电网数据集成服务办法

引言

信息集成是智能电网信息建设的主要基础工作和关键技术。智能电网是为了实现能源替代和兼容利用，它需要在开放的系统和共享信息模式的基础上整合系统中的数据，优化电网的运行和管理［1］。目前，同一个供电公司中往往并存着多个不同厂家生产的应用系统，它们使用不同的计算机平台，不同的数据库技术，这使得系统与系统之间不能很好地互联。信息集成技术一直是数据库领域的研究热点，其目标是建立统一的信息平台，实现信息的畅通交换。常用的集成方法主要有：a.点对点集成需要应用系统调用函数实现，只有少量系统在需要集成时可以快速实现；b.数据仓库法利用数据仓库集成电力信息并实现数据挖掘，同时提供决策支持，但是这种方式数据更新不频繁，反映实时信息的能力不足；c.联邦数据库目的是实现数据库间部分数据的共享，数据源都要添加彼此访问的接口，所以需要编写大量的接口程序，而且联邦数据库方式只支持数据库数据源的集成；d.中间件方式是目前使用较多的一种数据集成方法，它通过提供一个全局模式和对应这个数据源的局部模式，集成来自不同数据源的数据，将查询数据转换成一个统一的规范格式。主流中间件技术标准有EJB、CORBA、COM／DCOM、WebService方法。WebService作为一种新的分布式计算模式，具有跨平台、语言独立、松散耦合、协议标准等特点，可以构造灵活健壮的异构信息集成系统。传统的WebService中最基础的SOAP协议采用基于远程过程调用RPC的交互模型。该SOAP协议在安全性、复杂性、和缓存上存在不足。本文根据智能电网信息集成的特定要求，在分析已有集成方法优缺点的基础上，提出了基于REST架构风格的WebService，实现智能电网数据集成。

1IEC61970标准

国际电工委员会（IEC）推出了IEC61970标准，又称为EMS-API标准［2-7］，它定义了智能电网所需的系统模型，是智能电网信息一体化的基础。

1.1公共信息模型公共信息模型CIM（CommonInformationModel）［4-5］是IEC61970协议整体框架的基础，它是一种描述电力系统所有对象逻辑结构和关系的信息模型，定义了一种表达电力系统资源及其属性和关系的统一语法和语义。CIM是一个抽象模型，采用UML描述类、属性和关系。CIM给智能电网信息集成提供了一种通用模型，进而在接口层上实现数据交换和数据共享。CIM由包组成，包括Core、Topology、Wires、Outage、Protection、Meas、LoadModel、Generation和Domain共9个包。每个包都是一组类的集合，每个类包括类的属性和与此类有关的类。在CIM中类之间有聚合、继承和关联3种关系。

1.2组件接口规范组件接口规范CIS（ComponentInterfaceSpecifi-cation）［6-7］是在CIM基础上定义的，规定组件为了能够以一种标准的方式和其他组件交换信息或访问公开数据而应该实现的各种接口。由于CIS是基于独立的基础体系设计的，因此其必须映射到特定的技术才能得以实现。本文采用将CIS映射到REST架构风格的WebService技术。CIS分2个级别：级别1仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术；级别2将CIS映射到CORBA和XML等具体的计算机技术。现阶段CIS大多处于准备阶段，因此，要重点研究CIM，可以先自行研究CIS并保持关注和跟踪［2］。

2表述性状态转移

表述性状态转移REST［8］（RepresentationalStateTransfer）是对当前Web体系结构潜在设计原则的一种描述，也是其最成功要素的总结。表述性是指转移给用户的下一个页面可能是常见的HTML格式的页面，或者不是页面而是获得某些数据和服务。例如访问某供电公司一座110kV变电站的3号变压器状态，可以使用逻辑URI：，该页面包含图片和状态信息，包括电压、温升、输送功率等，还包括和该变压器相关联设备的链接，客户选择一个链接来决定下一步动作。REST把所有需访问的事务视为资源，各资源通过一个URI来标识，通过简洁通用的接口来操作Web上的资源。REST系统的组件是自描述的，这样客户可根据这些自描述信息来维护自己的程序状态［5］。

2.1REST对比大Web服务的性能优势传统的WebService称为大Web服务［9］，它最基础的SOAP协议采用的是基于RPC的交互模型，使用HTTP作为传输协议。从以下几方面说明REST性能方面的优势。a.扩展性。大Web服务提供不同的接口，由于操作数量没有限制，在Web这个开放、分布的环境中会产生接口复杂性问题，难以达到Web级的规模可伸缩性。REST提供统一的操作接口，使用HTTP作为应用协议，它的无状态性也使性能得到提高，降低了提升系统规模所需要的代价。b.耦合性。大Web服务交互的数据类型包含在WSDL中，数据类型的改变将导致WSDL重新编译，使客户端和服务器间耦合度增加。REST中资源状态都是通过表示来处理，只需在HTTP报头中标明，极大降低了耦合度。c.交互性能。大Web服务体系结构主要基于服务提供者、服务请求者和服务注册中心，包含的技术是SOAP-WSDL-UDDI。服务提供者提供的服务用WSDL描述，再在服务注册中心注册，服务请求者将请求的服务封装成SOAP文件并发送到注册中心UDDI，通过UDDI注册中心查找所需要的服务，获取描述文档WSDL，之后请求者根据得到的WSDL完成与服务提供者之间的服务绑定，得到返回结果。该方式效率低下，服务请求者只能先通过UDDI查找WebService，依照返回的WSDL文件依次调用相应的服务。UDDI中心只保存服务提供者登记时的基本信息，并不知道提供者所提供的服务的状态，当服务请求者每次在调用复杂的WebService时，就需根据注册中心UDDI发给用户的WSDL文件反复进行SOAP信息交换，其中首先需获得服务的状态信息，然后根据状态的返回值完成对相应服务的调用，从而获得结果。该调用过程的效率是相当低的。REST建立在已经广泛使用的Web标准之上，不需要额外的附加标准。它直接使用HTTP协议，客户端和服务器都免除了解析和封装SOAP数据包的性能消耗，也降低了传输的负载。REST通过URI直接定位到所需要的资源，不必通过繁冗的过程来获得资源，因此，在效率上优于大Web服务。其次，REST采用缓存来消除一些不必要的交互以提高性能。Amazon公司宣称REST架构风格的WebService比基于SOAP的大Web服务快6倍［10］。由此说明，REST有效降低了系统复杂度，它的性能和效率远优于大Web服务。

2.2REST主要规范REST的主要规范包括客户-服务器、无状态、缓存、统一接口、分层系统和按需代码。下面简要介绍这些规范［11］。a.客户-服务器：服务器提供服务，并监听对这些服务的请求。b.无状态：从客户端发到服务器的每个请求必须包含理解请求所必需的全部信息。c.缓存：为改善网络效率，需添加缓存约束。客户端缓存可以为以后相同请求重用这个响应的数据。d.统一接口：REST架构风格区别于其他基于网络的架构风格的核心特征是，它强调组件之间要有一个统一的接口。该统一接口是指HTTP协议提供的标准动作，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幂等性，GET和HEAD请求都是安全的，GET、HEAD、PUT和DELETE请求都是幂等的。e.分层系统：分层系统通过限制组件的行为，将架构分解为若干等级的层。使用层来封装遗留的服务，使新的服务免受遗留客户端的影响。f.按需代码：REST允许对客户端的功能进行扩展，通过减少必须被预先实现的功能的数目，简化了客户端的开发。但这也降低了可见性。

2.3REST面向资源架构面向资源架构ROA（Resource-OrientedArchi-tecture）［12-13］也称作REST式WebService的架构，ROA是一种把实际问题转换成REST式WebService的方法。ROA包含了4个概念：资源、资源的名称、资源的表示和资源间的链接。a.资源：对信息的抽象。任何事物只要具有被引用的必要，就是一个资源。b.资源的名称：资源的名称就是URI。一个资源必须至少有一个URI且可以有一个或多个URI，而一个URI只能指示一个资源。c.资源的表示：表示是关于资源当前状态的一些数据。资源的表示可以是HTML、XML或者图片。有个概念称为内容协商，客户端在请求此URI时，会在HTTP请求里提供一个专门的报头，用于告知服务器客户端需要的是哪种表示。d.资源间的链接：RESTful服务不仅包含数据，还包含指向其他资源的链接。客户端的应用状态在服务器提供的链接指引下发生变迁。

3基于REST和IEC61970的数据集成方案

REST式的WebService技术具有编程语言和平台无关性，将接口按照IEC61970进行规范，其与外界的通信仅为透明的接口，应用的实现如同积木一样搭建起来，实现即插即用。图1描述了整个系统的总体方案。完全采用CIM进行开发的新应用可直接作为组件接入系统，而遗留系统可通过包装器进行数据格式转换，在外部封装符合CIS的接口后接入系统。需要说明的是，REST不仅把HTTP作为数据传输协议，而且也将其作为直接进行数据处理的工具，使用HTTP协议提供的标准动作完成相应操作，它充分利用了HTTP技术的网络能力。电力系统通信网络通常采用TCP／IP协议栈作为网络层和传输层协议，多线程技术的使用加快了上下层通信速度，RESTful的WebService实现的高速数据访问接口（HSDA）和时序数据访问接口（TSDA）完全能够满足实时系统数据集成和静态数据集成要求。

3.1系统集成模型文献［15］提出一种中介器／包装器的数据集成模型。该模型主要由中介器和包装器两部分组成。用户通过全局数据模式向中介器发出查询请求，中介器将其转换成各个数据源子查询并发送给包装器，包装器从数据源中抽取数据，转换为全局模式规定的数据格式并返回给中介器，中介器集成各个包装器发送过来的查询结果再传递给用户［16］。该模型没有利用IEC61970标准里的CIM和CIS。本文对该模型进行了改进，添加符合CIM的全局数据库，使新系统和旧系统能够按照标准的方式进行信息交互。信息交互接口采用REST。图2描述了符合CIM的数据集成模型，该模型主要包括CIM全局数据库和中介器。a.CIM全局数据库：完全按照CIM建立的数据库，应用程序可以直接对全局数据库进行操作。异构系统操作需要按照全局数据库来映射局部数据库，其中包含全局模式和局部模式映射表，操作时根据映射表来完成对局部数据库的操作。b.中介器：根据全局数据库中的映射规则，将全局操作分解成子操作；完成所有子操作后将数据转换为标准格式并存入全局数据库。系统的执行流程为：系统以全局模式向CIM全局数据库发出查询请求，如果全局数据库包含符合要求的数据，直接返回给系统；如果不包含或者数据不完整，查询全局数据库中的模式映射表，由中介器将全局查询分解成局部查询并发送给数据源。查询后的数据返回给中介器，按照模式映射表，将异构数据按照规则转换为符合CIM的数据格式存入全局数据库，并返回给应用系统。这里中介器可以是一个服务器，它负责REST式的WebService，即分配URI。根据上面的分析，可以将基于REST架构风格的异构数据集成方案用式（1）所示五元组表示：I=，R，U，O，T，M，（1）其中，I代表集成系统；R代表数据源中可以被使用的资源集合；U代表资源命名URI；O代表对资源的操作，操作都是HTTP动作，具有统一接口；T代表状态转移；M代表全局数据模式到局部数据模式的映射。在全局数据库中定义2个关系表来存储映射关系，一个表存储全局模式的各属性和局部模式各属性的对应关系，另一个表存储与全局模式关联的局部模式集成方式，主要包括垂直叠加、左连接和右连接［15］。例如，在电力系统中，全局数据库中的2个变压器模型需要局部数据库中某个变电站的2台变压器数据，可用如下形式化语言描述。全局数据库G（T1，T2），该元组对应局部数据库中L1（S1，t1）和L2（S1，t2），S1代表某变电站，是关联字段。T、t代表变压器，T1对应t1，T2对应t2。可以用式（2）来表示映射关系。G（T1，T2）：L1（S1，t1）&L2（S1，t2）（2）其中，&表示一种连接关系。基于以上五元组，由式（2）定义的映射关系，可以确定以下算法。a.接收某一个全局数据查询请求Rg，按照模式映射表提取Rg对应的局部数据库LDi（i=1，2，…，n），按照模式映射表建立连接。b.按照全局请求Rg的所有属性，查询对应的局部数据库LDi的属性，转化为对LDi的子查询，分别建立sql语句，可以用式（3）表示：Rg=sql1&sql2&sql3&sql4&…（3）c.如果全局请求Rg对应LDi中的多个数据模式，那么查询模式映射表中的链接关系，在子查询请求中建立模式间的链接关系。d.中介器发送HTTP请求，分发URI，转化为对局部数据源的操作。

3.2中介器设计中介器将全局操作按照模式映射表分解为局部操作，然后根据URI来定位局部数据库并完成局部操作，并且将数据转换为标准数据格式。本方案用REST来构建中介器。根据REST的设计原则［14］，主要分为以下步骤：数据集的规划，资源的确定，资源的命名，资源操作的接口，客户端的表示，服务端的表示，资源间的连通，错误情况，数据转换。a.数据集的规划。数据集是服务将要暴露.

4算例分析

变电站是电力系统的重要组成部分，其功能是变化电压等级和汇集配送电能，主要包括变压器、母线、线路开关设备、电力系统安全和控制设备［13］。变电站综合自动化需要信息共享，但是由于供电公司采取不同的系统、不同的数据库来存储这些重要数据，同级别供电公司不能彼此访问，省公司系统也不能访问子公司系统。为了说明本文所提方案的可行性，笔者以某供电公司变电站管理为例开发了基于IEC61970和REST的数据集成仿真系统。本系统采用Eclipse开发环境，采用Oracle数据库为全局数据库，采用支持REST架构风格的Restlet编写中介器，用以实现B／S模式下REST架构风格的WebService。中介器和全局数据库放置在服务器中，用以完成客户端和各个变电站的信息交互。变电站数据集成体系结构如图3所示。新系统可以直接与客户端交互，遗留系统需要在外部封装REST架构风格的标准接口接入系统。由于采用HTTP和标准接口，可以屏蔽系统差异，实现所有变电站的信息共享。根据式（1）和REST设计原则，确定数据集和资源后须对资源设定URI。该供电公司110kV涿州变电站包含变压器、隔离开关、断路器、电容器保护、母线、电流互感器、电抗器、电磁式电压互感器等设备。设URI的根为：。后面给出的URI都是以该URI为基础的相对URI。表1是变电站部分基本设备资源定义表，表2是变压器资源和HTTP动作定义表。把上面的XML文档放在HTTP请求的主体中，中介器结合URI和该主体就能成功地创建一个变压器状态对象。局部数据库解析接收到的XML文档，分析HTTP中的操作请求和客户端表述形式，转为对数据库的操作。连接字段主要是访问局部数据库需要的连接参数，包括角色、连接字段、操作请求等。将服务器和局部数据库看作网络节点，通过监听网络节点的通信，解析接收的数据，然后和发送的数据进行对比，结果完全一致，同时数据库完成了相应操作。以上结果验证了本文方案的可行性。5结论本文主要开展了基于REST和IEC61970的智能电网数据集成方法研究，主要描述了IEC61970标准，通过描述和分析REST的设计原则，设计了REST构架风格的WebService，建立了符合IEC61970标准的智能电网数据集成方案，并通过算例表明，利用REST架构风格具有优势，采用HTTP作为应用协议，用少量的代码、优化的架构、统一接口来实现智能电网数据集成的方案是可行的，并且在性能和效率上要优于基于大Web服务的方案。