为适应电力企业各类自动化与信息化系统不断增长的互联、集成及全方位开放需求,提出了一种用于电网SCADA/EMS/DMS等系统设计的平台建设技术
　　摘 要
　　为适应电力企业各类自动化与信息化系统不断增长的互联、集成及全方位开放需求,提出了一种用于电网SCADA/EMS/DMS等系统设计的平台建设技术。该技术基于广义的网络平台(广义软总线)以及分组、分层、分块的平台体系结构。在构造应用系统及与电力企业网各系统的互联通信中,此平台技术体现了更大的开放度及持续可扩性。
　　关键词 开放平台 分层结构 广义软总线 SCADA/EMS/DMS
　　分类号 TM734
0 引言
　　 电网建设的快速发展向支撑电网有效、可靠、经济运行的电网自动化系统提出了新的持续可扩的发展策略:系统拓展的逻辑应用客户关联,一体化拓扑构成,以及网络构架与通信互联。目前,电网SCADA/EMS/DMS的主要问题有:系统随应用发展可拓性较差,应用系统与支撑平台的相容性较差,系统的网络互联应用接口开放性较差,以及人机一体化GUI交互友好性(上层开放性)较差。
　　 从一个电网SCADA/EMS/DMS的开放系统环境（OSE）考虑,上述不足可定位于OSE的各项子集:应用的互操作性与互联性,应用的可移植性与可伸缩性,以及应用的集成性与拓广性中。因此,建立一个全方位的电网SCADA/EMS/DMS开放系统, 以便更大开放度地支持电力系统的可靠运行、电力企业网的横向与纵向建设。此举将是今后乃至跨世纪电网及其他自动化应用系统的根本途径所在,也是当今国内外同类电网SCADA/EMS/DMS所应完备的定位目标。此两项又都共同关联于一个电力企业网的每个部门系统以及系统间的互联通信。
　　目前国内外同类应用系统具有不同的设计模式,就开放性而言,具有不同层次的开放度。本文提出的分层全方位开放的多平台电网SCADA/EMS设计不仅在支撑层,而且在应用层均体现了开放性,并具有积木结构的多层支撑平台的模式。这种特殊的设计方法具有每一层的设计独立性及逻辑相关性,具有良好的拓扩性及扩充性,使系统的开放度可持续延拓。
　　 上述平台设计思想已在EXOPENS SCADA/EMS/DMS应用系统实现。在网络通信、任务分布、0EM模式、面向对象的应用层定义、GUI形象化交互等方面均可以透明地体现一对多的开放关系。
　　 从上述意义上讲,系统设计应具有以软件工程思想为指导的综合设计优势,这样可保证技术的持续先进性。即不仅注重下层的开放性,更应注重中层及上层的开放性,特别强调以中层开放驱动上层开放,从而以更大开放的综合自由度满足电网自动化不断增长的应用需求(SCADA/EMS/DMS/信息系统)及电力企业网的建设需要。
1 平台建设框架
　　系统平台是应用系统构架的基础,因此必须有一个开放性、健壮性、可拓性的建设目标。在扩大系统的开放度方面,强调平台建设的中间件设计模式。这些中间件由自定义的“砖瓦构件”(Bricks & Tiles)、广义软总线(G.SBus)、Mail-Box、系统Shell以及语言控制系统等构成。由此形成的网络级中性服务平台仅服务于客户请求的中性数据,而无需考虑数据的应用。这不仅丰富了系统服务定义的内涵,且为电力企业不断扩大的各部门系统网的Intranet及与外层Internet的自适应网络互联带来了潜在效能,使使用者可自行灵活定义拓广的应用,并自动接入系统及与系统通信。
　　 在平台建设技术上,强调基于G.SBus及Mail-Box的分布对象技术。即按应用分布,建立分布及可互操作的对象机制;分布于网上的全部资源是可共享的对象集合;网上客户可通过系统定义的接口或自定义接口访问系统分布对象。为此建立了系统分布对象模型、对象请求代理、分层中间件建设及应用层框架建设。
　　在此基础上,所有的外层应用(本系统及外部网络系统)均视为逻辑应用。值得强调的是,本文定义的广义软总线不同于通常的软总线概念,它具有下述概念:
a. 基于标准网络体系的Middleware Shell(窄带状,与应用无关);
　　 b. 本身既可为某平台层,又可为上层广义软总线的支撑(嵌套);
　　 c. 通过逻辑应用建立起客户/服务器及Mail-Box通信链路,逻辑应用双方调用G.SBus库,建立应用进程对象。
2 平台设计结构
2.1 分层开放平台支撑模式
　　 总体设计为分层开放平台支撑模式,整体平台几何形状为锥形。每层相对独立,无严格的依附关系,且均为积术模块化的Bricks & Tiles单元构成。 上层任一单元均体现与相对下面层1: n的支撑关系。这符合系统的软件工程模式,具有良好的系统维护性与较为坚实的平台基础(提高系统开放度)。基础平台更考虑到网络任务分布的客户/服务器的通信模式。此总体规划将产生逻辑应用与逻辑对象定义和封装的Shell应用效应,从而使得系统的拓展与电力企业网应用系统互联变为无缝关联。
2.2 分层构架
　　为使平台持续可扩及具有清晰的可用性,将其分为3个包容关系:层组、层以及砖瓦构件(Bricks & Tiles)。本文仅简述层组定义。
　　a.工业与国际标准基础支撑服务层(G1):基于工业与国际标准的多样性硬件环境、系统核、网络通信、GUI、图形平台、语言以及DBMS等开放支撑 体系。
　　b.基本Shell(G2):亦为基本Middleware,由系统及自定义Shell构件组成。
　　c.扩展Shell(G3):亦为扩展Middleware,由各类库、函数、宏、过程、进程等定义的主要砖瓦构件以及控制定义语言等形成。
　　d.面向对象的中间件子集（G4）。
　　e.网络通信服务(G5):基于G.SBus结构 (Client/Server,Mail-Box等)。
　　f.应用层服务(G6):应用GUI、图形用户语言、系统运行管理、计算及控制子集、协议库等。
　　g.应用服务对象(G7):各类拓扑公共模块、系统定义,以及驱动与控制封装定义。
　　h.应用集成(G8):基于以G.SBus为支撑核心平台的系统内及系统间(外部系统)进行分布网络通信与各子、分系统集成机制。
3 主要构件设计原则
3.1实施多样化模式
　　系统编程体现不同层次的OOP,以及应用层的OOA(GUI)模式;网络(内部网通信及外部网通信) 的G.SBus模式;商用数据库(DB)固有网络客户/服务器通信模式;实时库SQL访问模式,以及无数据结构的外层应用模式。建立起具有整体开放的SCADA/EMS/DMS应用。例如:与外部系统实施的G.SBus通信模式;与外部系统商用DB实施的固有客户/服务器通信模式;与外部系统实时库实施的SQL访问+G.SBus模式。
3.2数据库管理系统(DBMS)设计模式
　　商用DBMS以Sybase,Oracle为主进行外包封装:
　　a.客户/服务器体系结构。具有平台独立性,增强系统可靠性、互操作性。
　　b.自成体系的分层模式。
　　c.实时性指标优化,提高DB效率。
　　d.体现DB应用透明性与应用开放性:分层索引机制(应用-点名-索引表-DB表);DB GUI友好交互界面、无DBMS应用概念;无数据结构应用模式(系统参数库非固定数据、词典模式),在线GUI增设记录属性;以Field名作为应用端人口,使应用摆脱数据库常规的学术上的层次与属性关系,并摆脱过去常用的厂站、点、号的检索模式。
　　e.系统整体具有统一的DBMS模式:以库记录域为统一数据结构模式的Shell中间件,对历史及实时库访问。
　　f.系统数据合法性、相关数据一致性、相关完整性维护。
　　g.具备统一的应用访问中间件,即可灵活定义与自定义GUI风格数据库表,并可成组对该表起始记录一终止记录、起始列一终止列进行增加、删除、复制、存盘等操作。
3.3 专用DBMS的SQL接口构件
　　系统主要针对实时库设计了作为与外层节点或系统访问的Shell接口,即扩展型SQL库Et-SQL。 在G.SBus的支持下,可实现应用层节点或网络灵活设计访问实时库的接口。这样,既满足于支持数据的快速处理、存储及访问,又满足于国际流行的与外部系统通信的标准接口要求。
3.4 电力计算与分析系统分划为4层应用结构
　　a.基础层:网络DB及网络拓扑与建模;
　　b.基本层:状态估计、调度员潮流、母线负荷预报等;
　　c.扩充层:短路电流计算、无功优化、最优潮流、故障诊断分析、暂态稳定、安全分析等;
　　d.集成层:上述子系统集成及DTS。
　　参考国际电网数据结构模型,结合国内实际较为规范的网络数据库,进而形成电力计算与分析各类子系统的基础数据源(描述电力系统各类电力设 备的物理特征与相互间的拓扑结构)。
3.5 电力计算与分析应用对象
　　将各类电力计算与分析应用及相关库视为对象定义与引用:
　　a.可位于单个节点或分节点;
　　b.对象元素可一对多操作选择封装或集成封装(GUI方式);
　　c.网络数据库管理电网的面向节点数据结构及面向母线数据结构的数据,用于计算与分析应用及相关库的数源;
　　d· 建立SCADA数据库与网络数据库、DTS数据库间客户/服务器逻辑应用通信及映射接口,从而将电网运行信息、拓扑信息、参数信息结合于一体,构成电网的实时真实模型,实现各系统的紧密集成。
3.6 控制语言(定义)构件
　　为适应更大程度上的系统开放,除设计通常的计算语言系统外,还设计了面向上层应用的计算与控制表达定义及解释的多样化应用的环境。系统具 备下述语言元语:计算,逻辑,控制,过程。可生成上层的计算LIB、逻辑LIB、过程控制LIB以及知识LIB。这些LIB即为上述开放定义层的Bricks& Tiles。例如通过逻辑定义语言,可自定义智能化过程;通过控制定义语言,可自定义控制序列过程,并将其包装在数据库外层,用于电力系统各类操作命令序列控制、智能操作票的生成、培训仿真等应用。
3.7 系统运行管理
　　一个开放、基于客户/服务器网上任务分布及通信的应用系统必须有一个良好的系统运行管理环境。这也是称之为开放系统的必要条件。设计的系统运行管理为分布式模式,主要任务包括系统全网配置及系统监控。系统监控采用事件定义机制对进程应用层、网络应用层、用户应用层、系统层的事件定义,并以相应的事件定义信号驱动进行管理。
3.8 事件(信号)驱动方式唤醒、启动网上任务
　　系统运行管理采用事件(信号)驱动方式唤醒、启动网上任务。事件为应用对象属性;事件又分事件定义与驱动属性。事件应具备非相关性及处理过程完备性。事件的收发记录自动存于事件注册表中。事件(信号)可按事件属性进行定义。例如正常任务驱动类、异常任务驱动类(报警、切换)。
3.9 多平台图形及形象化GUI构件
　　以往图形软件系统具有特定的硬件设备及应用环境。随着这些环境的不断更新与扩大,特定环境带来了图形应用软件开发难度增大、开发成本提高以及维护困难等问题。图形应用系统的开发直接在面向应用的高层次上进行,无需再在基本图形、图形软件接口技术上花费功夫的前提是具有成熟、通用、与设备无关的标准化软件接口。所采用的OpenGL为最新一代适用于各类工作站及Windows NT平台的、已被先进计算机环境(ACE)集团接受为世界开放图形标准。它独立于任何硬件及操作系统,具有良好的可移植性。OpenGL图形函数为图形创建和图 形发生器之间提供产生图形基元的功能接口。此外,OpenGL顺应信息时代发展要求,提供了多项促进交互可视化的工具,从而使问题的解决更为快速、形象。可视化的工具主要有:三维可视变换、真实感图形(消隐、光照模型、纹理映射等)、实时动画。
　　人机一体形象化GUI构件设计主要原则:
　　a. 定义的人机有效结合模式(图元、图片元素自定义):两类基本及应用图元(静、动态可选);窗口文件交互修改图元的几何变换属性,以及图形属性 (颜色、静动态等),使得所定义绘制的每个图元具有多种应用图元效应。
　　b.数据库图形对象定义、操作及网络通信客户:交互操作形象化;数字形象化;动态图片、图元组合形象化;动态线段、图元定义支持图形网络拓扑处理,即与EMS具有相容的平台。
3.10 DUAL网络通信机制
　　采取冗余网络安全措施,保证系统由于系统及应用进程故障、网络设备故障(网络适配器、互联器、交换器、物理介质等)、网络节点设备故障所引起的网络通信中断时快速切换,以满足系统实时运行指标。所设计的系统DUAL网通信模式的特点是:双网均处于HOT并行运行状态;网上每个节点为 DUAL网基点,与服务器进行网上切换。服务器节点成立准则:该节点以DUAL网均存在为充要条件。
　　上述特点构筑下述优势:系统运行与网络切换高实时指标;分流网上通信数据流量(A,B网分流);避免基于全网切换的复杂判据因素;节点一对二的网络关系亦可随任务、网流等因素灵活配置。

4 结语
　　本文提出的是一种开放度持续可扩的电网SCADA/EMS/DMS平台建设模式。其综合效能体现在:
　　a.广义的网络平台体系,表现出与电力企业不断扩大的各部门系统网的自适应网络互联性;
　　b.分组、分层、分块的平台体系结构具有平台本身的结构清晰性、易扩性,以及应用系统易构造性;
　　c.分层各构件与中间件,例如控制语言、专用数据库SQL、系统运行、形象化GUI、网络定义等均为应用层提供薄的透明的应用支持;
　　d.“一对多',应用开放性,适应应用不规范性与需求动态性;
　　e.平台各层,除了应用层组的应用对象定义外,均体现中性构件。因此极易拓广作为其它应用的支撑。
　　
　　参 考 文 献
1 于尔铿,刘广一,周京阳,等.能量管理系统(EMS)技术展望.电力系统自动化,1998,22(2)

　　高鸣燕,男,1952年生,博士,教授,总工程师,主要从事电力自动化系统设计与网络集成研究工作。
　　陆 文,女,1953年生,高级工程师,主要从事SCADA/EMS设计工作。程度上的系统开放,除设计通常的计算语言系统外,还设计了面向上层应用的计算与控制表达定义及解释的多样化应用的环境。系统具 备下述语言元语:计算,逻辑,控制,过程。可生成上层的计算LIB、逻辑LIB、过程控制LIB以及知识LIB。这些LIB即为上述开放定义层的Bricks& Tiles。例如通过逻辑定义语言,可自定义智能化过程;通过控制定义语言,可自定义控制序列过程,并将其包装在数据库外层,用于电力系统各类操作命令序列控制、智能操作票的生成、培训仿真等应用。