基于ICE的分布式高可用性電力SCADA主站架構(gòu)

王慶玉，張高峰，王樂挺，李惠民

（1.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002;2.濟(jì)南網(wǎng)聰軟件科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

電網(wǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，需要相應(yīng)的能量管理系統(tǒng)（EMS）進(jìn)行安全有效的管理。當(dāng)前隨著電網(wǎng)向兼容越來越多的可再生能源及各類新型服務(wù)智能電網(wǎng)的過渡，能量管理系統(tǒng)的作用將越來越明顯，成為實(shí)現(xiàn)新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)［1－2］分析了電力管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。這些管理系統(tǒng)多用來在主站層面對主要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）功能及一定程度的高級(jí)應(yīng)用進(jìn)行集成。為確保系統(tǒng)的完整性，需要高可用性機(jī)制，從而保證一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)的監(jiān)控功能不受影響。同時(shí)考慮被管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，對管理軟件的可擴(kuò)展性要求很高。就軟件架構(gòu)而言，為開發(fā)并管理這樣一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)代化的主站系統(tǒng)，我們需要一個(gè)分布式的，面向?qū)ο蟮能浖虚g件。這樣一個(gè)軟件中間件，輔以一些外加的軟件管理模塊，我們可以為主站搭建一個(gè)牢固的軟件架構(gòu)，用以支持一些必須的系統(tǒng)功能，如分布部署，高可用性，可擴(kuò)展性及可管理性。

考慮到電力主站需要處理大量的實(shí)時(shí)信息，其軟件中間件通常的選擇是CORBA。但近些年在軟件開發(fā)實(shí)踐中，人們逐漸意識(shí)到它的缺陷，其使用有逐漸減少的趨勢［3］。

本文介紹我們基于新興的輕量級(jí)的面向?qū)ο蟮闹虚g件ICE開發(fā)的分布式軟件架構(gòu)的方法。實(shí)踐表明該架構(gòu)可有效的解決現(xiàn)代分布式管理系統(tǒng)所面臨的共性問題，十分適用于新一代的能量管理系統(tǒng)及其它涉及分布式管理的軟件系統(tǒng)。

1 CORBA及其局限性

隨著能量管理系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，為滿足電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，業(yè)界對系統(tǒng)間集成的要求越來越強(qiáng)。CORBA以其技術(shù)上的領(lǐng)先逐步成為最為廣泛使用的中間件。文獻(xiàn)［4－5］給出了一些典型的基于它的能量管理架構(gòu)及設(shè)計(jì)可供參考。其一度被認(rèn)為是技術(shù)領(lǐng)先、具有給分布式計(jì)算領(lǐng)域帶來革命性突破潛力的中間件。但實(shí)踐中遇到的種種問題，使其逐漸因失去市場而被邊緣化了。

具體就能量管理系統(tǒng)而言，其局限性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）復(fù)雜性。其接口的定義過于復(fù)雜。缺乏良好設(shè)計(jì)的接口及語言映射。

2）功能不足。缺失兩個(gè)重要功能:安全及版本控制。就電力系統(tǒng)應(yīng)用而言，安全性是個(gè)至關(guān)重要的要求。

3）缺乏高性能的事件分配服務(wù)，這對需要大量海量實(shí)時(shí)信息處理的電力系統(tǒng)管理軟件尤其不利。

4）缺乏對多線程應(yīng)用支持的力度。

5）不支持服務(wù)端事件的異步分派。

考慮到上述缺點(diǎn)，我們需要尋找一個(gè)更好的面向?qū)ο蟮闹虚g件，以便應(yīng)對開發(fā)新一代EMS的挑戰(zhàn)。

2 ICE介紹

2.1 關(guān)于 ICE

互聯(lián)網(wǎng)通訊引擎（ICE）是新出現(xiàn)的面向?qū)ο蟮能浖虚g件。支持面向?qū)ο蟮倪h(yuǎn)程調(diào)用，網(wǎng)格計(jì)算，發(fā)布/訂閱功能［4］。ICE很好地支持目前多種操作系統(tǒng)下各種最流行的編程語言，如C++，Java等。如其名字所表示的，ICE對防火墻有很好的穿透性，可在不使用HTTP規(guī)約的前提下，支持互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)。

ICE提供一個(gè)易懂、易編程的分布式應(yīng)用解決方案。它的設(shè)計(jì)受CORBA影響很大。事實(shí)上它是由數(shù)個(gè)有影響力的CORBA專家參與開發(fā)的。但與CORBA相比，它要簡潔及輕量級(jí)得多但又不失靈活性，非常適合用來支持要求很高的如EMS等關(guān)鍵應(yīng)用。

2.2 ICE 主要組件

圖1 ICE組件及其關(guān)系

ICE具有一系列和CORBA類似的組件及功能，包括面向?qū)ο蟮倪h(yuǎn)程對象調(diào)用，對象復(fù)制，網(wǎng)格運(yùn)算，失效備援，負(fù)載均衡，防火墻穿透及發(fā)布－訂閱服務(wù)。為獲取這些服務(wù)，應(yīng)用軟件需要鏈接一個(gè)樁（Stub）庫或樁集。該樁庫可由一個(gè)獨(dú)立于編程語言叫做SLICE的語言編譯產(chǎn)生。表示ICE由不同組件組成的總體架構(gòu)如圖1所示。ICE應(yīng)用客戶端通過ICE運(yùn)行庫和ICE服務(wù)交互?？蛻舳撕头?wù)間還可以通過IceStorm的服務(wù)，采用發(fā)布/訂閱的異步通訊模式交換信息。服務(wù)的注冊及尋址通過IceGrid提供的注冊服務(wù)完成。IceGrid同時(shí)還能借助遠(yuǎn)程主機(jī)上的IceGrid節(jié)點(diǎn)對遠(yuǎn)程服務(wù)進(jìn)程提供控制、管理功能。

在主站架構(gòu)中，我們分別用到ICE組件來搭建一個(gè)具有高可用性的易于管理的軟件架構(gòu)。有關(guān)這些組件的詳細(xì)信息見圖1，可參閱文獻(xiàn)［6］。

3 基于ICE的高可用性的SCADA軟件架構(gòu)

ICE為分布式應(yīng)用開發(fā)提供了一個(gè)靈活、可靠、易用的平臺(tái)。但其本身并不提供針對分布式應(yīng)用的諸多組件的高可用性機(jī)制。高可用性對現(xiàn)代SCADA系統(tǒng)是最重要的要求之一。在目前國際電工委員會(huì)（IEC）及國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，電力網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)要求必須高于99.9%的系統(tǒng)可用性。對SCADA系統(tǒng)，根據(jù)被管理系統(tǒng)的不同，組件間的熱備主備切換時(shí)間必須小于5秒或20秒。

我們的方案有效的利用ICE平臺(tái)，ICE工具箱及IceGrid的注冊服務(wù)來解決分布式應(yīng)用高可用性及管理問題。方案由以下五個(gè)主要部分組成。

3.1 應(yīng)用管理服務(wù)AMS

AMS是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制模塊。它對被管理的分布式應(yīng)用模塊提供管理服務(wù)。系統(tǒng)管理員或授權(quán)人員可以通過AMGUI接入該服務(wù)從而動(dòng)態(tài)配置、備份、恢復(fù)被管理應(yīng)用的各類參數(shù)。AMS也負(fù)責(zé)應(yīng)用的啟停并監(jiān)視應(yīng)用的主備切換。AMS自身的高可用性用同時(shí)開啟主機(jī)和備機(jī)的兩個(gè)AMS實(shí)例實(shí)現(xiàn)。

3.2 注冊服務(wù)

注冊服務(wù)由ICE自帶的IceGrid提供。包括AMS在內(nèi)的所有被管理應(yīng)用都需要向注冊服務(wù)注冊。IceGrid還同時(shí)通過Ice-Grid節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對分布式應(yīng)用模塊的狀態(tài)檢測及啟停操作。注冊服務(wù)自身的高可用性利用注冊服務(wù)的主備模式實(shí)現(xiàn)，并確保注冊信息在主備注冊服務(wù)上的同步。AMS掌握主備注冊服務(wù)的IP及端口信息，可以指導(dǎo)被管理應(yīng)用自行向主機(jī)注冊服務(wù)注冊。

3.3 以IceStorm為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)交換服務(wù)

IceStorm是ICE提供的一個(gè)高效的采用異步的訂閱/發(fā)布方法的數(shù)據(jù)交換機(jī)制。在系統(tǒng)中，所有被管理對象都使用其提供的訂閱/發(fā)布方法交換信息。為確保系統(tǒng)的健壯，同時(shí)啟用三套該服務(wù)。ICE自身提供多套服務(wù)間的管理及協(xié)調(diào)機(jī)制，不需要開發(fā)額外的功能。

3.4 應(yīng)用管理界面AMGUI

AMGUI是整個(gè)應(yīng)用管理架構(gòu)的唯一接口。用戶可通過它實(shí)現(xiàn)對各分布式應(yīng)用模塊的人工啟停，可以檢查模塊的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，也可以對應(yīng)用模塊更改、下發(fā)配置。用戶可以監(jiān)視應(yīng)用模塊的主備狀態(tài)，需要的時(shí)候，可以主動(dòng)進(jìn)行主備切換。

3.5 應(yīng)用管理庫AML

AML是一個(gè)管理功能的基類庫，在當(dāng)前系統(tǒng)中有C++及Java的實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用管理庫提供用于SCADA應(yīng)用管理的ICE接口，比如對應(yīng)用實(shí)現(xiàn)配置，完成各個(gè)應(yīng)用的注冊等。因此，一旦被管理的應(yīng)用模塊繼承這些基類，這些應(yīng)用模塊就能無縫的納入這里介紹的管理框架中去。

3.6 SCADA系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖2表示了系統(tǒng)的整體架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由服務(wù)模塊及多個(gè)應(yīng)用模塊組成，這些應(yīng)用模塊包括SCADA系統(tǒng)中常見的前置機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。各個(gè)模塊通過ICE平臺(tái)有機(jī)的結(jié)合在一起，形成一個(gè)健壯、高可用性的系統(tǒng)。ICE平臺(tái)的采用使得各個(gè)模塊的部署非常靈活、方便，可以根據(jù)被管理系統(tǒng)的規(guī)模及要求，采用一機(jī)或多機(jī)部署方式，從而很好地解決系統(tǒng)的可擴(kuò)展性問題。

圖2 基于ICE的高可用性分布式管理SCADA架構(gòu)

系統(tǒng)的健壯性及高可用性可以通過以下描述的機(jī)制來保證。

例如，若主機(jī)注冊服務(wù)宕機(jī)，備機(jī)馬上啟用，包括AMS在內(nèi)的所有被管理模塊，都自行向備機(jī)注冊服務(wù)重新注冊，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

若主機(jī)AMS遭遇異常，備機(jī)AMS自動(dòng)變?yōu)橹鳈C(jī)，以保證整個(gè)系統(tǒng)管理的延續(xù)性。

若其中一個(gè)IceStorm服務(wù)出錯(cuò)，因部署了多個(gè)該服務(wù)，數(shù)據(jù)交換進(jìn)程將不受任何影響。

對各個(gè)被管理的SCADA應(yīng)用模塊，應(yīng)用管理架構(gòu)允許非常靈活的主備配置，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需要，采用1+1，即一主一備配置，還可考慮M+N配置，也就是說可以采用M臺(tái)主機(jī)由N臺(tái)備機(jī)來保護(hù)的方法。當(dāng)主機(jī)異常退出時(shí)，通過AMS的協(xié)調(diào)，迅速完成主備切換。

4 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)高可用性的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，可以通過UML事件順序圖［7］來進(jìn)一步說明。

圖3顯示AMS/AMSGUI如何對被管理的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分配主備角色，啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)及監(jiān)測它們運(yùn)行狀態(tài)的過程。用戶對應(yīng)用配置進(jìn)行編輯后，對應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置并發(fā)布應(yīng)用配置。然后由應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)主備應(yīng)用的啟動(dòng)。應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，向應(yīng)用管理服務(wù)咨詢自己的角色，并按分配的角色依次啟動(dòng)，然后通過應(yīng)用服務(wù)，將各自的角色及狀態(tài)顯示到用戶界面上。

應(yīng)用的主備切換如圖4所示。注冊主機(jī)首先檢測到應(yīng)用主機(jī)宕機(jī)事件后通知應(yīng)用管理服務(wù)，應(yīng)用管理服務(wù)找到備用機(jī)，將配置參數(shù)傳遞給備機(jī)并將備機(jī)切換為主機(jī)，然后改變應(yīng)用角色的顯示。

圖3 主備應(yīng)用啟動(dòng)過程

圖4 應(yīng)用主機(jī)宕機(jī)觸發(fā)的主備切換

應(yīng)用管理服務(wù)及注冊服務(wù)的主備切換流程與應(yīng)用主機(jī)類似。

作為數(shù)據(jù)通訊通道的IceStorm服務(wù)的高可用性處理是通過ICE自身支持的能開啟多個(gè)進(jìn)程的方式進(jìn)行處理，不需要應(yīng)用本身的干預(yù)。

5 測試結(jié)果及結(jié)論

基于高可用性的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新一代的SCADA主站樣機(jī)。樣機(jī)分別由前置數(shù)據(jù)收集單元，數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用管理服務(wù)器，輔以各類ICE自身服務(wù)組成。系統(tǒng)通過四對共八臺(tái)主機(jī)部署，上述的各個(gè)應(yīng)用模塊（前置、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、應(yīng)用管理）分別以主備的方式，部署到四對主機(jī)上。ICE自帶的一些服務(wù)和應(yīng)用管理服務(wù)器AMS部署在一起。

各個(gè)服務(wù)通過千兆交換機(jī)組成的LAN通訊。

系統(tǒng)采用模擬的數(shù)據(jù)采集終端，可以模擬70萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

測試表明，當(dāng)樣機(jī)系統(tǒng)面臨70萬數(shù)據(jù)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)負(fù)載的情況下，所有主備服務(wù)均可在3秒鐘內(nèi)完成主備的切換，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流及應(yīng)用界面不受影響。系統(tǒng)的高可用性可以得到保證。

結(jié)果表明，我們基于輕量級(jí)的面向?qū)ο蟮能浖虚g件ICE而搭建的SCADA主站架構(gòu)，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)對分部式應(yīng)用的管理，有效地解決電力管理系統(tǒng)中普遍面臨的高可用性、可擴(kuò)展性、及海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換及處理等問題。具有良好的實(shí)用價(jià)值及推廣前景。

［1］ ABB.The evolution of SCADA/EMS/GMS – Managing the world’s power networks［EB/OL］.［2012 －06 －05］.http://www.abb.com/cawp/db0003db002698/b372f131c1a54e5fc12572ec0005dcb4.aspx.

［2］ Barnes K，Johnson B and Nickelson R.Review of Supervisory SCADA Systems［R］，Idaho Falls:Idaho NEEL，Jan，2004.

［3］ Henning M.The Rise and Fall of Corba［J］，ACM QUEUE，2006，4（5）:28－34.

［4］ Ren R，Liu F，Lv L，Song B and Che Z.A DMS Based on Integrated Design of GIS System and SCADA System［C］//2006 CICED，2006:1－5.

［5］占震濱，陳楓，馬國梁.基于 CORBA技術(shù)的EMS系統(tǒng)［J］.浙江電力，2007，29（3）:17－20.

［6］ ZeroC.ICE Introduction ［EB/OL］.［2012］.http://zeroc.com/overview.html.

［7］ Fakhroutdinov K.UML Sequence Diagrams［EB/OL］.［2012］.http://www.uml－ diagrams.org/sequence －