面向电网规划平台的应用数据子系统架构设计

杜振东，兰洲，戴攀

0 引言

电网规划是电力系统建设中一项重要且复杂的准备工作，规划质量直接影响电网投资效益及电网运行安全[1-5]。目前，中国电网建设正朝坚强智能电网方向前进[6]，这对电网规划提出了更高要求。合理的电网规划是保证坚强电网的前提，并为电力市场提供规范、有效、有序的竞争平台。电网规划仿真在实际规划之前模拟规划的过程，对结果进行分析评估，对实际的电网仿真具有指导和借鉴的意义[7]。采用开放式结构，提供关键功能冗余的、支持分布式处理环境的网络体系结构，满足可扩充性、安全可靠性、开放性、易维护性等要求，是电网规划仿真实验平台对应用数据子系统最基本的需求[8-9]。从电网规划仿真工作的实际出发，通过分析电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的需求得出，电网规划研究仿真实验室应用数据子系统首先要从各个系统获取电网规划和仿真的基本数据。其次，要求数据的准确性和同步的及时性。实际上，这是解决诸多二次系统的集成问题，选择正确的集成方法论对整个项目的成败至关重要[10-14]。

传统的集成方式采用点对点的集成框架，由于接口不可重用、接口无法升级等特点，接口式的数据集成并不能够适应企业长期的集成目标。本文根据信息技术发展的成果，我们选取最新的基于数据总线的集成方法，在 CIM/CIS和数据规范化研究的基础上，建立了数据中心数据集成平台、完整的接口体系以及数据交换平台，最大程度地实现了数据的接入、共享和交换。

1 电网规划研究仿真实验室应用数据子系统总体架构设计

针对电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的信息化特点，从系统的设计目标和功能要求出发，结合目前先进且成熟的信息技术与理念来设计系统，力求建设一套实用、先进、成熟、可靠的电网规划研究仿真实验室应用数据子系统，为电网规划仿真提供可靠而全面的基础数据，提高电网规划仿真水平，验证筛选合理的规划方案，创造更大的经济效益和社会效益。系统总体设计如图1所示：

图1 电网规划研究仿真实验室应用数据子系统系统总体架构设计图

基础数据来源与ERP系统、PMS系统和SCADA系统，通过不同的数据适配器接口通过统一的数据服务总线汇集到数据仓库中，分为实时数据、历史数据、图形数据和GIS信息数据。与数据服务对应的是应用服务，应用数据子系统通过应用服务总线为电网规划仿真平台提供如算法调用等相关的应用服务。

2 电网规划研究仿真实验室应用数据子系统软件架构

CORBA是解决跨异构系统分布式计算技术的理想方案之一，着重解决异构环境中分布式对象之间的互操作问题，在COM、DCOM等众多中间件中，CORBA的实时性是最好的，CORBA既允许静态调用，也允许动态调用，还具有高级语言联编、系统自描述等优点。CORBA分布式对象模型与J2EE环境通过JavaIDL相结合代表了最具互操作性的分布式使能标准模型，因此，将电网规划研究仿真实验室应用数据子系统定位于基于CORBA/J2EE多层C/S和B/S混合构架的软件系统。

2.1 系统软件逻辑层次

系统软件逻辑层次，如图2所示：

图2 系统软件逻辑层次图

2.1.1 应用中间件

应用中间件可以看作上层应用系统和底层不同硬件体系、不同操作系统之间的一个中间件软件包，该软件包有效地将上层应用和底层系统隔离开，同时建立在不同的计算机体系结构和操作系统之上的分布式并行运行平台，为上层应用的设计和运行提供一种开发平台和运行的环境。本系统采用分布式公用对象请求代理体系结构中间件CORBA、J2EE总线作为系统的通信和集成框架。

2.1.2 数据支持层

本系统采用oracle数据库作为系统的数据库平台，负责管理应用系统的数据资源，通过大型关系数据库管理系统，实现业务数据存储管理服务，完成数据的存储、检索、优化、自我故障诊断备份、恢复等操作。同时数据总线还包括对其他现有系统的数据资源的集成。数据层通过数据模型有效地建立数据库结构，客观地反映系统中数据间存在的有机联系，实现整个电网规划研究仿真实验室应用数据子系统数据的集中存储，建立统一业务数据整合平台。

2.1.3 服务支持层

服务支持层包括服务支持和算法服务库。其中服务支持由系统应用框架，业务模型、调用控制、视图表示组成。系统应用框架为整个系统提供所有功能模块都必须的公共服务，业务模型、调用控制、视图表示分别对应模型，控制器和视图。

2.1.4 展现层

展现层事实上是功能模块层分析结果的展现，采取B/S模式进行实时及预测信息发布，根据电网的当前状态及变化趋势，实时给系统使用人员提供预警或告警信号，并给出相应的建议措施，辅助运行人员及生产管理人员做出决策。

2.2 软件平台

2.2.1 软件配置及设计原则

本系统的软件配置及设计应遵循下列基本原则：

系统应能够提供实时的、多任务的和多用户的运行环境，应提供高优先级过程可以中断低优先级过程的机制，应能够监视高分辨率时钟和定时唤醒相应的进程，能够响应和处理各种硬件和软件的中断请求，并能够自动安排其优先级。

数据库服务器、应用服务器、WEB服务器等必须采用UNIX操作系统。所有工作站既支持UNIX/Linux，也可支持WINDOWS系统。系统应提供相应的机制来保护数据和文件不受破坏，只有允许的特权进程可以读写指定的数据区域。为支持硬件的各类驱动程序应包含在操作系统内。

2.2.2 数据库

数据库是信息系统的核心，所有的应用如 WEB、信息交换、数据处理等都围绕着数据库。作为中心信息系统数据库，必须满足并发用户对数据库数据的安全访问，其存储的数据也必须有较大的扩充能力，并必须具有较高的开放程度和良好的互操作性，可满足关键性业务的高可靠性要求。采用的数据库为企业级Oracle。

3 电网规划研究仿真实验室应用数据子系统功能设计

电网规划研究仿真实验室应用数据子系统通用功能包括：数据交换平台、数据中心、模型中心、图形中心、数据展示、数据查询、信息服务、WEB、统一的信息维护平台、对接入/嵌入第三方应用功能提供统一的平台支撑等基本功能。

3.1 应用中间件层功能设计

3.1.1 系统管理

系统管理是系统的核心功能，它负责系统核心的构建和维护。具有如下基本功能：系统基本配置管理；系统节点管理；系统服务器管理；统进程管理；统基本运行环境配置。

3.1.2 系统安全

系统安全管理主要提供系统安全解决方案，保护计算机安全运行，如图3所示：

图3 系统安全管理示意图

操作系统安全策略，网络安全（防止黑客入侵）。病毒检测，漏洞扫描，密码管理等。

3.1.3 系统诊断

系统提供了大量的监视诊断工具，可以保证在系统即将出现故障或者出现故障时预防故障发生或者快速恢复系统，保证系统安全可靠运行。包括：系统运行工况监视；监视通信网关本地共享信息及接收信息；讯网关的连接管理及运行工况监视；故障诊断功能；监视及诊断结果可以查询和管理；通过系统日志诊断系统。

3.1.4 网络管理

电网规划研究仿真实验室应用数据子系统是一个分布式系统，网络结构复杂，网络节点众多，为了保证网络的可靠运行，系统提供了一系列的网络管理功能：配置系统网络节点；配置服务器网络节点；监视网络运行工况；双网自动切换；双网自动负载均衡。

3.1.5 进程管理

由于系统功能复杂、应用众多，因此每个节点都要运行大量的进程来实现不同功能，为了保证个进程正常运行，系统提供了完善可靠的进程管理功能：配置不同节点上运行的进程；配置不同服务器上运行的进程；配置守护、周期、定时等进程启动方式；监视不同节点上进程的运行工况；进程异常时产生报警，并自动重启。

3.1.6 冗余管理

为了保证系统的安全运行，系统采用了多种冗余方式：网络冗余；服务冗余。

3.1.7 服务定位

系统提供了统一的服务定位机制，应用需要与某一服务进行交互时，无须关心该服务位于系统中的哪个节点、IP是什么等等，而只需要提供服务名，系统平台中间层的服务定位模块会立刻将应用与服务关联。

3.1.8 实时库

实时库是电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的实时数据核心，它采用客户/服务器体系结构，以高速RAM存储器为存储介质，通过标准的、统一的、开放的、透明的数据接口为广大客户提供了快速数据存取，它不仅具有良好的实时性，同时也支持多客户并发访问。

实时库具有如下功能特点：分布式客户/服务器体系结构；丰富多样的访问模式；灵活开放的访问接口；实时库在线构建；多数据集支持；自动一致性；数据转储与恢复；实时库展现工具；实时库维护工具。

3.1.9 日志记录

系统提供了通用日志功能，每个应用都可以根据自己的实际定义不同的日志格式。主要具有如下日志功能：操作日志；运行日志；日志查询。

3.1.10 基于CORBA的软总线

CORBA为解决数据库系统异构性提供了基础设施，为设计和实现分布式多数据源集成系统提供了非常好的方法和中间件功能，并且大大减轻了开发工作量，使系统具有良好的开放性、可扩展性和可伸缩性。

3.2 数据支持层功能设计

3.2.1 基于CIM/CIS的数据总线

CIM/CIS数据总线是基于 CORBA标准技术的、遵从IEC国际规范CIM/CIS的数据访问总线。该总线支持多种语言访问，如C++、Java、PHP等等，能够为开发提供开放的服务，有利于应用层的实现。该总线基于CIM/CIS，保证了其它其它遵从 CIM/CIS相关应用的系统能够友好地访问应用数据子系统中的数据。

3.2.2 日志服务

丰富的日志信息，方便系统的调试和故障查找。系统统一管理所有的日志信息，提供共享缓冲区，所有应用程序及系统的日志信息都放在该缓冲区，提供专用的工具方便地查询所有的日志信息，对远程查询也提供可靠方便的方式，详细的日志信息对系统调试及故障查找等起着至关重要的作用，及时解决问题对系统的连续可靠运行提供了保障。系统日志功能如图4所示：

图4 系统日志功能示意图

3.2.3 全局数据字典

元数据（Metadata ）是“关于数据的数据”，描述已有应用系统中的数据的位置、来源、内容、属性和状态。元数据映射是将CIM中的类与现有的数据库中的表进行映射，由于CIM是对象模型，而现在的数据库大多是关系型数据库，因此有些类和属性无法与现有数据库表列进行一一映射，此时，元数据映射可以对这些类或属性定义一定的操作方法，从而有效的实现模型转换。

通过元数据映射将现有系统各异的数据模型可以映射成为统一的符合IEC61970标准的模型，从而有效的消除了由于数据模型不一致给企业集成带来的障碍。元数据映射如图5所示：

图5 元数据映射示意图

3.2.4 资源中心

模型中心：电网规划研究仿真实验室应用数据子系统按照CIM模型对电网进行面向对象建模，保证系统模型的可扩展性，接入多系统中的电网模型的全部信息。

实时数据中心：实时数据中心是企业实时信息的加工、存储和保护中心，对于实时数据的完整性、准确性、及时性以及安全性有重要的作用。实时数据中心在物理上表现为服务器和存储系统的集中部署，网络是实时数据中心生存的基础。

历史数据中心：将接入的多系统的实时数据按照周期、手工、事件驱动等方式存盘，形成一个强大的历史数据中心。

文件数据中心：系统间数据交换最容易实现的方式是通过数据中间文件进行交互，尤其表现在跨物理隔离的数据传输。对于系统的一些重要配置信息和日志信息，也通过文件进行备份，因此需要对这些文件进行集中管理，一方面，能够提高对这些文件的使用效率，另一个方面，能够提高文件数据的安全性。

图形中心：图形中心从各应用系统获取图形文件，转换成标准SVG图形格式，导入数据平台存储。

资源中心同时提供了对以上信息的访问接口和访问方式。

3.2.5 数据交换

数据交换满足内外平台之间的数据同步、各系统通过电网规划研究仿真实验室应用数据子系统进行数据交换、其它系统对电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的数据访问。

当前数据交换在数据访问上提供如下方式：CIM/CIS接口；私有的接口；规约；文件；商用数据库接口；CIM/XML和E语言；Web Service。

数据交换类型包括：文件到文件；文件到数据库；数据库到文件；数据库到数据库。

交换启动类型包括：周期启动、定时启动和手工启动。

数据交换可以自定义路径配置，包括源地址和目的地址，且可以跨I、II、III、IV区。具备数据中转站功能，可作为同一安全区内图形、模型、历史数据的中转站。

3.2.6 CIS服务

为了有效解决电力行业各系统之间的数据交互问题，国际电工组织（IEC）规范了电力企业信息模型（CIM）以及基于该模型的信息访问接口（CIS），如图6所示：

图6 基于CIM的CIS接口与OMG接口的关系

同时，国际对象管理组织（OMG）为工业自动化系统制定了一套类似的工业自动化标准接口，它包括数据访问设施（DAF）、工业系统数据访问（DAIS）和工业系统历史数据访问（HDAIS）。为了和OMG保持一致性，IEC将CIS接口适配到OMG定义的这套工业自动化标准接口，并更具需要，对OMG的接口做了适度的扩展。

3.2.7 导入导出

XML/RDF基模型导出器的功能是将SCADA/EMS系统的数据格式转换为IEC61970/CIM的标准格式，将经过格式转换的电网模型数据导出为XML文件。XML/RDF基模型导出器的工作流程为，如图7所示：

图7 电网基模型导出模块工作流程

3.2.8 Web Services

基于Web Service的集成技术作为一种新的面向函数和方法的应用集成技术，在很大程度上解决了原有集成技术在Internet远程通信方面的问题。Web Service基于XML文档进行服务描述，服务请求和反馈结果，可以在Internet上通过HTTP协议进行传递，很容易的被访问和返回结果。同时，由于Web Service的相关标准都是W3C的开放协议，与平台和操作系统无关，不同的平台和操作系统上的 Web Service的实现在很大程度上可以做到互操作，这就使异构平台上应用的集成变得很容易。

3.3 展现层功能设计

3.3.1 人机界面

人机界面系统是基于网络窗口系统 X-Window, 工业标准OSF/Motif或 Windows和最新的三维图形标准 OpenGL而开发的分布式的全图形化人机接口，具有如下功能特点：窗口系统及画面显示系统；交互式操作管理；趋势曲线功能；画面的拷贝功能；记事本功能；报警功能SVG等图形格式的支持；自动刷新。

3.3.2 图模工具

系统提供了一个全图形的画面零件编辑器和各种画面编辑器，各种画面零件的生成和编辑操作实现了100%的鼠标化，画面的生成即可以在放大模式下也可以是在缩小模式下，在画面编辑器里提供了动态图元的编辑，模拟量，状态量的编辑，以及对其他图象格式文件的编辑。该图模工具具有如下功能特点：图模库一体化支持；全图形画面编辑；丰富的基本图形元件；用户自定义图形元件；全网图形文件同步；严格的图形版本管理。

3.3.3 WEB平台

系统为用户提供了统一的WEB发布平台来方便的对电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的各种模型、图形、数据进行灵活的展示。其具有以下几个功能特点：统一的权限管理；统一的电网模型维护；电网参数一体化管理；统一报表管理；统一图形发布；多数据源管理；系统通知机制；WEB浏览。

3.3.4 综合报表

电网规划研究仿真实验室应用数据子系统提供了通用、灵活、开放的通用综合报表系统。该报表系统具有如下功能特点：兼容 Excel；面向对象的报表制作；多数据源支持；二次计算功能；可扩展的报表种类；面向对象的人性化的报表制作工具；大量的数据展现方式；灵活多样的自动发布；可扩展的计算、分析、统计功能；丰富多样的输出格式；强大的查询修改功能；安全可靠的权限验证。

3.3.5 信息服务

电网规划研究仿真实验室应用数据子系统作为一个模型中心、数据中心、图形中心，为本系统应用和第三方应用通过不同的接口方式提供了以下几种信息服务：历史数据发布；模型参数数据发布；实时数据发布；图形数据发布。

4 总结

电网规划工作的复杂性决定了电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的设计难度。本文从总体架构到具体功能，详细论述了电网规划研究仿真实验室应用数据子系统的设计思路。基于 CIM/CIS和数据规范化采用了最新的基于数据总线和服务总线的集成方法，对上层提供多种应用服务接口，以实现上层接口的统一和跨平台功能；对下层提供多种数据适配接口，以屏蔽来自不同数据体系的数据结构差异。通过数据集成交换平台最大程度地实现了数据的接入、共享和交换。在结构上采用开放式结构，提供关键功能冗余的、支持分布式处理环境的网络体系结构，满足可扩充性、安全可靠性、开放性、易维护性需求。

该系统目前已经在浙江省经研院得到了初步的应用。本文设计的电网规划研究仿真实验室应用数据子系统为浙江省电网规划工作提供了全面可靠的数据服务，大大提高了电网规划工作的效率，提高了电网规划方案的准确性，具有很高的推广价值。

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