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葉飛，李長軍，厲啟鵬，王恒，梅崢，李軍良，樸林，馬志斌

（1．國網(wǎng)電力科學研究院，北京  100192;

2．國網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆烏魯木齊  830002;

3．國家電網(wǎng)公司國家電力調(diào)度控制中心，北京100031）

摘要：傳統(tǒng)的畫面數(shù)據(jù)刷新方法多通過請求／響應方式獲取畫面數(shù)據(jù)。在大量畫面刷新情況下，該方法導致人機畫面對后臺SCADA服務器進行大量集中式數(shù)據(jù)訪問．從而出現(xiàn)畫面刷新效率低、服務器負載過高等問題。提出了一種適用于大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)刷新的方法( massive picture data refresh，MPDR)，闡述了MPDR方法的工作原理及架構，并說明了該方法采用的畫面消息模型、畫面數(shù)據(jù)緩存、畫面訂閱管理等關鍵技術。MPDR方法已經(jīng)成功應用在D5000系統(tǒng)，并部署于國家電力調(diào)度控制中心，目前運行情況良好。實踐證明，MPDR方法能夠較好滿足大規(guī)模畫而數(shù)據(jù)的刷新要求，從而保證電力SGADA系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)刷新：電力SCADA系統(tǒng)：訂閱／發(fā)布：畫面消息模型

0引言

 隨著我同電力技術的發(fā)展．電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電力SCADA系統(tǒng)對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了越來越重要的作用。人機顯示系統(tǒng)(human machine interface, HMI)作為電力SCADA系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示電網(wǎng)潮流、場站電氣設備狀態(tài)信息，為調(diào)度人員實時掌握電網(wǎng)運行狀況、快速鎖定故障位置提供重要的數(shù)據(jù)支撐。21世紀初，主流的HMI系統(tǒng)多采用B/S架構，通過瀏覽器展示電網(wǎng)潮流等實時數(shù)據(jù)。如文獻[1]較早地提出將Web技術應用于SCADA系統(tǒng)，文獻[2]提及的變電站在線監(jiān)視系統(tǒng)采用請求／響應模型與Web服務器進行數(shù)據(jù)交互。隨著監(jiān)視設備規(guī)模的擴大．B/S架構由于需要實時刷新Web界面，逐漸暴露出其無法局部刷新、浪費網(wǎng)絡帶寬等不足。很多專家提出通過AJAX技術進行優(yōu)化。畫面刷新時先將請求提交AJAX引擎由其與后臺進行數(shù)據(jù)交互。

 AJAX技術的引入降低了畫面的響應時間，并實現(xiàn)了畫面局部刷新。然而其數(shù)據(jù)交互的本質(zhì)仍是請求／響應模型，每次刷新都要發(fā)送請求。近年來隨著電力SCADA系統(tǒng)監(jiān)控規(guī)模進一步擴大．監(jiān)控數(shù)據(jù)由幾十萬點變?yōu)閹装偃f點，采用該模型應對海量畫面數(shù)據(jù)的刷新導致后臺服務器壓力過大，而且刷新實時性難以保證。因此針對當前業(yè)務需求，本義提出了大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)刷新(massive picture data refresh, MPDR)方法。MPDR方法通過基于中間件的訂閱／發(fā)布模式、畫而消息模型、高效的數(shù)據(jù)緩存策略、數(shù)據(jù)變化監(jiān)測機制等技術，保證了大規(guī)模畫面刷新的高效性與準確性。本文第1節(jié)介紹了MPDR方法的技術架構。第2節(jié)闡述了MPDR方法涉及的關鍵技術．之后敘述了該方法的工程應用情況。最后進行總結并給出建議。

1大規(guī)模畫面刷新工作原理及架構

1.1  消息中間件

 消息中間件是一種巾間層軟件，其通用的消息傳輸機制可以屏蔽不同平臺和通信協(xié)議的異構性，簡化不同應用之間的數(shù)據(jù)傳輸．為分布式系統(tǒng)間的信息交互提供高效、透明的通信服務。

 消息中間件主要有點對點、消息隊列、訂閱／發(fā)布3種工作模式。由于訂閱／發(fā)布模式具有簡化應用程序配置、多維空間松耦合、組件更易重用等優(yōu)勢，事實上已經(jīng)成為消息中間件的非正式標準。

1.2  MPDR工作原理

 HMI系統(tǒng)畫面顯示信息涉及的電氣設備有線路、母線、變壓器、開關、換流器、電容器等。每個電氣設備都有不同的屬性，如母線的有功功率、無功功率，開關設備有開、合狀態(tài)，線路有電流值、電壓值等。HMI系統(tǒng)需要及時獲取這些電力設備的實時運行狀態(tài)，并在接線圖上顯示。

為保證大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)實時顯示，同時減輕SCADA服務器訪問壓力．MPDR引入消息中間件技術保證HMI系統(tǒng)畫面和SCADA服務器間安全、高效的數(shù)據(jù)交互。通過消息中間件的訂閱／發(fā)布模型，HMI畫面顯示的電力參數(shù)不再由畫面主動請求，而直接由SCADA服務器的畫面刷新服務（簡稱刷新服務）將變化數(shù)據(jù)推送給畫面。HMI系統(tǒng)和刷新服務交互的示意如圖1所示，刷新服務通過消息通道可以將狀態(tài)數(shù)據(jù)推送到各HMI畫面。

 畫面數(shù)據(jù)刷新分為兩階段。第1階段為畫面全數(shù)據(jù)（所有數(shù)據(jù)）獲取。畫面向刷新服務發(fā)送全數(shù)據(jù)請求，刷新服務將畫面名稱與請求數(shù)據(jù)進行綁定并將數(shù)據(jù)放至畫面數(shù)據(jù)緩沖區(qū)．消息推送模塊將畫面全數(shù)據(jù)發(fā)送給HMI畫面。第2階段是變化數(shù)據(jù)推送。刷新服務實時監(jiān)測畫面數(shù)據(jù)緩存，若緩存中的電氣設備狀態(tài)發(fā)生變化，則將其推送到訂閱該數(shù)據(jù)的HMI畫面。

1.3技術架構

 為降低畫面刷新各模塊依賴性．同時使系統(tǒng)具備跨平臺部署能力，畫面數(shù)據(jù)刷新采用SOA架構思想，遵循“高內(nèi)聚，低耦合”原則，邏輯上分為畫面顯示層、畫面刷新層、數(shù)據(jù)源層，其巾畫面顯示層位于HMI系統(tǒng)．畫面刷新層和數(shù)據(jù)源層位于后臺SCADA服務器。HMI系統(tǒng)負責實時展示電力設備的運行狀態(tài)。畫面刷新服務負責管理設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)測設備狀態(tài)變化以推送變化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源負責提供設備數(shù)據(jù)。

MPDR方法的技術架構如圖2所示．HMI畫面通過調(diào)用消息中間件的畫面刷新客戶端接口與刷新服務進行交互．刷新服務包含畫面刷新客戶端、消息接收模塊、訂閱隊列、畫面訂閱管理模塊、變化數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、畫面數(shù)據(jù)緩存、消息推送模塊等。消息接收模塊負責接收客戶端的畫面訂閱或取消訂閱請求，并將其放入相應隊列。畫而訂閱管理模塊解析畫面訂閱及取消訂閱請求，并維護畫面訂閱管理列表。畫面訂閱管理列表主要存儲各工作站畫面與設備數(shù)據(jù)的關聯(lián)信息。數(shù)據(jù)變化監(jiān)測模塊按照特定策略實時監(jiān)測監(jiān)控的電氣設備狀態(tài)是否發(fā)生變化。如果有變化數(shù)據(jù)點，則將其更新到緩存中。消息推送模塊負責實時將變化數(shù)據(jù)推送到畫面刷新客戶端。

1.4工作流程

MPDR方法執(zhí)行順序如圖3所示。(I)HMI畫面發(fā)送畫面訂閱請求；(2)接收模塊將訂閱消息發(fā)送給訂閱管理模塊；(3)、(4)訂閱管理模塊更新訂閱表并將消息發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存模塊和消息推送模塊；(5)數(shù)據(jù)變化檢測模塊實時監(jiān)測緩存中的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，并將變化的數(shù)據(jù)從實時數(shù)據(jù)庫更新到面面數(shù)據(jù)緩存；(6)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊將更新緩存的消息發(fā)送給消息推送模塊；(7)消息推送模塊將數(shù)據(jù)推送到HMI畫面數(shù)據(jù)請求。

2大規(guī)模畫面刷新關鍵技術

 MPDR方法將HMI畫面與SCADA服務器的交互由請求／響應模式變?yōu)橛嗛啠�發(fā)布模式，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率同時降低SCADA服務器的負載，提升了電力SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法的實現(xiàn)需要重點研究和掌握畫面消息模型、畫面緩存策略、畫面訂閱管理、數(shù)據(jù)變化檢測等關鍵技術。

2.1  畫面消息模型

 畫面刷新客戶端和畫面刷新服務均以中間件消息的形式完成交互。畫面消息(picture message，PMS)包括指令消息和數(shù)據(jù)消息2種類型。指令消息主要是客戶端向后臺程序發(fā)送的命令，如暫停數(shù)據(jù)推送、開始數(shù)據(jù)推送、終止訂閱等。數(shù)據(jù)消息主要包括訂閱請求消息和數(shù)據(jù)推送消息，例如畫面全數(shù)據(jù)消息、單點變化消息、批量變化消息等。

PMS消息模型如圖4所示，由消息頭、附加頭、消息主體3部分組成。消息頭包含識別信息和路由信息，如消息發(fā)送方編號、接收方編號、消息優(yōu)先級、消息長度、消息類型等。消息附加頭是PMS提供的一種附加、可選的頭域。附加頭中的可選信息有消息標注、消息版本、消息處理類型等。消息主體則包含消息的實際傳輸數(shù)據(jù)。

消息主體包括發(fā)送的應用數(shù)據(jù)，包括4種類型的消息體：指令消息、畫面訂閱消息、批量數(shù)據(jù)推送消息、單點數(shù)據(jù)推送消息。其巾批量數(shù)據(jù)推送消息較大，一般在1—100 kB．目前消息主體的最大長度為512 kB。如果單個消息主體長度大于512 kB需要拆包發(fā)送。數(shù)據(jù)包的拆分及合并由應用程序自己負責。畫面訂閱消息用于訂閱畫面數(shù)據(jù)。批量數(shù)據(jù)推送消息用于存放刷新服務推送到客戶端的批量數(shù)據(jù)。單點數(shù)據(jù)推送消息用于存儲刷新服務推送到客戶端的單點數(shù)據(jù)。指令類消息主要包括發(fā)送到目的方特定畫面的變化數(shù)據(jù)，控制粒度可以到特定數(shù)據(jù)點。指令消息可以發(fā)送6類控制指令：  CMD_SEND、CMD—PAUSE、CMD_SUBSCRIBE、  CMD_UNSUBSCRIBE、  CMD_PICCLEAR、CMD_RESEND等，詳細說明如表1所示。

2.2  畫面緩存策略

畫面數(shù)據(jù)緩存用于暫存HMI畫面的監(jiān)控數(shù)據(jù)，緩存結構如圖5所示，邏輯上分為畫面索引區(qū)、畫面引用區(qū)、畫面數(shù)據(jù)區(qū)3部分。索引區(qū)存儲各畫而引用的地址，用于畫面引用的快速檢索。畫面引用區(qū)存儲各HMI畫面顯示的電氣設備屬性編號，通過該屬性編號可以唯一確定數(shù)據(jù)點。畫面數(shù)據(jù)區(qū)存儲畫面實際顯示的數(shù)據(jù)，如圖5的陰影部分所示．是實時庫中熱點訪問數(shù)據(jù)在緩存中的副本。刷新服務接收到客戶端訂閱請求時，首先在索引區(qū)查找訂閱的畫面是否緩存。若未緩存該畫面．則在引用區(qū)創(chuàng)建該畫面引用，并將該畫面引用的數(shù)據(jù)從實時數(shù)據(jù)庫讀入緩存數(shù)據(jù)區(qū)。若已經(jīng)緩存．則直接將數(shù)據(jù)推送到客戶端。如果接收到某畫面數(shù)據(jù)點的添加或刪除請求，刷新服務會通過畫面索引在引用區(qū)找到給該畫面引用，并將該數(shù)據(jù)點添加到引用區(qū)或在引用區(qū)刪除。在創(chuàng)建畫面引用時．如果引用區(qū)存儲空間已經(jīng)達到最大限度，則通過畫面訂閱表查找無效的畫面引用，并將其刪除。

 數(shù)據(jù)變化監(jiān)測模塊會實時監(jiān)測緩存的設備狀態(tài)是否變化．并將變化數(shù)據(jù)從實時數(shù)據(jù)庫刷新到緩存。若緩存存儲區(qū)達到最大限度，則通過LRU算法釋放數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)存空間。

2.3  畫面訂閱管理

畫面訂閱列表用于存儲工作站與畫面間的引用關系，由畫面訂閱管理模塊維護。當刷新服務接收到客戶端畫面訂閱請求時，其會將該T作站與畫面的引用添加到訂閱表中。若收到取消訂閱請求，則將工作站和畫面的引用關系在訂閱表巾刪除。如表2所示，工作站1和T作站2都訂閱了畫面1，工作站1同時訂閱了畫面1和畫面2。

 畫面訂閱管理模塊每次維護畫面訂閱列表完畢會給數(shù)據(jù)變化監(jiān)測模塊和消息推送模塊以及畫面數(shù)據(jù)緩存模塊發(fā)送通知消息。畫面數(shù)據(jù)緩存模塊會檢查該畫面是否已經(jīng)緩存。如果未緩存，則創(chuàng)建畫面引用．并將畫面數(shù)據(jù)由實時數(shù)據(jù)庫讀人緩存中。之后數(shù)據(jù)變化監(jiān)測模塊會將該畫面數(shù)據(jù)納入變化監(jiān)測范圍。

2.4數(shù)據(jù)變化監(jiān)測

 為使調(diào)度人員通過HMI畫面實時掌握電網(wǎng)運行狀況快速確定電網(wǎng)故障．畫面刷新服務必須實時將變化的電氣設備狀態(tài)數(shù)據(jù)推送到客戶端。為此MPDR引入了數(shù)據(jù)變化監(jiān)測機制，由數(shù)據(jù)變化監(jiān)測模塊按照一定的頻率從實時數(shù)據(jù)庫獲取電氣設備狀態(tài)數(shù)據(jù)．并通過快速檢測算法進行變化檢測、更新，并發(fā)送消息通知消息推送模塊，將該變化數(shù)據(jù)推送到客戶端。

 實時數(shù)據(jù)庫存儲的設備狀態(tài)信息包括電氣設備屬性編號（與畫面引用區(qū)中存儲順序一致）、時間戳序列號、狀態(tài)值。數(shù)據(jù)采集服務在更新狀態(tài)信時會根據(jù)時間戳更新時間戳序列號�？焖贆z測算法具體為：開始由檢測線程從實時數(shù)據(jù)庫獲取第1個設備的時間戳序列號。如果該時間戳序列號大于前一個檢測周期的時間戳序列號，則該數(shù)據(jù)已經(jīng)變化．將該設備的時間戳序列號更新為當前時間序列號。在緩存畫面引用區(qū)查找到該電氣設備屬性編號，更新狀態(tài)值，并用游標記錄該屬性編號位置，下一次由此位置向后查找即可。如果時間戳序列號和前一個檢測周期的相同，則未發(fā)生變化．只需更新時間戳序號為當前時間序列號即可。如此，實時數(shù)據(jù)庫設備狀態(tài)掃描完畢即完成本周期的快速檢測及緩存更新。

 快速檢測算法通過時間戳序列號及位置游標，僅掃描一次實時庫及畫面引用區(qū)即可完成變化數(shù)據(jù)的快速檢測與更新，提高了檢測效率，保證了變化數(shù)據(jù)的秒級檢測。

3工程應用

 MPDR方法已成功應用于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)（D5000系統(tǒng)），并且部署于國家電力調(diào)度控制中心，取得很好的效果。系統(tǒng)的SCADA服務器采用麒麟LINUX操作系統(tǒng)，CPU為英特爾E7320，8核，主頻均為2.13 GHz;系統(tǒng)工作站采用Windows操作系統(tǒng)．CPU為英特爾E5-2609，雙核，主頻2.4 GHz。系統(tǒng)實時監(jiān)控設備狀態(tài)數(shù)據(jù)75萬個數(shù)據(jù)點，其中遙測數(shù)據(jù)點40萬個、遙信數(shù)據(jù)點35萬個。系統(tǒng)當前監(jiān)控畫面約350幅，已經(jīng)投入使用的工作站70臺。

 D5000系統(tǒng)運行時對其畫面刷新情況、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信情況、畫面刷新效率進行了統(tǒng)計。

 (1)畫面刷新方面：D5000系統(tǒng)運行過程中，畫面刷新服務平均緩存監(jiān)控畫面160幅，關聯(lián)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)點10萬個�？蛻舳朔矫嬗�25個工作站，畫面刷新客戶端共打開監(jiān)視畫面1 200幅。其中85%以上的緩存畫面被5個以上畫面客戶端訂閱，最多單個緩存監(jiān)控畫面訂閱的客戶端達20個。

(2)畫面刷新效率方面：主要對畫面全數(shù)據(jù)刷新時間和單點變化數(shù)據(jù)響應時間進行統(tǒng)計。全數(shù)據(jù)刷新時間指從HMI畫面發(fā)送訂閱請求到HMI畫面顯示出所有畫面監(jiān)控數(shù)據(jù)所消耗的時間。全數(shù)據(jù)刷新時間包括往返時問、全數(shù)據(jù)顯示時間、服務器進程時間3部分。單點變化數(shù)據(jù)響應時間指HMI畫面中的某個監(jiān)控數(shù)據(jù)點從檢測出其發(fā)生變化到在畫面上顯示之間消耗的時間。其主要包括畫面數(shù)檢測時間、數(shù)據(jù)推送時間、畫面顯示時間。表3記錄了在不同畫面刷新規(guī)模的情況下某幅畫面的全數(shù)據(jù)刷新時間和單點變化數(shù)據(jù)響應時間，其中TA表示全數(shù)據(jù)刷新時間、Ts表示單點變化數(shù)據(jù)響應時間。從表3可見在不同畫面刷新規(guī)模下，數(shù)據(jù)刷新時間基本在1 s之內(nèi)，單點變化數(shù)據(jù)的響應時間為毫秒級。

 (3)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡負載方面：I由i面刷新服務與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡平均流量250 kB/s,峰值達600 kB/s。

 上述現(xiàn)場應用情況表明．MPDR方法可以支持上千幅畫面同時打開監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，保證面面全數(shù)據(jù)刷新時間在秒級．單點變化數(shù)據(jù)響應時間在毫秒級，完全可以滿足工程應用的畫面刷新需要。

4結語

 本文在對當前電力SCADA系統(tǒng)畫面刷新技術深入研究基礎上．分析了當前電力SCADA系統(tǒng)采用的請求／響應模型在大規(guī)模數(shù)據(jù)刷新情況下存在的畫面刷新效率低、服務器負荷高等不足，提出了一種適應智能電網(wǎng)發(fā)展、滿足互聯(lián)大電網(wǎng)“一體化”運行需要的大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)刷新方法。該方法通過訂閱／發(fā)布模型進行海量畫面監(jiān)控數(shù)據(jù)的推送避免了客戶端對電力SCADA服務器的集中訪問，通過高效的畫面數(shù)據(jù)緩存技術提高了數(shù)據(jù)刷新效率。從國家電力調(diào)度控制中心D5000系統(tǒng)的應用情況來看，畫面刷新響應時間在毫秒級．MPDR方法能夠較好地應對大規(guī)模畫面數(shù)據(jù)刷新．滿足了新一代電力SCADA畫面數(shù)據(jù)刷新的需要。當然MPDR方法也有實現(xiàn)較復雜等不足之處．在后續(xù)文章中將繼續(xù)討論。