电网调控系统广域服务访问及管理方法

梅 峥, 路 轶, 李西太, 王 恒, 厉启鹏, 郭 亮

(1. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院), 江苏省南京市 211106; 2. 北京科东电力控制系统有限责任公司, 北京市 100085; 3. 国网四川省电力公司, 四川省成都市 610000)

电网调控系统广域服务访问及管理方法

梅 峥1,2, 路 轶3, 李西太1,2, 王 恒1,2, 厉启鹏1,2, 郭 亮3

(1. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院), 江苏省南京市 211106; 2. 北京科东电力控制系统有限责任公司, 北京市 100085; 3. 国网四川省电力公司, 四川省成都市 610000)

随着特高压大电网的快速发展,当前的电网调控系统已难以有效满足调度一体化对跨调度机构进行服务访问的迫切需求。基于对现有服务架构的深入分析,提出了通用的广域服务访问和管理方法,构建了面向电网调控系统的广域服务体系。通过服务信息发布、信息分层管理、多维度分析监控等技术,实现广域服务的管理与监控;通过服务查询、基于资源评估的负载均衡、多粒度访问控制策略、服务访问轨迹实现跨调度机构服务的访问及控制。目前研究成果已在工程中获得了实际应用,为广域范围内的故障告警实时推送、画面浏览和模型数据维护提供了技术支撑。

电网调控系统; 广域服务体系架构; 域名中心; 服务代理; 广域服务访问; 广域服务管理

0 引言

随着特高压交直流电网快速发展,电网送受端、调度机构间的联系日趋紧密,电网特性将由区域主导模式转向总体模式[1-3]。为了保证互联大电网的安全稳定运行,需要在广域范围内共享模型、图形、量测、事件等信息,并基于一致的数据进行电网运行监视、精确计算和分析,实现全网的态势感知和协调控制[4]。

针对电网调度的新变化,目前已存在关于广域范围内电网运行信息共享的相关研究。文献[5]提出了智能电网调度控制系统的信息分层概念,强调未来智能电网调度控制中心之间需要大量信息的双向互动。文献[6]提出了“物理分布、逻辑统一”的全网集散式调度与控制技术支持系统的架构,以服务方式提供信息共享和计算功能。文献[7]提出基于面向服务的体系架构,构造统一的支撑平台,达到数据一致、信息共享。上述文献对未来调度系统体系架构及关键技术进行了探讨,而且都提到通过服务方式实现广域范围内的信息共享和协调控制,但是对于面向电网调控系统的广域服务体系具体细节讨论较少。

近几年智能电网调度控制系统(简称D5000系统)在各级调度机构得到了大力推广,取得了较好的应用效果。D5000系统采用面向服务的体系结构(service oriented architecture,SOA)[8-10],通过服务总线为应用服务的集成、运行和管理建立了一套通用机制,实现应用的快速集成和即插即用,支撑了调度系统内部的信息共享和业务协同。同时为了支持跨机构的业务协同,D5000系统也提供了广域的数据交互方法,但是其设计目标主要是针对远程画面浏览功能,以实现电网运行工况的广域实时监视,适用场景单一。随着电网一体化协同运行的特性愈发显著,D5000系统在支撑调度机构之间的信息共享和业务协同的能力上已显示出不足,主要表现在以下几个方面:①缺少广域环境下的服务注册和查询功能,不能在线获取有效的服务信息,影响广域服务访问的准确性和效率;②目前调度机构之间的广域互联机制缺少灵活性,不能高效实现调度机构之间的网络连接;③广域数据交互功能扩展性差,不能随着跨调度机构协同业务数量的变化进行动态调整;④缺少广域的服务访问控制与跟踪机制,不能对服务访问过程进行有效控制和全面监控;⑤缺乏通用的广域服务访问机制,不能有效满足跨机构业务协同发展的需要。

因此,有必要基于D5000系统现有的成果研究面向电网调控系统的广域服务体系。本文首先简要分析了D5000系统的服务架构,在此基础上建立了适用于广域环境下的电网调控系统服务体系架构,并提出了广域服务体系工作流程,然后分别深入讨论了广域服务的访问和管理方法,最后进行了应用情况说明和前景展望。

1 电网调控系统广域服务体系

1.1 现有服务架构

D5000系统服务体系架构主要由服务提供者、服务请求者和服务管理中心构成[11-12]。服务提供者运行时向服务管理中心注册服务信息,服务请求者在访问服务时首先向服务管理中心定位服务,当获得有效的服务信息后进行访问。服务信息的注册和定位为应用服务的访问和扩展增加了灵活性,但是只限于调度机构内部,对广域服务访问请求不能提供有效的服务信息。

同时D5000系统通过部署在各调度机构的远程访问代理进行广域数据交互,以实现远程画面浏览功能。为了能在不同的调度机构之间转发画面浏览请求和响应,D5000系统采用静态方式在各机构配置调度域名与对应代理地址的关联信息,以便代理之间建立网络连接。当交互的范围和需求相对固定时,静态配置方式可以较好地支撑广域服务访问,但是随着广域服务访问的范围和需求不断增长,这种方式很难保证通过简单增加代理数量来及时提升广域数据交互能力,因此扩展性差,不能有效满足业务协同的需要。

综上所述,D5000系统对广域的服务访问支持力度比较有限,在服务信息的共享、广域互联机制、服务访问机制等方面存在不足,同时也缺少对广域服务访问过程的控制与跟踪机制。

1.2 广域服务体系

在继承现有服务体系架构优点的基础上,并针对D5000系统在支撑广域服务访问中面临的问题,本文提出了电网调控系统广域服务体系架构,如图1所示。

图1 广域服务体系架构Fig.1 Architecture of wide-area service

该体系架构由服务管理与监控中心、域名中心、服务代理、服务提供者及服务请求者构成,与D5000系统相比，提出了支撑代理透明互联的域名中心,建立了实现广域服务信息共享和访问控制的服务管理与监控中心,并进一步完善了代理的功能。

服务管理与监控中心包括管理中心和监控中心。管理中心的服务发布、服务同步为应用提供广域服务的注册、查询、撤销、生存期检测及服务信息同步等功能;监控中心主要包括服务信息的统计、服务访问过程的跟踪,实现服务运行状态实时统计及服务负载的实时监视,并将上述服务运行工况信息提供给服务代理作为服务访问控制、均衡负载的辅助决策依据。均衡器和访问控制为广域服务访问提供负载均衡处理机制及服务访问的权限控制功能;域名中心提供代理注册功能,可在域名和代理之间动态建立关联信息,并通过各机构域名中心之间的信息同步,在广域范围内利用域名查询关联的代理信息,有效实现代理间的透明互联,同时代理注册也可以实现代理规模的动态调整,提高了广域数据交互功能的扩展性;服务代理通过域名查询在调度机构之间建立网络连接,通过辅助决策验证服务请求的合法性并利用均衡器选择负载最小的服务,为广域服务访问进行数据转发。

广域服务体系工作流程如图2所示。

图2 广域服务体系工作流程Fig.2 Work flow of wide-area service

广域服务访问的流程包括以下三个阶段。

第1阶段:服务代理注册及域名同步。调度机构A,B中的服务代理向各自的域名中心注册代理信息,并将域信息互相同步。当进行服务访问时,通过域名查询服务代理的地址信息, 在A和B的服务代理之间建立网络链接,实现对数据的转发。

第2阶段:服务信息发布及同步。A,B中的应用服务向各自的服务管理与监控中心注册服务,并将各自的服务信息包括域名、服务名等服务定义信息相互同步。

第3阶段:服务查询及服务访问。调度机构A的服务请求者向本机构的服务管理与监控中心查询调度机构B的服务,获得确认后A的服务请求者向本机构服务代理发送请求,服务代理将请求转发给B服务代理;由B的服务代理根据访问控制策略找到合适的服务,并转发给服务提供者;最后由服务提供者将响应原路返回给服务请求者。

2 广域服务管理

2.1 广域服务发布

为了使广域环境下服务能被实时感知,需要对服务信息进行广域发布。广域服务发布是指应用将服务信息注册到本地服务管理与监控中心,并将本地服务信息同步到其他调度机构。广域服务发布包括广域服务的注册、删除和失效检测等功能,通过服务仓实现本地服务与远端服务信息的存储,满足调度机构间服务的查询和检索。具体如下所示。

1)服务注册。应用将服务信息注册到本地服务管理与监控中心,并将该服务信息加入到服务仓中。

2)服务撤销。应用将撤销操作发送到本地服务管理与监控中心,并从服务仓中删除该服务。

3)服务更新。应用定期更新本地服务管理与监控中心服务仓中服务的状态,从而保证服务状态的真实、有效。

4)服务生存期检测。服务管理与监控中心将定期检测服务仓中服务的状态,如果在指定时间段内服务状态没有更新,则将失效的服务从服务仓中删除,从而保证了服务的有效性。

广域服务发布流程如图3所示。首先,服务提供者将服务信息注册到本地服务管理与监控中心,并将该服务信息存储到服务仓中;其次,当服务注册成功后,服务提供者将定期更新服务仓中服务状态的有效状态;再次,服务管理监控中心将定期对服务仓中的服务进行有效性检测,并将无效状态的服务删除;最后,如果服务提供者撤销服务,服务管理与监控中心将从服务仓中删除该服务。

2.2 广域服务信息同步

随着调度机构间服务访问日益频繁,应在广域范围内实现服务信息的高效共享与查询。但是受限于调度机构间网络通信的现状,服务信息只能发布

图3 广域服务发布流程Fig.3 Publish process of wide-area service

到调度机构内部,导致外部不能直接查询到本调度机构内的服务。因此,为了解决上述问题,需要建立广域服务信息的共享机制。

根据电力调度数据网物理分布和电网调控系统分级部署运行的特点,本文构建了集中与分布相结合的广域服务信息分层管理机制,采用直接同步和按需同步方式,满足服务信息在调度机构间的共享,广域服务信息同步原理如图4所示。其中顶层由部署在国调、分中心调度机构的服务管理与监控中心组成;中间汇聚层由部署在省级调度机构的服务管理与监控中心组成;底层由部署在地级调度机构中的服务管理与监控中心组成。顶层、中间汇聚层和底层在广域范围内形成树形结构的服务信息共享体系,根节点为顶层,分支节点为中间汇聚层,叶子节点为底层。

图4 广域服务同步原理Fig.4 Synchronous principle of wide-area service

图4中分中心、省调、地调等代表调度机构的服务管理与监控中心。其中省调1隶属于分中心1,省调2和省调N隶属于分中心2,具体的同步方式如下。

1)直接同步

具有直接上下级关系的调度机构服务管理与监控中心之间使用本方式同步各自的服务信息。对于顶层调度机构仅向直接下级同步,底层仅向直接上级同步。直接同步的交互范围仅限于上下级调度机构之间,从而减少调度数据网中服务信息同步的负载量。例如:如果以服务方式支撑省地调的业务协同,可以直接在省调和地调间进行服务信息同步。

2)按需同步

随着广域环境下协同业务的增多,在横向和纵向会出现跨越多级调度机构的服务访问。考虑到网络的负载量和服务查询效率等因素,可根据业务需要采用按需同步方式在特定的调度机构间同步服务信息,以保证服务查询的效率。例如:特高压联络线的送受端由两个没有上下级关系的机构进行调度,在这种情况下为了提高业务协同的效率,可以采用按需同步方式在送受两端的调度机构之间同步服务信息。

上述两种方式同步的服务信息参照文献[13]中对服务的定义,采用“域名1.域名2.….域名N.服务名”的格式对服务进行统一描述,其中“域名1.域名2.….域名N”代表自上到下各级调度机构的名称,如“华北.山东.数据服务”;另外,在服务同步过程中采用全量和增量两种同步方式,首次同步采用全量方式传输本区域的所有服务信息,后续同步使用增量方式。

2.3 广域服务分析监控

在多个调度机构间进行服务访问涉及交互环节较多,因此需要提供监控技术手段对应用服务运行工况及广域服务访问过程进行实时监控,从而保证调度业务稳定运行。

广域服务监控原理如附录A图A1所示,由信息采集、统计分析和展示三层结构组成。其中信息采集层负责收集应用服务和服务代理运行的状态、服务的负载量、访问轨迹等信息,并将收集的信息汇报到监控中心;统计分析层负责对汇报的信息进行统计与分析,并将统计分析结果分类存储;展示层由界面负责统一展示服务运行状态和服务统计结果。服务运行状态直观反映了当前应用服务运行状况;服务统计结果则对应用服务运行信息提供多维细粒度统计,如统计固定周期内(每秒、每分钟等)服务的访问数和服务告警信息,也可按照域名、态名和服务名进行统计。

在应用服务超限或者发生异常时,能及时查看告警,方便应用服务维护人员及时捕捉异常服务;在广域服务访问失败时,能通过轨迹信息快速定位,方便应用服务请求人员及时排查问题。

3 广域服务访问

3.1 广域服务查询

要完成跨越多级调度机构的服务访问,首先要实现广域范围内的服务发现和查询。广域服务查询基于层次化的服务信息共享体系,提供对服务的简单查询和复合查询两种功能。

1)简单查询

简单查询是指由服务查询者按照2.2节中服务定义格式提供完整的服务信息,通过对其中的域名进行分析,可以确定服务所属的调度机构,进而可将查询请求委托给上级或者下级调度机构的服务管理与监控中心进行查询。

以图4中地调2查询地调5的数据服务为例,查询过程为:服务查询者提供服务查询信息为“分中心2.省调2.地调5.数据服务”;在地调2的服务管理与监控中心对查询内容中域名信息与本机构的级别关系进行分析,经分析发现地调5与自己不属于同一个上级机构,由地调2将查询请求依次逐层向上委托到达顶层;由顶层分中心1将查询请求转发给分中心2;分中心2逐层向下委托,最终得到地调5的数据服务信息,并将查询结果原路返回。服务查询的路径为:地调2→省调1→分中心1→分中心2→省调2。

2)复合查询

复合查询是指由服务查询者指定查询范围,如“华中”,并在这个范围的各级调度机构中查询相关服务信息。复合查询适用范围更广,支持服务查询者无法确定服务详细信息时通过给出查询范围和服务名进行查询。

以图4中分中心1查询分中心2下所有指定的服务为例,查询过程为:服务查询者提供查询范围和服务名分别为“分中心2”和“数据服务”;分中心1服务管理与监控中心对查询范围分析后将查询请求委托给分中心2;分中心2向下属所有调度机构委托查询请求,获取与指定服务名“数据服务”相关的所有服务信息,并将查询结果汇总后返回。服务查询的路径为:分中心1→分中心2→{省调2、省调N}。

3.2 广域服务访问方式

结合电网调度自动化系统的业务特点并兼容现有应用服务访问方式,提供主备和负载均衡两种广域服务访问方式。

1)主备方式

电网调控系统通常都提供实时态、研究态、培训态、反演态等多态环境[14]。“态”是为了完成某些目标功能的一组应用的集合,不同“态”之间应相互隔离[15]。根据服务访问时提供的“态”获得应用主机节点,在应用主机节点上查找指定的服务,并得到服务信息;如果不存在应用主机则查找应用备机并返回备机服务信息。

2)负载均衡方式

负载均衡方式采用调度算法,为应用服务分配与其当前负载相匹配的请求数量。考虑到服务的负载与CPU、内存、网络流量等多个因素相关,本文参考文献[16-17]采用下式对服务的负载进行综合评估并作为分配服务请求的依据。

(1)

(2)

(3)

式(1)用于计算m个服务实例的负载综合评估；式(2)代表负载综合评估之和；式(3)代表单个服务实例在负载综合评估之和中的比例。

3.3 广域服务访问控制

在广域环境下,如何防范非法用户及其非法访问对系统稳定运行产生的威胁,是广域服务访问面临的重大问题。为了解决上述问题,提出多粒度的访问控制策略。其中区域服务访问控制是针对外部访问进行区域级别控制;安全认证控制是针对服务请求者进行访问权限控制;基于源端的控制是根据来自特定机构的广域服务访问强度进行的访问控制。具体的服务访问控制策略主要包括以下几种。

1)区域服务访问控制。一个调度机构中对外提供服务的应用,不一定对所有其他机构开放,例如:调度机构A中的服务提供者允许调度机构B访问,但是拒绝调度机构C访问。因此,可以参考基于访问控制列表(access control list,ACL)[18-19]的方式对不同区域的服务访问者定义服务访问权限。例如:{机构A,远程浏览,Permit}表示当对远程浏览的服务访问来自“机构A”时,允许进行该访问。

2)安全认证控制。为了保证广域服务请求的安全性和合法性,防止外部请求者对调度系统中资源进行未授权的访问,并对非法访问进行拦截,需要对广域服务访问进行安全认证。安全认证主要采用电力调度数字证书的方式[20-21],在调度系统中用来识别服务请求者的合法性,只有经过了安全认证的外部请求者才能访问调度机构内的应用服务。例如:调度机构A中的访问者访问调度机构B中的服务时提交自己的证书,调度机构B利用证书对访问者的身份和权限进行认证,如果认证通过继续访问,否则拒绝访问。

3)基于源端的控制。如果来自同一机构对某个服务的广域访问请求太过频繁,导致应用服务运行不稳定,需要对该机构的服务请求加以控制。根据来自不同的调度机构对一个服务的广域访问请求进行分类统计,如果一个调度机构对该服务的访问频度过高而占用较多资源,可以暂时拒绝该机构的后续广域访问请求,避免因访问强度过大导致服务运行异常。例如:经过统计分析,调度机构B发现来自调度机构A对远程浏览的服务访问频度较高且占用了较多资源时,可以暂时拒绝A中对该服务的后续访问。

服务访问控制综合采用区域服务访问控制、安全认证控制和基于源端的控制相结合的方式。对于外部的服务请求先进行区域服务访问控制,再进行安全认证控制,当以上两种都通过后还要采用基于源端的控制,从而保证调度业务安全、稳定运行。

3.4 广域服务访问跟踪

为了实现对广域服务访问过程的监控,需要对访问过程中的每一个环节进行跟踪记录,从而形成广域服务访问轨迹。广域服务访问轨迹由源标签和若干记录项组成,源标签记载了服务请求者的相关信息,记录项记载了所经过的服务代理或目的服务的信息。每一个广域服务访问都有唯一的源标签,用于区别其他的广域服务访问。在整个访问过程中每经过一个环节,就产生一个新的记录信息,最终形成从服务请求者到远程服务的访问轨迹。广域服务访问轨迹格式如附录A图A2所示。其中:源标签由源IP地址即服务请求者IP地址、服务请求者端口号,以及服务访问产生的时间组成;记录项由所经过服务代理或目的服务的IP地址、报文开始到达及结束离开的时间所组成。

广域服务访问轨迹如图5所示,其中L代表服务访问标签,P1,P2和S代表记录项。广域服务访问轨迹产生过程为:首先服务请求者与本地的服务代理A建立链接,产生服务访问标签L,将其放到报文头。由服务请求者将请求报文发送给代理A,由A将请求报文转发给服务代理B,并在L后依次增加记录项P1和P2;其次当请求报文到达服务提供者后增加记录项S,并将报文头和响应报文沿着原路返回,最终服务代理A和服务请求者都能得到广域服务访问的轨迹。A将服务访问轨迹汇报到服务管理与监控中心,由后者进行统一汇总,并相应记录到日志中。

图5 广域服务访问轨迹Fig.5 Access path of wide-area service

通过广域服务访问轨迹信息能对服务访问进行实时监控与统计,并对服务访问过程中出现的问题进行及时分析与排查。

4 应用情况

广域服务总线是广域服务访问及管理方法的具体实现。目前,广域服务总线已经被应用到国分实时协同项目及国分模型数据中心项目中,运行情况良好。

1)国分实时协同

国分实时协同项目已经在国家电网调控中心、华中调控分中心、东北调控分中心三地部署。该项目目标是提高各调控中心间的故障异常同步感知能力,完善电网运行共享机制,实现风险同步预警和事故应急协同处置。为此,该项目实现了人机画面广域编辑、广域浏览、公用画面统一管理、故障告警实时推送等功能。其中,广域服务总线主要用于支持综合智能告警服务的广域推送及广域画面浏览。

综合智能告警目前完成了稳态、保护、录波、变电站直传告警、网络分析、动态安全分析、雷电等应用告警信息的接入与分析,国家电网调控中心订阅华中调控分中心的综合智能告警服务后,通过广域服务总线可实时获得华中的告警信息,从而实现电网运行故障的共享。实时数据服务对外提供实时的电网状态数据,国家电网调控中心通过广域服务总线向华中、东北两地的实时数据服务发送广域画面浏览请求,获取电网实时运行状态数据,从而实现国调、华中、东北三地的电网运行工况信息共享。

2)国分模型数据中心

模型是电网监视、控制的基础。国分模型数据中心主要用于电网全模型的拼接、维护、分发等操作,是构建调度控制云的基石。2016年11月国家电网公司完成了国分模型数据中心基本功能建设,其包括北京、上海两站点,实现了客户端对云中心模型的远程维护和模型数据的上传、下载等功能。国分模型中心通过设备模型管理服务、元数据管理服务等5个服务实现全网模型的构建与管理。其中,客户端对模型中心服务的访问和负载均衡主要通过广域服务总线实现。

5 结语

本文提出了一种满足互联大电网多级调控中心一体化调度需求的广域服务体系架构,建立了统一、高效的跨调控中心的服务管理和访问方法,实现服务信息在广域范围内高效查询与共享。并将广域服务总线应用于电网的模型数据中心和国分实时协同项目,实现了电网模型的广域管理及告警信息的跨调度机构共享,成为模型数据中心化的重要支撑。

随着以一体化为特征的电网调度自动化系统研究的深入开展,广域服务的访问及管理未来将会广泛应用于调度机构间及调度主站与子站之间的服务交互,具体包括以下两个应用方面。

1)电网应用服务化。目前,动态安全评估(dynamic security assessment,DSA)、静态安全分析、调度员潮流等电网应用软件均基于区域电网模型进行计算,由于电网模型的物理划分并未充分考虑电气设备连接的逻辑关系,导致有些区域电网的网络分析计算准确率较差。国分模型数据中心建成后,DSA等电网应用会基于全网模型进行网络分析,提高准确率,并依托广域服务总线以服务化的形式对外输出结果。未来各区域通过广域服务总线远程获取分析结果将成为应用趋势。

2)主子站一体化。当前,调控主站在电网监控系统建设方面取得了很大的成绩。然而,调控主站和子站的互动性仍然存在很多问题[22]。例如:主子站模型数据不统一,模型之间的映射缺乏统一、有效的规范。主子站建设一旦完成,模型维护、系统增容都非常困难;主子站没有高效的互动机制。未来广域服务总线可以作为主子站间交互的桥梁,在主子站间建立高效的交互机制,为模型数据、图形文件的传输提供基础设施。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Wide-area Service Access and Management for Power Grid Dispatching and Control System

MEIZheng1,2,LUYi3,LIXitai1,2,WANGHeng1,2,LIQipeng1,2,GUOLiang3

(1. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China; 2. Beijing Kedong Electric Power Control System Co. Ltd., Beijing 100085, China; 3. State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610000, China)

With the rapid development of the ultra-high voltage power grid, it has been difficult for the current power grid dispatching and control system to effectively meet the urgent needs of the integral scheduling service access to inter-scheduling agencies. Based on an in-depth analysis of the existing service architecture, a universal access and management method is proposed for wide-area services, and a wide-area service system oriented to the grid control system is built. Through service information release, hierarchical management, multi-dimension analysis and monitoring technology, the management and monitoring of wide-area service is realized. Through service query, load balancing, multi-granularity access control strategy and service access path, the access and control of cross service resource scheduling is implemented. At present, the research results have been applied in engineering practice to provide technical support to fault alarm real-time push, image browsing and model data maintenance in the wide area.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No. SGTJDK00DWJS1600012).

power grid dispatching and control system; wide-area service structure; domain name center; service proxy; wide-area service access; wide-area service management

2016-12-07;

2017-06-22。

上网日期: 2017-07-25。

国家电网公司科技项目(SGTJDK00DWJS1600012)。

梅 峥(1975—),男,博士,高级工程师,主要研究方向:电力调度自动化系统。E-mail： meizheng@sgepri.sgcc.com.cn

路 轶(1977—),男,硕士研究生,工程师,主要研究方向:电力调度自动化系统。E-mail: luyi_1230@126.com

李西太(1983—),男,通信作者,硕士研究生,高级工程师,主要研究方向:电力调度自动化系统。E-mail: lixitai@sgepri.sgcc.com.cn

(编辑 章黎)