107、WEB調(diào)度自動化系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究.doc

WEB調(diào)度自動化系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究卞瑞祥1，曾堅永2，王炎初1，徐展強2，唐曉莉1，謝善益2（1南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）（2廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度通信中心，廣東省廣州市 510600）摘要：本文介紹了WEB電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，對實踐中存在的關(guān)鍵問題進行了深入研究。本文描述了WEB子系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，對主要技術(shù)（SVG和AJAX）的合理使用進行了剖析，分析了WEB子系統(tǒng)在畫面導(dǎo)出和數(shù)據(jù)刷新時遇到的性能瓶頸問題，并對WEB畫面的用戶交互性和動畫效果這兩個實踐性問題進行了研究。關(guān)鍵詞：WEB調(diào)度自動化系統(tǒng)； SVG優(yōu)化； AJAX0 引言網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)提供了方便快捷的手段，同時也是當前電網(wǎng)調(diào)度自動化的發(fā)展方向。為了確保電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定，電力部門需要及時了解電網(wǎng)的運行狀況，掌握當前電力負荷分布，發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，加快故障信息的獲取和分析。目前，電力調(diào)度部門需要一種通過辦公網(wǎng)絡(luò)就能直接監(jiān)測電網(wǎng)運行狀況的系統(tǒng)，但同時該系統(tǒng)必須不能影響到電力系統(tǒng)的安全性。以WEB瀏覽方式獲取電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，通過瀏覽器直接呈現(xiàn)廠站等畫面的運行狀況，這樣的方案比較好的滿足了快捷性和安全性兩大要求1。由此，一種將傳統(tǒng)工作站環(huán)境下運行的調(diào)度自動化系統(tǒng)移植到WEB環(huán)境的方案應(yīng)運而生。在結(jié)合廣東備調(diào)WEB子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)基礎(chǔ)上，本文概述了一個WEB電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計方案，介紹了實現(xiàn)時采用的主要技術(shù)，重點論述了實踐過程中遇到的有關(guān)SVG性能的優(yōu)化、用戶交互的處理和動畫效果的實現(xiàn)等關(guān)鍵問題，并給出了解決方案。1 調(diào)度系統(tǒng)WEB化的必要性能量管理系統(tǒng)（EMS）在電網(wǎng)調(diào)度自動化方面發(fā)揮了重要作用。調(diào)度員登錄實時控制區(qū)（即安全區(qū)）的工作站就能全面了解電網(wǎng)的運行情況。為確保安全性，區(qū)與辦公網(wǎng)所處的生產(chǎn)管理區(qū)（即安全區(qū)）之間設(shè)置了隔離裝置。這樣做一方面保證了區(qū)不會遭受來自外部環(huán)境的非法侵入，另一方面也極大的限制了辦公網(wǎng)用戶及時掌握電網(wǎng)運行信息。另外，即使一般用戶能夠訪問區(qū)，由于EMS系統(tǒng)功能過于復(fù)雜，操作時難免存在誤操作，影響電網(wǎng)的正常運行。除此之外，雖然EMS系統(tǒng)能夠在多種操作系統(tǒng)平臺上運行，但是為辦公網(wǎng)內(nèi)多臺機器部署EMS系統(tǒng)的工作量比較大，實踐中不可行。由于EMS系統(tǒng)存在上述固有問題，因此本文提出了一種基于B/S架構(gòu)的設(shè)計方案，借助目前比較成熟的可縮放矢量圖形2（Scalable Vector Graphics，SVG）和AJAX3（Asynchronous JavaScript and XML）技術(shù)，實現(xiàn)了一個畫面呈現(xiàn)與EMS系統(tǒng)保持一致、通過瀏覽器即可訪問、無需開放額外網(wǎng)絡(luò)端口的WEB子系統(tǒng)，從而將EMS系統(tǒng)中的畫面瀏覽、離線潮流計算等功能移植到WEB環(huán)境。WEB調(diào)度子系統(tǒng)是對原有EMS系統(tǒng)的一個有力補充，并非完全替代原有系統(tǒng)。針對當前電力系統(tǒng)辦公環(huán)境的多元化，實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的WEB化是必要的。2 系統(tǒng)設(shè)計WEB電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，避免在客戶端安裝額外的軟件。用戶通過瀏覽器即可訪問廠站圖、曲線圖和潮流圖等畫面。瀏覽器中所呈現(xiàn)的畫面效果與EMS系統(tǒng)中保持一致。系統(tǒng)的基本架構(gòu)設(shè)計如圖1。圖 1 WEB子系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)由兩部分組成：WEB客戶端和WEB服務(wù)端?？蛻舳酥荒芡ㄟ^服務(wù)器提供的WEB頁面和服務(wù)端口訪問WEB服務(wù)，其余有可能威脅到系統(tǒng)安全的網(wǎng)絡(luò)端口一律不向外開放，杜絕了系統(tǒng)安全隱患，但這也使傳統(tǒng)的Java Applet4和Active X5方式不能適應(yīng)這種應(yīng)用前提。WEB客戶端采用SVG/AJAX方式，SVG負責(zé)畫面渲染，AJAX負責(zé)數(shù)據(jù)更新、畫面刷新和交互事件處理。借助AJAX技術(shù)，客戶端發(fā)送HTTP請求即可訪問WEB服務(wù)器所提供的服務(wù)。根據(jù)服務(wù)器反饋的XML格式數(shù)據(jù)，客戶端就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和SVG畫面的渲染。WEB服務(wù)器采用多進程方式為客戶端提供一對一的服務(wù)，這樣實現(xiàn)的優(yōu)點是：某一服務(wù)進程出現(xiàn)異常不會影響其他用戶的正常訪問。圖1中虛線框表示服務(wù)進程管理器，它負責(zé)服務(wù)進程的啟動和終止。服務(wù)進程正常啟動后加載畫面，在客戶端的驅(qū)動下定時刷新畫面，并將畫面上產(chǎn)生更新的設(shè)備或前景狀態(tài)反饋給客戶端。3 主要技術(shù)本文的設(shè)計方案采用了SVG+AJAX技術(shù)，充分發(fā)揮了瀏覽器的優(yōu)勢，在保證系統(tǒng)安全的前提下，為使用者提供與EMS一致的用戶體驗。1233.1 SVG可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics， SVG）是基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language, XML），用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式。SVG是由W3C制定的開放標準。在過去幾年里，已經(jīng)有很多研究者致力于將SVG用于EMS/SCADA系統(tǒng)間的系統(tǒng)圖和一次接線圖的圖形交互，以及EMS/SCADA系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)等其它應(yīng)用系統(tǒng)的圖形交互。WEB子系統(tǒng)在設(shè)計之初參考了CIM-SVG圖形交換格式6，分析了該格式與現(xiàn)有圖形監(jiān)控系統(tǒng)的不完全匹配性，結(jié)合項目的實際需求，對生成SVG畫面的方案進行了重新設(shè)計。新方案著重考慮了以下幾個因素：a) WEB子系統(tǒng)需要一個能夠呈現(xiàn)廠站運行狀況的畫面，而不是圖形和數(shù)據(jù)的交換中介。換句話說，服務(wù)程序所導(dǎo)出的SVG畫面僅用于WEB畫面的實時顯示和交互，而非用于與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。因此，相對冗余的電力系統(tǒng)方面的信息并沒有導(dǎo)出到SVG中。b) CIM-SVG格式定義中大量使用了元素。這樣做的優(yōu)點是使SVG文檔更具結(jié)構(gòu)性，而缺點就是SVG畫面在渲染時的性能會打折扣。從技術(shù)層面分析，元素在瀏覽器上渲染時是需要對定義的原始圖元進行深拷貝的。關(guān)注SVG優(yōu)化的研究者也建議盡量少用元素7。c) 雖然CIM-SVG交換格式定義了一套電力系統(tǒng)中的相關(guān)圖元，但是現(xiàn)有EMS系統(tǒng)中有很多圖元卻不是電力系統(tǒng)所特有的（比如二維表、Tab頁、柱狀圖等），并且CIM-SVG中也沒有定義。因此完全采用CIM-SVG格式進行實現(xiàn)是不完備的。鑒于以上因素，結(jié)合現(xiàn)有EMS系統(tǒng)在圖形表示上的特點，本文給出以下幾點在設(shè)計實現(xiàn)中遵循的方向：a) 畫面中任意一個圖元，大到復(fù)雜控件、變壓器圖元和開關(guān)圖元，小到線段、矩形和圓，都有呈現(xiàn)自己的接口實現(xiàn)。每一個圖元都擁有唯一標識ID。b) 圖元的位置、旋轉(zhuǎn)和縮放參數(shù)以包含該圖元的父圖元所建立的坐標系為參照。c) 圖元在導(dǎo)出成SVG節(jié)點時只導(dǎo)出當前的顯示樣式，而不需要導(dǎo)出所有狀態(tài)下的樣式。例如：開關(guān)有分合狀態(tài)，如果當前開關(guān)為分狀態(tài)，那么只導(dǎo)出分狀態(tài)下的樣式。d) 對于電力設(shè)備圖元，需要能夠提供自身實時運行參數(shù)用于實現(xiàn)用戶交互和離線潮流計算等功能。e) 導(dǎo)出圖元要考慮瀏覽器渲染的效率，盡量簡化導(dǎo)出方案，在保證顯示效果可以接受的情況下減少復(fù)雜效果（如漸變、裁減等）的使用。3.2 AJAXAJAX已經(jīng)成為WEB富客戶端應(yīng)用的首選技術(shù)（其它技術(shù)如Java Applet、ActiveX等）。傳統(tǒng)WEB應(yīng)用在發(fā)生數(shù)據(jù)更新時頁面需要完全重刷，而AJAX的出現(xiàn)從根本上改變了WEB應(yīng)用模式。AJAX只向WEB服務(wù)器發(fā)送并獲取必需的數(shù)據(jù)。它使用SOAP或其它基于XML的服務(wù)接口，并在客戶端采用JavaScript處理來自服務(wù)器的反饋。由于服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)大量減少（大約只有原來的5%），從而WEB端的反應(yīng)時間大大縮短，并且很多處理工作都可以在瀏覽器中完成。通過AJAX技術(shù)，用戶在查看畫面時無需強制畫面全部重刷。瀏覽器中的JS腳本會定期向WEB服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，獲取畫面上的更新數(shù)據(jù)，并在客戶端做增量更新，這樣得到的用戶體驗與現(xiàn)有的EMS系統(tǒng)基本保持一致。采用AJAX技術(shù)對于傳統(tǒng)的Java Applet和ActiveX方式有如下一些優(yōu)點：a) 無需建立額外的Socket連接。HTTP請求通過WEB服務(wù)端口（如80或8080）即可獲得更新數(shù)據(jù)，服務(wù)器無需開放其它端口，在一定程度上保證了服務(wù)器的安全性?？蛻舳艘膊恍枰鲱~外的端口設(shè)置。b) HTTP請求是異步的，數(shù)據(jù)刷新在后臺運行，減少了對用戶操作的干擾。用戶可以在客戶端修改刷新周期，從而調(diào)整瀏覽器的資源占用率。c) JavaScript在處理SVG的加載、更新和用戶交互方面擁有與生俱來的優(yōu)勢。SVG技術(shù)本身基于XML標準，因此在更新畫面時比較方便快捷，避免了節(jié)點和屬性的映射、轉(zhuǎn)換等操作。4 關(guān)鍵問題及解決方案WEB子系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中碰到了許多問題，其中有三個屬于比較關(guān)鍵的問題。本文就這三個關(guān)鍵問題在項目中的出現(xiàn)進行了深入的分析和研究，并給出了相對簡潔的解決方案。12344.1 SVG性能雖然SVG技術(shù)在圖形的顯示效果，尤其是圖形在經(jīng)過放大之后的效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的圖像技術(shù)，但是目前它在應(yīng)用中普遍存在性能上的問題。造成該問題的原因主要有三個方面：1、XML解析和SVG渲染的速度；2、畫面規(guī)模；3、數(shù)據(jù)刷新和畫面渲染頻率。采用SVG技術(shù)展示的畫面在瀏覽器上呈現(xiàn)要經(jīng)過XML解析和SVG渲染兩個過程。由于解析XML需要依賴瀏覽器的JavaScript實現(xiàn)。JavaScript實現(xiàn)效率越高、運行速度越快，XML解析速度也就越快。目前幾大瀏覽器陣營正日趨重視對JavaScript的支持，并大幅度革新腳本引擎的實現(xiàn)，所以盡量使用最新版本的瀏覽器（如IE8、Firefox3等）可以獲得比較大的性能提升。IE本身不支持SVG的渲染，在IE環(huán)境下渲染SVG需要Adobe公司的SVG Viewer組件8。在項目的實踐過程中我們發(fā)現(xiàn)Adobe SVG Viewer在渲染中小規(guī)模（SVG文件大小600KB左右）的SVG畫面時比較順暢。如果畫面的SVG文件進一步增大，那么在瀏覽器中的渲染和以后的用戶交互將變得異常困難。雖然在實現(xiàn)過程中我們極力避免生成過大的SVG文件，也想盡辦法減少SVG文件中DOM節(jié)點的數(shù)量，但是畫面規(guī)模卻是一個無法躲避的障礙。在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中，各種規(guī)模的畫面都存在，小到一張普通的畫面索引圖，大到系統(tǒng)潮流圖。SVG技術(shù)在呈現(xiàn)中小規(guī)模的畫面時綽綽有余，但在渲染大規(guī)模的畫面（如潮流圖等）時往往顯得力不從心。一張500KV的廠站圖中包含數(shù)值量約為150個，刀閘約為200個。但是，一張系統(tǒng)潮流圖上包含的數(shù)值量卻有約1500個，聯(lián)絡(luò)線約700個。如此大規(guī)模的畫面渲染和更新會直接導(dǎo)致瀏覽器的僵死，用戶基本無法操作。如何在性能和效果之間取得一個平衡點成為實現(xiàn)該WEB子系統(tǒng)所面臨的重要問題。本系統(tǒng)設(shè)計了兩套SVG更新方案：整體更新和局部更新。中小規(guī)模的畫面采用整體更新，而大規(guī)模的畫面則采用（整體+局部）更新。整體更新不對圖元做取舍，所有圖元在打開畫面時做全面刷新和渲染，后續(xù)過程只做增量刷新和渲染；局部更新會選取畫面中跨度范圍小、數(shù)量眾多并且更新頻繁的圖元（比如數(shù)值前景）作為目標，并僅在用戶觀察區(qū)域內(nèi)做刷新和渲染。潮流圖上數(shù)值前景和狀態(tài)前景數(shù)量眾多，更新頻繁；聯(lián)絡(luò)線跨度范圍較大，更新不頻繁，數(shù)量可以承受。因此，WEB子系統(tǒng)采用了局部渲染數(shù)值前景和狀態(tài)前景的策略。經(jīng)過這樣處理，潮流圖的渲染性能和用戶操作性已基本可以接受。電網(wǎng)數(shù)據(jù)是實時更新的。若要在WEB上看到最新數(shù)據(jù)，周期性刷新數(shù)據(jù)是必要的。但是，如果刷新周期過長，更新就不會很及時；如果刷新周期過短，瀏覽器的CPU占用率又會很高，服務(wù)器的壓力也會很大。WEB子系統(tǒng)在客戶端提供了可調(diào)節(jié)的刷新周期，滿足用戶的不同需求。默認情況下，刷新周期在性能和效果上做了折衷。4.2 用戶交互SVG標準支持用戶交互特性。原有EMS系統(tǒng)在用戶交互方面主要表現(xiàn)為鼠標的左擊和右擊。為了與現(xiàn)有系統(tǒng)保持操作上的一致性，WEB端對鼠標事件進行分別處理。左擊主要觸發(fā)復(fù)雜控件的狀態(tài)變化，如二維表樹形結(jié)構(gòu)的展開與恢復(fù)，光敏點的切換畫面，Tab頁的切換等；右擊則需要根據(jù)點擊的對象動態(tài)生成操作菜單項，并且菜單項都對應(yīng)各自的事件處理函數(shù)。通過對原有EMS系統(tǒng)的分析研究，從中提取生成操作菜單的邏輯，并根據(jù)動態(tài)獲取的設(shè)備對象參數(shù)，在WEB子系統(tǒng)的畫面上呈現(xiàn)經(jīng)過過濾后得到的操作菜單。SVG渲染控件ASV具有特殊的右鍵菜單配置方式9，配置菜單通過一個XML文件實現(xiàn)。該文件基本格式如下：The Header菜單項目名通過將默認的右鍵菜單配置文件動態(tài)替換成根據(jù)設(shè)備對象的運行時參數(shù)過濾得到XML文件，即可動態(tài)生成對應(yīng)的操作菜單。用戶在點擊菜單項后，將會觸發(fā)func事件處理函數(shù)，根據(jù)輸入?yún)?shù)param_list執(zhí)行已定義的處理邏輯，從而實現(xiàn)用戶交互。4.3 動畫效果EMS系統(tǒng)提供動畫效果，如流動效果和閃爍效果。在WEB子系統(tǒng)中，如果要實現(xiàn)類似功能需要解決兩個問題：什么時候渲染動畫和如何渲染動畫的當前幀。第一個問題容易解決，但第二個問題卻不容易解決。根據(jù)之前的設(shè)計方案，WEB畫面只負責(zé)渲染圖元的當前狀態(tài)，下一個狀態(tài)的圖元樣式是未知的。除此之外，設(shè)備圖元的動畫效果跟設(shè)備的狀態(tài)和配置的顏色決策參數(shù)相關(guān)。如此多的與動畫效果有關(guān)的參數(shù)如果都交由客戶端處理，那勢必造成客戶端請求過多、SVG增大和腳本實現(xiàn)過于復(fù)雜等問題。WEB子系統(tǒng)在實現(xiàn)動畫效果時采用動畫與數(shù)據(jù)刷新相結(jié)合的方式，將具有動畫效果的設(shè)備圖元歸為狀態(tài)發(fā)生變化的特殊圖元。增量更新數(shù)據(jù)中既包含實際狀態(tài)發(fā)生變化的圖元，也包含這些特殊圖元。每一次數(shù)據(jù)刷新周期內(nèi)，在畫面上設(shè)備的運行時參數(shù)更新完成之后，調(diào)整具有動畫效果的設(shè)備的狀態(tài)，使其進入新的動畫周期。經(jīng)過上述的統(tǒng)一處理之后，在以增量方式渲染畫面更新節(jié)點時，畫面上設(shè)備圖元的動畫效果在連續(xù)的更新周期間得以呈現(xiàn)。5 系統(tǒng)運行展示目前，本文所介紹的WEB調(diào)度自動化系統(tǒng)已經(jīng)完成編碼實現(xiàn)，并在廣東備調(diào)項目中投入運行。圖2和圖3分別為系統(tǒng)運行截圖。圖 2廠站圖圖 3潮流圖6 總結(jié)本文介紹了一個利用SVG/AJAX技術(shù)實現(xiàn)的WEB電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的整體