电力市场技术支持系统人机图形组态架构及关键技术

颜自坚，孙 鹏，刘晓梅，朱桂英，王高琴

（中国电力科学研究院有限公司（南京）,江苏省南京市210003）

0 引言

近年来,新一轮深化电力体制改革全面启动,电力市场化建设正在提速,中国各地相继建立了相对独立的电力交易机构,逐步建设形成公平规范的市场交易平台［1］。之后,国家发展改革委和国家能源局发布了《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》［2］,选择南方（以广东起步）、蒙西、浙江、山西等8个地区作为第1批试点,现货市场建设也开始全面提速。

电力市场技术支持系统是市场交易公平规范开展的信息化基础,所有市场主体依法依规在平台上公开、公平、公正地开展各类市场交易［3-6］。人机子系统作为电力市场技术支持系统重要的一环,包括交易申报、交易出清、交易发布、交易结算、交易分析等各核心业务环节数据录入与数据展示的功能,需要具备快速生成及调整界面的功能。现有的电力市场技术支持系统总体仍偏重于交易业务的信息化管理,业务与界面展示逻辑没有分离,任何画面的细微改动都依赖开发人员开发、调试、部署,难以快速响应业务对界面变化的需求。

随着面向对象及组件技术的发展,图形组态软件在工控领域［7］、电力调度控制领域研究及应用比较成熟。电网调度控制系统［8-9］中的图形组态软件采用CIM/G［10］格式进行图形存储,通过图形组态系统能快速满足用户对画面调整的需求。文献［11］设计并实现跨平台的电力监控组态软件；文献［12］介绍基于CIM/G的调控系统Web图形展示技术；文献［13］介绍了基于HTML5的电网图形组态软件；文献［14］介绍了能量管理系统（EMS）图形组态系统的架构及关键技术；文献［15］设计并实现一种基于互联网应用的图示化维护工具；文献［16］提出基于调控云的电网图形一体化维护技术,实现国分省地图形一体化维护、构建全网拓扑的目标。电力市场技术支持系统的人机系统设计可以借鉴电网调控系统,但是不能完全照搬,主要原因有:①现有调控人机系统主要针对实时断面数据的组态及展示,难以满足电力市场的多维数据组态及展示需求；②现有调控人机系统画面联动依赖定制开发实现,难以满足电力市场灵活配置画面联动的需求；③现有调控人机系统难以满足电力市场某些业务功能,如全系统申报容量累加和价格关系的综合分析展示需求。

综上所述,针对电力市场多维复杂数据的特点及应用场景,本文借鉴电力调度系统中图形组态技术,提出一种适用于电力交易运营的多维数据图形系统架构,详细阐述了属性引用和事件交互组态、多维数据动态关联定义、基于推送和触发模式融合的数据交互、业务人机操作的扩展等关键技术,利用组态技术实现电力市场画面的组态编辑,实现面向用户的多维数据灵活配置及画面元素联动配置。基于此架构设计的组态系统通过“搭积木”的方式快速构建各类电力市场业务的人机界面,并能迅速调整画面以适应业务需求的变化,有效提升电力交易运营平台的灵活性和适应性。

1 电力市场数据展示交互需求

电力市场技术支持系统包括合约、结算、现货等多个子系统,其中合约子系统支持中长期市场的运行,现货子系统支持日前、日内、实时市场的运行,每个市场内部均包括市场管理、市场出清、市场分析等业务。电力市场业务数据比较繁杂,在时间尺度方面,电力市场涉及的业务含有中长期、多日或星期、日前、日内、实时等不同周期的业务数据,在市场主体方面包括发电集团、市场成员、业务单元、经济机组等,在业务类别方面包括各种口径的电力、电量、电价、电费以及各类市场运营参数等。另外,电力市场业务数据还具有交易属性,时间、主体、业务属性相同的数据可能对应不同的交易属性。

与调控业务相比,电力市场业务具备显著的信息化特点,对图形系统展示交互需求主要包括数据展示、画面联动查询、业务参数修改、应用命令调用等,图形系统应提供良好的业务扩展机制。另外,随着电力市场的深化改革,现货子系统将逐渐由目前的类信息化系统过渡至市场交易和生产调度紧密结合的新型类实时系统。电网负荷预测、送受电计划、机组检修安排等会直接影响现货市场出清结果,并且现货市场的出清结果也会直接用于电网调度运行,因此图形系统需直观展示市场运行过程及电网调度运行状态。

根据上述分析可知,电力市场运营数据复杂且维度多,为实现工具化的电力市场运营图形组态展示平台,需对电力市场数据统一定义标识。

2 电力市场数据定义

2.1 数据模型

IEC 61970标准［17］主要描述了EMS的电网物理模型。而电力市场的公共信息模型,是构筑在电网物理模型上电力交易的商业模型。IEC 62325-301标准［18-19］描述了电力市场公共信息模型,建立形成了一个系统完整的电力市场运营标准体系,可以完整覆盖电力市场运营所需信息。《电力市场交易运营系统业务数据建模标准》［20］继承IEC 62323-301标准,并结合市场分级运营、多方合同、结算等中国电力市场特点扩展形成。

2.2 多维标签数据定义

为使得电力市场业务数据满足便于画面组态展示的需求,本文采用多维标签数据结构进行建模,主要包括以下4个维度。

1）时间维度。时间维度主要包括年度、季度、月度、日、时段、分等,用来表征数据的时间属性。

2）项目维度。项目维度包括交易号、合同号等,用来表征数据的项目属性。

3）主体维度。主体维度包括发电集团、市场成员、业务单元、经济机组等,用来表征数据的主体对象属性。

4）业务维度。业务维度主要包括电力、电量、电价、电费等,用来表征数据的业务属性。

随着业务不断扩展变化等需求,标签化数据结构可进一步扩充。

3 电力市场图形组态系统架构

电力市场技术支持系统的人机图形组态系统需同时支撑电力市场数据和调度数据人机展示交互需求,对电力市场数据信息提供人机组态能力,由于CIM/G接线图等调度图形在调度侧维护,所以仅需提供调度数据展示。在电力市场数据信息组态及展示方面,人机系统支撑合约、结算、现货等多个子系统组态及浏览访问,在相同安全区内能跨子系统访问,不同安全区独自部署图形组态系统。在调度数据展示方面,本文借鉴轻量化设计思路,将调度数据获取和加工处理环节移至服务端,调度数据展示环节仍保留在客户端,有效降低客户端的资源占用及网络带宽［21］。

综上所述,本文提出了基于图形服务化思路的电力交易平台图形组态系统架构,如图1所示。运用面向对象概念设计可复用的图元组件,实现图形组态能力。图形服务端除支撑客户端形成文件等服务外,也支撑人机展示的数据获取和加工处理,形成熟数据推送给客户端,客户端负责渲染展示和人机交互联动,通过图形服务化设计可以支持跨多套电力市场交易运营子系统图形访问,充分发挥服务端多核的计算性能和客户端的渲染性能。

图1 电力市场图形组态系统架构Fig.1 Architecture of graphic configuration system of electricity market

组态图形系统架构分为3层,自下而上分为图形服务层、图形逻辑层和图形展示层。另外,平台支撑层和数据层是为组态图形系统提供数据服务及数据支撑,数据来源于商用关系库和基于内存的实时数据库、分布式高速缓存库。

图形服务层包含图形发布服务和图形取数服务,这2个综合服务在平台基础服务之上进行封装,为编辑器和浏览器提供专有服务。图形发布服务提供图形文件存储及访问服务和CIM/G实时数据推送服务。图形文件存储及访问服务提供存储功能将图形文件保存至服务器,也提供图形文件及调度CIM/G格式文件的读取访问；CIM/G实时数据推送服务为厂站接线图及潮流图浏览提供实时数据,推送变化数据给浏览器。图形取数服务为浏览器提供统一数据服务,通过解析画面各类数据定义,向平台基础支撑服务请求数据,获取数据结果后返送给浏览器进行画面刷新。

图形逻辑层位于图形展示层与图形服务层中间,主要功能包括解析组态画面报文、生成组态图元对象集和数据接收与交互功能。图形展示层包含编辑器和浏览器2个界面工具,其中,编辑器负责组态电力市场运营画面,浏览器用于浏览电力市场运营画面和运行数据。

编辑器提供用户级组态方式形成电力市场运营画面,实现所见即所得的效果,可以快速新增界面或修改界面,无须重新开发部署。编辑器主要功能包括编辑图元、关联数据、联动关系配置、图形文件管理及发布。编辑图元包括静态图元、联动交互图元、动态图元、业务图元等:静态图元包含直线、多边形、圆等；联动交互图元包含按钮、下拉框、时间框等；动态图元包含饼图、棒图、表格等,可关联各类交易分析数据；业务图元用于业务数据提炼后的综合分析展示,包含全系统申报容量累加和价格关系曲线、价格K线图等。关联数据功能是指通过多维度标签化检索器对图元配置交易数据定义。联动关系配置是指配置图元之间的联动交互关系,用于实现复杂的业务事件交互逻辑。图形文件管理及发布功能用于实现文件的存储和读取。

浏览器提供人机展示和交互功能,主要包括画面加载、多时段切换、联动交互、业务交互等核心功能:画面加载功能是指通过图形发布服务获取图形文件,解析文件信息,形成图元对象,同时通过图形取数服务获取画面上的动态数据,并最终显示在浏览器画面中；多时段切换功能可以支持任一时段信息浏览；联动交互功能是指画面图元依据已配置的联动关系进行联动；业务交互功能是指图形平台提供业务人员二次开发接口,实现业务应用操作功能。

在通信层面上,服务总线提供服务注册、定位等功能,支持请求和响应通信方式,消息总线提供点对点、广播通信等功能,支持发布和订阅通信方式。图形系统支持跨子系统访问功能,每个子系统图形发布服务和图形取数服务都向本系统总线服务器进行注册,总线服务器地址对外发布,作为代理提供图形及其他服务。图形浏览器及编辑器不从属于任何一套子系统,通过与各系统总线服务器进行通信,由总线服务器代理与图形服务进行通信,实现图形客户端跨子系统组态及展示功能。由于B/S（浏览器/服务器）和C/S（客户端/服务器）图形浏览器采用不同程序语言开发,为了方便与图形服务交换数据,采用了语言无关的编解码技术,通过定义标准的数据交换格式和提供相应平台及语言的编译器和库文件,将数据交换格式文本编译成相应平台的语言代码,方便实现客户端跨语言、跨平台的数据交换功能。

4 关键技术

4.1 属性引用和事件交互组态技术

由于交易业务画面联动查询操作比较复杂,本文提出了属性引用和事件交互组态方法用于支撑画面上各类图元元素联动交互查询操作。

属性引用是事件交互组态技术的基础,指在浏览状态下图元的属性可以被其他图元引用,例如表格图元的过滤条件可引用自下拉框图元的选中项。图元包含1个或多个属性,不同类型图元所包含属性也不同,例如下拉框包含选中值属性,时间选择框包含选择时间值属性,列表包含选中行第1列值属性等。

事件交互组态技术是指在编辑器中,将图元之间交互事件进行组态化配置,在浏览器中依据配置信息实现图元间事件交互。为实现这些交互,图元需预定义可触发事件和可响应动作。可触发事件是指图元可以触发的事件,每个图元包含1个或多个触发事件,形成可触发事件集合。例如:下拉框在选中内容改变后会触发选中事件,按钮在点击后会触发按钮事件等。可响应动作属性是指图元可响应的动作,每个图元包含一个或多个可响应动作,形成可响应动作集合。例如:列表图元包含数据查询动作,整体窗口画面包含整体数据刷新动作等,具体如图2所示。当图元或窗口具备可触发事件及可响应动作时,可以编排事件交互及动作响应清单。图元的某一个触发事件可以执行其他多个图元或窗口的可响应动作,即实现批量交互动作,由于多个动作之间可能会有执行的先后顺序,所以采取串行方式执行批量动作避免时序问题。例如,画面上包含按钮、表格和曲线图元各一个,业务需求为点击按钮能同时刷新表格和曲线数据,针对此需求,使用编辑器进行动作事件清单编排,配置按钮的点击触发事件联动表格和曲线的刷新响应动作,浏览器依据此动作清单实现点击按钮触发刷新表格和曲线的效果。

图2 事件交互组态示意图Fig.2 Schematic diagram of event interaction configuration

4.2 多维数据动态关联定义技术

传统调度图形组态工具仅能实现静态数据关联,即在编辑状态下已固定取数来源,而在浏览状态下无法改变。除支持静态关联方式以外,本文基于属性引用技术,提出一种电力市场数据动态关联方法,满足在浏览状态下动态改变维度的展示需求。如图3所示,在编辑态下,电力市场数据图元采用四维度标签定义,即从时间维、项目维、主体维、业务维4个属性维度定义数据来源,图元每一个维度可设置为单数据或系列数据。可以固定为静态值,也可以基于属性引用技术,每一个维度可以关联画面图元的动态属性。在浏览态下,随用户画面操作将数据源定义动态转换为数据源实体,提交到数据服务完成数据查询。这种动态关联方法提升了图元组件数据获取的灵活性,避免构建大量同质画面,能适应电力市场业务多样化展示需求。

图3 多维标签数据动态关联及交互方法Fig.3 Dynamic association and interaction method of multidimensional label data

4.3 基于推送和触发模式融合的数据交互技术

数据交互方式包含触发和推送交互2种模式,如图4所示。

图4 推送和触发交互模式Fig.4 Push and trigger interaction modes

4.3.1 触发交互模式

触发交互模式是指在浏览器上由用户操作界面或程序定时刷新主动发起与服务端进行数据交互的方式,即客户端发出请求,服务端同步响应,请求与响应一一对应,在触发交互模式下,不同用户在同一画面上查询方式不同,所浏览的画面信息也会不同。浏览交易画面、浏览CIM/G历史画面及相关操作的交互方式均属于触发交互模式,交易画面的操作主要包括定时刷新、控件交互等。

当定时刷新或用户点击控件时,将多维标签数据请求通过总线发送给图形取数服务,由图形取数服务调用平台支撑服务获取数据结果并返回客户端。

CIM/G历史画面查询时,将设备类等电网运行数据请求通过总线发送给图形取数服务,由图形取数服务调用历史数据服务获取数据结果并返回客户端。

4.3.2 推送交互模式

推送模式是指由服务端定时主动推送数据至客户端,特点是所有用户看到的画面均一致,适合实时监视需求。

CIM/G实时接线图浏览采用推送模式,当客户端浏览接线图时,向服务端订阅该接线图的数据刷新事件,服务端通过会话资源管理模块存储会话信息,并启动画面处理线程,该画面处理线程为浏览同一画面的所有客户端提供数据,在线程中通过文件访问管理模块加载接线图,进行设备类图元创建和解析,形成数据请求发送给平台数据服务获取实时数据,然后通过设备拓扑处理模块生成画面绘制信息,这些信息包括设备着色、设备状态、闪烁信息等,最终返给订阅同一画面的多个客户端［22］。客户端和服务端首次交互是全数据方式,之后画面处理线程定时刷新数据,完成设备拓扑着色等处理,同时计算出画面变化部分,向所有订阅客户端推送变化数据,节省网络带宽占用。由于客户端不处理设备拓扑着色等过程,客户端资源占用少且绘制效率高。

4.4 业务人机操作的扩展技术

除满足浏览功能外,图形系统还需支撑业务人员的业务操作功能,比如执行日前出清计算功能、修改发电机出力计划等。图形系统为业务人员提供业务人机操作的扩展方法,包括右键和控件点击操作2种入口方式,如图5所示。

图5 业务人机操作的扩展方法Fig.5 Expansion method of business man-machine operation

图形为业务应用提供非嵌入和嵌入2种业务交互方式:非嵌入交互方式主要包括调用本地进程及远端进程,调用远端进程方式基于消息总线发送消息至指定节点调用服务端进程；嵌入交互方式是指业务应用以插件方式嵌入图形系统,实现业务应用和图形的深度集成。

为支撑业务应用嵌入交互方式,图形系统开放业务插件二次开发接口,业务人员所开发的应用插件以动态库文件形式存放在图形插件目录中,图形浏览器在启动时不加载这些插件,当进入应用场景时,依据动态库名及导出函数动态加载相应的应用插件与图形有机集成,在插件无须使用时动态将其卸载,实现了业务插件的即插即用功能,降低了图形系统的内存资源占用。图形系统提供插件的接口主要包括右键菜单、修改数据、发消息三大类,右键菜单接口主要包括图元右键菜单生成和菜单触发逻辑处理接口,其中的菜单项由图形系统内在图元右键菜单项和应用插件实现的菜单项组合而成。修改数据接口提供置数所用,用于实现业务修改数据逻辑处理。发消息接口是指图形将画面所需信息发送格式字符串消息至应用插件,由应用插件通过消息总线发送至应用服务器上应用进程进行处理,并返回结果给图形系统,发消息常用于业务修改计算参数等功能。

应用插件与图形系统松耦合机制提高了图形系统的开放性与灵活性,业务人员只需重点关注业务逻辑实现,而界面生成和美化的工作由运维人员负责,减轻了业务人员的界面研发工作量。

5 应用实例

基于本文提出的电力市场运营组态图形体系架构实现的图形组态软件目前已经在浙江省调电力交易中心部署应用,用于支撑浙江电力市场技术支持系统,构建了服务于交易中心用户的结算子系统、合约子系统,以及服务于调度中心用户的现货交易系统。该成果也在江苏、山西、山东省调结算子系统上进行推广使用,取得了较好的应用效果。

基于该架构实现的图形组态软件实现了构建及编辑电力市场运营画面的功能,以“所见即所得”的方式生成满足交易运营需求的人机界面。画面风格统一、便于维护、可灵活定制,支持多机协作编辑,支持常用的展示组件（饼图、柱状图、曲线图、面积图、树图、时间滑动条等）和控件类组件（按钮、下拉框等）,编辑器界面效果见附录A图A1。该软件支持画面图元联动逻辑的可配置化、业务多样化联动功能及同一安全区跨子系统访问,提供开放的二次开发接口,支持业务扩展功能,满足复杂业务对图形展示交互的灵活性要求。图形系统采用跨平台的Qt界面开发技术,支持在Windows和Linux操作系统上进行图形编辑与浏览［23］。应用结果表明,图形组态软件能较好地满足电力市场交易各环节画面的构建与交互需求,实现在不同交易周期与交易时段下各类交易数据的展示及交互。

6 结语

随着电力市场改革快速发展,对电力市场技术支持系统的自动化水平要求越来越高,针对电力市场技术支持系统中人机界面要求快速响应用户的要求,并结合电力市场数据复杂特点,本文提出了一种电力市场技术支持系统人机组态图形架构,阐述了属性引用和事件交互组态、多维数据动态关联定义等相关关键技术,基于本架构所研发的图形组态系统通过实际工程应用进行验证,应用效果表明图形组态系统支持电力市场多维数据组态及展示、画面联动灵活配置、业务综合分析展示等功能,能快速生成及调整界面,满足快速响应交易业务对界面变化的需求,显著提高界面生成的效率及降低运维成本。

下一步将研发基于潮流图的电力市场多时段信息可视化展示,例如出清电价的云图展示、电厂开停机情况、电厂发电机检修情况等。另外将引入脚本扩展机制用于界面操作逻辑特别复杂的情况,通过用户化的联动配置、业务研发插件、脚本扩展机制3种方式有机结合,实现对不同层级业务展示需求的支撑,提升新功能快速部署能力及运维水平。