一種先進、開放、規范的變電站監控系統

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，電網業務呈現多樣化發展趨勢。變電站作為電網的支撐節點，其監控系統需要以更靈活、可靠的方式承載各類應用功能，以滿足電網監視、控制及管理需求。智能變電站一體化監控系統部署了運行監視、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進行改造，增加了系統投入和運行不穩定性。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整體進行改動，產品版本變動頻繁，增加了軟件開發和管理成本。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、靈活的業務協同互動機制，以充分利用變電站信息采集、監視控制和設備管理等軟硬件資源，支撐各類主站業務的開展。

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行業先進技術理念，對變電站監控系統架構、多業務類型數據存儲、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、規范的變電站監控系統。為實現以上目的，本文提出的系統包含以下3個要素：基于開放平臺技術的系統架構,多源數據虛擬化存儲與訪問技術以及支持業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架構

傳統智能變電站的監控系統，均為廠家根據自家產品專門定制。因此變電站后臺系統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，或系統應用功能不足需要更新系統，均只能繼續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”系統架構(見圖1)，建立了變電站監控系統開放式的服務架構，采用基于“Integrated Design”設計理念，構建包括架構元件、聯結器、任務流的系統架構設計方案。這使廠家可以輕松根據用戶需求，對監控系統進行模塊化定制，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，系統架構如圖2所示。

圖2 系統總體架構

該系統架構分為硬件層、操作系統層、通信總線層、數據庫層、公共服務層和應用層。其核心系統是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。在最小系統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功能組態靈活配置。

系統架構的各部分通過支持多業務實時數據并發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技術為基礎，提出滿足監控系統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。一方面由于系統高度集成，本身體量較小，運行速度極快，系統的存儲與訪問技術要能夠符合系統高集成的特點，滿足數據存儲與訪問的實時性要求；另一方面要考慮到，由于系統是開放的，往往數據來源是多類型的，系統的的存儲與訪問技術要能兼容多種數據類型，并進行統一儲存，而在其他系統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一存儲與訪問。

實時數據庫系統管理保存在內存緩沖區中電力系統運行的實時數據，為了適應多業務不同實時性要求的數據統一存儲，采用基于虛擬化存儲技術以提高系統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，變電站監控系統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 支持業務互換的應用模塊化技術

為使系統模塊化，實現系統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可配置的多業務訪問模型，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。可以動態調整系統行為。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務流程。

監控系統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監測采用了反射機制，保證進程的狀態可監視。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，其系統結構如圖5所示[10]。

圖5 系統結構

在傳統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。監控系統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、規范的變電站監控系統，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，該系統集成度高，與其他平臺、系統兼容性好，適用于多種場合，可以進行大面積推廣應用。