集成调度（共7篇）
集成调度 篇1
0引言
过去,企业的设计和车间生产部门信息没有集成,基本上处于信息化的初级阶段,企业调度仅仅凭借调度员的经验,调度难度大且任务繁重,而工艺规划与车间生产调度计划的分离等都影响了企业的整体工作效率。作为企业信息化建设的两个重要内容,制造过程管理之间的信息交流与共享和车间生产调度系统的研究对于提高企业CIMS的整体水平至关重要[1]。
1制造过程管理的信息集成研究
1.1 调度工艺数据库的建立
工艺数据库存储了工艺设计所要求的全部工艺数据和算法规则。采用关系模型建立工艺数据库,能系统地对工艺数据进行管理和维护,减轻了工艺设计人员繁重、重复的劳动,缩短了生产准备周期,减少了工艺设计过程中的费用,提高了对市场应变的响应速度和竞争力,实现了企业内部的工艺信息共享[2]。
本系统采用Object-Relation图建立面向对象的数据概念模型,如图1所示。调度工艺数据库存储了生产调度过程中的动态调度信息,包括设备的动态信息和调度任务单的动态信息,管理员可以很方便地对工件的加工工艺及其先后顺序进行调度,提高了设备的利用率并缩短了加工时间。
1.2 信息集成的实现
本文主要研究江西省科技厅攻关项目“产品开发与制造过程管理集成研究”,在整个系统的开发过程中都采用了面向对象技术,提高了系统的开发效率并减轻了工作量,而且使系统有很好的稳定性和重用性。系统的开发环境采用三层模式的系统结构,开发工具采用Visual Studio.NET 2008,开发语言是C#,数据库采用SQL Server 2005。
图2所示的界面可以查询到所有零件的加工工艺信息,此外,系统还能对产品信息、零件信息、工艺信息、工步信息、设备信息、刀夹具信息等进行增删改操作,使管理员对企业的所有加工信息一目了然。
2车间生产调度研究
本文的调度系统主要针对加工零件的工艺规划信息进行调度,即对零件的工序信息、设备信息以及加工时间进行调度。通过制定调度任务单,查找出零件相应的工艺信息,输入算法参数值执行调度[3]。
2.1 调度算法目标函数
本系统采用多目标调度函数,其调度目标函数包括制造时间间隔、设备负荷均衡等[4,5]。
制造时间间隔:
undefined。 (1)
其中:Oij为第i个工件在第j台机床上的等待时间;m为工件个数;n为机床台数。
设备负荷均衡:
S2=W1+W2 。 (2)
其中:W1为机床负荷与平均机床负荷差之和;W2为相邻机床负荷差之和。
总的延误时间:
undefined。 (3)
其中:Pi为第i个工件的延误时间。
设备空闲时间:
undefined。 (4)
其中:Qj为第j台机床的空闲时间。
最大延误时间
undefined。 (5)
通过设置几个目标函数的权重得出调度的整体目标函数:
undefined。 (6)
其中:wk为各目标函数的权重值(wk=0,0.1,0.2,…,1.0);Sk为各调度目标函数(k=1,2,…,5)。
2.2 调度系统的实现
本生产调度系统主要包括4个模块:调度任务单制定与维护模块、离线调度模块、实时运行模块及结果输出模块。
(1)调度任务单制定与维护模块用于制定需要调度的工件信息及其工艺信息。工件信息包括工件的数量、调度的时间、完工时间;工艺信息包括工序号、工序名称、设备、加工时间等,并能对这些信息进行维护,即能进行添加、删除、修改等工作。
(2)离线调度模块的作用是根据调度任务单中制定的调度任务计划,通过调度算法,输入算法所需要的一些参数值来进行离线的调度。
(3)实时运行模块可以检测到各台加工设备的实时运行状态,包括设备的空闲、启动、忙、等待。
(4)由结果输出模块可以对调度结果进行查看,可以方便地观看到各工件的加工顺序以及设备的使用效率。如果感觉不是理想的调度顺序,可以通过改变调度算法的目标函数来改变加工的先后顺序。
图3为调度结果界面,它显示的是7台不同的机床加工7个不同的工件,每个工件的加工工艺在几台机床上加工完成所产生的调度结果。在执行调度时,调度运算所涉及的调度目标函数是制造时间间隔和设备负荷均衡,其权重均为0.5,其他的都为0。
3结束语
工艺设计和车间生产调度直接影响着资源的利用率并关系到整个生产过程的生产效率。本文将产品工艺设计信息与制造管理信息贯通集成,实现了信息共享集成和互动,并对产品的工艺信息实现生产调度,因此本项目具有很强的实际工程应用价值。
参考文献
[1]韩云彪.车间层信息集成系统开发[J].机械管理开发,2010,25(2):198-200.
[2]郝博,李俊峰.集成制造环境下C/S模式工艺数据库的设计[J].兵工自动化,2005,24(4):38-40.
[3]Gozzi A,Paolucci M.AMulti-agent approach to support dy-namic scheduling decisions[G]∥Proc of ISCC2002.[s.l.]:[s.n.],2002:983-989.
[4]田颖,江平宇,周光辉,等.基于遗传算法的工艺规划与调度集成方法[J].西安交通大学学报,2006,40(9):1041-1044.
[5]Michael Pinedo.调度:原理、算法和系统[M].第2版.张智海,译.北京:清华大学出版社,2007.
电网调度自动化系统集成探讨 篇2
随着我国联网进程的加快、电力体制改革工作的不断深入以及大型机组的相继投产,我国电网调度自动化的专项工作取得了较大进展,电力二次系统的安全防护工作也初见成效。电网调度自动化系统的通道数量、质量和厂站信息的质量以及设备运转的可靠程度越来越高,调度自动化主站相关系统的建设、运行和应用水平普遍提高,标准化、规范化的应用工作不断深入,电网调度自动化系统在电网的安全、优质、经济运行中发挥的作用越来越大。与此同时,调度自动化系统的内涵和外延已经发生了较大的变化,调度自动化专业正面临着新的形势、要求和发展机遇。
1 电网调度自动化系统的发展历程
电网调度自动化系统是电力系统有效、有序、经济运行的关键所在,总结起来,目前电网调度自动化系统的发展总共经历了4个阶段:(1) 20世纪70年代,以专用机和专用操作系统为基础的监控与数据采集系统(SC ADA),其全部功能都依靠单机实现。(2) 20世纪80年代,主要采用调度主机双机热备用系统,其特点是以通用计算机和集中式的SCADA/能量管理系统(EMS)为基础,其中部分的能量管理系统应用软件开始实用化。(3) 20世纪90年代,基于精简指令集计算机RISC/UNIX的开放分布式EMS(第3代产品)采用了商用关系型数据库以及先进的图像显示技术,EMS的应用软件丰富、完善、多样。该系统是基于RISC图形工作站的统一支持平台的功能式分布系统。(4)发展到目前为止的第4代电网调度自动化系统完全满足了安全防护和分区的要求,按照基于公共对象请求代理体系结构(CORBA)开放分布式的设计思想,遵循IEC61970的公共信息模型(CIM)/组件接口规范(CIS)和可缩放矢量图形(SVG)标准,面向电力市场进行了应用软件功能的扩展,并满足EMS网上浏览、远程维护和操作要求,是一个开放、先进、可拓展、稳定可靠、面向对象的电力企业自动化系统支持平台和内容丰富的电网专业分析应用软件运行平台。
总的来看,电力调度系统技术的每一次革新都是以信息技术的高速发展为依据,随着计算机技术、数据库技术以及网络通信技术的日趋成熟,电力调度自动化系统正朝着集成化、自动化、数字化、智能化和标准化的方向迈进。
2 新一代调度自动化系统的要求
随着我国电网跨区域、远距离传输的超/特高压交直流混合输电系统的形成,如何保证该系统的安全稳定运成为一个重大而迫切的研究课题。从调度自动化监控的角度来分析,现代电网是多层次、多尺度、多对象的复杂统一体,所以新一代电网在以下几方面对调度自动化提出了更高的要求:
(1)调度自动化系统往往需要处理大量信息,所以其设计要从全局使用的角度进行考虑。首先,随着电网规模的快速扩大和电网互联性的增强,对电网大模型的统一分析逐步成为主要需求;其次是未来的调度信息系统不单单像传统的EMS系统一样只需处理一次系统的信息,而是需要实现多次系统的同步建模、分析与采集;再次是未来的调度信息系统需要由稳态水平上的监控分析发展到静态、动态、暂态的一体化信息处理与分析;最后是未来的调度信息系统要处理电网、市场及电量多方面的综合信息。(2)新一代的电力系统需要加强监控与分析的统一性,不但要做到静态、动态、暂态的统一,也要做到输电网与配电网的配合,各级调度的协调统一,同时还要考虑电力市场和物理稳定性等多方面的影响作用。(3)在闭环控制的条件下,高密度采集的相量测量单元(PMU)对高速实时通信的要求较高,这就对分析和决策软件的实时性提出了更高的要求。(4)对于规模庞大的现代电网而言,传统的EMS系统已经完全不能满足其复杂的动态要求,特别是当发生低频振荡等长周期动态过程时,EMS系统通常会失效,因此就要将系统功能从传统的监视、分析和控制进一步升级到广域安全协调防御的高度,而且也要讲究信息和应用上的综合,即从具备单一功能的系统转变为综合程度较高的平台化复合大型系统。
3 基于MAS的调度自动化系统集成
基于Agent技术的调度自动化系统集成是一种更高层次上的集成,其语义互操作的功能能够适应未来开发的、复杂的、动态分布式调度自动化运行环境。Agent是指单个模拟人的智能行为,而多个Agent系统(MAS)则可模拟人类社会,MAS中的Agent成员通过协作实现系统整体性目标就是Agent的关键所在,而Agent之间的协调是MAS的核心问题,协调是要求多个Agent在不确定的动态环境下进行交互工作的方式,其对资源和目标进行协调,避免冲突发生。
MAS中Agent之间的交互不是类似于CORBA分布式集成系统中代码级的方法或者语言的直接套用,它是基于语义的服务请求,无需知道对方提供什么服务、该服务的具体功能或者该服务需要什么语法和具体参数,它主要以实现目标、目标完成的时间和目标实现的执行者为目的,Agent可以在运行时才根据其决策发起或响应对其他Agent进行交互,交互方式灵活,所以基于MAS的调度自动化系统能够实现语义互操作,集成化和开发程度更高。
开发实现基于MAS的调度自动化系统关键在于要建立一个自动化系统领域的本体。本体是对调度自动化领域中各个概念进行描述的词汇约定集,也是个体Agent对本领域中概念语义的共同理解,Agent必须建立在一个共同的本体之上才能实现交流和语义的互操作。本体的建立是一个不断完善的过程,且要遵循控制中心应用系统数据表示标准IEC61970和厂站端标准IEC61850才能实现更大范围的互操作。
基于MAS的调度自动化系统结构建立在CORBA的集成系统之上,划分为基本功能、通信转换代理以及代理协作3个层次,其中基本功能层是遵循COBRA规范开发的采用CORBA规范封装的各电力应用,很好地实现了代码级的互换操作。Agent为CORBA提供标准基础服务,从而实现Agent间的交互协作,而CORBA则为Agent提供了一个比较完善的基础。代理层中个体Agent的私有方法通过映射到基本功能层中的应用上来实现,Agent在它的知识库规则中确定它要调用的应用前后执行次序,通过各个Agent相互间活动的先后顺序就能把整个系统的业务流程加以确定。
基于MAS的调度自动化集成系统如图1所示。
如图1所示,用户Agent主要负责调度员与系统各Agent之间的交互,是面向任务的,根据调度员日常执行的任务进行定义和实现。作为代理协作层核心的调度协调Agent主要任务是接受调度员的决策问题和基本功能层消息,协调分析,形成决策递交给调度员选择或者交由通信转换代理执行,它是系统中永久性的Agent。可以根据用户或者底层请求动态地生成任务相关的临时Agent来并行分别处理各个请求,其处理时间却仅为1个请求的时间,这就提升了系统性能,适应了未来电力调度自动化集成系统计算负荷变化量较大的需求。实时安全评估运行Agent可在系统正常运行的情况下对系统进行安全评估,发现系统的安全隐患。经济运行Agent可以在系统正常运行的前提下调用负荷预测、经济调度、机组经济组合等各方面的算法和知识,来给出系统运行经济效益最佳的方案。同时系统还可根据需要扩充新Agent,并对其进行分层,从而把复杂问题分解成简单问题逐个加以解决。
4 结语
总体而言,基于MAS的调度自动化系统能够更好地适应未来电力调度自动化系统集成的复杂、动态、不确定的分布式运行环境,其已实现从代码级互换操作到语义级互换操作的提高,实现了系统要求的灵活性和开放性。
参考文献
[1]房亮.35 kV无人变电站中调度自动化系统的研究与实现[D].华北电力大学,2011
集成调度 篇3
1集成建设流程
当前, 智能电网调度控制系统的集成建设主要包括硬件建设与软件集成两个方面, 具体系统集成建设如下:
硬件集成建设包括:机房改造、调度大厅改造、电源改造、机柜部署、网络搭建、服务器安装以及安防设备部署等。
软件集成建设包括:平台搭建、前置数据采集、应用功能调试、新老系统过渡、系统接口部署、问题功能消缺等。
2集成实施方案
智能电网调度控制系统的集成建设一般以系统改造为主, 即在现有运行智能电网调度控制系统的基础上, 建设新的智能电网调度控制系统。整个系统的集成不仅包括新系统的建设, 更有原有老系统的保护与过渡。系统的建设包括工厂阶段系统开发和现场阶段系统集成。
工厂阶段系统开发是指按照区域智能电网调度控制系统的实际运行需求进行系统的前期软件程序开发与批量数据录入。主要涵盖以下几个方面:
2.1模型建立
按照国网规定的电网模型命名规范, 结合该区域电网设备的特点, 完成电网实际设备与电网模型的虚拟化关联, 并进行规范化电网设备命名。同时以数学建模的方式完成电网模型的数据录入。
2.2图形绘制
结合该区域电网的网络架构特点, 按照变电站、线路网架等设计需求完成电网网架结构的图形化绘制, 同时将绘制的图形以某种方式进行链接展示, 与电网模型设备进行关联, 保障电网的完整性与有效性。
2.3前置采集点表录入
为保障智能电网调度控制系统数据的实时性, 变电站按照特定的规约类型进行实时数据的传输。在实时数据传输前, 需要按照商议好的方式进行前置遥测、遥信等相关采集点表的录入。
2.4功能应用部署
除了前置采集、基础平台外, 按照调度运行的日常需求还会加入状态估计、调度员潮流、自动电压控制等高级应用, 在工厂阶段也会完成相应功能的部署。
现场阶段系统集成主要包括系统硬件的安装与搭建, 安防设备部署, 厂站传动, 系统问题消缺与功能完善等。整个现场阶段的系统集成建设关系着后期系统运行的稳定性与安全性, 是整个智能电网调度控制系统集成建设工作的重中之重。具体包括以下几个方面:
2.4.1硬件安装与网络部署
到达现场的硬件网络设备首先进行上架安装, 同时在安装过程中完成硬件设备的网络搭建。按照国网安全规范, 完成对整个系统的安全运行区域划分, 将所有的硬件设备划入电网安全区域中。
2.4.2安防设备部署
在电网运行的每个安全区域进行安防设备的部署搭建, 加入防火墙、入侵检测、隔离装置、加密装置等重要安防设备, 完成设备的安全策略部署, 为系统的建设和后期运行搭建一套完整的安全防护屏障。
2.4.3变电站数据传动
整个智能电网调度控制系统的硬件搭建完成、软件部署完成后, 将系统接入调度数据采集网, 进行变电站实时数据的采集接入。对于有专线规约的变电站还要进行相关专线网络的调试与接入。
2.4.4功能应用消缺
在变电站批量进行实时数据接入的同时, 按照工厂阶段的软件设计规划, 进行软件功能消缺, 同时对分析类应用进行同步调试, 保障分析结果的准确性与有效性。
2.4.5系统接口调试
在系统完成基础变电站传动后, 系统的数据已经完整。进行系统与其他系统、应用的接口功能调试, 保障其他系统或应用的数据完整性、一致性, 保障其他系统的图形、模型、数据与智能电网调度控制系统一致, 减少系统维护人员的后期工作。
2.4.6系统过渡
当系统的模型、图形、实时数据、接口等相关调试完成后, 进入新老系统之间的过渡切换阶段。在保障老系统正常运行的同时, 将新建设的系统应用到调度员、监控员等其他相关专业的日常工作中, 同时将老系统的历史数据、其他功能移植新系统中, 实现新老系统之间的无缝切换。
2.4.7问题消缺
在新建系统的实际运行过程中, 系统集成人员要时刻跟踪运行人员的使用情况, 根据他们反馈的相关问题, 进行分析总结, 同时将不符合运行人员实际工作需求的功能改进处理, 方便运行人员的日常使用。
3集成建设分析
目前, 我国大部分区域智能电网调度控制系统的集成建设都是基于上述方案完成, 在整个建设集成方案中, 有以下几点需要重点考虑:
3.1规范制定
“无规矩不成方圆”, 整个智能电网的模型、图形、实时数据传输等规范是整个集成建设的基础, 为后期系统的集成建设提供依据。特别是在建设的中遇到问题, 实现有理可依、有据可查。
3.2硬件安装
整个硬件的安装搭建关乎系统后期运行维护的稳定性与安全性, 硬件安装要注意核心服务器与普通服务器的安装区别, 注意硬件环境的通风、除尘等情况。同时注意整个区域网络的线缆铺设, 保障线缆规划的合理性和标签命名的规范性。
3.3变电站传动
变电站传动过程是对整个智能电网调度控制系统的有效检验, 也是为运行人员有效地完成日常工作提供保障。逐项完成每个变电站的传动工作, 特别是“三遥”工作的有效落实, 可以发现并排除电网设备的隐患, 保障电网运行的安全稳定。
4结语
综上所述, 整个智能电网调度控制系统的建设需要厂家、自动化、调度等各个专业的共同努力。特别是整个系统的建设必须由专业人员负责, 经由具有大量实际工作经验的人员负责把控。在系统集成建设过程中, 遇到问题要高度重视、积极处理, 不要遗留。只有这样才能为后期系统的稳定运行提供保障, 为区域电网的安全稳定运行添砖加瓦。进而促进电力部门的经济效益得到不断提高, 实现持续稳定高效的发展。
参考文献
[1]解深海.智能电网调度控制系统现状与技术展望[J].山东工业技术, 2015, 17:130.
[2]林怀德.自动化控制技术在智能配网中的应用分析[J].自动化与仪器仪表, 2015, 10:140-141.
集成调度 篇4
根据中国钢铁工业协会统计,2010年钢铁行业耗电约占全国总用电量的10%左右,因此推进钢铁行业节电工作,对缓解全国电力紧张状况,促进钢铁企业节能降耗有重要作用。钢铁企业用电负荷较大,其电网结构相对完整,由发电、变电、输电、配电和用电等多个环节组成,形成了一个完整的区域小电网;而为了保证钢铁企业内部电网的安全、优质、经济运行,提高调度管理信息化水平,需要实现电网二次相关专业的融合和协调发展,提高电网管理效率。电力二次系统一体化最早由沈国荣院士提出,其目的就是要提高电网运行的综合支撑水平,促进二次相关专业的融合和协调,促进多学科跨领域技术发展,推动智能电网的实质性发展,建设坚强的电力二次系统一体化安全防护体系。其核心理念是实现电力数据共享、横向专业融合以及纵向需求贯通[1]。
钢铁企业电力系统具有负荷大、能耗高、生产连续性强的特点,其既是大电网的终端用户,又是大电网的电源点(自备电厂),增加了调度管理的复杂程度,尤其是当电网出现紧急情况时,调度人员在短时间内需要处理大量信息,无法保证及时、准确地进行决策。智能调度是将电网运行中依靠人工进行决策和判断的过程利用人工智能的方式计算机化实行,同时将人工经验抽取成知识,实现知识在组织内的传承[2],为电力系统的安全、经济调度提供了可靠的手段和决策信息。在2013年包头钢铁集团能源中心的建设中,在PCS-9000电力调度集成平台的基础上构建钢铁企业智能电力调度集成系统,通过电力二次系统一体化数据平台的建设,实现数据采集和监控,以及对辖区变电站和电厂的实时监控和优化调节,并在钢铁企业电力系统的智能调度与优化方面进行了深入研究,实现了电力高级应用的集成和电力能源的调度优化。
1 系统组成
钢铁企业智能电力调度集成系统采用统一平台开发、模块化设计、分布式运行和标准化建设,克服了以往多个系统不能有效集成的问题,同时统一考虑各系统需求,通过实时应用数据库和应用功能分布,实现了电力二次系统一体化集成。系统的实时应用基于面向对象实时数据库设计,体系结构采用分布式、分层设计原则,其体系结构如图1所示。
系统自下而上分别为硬件平台、操作系统平台、通用中间件、统一应用支持平台、钢铁企业智能电力调度集成系统。
系统硬件平台和操作系统平台采用服务器混合运行技术,通过平台异构实现系统异构,异构平台对应用屏蔽,应用功能无须对不同操作系统进行特别处理;通用中间件的采用使得系统的各种应用能够运行在多种操作系统的硬件平台上,具有很好的可移植性;统一应用支撑平台构筑在通用中间件之上,为各类电力系统应用软件的开发和运行提供统一的支撑平台,包括分布式网络通信管理平台、面向对象实时数据库管理平台和电力二次系统一体化数据平台,以及系统管理平台、报警事件管理平台、人机子系统、历史服务、模型服务、图形服务、计算服务和工作流;钢铁企业智能电力调度集成系统由电网分析、电网监控、综合智能调度、保护故障信息管理、系统优化与控制、电能量计量信息管理、调度管理和稳定控制信息管理等子系统构成,满足了钢铁企业对电力调度各个层次的要求。
电力二次系统一体化数据平台为实现智能调度与优化提供了多维数据,是实现智能调度的重要基础。通过建立一个适合钢铁企业自身特点的数据平台网络架构,实现数据采集和信息监控。平台具备成熟的数据库管理工具,对各种应用的实时数据库和历史数据库进行管理,能离线对实时数据库进行维护,并具备支持各种优化分析应用开发的应用平台。平台采用完备的数据采集模式,实现通信方式的多样化,具有精确的数据对时和同步能力。
电力二次系统一体化数据平台的网络结构如图2所示,从图中可以看出该网络结构分为3个层次:最上层是监控操作数据网及监控信息接入网,通过防火墙将其分成3个区域,分别为1区的数据采集、历史存储和运行操作,2区的调度员培训仿真(DTS)以及3区的Web服务;中间层是工业千兆光纤骨干环网,包括远动数据采集环网,设备监测、电能量、保护故障信息、调度管理环网,稳定控制专用环网和视频消防门禁环网;底层为各变电站SCADA数据、电能量信息、保护故障信息、设备监测信息、稳定控制子站信息、视频消防门禁信息接入。
由于要对多个专业的不同数据进行采集、管理、存储和同步,因此整个电力二次系统一体化数据平台设计遵循标准化、开放性和分布式原则,实现了硬件设备无关化、电网模型标准化、数据通信标准化、系统服务公用化,同时,实现了功能模块的组件化和标准化。平台具备标准化的数据库结构、数据访问接口、图形和数据库的导入和导出以及完善的跨平台和混合平台能力。为实现第3方软件的“即插即用”,系统平台设计时遵循统一的国际通用标准,如IEC61970[3,4,5]和IEC61968[6,7,8],采用通用中间件技术,为SCADA、电能量管理系统、保护故障信息系统、电力高级应用和调度员培训仿真等各种电力应用提供统一的分布式运行和开发中间件平台,保证系统的可移植性、可靠性和实时性,系统还为不同应用提供普遍需要的图形建模、报警服务、Web服务和通用报表等应用工具。
2 系统运行架构与功能实现
智能电力调度最重要的是调度和管理的智能化,我们从数据流和业务需求的角度对智能电力调度的系统架构进行设计,其层次结构如图3所示,包括现场数据采集、数据存储与管理和智能调度与优化功能。由现场数据采集、数据存储与管理构成了系统应用的支撑平台;通过满足运行人员运行、操作、调度和管理的各种高级应用功能,实现钢铁企业电网的监视控制和智能调度与优化。
2.1 现场数据采集
现场数据采集包括未经处理的原始实时数据(包括电力SCADA数据、保护故障信息、稳定控制子站信息、电能量计量信息等)、历史数据、应用数据及交换数据等。要保证各种数据采集的实时性和准确性,就需要采用先进的数据采集技术。本系统将大型SCADA系统的数据采集子系统功能部署在N台IO服务器上,采用1主(N-1)热备的冗余模式,组成数据采集服务器集群,综合考虑各数据采集任务的约束条件和服务器状态,动态调整任务在各服务器上运行的优先级,将其分配到优先级最高的服务器上并行运行;通信协议采用软插件形式实例化,提高数据的吞吐能力和通信可靠性[9]。
2.2 数据存储及处理
统一应用支撑平台为应用功能提供丰富的数据资源和友好的展现方式,包括实时数据库、应用数据库、时序数据库、历史数据库、数据同步与访问机制、数据引擎和应用引擎。采用实时数据库对现场采集的数据进行保存和处理;根据不同应用的需求,将不同专业的数据分类保存到相应的应用数据库中;所有数据将由时序数据库和历史数据库进行统计、存储和管理,构成系统的数据资源中心。通过系统数据总线进行不同应用间、不同运行节点间的数据同步和访问,保证数据获取的实时性和准确性。数据引擎采用总线方式,为各类应用提供数据及模型驱动;应用引擎为各类应用业务提供数据流、数据及模型的搜索和定制功能。
2.3 智能调度与优化
智能调度与优化实现监视及控制、智能高级应用和调度优化功能。监视及控制是调度人员最常用的功能,其包括钢铁企业整个电网运行状态监视、运行方式制定、运行设备远程控制等,要实现电力调度的智能化,就需要将监视及控制与智能高级应用功能相结合,通过智能高级应用功能为监视及控制提供支持和决策。调度优化从整个钢铁企业电力能源的角度出发,将与电力相关的各个工序进行等值处理,并考虑煤气系统、蒸汽系统、外购电限额、外购发电煤等约束,对整个企业的用电进行评估及优化,最终给出未来电网的调度优化方案,指导调度人员进行调控。
2.3.1 智能高级应用
在电力调度系统中,传统的高级应用是建立在电网监视及控制的基础上,通过网络建模和网络拓扑建立钢铁企业电网的整体模型,根据采集的电力SCADA数据对实时遥信遥测数据进行分析计算,实现对电网不良数据的检测、辨识和处理;采用调度员潮流分析、电网静态安全分析、灵敏度计算等软件对电网的运行状态进行研究。钢铁企业智能电力调度集成系统的主要作用是保障安全稳定运行、提高电能质量和实现经济运行[10],要实现这一目标就必须在电力二次系统一体化数据平台的基础上,对电力系统中的高级应用进行集成和扩展。为此,我们建立了电网分析、保护故障信息管理、电能量计量信息管理、稳定控制信息管理、综合智能调度、系统优化与控制6大高级功能模块,各应用功能之间采用面向服务架构(SOA) 方式进行封装,实现相互调用。由模型驱动引擎采用自动触发的模式将监视及控制中的电网模型发布到相应的高级应用数据库中,同时各高级应用模块通过数据总线获取电网中设备的实时数据和历史数据。智能信息引擎将高级应用的优化结果和决策信息以告警、人机界面、报表、曲线等方式提供给调度和运行人员,为实际操作和调度提供参考信息。在6大高级应用模块中,综合智能调度和系统优化与控制是实现钢铁企业电网智能调度与经济运行的关键。综合智能调度集成了负荷预测、安全调度约束、智能告警、智能操作票等调度业务,保证电网安全稳定运行;系统优化与控制将发电成本优化、自动发电控制、自动电压控制、最大需量控制等应用和技术融合起来,以节能降耗为优化目标,实现钢铁企业电力能源的经济运行与优化分配。
2.3.2 调度优化
由于钢铁企业电力系统具有负荷大、能耗高、生产连续性强的特点,无论是发电、输电环节,还是配电、用电环节都与钢铁各主工序的生产运行息息相关,因此,制定合理的发电、配电和供电计划,合理经济地分配电力能源是智能调度的重要组成部分[11]。根据殷瑞珏院士在《冶金流程工程学》中对流程网络的描述[12],我们采用基于流程网络的图模库一体化建模技术[13],建立钢铁企业电力能源流程网络模型。在该模型的基础上,通过对企业关口负荷的预测、自备电厂机组的优化分析、余热余能发电的分析以及各级各类负荷特性的分析,对各工序电力负荷进行预测,建立与钢铁企业电力系统相关的设备及工序的电力能源优化分析体系,最终生成自备电厂各机组的发电计划和各个主工序的供电调配方案,实现钢铁企业电力能源的预测分析及综合优化,其程序框架见图4。
基于流程网络的电力调度优化分析首先需要对各工序负荷及发电机组输出功率进行等值处理,然后建立包括钢铁企业发电、配电、用电等各设备模型的流程网络模型,各设备模型之间通过“连结器”连接,形成一个具备网络拓扑的整体模型。
在流程网络模型建立后,利用模型中各等值单位间的关系,进行主要工序负荷分类及负荷特性分析、企业自发电能力分析和主要工序负荷预测。然后,根据主要工序的分析和预测结果以及企业自发电能力分析结果,对企业未来一段时间内的关口负荷进行预测,检验是否满足平衡条件:如果不满足平衡条件则需要调整各工序的负荷预测结果;如果满足条件,则根据设定的优化时间段和步长建立以关口平衡和电力经济分配为目标的电力调度目标函数,考虑燃料计划约束(如外购发电煤约束、煤气供应量约束等)、外购电限额约束、蒸汽需求量约束等,进行电力能源的综合优化分析。 优化分析结果为各机组的发电计划及各工序用电负荷量,结合优化结果给出各工序用电调配方案,供调度人员参考。
3 结论
本文在建设钢铁企业电力二次系统一体化数据平台的基础上,实现了电力调度系统的SCADA数据、保护故障信息数据、电量计量数据等信息的共享和融合;通过对智能调度的数据流和业务需求的研究,对智能调度的层次结构进行了重新定义和设计,实现了电力调度中常规高级应用的集成;通过基于流程网络的电力调度优化的具体实施,建立了平衡调度模式,制定了合理的发电计划和电力能源分配方案,实现了智能调度和经济安全调度。
摘要：为适应钢铁企业电力智能调度的要求,根据电力二次系统一体化的设计理念,通过建立钢铁企业电力二次系统一体化数据平台,实现多种电力调度数据和信息的融合;并在此基础上开发了适合钢铁企业的电力采集、监控、调度和优化等应用分析软件,实现了二次系统各专业横向融合和全网信息的综合共享,逐步实现电网综合智能调度。
集成调度 篇5
关键词：ESB,SOA,指挥调度,系统集成
0引言
应急指挥调度系统的开发建设是国家应急综合处理平台建设的重要组成部分, 对军用、警用、民用指挥调度系统以及各自的支撑保障系统进行改造集成是开发建设的主要工作之一。由于原有系统各自独立设计开发, 在技术路线、编程语言、通信协议和信息格式等方面差异性较大, 实现异构系统的集成是必须面对的问题;同时, 不同的灾害、重大紧急事件对指挥调度的需求也各不相同, 造成应急调度的业务处理流程也不尽相同。现有的国内外应急指挥调度系统主要采用基于中间件的应用集成方案, 通过使用如CORBA、COM等消息中间件或自定义的通信交互协议进行分布式、跨平台的程序交互。随着最终集成的应用程序的增加, 应用程序之间的关联会变得非常复杂, 形成一个网状结构, 业务处理流程僵硬, 难以满足多样式应急通信调度的需要。另外, 这种集成方式使设计开发的工作量巨大, 维护升级费用大大提高, 软件的重用变得越来越困难。
本文针对现有应急指挥调度系统集成方法的不足, 提出了一种基于企业服务总线 (Enterprise Service Bus, ESB) 的支持柔性工作流程的应急指挥调度系统集成方案, 并以通信调度系统原型为例, 对系统集成架构、运行机理及相关技术进行了分析探讨。
1系统集成关键技术
1.1企业服务总线 (ESB)
ESB是由中间件技术实现并支持SOA的一组基础架构, 支持异构环境中的服务、消息以及基于事件的交互, 并且具有适当的服务级别和可管理性。简单地说, ESB就是一种可以提供可靠的、有保证的消息技术的最新方法, 是传统中间件技术与XML、Web服务等技术结合的产物。
从功能上看, ESB提供了事件驱动和文档导向的处理模式, 以及分布式的运行管理机制, 支持基于内容的路由和过滤, 具备了复杂数据的传输能力, 并可以提供一系列的标准接口。
从应用上看, ESB用来连接所有的内部系统和相关的外部系统, 是一个面向连接并提供消息、服务交互的平台。
如图1所示, ESB提供了面向服务体系架构的基础平台, 消除了服务提供者和服务请求者之间直接连接。这种连接使得二者之间的耦合关系进一步松散。
ESB改变了传统的软件架构, 可以提供比传统中间件产品更为廉价的解决方案, 同时还可以消除不同应用之间的技术差异, 让不同的应用服务器协调运作, 实现了不同服务之间的通信与整合。其主要技术特征如下:
① 面向服务:分布式的应用由可重用的服务组成。ESB通过与它连接的各种应用的服务级接口实现各种应用之间的连接, 控制它们之间的通信和交互。在ESB系统中, 被集成的对象被定义为服务, 而不是传统企业应用集成 (EAI) 中各种各样的中间件平台, 极大简化了在集成异构性上的设计开发工作;
② 面向消息:应用之间通过ESB发送和接收消息。ESB为消息传递提供容错处理和安全机制, ESB不仅仅提供消息的交互通道, 更重要的是为应用服务提供了智能化集成的基础构架。ESB将集成对象统一到服务, 消息在应用服务之间的传递时格式是标准的。ESB能够在底层支持现有的各种通信协议, 集成者对消息的处理可完全不考虑底层的传输细节, 而直接通过消息的标准格式进行;
③ 事件驱动:服务的触发通过异步消息的交互实现。请求方法送一个消息, 马上返回, 不用等待结果。对服务组件来说, 可以对异步消息做出响应, 既不用关心具体的调用协议, 也不用关心消息路由的细节, 只关心接收消息并处理消息。ESB通过引入事件驱动机制, 更加精确反映现实应用系统的异构性和通信交互的异步性。
1.2工作流技术
工作流是指全部或者部分由计算机支持或自动处理的业务过程。工作流管理系统是一个软件系统 (环境) , 完成工作流的定义和管理, 并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。目前传统的工作流管理系统仍然存在着许多不足, 表现在缺乏支持松散耦合的体系结构, 缺乏通用的通信框架和自组织能力, 工作流的执行过程中存在着资源冲突、模式僵化、用户被动的处理工作、分布式网络环境的异构性阻碍了任务进程的协调和互操作等问题。
基于策略的流程建模技术可初步解决面向任务的流程管理系统的柔性问题:它采用Ontology (是一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型工具) 构建领域知识, 使工作流系统保持内在的一致性和连贯性。该框架针对工作流执行过程中出现信息不足或者请求资源不可用等情况, 由系统捕捉工作流运行时环境、资源和用户三者的语义关系, 通过策略匹配为用户提供更多的备选方案, 保证工作流系统的执行, 达到柔性执行的目标。
2应急指挥调度系统集成框架
应急指挥调度系统的集成包括军用指挥管理系统、警用/公安指挥调度系统以及相应的指挥保障支撑系统等, 在应急指挥调度系统内部, 还包括对各专业指挥调度分系统的集成。按照面向服务的思想, 应用ESB集成的应急指挥调度系统总体框架如图2所示。
应急指挥调度系统集成框架主要构成如下:
① ESB:连接服务提供者和服务请求者, 完成通信、服务注册、服务交互、消息处理、格式转换、服务质量、安全处理和日志记录等功能;
② 服务提供者 (集成的异构应用系统) :发布各自的服务并在UDDI (Universal Description, Discovery and Integration) 中心注册, 发布的服务相互独立的连接在企业服务总线上, 由ESB进行管理;
③ 服务请求者 (各种调度管理应用) :通过与ESB交互, 发送服务请求到ESB的服务管理器, 统一由ESB向UDDI注册中心请求服务并组合构建相应的服务。
应急指挥调度系统总体构架的核心和中枢是ESB。它将各种指挥调度应用和资源统一集成起来, 并支持分布式异构环境中的服务、消息以及事件的交互, 提供粒度适中、松耦合的服务以供调用。该构架中, ESB应至少提供以下功能:
① 集成:为避免为每个应用系统开发各自的适配接口, 而以统一的方式与各系统通信, ESB主要通过Web服务和适配器等技术来实现系统之间的互连互通;
② 服务交互:作为服务请求者和服务提供者之间的中介, ESB提供标准接口与服务请求者和服务者相连接服务, 服务请求者和服务提供者仅需按照接口标准与ESB相连, 通过ESB进行交互, 而不需要与每个与之交互的系统相连, 如此解除了服务请求者和服务提供者的直接依赖关系;
③ 消息服务:服务提供者和服务请求者之间的通信以消息形式进行, 服务请求者请求服务, 并通过ESB创建请求消息, ESB充当服务提供者和消费者之间的传输媒介, 通过动态寻址和路由功能标识服务提供者并将请求以所需的格式向其发送, 服务提供者完成操作后, 以消息格式生成响应, 并将其返回给ESB, 由ESB将响应传输回服务请求者。除了支持上述模式外, ESB还支持发布/订阅、事件驱动等多种通信模式;
④ 动态路由:支持消息路由/寻址, 提供多种动态路由方式;
⑤ 消息转换:ESB支持HTTP、CORBA和IMS等多种通信协议, 允许服务提供者和服务请求者使用自己的协议和消息格式, 而由ESB负责处理不同的协议和不同的消息格式;
⑥ 服务事务管理:保证服务或是全部执行, 或是一点也不执行。如果一个服务请求引发多个服务的执行, 可以通过服务事务管理来协同多个服务的执行, 如果在处理过程中其中任何一个服务出现错误, 那么事务中的其余操作必须被回滚。
系统框架中, 为了满足应急系统对柔性业务处理能力的要求, 特别设计了流程服务、流程管理和流程建模模块。流程服务完成流程调度、流程驱动、流程终止和流程状态管理服务;流程管理完成流程监控及日志管理;流程建模提供了基于策略的业务流程建模环境和工具, 使开发或应用人员能够依据应急指挥保障的需要, 灵活方便地设定应急指挥调度的业务处理流程。
在ESB中引入了工作流流程化的概念, 将服务的功能和需要完成的业务分离开来。对于用户来说, 只需要关心流程中的一个服务即可, 无需再去关心流程执行的具体技术细节。一旦指挥调度业务发生变化, 只需要简单的修改流程定义, 就可以适应新的业务场景, 使集成系统具备高度的弹性与可扩展性。
3原型系统实现
在对面向服务体系架构和ESB集成框架的研究基础上, 实现了一个应急通信调度原型系统。该原型系统总体构架如图3所示。
应急通信调度原型系统中, 实现的主要应用功能为通信调度、通信情况综合、通信态势显示、通信情况处置和订阅分发管理等, 集成的遗留系统和提供的服务主要为通信资源管理、通信规划综合、有线通信规划、无线通信规划、网络安全管理、频谱管控和通信设备器材管理等。
原型系统中, 所有应用软件、遗留系统及提供的服务均通过适配接口接入ESB。
ESB实现的功能主要有:消息管理、传输管理、安全管理、系统管理、日志管理、状态监控和适配接口等。
消息管理:管理消息、消息池、消息数据库和消息日志;
传输管理:主要实现节点间的消息传输。它通过消息管理模块提供的读取和投递消息的接口, 读取及投递消息;通过安全管理模块提供的节点认证接口, 实现节点间的通信认证;
安全管理:节点认证、加密传输、应用程序认证、用户认证、文件路径保护等;
系统管理:为应用程序和管理配置工具提供管理和配置接口;
日志管理:记录ESB运行、消息传递和用户日志;
状态监控:对消息状态和系统运行状态的实施监控;
适配接口:为应用程序提供接入ESB的接口。
应急通信调度原型系统从系统层面构建了企业服务总线ESB, 实现了业务逻辑与数据流程的有效分离, 特别有利于通信调度业务功能的灵活扩展, 更好地发挥了多个专业系统的业务优势并加速信息交换和服务共享, 从而在更广、更深的层面上整合了国家通信资源, 为处置重大应急事件提供有效的通信保障。
4结束语
采用面向服务的思想, 利用ESB构建了具有柔性处理流程的应急指挥调度系统集成框架。通过ESB技术, 各个应用系统之间不需要去开发接口实现集成, 只需要通过ESB提供的标准接口将各自系统连接到ESB上, ESB将会通过标准接口提供和获取需要交互的信息, 通过消息路由将转换后的消息送到需要的应用系统。相关部门可以依据自身的需要独立的开发自己的应用系统, 不用去考虑对其他企业的影响。一些遗留的系统也可以封装成服务集成到ESB中, 实现数据和业务的集成, 是一种支持快速开发和升级改造的集成框架。
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集成调度 篇6
关键词：集控站,电网调度自动化,功能模块,综合控制
为了保证兰州超高压电网的安全运行及效率的提高,不仅要对原有应用软件、硬件提出改造要求,还要考虑电网性能指标的长期稳定,以及如何提高监控效率、信息资源长期有效性、软硬件的升级和易维护性、多系统数据交换、系统信息安全防护等方面的问题。因此,兰州超高压、输变电公司结合兰州超高压电网的实际情况,以二次系统的各项规程和技术标准为依据,坚持统筹规划、统一技术标准、统一技术体制的原则,实施了基于标准化平台的电网调度自动化集成系统(兰州超高压安宁集控站系统)的建设工作。
1 安宁集控站概况
安宁集控站系统建立在甘肃省电力调度系统和被控变电站之间,是对甘肃省内的新庄330 kV变电站、临洮330 kV变电站、洛大330 kV变电站和桃树村330 kV变电站4个少人值班变电站进行集中监视和管理的自动化系统并处在局部电网的层次上,对所辖变电站进行更高层次的综合控制和管理。除远程安全监控和数据采集(SCADA)功能外,能利用集中起来的各种细节信息,进行决策分析处理,擅长处理细节问题,是地区调度自动化系统的前级智能信息处理节点。
2 安宁集控站系统的体系结构
安宁集控站系统的典型结构包括硬件体系结构与软件体系结构两个方面。
2.1 硬件体系结构
硬件体系分布于安全区I、安全区Ⅱ和安全区Ⅱ。主系统位于安全区I,数据采集子系统位于安全区Ⅱ,Web子系统位于安全区Ⅲ。安全区I与安全区Ⅲ之间设置正向与反向专用物理隔离装置。安宁集控站系统的典型硬件结构示意图如图1所示。
1)局域网子系统。安宁集控站系统采用冗余的双交换式局域网结构,采用具备三层交换功能的企业级交换机,重要的服务器采用1 000 M速率接入,构成功能分布的开放系统。
2)商用数据库服务器。商用数据库服务器配置两台高档UNIX服务器,还配置磁盘阵列,数据库为ORACLE10g等。如果两台服务器不是共用同一份数据库实体,则安宁集控站系统自动保证两台服务器上数据库的内容一致性。
3) SCADA应用服务器。SCADA应用服务器配置一对高档UNIX服务器,支撑平台提供冗余服务器之间的高效切换。
4)工作站。工作站配置UNIX工作站,由于安宁集控站系统采用了客户机/服务器(C/S)结构,主要任务都在服务器上处理,所以工作站的配置相对低一些,与以往的分布式系统相比,可以带来较高的投入产出效益。
5)数据采集与通信子系统。数据采集与通信子系统是整个系统的数据来源与控制通道,其组成双局域网,包括数据采集通信服务器、串行通信设备、路由器等。双局域网既采用配置独立的工作组交换机;数据采集通信服务器配置两台高档UNIX服务器;串行通信设备包括通道板、切换装置、终端服务器。
6)安全Web子系统。按照国家电力调度通信中心关于二次安全防护的要求,将Web子系统与主系统相对独立。从系统安全的角度考虑,Web服务器使用了UNIX服务器。
7)在安全区I与安全区Ⅲ之间布置正向与反向专用物理隔离装置,正向隔离用于从内向外的通信,传送实时数据、历史数据及图形文件等;反向隔离用于从外向内的通信,传送计划值等。
2.2 软件体系结构
从系统运行的体系结构看,安宁集控站系统是由硬件层、操作系统层、支撑平台层和应用层共4个层次组成。其中,硬件层为HP各种硬件设备,操作系统层为HP-UX和Windows操作系统。系统中的支撑平台层在整个体系结构中处于核心地位。对支撑平台进行进一步的分析,又可将其归纳为集成总线层、数据总线层、公共服务层。集成总线层提供各公共服务元素、各应用系统以及第三方软件之间规范化的交互机制;数据总线层为它们提供适当的数据访问服务;公共服务层为各应用系统实现其应用功能并提供各种服务,比如图形界面、告警服务等。安宁集控站系统的软件体系结构如图2所示。
3 安宁集控站系统的功能模块特点
基于标准化平台的电网调度自动化安宁集控站系统在对IEC 61970标准进行充分研究的基础上设计了一个符合标准要求的系统集成框架和遵循标准的实时信息系统平台,所提供的系统管理、商用数据库、实时数据库、人机界面、权限、告警、多态支持、事件(CASE)管理等全面的服务可以单独或同时支持集控系统与公共信息平台等应用系统。系统在各应用设计上都针对以往的难点进行了技术攻关,前置数据采集、SCADA等子系统都在应用功能、软件性能、操作方便性等方面均有了大幅度的突破。
3.1 充分体现定制需求
系统在设计中充分考虑了兰州超高压330kV集控站的定制需求。经过充分考虑和综合设计,采取了多项技术措施来保证安宁集控站系统的适应性。
3.2 遵循IEC 61970标准的建模与集成技术
经过仔细的研究和深入的探讨,安宁集控站系统的设计完全遵循IEC 61970标准,具体表现在以下几个方面。
1)基于IEC 61970参考模型的组件化系统集成框架。安宁集控站系统的体系结构设计遵循了IEC 61970导则中的参考模型,全面采用组件技术,设计了基于公用对象请求代理体系结构(CORBA)的系统集成总线,有效地集成系统的平台与应用的各个组件。基于CORBA组件技术的系统集成框架图如图3所示。CORBA组件技术的引入既符合软件发展的趋势,也缩小了集控系统与IT技术发展之间的差距。
2)基于IEC 61970公共信息模型(CIM)的数据模型设计。安宁集控站系统的数据库模型是遵循IEC 61970 CIM而设计的,以IEC 61970CIM作为内标准来遵循,避免了内部表示与标准不同而导致的系统接口上的信息转换工作。这种方式对系统的标准化程序、第三方软件的兼容性或互通性都有很大的好处。如果第三方系统/软件能够基于IEC 61970标准实现,通过公共信息模型可扩展标记语言(CIM/XML)的方式,既可以交换电网模型的描述信息,也可以用于传送遥信、遥测数据断面。
3)基于IEC 61970 CIS的接口设计。安宁集控站系统的系统接口按照IEC 61970的营销管理系统(CIS)进行设计,在国家电力调度通信中心组织的互操作实验中所取得的领先成绩充分证明了安宁集控站系统CIS接口的标准化与规范化。由于安宁集控站系统提供标准的IEC 61970的组件接口,如果第三方软件也能够基于IEC 61970标准实现,采用组件技术并遵循CIM模型和CIS接口标准,则可以实现第三方软件的“即插即用”。
3.3 完善的跨平台/混合平台设计
安宁集控站系统的跨平台功能主要具有以下优点。
1)配置选型。可以将投资用于配置较高性能的UNIX服务器,工作站可以选择相对较低的配置,在投资紧张的情况下还可选择PC工作站。
2)扩容升级。当将来系统扩容、升级时,安宁集控站系统的用户不需要将所有服务器同时更换平台,可以选择将某些应用服务器更换而另一些保留不动,甚至可以将冗余服务器中的一半更换而另一半保留。
安宁集控站系统支持跨平台/混合平台功能,这打破了长期以来传统调度自动化集成系统对硬件的限制，不仅为系统的配置选型提供了选择的灵活性,而且为将来的系统扩充与硬件升级解除了后顾之忧。
3.4 多态支持与CASE管理
1)支撑平台对多态设计。安宁集控站系统支撑平台从一开始就设计成能够支持多态、多应用的多上下文支撑平台。
2)全景事故追忆(PDR)。当选择了PDR时间起点后,从SCADA应用服务器中调出符合当时网络结构的电网模型断面,并调出相应时刻的实时数据断面以重构当时的场景,在此基础上反演当时发生的事件序列,客户端图形界面调出当时的图形即可看到那一时刻的SCADA数据。
3) CASE管理。安宁集控站系统支撑平台提供了全景CASE功能,在CASE存储、管理、检索的基础上,实现了数据、模型、图形版本的自动匹配,支持各应用对历史断面的研究分析,很好地适应了电网快速发展变化的要求。
3.5 高可靠的冗余机制
高可靠、高性能的冗余技术是安宁集控站系统的一个重要特征。安宁集控站系统将基本的双机热备技术扩展到多机热备技术及冷备自启技术,大大提高了可靠性指标,在配置适当的情况下,只要系统还有一台服务器能正常运转,系统就能正常运转下去。
3.6 双网分流技术
通常的系统一般都采用类似于ALPHA的冗余网络接口阵列(NetRAIN)技术,其核心是双网卡备用,但在切换时一般需要十几秒的切换时间,在此期间无法进行正常的网络通信。安宁集控站系统的一个重要特色就是其创新的双网分流技术,同时利用两个网络进行数据传输,而不是利用一半、闲置一半。异常情况下则通过动态网络路径管理将两种网络流量合并,其中分两种情况:一是节点上单网卡故障,该节点上的两种网络流量合并到正常的那个网卡上,其余节点仍维持正常状态;二是单交换机故障,此时所有节点的两种网络流量都合并到正常的那个网络上。
3.7 商用库的故障隔离(“1+N”处理功能)
安宁集控站系统采用了“1+N”的处理功能,其主要目的是要做到两个方面:一是商用库的故障不影响实时数据正常刷新、实时控制正常进行;二是不丢失历史数据,待商用库正常后还能将故障期间的历史数据恢复。在商用数据库的使用上,安宁集控站系统不再是只支持主、备两个数据库,而是具备多个数据库的支持能力,且支持集群数据库与非集群数据库的混合使用。
3.8 友好的的界面设计
与传统的基于UNIX风格的界面相比,安宁集控站系统的界面更接近于Windows的界面风格,并且引入了在传统UNIX界面中没有或较难以实现的拖拽、在线帮助等技术,这些技术使安宁集控站系统变得更加简单易用,不需要频繁地查询使用手册,也不需要记住每个功能的操作步骤,一切操作都是以最自然、最易接受的方式展现在使用者的面前。
3.9 前置系统设计实现
前置系统主要由2台服务器、2台终端服务器及调制解调器等设备组成。前置系统是整个安宁集控站系统中的数据采集、数据通信与数据处理的中心,也是整个安宁集控站系统与外部进行实时数据及实时信息交换的桥梁。前置系统可以面向多种通道介质、多种通信方式、多种通信协议、多种数据采集单元和其他多种不同的自动化通信系统。
数据采集服务器连接至SCADA/商用数据库系统主干双网,同时还设计了两个独立的数据采集网段,使得系统中生数据和熟数据各行其道、互不干扰,大大增加系统的安全性,而且使得系统配置清晰、功能明确、容易维护。这是目前所能见到的前置系统的最佳配置模式。
3.10 SCADA功能实现
安宁集控站系统的设计中,平台所提供的公共服务都是为所有应用服务的,不是专为某个应用服务的,因此SCADA的概念也升级为面向网络(模型)的,可称为网络SCADA,能够具有更多的全自动的计算与分析功能。SCADA功能都由软件轻松地实现自动处理且不需要用户进行繁琐的数据定义,以下是几个典型功能。
1)拓扑着色。常规SCADA的处理方法对一些特殊的接线方式处理困难,在很多系统中存在部分设备无法着色的情况。安宁集控站系统的网络SCADA则可完善处理各种特殊接线方式,自动完成所有设备的动态拓扑着色。
2)旁路代。常规SCADA的处理方法有两个问题:①需要用户维护一些辅助信息,比如哪些开关是旁路开关等;②处理不了特殊的接线方式。在安宁集控站系统的SCADA中,由于有了网络模型处理,可以处理任何标准的或特殊的接线方式,旁路代可自动由软件完成,不需要用户进行任何定义。
3)平衡率计算。常规SCADA中平衡率需要用户通过定义公式进行计算,安宁集控站系统中可由软件自动完成,通过对于网络模型的分析,可自动找出所涉及的相关设备量测并进行计算,而不需要用户编辑公式。
4)防误闭锁。常规的方式下只能自动处理本间隔内的防误,复杂的防误就需要用户进行规则定义。安宁集控站系统的网络SCADA实现了基于拓扑分析的防误闭锁功能,不需要用户进行任何定义,软件本身通过拓扑分析即可处理站内、站外甚至复杂T接线等各种情况下的防误闭锁。比如T接线的多条线路中有任何一端接地,系统都会自动禁止送电操作,如果是通过规则来定义则是很容易因考虑不周而出错。
5) SCADA也能够得到利用先进的图模库一体化技术建立的网络模型提供的服务。
3.11多源数据处理技术
安宁集控站系统在多源数据的处理上进行了创新的设计,除了通常的按测点的多源数据处理方式外,还设计了避免了建立重复设备和测点的按厂站处理多源数据的方式。
4 安宁集控站系统智能操作票及安全防误的实现
安宁集控站系统支撑平台的智能操作票系统充分利用平台提供的各项功能以及服务,完全共享实时SCADA模型及图形,实现实时态和模拟态数据可靠隔离,保证了整个过程的安全、实时、可靠。集控站系统支撑平台的智能操作票系统功能结构图如图4所示,具体功能如下。
1)实现了基于网络拓扑的接线模型识别,开票规则的用户自定制,操作票的智能推理,业务表单的自由定制,多种开票方式的灵活切换,操作票生命周期的全过程管理。
2)采用彻底的图票一体化技术,即图中开票、票中执行,提高了操作票整个运转生命周期的可视性以及直观性。
3)严格的基于系统拓扑五防的校验机制以及完善的权限管理机制实现操作票拟票、审核、预发、执行、监护的人机联合把关,从而在最大限度上保障电网的安全稳定运行。
5 安宁集控站管理模式的优越性
原有的控制模式,是对单一变电站控制监视,信息采集单一,具有局限性,不能以全局的角度来处理问题。集中控制通过对多个变电站进行信息采集和设备管理,形成对区域电网的监视与控制,实现区域电网的信息汇总,可以更好的掌握全网运行方式。
1)通过采集到区域电网比较全面的信息,可以使运行管理人员从全局的角度对系统的安全性作出全面而准确的判断。
2)根据收集到的全网信息,为今后实现超高压电网运行状态的安全性分析、状态评估、负荷预测打下坚实基础。
3)提高设备运行管理水平和科技含量,实现了智能化、科学化管理。
4)实现减人增效,降低企业运行成本,提高生产效率。
5)通过运方集中控制,改变了原有的变电站设备就地操作模式,实现了对设备的远方操作,降低了操作成本,并且大大降低了原有模式下人员在就地进行设备操作的风险,提高了安全系数。
6)系统具有强大的数据处理功能,依托数据库系统,充分利用计算机和网络资源,实现完整的、高性能实时数据采集和监控,可以方便的对电网数据进行计算、报表统计,提高了运行管理水平。
7)通过集控管理,可以提高运行人员的技能水平和业务素质,提高了对人员的培训手段,拓宽了运行人员的知识面,使运行人员更加全面的了解所辖区域电网设备的状况,提高驾驭电网的能力,为超高压电网的发展奠定人才基础。
总之,通过采用计算机技术、通信和自动控制技术,实现对区域电网的集中控制模式,可以提高运行管理的水平,能够获得比较全面的电网信息,提高超高压电网的安全稳定运行水平。
6 结语
1)随着科学技术的不断发展,电网调度自动化集成技术在电网发展中的不断应用,少人及无人值班变电站的继续推广,集控管理的运行模式将更加普及,集控站在少人及无人值班变电站安全稳定运行中和设备管理方面将起到更加重要的作用。
2)安宁集控站系统是兰州超高压电网二次系统规划的重要组成部分,是超高压电网现代化水平的基础和重要标志,保证了超高压电网安全、经济运行,提高了超高压电网的科技含量和整体效益。通过建设和运行330 kV安宁集控站积累了经验,促进全省超高压电网集控站建设,最终实现变电站无人值班。
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集成调度 篇7
随着全球环境的不断恶化及主要工业国家碳减排计划的推进[1],可再生能源得到大力发展[2,3,4]。可再生能源的持续接入改变了电网的结构,使电网运行特性发生变化,传统的电网调度体系面临新的挑战。
长期以来,电网调度一直依赖多级协同的严密体系来保障电力的发用电平衡。通过电厂出力计划、负荷预测与各种自动化系统的实时协调配合来保障电网的安全稳定运行[5],当大量分布式可再生能源接入配电网后,受分布式电源出力不稳定影响,总体出力变得不稳定,使得电网局部潮流波动剧烈,直接影响到电能质量与供电可靠性,并且对继电保护、调度运行、检修、用电营销等各类业务产生不利影响,增加了调控难度与工作量,调度日常误操作风险不断加大。
误操作是电力生产过程中因操作不当所导致的危害电网、人身及设备安全的各类操作,后果严重。调度员在倒闸操作过程中很容易发生误操作事故,为了防止误操作事故发生,一般都通过调度防误系统来避免误操作事件发生。
调度防误系统在减少电网误操作、提前识别操作风险、避免电网操作事故等方面一直在发挥着重要作用。对于调度防误系统,国内已经有较多的研究[6,7,8],但现有的调度防误系统没有充分考虑分布式新能源持续接入的情况,安全校核与防误操作存在漏洞,具体表现在以下几个方面。
1)模型与数据完整性问题。现有的调度防误系统的拓扑模型、量测数据均来自于SCADA/EMS,忽略了光伏新能源模型与量测信息,模型与量测数据通常不参与潮流计算,不能真实地反映整个电网的实际情况。
2)遥控操作多层次安全校核能力缺失问题。现有的调度防误系统大多支持简单的拓扑防误校验、挂牌校验、操作票模拟等功能,但尚没有考虑新能源接入后存在的遥控操作所导致的倒送电、新能源孤岛运行、电压越限[9,10]等风险问题。
3)计算效率低下问题。电网的在线仿真模拟面临着稳定性和计算速度问题,电网遥控操作实际上涉及电网运行方式变化,利用离线仿真计算可以保证模拟操作更准确、计算结果更全面,但随之带来的是计算效率严重下降。
云计算的出现,为问题的解决提供了新思路。目前,电力系统对云计算的研究主要体现在利用云计算平台实现电力系统仿真计算、资源虚拟化与海量数据存储方面[11,12,13],涉及具体电力业务的研究较少,同时云计算平台本身的并行计算、虚拟化技术、安全性问题等方面的研究又很少涉及电网防误,因此,本文针对云计算环境下的调度防误系统展开研究,设计系统集成架构,讨论其关键技术,为系统开发提供理论支撑。
1 云计算平台
云计算是一种商业计算模型,它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和信息服务,云计算的本质是计算池[14]。
云计算是虚拟化技术[15]、大规模存储技术、大数据处理技术、并行计算技术相结合而形成的一种计算模式,它具有投资成本低、接入便捷、资源弹性伸缩等优点。在云计算中,硬件和软件都是资源,通过互联网以服务的方式提供给用户,对于企业,可以将需要的功能放在云中,由专业公司为其提供不同程度、不同类型的信息服务;云中的资源可以根据需要进行动态扩展和配置,满足业务扩展变化需要;云中的资源在物理上以分布式的共享方式存在,但在逻辑上以单一整体的形式呈现;对用户而言,云中的资源不需要专门管理,只需要按实际使用量付费。
从服务层次来看,云计算可分为基础设施层服务、平台层服务和应用层服务,云计算平台构成如图1所示。
1)基础设施层是云计算的物理基础,它包括服务器集群、存储集群及各类网络资源。基础设施层通过虚拟化技术对这些物理资源进行抽象,实现资源优化管理,为外部提供动态、灵活的基础设施层服务。
2)平台层是在基础设施层之上,利用并行计算框架与分布式文件系统存储技术,将分散的异构资源进行逻辑整合,对外提供统一的服务,主要包括应用容器、数据库和消息处理,平台层提供的服务面向的并不是普通的用户,而是软件开发人员,他们可以利用这些开放的服务来开发定制化的应用。除此之外,一些云平台厂商在平台层还提供了额外的安全服务功能。
3)应用层是云上应用软件的集合,应用是构建在基础设施层提供的资源和平台层提供的环境之上的,通过网络交付给用户。
2 调度防误系统集成架构
2.1 设计思想
1)经济性原则。系统设计时要综合考虑系统投资与运营成本,减少因新能源不断接入而带来的维护成本。采用云计算技术之后,分布式新能源信息采集通道可以直接利用互联网,不需要再专门架设专用物理通道,由于互联网的普及与带宽的提升,现有的互联网基本上能够满足各分布式新能源接入的需要,可节省架设专线的硬件投资与运维成本,总体投入小、效益高。
2)可靠性原则。系统要保证7×24 h稳定运行,要避免因硬件或软件故障而导致的数据丢失与业务中断。采用云计算之后,由于云计算中的分布式存储设计都有冗余备份机制和容错机制来保证数据读写的正确性,从而避免了因硬件故障而导致的业务中断的可能。另外,云计算平台提供的动态迁移技术可以保障应用系统在发生硬件故障时也能够平稳运行。
2.2 系统总体架构
调度防误系统并不是一个孤立的系统,系统正常运行也需要其他系统配合,特别是需要集成其他业务系统提供的数据与服务,需要集成架构来保证系统的数据与应用集成。调度防误系统集成架构如图2所示。
调度防误系统需要集成来自SCADA/EMS的模型与量测数据、分布式光伏监控系统的模型与量测数据以及其他业务系统提供的电网参数数据。
基于云计算平台的调度防误系统可以利用云平台的虚拟化与存储资源池优势,将各分布式电源产生的数据资源存储在云中,同时利用云计算的并行计算框架,完成多层次安全校核快速计算,通过混合云方式传送计算结果到内网的调度防误系统,调度防误系统通过各类内部集成总线完成计算数据的准备工作,并将其上传到云中,接收云计算平台传送过来的结果进行展示。
2.2.1 系统支撑层
系统支撑层为调度防误系统提供基础的数据支撑与服务支撑。调度防误系统需要从SCADA/EMS获取电网模型与量测数据以及五防逻辑;并且把防误约束透过隔离装置反馈至EMS中,使得任何遥控操作均需要经过调度防误系统校验,未经过校验的断路器处于闭锁状态,从而保证遥控操作的正确性。
调度防误系统在进行安全校核时还需要一些计算参数,这些计算参数有可能来自第三方系统,如运方的一些计算系统以及PMS生产管理系统,这些系统的数据均应该以总线的方式集成起来。
系统支撑层中分布式光伏监控系统有时需要通过互联网把量测数据传输到调度防误云计算层,这时需要专用的加密解密技术来完成数据的互联网传输。
2.2.2 集成总线层
调度防误系统通常位于安全Ⅲ区,考虑到采用总线方式进行企业内部数据与应用集成已经成为常态,对于调度防误系统而言,在进行数据集成时,建议采用IEC61970 CIS接口从SCADA系统或SCADA Web系统获取电网模型与量测数据,这种方式可以快速地获取到需要的数据;考虑大多数企业并不具备CORBA总线与CIS接口,也可以采用IEC61968消息方式透过正向物理隔离装置定期获取模型与量测数据,这种方式需要SCADA/EMS能够把电网模型与量测数据打包输出为IEC61968消息,由于消息封装、传输与解析需要一定的时间,通过消息方式来获取模型与量测数据常常具有一定的滞后性,时效性上不如IEC61970 CIS接口;如果企业既不具备CORBA总线,又无法通过消息总线从SCADA/EMS获取电网模型与量测数据,还可以采用文件方式,如采用XML传输电网模型,通过E文本来传输量测数据。具体采用何种方式,要根据企业信息集成的实际情况而定。
2.2.3 调控防误系统层
调控系统层是调度防误系统的主体,它本身承担着除计算任务外的调度防误的所有职能。调度防误系统具备智能化拟票功能,能够根据调度指令票自动生成操作票,具备流程防误功能,只有经过相关流程校验(多层次安全校验与五防校验)后才能执行对应的遥控操作。
调度防误系统层由于要与SCADA控制系统进行相互通信,并进行安全控制,为了有效避免误操作,任何遥控操作指令都必须经过开票、模拟预演、安全校核通过后,才能执行对应的遥控操作,有效防止调控席遥控操作选错设备。
调控系统层需要通过云消息适配器与云消息总线建立通信,完成部分计算参数、部分数据的上传及计算结果的下载,以及分布式能源量测数据的下载与展示工作。
2.2.4 云服务总线层
云服务总线主要用于实现跨系统、跨协议、跨企业的服务互通,用于实现企业内外部服务的统一管理和互动。云服务总线打通了企业内部服务与企业外部服务之间的通信障碍,在内外网服务之间架起了一座安全通信的桥梁。
云服务总线实现了服务之间跨协议的接入和转换,实现了服务的安全控制(黑白名单、访问鉴权)。它通常包括服务的统一组织管理与服务的运维监控2类功能。服务管理包括服务发布、授权、消费等;运维监控包括服务日志、实例、用户、角色配置等功能。
对于调度防误系统而言,采用云总线可以感知位于云中的潮流计算服务、风险计算服务、模数集成服务等内容,位于内网的调度防误系统可通过云服务总线直接调用这些服务。必要时,调度防误系统中的部分服务可以通过云服务总线被云中的服务调用。基于云服务总线的企业内外部服务交互如图3所示。
2.2.5 调度防误云计算层
调度防误云计算层包括2部分功能:一部分是支撑功能,用于完成计算前的准备工作;另一部分是计算功能,主要完成快速并行计算工作。支撑功能主要包含以下部分。
1)新能源数据采集。此部分是调度防误系统的关键组成部分,它主要通过电力物联网技术实现数据的快速采集,通过消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)通信协议完成量测数据的互联网传送,并采用分布式存储技术完成数据的安全可靠存储。与传统的分布式光伏监控系统相比,其投资少、运维成本低、建设周期短。
2)新能源节点管理。为了能够把分布式新能源所产生的量测数据快速采集上来,需要结合云平台厂商的具体技术对采集终端进行相关配置,如配置消息主题、客户端ID等内容,完成采集终端与云平台端的通信。
3)模数集成。在进行计算前,需要把新能源数据,特别是把新能源的有功与无功量测数据,与调度防误系统所提供的初始离线仿真数据有效拼接起来,生成拼接后的离线仿真模型。需要说明的是,调度防误系统在调用潮流计算服务之前,必须先向模数集成服务传送包含分布式新能源空节点的初始离线仿真文件。
4)策略配置。潮流计算、状态估计、风险计算时需要预先设置相应策略,如进行潮流计算时可以设置各种不同的潮流计算方法(如最优乘子法、极坐标牛顿拉夫逊法、直角坐标牛顿拉夫逊法、PQ快速分解法)容许的迭代次数,以及容许误差、机组无功出力限值计算方法等内容。
5)安全通信。安全通信主要解决云总线与各电力物联网终端以及云总线与企业内部服务之间的数据通信问题,安全通信时通过数据动态加密与解密算法来确保数据传输各个环节的安全性。安全通信主要对消息数据进行加密与解密,使得任何非法获取的数据具有不可识别性,从而保证数据在通信层面上的安全性。
计算层主要包含以下部分。
1)潮流计算。潮流计算主要解决开关开断以后的潮流变化情况,对于开断后潮流越限的设备,要先进行负荷转移工作。潮流计算本质上是求解一组由潮流方程描述的非线性代数方程组,目前潮流并行计算的方法很多,如动态异步并行算法、重叠分块牛顿法等,可以结合实际选用适当的并行算法。
2)风险计算。对于遥控操作计算风险指标,如电压越限风险、元件过载风险,结合国务院599号令,给出运行风险等级,提示调度员做好相关准备,避免因遥控操作而导致的电网风险。
3)状态估计。考虑到分布式新能源数据采集的偏差与传输过程中的各种影响因素(如篡改),应采用状态估计算法对不良量测数据进行辨识,排除不良数据对计算结果的影响。提供分布式电源各量测的测量值与状态估计值的比较功能,并给出量测值与状态估计值的偏差量、相对误差,以及是否合格、是否为不良数据等信息。
3 基于云计算的调度防误系统关键技术
3.1 基于MQTT的数据传输技术
分布式新能源服务主要通过电力物联网终端采集数据,电力物联网终端一般支持MQTT协议,可以通过互联网与云平台厂商提供的消息队列来完成消息快速传送,很多消息队列都支持MQTT协议,本身具有MQTT网关功能,能对MQTT协议与其他协议间进行转换,采用消息队列不仅可缩短开发工作量,而且在运行时能有效发现通信资源瓶颈,实现资源的负载均衡。
MQTT是一种轻量的、基于发布订阅模型的即时通信协议,该协议设计开放、简单,可一对多地进行消息分发,使用TCP/IP提供基础的网络连接,同时它提供了一种机制,使得客户在异常中断时能够使用last Will和Testament特性通知有关各方。
新能源数据采集服务通过消息队列与分布式能源的物联网终端建立通信关系,接收相关消息,对其解析后进行分布式存储。分布式能源物联网连接关系示意如图4所示。
以阿里云平台的MQ消息队列为例建立新能源采集应用与分布式能源物联网终端之间的流程。调度防误云计算层应用部署在阿里云弹性计算服务(Elastic Compute Service,ECS)服务器上。电力物联网终端通过消息方式通信过程如图5所示。
调度防误云计算应用首先在MQ消息队列上指定消息主题以及相关的生产者与消息者关系,所有物联网终端发送的消息均发送到该主题中,所有的调度防误云计算实例均从该主题中接收并消费消息。可以根据物联网终端发送的消息堆积情况来设置实例数量,确保所有发送的消息均能够被快速处理。
物联网终端在采集到数据后,把数据封装成消息,每个消息均包括Client ID,Client ID包括Product ID和Device ID,其中Device ID是唯一的,可以使用每个分布式电源的序列号,需要在初始化时设置。通过唯一的Product ID与主题建立起关系。
物联网终端作为生产者,通过MQTT协议向MQ发送消息,消费者(新能源数据采集应用实例)可以根据预设的消息接收方式从MQ获取指定主题的消息,从而完成一次通信过程。
3.2 基于Map Reduce的并行计算技术
调度防误系统的云端计算功能采用线性方程系统分解法[16]进行并行迭代,利用Map Reduce思想进行并行处理,将整个运算抽象成Map和Reduce两个步骤处理:Map步骤负责生成中间结果,其结束条件为每个解经过一定的迭代达到收敛精度;Reduce步骤则将所有中间结果进行合并,生成最终结果。通过Map Reduce并行计算可有效缩短计算时间。
3.3 基于哈希算法的动态密钥加解密技术
除采用状态估计算法对数据进行修正的安全技术外,还采用基于时间的动态密钥生成方法保障即使是相同的采集数据,随着时间的变化其加密后的数据报文也是不同的,增加了报文破解的难度。动态密钥算法固定在装置中,采集到数据后,在生成消息之前进行加密。
动态密钥采用哈希算法,物联网采集终端首先采用终端编码、PIN码以及时间作为初始消息进行摘要后简单加密,摘要采用单向的哈希算法,物联网采集终端把摘要值作为私钥对接下来固定时间段的消息进行加密,云平台接收方先把接收到的初始消息进行解密,对解密后的明文用同样的摘要算法进行摘要,并对接收的固定时间段内的加密消息用摘要值进行解密。初始消息与其他数据传输消息长度是不同的。
另外还可以采用更加安全的措施,即在终端定期通过其他方式接收密钥对采集数据进行加密。新能源数据采集服务不保存密钥,在解密时,从调度防误系统中接收密钥进行解密,从而保障数据传输过程的安全性。
4 结语
基于云计算的调度防误码系统集成架构解决了分布式新能源不断接入背景下的调度防误操作所面临的数据模型不完整、多层次安全校核能力缺失及计算效率低下等问题,可提升新时期电网调度防误技术水平,降低新能源接入数据采集的成本,提高电网公司经济效益与安全运营能力,对建设能源互联网有重要的促进作用。
本文所提出的调度防误系统双总线(内部总线与云总线)架构既能够充分利用企业现有的数据与应用资源,又能够提升云计算背景下的电网安全性,为新能源不断接入下的调度防误系统能力提升提供了参考方向。
摘要：新能源的不断接入使得电网误操作的风险增大。为解决调度防误系统中的分布式电源量测数据不完整、防误安全校核能力不足及计算效率低下等问题,文章提出了基于云计算的电网调度防误系统集成架构,设计了基于云总线与企业内部总线的多总线集成架构,利用云计算平台的分布式安全存储技术,通过电力物联网,采用专用加密解密技术,实现分布式能源数据的采集与互联网安全传输,在云端实现了部分数据的集成与安全校核的快速计算。该系统架构有效解决了新能源不断接入背景下的调控防误校核能力不足等问题,并且具有良好的可扩展性与适应性,降低了系统运维成本,具有较广阔的发展前景。