叶飞，李长军，厉启鹏，王恒，梅峥，李军良，朴林，马志斌
（1．国网电力科学研究院，北京 100192;
2．国网新疆电力调度控制中心，新疆乌鲁木齐 830002;
3．国家电网公司国家电力调度控制中心，北京100031）
摘要：传统的画面数据刷新方法多通过请求／响应方式获取画面数据。在大量画面刷新情况下，该方法导致人机画面对后台SCADA服务器进行大量集中式数据访问．从而出现画面刷新效率低、服务器负载过高等问题。提出了一种适用于大规模画面数据刷新的方法( massive picture data refresh，MPDR)，阐述了MPDR方法的工作原理及架构，并说明了该方法采用的画面消息模型、画面数据缓存、画面订阅管理等关键技术。MPDR方法已经成功应用在D5000系统，并部署于国家电力调度控制中心，目前运行情况良好。实践证明，MPDR方法能够较好满足大规模画而数据的刷新要求，从而保证电力SGADA系统的安全稳定运行。
关键词：大规模画面数据刷新：电力SCADA系统：订阅／发布：画面消息模型
0引言
随着我同电力技术的发展．电网规模不断扩大，电力SCADA系统对保证电力系统的安全稳定运行发挥了越来越重要的作用。人机显示系统(human machine interface, HMI)作为电力SCADA系统的重要组成部分，主要用于显示电网潮流、场站电气设备状态信息，为调度人员实时掌握电网运行状况、快速锁定故障位置提供重要的数据支撑。21世纪初，主流的HMI系统多采用B/S架构，通过浏览器展示电网潮流等实时数据。如文献[1]较早地提出将Web技术应用于SCADA系统，文献[2]提及的变电站在线监视系统采用请求／响应模型与Web服务器进行数据交互。随着监视设备规模的扩大．B/S架构由于需要实时刷新Web界面，逐渐暴露出其无法局部刷新、浪费网络带宽等不足。很多专家提出通过AJAX技术进行优化。画面刷新时先将请求提交AJAX引擎由其与后台进行数据交互。
AJAX技术的引入降低了画面的响应时间，并实现了画面局部刷新。然而其数据交互的本质仍是请求／响应模型，每次刷新都要发送请求。近年来随着电力SCADA系统监控规模进一步扩大．监控数据由几十万点变为几百万点，采用该模型应对海量画面数据的刷新导致后台服务器压力过大，而且刷新实时性难以保证。因此针对当前业务需求，本义提出了大规模画面数据刷新(massive picture data refresh, MPDR)方法。MPDR方法通过基于中间件的订阅／发布模式、画而消息模型、高效的数据缓存策略、数据变化监测机制等技术，保证了大规模画面刷新的高效性与准确性。本文第1节介绍了MPDR方法的技术架构。第2节阐述了MPDR方法涉及的关键技术．之后叙述了该方法的工程应用情况。最后进行总结并给出建议。
1大规模画面刷新工作原理及架构
1.1 消息中间件
消息中间件是一种巾间层软件，其通用的消息传输机制可以屏蔽不同平台和通信协议的异构性，简化不同应用之间的数据传输．为分布式系统间的信息交互提供高效、透明的通信服务。
消息中间件主要有点对点、消息队列、订阅／发布3种工作模式。由于订阅／发布模式具有简化应用程序配置、多维空间松耦合、组件更易重用等优势，事实上已经成为消息中间件的非正式标准。
1.2 MPDR工作原理
HMI系统画面显示信息涉及的电气设备有线路、母线、变压器、开关、换流器、电容器等。每个电气设备都有不同的属性，如母线的有功功率、无功功率，开关设备有开、合状态，线路有电流值、电压值等。HMI系统需要及时获取这些电力设备的实时运行状态，并在接线图上显示。
为保证大规模画面数据实时显示，同时减轻SCADA服务器访问压力．MPDR引入消息中间件技术保证HMI系统画面和SCADA服务器间安全、高效的数据交互。通过消息中间件的订阅／发布模型，HMI画面显示的电力参数不再由画面主动请求，而直接由SCADA服务器的画面刷新服务（简称刷新服务）将变化数据推送给画面。HMI系统和刷新服务交互的示意如图1所示，刷新服务通过消息通道可以将状态数据推送到各HMI画面。
画面数据刷新分为两阶段。第1阶段为画面全数据（所有数据）获取。画面向刷新服务发送全数据请求，刷新服务将画面名称与请求数据进行绑定并将数据放至画面数据缓冲区．消息推送模块将画面全数据发送给HMI画面。第2阶段是变化数据推送。刷新服务实时监测画面数据缓存，若缓存中的电气设备状态发生变化，则将其推送到订阅该数据的HMI画面。
1.3技术架构
为降低画面刷新各模块依赖性．同时使系统具备跨平台部署能力，画面数据刷新采用SOA架构思想，遵循“高内聚，低耦合”原则，逻辑上分为画面显示层、画面刷新层、数据源层，其巾画面显示层位于HMI系统．画面刷新层和数据源层位于后台SCADA服务器。HMI系统负责实时展示电力设备的运行状态。画面刷新服务负责管理设备状态数据，并实时监测设备状态变化以推送变化数据。数据源负责提供设备数据。
MPDR方法的技术架构如图2所示．HMI画面通过调用消息中间件的画面刷新客户端接口与刷新服务进行交互．刷新服务包含画面刷新客户端、消息接收模块、订阅队列、画面订阅管理模块、变化数据监测模块、画面数据缓存、消息推送模块等。消息接收模块负责接收客户端的画面订阅或取消订阅请求，并将其放入相应队列。画而订阅管理模块解析画面订阅及取消订阅请求，并维护画面订阅管理列表。画面订阅管理列表主要存储各工作站画面与设备数据的关联信息。数据变化监测模块按照特定策略实时监测监控的电气设备状态是否发生变化。如果有变化数据点，则将其更新到缓存中。消息推送模块负责实时将变化数据推送到画面刷新客户端。
1.4工作流程
MPDR方法执行顺序如图3所示。(I)HMI画面发送画面订阅请求；(2)接收模块将订阅消息发送给订阅管理模块；(3)、(4)订阅管理模块更新订阅表并将消息发送给数据缓存模块和消息推送模块；(5)数据变化检测模块实时监测缓存中的数据是否发生变化，并将变化的数据从实时数据库更新到面面数据缓存；(6)数据监测模块将更新缓存的消息发送给消息推送模块；(7)消息推送模块将数据推送到HMI画面数据请求。
2大规模画面刷新关键技术
MPDR方法将HMI画面与SCADA服务器的交互由请求／响应模式变为订阅／发布模式，以提高数据的传输效率同时降低SCADA服务器的负载，提升了电力SCADA系统的稳定性。该方法的实现需要重点研究和掌握画面消息模型、画面缓存策略、画面订阅管理、数据变化检测等关键技术。
2.1 画面消息模型
画面刷新客户端和画面刷新服务均以中间件消息的形式完成交互。画面消息(picture message，PMS)包括指令消息和数据消息2种类型。指令消息主要是客户端向后台程序发送的命令，如暂停数据推送、开始数据推送、终止订阅等。数据消息主要包括订阅请求消息和数据推送消息，例如画面全数据消息、单点变化消息、批量变化消息等。
PMS消息模型如图4所示，由消息头、附加头、消息主体3部分组成。消息头包含识别信息和路由信息，如消息发送方编号、接收方编号、消息优先级、消息长度、消息类型等。消息附加头是PMS提供的一种附加、可选的头域。附加头中的可选信息有消息标注、消息版本、消息处理类型等。消息主体则包含消息的实际传输数据。
消息主体包括发送的应用数据，包括4种类型的消息体：指令消息、画面订阅消息、批量数据推送消息、单点数据推送消息。其巾批量数据推送消息较大，一般在1—100 kB．目前消息主体的最大长度为512 kB。如果单个消息主体长度大于512 kB需要拆包发送。数据包的拆分及合并由应用程序自己负责。画面订阅消息用于订阅画面数据。批量数据推送消息用于存放刷新服务推送到客户端的批量数据。单点数据推送消息用于存储刷新服务推送到客户端的单点数据。指令类消息主要包括发送到目的方特定画面的变化数据，控制粒度可以到特定数据点。指令消息可以发送6类控制指令： CMD_SEND、CMD—PAUSE、CMD_SUBSCRIBE、 CMD_UNSUBSCRIBE、 CMD_PICCLEAR、CMD_RESEND等，详细说明如表1所示。
2.2 画面缓存策略
画面数据缓存用于暂存HMI画面的监控数据，缓存结构如图5所示，逻辑上分为画面索引区、画面引用区、画面数据区3部分。索引区存储各画而引用的地址，用于画面引用的快速检索。画面引用区存储各HMI画面显示的电气设备属性编号，通过该属性编号可以唯一确定数据点。画面数据区存储画面实际显示的数据，如图5的阴影部分所示．是实时库中热点访问数据在缓存中的副本。刷新服务接收到客户端订阅请求时，首先在索引区查找订阅的画面是否缓存。若未缓存该画面．则在引用区创建该画面引用，并将该画面引用的数据从实时数据库读入缓存数据区。若已经缓存．则直接将数据推送到客户端。如果接收到某画面数据点的添加或删除请求，刷新服务会通过画面索引在引用区找到给该画面引用，并将该数据点添加到引用区或在引用区删除。在创建画面引用时．如果引用区存储空间已经达到最大限度，则通过画面订阅表查找无效的画面引用，并将其删除。
数据变化监测模块会实时监测缓存的设备状态是否变化．并将变化数据从实时数据库刷新到缓存。若缓存存储区达到最大限度，则通过LRU算法释放数据区的内存空间。
2.3 画面订阅管理
画面订阅列表用于存储工作站与画面间的引用关系，由画面订阅管理模块维护。当刷新服务接收到客户端画面订阅请求时，其会将该T作站与画面的引用添加到订阅表中。若收到取消订阅请求，则将工作站和画面的引用关系在订阅表巾删除。如表2所示，工作站1和T作站2都订阅了画面1，工作站1同时订阅了画面1和画面2。
画面订阅管理模块每次维护画面订阅列表完毕会给数据变化监测模块和消息推送模块以及画面数据缓存模块发送通知消息。画面数据缓存模块会检查该画面是否已经缓存。如果未缓存，则创建画面引用．并将画面数据由实时数据库读人缓存中。之后数据变化监测模块会将该画面数据纳入变化监测范围。
2.4数据变化监测
为使调度人员通过HMI画面实时掌握电网运行状况快速确定电网故障．画面刷新服务必须实时将变化的电气设备状态数据推送到客户端。为此MPDR引入了数据变化监测机制，由数据变化监测模块按照一定的频率从实时数据库获取电气设备状态数据．并通过快速检测算法进行变化检测、更新，并发送消息通知消息推送模块，将该变化数据推送到客户端。
实时数据库存储的设备状态信息包括电气设备属性编号（与画面引用区中存储顺序一致）、时间戳序列号、状态值。数据采集服务在更新状态信时会根据时间戳更新时间戳序列号。快速检测算法具体为：开始由检测线程从实时数据库获取第1个设备的时间戳序列号。如果该时间戳序列号大于前一个检测周期的时间戳序列号，则该数据已经变化．将该设备的时间戳序列号更新为当前时间序列号。在缓存画面引用区查找到该电气设备属性编号，更新状态值，并用游标记录该属性编号位置，下一次由此位置向后查找即可。如果时间戳序列号和前一个检测周期的相同，则未发生变化．只需更新时间戳序号为当前时间序列号即可。如此，实时数据库设备状态扫描完毕即完成本周期的快速检测及缓存更新。
快速检测算法通过时间戳序列号及位置游标，仅扫描一次实时库及画面引用区即可完成变化数据的快速检测与更新，提高了检测效率，保证了变化数据的秒级检测。
3工程应用
MPDR方法已成功应用于智能电网调度控制系统（D5000系统），并且部署于国家电力调度控制中心，取得很好的效果。系统的SCADA服务器采用麒麟LINUX操作系统，CPU为英特尔E7320，8核，主频均为2.13 GHz;系统工作站采用Windows操作系统．CPU为英特尔E5-2609，双核，主频2.4 GHz。系统实时监控设备状态数据75万个数据点，其中遥测数据点40万个、遥信数据点35万个。系统当前监控画面约350幅，已经投入使用的工作站70台。
D5000系统运行时对其画面刷新情况、数据网络通信情况、画面刷新效率进行了统计。
(1)画面刷新方面：D5000系统运行过程中，画面刷新服务平均缓存监控画面160幅，关联设备状态数据点10万个。客户端方面有25个工作站，画面刷新客户端共打开监视画面1 200幅。其中85%以上的缓存画面被5个以上画面客户端订阅，最多单个缓存监控画面订阅的客户端达20个。
(2)画面刷新效率方面：主要对画面全数据刷新时间和单点变化数据响应时间进行统计。全数据刷新时间指从HMI画面发送订阅请求到HMI画面显示出所有画面监控数据所消耗的时间。全数据刷新时间包括往返时问、全数据显示时间、服务器进程时间3部分。单点变化数据响应时间指HMI画面中的某个监控数据点从检测出其发生变化到在画面上显示之间消耗的时间。其主要包括画面数检测时间、数据推送时间、画面显示时间。表3记录了在不同画面刷新规模的情况下某幅画面的全数据刷新时间和单点变化数据响应时间，其中TA表示全数据刷新时间、Ts表示单点变化数据响应时间。从表3可见在不同画面刷新规模下，数据刷新时间基本在1 s之内，单点变化数据的响应时间为毫秒级。
(3)数据通信网络负载方面：I由i面刷新服务与客户端之间的数据传输网络平均流量250 kB/s,峰值达600 kB/s。
上述现场应用情况表明．MPDR方法可以支持上千幅画面同时打开监控电网状态，保证面面全数据刷新时间在秒级．单点变化数据响应时间在毫秒级，完全可以满足工程应用的画面刷新需要。
4结语
本文在对当前电力SCADA系统画面刷新技术深入研究基础上．分析了当前电力SCADA系统采用的请求／响应模型在大规模数据刷新情况下存在的画面刷新效率低、服务器负荷高等不足，提出了一种适应智能电网发展、满足互联大电网“一体化”运行需要的大规模画面数据刷新方法。该方法通过订阅／发布模型进行海量画面监控数据的推送避免了客户端对电力SCADA服务器的集中访问，通过高效的画面数据缓存技术提高了数据刷新效率。从国家电力调度控制中心D5000系统的应用情况来看，画面刷新响应时间在毫秒级．MPDR方法能够较好地应对大规模画面数据刷新．满足了新一代电力SCADA画面数据刷新的需要。当然MPDR方法也有实现较复杂等不足之处．在后续文章中将继续讨论。
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