引言
智能電網調度控制系統存在大量數據傳輸的業務場景。隨著電網的技術進步和業務發展,智能電網調度控制系統功能日益強大,各類應用在數據通信方面呈現出復雜性和多樣化的特點[1],主要體現在傳輸數據量大、數據獲取方式多樣、數據交互實時性高等方面,對數據通信的安全性、可靠性等要求越來越高[2-3]。為適應電網發展需求,研究智能電網調度控制系統的數據傳輸技術已經迫在眉睫[4-5]。
根據中國電力二次系統安全防護設計思想[6],電力二次系統分為安全Ⅰ區、安全Ⅱ區、安全Ⅲ區和安全Ⅳ區。智能電網調度控制系統的四大類應用橫跨3個安全區域,當前各類應用間的數據傳輸主要存在3個方面問題:首先,相同區域內數據傳輸效率低,缺少統一的、高效實時的數據傳輸手段;其次,橫向跨區和縱向跨級需要安全可靠的數據傳輸和交互機制;再次,安全Ⅰ區、Ⅱ區與安全Ⅲ區間的隔離裝置缺少統一的數據交互方式[7-9]。
在智能電網調度控制系統中,現有的數據傳輸機制很難解決上述所有問題,因此本文提出了一種橫向集成、縱向貫通的數據總線技術。該技術通過對總線技術、中間件技術[9]、訂閱/發布策略等進行融合、擴展,使智能電網調度控制系統中應用程序可以實現橫向跨區傳輸,同時支持各級調度中心之間的數據交互,滿足了智能電網調度控制系統在多級調控中心數據廣域范圍共享的要求。
1 系統總線架構
數據總線由消息總線、服務總線、消息郵件3個部分構成,其為智能電網調度控制系統應用程序提供橫向集成、縱向貫通的數據交互服務。數據總線架構如圖1所示,消息總線負責相同安全區域內不同應用間的實時數據傳輸,服務總線和消息郵件實現跨安全區和各級調度間的數據交互?！?】
消息總線用于系統中應用程序間的實時數據傳輸,按照實時監控的特殊要求,具備高效實時的特點,消息總線基于訂閱/發布模型[10-11],為應用程序提供注冊、撤銷注冊、訂閱消息、撤銷訂閱、發布消息、接收消息等功能,為實現高效的數據通信提供可靠和通用的信息交互機制。消息總線主要用于對實時性要求高的數據通信場景,例如數據采集應用和數據處理應用之間的消息傳遞都采用消息總線實現。
服務總線用于系統中應用程序間的數據交互,按照系統對數據交互安全性、高效性、實時性和統一性要求,實現請求/響應模型和訂閱/發布模型兩種模型,為應用程序提供基于服務,屏蔽實現數據交換底層通信技術的具體方法,滿足應用功能和數據在廣域范圍的交互和共享[12-13]。服務總線主要用于實時數據交互的通信場景,例如歷史庫服務使用服務總線的請求/響應模型,實現了對歷史庫的請求和訪問;畫面刷新服務使用服務總線的訂閱/發布模型,實現了對遙測和遙信數據的動態實時推送。
消息郵件用于應用程序間的非實時數據傳送,可以跨越安全Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和上下級調度。按照為整個電網調度提供跨區跨調度機構的要求設計,為跨區跨調度機構的特殊應用提供文件、消息、流程等通信支持。
2 消息總線
2.1 概述智能電網調度控制系統對電網事件的實時監控要求較高,需要快速傳遞遙測數據、開關變位、事故信號、控制指令等各類實時數據和事件。為滿足系統實時監控的需求,消息總線為應用程序間數據通信提供高效、通用的信息交互機制。
為解決系統中實時消息在不同應用間的傳輸問題,消息總線屏蔽繁瑣復雜的底層通信細節,通過提供簡單、通用的消息原語,支持應用程序在節點內和節點間進行消息傳遞,并支持一對多、一對一的信息交換場合。
2.2 消息總線結構消息總線的基本結構包括消息原語、共享內存通信模塊和網絡傳輸模塊。其中,消息原語用于完成應用程序和消息總線間的信息交換;共享內存通信模塊用于節點內的消息傳遞,以實現實時數據的高效傳輸;網絡通信模塊用于節點間的消息傳遞,利用組播技術和點對點分別實現一對多、一對一的消息傳輸方式。消息總線結構示意圖如圖2所示?！?】
2.3 功能設計消息總線設計通用的消息報文作為實時消息的承載體,該報文由消息頭和消息體兩部分組成,其中消息頭主要包含消息體長度、事件集和事件等信息,是每個消息報文在發送時必須攜帶的公共信息;消息體是消息報文的數據部分,由應用程序針對不同的消息功能來定義各自的消息體。
為實現消息分類功能,消息總線對消息報文按照事件集、事件兩級進行劃分,應用程序可根據實際業務需求定義相應的事件集,再定義事件集中的事件。
消息總線以消息原語的方式為應用程序提供注冊、撤銷注冊、訂閱消息、撤銷訂閱、發布消息、接收消息等功能,消息總線原語如表1所示?！?】
消息總線采用訂閱/發布模式進行數據傳輸,消息接收者只有在訂閱某個事件集的消息后,才能接收屬于該事件集的消息。消息發送者在發送消息時指定事件集,由消息總線將該消息發送給已訂閱此事件集的所有消息接收者。消息原語使用場景示意圖如圖3所示?！?】
各消息原語的功能說明如下。
1\\)注冊:應用程序注冊消息總線以獲取相關資源,以便后續調用其他消息原語。
2\\)撤銷注冊:應用程序撤銷自己對消息總線的注冊,以釋放相關資源。應用程序撤銷注冊后,將不能使用發布消息、接收消息、訂閱消息和撤銷訂閱等功能。
3\\)訂閱消息:已注冊消息總線的應用程序向消息總線訂閱所需消息的事件集,只有在訂閱消息后,應用程序才能從消息總線接收消息。
4\\)撤銷訂閱:應用程序對已訂閱事件集的撤銷,應用程序撤銷訂閱某個事件集后,消息總線不再把屬于該事件集的任何消息發送給該應用程序。
5\\)發布消息:應用程序調用該原語來發布消息。
發布消息時需要在消息中指定消息所屬的事件集,消息總線將該消息發送給已訂閱此事件集的所有應用程序。
6\\)接收消息:已訂閱某個事件集的應用程序從消息總線上接收屬于該事件集的消息。
3 服務總線
3.1 概述 智能電網調度控制系統內的應用模塊在生產區間及上下級調度間存在頻繁的實時數據交互,為了滿足系統對安全性、高效性、實時性和統一性的要求,提出了服務總線。
服務總線構建面向服務架構\\(SOA\\)的系統結構,屏蔽實現數據交換所需的底層通信技術和應用處理的具體方法,基于調度證書和安全標簽實現應用層端對端的數據安全,實現服務的分布部署,提供典型的服務請求模式,通過提供服務原語實現服務訪問、服務響應和服務管理,滿足系統對數據交互安全和統一性的要求。
3.2 服務總線結構 服務總線從邏輯上分為服務管理中心、客戶端接口、服務端接口3部分,結構示意圖如圖4所示?！?】
服務管理中心根據策略完成服務的注冊信息收集,提供對服務信息的定位、查詢和監控?？蛻舳私涌谟糜谕瓿煞盏亩ㄎ?、服務請求和服務訂閱等功能。服務端接口用于完成服務的注冊、服務分發、服務發布等功能。
3.3 功能設計 為解決系統在數據交互方式統一性的要求,服務總線對服務的信息進行注冊管理,將服務的訪問和應答請求信息進行內部封裝,實現數據交換所需的底層通信技術和應用處理的具體方法,對服務訪問與服務應答方式進行抽象,提出兩種服務模型框架:請求/響應模型和訂閱/發布模型。請求/響應模型提供“拉數據”\\(data pull\\)的服務方式。服務請求者訪問服務需發送服務請求,從服務發布者獲取服務結果。訂閱/發布模型提供“推數據”\\(data push\\)的服務方式。服務請求者訪問服務時發送請求,由服務發布者根據需求向服務請求者主動推送服務結果。
服務原語用于完成服務總線和應用程序的信息交換,包括服務管理原語和服務功能原語。服務管理原語完成服務的注冊和定位。服務功能原語包括服務請求、服務應答、服務訂閱、服務訂閱響應、服務發布等。服務原語一覽表如表2所示?！?】
應用程序通過服務原語使用服務總線,根據不同的業務需要,采用請求/響應模型或者訂閱/發布模型。請求/響應模式的交互流程如圖5所示。首先服務發布者注冊服務信息;然后服務請求者定位服務信息,根據服務信息服務請求者向服務發布者發送服務請求;再次服務發布者收到服務請求后立刻進行服務分發;最后服務請求者接收服務請求?！?】
訂閱/發布模式的交互流程如圖6所示。首先服務發布者注冊服務信息,進行服務訂閱發布注冊;然后服務請求者定位服務信息,根據服務信息服務請求者向服務發布者進行服務訂閱;再次服務發布者在有結果需發布時進行訂閱結果發布;最后服務請求者接收訂閱結果?！?】
4 消息郵件
4.1 概述
消息郵件主要服務于橫向\\(生產大區和管理大區之間\\)、縱向\\(上下級調度之間\\)的消息、文件、流程等內容的傳輸和交互,為智能電網調度控制系統建立規范、統一、安全、可靠的傳輸模式和傳輸通道。
為保證傳輸內容的安全可靠,在縱向傳輸過程中利用通信網關的加密、解密功能實現數據的加密傳輸。消息郵件在生產大區、管理大區和上下級調度間的傳輸示意圖如圖7所示?！?】
4.2 消息郵件結構
消息郵件以文件作為通信的載體,包含“頭文件”和“附件文件”兩種文件,一個頭文件和多個附件文件組成一封郵件,通過郵件發送、接收的方式實現橫向跨區和縱向跨級的信息交互。
頭文件是郵件傳輸的基本信息載體,是傳輸的唯一標識,主要包含發送地址、接收地址、傳輸類型等內容,文件格式符合E語言規范。頭文件的內容如下。其中的附件文件是郵件傳輸的數據內容,主要包含應用根據業務需求定義的數據。
〈\ue013E VERSION=1.0CODE=GB2312\ue013〉
〈消息郵件∷傳輸說明data='yyyy-mm-dd hh:mm:ss'
@ #順序 屬性名 屬性值
#1標識 [字符串]
#2發送地址 單位.分區.部門
#3接收地址 單位1.分區.部門1單位2.分區.部門2單位n.分區.部門n
#4傳輸類型 郵件/流程/查詢/周期
#5傳輸通道 通信網關機/報文/服務調用
#6標題‘郵件標題'
#7附近’文件名1'‘文件名2’… ‘文件名n'
〈/消息郵件∷傳輸說明〉
4.3 功能設計
消息郵件功能的設計參照通用網絡郵件服務,提供了郵件收發與管理功能、多機熱備功能、郵件路由功能和反向功能等四大類功能。
1\\)郵件收發與管理功能:包括發送郵件、接收郵件、讀郵件、下載附件、刪除郵件、地址簿管理和用戶管理等功能,為用戶提供類似通用網絡郵件的管理與操作方式。
2\\)多機熱備功能:同一郵局郵件服務之間實現負載均衡,郵件服務之間進行郵件的數據同步和操作同步,保證同一郵局郵件服務間的數據和狀態一致性。
3\\)郵件路由功能:包括橫向路由功能和縱向路由功能。橫向路由功能實現郵件在各生產大區與管理大區間的橫向路由轉發;縱向路由功能實現郵件在上下級調度間的郵件路由轉發;橫向路由和縱向路由一起實現了消息郵件在智能電網調度網絡傳輸的“縱向到底”和“橫向到邊”。
4\\)反向功能:包括反向傳輸功能和反向探測功能。反向傳輸功能實現消息郵件跨越隔離設備的郵件傳輸;反向探測功能對正反向隔離設備的郵件傳輸情況進行監控,在正反向隔離設備郵件傳輸出現異常時報警。
5 應用實例
5.1 消息總線 在智能電網調度控制系統中,數據采集應用和數據處理應用間的消息傳遞基于消息總線實現,數據采集應用通過消息總線向數據處理應用發送遙測、遙信等實時數據,數據處理應用通過消息總線向數據采集應用下發遙控指令。
通過消息總線提供的高效數據通信和信息交換機制,實現了電網事件即時觸發在線穩定分析的功能。電網穩態監控功能通過將母線、線路和聯變的運行狀態變化作為電網事件,通過消息總線發出告警信息并快速觸發狀態估計、靜態安全分析和在線安全穩定預警功能的運行,為運行人員及時掌握電網的變化方式和電網安全狀況提供有效的技術手段。
5.2 服務總線 服務總線已經在智能電網調度控制系統中得到了大量應用?；谟嗛?發布模式開發了畫面刷新服務,將實時變化的遙測和遙信數據通過服務總線推送給畫面,實現畫面的動態實時刷新;基于遠程服務接口進行告警信息的推送,實現了多級調度間的故障信息共享。
5.3 消息郵件 在智能電網調度控制系統中,消息郵件實現了系統的橫向到邊、縱向到底的貫通,主要支撐業務跨區、跨機構、非實時數據的文件傳輸。在福建數據傳輸平臺中,通過消息郵件的方式實現了生產大區、管理大區和福建備調間的數據同步、文件同步、數據庫同步。
消息郵件已經在32個省網調、多個地調進行了廣泛部署,支撐著眾多業務的運行,部分部署范圍和支撐業務如表3所示?！?0】
6 結語
數據總線技術滿足了智能電網調度控制系統在多級調度中心的數據廣域共享和縱向貫通的要求,為智能電網調度控制系統橫向集成、縱向貫通提供了技術支撐。消息總線、服務總線、消息郵件技術提供統一的數據傳輸機制,結合電網系統在數據傳輸方面的業務特點,實現了高效實時、安全可靠、跨區跨級的數據傳輸和交互,提供了安全高效的數據通信和信息交換機制,為智能電網調度控制系統的運行提供了技術支撐。
