（计算机应用技术专业论文）智能型报警处理系统的模型的建立.pdf

摘要 报警系统是s c a d a 系统重要的组成部分。一个具备推理能力的智能化的 报警系统可以帮助调度人员准确识别、定位已经发生的故障，总结故障原因，显 示电力网络潜在的问题。 ， 本文讨论了一个支撑这样的智能报警系统的s c a d a 系统所应该具有的结 构：支持企业应用平台的三层架构，各个模块具有符合i e c - - 6 1 9 6 8 标准的接口， 以中间件服务相互连接。智能报警子系统包含知识库、报警处理，推理程序和知 识库维护工具等模块。 为实现这样的智能系统，应建立一个通用的规范的电力系统推理规则知识 库。本文讨论了建立这样这个知识库应遵循的原则，里面的推理规则应具有通用 性，逻辑简单易于实现，与推理算法独立，且用x m l 语言表达，易为推理程序 及其他应用所接受。知识库充分结合国际标准的c i m 模型，依照c i m 模型中的 设备继承层次结构，建立推理规则的层次结构；利用t o p 0 1 0 9 i c a l n o d e 类组织和 限定推理规则的应用范围。 推理程序应该具有i e c - - 6 1 9 6 8 规定的通用的接口，即能在需要时调用在线 的潮流计算程序或者稳定程序，得出更精确的结果，也可以被其他s c a d a 系统 的模块所调用，与其他模块交换故障的信息。利用组件化编程模式，推理程序不 再依赖于特定的算法，可以灵活配置多种推理算法。报警处理程序必须考虑报警 的时序、误报、漏报等问题，尽力消除这些问题的不良影响。 关键词：智能报警系统，知识库，c i m 模型，推理规则，i e c - - 6 1 9 6 8 标准 a b s t r a c t a ni n t e l l i g e n ta l a r mp r o c e s s o r ( i a p ) s u b s y s t e mc a np l a ya ni m p o r t a n t r o l ei ne m s d m ss y s t e 峨a l a r mm e s s a g e sc a nb es y n t h e s i z e da n ds u p p r e s s e d b yi a ps y s t e mw i t hr e a s o n i n gm e t h o d s ，w h i c hc a nh e l po p e r a t o r su n d e r s t a n d a n dd i a g n o s e c o m p l i c a t e dp o w e rs y s t e mf a u l t s ，e v e nf i n dp o t e n t i a l s t a b i l i t yp r o b l e mi np o w e rg r i d t h ea r c h i t e c t u r e so fi a ps u b s y s t e ma n ds c a d as y s t e mt h a ts u p p o r ti a p s u b s y s t e ma r ed i s c u s s e d ，w h i c hm u s tc o m p l yw i t hi e c - - 6 1 9 6 8s t a n d a r d s t h e m o d u l e si ns y s t e m , o r a b s t r a c tc o m p o n e n t s c a l l e db yi e c 一 6 1 9 6 8 ，c o n n e c tt oe a c ho t h e r sa n de x c h a n g ei n f o r m a t i o nw i t hp r e d e f i n e d i n t e r f a c e s i a ps u b s y s t e mc o n t a i n sa l a r mp r o c e s s o ra n d o rr e a s o n i n g m a c h i n e ，k n o w l e d g eb a s ew i t hr e a s o n i n gr u l e si ni t ，a n dm a i n t a i n i n gt o o l s t h er e a s o n i n gr u l e sm u s tb ea b s t r a c t e df r o mg e n e r a lc a s e s ，s i m p l e e n o u g ht of o l l o w ，i n d e p e n d e n to fd e d u c ea r i t h m e t i cw h i c hr e a s o n i n g m a c h i n eu s e s ，p r e s e n t e db yx m ll a n g u a g e k n o w l e d g eb a s ei sb a s e do nc o m m o n i n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) ：r e a s o n i n gr u l e si nk n o w l e d g eb a s e h a v e i n h e r i t a n c eh i e r a r c h y ，j u s ta sd e v i c ec l a s s e si nc i md o ；t h e t o p o l o g i c a l n o d ec l a s si su s e dn o to n l yt ol i m i tr e a s o n i n gr u l e sa p p l y i n g a r e a ，b u ta l s ot oo r g a n i z et h es t r u c t u r eo fr e a s o n i n gr u l e s t h ea l a r mp r o c e s s o rs h o u l dh a v et h ea b i l i t yt oc a l lo n l i n ef l o w c a l c u l a t i o np r o g r a mo ro n l i n e s t a b i l i t yp r o g r a m , t og e ta c c u r a t ea n s w e r t oc o m p l i c a t e ds i t u a t i o n ，a n dc a nb ec a l l e dw i t hs t a n d a r di n t e r f a c e u s i n g c o m p o n e n t sp r o g r a mm e t h o d ，t h ep r o g r a mc a nb er e c o n f i g u r e dw i t hm u l t i p l e d e d u c ea r i t h m e t i cw i t h o u tr e c o d i n g t h ep r o c e s s o rc a nh a n d l em i s t a k e n a l a r mm e s s a g e si np r o p e rw a y s k e m m r d s ：i a p ，k n o w l e d g eb a s e ，c i m ，r e a s o n i n gr u l e s ，i f 汇- - 6 1 9 6 8 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 图一s c a d a 系统内的报警子系统3 图二一个简单的s c a d a 系统模块图1 4 图三智能报警系统模块示意图1 7 图四c l m 模型中的部分设备对象继承层次结构【1 1 】2 4 图五利用c i m 模型，设备推理规则的继承层次结构2 5 图六设备状态改变，可以影响拓扑结构和潮流2 6 图七t o p o l o g i c a l i s l a n d 包含若干个t o p o l o g i c a l n o d e 2 8 第2 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 1 引言 数据采集与监视控制( s c a d a ) 系统是电力系统自动化系统的基础部件。 在s c a d a 系统中，报警子系统是它的重要组成部分。报警子系统负责向操作 人员报告电力系统中值得注意的，尤其是将会危害系统安全运行的事件。操作 人员在报警子系统的帮助下，可以快速的对电力系统的故障作出正确的处理， 消除事故隐患，或者减少事故造成的损失。 传统的报警是基于值的比较：报警系统从s c a d a 系统其他模块中取得测量 点的值，与以前的值比较，如果发现现有的测量值与以前不同。而且符合预先 定义好的报警的条件，就触发报警。这样的报警系统优点是简单，易于实现。 缺点也很明显：由于保护继电器的扰动或者其他原因，经常出现频繁的误报和 错报。这样，操作人员会发现大多数信息并不需要处理或者特别的注意【i 】， 因此，经常出现的场景是操作人员对不断滚动的报警信息视而不见。报警信息 的不准确，限制了报警系统的作用。人们在8 0 年代就发现了报警系统的种种缺 陷，并提出了以智能化报警压缩报警的数量，提供报警的效率的解决方案。【l 】 一【3 】 在以前传统的报警系统中，报警系统类似控制系统中一个比较环节，只是 将输入值与以前的比较，根据这个比较结果决定是否产生报警消息。至于这些 输入值代表了什么含义，报警系统并不了解，也不需要了解。这种“不了解” 带来了两个结果：一、这样的报警系统适用范围很广。我们可以把应用于电力 系统的报警系统移植到任意工业控制的自动化领域，而这样的移植不需要花费 多大的气力。我们所要做的修改就是把报警的定义改为适合相应领域的定义。 二、因为不了解，报警系统把输入中有关电力系统的相当多的信息都忽略掉了， 所发出的报警信息是一种低效的报警，并不能真实反映s c a d a 系统的现状。 我们如果换个角度考虑报警系统，把它看作是电力系统各种事件和s c a d a 系统本身事件的处理机构，我们就会明白传统报警系统的处理方式过于简化了。 这些事件里面包含电力网络的各种信息，通过研究这些信息，不但可以提高报 警信息的准确性，滤除虚假的，重复的报警，更可以对这个电力系统网络有更 加深入的理解。这种理解肯定有助于我们更有效更准确的控制、操作电力网络。 第l 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 2 报警的产生处理方式 2 1 传统的报警系统的弱点 简单来说，报警系统以s c a d a 系统中的数据为输入，输出可以被操作人 员理解的报警消息。可以把这个系统看作一个对输入的数据产生反馈的系统。 我们现在想要做的事就是改造报警系统，使它变得更聪明，在输入不变的情况 下，得出更好的输出结果。 那么什么是更好的输出结果呢? 我们可以想象有一个十分理想的报警系 统，这个报警的输出可以完全准确的以人类所能理解的表现方式( 文字，声音， 以及图像等) 反映出输入数据所包含的所有信息，没有遗漏，没有重复，没有 任何的误解和错误，那么我们可以肯定这就是最好的输出结果了。就算不经过 仔细的分析，我们也会知道，这样的理想化的系统一定很难实现，甚至是不可 能实现的。我们要做的就是让实际的报警系统的输出离这个理想的输出越接近， 就越好。 我们先看一下传统的报警系统在产生处理报警的做法。通常这样的报警系 统的报警的内容是某某开关的闭合，断开，或者某某电压、电流值的越限等。 表面看来，这样的报警反映了电力系统所发生的事件，没有什么闯题，可是操 作人员接到这些报告后，并不会觉得这些报告有多大的帮助。因为这些报警并 没有说明这些事件的产生原因，更没有说明这些事件会对电力系统产生什么样 的影响。 例如，一个开关的断开闭合肯定是有原因的，可能是因为操作人员的操作， 也可能是因为线路的短路故障，保护装置动作的结果。对于操作人员来说，这 两种情况下应采取的行动肯定是不同的。而报警系统在报告开关动作的时候没 有说明这个动作的原因，这就需要操作人员自己做出判断。实际上，报警系统 如果足够聪明，是可以区分出这两种情况的。因为通常情况下，无论是短路故 障还是操作人员的操作，都会成为报警系统的输入数据。如果报警系统能够理 解到这些输入数据之间的联系，就可以将这件事的前因后果讲清楚。 第2 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 图一s c a d a 系统内的报警子系统 在报警系统看来，s c a d a 系统就是它的整个世界了。报警系统从s c a d a 系 统得到电力系统的变化所触发的事件。这些事件之间都存在着因果联系，或者， 存在着时间上的前后承接关系。由于传统的报警系统不能找到各个事件之间的 联系，那么它对这个s c a d a 系统的认识也就只能是“只见树木，不见森林”了。 而这种对s c a d a 不完整的认识，导致了报警系统的报警信息有种种的缺陷。 这些缺陷包括： 在系统有较大扰动时报警过多 假报警 对同一事件多次报警 缺乏对关键参数报警 报警不够详细 报警太过详细 报警变化太快【l 】 从8 0 年代开始，就有人研究改进报警系统，把人工智能的方法引入报警 第3 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 系统，让报警消息更符合操作人员的需要。1 4 l 本文将试图利用人工智能技术，建造一个智能化的报警系统模型，不但能 过滤虚假重复的报警消息，而且可以根据报警消息及相关数据作出一定的逻辑 推理，对电力系统的运行状态，关键参数做出报警。 2 2 应用人工智能 人工智能这个学科自从2 0 世纪5 0 年代诞生以来，就成为一个热门学科， 众多科研人员投身其中，得出了许多成果。随着计算机的普及，这个与计算机 科学紧密相关的学科得到了越来越广泛的关注和应用。在电力系统中应用各种 人工智能技术也早已不是新鲜事了，但是将人工智能应用于报警处理的例子还 不多。 人工智能被分为两种，一种是强人工智能：其目的是建造能模仿人的活动 的智能系统。另一种是弱人工智能，目的是建造能帮助人工作，具有一定智能 的机器或者工具。强人工智能的难度非常高，有许多的难以解决的问题。对我 们现在的目标而言，弱人工智能是比较好的选择，毕竟，我们现在只需要报警 系统对操作人员进行的操作更有帮助就行了。【5 】 我们举例说明为什么人工智能技术能改进报警系统的性能。假如现在有一 条输电线路发生短路故障，这个故障导致了线路两端的开关因为保护的动作跳 闸，而这将产生两条开关跳闸的报警信息。如果这两个开关具备自动重合闸的 功能，使得开关重合闸之后再次跳开的话，两个开关就会各自产生至少三条的 开关动作报警信息。而如果算上对输电线路电压越限的报警消息的话，就会有 六、七条报警信息几乎同时出现在操作人员的面前。而这些信息都没有说明更 值得关注的线路失电这一事实。如果报警系统只显示线路失电这一报警消息， 对操作人员解读报警信息的负担要小的多，而且更能使操作人员明确所要面对 的问题。这一点，在电力系统处于扰动中，大量冗余的报警信息涌现的时候， 尤为重要。 电力系统是一个高度耦合的系统，任何节点上电压电流的变化都会以光速 传播到电网的其他的节点。也就是说，某个电网参数的变化，肯定会在某种程 度上引起其他电网参数的变化。电力系统的高度的耦合性，使得我们必须以系 第4 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 统的观点研究电力系统的问题。在电力系统的各种计算中，如在潮流计算中， 电压、电流、导纳等各种参数总是以矩阵的形式出现，代表了一个节点的电压、 电流值可能由多个其他节点决定，反映了各个参数之间的相互关联。 这种电气上的紧密联系，就导致电力系统的各个事件上的相互关联。 6 1 因此我们完全可以说，各个报警之间也存在着相互的关联，绝不是孤立的事件。 而长久以来，在报警处理中，这种相关性却被忽视了：每个警报都被当作独立 的事件处理，基本没有考虑各个报警之间的这种相关性。而在报警系统中增加 这种相关性的处理，是电力系统本质的要求。对人工智能技术来说，从几条给 定条件出发，推理出另外一个事实，是一件相当容易的事，而这种相关性的处 理功能正是我们所需要的功能。【5 】 报警系统能处理这种相关性的前提就是能具有所要处理问题的某些知识。 如果报警系统能对自己所处的环境一s c a d a 系统有更多的认识，显然有助于对 于s c a d a 的输入做出更好的反映。这个道理就如同我们对自己的环境了解的越 多，就越有利于我们利用、改造周围环境一样。那么我们认知周围的环境途径 有两个：一个是通过自己的实践活动，一个是通过从书本中读到、从别人那里 听到的有关这个环境的知识。类似的，报警系统如果想增加对s c a d a 系统的认 识程度，要么是对s c a d a 系统的输入进行分析，找出其中的规律，要么就是需 要有人把s c a d a 的某些知识灌输给这个报警系统。在人工智能学中，把第一种 系统成为学习系统，而第二种系统被称为基于知识库的系统。当然，这两种系 统完全可以融合在一起，而且也经常是这样做的：系统先建立一个关于所要处 理问题的知识库，然后通过某种“学习”过程改造升级这个知识库，与此同时， 利用知识库里面的知识来指导这个系统的行为。【7 】一t 9 l 在文献【1 】【7 】一t 9 1 中，报警系统所用到的技术就是基于知识库的专 家系统技术。知识库系统实际上是人工智能领域最成功、应用最广泛的技术， 从医院中的专家诊断系统到化学中的分子结构分析程序都用到了这项技术t 5 1 。 这项技术的关键在于：在让机器拥有了关于某个技术领域和人类专家类似的知 识后，机器就可以通过一定推理的过程得到和人类专家得到的结论类似的结果。 如果计算机拥有了一定的电力系统知识，通过一定的推理过程，它也就具备了 一部分操作人员或者电力系统专家才有的分析判断能力，这样的比较聪明的报 第5 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 警系统有助于s c a d a 系统得到更优越的性能。我们将以基于知识库的人工智能 技术为基础，设计我们的智能报警系统。 由此，我们可以看出，将人工智能引入到报警系统是十分有用的。我们希 望报警系统能从s c a d a 系统的输入中，得到更为准确的报警消息，就需要让报 警系统了解s c a d a 系统的某些规律知识。要让报警系统的报警更加精确的描述 所监控的电力系统的状态，就必须知道电力系统的一些知识。而且，还需要报 警系统具有某种推理、归纳的能力，使报警系统能运用这些知识推断当前s c a d a 系统以及所监控的电力系统的状态，知道事情的前冈后果。也能从各个事件中 找到s c a d a 系统的某些规律，进而改进修正报警系统已有的这些知识。使用人 工智能的技术，这些就都可以在报警系统中实现。 有了对s c a d a 系统以及它所监控的电力网络的深入知识，报警系统可以发 挥更大的作用。如果报警系统的输出不再只是提醒操作人员注意的报警消息， 还有可以发出影响s c a d a 系统其他模块的指令，那么它就可以改造它所处的环 境一s c a d a 系统的一些行为。例如，如果报警系统确定电力网络上一个重要开 关跳闸，致使某个地区失电，那么报警系统在向操作人员报告这个事件的同时， 可以在s c a d a 系统其他模块的支持下，向操作人员提出恢复供电的操作步骤的 建议。也可以向其他模块( 如故障电话处理t r o u b l ec a l l ) 发布这个消息，或 者启动在线潮流计算功能，计算电网拓扑结构改变后的潮流。 2 3 建立基于知识库的智能报警系统所要解决的问题 上一节我们讨论了将基于知识库技术的人工智能技术引入报警系统的种 种好处，那么很自然的问题是如何将建立这样的一个报警系统。我们必须解决 下列问题： i 报警系统的功能和结构的重新设计，使之能符合新的智能化的需求。 2 建立知识库：必须建立关于电力系统的知识库，决定如何表示和组 织电力系统的知识。 3 推理功能：报警系统推理功能的设计。 4 实时性要求：报警系统是实时系统的一部分，不能因为新的推理功 第6 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 能导致延时过多，即使几秒钟的延后对报警系统来说也是不可接受 的。 5 如何影响s c a d a 系统行为，传统的报警系统只产生文字或者声响报 警，不会对s c a d a 系统其他模块造成影响，现在要对其他模块产生 输出。 另外，需要注意到，报警系统所接收到的电力网络的数据很有可能是不完 全的，不能完全表示网络的状态，原因有二：一、采集装置很难把电力网络所 有需要采集的量都采集上来，而且还可能出现因采集装置的故障以及其他原因 造成的采集数据的丢失；二、有些数据采集上来之后，由其他应用保存、处理， 报警系统却无法访问，这个就是所谓的信息孤岛问题。对于后一个问题，解决 办法就是建立所有的电力系统的应用都能实现互操作的信息平台。对于前一个 问题，有些时候我们可以通过一定的技术手段得到报警系统想要的数据，如报 警系统需要某个节点的电压值，可以通过调用网络计算得出。而有些时候，我 们只能等待数据采集系统的进一步完善。 报警系统接收到的数据也可能是不正确的，不可靠的。其来源可以是 s c a d a 系统接收到的采集装置采集的错误数据或者程序的缺陷导致的计算错误。 虽然可以通过完善现有的软件程序、提高采集装置的性能等技术手段降低这种 出错的概率，但要像完全消除这些数据上的错误，是不可能的。报警系统就必 须考虑到数据的不完备、不正确的不良影响。尽量不使错误数据影响我们对电 力网络、s c a d a 系统的判断，这就需要报警系统具备一定的诊断，纠错的功能。 3 1 第7 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 报警系统的结构设计与功能 本节将讨论智能报警系统的结构设计和各个模块的功能。在此之前，应先 明确报警系统所依赖的环境s c a d a 系统。因为只有确定了报警系统所处的 环境，才能确定报警系统的输入以及它可能所产生的输出对环境的影响。 s c a d a 系统是e l s d m s 系统的一部分，在电力系统的应用已经有很多年的 历史，市面上的s c a d a 系统也是多种多样。那么我们讨论的s c a d a 系统应该是 什么样子的? 如果不具有一般性，那么我们的讨论就会有很大的局限性。幸好， 在这一领域里面已经有i e c - - 6 1 9 6 8 以及i e c - - 6 1 9 7 0 等国际标准可以作为我们 讨论的基础。这些标准对于电力系统的描述不但具有一般性，而且是精确的。 遵从这些标准将使我们的系统有一个良好的开始。下面，我们首先简单介绍这 两个标准，以及我们要用到的x m l 语言，然后再讨论我们的s c a d a 系统和报警 系统。 3 1i e c - 6 1 9 6 8 标准以及i e c - - 6 1 9 7 0 标准简介 i e c ( 国际电工委员会) 是一个国际性标准化组织，它由所有国家电工委 员会( i e c 成员国) 组成。i e c 的宗旨是在所有电气、电子领域内有关标准化问 题上促进国际间的交流与合作。为此，i e c 出版国际标准。 需要说明的是，i e c - 6 1 9 6 8 标准以及i e c - - 6 1 9 7 0 标准都是正在制定中的 标准，我们所使用的都是已经定稿或者基本定稿的部分。 i e c6 1 9 6 8 标准【l o l i e c6 1 9 6 8 系列标准的目的在于促进配电管理应用系统间的集成，这种应 用系统间的集成是相对于应用系统内部集成而言的。应用系统内部集成是指在 同一应用系统中，使用嵌入在运行环境的中间设备将各部分程序连接起来，并 且在封闭、实时、同步连接、交互式问答或会话式通讯模式方面趋向于最优化。 与此对应，i e c6 1 9 6 8 对企业进行应用系统之间的集成提供支持，该企业需要 第8 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 将完全不同的应用系统连接起来，这些系统可以是已存在的或新开发的，也可 以是不同的实时环境。因此，这些接口标准是相对宽耦合应用系统使用的，这 些系统在语言、操作系统、协议和管理工具上可以完全不同。 i e c 一6 1 9 6 8 标准是关于配电管理系统( d m s ) 的系统接口的标准，定义了 一系列配电网络管理功能，其中也就包括s c a d a 系统的功能。由于d m s 中的 s c a d a 系统和e m s 中的s c a d a 系统功能有很多相同之处，对于报警功能而 言，两者的差别很小，我们将在讨论中不区分e m s 与d m s 。 i e c 6 1 9 6 8 要求一个符合i e c 6 1 9 6 8 的企业应用间基础结构应满足： 1 应当允许部件交换任意复杂的信息。 2 应当能用多种形式的分布组件技术( 比如：c o r b a ，d c 0 k i ，消息代理， 面向消息中间件，关系数据库，面向对象数据库或者其他) 实现。 3 应当提供信息交换模型工具，用户可以使用该工具描述被交换的信 息。该工具提交给用户事项模型和与模型相关的部件，并且允许将新的交 换添加到旧的交换中，这样可以建立起一个为企业特殊需要裁制的广泛共 同的交换模型，而不是独立模型的集合。 4 应当允许系统管理员独立于其他部件部署发布者部件以及或者订 阅者部件。 5 应当确保发布的信息在这样的意义上完全可重用：一旦发布了给定 事件类型，任何耨的授权实体可以获取该事件而不需要在发布部件中作改 动或添加。 部件间的信息交换可以是一块数据或者一个功能的执行结果( 注意：指该 功能可能被远程调用) 并且功能执行结果的信息交换被称为服务交换。例如， 部件可以是传统的过程性应用( 也被称为遗留应用) 或者是使用面向对象技术 的应用。而且，部件可以分布在网络上( 局域网l a n ，内部网，专有的企业广 域网w a n 甚至或者是公用互联网) ，这使得采用企业范围i c t 体系结构的应用可 以灵活的部署。部件的范围是没有限制的，它可以完成配电管理要求的任何功 能。 i e c6 1 9 7 0 标准【1 1 1 第9 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 这个系列标准致力于建设一个e m s 的应用模型。国际标准i e c6 1 9 7 0 3 0 1 ， 即e m s - a p ic i w ( e m s 应用程序接口公用信息模型) 已经成为我国的国家标准。 c i w 中描述的对象实质上是抽象的，可以用于各种应用。但是，c i w 的使 用远远超出了其在e w s 中应用的范围。本标准应当理解为一种能够在任何领域进 行集成的工具，只要该领域需要一种公用电力系统模型，使得便于在几种应用和 系统之间实现互联运行和兼容插入，而与任何具体应用无关。 c i w 用面向对象建模技术定义。具体地说，c i w 说明书使用统一建模语言 ( u m l ) 符号，它将c i m 定义成包。c i m 中的每一个包中定义了一个或多个类，用 图形表示所有类及它们之间的关系。然后根据类的属性及与其它类的关系，用文 字形式定义各类。 e m s - a p ic i m 定义了能量管理系统( e w s ) 的应用程序接口标准。该标准建 立在e p r ic o n t r o lc e n t e ra p i ( c c a p i ) 研究项目( r p - 3 6 5 4 - 1 ) 的基础之上。e p r i e m s - a p i 项目的主要目标是： 减少向e v i s 中增加新应用所需要的费用和时间。 保护对e m s 中正在有效工作的现有应用的投资。 c c a p i 项目的主要任务是形成一套导则或规范，使得能够在控制中心环境中创建 “即插式”应用。插件式应用是指在进行最少的工作量和不进行源码修改的情况 下即能安装在一个系统上的软件，也就是象软件在桌面系统上的安装方式一样。 c c a p i 通过减少在e m s 系统中安装第三方程序时的工作量来达到这一目标。 c i m 使用面向对象建模技术来定义，而且采用了统一建模语言( u m l ) 表示 法，整个c i m 使用r a t i o n a l 软件公司的r a t i o n a lr o s e 来构造。i e c6 1 9 7 0 - 3 0 1 的 主体实际上是其标准附4 牛a n n e xa ：c o 唧o ni n f o r m a t i o nm o d e lf o rc o n t r o l c e n t e ra p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ( c i mf o rc c a p i ) ，这是使用r a t i o n a l 软件公司的文档自动生成工具r a t i o n a ls o d a 从c i m 模型文件生成的文档。 关于u m l 语言，请参考r a t i o n a l 软件公司( h t t p ：w w w r a t l o n a l c o m ) 的相关文 档。 第l o 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 3 2x 札语言简介 w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ( w 3 c ) 对x i l 进行了如下描述：”e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ，缩写为x m l ，描述了一类被称为x m l 文档的数据对象，并部 分描述了处理它们的计算机程序的行为。x m l 是s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e d m a r k u pl a n g u a g e i s o8 8 7 9 ) 的一个应用实例或一种受限形式。从结构上说， x m l 文档顺从s g m l 文档标准。9 【1 2 1 m i c r o s o f t 对x m l 的定义是： s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ( s g m l ) 的简化子集，专门为w e b 应用程序而设计。x | l l 提供描述不同类型数据的标准格式例如，约会记 录、购买定单、数据库记录从而可一致而正确地解码、管理和显示信息。 x m l 提供表示数据的文件格式、描述数据结构的计划、以及用语义信息扩展和 注释h t m l 的机制。 总而言之，x m l 是一种元标注语言，该语言提供一种描述结构数据的格式。 这有助于更精确地声明内容，方便跨越多种平台的更有意义的搜索结果。此外， x m l 将起用新一代的基于w e b 的数据查询和处理应用程序。 x m l 语言的应用 捌l 提供可以广泛执行并易于配置的数据的结构表示。舭是万维网协 会( w 3 c ) 定义的用于优化w e b 上的传输的s g m l 的予集，x m l 确保结构数据是 一致的并独立于应用程序或供应商。 瑚l 提供可以编码各种情况( 从简单至复杂) 的内容、语义和架构的数据 标准，x m l 对i n t e r n e t 和大型企业的i n t r a n e t 环境是颇有价值的，这是由 于x m l 提供使用灵活、开放、基于标准格式的互用性，并具备访问遗留数据库 和将数据传输到w e b 客户机的新方式。可以更快地生成应用程序，应用程序更 易于维护，并且可以在结构数据上轻易提供多种视图。 x m l 是一种基于文本的格式，在许多方面类似于h t m l ，后者是专为存储 和传输数据而设计的。x m l 源是由x m l 元素组成的，每个x m l 元素包括一个 第l i 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 开始标记( ( t i t l e ) ，一个结束标记( ) 以及两个标记之间的信息( 称为 内容) 。就象h t m l 一样，x m l 文档保存利用标记注释的文本。然而，与h t m l 不 同的是，x m l 允许无限的标记集，各标记集并不表示如何显示，而是表示其含 义。例如，可以将r m l 元素标记为价格、订单编号或名称。由文档的作者确定 使用何种数据以及哪种标记名称最合适。 标记是对了文档存储格式和逻辑结构的描述。在形式上，标记有以下各 种可能项：注释、引用、字符数据段、起始标记、结束标记、空元素、文档类 型声明( d t d ) 和序言。 ) 咖的几个特点： x m l 文档是纯文本，因此可用从文本编辑器直到可视化开发环境的任 何工具创建和编辑，程序可以更简单，而在需要存储大量数据的场合， 一个数据库的x t 4 l 前端就可以满足需要，因此7 d d l 提供了从小配置文 件到公司级数据仓库的可扩展性。 基于内容的数据标识，因而可被不同程序用于不同用途。 可格式化。在显示很重要的时候，x s l 可指定如何显示数据。由于数 据和显示是分离的，甚至可以为同一数据指定不同的样式表用于不同 输出，并很容易在将来使用新的格式。 具有很强的链接能力，可以定义双向链接、多目标链接、扩展联结和 两个文档间的链接。 易于处理。x m l 对格式的定义更为严格，并具有层次结构，处理起来 更加容易。它是与厂商无关的标准，可以任选一个解析器来处理。 可以在x m l 中定义无限的标记集。虽然可以使用h t m l 标记以粗体或斜 体的方式显示文字，但x m l 可提供一个用于标记结构数据的框架。x m l 元素可 以将其关联数据声明为电流、电压、有功功率或其他任何需要的数据元素。随 着整个组织以及i n t e r n e t 上的其他用户采用x m l 标记，将出现搜索和处理数 据的相应能力，而不管发现该数据的应用程序如何。一旦定位了数据，就可以 在网络上传送并以多种方式在浏览器中显示，或者传送到其他应用程序以供进 一步处理和查看。 第1 2 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 标记表示一块数据。通常，它对应于某个表中的某个字段。然而，这并不 是必要的。标记也可以是一个计算值。没有理由认为一个煳l 文件表示某个表 中的所有数据。正像通常看到的那样，x m l 将表示包括许多表的查询结果。只 要接收应用程序能够搞清x m l 中的数据的意思，数据是从哪里来的以及该数据 如何到达x m l 文件并不重要。 3 3s c a d a 系统的构成 在企业的各种信息化系统不断整合的过程中，出现了两种不同的整合方式。 一神是应用内( i n t r a - a p p l i c a t i o n ) 的整合，各个应用程序通过某种中间件服 务，建立同步的连接，可以相互提出请求，做出应答，这样各个程序之间实现了 互操作，相互交换信息，他们之问的联系比较紧密。然而世界总比想象的复杂， 本来中间件是用来构建在不同操作系统、不同数据库系统之间，可以对话的平台， 但是主流中间件标准现在有3 种之多( c o b r a ，j 2 e e ，d c o m ) ，尽量这三者之间理论 上可以通过相互之间的接口实现互通，但实现起来相当的复杂困难。因此，在不 同中间件服务上的应用程序是无法整合到一起的。第二种整合方式一应用间 ( i n t e r - a p p l i c a t i o n ) 的整合就不存在这个问题，这种整合不再依赖于某个中 间件服务。既然应用问的相互调用、对话、请求、应答本质上就是相互交换消息， 那么制订一种所有应用都能理解的消息协议，应用问以这种消息协议相互传递信 息，就实现了整合。和第一种整合方式不同的是，各个应用系统之间的通讯是异 步的，非实时的，各个应用之间的关系是低耦合的。各个应用之间传递的消息一 般用现在业界的标准x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 来表示。【1 0 我们在设计开发新的软件系统或者升级维护老的软件系统时，必须考虑到 以上这些事实。使自己开发的软件系统可以成为企业信息化系统的个组成部 分，不至于成为另一个“信息孤岛”。 在考虑s c a d a 系统( 在i e c - - 6 1 9 6 8 标准中，被称为s c a d a 咖s ) 的构成 之前，应先考虑s c a d a 系统的功能。一般来说，s c a d a 系统是电力企业的e m s d m s 系统不可或缺的一部分，负责电力网络的监视和操作，并为其他应用( 如电力 网络计算) 提供基础的电力系统数据。在i e c - - 6 1 9 6 8 标准中，为网络操作功能 定义了数个子功能，以及几十个抽象功能部件，其中很多属于传统的s c a o a 系 第1 3 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 统的功能，但是有些却是很多s c a d a 系统从未实现的功能，如故障电话处理 ( t r o u b l ec a l l ) 和气象监视功能。i e c - - 6 1 9 6 8 标准指出，一个应用具有何种 功能完全取决于开发厂商，只需包含一个或多个符合标准定义的功能部件即可 成为符合标准的应用。在设计和开发s c a d a 系统时，应该避免系统越大越好、 功能越全越好的设计思路。实践证明，操作人员经常用到的功能只是整个系统 功能的- - 4 , 部分，这一点符合普遍的2 0 8 0 定律。与其花大量时间设计开发操 作人员很少用的到的功能，不如专心完善系统的核心功能。我们可以先建立一 个基本的系统，包含所有必备的功能，然后再开发各种附加功能模块的插件。 下面是一个基本的s c a d a 系统的模块图。 ；阜窜窜窜早 |( 中间件服务 ) 崮崮 图二一个简单的s c a d a 系统模块图 在这个软件系统中，中间件服务成为了整个系统的总线，所有的功能模块 都挂接在这个总线上，而不产生直接的连接。这样，功能模块成为了一种插件， 第1 4 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 所有的模块都形成一个松耦合的组织形式，各个模块之间的通讯与调用通过事 先定义好的、不可改变的接口( i n t e r f a c e ) 来完成。任何一个模块的改动都可 以在不影响其他模块的条件下完成，甚至把原有的模块替换为一个新的模块也 无需更改其他模块。中间件技术为我们提供了这样的可能：把原来必须属于某 个应用程序的商业逻辑( b u s i n e s sf u n 晌n ) 模块独立出来，成为一个可以为所 有应用提供服务的组件。而所谓的应用程序只需将这些组件按照一定的结构组 织起来就行了。这些组件和i e c - - 6 1 9 6 8 上面的部件概念很相似，不过两者不尽 相同。这种组件比以前的程序应用接口( a p i ) 功能强大的多，颗粒度也更大， 可以很大程度上减轻应用程序开发的工作量。这样，我们可以重新划分s c a d a 系统功能模块的组织结构。 以这种总线模式开发出的s c a d a 系统具有良好的扩展性，如果系统需要其 他的功能，可以将新的功能模块安装到这个总线上，而不至于影响其他的功能。 系统可以通过两种方式和其他系统实现互操作，一种是通过中间件服务：只要 s c a d a 系统将自己的功能接口注册到中间件服务器上，其他应用程序就可以远 程调用这项功能，反之亦然。另外一种是通过x m l 文本传输事先约定好格式的 消息。 电网监视与控制模块是s c a d a 系统的核心模块，主要完成变电站监控、 开关监控、s c a d a 和表计系统的数据的管理等功能。这部分可以设计成一个独 立的应用，也可以设计成许多组件的集合体。 报警处理模块用来处理电力系统事件和s c a d a 系统本身的事件，在 i e c 一6 1 9 6 8 中，报警功能也是电网监视子功能模块的一部分。而我们所要讨论 的就是报警功能，而且大多数s c a d a 系统也把这个模块设计为一个单独的程 序，所以我们也把它列为一个单独的应用。如前所述，这个部分也完全可以设 计成为一个组件，方便其他应用的调用。这是我们所关心的，将在下面详细讲 述它的结构和功能。 3 4 报警系统的构成 我们的目的是建立基于知识库的智能报警系统，这样的报警系统和传统的 报警系统有了很大的不同，增加了知识库和推理机构。因此就需要增加知识库 第1 5 页 中国电力科学研究院研究生硕士学位论文 的建立和维护工具。 这样的报警系统可以有许多种实现方法，图三是其中一种可能的实现方法 的模块示意图。注意图中所有的模块都是直接相连的，显示了一种紧耦合的关 系。这种方式的优点主要在于效率方面，对于实时系统来说有时这是第一要素。 缺点是模块之间存在着直接的依赖关系，不符合三层架构体系的要求，不利于 系统日后的修改、维护。各个模块也可以用中间件连接，就如上面的s c p d ) a 系统示意图那样。这时各个模块完全独立，系统更加灵活，更具有扩展性。而 作为第一次的设计，不需要考虑太过复杂，而且上面的结构是否足够优化不影 响我们下面的讨论。在文献【7 】【8 】中的模块图和我们的设计很相似。文献【9 】 中的框图则比较粗糙。 下面对图三的各个部分做一个简要的说明： 图中的s c a d a e 瞒删s 数据库可以是关系型数据库和实时数据库的组合。 里面有着关于s c a d a 系统所监视的电网的各类型数据。报警处理机从这个数据库 中读到s c a d a 事件序列，读的方式可以是轮询方式或者是触发方式的。值得注意 的是，我们希望这个数据库是基于c i m 模型的，可以使用删s a p i 接口进行存取。 否则，我们的报警处理机以及电力网络知识抽取工具都需要根据不同的s c a d a 数 据库进行调整变化。 警报知识库是这个系统的核心部分，它可以是存放在关系型数据库内的数 据表，也可以是x m l 文件。可以看到，它有两个主要部分，第一部分是电网知 识库，定义了报警推理的规则。第二部分则是具体的电网相关设备和报警规则的 关联。有关它的详细设计请见本文的第四节。 在图上，虚线部分以上是知识库的维护工具，可以离线运行；虚线以下是 报警的处理程序，必须在线运行。 电力网络知识抽取工具：我们需要电网知识构建我们的知识库，而在 s c a d a