一種先進、開放、規(guī)范的變電站監(jiān)控系統(tǒng)

胡玉瑩，張繼馳

(1．國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；2．國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

隨著智能電網建設的推進，電網業(yè)務呈現多樣化發(fā)展趨勢。變電站作為電網的支撐節(jié)點，其監(jiān)控系統(tǒng)需要以更靈活、可靠的方式承載各類應用功能，以滿足電網監(jiān)視、控制及管理需求。智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)部署了運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析與智能告警、運行管理、輔助應用五大應用功能，標準，但各廠家產品仍然沿用傳統(tǒng)軟件架構，平臺與應用相互捆綁，應用互不兼容，不符合當前平臺化、開放化的IT技術理念[1-4]。

其不足和問題主要體現為系統(tǒng)的封閉性和差異性，對于用戶來說使可供選擇的應用少且互不兼容，部署運行新應用時不可避免地對原有系統(tǒng)進行改造，增加了系統(tǒng)投入和運行不穩(wěn)定性。對于廠家來說，封閉體系導致在應用新技術、新標準時往往需要對系統(tǒng)整體進行改動，產品版本變動頻繁，增加了軟件開發(fā)和管理成本。在電網運行管理方面，“無人值守”、“調控一體”需要變電站與主站能夠建立更為高效、靈活的業(yè)務協(xié)同互動機制，以充分利用變電站信息采集、監(jiān)視控制和設備管理等軟硬件資源，支撐各類主站業(yè)務的開展。

為此，本文在充分吸收智能變電站研究與應用實踐成果基礎上，借鑒IT行業(yè)先進技術理念，對變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構、多業(yè)務類型數據存儲、服務訪問接口、應用功能模塊化、平臺與應用互操作測試等關鍵技術進行思考，構建出先進、開放、規(guī)范的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。為實現以上目的，本文提出的系統(tǒng)包含以下3個要素：基于開放平臺技術的系統(tǒng)架構,多源數據虛擬化存儲與訪問技術以及支持業(yè)務互換的應用模塊化技術[5-7]。

1 基于開放平臺技術的系統(tǒng)架構

傳統(tǒng)智能變電站的監(jiān)控系統(tǒng)，均為廠家根據自家產品專門定制。因此變電站后臺系統(tǒng)應用與平臺耦合度極高，后期無論是出現硬件問題需要更換設備，或系統(tǒng)應用功能不足需要更新系統(tǒng)，均只能繼續(xù)尋找原廠家重新進行定制，甚至可能出現因定制程度過高，以至于原廠家也無法在現有設備或系統(tǒng)基礎上進行升級。這使變電站的后期維護成本大大提高。

因此，本文提出了基于開放平臺技術的“平臺+APP”系統(tǒng)架構(見圖1)，建立了變電站監(jiān)控系統(tǒng)開放式的服務架構，采用基于“Integrated Design”設計理念，構建包括架構元件、聯(lián)結器、任務流的系統(tǒng)架構設計方案。這使廠家可以輕松根據用戶需求，對監(jiān)控系統(tǒng)進行模塊化定制，并適配于大部分變電站設備平臺。

圖1 平臺+APP架構

為實現這種開放式服務架構，平臺主體應采用分布式設計結構，將系統(tǒng)按不同功能分層，各模塊與層級之間采用消息通信機制進行連接，模塊與層級本身的耦合度低，系統(tǒng)可以根據不同的應用需求，通過配置實現各種模塊的增減，可裁減性強，系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

該系統(tǒng)架構分為硬件層、操作系統(tǒng)層、通信總線層、數據庫層、公共服務層和應用層。其核心系統(tǒng)是ORT(operation run time)底層架構、通信軟總線、實時數據庫及其管理程序、基本SCADA處理模塊，這些模塊構成一個最小的運行系統(tǒng)。在最小系統(tǒng)的基礎上可以按需要部署應用模塊，包括前置通信模塊、操作圖形界面、AVQC、防誤閉鎖、五防操作票、程控、拓撲計算、智能告警等應用。每個應用之間可通過內部消息總線進行消息傳遞，可獨立運行。每個應用提供的子功能可通過系統(tǒng)功能組態(tài)靈活配置。

系統(tǒng)架構的各部分通過支持多業(yè)務實時數據并發(fā)訪問的總線技術進行數據交換。本文使用面向對象的軟件編程技術，同時采用模型標準化和接口標準化的技術思想和理念，以模型驅動理論和分布式系統(tǒng)技術為基礎，提出滿足監(jiān)控系統(tǒng)開放平臺中實時數據傳輸需求的高性能的標準軟總線，總線內部架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟總線的內部架構

為了保證平臺的安全可靠，通過借鑒LDAP樹形結構化層次化權限管理方案，建立不同業(yè)務應用的專屬訪問權限，從數據層級對應用訪問的權限進行管理和控制，對于實時控制類數據進行保護隔離，進一步提升平臺的安全性，保證各功能在其限定的權限內工作。按模塊化管理思路首先用主程序、子程序、子過程等部分綜合描述軟件的主要結構，以及程序運行的具體流程、定義各部分之間的聯(lián)系以及數據輸入、輸出的方向。最終的結果是得到一系列以功能模塊為單位的算法描述，并以功能模塊為單位進行具體程序設計[8-9]。

2 多源數據虛擬化存儲與訪問技術

對于一個高集成而又開放的系統(tǒng)來說，如何構建一個合格的存儲、訪問方式是關鍵之一。一方面由于系統(tǒng)高度集成，本身體量較小，運行速度極快，系統(tǒng)的存儲與訪問技術要能夠符合系統(tǒng)高集成的特點，滿足數據存儲與訪問的實時性要求；另一方面要考慮到，由于系統(tǒng)是開放的，往往數據來源是多類型的，系統(tǒng)的的存儲與訪問技術要能兼容多種數據類型，并進行統(tǒng)一儲存，而在其他系統(tǒng)提出訪問需求時提供正確的數據格式。

為達成這種要求，本文基于虛擬化存儲的實時數據庫技術，采用其歷史數據混合存儲能力實現變電站不同業(yè)務數據的存儲；為了達到數據高效訪問目標，使用了多重HASH數據訪問技術，保證了開放平臺基礎數據的統(tǒng)一存儲與訪問。

實時數據庫系統(tǒng)管理保存在內存緩沖區(qū)中電力系統(tǒng)運行的實時數據，為了適應多業(yè)務不同實時性要求的數據統(tǒng)一存儲，采用基于虛擬化存儲技術以提高系統(tǒng)的響應速度和處理能力。大容量非實時數據的數據模型存于歷史庫，各應用服務器(邏輯)上實時庫中的數據從歷史庫中下裝，下裝后即可為其他客戶端提供數據訪問服務。為了實現站內數據采集與同步，需解決數據的多源性和通信協(xié)議的多樣性問題。變電站的通信對象包括間隔層各類IED，站控層的監(jiān)控主機、綜合應用服務器、數據服務器以及調控主站。數據庫內部及其與間隔層、站控層設備交互信息流如圖4所示[10]。

圖4 變電站數據庫采集與同步信息流

在進行數據讀取時，系統(tǒng)采用基于多重HASH的數據訪問技術，使所有二次設備信息模型中的數據集都有一個唯一的索引標識，變電站監(jiān)控系統(tǒng)數據檢索可依托該索引建立快速的數據庫檢索機制，實現數據的快速訪問。

3 支持業(yè)務互換的應用模塊化技術

為使系統(tǒng)模塊化，實現系統(tǒng)應用可以根據用戶需求靈活進行調整，本文使用基于反射機制的平臺服務接口以及動態(tài)可配置的多業(yè)務訪問模型，并將服務按照邏輯層次和部署層次進行劃分[11-12]。

反射機制允許程序在運行期能夠分析類結構特征，并能操作程序內部屬性，取得類的內部信息?？梢詣討B(tài)調整系統(tǒng)行為。標準服務接口技術是一種應用程序體系結構，它將該體系結構中所有功能都定義為相互獨立的服務，這些服務通過定義明確的接口，以定義好的順序調用這些服務形成業(yè)務流程。

監(jiān)控系統(tǒng)開放平臺可以完成特定功能的服務調用來實現自身應用的需求，再通過為這些服務定義的中間接口去實現集成。這其中接口部分的狀態(tài)監(jiān)測采用了反射機制，保證進程的狀態(tài)可監(jiān)視。平臺集成實時/歷史數據訪問、文件訪問等多種服務功能，提供統(tǒng)一的跨進程公共數據訪問接口。擴展應用采用獨立進程，通過公共服務接口獲取平臺提供的數據，并將處理的結果返回平臺，其系統(tǒng)結構如圖5所示[10]。

圖5 系統(tǒng)結構

在傳統(tǒng)的結構化分析方法中存在反饋機制，高層模塊需要調用低層模塊，而低層模塊的改動會直接影響到高層模塊，迫使高層模塊也必須做出改動。而在良好的面向對象程序設計(OOP)中，高層模塊應獨立于低層模塊，使模塊可以非常容易地被重用，不會出現底層模塊發(fā)生變化導致高層模塊難以起到應有作用的情況。這也即框架設計的核心原則——依賴倒置原則(DIP)。在DIP原則中，每個較高層次都為它所需的服務提供一個抽象接口，低層模塊則利用這個抽象接口接收高層模塊的指令，每個高層模塊都通過該抽象接口與下一層進行間接連接。這樣高層就獨立于低層，對低層的修改不會影響到高層。監(jiān)控系統(tǒng)開放平臺內集成實時/歷史數據訪問、文件訪問等多種服務功能，提供統(tǒng)一的跨進程公共數據訪問接口。高級應用將作為一個獨立的進程，通過公共服務訪問接口獲取平臺提供的數據，并將處理的結果返回到應用平臺[13]。這是利用了設計模式(Design Patterns)中的工廠模式來實現。在具體實現時需要創(chuàng)建一個Dao Factory類，其功能是根據配置文件的設置，返回符合高層模塊需求的數據或反饋。對于高層模塊的運行來說，只是通過接口得到本身需要的數據或指令回饋，然后使用這些數據或指令向上繼續(xù)反饋，完成用戶所下指令。而接口得到的數據或反饋來自于哪個底層模塊，高層模塊并不清楚。通過這種方式，避免了讓高層模塊直接調用具體底層模塊，導致上下層模塊直接進行數據交換，而是將任務本身拆分，將其通過接口分別發(fā)送給底層模塊，實現模塊的松耦合，提高了底層模塊的重復利用性。如圖6所示。

圖6 基于可配置的數據訪問模型結構

4 結語

本文提出了一種先進、開放、規(guī)范的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，來滿足當前平臺化、開放化的IT技術理念。這種構想可以極大程度上減少智能變電站用戶的經濟、精力成本，并能夠靈活地根據用戶的需求，隨時進行應用功能定制。此外，該系統(tǒng)集成度高，與其他平臺、系統(tǒng)兼容性好，適用于多種場合，可以進行大面積推廣應用。