電網(wǎng)數(shù)據(jù)集成服務(wù)辦法

1、電網(wǎng)數(shù)據(jù)集成服務(wù)辦法     引言信息集成是智能電網(wǎng)信息建設(shè)的主要基礎(chǔ)工作和關(guān)鍵技術(shù)。智能電網(wǎng)是為了實現(xiàn)能源替代和兼容利用，它需要在開放的系統(tǒng)和共享信息模式的基礎(chǔ)上整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的運行和管理1。目前，同一個供電公司中往往并存著多個不同廠家生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，它們使用不同的計算機平臺，不同的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，這使得系統(tǒng)與系統(tǒng)之間不能很好地互聯(lián)。信息集成技術(shù)一直是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的研究熱點，其目標是建立統(tǒng)一的信息平臺，實現(xiàn)信息的暢通交換。常用的集成方法主要有：a.點對點集成需要應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)，只有少量系統(tǒng)在需要集成時可以快速實現(xiàn)；b.數(shù)據(jù)倉庫法利用數(shù)據(jù)倉庫

2、集成電力信息并實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘，同時提供決策支持，但是這種方式數(shù)據(jù)更新不頻繁，反映實時信息的能力不足；c.聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫間部分數(shù)據(jù)的共享，數(shù)據(jù)源都要添加彼此訪問的接口，所以需要編寫大量的接口程序，而且聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫方式只支持數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源的集成；d.中間件方式是目前使用較多的一種數(shù)據(jù)集成方法，它通過提供一個全局模式和對應(yīng)這個數(shù)據(jù)源的局部模式，集成來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，將查詢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個統(tǒng)一的規(guī)范格式。主流中間件技術(shù)標準有EJB、CORBA、COMDCOM、WebService方法。WebService作為一種新的分布式計算模式，具有跨平臺、語言獨立、松散耦合、協(xié)議標準等特點，可以構(gòu)造靈活健

3、壯的異構(gòu)信息集成系統(tǒng)。傳統(tǒng)的WebService中最基礎(chǔ)的SOAP協(xié)議采用基于遠程過程調(diào)用RPC的交互模型。該SOAP協(xié)議在安全性、復(fù)雜性、代理和緩存上存在不足。本文根據(jù)智能電網(wǎng)信息集成的特定要求，在分析已有集成方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了基于REST架構(gòu)風(fēng)格的WebService，實現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)集成。1IEC61970標準國際電工委員會（IEC）推出了IEC61970標準，又稱為EMS-API標準2-7，它定義了智能電網(wǎng)所需的系統(tǒng)模型，是智能電網(wǎng)信息一體化的基礎(chǔ)。1.1公共信息模型公共信息模型CIM（CommonInformationModel）4-5是IEC61970協(xié)議整體框架的基礎(chǔ)，它

4、是一種描述電力系統(tǒng)所有對象邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系的信息模型，定義了一種表達電力系統(tǒng)資源及其屬性和關(guān)系的統(tǒng)一語法和語義。CIM是一個抽象模型，采用UML描述類、屬性和關(guān)系。CIM給智能電網(wǎng)信息集成提供了一種通用模型，進而在接口層上實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享。CIM由包組成，包括Core、Topology、Wires、Outage、Protection、Meas、LoadModel、Generation和Domain共9個包。每個包都是一組類的集合，每個類包括類的屬性和與此類有關(guān)的類。在CIM中類之間有聚合、繼承和關(guān)聯(lián)3種關(guān)系。1.2組件接口規(guī)范組件接口規(guī)范CIS（ComponentInterfaceSpec

5、ifi-cation）6-7是在CIM基礎(chǔ)上定義的，規(guī)定組件為了能夠以一種標準的方式和其他組件交換信息或訪問公開數(shù)據(jù)而應(yīng)該實現(xiàn)的各種接口。由于CIS是基于獨立的基礎(chǔ)體系設(shè)計的，因此其必須映射到特定的技術(shù)才能得以實現(xiàn)。本文采用將CIS映射到REST架構(gòu)風(fēng)格的WebService技術(shù)。CIS分2個級別：級別1僅對接口做一般性描述，不涉及具體的計算機技術(shù)；級別2將CIS映射到CORBA和XML等具體的計算機技術(shù)?，F(xiàn)階段CIS大多處于準備階段，因此，要重點研究CIM，可以先自行研究CIS并保持關(guān)注和跟蹤2。2表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移REST8（RepresentationalStateTransf

6、er）是對當前Web體系結(jié)構(gòu)潛在設(shè)計原則的一種描述，也是其最成功要素的總結(jié)。表述性是指轉(zhuǎn)移給用戶的下一個頁面可能是常見的HTML格式的頁面，或者不是頁面而是獲得某些數(shù)據(jù)和服務(wù)。例如訪問某供電公司一座110kV變電站的3號變壓器狀態(tài)，可以使用邏輯URI：http：110zhuoxiantransformer3。返回給客戶的響應(yīng)是一個資源的物理表述，假設(shè)是transformer3.html，該頁面包含圖片和狀態(tài)信息，包括電壓、溫升、輸送功率等，還包括和該變壓器相關(guān)聯(lián)設(shè)備的鏈接，客戶選擇一個鏈接來決定下一步動作。REST把所有需訪問的事務(wù)視為資源，各資源通過一個URI來標識，通過簡潔通用的接口來操作

7、Web上的資源。REST系統(tǒng)的組件是自描述的，這樣客戶可根據(jù)這些自描述信息來維護自己的程序狀態(tài)5。2.1REST對比大Web服務(wù)的性能優(yōu)勢傳統(tǒng)的WebService稱為大Web服務(wù)9，它最基礎(chǔ)的SOAP協(xié)議采用的是基于RPC的交互模型，使用HTTP作為傳輸協(xié)議。從以下幾方面說明REST性能方面的優(yōu)勢。a.擴展性。大Web服務(wù)提供不同的接口，由于操作數(shù)量沒有限制，在Web這個開放、分布的環(huán)境中會產(chǎn)生接口復(fù)雜性問題，難以達到Web級的規(guī)模可伸縮性。REST提供統(tǒng)一的操作接口，使用HTTP作為應(yīng)用協(xié)議，它的無狀態(tài)性也使性能得到提高，降低了提升系統(tǒng)規(guī)模所需要的代價。b.耦合性。大Web服務(wù)交互的數(shù)據(jù)類

8、型包含在WSDL中，數(shù)據(jù)類型的改變將導(dǎo)致WSDL重新編譯，使客戶端和服務(wù)器間耦合度增加。REST中資源狀態(tài)都是通過表示來處理，只需在HTTP報頭中標明，極大降低了耦合度。c.交互性能。大Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)主要基于服務(wù)提供者、服務(wù)請求者和服務(wù)注冊中心，包含的技術(shù)是SOAP-WSDL-UDDI。服務(wù)提供者提供的服務(wù)用WSDL描述，再在服務(wù)注冊中心注冊，服務(wù)請求者將請求的服務(wù)封裝成SOAP文件并發(fā)送到注冊中心UDDI，通過UDDI注冊中心查找所需要的服務(wù)，獲取描述文檔WSDL，之后請求者根據(jù)得到的WSDL完成與服務(wù)提供者之間的服務(wù)綁定，得到返回結(jié)果。該方式效率低下，服務(wù)請求者只能先通過UDDI查找W

9、ebService，依照返回的WSDL文件依次調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)。UDDI中心只保存服務(wù)提供者登記時的基本信息，并不知道提供者所提供的服務(wù)的狀態(tài)，當服務(wù)請求者每次在調(diào)用復(fù)雜的WebService時，就需根據(jù)注冊中心UDDI發(fā)給用戶的WSDL文件反復(fù)進行SOAP信息交換，其中首先需獲得服務(wù)的狀態(tài)信息，然后根據(jù)狀態(tài)的返回值完成對相應(yīng)服務(wù)的調(diào)用，從而獲得結(jié)果。該調(diào)用過程的效率是相當?shù)偷?。REST建立在已經(jīng)廣泛使用的Web標準之上，不需要額外的附加標準。它直接使用HTTP協(xié)議，客戶端和服務(wù)器都免除了解析和封裝SOAP數(shù)據(jù)包的性能消耗，也降低了傳輸?shù)呢撦d。REST通過URI直接定位到所需要的資源，不必通過繁

10、冗的過程來獲得資源，因此，在效率上優(yōu)于大Web服務(wù)。其次，REST采用緩存來消除一些不必要的交互以提高性能。Amazon公司宣稱REST架構(gòu)風(fēng)格的WebService比基于SOAP的大Web服務(wù)快6倍10。由此說明，REST有效降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，它的性能和效率遠優(yōu)于大Web服務(wù)。2.2REST主要規(guī)范REST的主要規(guī)范包括客戶-服務(wù)器、無狀態(tài)、緩存、統(tǒng)一接口、分層系統(tǒng)和按需代碼。下面簡要介紹這些規(guī)范11。a.客戶-服務(wù)器：服務(wù)器提供服務(wù)，并監(jiān)聽對這些服務(wù)的請求。b.無狀態(tài)：從客戶端發(fā)到服務(wù)器的每個請求必須包含理解請求所必需的全部信息。c.緩存：為改善網(wǎng)絡(luò)效率，需添加緩存約束?？蛻舳司彺婵梢詾橐?/p>

11、后相同請求重用這個響應(yīng)的數(shù)據(jù)。d.統(tǒng)一接口：REST架構(gòu)風(fēng)格區(qū)別于其他基于網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)風(fēng)格的核心特征是，它強調(diào)組件之間要有一個統(tǒng)一的接口。該統(tǒng)一接口是指HTTP協(xié)議提供的標準動作，如GET、POST、DELETE、PUT、HEAD等。在安全性方面，HTTP提供的操作具有安全性和冪等性，GET和HEAD請求都是安全的，GET、HEAD、PUT和DELETE請求都是冪等的。e.分層系統(tǒng)：分層系統(tǒng)通過限制組件的行為，將架構(gòu)分解為若干等級的層。使用層來封裝遺留的服務(wù)，使新的服務(wù)免受遺留客戶端的影響。f.按需代碼：REST允許對客戶端的功能進行擴展，通過減少必須被預(yù)先實現(xiàn)的功能的數(shù)目，簡化了客戶端的開發(fā)。

12、但這也降低了可見性。2.3REST面向資源架構(gòu)面向資源架構(gòu)ROA（Resource-OrientedArchi-tecture）12-13也稱作REST式WebService的架構(gòu)，ROA是一種把實際問題轉(zhuǎn)換成REST式WebService的方法。ROA包含了4個概念：資源、資源的名稱、資源的表示和資源間的鏈接。a.資源：對信息的抽象。任何事物只要具有被引用的必要，就是一個資源。b.資源的名稱：資源的名稱就是URI。一個資源必須至少有一個URI且可以有一個或多個URI，而一個URI只能指示一個資源。c.資源的表示：表示是關(guān)于資源當前狀態(tài)的一些數(shù)據(jù)。資源的表示可以是HTML、XML或者圖片。有個

13、概念稱為內(nèi)容協(xié)商，客戶端在請求此URI時，會在HTTP請求里提供一個專門的報頭，用于告知服務(wù)器客戶端需要的是哪種表示。d.資源間的鏈接：RESTful服務(wù)不僅包含數(shù)據(jù)，還包含指向其他資源的鏈接?？蛻舳说膽?yīng)用狀態(tài)在服務(wù)器提供的鏈接指引下發(fā)生變遷。3基于REST和IEC61970的數(shù)據(jù)集成方案REST式的WebService技術(shù)具有編程語言和平臺無關(guān)性，將接口按照IEC61970進行規(guī)范，其與外界的通信僅為透明的接口，應(yīng)用的實現(xiàn)如同積木一樣搭建起來，實現(xiàn)即插即用。圖1描述了整個系統(tǒng)的總體方案。完全采用CIM進行開發(fā)的新應(yīng)用可直接作為組件接入系統(tǒng)，而遺留系統(tǒng)可通過包裝器進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，在外部封裝符

14、合CIS的接口后接入系統(tǒng)。需要說明的是，REST不僅把HTTP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，而且也將其作為直接進行數(shù)據(jù)處理的工具，使用HTTP協(xié)議提供的標準動作完成相應(yīng)操作，它充分利用了HTTP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)能力。電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)通常采用TCPIP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，多線程技術(shù)的使用加快了上下層通信速度，RESTful的WebService實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)訪問接口（HSDA）和時序數(shù)據(jù)訪問接口（TSDA）完全能夠滿足實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成和靜態(tài)數(shù)據(jù)集成要求。3.1系統(tǒng)集成模型文獻15提出一種中介器包裝器的數(shù)據(jù)集成模型。該模型主要由中介器和包裝器兩部分組成。用戶通過全局數(shù)據(jù)模式向中介器發(fā)出查詢請求，中介器將其

15、轉(zhuǎn)換成各個數(shù)據(jù)源子查詢并發(fā)送給包裝器，包裝器從數(shù)據(jù)源中抽取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為全局模式規(guī)定的數(shù)據(jù)格式并返回給中介器，中介器集成各個包裝器發(fā)送過來的查詢結(jié)果再傳遞給用戶16。該模型沒有利用IEC61970標準里的CIM和CIS。本文對該模型進行了改進，添加符合CIM的全局數(shù)據(jù)庫，使新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)能夠按照標準的方式進行信息交互。信息交互接口采用REST。圖2描述了符合CIM的數(shù)據(jù)集成模型，該模型主要包括CIM全局數(shù)據(jù)庫和中介器。a.CIM全局數(shù)據(jù)庫：完全按照CIM建立的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用程序可以直接對全局數(shù)據(jù)庫進行操作。異構(gòu)系統(tǒng)操作需要按照全局數(shù)據(jù)庫來映射局部數(shù)據(jù)庫，其中包含全局模式和局部模式映射表，操作時根據(jù)

16、映射表來完成對局部數(shù)據(jù)庫的操作。b.中介器：根據(jù)全局數(shù)據(jù)庫中的映射規(guī)則，將全局操作分解成子操作；完成所有子操作后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式并存入全局數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的執(zhí)行流程為：系統(tǒng)以全局模式向CIM全局數(shù)據(jù)庫發(fā)出查詢請求，如果全局數(shù)據(jù)庫包含符合要求的數(shù)據(jù)，直接返回給系統(tǒng)；如果不包含或者數(shù)據(jù)不完整，查詢?nèi)謹?shù)據(jù)庫中的模式映射表，由中介器將全局查詢分解成局部查詢并發(fā)送給數(shù)據(jù)源。查詢后的數(shù)據(jù)返回給中介器，按照模式映射表，將異構(gòu)數(shù)據(jù)按照規(guī)則轉(zhuǎn)換為符合CIM的數(shù)據(jù)格式存入全局數(shù)據(jù)庫，并返回給應(yīng)用系統(tǒng)。這里中介器可以是一個服務(wù)器，它負責(zé)REST式的WebService，即分配URI。根據(jù)上面的分析，可以將基于RE

17、ST架構(gòu)風(fēng)格的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方案用式（1）所示五元組表示：I=，R，U，O，T，M，（1）其中，I代表集成系統(tǒng)；R代表數(shù)據(jù)源中可以被使用的資源集合；U代表資源命名URI；O代表對資源的操作，操作都是HTTP動作，具有統(tǒng)一接口；T代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移；M代表全局數(shù)據(jù)模式到局部數(shù)據(jù)模式的映射。在全局數(shù)據(jù)庫中定義2個關(guān)系表來存儲映射關(guān)系，一個表存儲全局模式的各屬性和局部模式各屬性的對應(yīng)關(guān)系，另一個表存儲與全局模式關(guān)聯(lián)的局部模式集成方式，主要包括垂直疊加、左連接和右連接15。例如，在電力系統(tǒng)中，全局數(shù)據(jù)庫中的2個變壓器模型需要局部數(shù)據(jù)庫中某個變電站的2臺變壓器數(shù)據(jù)，可用如下形式化語言描述。全局數(shù)據(jù)庫G（T1，T

18、2），該元組對應(yīng)局部數(shù)據(jù)庫中L1（S1，t1）和L2（S1，t2），S1代表某變電站，是關(guān)聯(lián)字段。T、t代表變壓器，T1對應(yīng)t1，T2對應(yīng)t2。可以用式（2）來表示映射關(guān)系。G（T1，T2）：L1（S1，t1）&L2（S1，t2）（2）其中，&表示一種連接關(guān)系?；谝陨衔逶M，由式（2）定義的映射關(guān)系，可以確定以下算法。a.接收某一個全局數(shù)據(jù)查詢請求Rg，按照模式映射表提取Rg對應(yīng)的局部數(shù)據(jù)庫LDi（i=1，2，n），按照模式映射表建立連接。b.按照全局請求Rg的所有屬性，查詢對應(yīng)的局部數(shù)據(jù)庫LDi的屬性，轉(zhuǎn)化為對LDi的子查詢，分別建立sql語句，可以用式（3）表示：Rg=s

19、ql1&sql2&sql3&sql4&（3）c.如果全局請求Rg對應(yīng)LDi中的多個數(shù)據(jù)模式，那么查詢模式映射表中的鏈接關(guān)系，在子查詢請求中建立模式間的鏈接關(guān)系。d.中介器發(fā)送HTTP請求，分發(fā)URI，轉(zhuǎn)化為對局部數(shù)據(jù)源的操作。3.2中介器設(shè)計中介器將全局操作按照模式映射表分解為局部操作，然后根據(jù)URI來定位局部數(shù)據(jù)庫并完成局部操作，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準數(shù)據(jù)格式。本方案用REST來構(gòu)建中介器。根據(jù)REST的設(shè)計原則14，主要分為以下步驟：數(shù)據(jù)集的規(guī)劃，資源的確定，資源的命名，資源操作的接口，客戶端的表示，服務(wù)端的表示，資源間的連通，錯誤情況，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。a.數(shù)據(jù)集的

20、規(guī)劃。數(shù)據(jù)集是服務(wù)將要暴露.4算例分析變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是變化電壓等級和匯集配送電能，主要包括變壓器、母線、線路開關(guān)設(shè)備、電力系統(tǒng)安全和控制設(shè)備13。變電站綜合自動化需要信息共享，但是由于供電公司采取不同的系統(tǒng)、不同的數(shù)據(jù)庫來存儲這些重要數(shù)據(jù)，同級別供電公司不能彼此訪問，省公司系統(tǒng)也不能訪問子公司系統(tǒng)。為了說明本文所提方案的可行性，筆者以某供電公司變電站管理為例開發(fā)了基于IEC61970和REST的數(shù)據(jù)集成仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用Eclipse開發(fā)環(huán)境，采用Oracle數(shù)據(jù)庫為全局數(shù)據(jù)庫，采用支持REST架構(gòu)風(fēng)格的Restlet編寫中介器，用以實現(xiàn)BS模式下REST架構(gòu)風(fēng)格的WebService。中介器和全局數(shù)據(jù)庫放置在服務(wù)器中，用以完成客戶端和各個變電站的信息交互。變電站數(shù)據(jù)集成體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。新系統(tǒng)可以直接與客戶端交