖

3.2 客戶端建立

新建客戶端應(yīng)用程序，運(yùn)行服務(wù)端宿主，在客戶端程序中添加服務(wù)引用。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)地址（Address）獲取服務(wù)操作及元數(shù)據(jù)，后臺(tái)也會(huì)相應(yīng)生成代理類并配置端點(diǎn)，從而客戶端便能通過(guò)代理類的調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)端服務(wù)的調(diào)用。

借助.NET平臺(tái)，用WCF建立服務(wù)端與客戶端之間的通信切實(shí)可行，且操作簡(jiǎn)便。

3.3 安全訪問(wèn)控制策略

任何形式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)都有類似的安全性需求，如何保證安全性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為重要的一環(huán)[14]。該電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)主要對(duì)種類多、數(shù)量大且存放位置多樣的檢測(cè)設(shè)備信息進(jìn)行讀、寫(xiě)訪問(wèn)，一旦出現(xiàn)安全漏洞，輕則使數(shù)據(jù)泄露，重則使數(shù)據(jù)損壞，從而影響設(shè)備臺(tái)賬、出入庫(kù)及送檢管理，特別是設(shè)備到期未檢將嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作。針對(duì)實(shí)際情況，總結(jié)數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)較突出的安全問(wèn)題如下[15]：

1）用戶非法訪問(wèn)。用戶未在服務(wù)端注冊(cè)即能訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

2）用戶越權(quán)訪問(wèn)。只允許進(jìn)行讀訪問(wèn)的用戶進(jìn)行了寫(xiě)訪問(wèn)，只允許訪問(wèn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的用戶訪問(wèn)了其他敏感數(shù)據(jù)。

3）用戶訪問(wèn)不受控。用戶的訪問(wèn)行為不被監(jiān)視與控制。

針對(duì)上述前兩項(xiàng)安全問(wèn)題，對(duì)電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)的用戶進(jìn)行權(quán)限管理，采用用戶/角色/操作權(quán)限的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。用UML用例圖表示的用戶權(quán)限如圖5所示。

在客戶端建立日志文檔，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件的事件服務(wù)（“寫(xiě)”服務(wù)返回的資源標(biāo)識(shí)符），用以記錄不同用戶在任何時(shí)間發(fā)生怎樣的數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶訪問(wèn)行為的監(jiān)控及漏洞捕獲。

圖5 系統(tǒng)用戶權(quán)限管理用例圖

4 實(shí)例測(cè)試

選擇SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為測(cè)試用數(shù)據(jù)庫(kù)，并遵循SG-CIM完成電氣檢測(cè)設(shè)備資源模型封裝；在Visual Studio 2013環(huán)境下，編制了數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)組件及服務(wù)端與客戶端的窗體應(yīng)用程序。通過(guò)對(duì)目標(biāo)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作測(cè)試，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能組件和通信的正確性與有效性。

測(cè)試環(huán)境為兩臺(tái)搭載.NET Framework 4.5的普通PC機(jī)（2.2GHz Intel Core i3雙核處理器，4G內(nèi)存，64位Win7操作系統(tǒng)），一臺(tái)作為服務(wù)器，另一臺(tái)作為客戶端。部分測(cè)試過(guò)程如下所示。

首先服務(wù)端應(yīng)啟動(dòng)WCF通信服務(wù)，客戶端通過(guò)WCF鏈接至SQL服務(wù)器，驗(yàn)證登錄用戶名及密碼的正確性并選擇對(duì)應(yīng)功能。客戶端端登錄界面如圖6所示。選擇設(shè)備管理系統(tǒng)，后臺(tái)根據(jù)登錄的用戶名判斷其角色為設(shè)備管理員，并提供“查詢?cè)O(shè)備、增加設(shè)備、更新設(shè)備、刪除設(shè)備”的選項(xiàng)界面，以查詢?cè)O(shè)備為例，其操作界面如圖7所示。

以操作單條數(shù)據(jù)為例，測(cè)試系統(tǒng)的增、改、查操作所耗時(shí)間見(jiàn)表2。結(jié)果表明，在該硬件環(huán)境下，客戶端對(duì)服務(wù)端中數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)具有快速性（毫秒級(jí)）。

表2 管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作時(shí)間測(cè)試

圖6 用戶成功登錄界面

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，客戶端能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)服務(wù)端中數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查，這為實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的設(shè)備管理操作奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)和通信是C/S應(yīng)用的基礎(chǔ)，采用面向?qū)ο蠓椒ǎ裱璖G-CIM設(shè)計(jì)電氣檢測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)可提高其通用性與開(kāi)放性；采用WCF實(shí)現(xiàn)其客戶端與服務(wù)端間通信，可提高系統(tǒng)的交互性。以SG-CIM和WCF為核心所設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的管理系統(tǒng)，適用于多用戶訪問(wèn)及一定范圍內(nèi)的局域網(wǎng)（也可至廣域網(wǎng)）環(huán)境，對(duì)硬件及網(wǎng)絡(luò)的需求較低。以其為骨干，可結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)一步擴(kuò)展其他功能組件，也可按照上述設(shè)計(jì)思路，擴(kuò)展報(bào)告數(shù)據(jù)管理等其他非設(shè)備類應(yīng)用。后續(xù)將逐步完成功能擴(kuò)展，并在提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率及系統(tǒng)內(nèi)的多功能組件高效管理方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

圖7 設(shè)備管理員查詢?cè)O(shè)備界面

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Design and implementation of information management system about electrical detection equipments followed SG-CIM and applied WCF

Wu Hong Ma Feiyue Zhang Lihua Niu Bo

(Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Company, Yinchuan 750011)

With the rapid development of electric power detection technology, all kinds of the electrical detection equipments which used for live detection, black-out test and on-line monitoring has increased, that needs to develop one interactive collaborative management system which has good commonality and good scalability. The designed system followed the SG-CIM for extended modeling and coding, designed the data access interface followed the GDA of IEC 61970, and built the communication between the client and server by applying WCF. The prototype program of the system was tested, the result showed that the system could complete equipments’ information management operations quickly and accurately. The following will continue to improve the information management functions and extend other functional components.

SG-CIM; IEC 61970; WCF; electrical detection; management system

2018-03-14

伍 弘（1990-），男，陜西安康人，碩士，助理工程師，主要從事輸變電設(shè)備帶電檢測(cè)工作。