電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

嚴(yán)凌坤，后躍興，張宇超

(云南電網(wǎng)公司文山供電局，云南 文山 663000)

電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

嚴(yán)凌坤，后躍興，張宇超

(云南電網(wǎng)公司文山供電局，云南 文山 663000)

從數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、可靠性、安全性以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性等多方面，分析研究適用于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出一種基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)可以較好的滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的業(yè)務(wù)需求。

數(shù)據(jù)資源管理；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

0 前言

國內(nèi)電網(wǎng)建立了多個(gè)用于實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的監(jiān)視、控制和管理的應(yīng)用系統(tǒng)。由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能不同、建設(shè)時(shí)期不同、建設(shè)單位不同，現(xiàn)已建成的各應(yīng)用系統(tǒng)缺少總體設(shè)計(jì)和統(tǒng)一規(guī)范[1]，直接造成了各系統(tǒng)間通信接口復(fù)雜、信息孤島現(xiàn)象頻現(xiàn)，不僅使得各系統(tǒng)間信息的無縫共享難以實(shí)現(xiàn)，也使得系統(tǒng)維護(hù)的難度和成本升高，最終進(jìn)一步制約了電網(wǎng)行業(yè)信息化水平的提高。在電網(wǎng)行業(yè)對(duì)信息化與數(shù)據(jù)共享的需求不斷增加的情況下，亟需研究一個(gè)統(tǒng)一、靈活、可自由配置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方案[1]，以充分發(fā)揮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的價(jià)值，確保各系統(tǒng)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的無縫共享。研究能夠適用于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的通信傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就顯得尤其重要。

文中從電網(wǎng)信息化趨勢和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間共享的需求出發(fā)，重點(diǎn)從數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、可靠性、安全性以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性等多方面，分析研究適用于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的傳輸協(xié)議[2]和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，最后根據(jù)前一步的分析研究來提出電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化方案，以此為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)工作提供研究參考。提出了一種基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)概述

在進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)前，首先明確電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的來源以及分類。電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)其來源，可以分為電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備檢測或監(jiān)測數(shù)據(jù)，電力企業(yè)營銷數(shù)據(jù)以及電力企業(yè)管理數(shù)據(jù) [4]。這些數(shù)據(jù)主要涉及主配網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、調(diào)度系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、以及計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)等。

按照數(shù)據(jù)內(nèi)容，電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以分為基本數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)等[9]。建立有效的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，為電網(wǎng)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互和信息共享提供便利，是提升電網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率的必要條件。

2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 傳輸協(xié)議

整體來看，基于開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型ISO-OSI[11]是目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基本滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的要求。在參考模型ISO-OSI中，傳輸層[12]是最重要、最關(guān)鍵的一層，是源端到目的端對(duì)數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行控制從低到高的最后一層，也是唯一負(fù)責(zé)總體的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粚印?/p>

綜合來看，構(gòu)建電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)可選的傳輸層協(xié)議主要有TCP/IP協(xié)議簇中的TCP[13](傳輸控制協(xié)議)、UDP[13](用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)、SCTP[14-15](流控制傳輸協(xié)議)、DCCP[16](數(shù)據(jù)擁塞控制協(xié)議)，還有 IPX/SPX協(xié)議簇中的SPX[17-18](序列分組交換協(xié)議)等。表1中是針對(duì)以上各協(xié)議在時(shí)效性、可靠性和安全性上的簡單總結(jié)：

表1 各協(xié)議在時(shí)效性、可靠性和安全性

從設(shè)計(jì)理念、實(shí)際應(yīng)用場景上來分析，SCTP最初是用于在IP上的傳輸電話協(xié)議 (SS7)，較適合在電信網(wǎng)中采用；而SPX則較適合在Novell網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采用，是局部小范圍使用的；至于TCP，它在各類TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛采用，故可預(yù)見它的兼容性、可擴(kuò)展性會(huì)比較出色，而這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@有利于電網(wǎng)信息系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展、兼容擴(kuò)展。綜上所述，TCP協(xié)議在可靠性、安全性以及未來的兼容性、可擴(kuò)展性方面比較出色，因此比較適合在電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)中采用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有C/S模式[19]和B/S模式[20]。通過對(duì)兩種模式的分析，可以得出C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后再提交給服務(wù)器。對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)就是客戶端響應(yīng)速度快、服務(wù)器負(fù)荷較輕。而C/S結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也較為明顯，較為突出的兩點(diǎn)是升級(jí)困難和客戶端直接訪問數(shù)據(jù)庫。因此C/S一般建立在專用的網(wǎng)絡(luò)上，小范圍里的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，局域網(wǎng)之間再通過專門服務(wù)器提供連接和數(shù)據(jù)交換服務(wù)。但是，也正因此，C/S一般面向相對(duì)固定的用戶群，對(duì)信息安全的控制能力很強(qiáng)。一般高度機(jī)密的信息系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)較適宜。

相比之下B/S結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦和就能使用，客戶端安裝、維護(hù)和升級(jí)成本低，并且系統(tǒng)擴(kuò)展比較容易。B/ S建立在廣域網(wǎng)之上的，不必是專門的網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境，有比C/S更強(qiáng)的適應(yīng)范圍，一般只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器就行。但是，也正因B/S建立在廣域網(wǎng)之上，對(duì)安全的控制能力相對(duì)弱，可能面向不可知的用戶。而B/S結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較重。由于B/S架構(gòu)管理軟件只安裝在服務(wù)器端 (Server)上，網(wǎng)絡(luò)管理人員只需要管理服務(wù)器即可，用戶界面主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器 (Server)端完全通過WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端 (Browser)實(shí)現(xiàn)，所有的客戶端只有瀏覽器，網(wǎng)絡(luò)管理人員只需要做硬件維護(hù)。但是，應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較重，一旦發(fā)生服務(wù)器 “崩潰”等問題將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。表2中是C/S模式與B/S模式優(yōu)缺點(diǎn)：

表2 C/S模式與B/S模式優(yōu)缺點(diǎn)

綜合來看，C/S模式更加適合在電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)中采用。

3 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，由于C/S模式有著服務(wù)器負(fù)荷輕 (意味著服務(wù)器可穩(wěn)定運(yùn)行)、客戶端速度快 (時(shí)延低)和數(shù)據(jù)安全性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，故在電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)中比較適合采用C/S模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。綜合傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這兩方面的考量，電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)可采用基于TCP協(xié)議的C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便優(yōu)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，使得服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠、響應(yīng)更快速、更易于維護(hù)和擴(kuò)展，同時(shí)保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得以通過低時(shí)延、可靠和安全的通信傳輸方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間共享。基于以上結(jié)論，提出電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該架構(gòu)由資源子網(wǎng)模塊和通信子網(wǎng)模塊兩個(gè)部分組成；其中資源子網(wǎng)模塊由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶工作站組成，通過采用客戶端/服務(wù)器型結(jié)構(gòu)為用戶提供資源檢索和資源共享功能；通信子網(wǎng)模塊由網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、傳輸介質(zhì)、集線器、交換機(jī)和網(wǎng)卡組成，通過采用TCP傳輸控制協(xié)議，連接資源子網(wǎng)模塊中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶工作站，為資源子網(wǎng)模塊提供數(shù)據(jù)通信的功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶工作站采用客戶端/服務(wù)器型結(jié)構(gòu)連接。每一個(gè)客戶端軟件的實(shí)例都可向一個(gè)服務(wù)器或應(yīng)用程序服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。在接到請(qǐng)求后，服務(wù)器快速做出響應(yīng)。另外，考慮到系統(tǒng)規(guī)模的龐大，存在大量高并發(fā)訪問，通過客戶端/服務(wù)器型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)及時(shí)服務(wù)。通信子網(wǎng)模塊通過采用TCP傳輸控制協(xié)議為資源子網(wǎng)模塊中的服務(wù)器和用戶工作站提供數(shù)據(jù)通信功能。網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備采用常見的以太網(wǎng)接口RJ45和RJ11，另外還采用SC光纖接口，支持光纖接入。傳輸介質(zhì)采用 10Base-T，100Base-TX，1000Base-TX以及100Base-FX，提供系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信功能。根據(jù)數(shù)據(jù)信息是否獨(dú)立占用網(wǎng)絡(luò)通道，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇采用集線器或交換機(jī)。網(wǎng)卡常見于各類網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，無特殊要求。

該架構(gòu)至少具有以下優(yōu)勢：

高可靠性：通過采用面對(duì)連接的、可靠的TCP傳輸控制協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)在各應(yīng)用系統(tǒng)間的可靠傳輸。

高安全性：相較于UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議等其他協(xié)議，本架構(gòu)采用的TCP協(xié)議更具有數(shù)據(jù)安全性。

高兼容性：TCP協(xié)議在各類TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛采用，其兼容性、可擴(kuò)展性比較出色，有利于電網(wǎng)信息系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展、兼容擴(kuò)展。

高效性：C/S型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分利用客戶端的處理能力，具有客戶端速度快 (時(shí)延低)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)。

支持大量高并發(fā)訪問：C/S型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用客戶端的處理能力來有效減輕服務(wù)器的負(fù)荷，使得服務(wù)器能夠在大量高并發(fā)訪問的情況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，保證電網(wǎng)管理體系的穩(wěn)定運(yùn)作。

基于圖1架構(gòu)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖

網(wǎng)絡(luò)通信具體流程如下：

1)服務(wù)器端隨時(shí)處于監(jiān)聽來自客戶端的請(qǐng)求，并且支持多用戶高并發(fā)請(qǐng)求；

2)客戶端在感知到用戶輸入之后，啟動(dòng)業(yè)務(wù)處理，向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求建立基于TCP協(xié)議的連接；

3)服務(wù)器端接受客戶端的請(qǐng)求，接著按照TCP協(xié)議與客戶端建立起TCP連接；

4)服務(wù)器端在數(shù)據(jù)庫獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，向客戶端發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸完畢之后，進(jìn)行斷開TCP連接的動(dòng)作；

5)客戶端接收來自服務(wù)器返回的相關(guān)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行斷開TCP連接的動(dòng)作；

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的客戶端結(jié)束本次業(yè)務(wù)處理，并向用戶輸出結(jié)果。

4 結(jié)束語

文中從數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、可靠性、安全性以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性等多方面，分析研究適用于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后綜合傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這兩方面的考量，提出電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)可采用基于TCP協(xié)議的C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便優(yōu)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，使得服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠、響應(yīng)更快速、更易于維護(hù)和擴(kuò)展，從而保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得以通過低時(shí)延、可靠和安全的通信傳輸方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間共享。文中提出的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，可為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)工作提供參考。

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Research on communication network architecture of grid real time data service platform

YAN Lingkun，HOU Yuexing，ZHANG Yuchao
(Yunnan Wenshan Power Supply Bureau，Wenshan，Yunnan 663000)

This paper from the data transmission with low delay，reliability，security and real-time data service platform with stability，maintainability，to analyze on suitable for real-time data service platform of network transmission protocol and network structure，provides a communication network architecture based on real-time data grid.This architecture can better meet the grid real-time data service platform of business requirements.

data resource management；real time data；communication protocol；data service platform

TM73

B

1006-7345(2014)05-0084-04

2014-05-28

嚴(yán)凌坤 (1982)，男，學(xué)士，工程師，云南電網(wǎng)公司文山供電局，長期從事電力通信系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作 (email)50288984＠qq.com。

后躍興 (1977)，男，學(xué)士，助理工程師，云南電網(wǎng)公司文山供電局，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化和通信技術(shù)工作 (e-mail)kyx2415＠163.com。

張宇超 (1987)，男，學(xué)士，助理工程師，云南電網(wǎng)公司文山供電局，主要從事電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化工作 (email)410036508＠qq.com。