屈志堅，應(yīng)康興，趙 亮

配電網(wǎng)SVG接線界面的低延遲異步刷新數(shù)據(jù)引擎技術(shù)

屈志堅，應(yīng)康興，趙 亮

(華東交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

針對分布式監(jiān)控應(yīng)用中SVG界面的實時數(shù)據(jù)交互慢和實時信息處理效率低的問題，研究了一種配電網(wǎng)分布式監(jiān)控SVG界面刷新的實時Ajax數(shù)據(jù)引擎技術(shù)方案。從實時交互信息、實時Ajax數(shù)據(jù)引擎和可伸縮矢量圖動態(tài)刷新的操控，到開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了Ajax數(shù)據(jù)引擎和SVG圖元局部刷新的關(guān)鍵實現(xiàn)方法。以配電網(wǎng)的調(diào)度監(jiān)控界面為算例，進行模擬量和狀態(tài)量的交互測試，實現(xiàn)了監(jiān)控界面的SVG局部更新。對圖元數(shù)據(jù)的測試表明，SVG界面刷新延時約為百毫秒級，驗證了實時數(shù)據(jù)引擎在分布式監(jiān)控界面快速刷新處理中的有效性。

調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)引擎；可伸縮矢量圖形；局部刷新；實時交互

0 引言

隨著電力工業(yè)發(fā)展和配電網(wǎng)智能化的推進，電力系統(tǒng)接線圖復(fù)雜性增加，為了完整地展示電力系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)，采用可伸縮矢量圖形(Scalable Vector Graphics，SVG)的主接線圖需包含更多的電氣元件及連接關(guān)系，而每個電氣元件都引用一個 SVG圖元，使得SVG格式的圖形文件日益增大，給網(wǎng)絡(luò)傳輸造成壓力，影響到調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能[1-2]。有學(xué)者提出Web形式的調(diào)度監(jiān)控界面端架構(gòu)方案，在拓展性和開放性等方面，對調(diào)度自動化系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義[3-4]。然而，傳統(tǒng)的B/S(Browser/ Server)模式在監(jiān)控系統(tǒng)中的運用存在一些缺陷，如頁面刷新響應(yīng)慢、占據(jù)空間大、交互效率不高等，嚴(yán)重影響監(jiān)控界面端和實時數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的信息流，為克服監(jiān)控界面交互數(shù)據(jù)量大和反應(yīng)慢等問題，需重點研究支持快速處理監(jiān)控界面 SVG圖元的低延遲數(shù)據(jù)交互方法。

文獻[5]研究異步調(diào)用(Asynchronous JavaScript and XML, AJAX)的監(jiān)測界面數(shù)據(jù)交互，文獻[6-7]編寫腳本代碼，在不刷新全景頁面條件下獲取SVG圖元信息，為多用戶并發(fā)的局部刷新提供了思路。文獻[8-10]通過公共信息模型和對象模型的體系結(jié)構(gòu)，研究標(biāo)準(zhǔn)化實時信息的接口方式，設(shè)計相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。若能在監(jiān)控界面單個圖元和實時數(shù)據(jù)間構(gòu)建橋梁，將SVG圖元與表征設(shè)備狀態(tài)的實時信號關(guān)聯(lián)，將實時數(shù)據(jù)的比對處理等推進至界面端，在網(wǎng)絡(luò)上僅傳輸少量必要的動態(tài)變化信息，即可實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)圖形化[11]的完整展示。實時 Ajax數(shù)據(jù)引擎，就是一種集Ajax異步通信機制和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)于一體的界面端圖形數(shù)據(jù)交互技術(shù)，為降低網(wǎng)絡(luò)調(diào)用負(fù)荷，提高監(jiān)控圖形響應(yīng)速度提供界面端的數(shù)據(jù)引擎處理環(huán)節(jié)。

在實時Ajax數(shù)據(jù)引擎設(shè)計基礎(chǔ)上，利用Ajax的GWT應(yīng)用架構(gòu)作為底層框架，以組件容器作為SVG圖形模塊集成監(jiān)控界面，將實時數(shù)據(jù)庫中變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)載入實時Ajax數(shù)據(jù)引擎，與SVG圖元屬性關(guān)聯(lián)，獲得了一種實時數(shù)據(jù)與監(jiān)控圖元動態(tài)快速交互的新方法，并以工程應(yīng)用算例進行了驗證。

1 配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 10 kV配電網(wǎng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)

10 kV配電網(wǎng)的分布式監(jiān)控和管理，主要由監(jiān)控工作站層、中間層和現(xiàn)場設(shè)備層三個部分組成，其構(gòu)成如圖1所示，其中通信網(wǎng)絡(luò)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和Web服務(wù)器等設(shè)備之間的局域網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場被控配電網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備級總線，以及應(yīng)用服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)備之間通信信道等三個部分。

圖1 配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Structure diagram of distribution automation system

工作站層為監(jiān)控應(yīng)用的人機交互層，利用瀏覽器以網(wǎng)絡(luò)直傳的方式訪問監(jiān)控界面，避免了客戶端繁瑣的安裝部署。中間層為監(jiān)控系統(tǒng)的主要部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控業(yè)務(wù)的執(zhí)行和操作處理，采用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備互聯(lián)，并利用通信網(wǎng)絡(luò)與諸多現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，獲取配電網(wǎng)實時監(jiān)測信息，經(jīng)傳遞、協(xié)議轉(zhuǎn)換和實時數(shù)據(jù)的管理后，為調(diào)度員反應(yīng)系統(tǒng)的實時狀態(tài)?，F(xiàn)場設(shè)備層實現(xiàn)被控配電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制命令的執(zhí)行，主要由各種監(jiān)控保護終端組成，其中遠(yuǎn)方終端單元(Remote Terminal Unit, RTU)實現(xiàn)四遙功能，配電變壓器監(jiān)測終端(Transformer supervisory Terminal Unit, TTU) 實現(xiàn)對配電變壓器的監(jiān)測，饋線終端裝置(Feeder Terminal Unit, FTU)實現(xiàn)對路線故障的監(jiān)測和控制等。

1.2 公共信息模型

公共信息模型(Common Information Model，CIM)以對象類、屬性和關(guān)系表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)化定義，為電力系統(tǒng)應(yīng)用間信息標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)交互提供了模型基礎(chǔ)。采用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language, UML)為配電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用信息建模，設(shè)計狀態(tài)類和模擬類等主要用于實時信息交互的信息模型，以實時狀態(tài)量測類為例，根據(jù)應(yīng)用需求建立狀態(tài)量測業(yè)務(wù)信息流如圖2所示。

圖2 狀態(tài)量測類信息交互Fig. 2 State measurement information interaction

由通信接口程序經(jīng)規(guī)約報文解析站地址和信號地址，通過狀態(tài)量測類對量測對象定位，然后關(guān)聯(lián)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中動態(tài)量測值，將實時采集得到新值與原值比較和處理，若有變化則替換原值，并記錄時間，并由Web服務(wù)器的監(jiān)控任務(wù)程序?qū)崟r狀態(tài)返回到瀏覽器界面，監(jiān)控界面顯示程序接收新的狀態(tài)數(shù)據(jù)后實現(xiàn)斷路器和隔離開關(guān)等圖元刷新。

公共信息模型的類邏輯關(guān)系較復(fù)雜，各類間存在繼承、關(guān)聯(lián)和聚集的關(guān)系，若調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控畫面圖元較多時，實時訪問和交互處理所產(chǎn)生龐大的信息量就可能使服務(wù)器產(chǎn)生延時甚至阻塞，影響系統(tǒng)的實時性能。因此，需考慮從標(biāo)準(zhǔn)信息模型中提取出高實時性和調(diào)用頻繁的業(yè)務(wù)屬性整合，在圖元和實時數(shù)據(jù)之間，建立適合配電網(wǎng)界面端應(yīng)用的實時數(shù)據(jù)引擎模型。

2 配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)引擎模型

2.1 實時數(shù)據(jù)與圖元的關(guān)聯(lián)

在配電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，為獲得監(jiān)控端快速響應(yīng)能力，實時數(shù)據(jù)不斷傳輸?shù)奖O(jiān)控界面端，若數(shù)據(jù)量過大，在高頻率的輪詢響應(yīng)中，容易造成數(shù)據(jù)響應(yīng)阻塞，影響系統(tǒng)的實時性能。因此，應(yīng)對系統(tǒng)實時傳輸數(shù)據(jù)進行提取整合，將傳輸過程中必要的開關(guān)量、模擬量等動態(tài)信息保留，以減少通信量，達到提高響應(yīng)能力的目的，如圖3所示為低壓斷路器狀態(tài)量的動態(tài)數(shù)據(jù)表和圖元關(guān)聯(lián)配置表。

圖3 狀態(tài)量測的關(guān)聯(lián)表Fig. 3 Related table of status measurement

狀態(tài)量測值表定義了實時圖元信息及其實時數(shù)據(jù)量，圖元關(guān)聯(lián)配置表定義了SVG界面圖元的配置數(shù)據(jù)，并可通過 ID字段與狀態(tài)量測值表相關(guān)聯(lián)，如圖 3中低壓斷路器的 SVG圖元標(biāo)識(SvgID)為“svg01”，利用實時標(biāo)識(ID) “0101”關(guān)聯(lián)到實時數(shù)據(jù)表，從“Real_value”字段即可獲得低壓斷路器的實時狀態(tài)量。配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控界面實時交互的量測對象，是監(jiān)控界面與實時數(shù)據(jù)庫交互的信息載體，擔(dān)任信息傳遞的功能，為提高界面響應(yīng)速度，應(yīng)在包含必要的基本信息的基礎(chǔ)上盡可能減少數(shù)據(jù)量，需利用Ajax數(shù)據(jù)引擎的異步通信機制進行實時交互。

2.2 實時Ajax數(shù)據(jù)引擎

Ajax數(shù)據(jù)引擎的異步刷新機制，建立在不刷新界面的基礎(chǔ)上，而是僅傳輸系統(tǒng)必要的實時交互數(shù)據(jù)，利用界面圖元與Ajax緩存、數(shù)據(jù)引擎與數(shù)據(jù)服務(wù)間的雙向異步調(diào)用與回調(diào)機制，為大幅減少界面請求及數(shù)據(jù)服務(wù)間響應(yīng)數(shù)據(jù)量提供技術(shù)手段，如圖4所示為配電網(wǎng)中站所主接線圖的開關(guān)圖元異步刷新的過程。

圖4 監(jiān)控界面的異步交互過程Fig. 4 Asynchronous interaction process of monitoring interface

配電網(wǎng)監(jiān)控的SVG界面，以線程輪詢方式，通過Ajax引擎以異步方式分時發(fā)出監(jiān)測數(shù)據(jù)請求，大量請求有序發(fā)送且互不干擾，在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端，調(diào)用 Servlet容器的實時數(shù)據(jù)服務(wù)與實時數(shù)據(jù)庫進行通信，在圖元關(guān)聯(lián)配置表中通過狀態(tài)量標(biāo)識SvgID獲得實時關(guān)聯(lián)信息，從而訪問到實時狀態(tài)量表獲得開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，返回Ajax數(shù)據(jù)引擎，使傳送的數(shù)據(jù)僅包括實時狀態(tài)值及標(biāo)識，確保監(jiān)控界面端以盡可能少的通信數(shù)據(jù)量，識別相應(yīng)的圖元信息，經(jīng)緩存對比后，若開關(guān)設(shè)備狀態(tài)有變化，則執(zhí)行回調(diào)函數(shù)將遙信信息傳遞給界面顯示模塊，對監(jiān)控界面的SVG畫面圖元進行動態(tài)渲染和刷新。

3 監(jiān)控SVG界面動態(tài)局部刷新

3.1 可伸縮矢量圖形文檔的生成

可伸縮矢量圖形通過可拓展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language，XML)定義圖元，利用 Adobe Illustrator (AI)的圖符庫、Inkscape和Sketch等專門繪圖工具，可按需定制圖元庫，生成矢量圖形文檔。

電力變壓器、斷路器、隔離開關(guān)和互感器等設(shè)備圖元id標(biāo)識、位置等基本屬性由繪圖工具設(shè)置，設(shè)備圖元填充、渲染等顯示屬性由層疊樣式表(Cascading Style Sheets, CSS)定義，不同CSS文件描述不同設(shè)備圖元，故可按設(shè)備顯示的應(yīng)用需求定制出不同狀態(tài)時的呈現(xiàn)風(fēng)格，將設(shè)備圖元和引用的CSS存入AI圖符庫即可形成設(shè)備圖元庫，繪制主接線圖時直接拖拉圖符，可快速生成監(jiān)控圖形界面。設(shè)備圖元的監(jiān)控業(yè)務(wù)屬性通過設(shè)備屬性定義，如圖5所示。

可由SVG的元素實例化設(shè)備圖元，圖元業(yè)務(wù)信息的交互，通過id屬性關(guān)聯(lián)到設(shè)備屬性中定義的業(yè)務(wù)屬性域，從而將圖元基本屬性、顯示屬性與設(shè)備屬性相連接，據(jù)此向圖元傳遞監(jiān)控業(yè)務(wù)中的實時狀態(tài)值，實現(xiàn)圖元數(shù)據(jù)動態(tài)交互。

圖5 電力設(shè)備的SVG圖形文檔Fig. 5 SVG graphic document of power device

3.2 SVG局部刷新

利用文檔對象模型(Document Object Model，DOM)操作SVG監(jiān)控界面圖元的局部刷新，以部分主接線SVG文檔中低壓母線#1出線的DL001斷路器和降壓變壓器BY001圖元為例，通過DOM解析器，將調(diào)度機界面的SVG文檔解析為DOM模型，調(diào)用解析功能函數(shù)對文檔對象圖元的標(biāo)記和屬性進行解析，獲得Document類型的監(jiān)控主接線SVG文檔根節(jié)點對象，通過圖元標(biāo)識ID，即可獲得對應(yīng)的設(shè)備圖元對象，對設(shè)備圖元進行動態(tài)刷新操作，其流程如圖6所示。

圖6 SVG DOM操作過程Fig. 6 SVG DOM manipulation process

文檔對象模型提供了動態(tài)操作監(jiān)控圖元的接口，為實現(xiàn)監(jiān)控圖元動態(tài)刷新，引入開源SVG組件包Batik。Batik利用面向?qū)ο笳Z言Java提供了一套處理SVG界面程序接口，通過解析器、文檔對象模型和畫布組件等組件，實現(xiàn)對SVG圖元刷新操作。仍以上述低壓母線#1出線的斷路器和變壓器圖元刷新處理為例，如圖7所示。

圖7 SVG界面局部刷新Fig. 7 Partial refreshing of SVG interface

配電網(wǎng)接線圖畫布組件是一個面向應(yīng)用層 UI組件，通過資源地址可引入主接線文檔，作為在主界面上顯示配電網(wǎng)圖形界面的主窗口。SVGDOM是Batik的核心組件，封裝了底層DOM解析器組件，用于對SVG文檔對象進行操作和處理。當(dāng)畫面組件對象引入靜態(tài)文檔時，首先調(diào)用解析器在內(nèi)存中形成對應(yīng)DOM樹，根據(jù)文檔樹根節(jié)點對象，利用圖元標(biāo)識DL001和BY001即可獲得斷路器和變壓器節(jié)點對象句柄。當(dāng)監(jiān)控界面進程接收到系統(tǒng)設(shè)備變化的實時數(shù)據(jù)，觸發(fā)斷路器及變壓器圖元更新的監(jiān)聽事件。

一旦監(jiān)聽到圖元業(yè)務(wù)屬性變化，調(diào)用SVGDOM方法更新文檔對象屬性，對圖元進行動態(tài)渲染顯示，如圖7中斷路器DL001和變壓器BY001圖元狀態(tài)變化。

4 測試

4.1 算例測試代碼及界面

以石德線鐵路10 kV配電網(wǎng)SCADA監(jiān)控工程系統(tǒng)中的良村站為算例，利用GWT框架設(shè)計Ajax數(shù)據(jù)引擎量測類信息流的實時交互接口，進行實時信息交互傳輸，啟動調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)界面，結(jié)合Batik組件進行主接線SVG動態(tài)刷新。

采用Ajax平臺的GWT框架，作為配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控界面端應(yīng)用的 SVG圖元與實時數(shù)據(jù)之間數(shù)據(jù)引擎的實現(xiàn)手段，給出相應(yīng)異步通信的配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控的典型關(guān)鍵測試代碼。

如配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控界面端的量測類信息異步交互的測試代碼如下：

@RemoteServiceRelativePath("hmiService")

public interface HmiService extends RemoteService

{ // GWT 遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)接口

Sdata getSdatas (String stationId);

}

public interface HmiServiceAsync

{ //GWT自動創(chuàng)建一個對應(yīng)的異步服務(wù)接口

void getSdatas (

String stationId AsyncCallback callback);

}

其中 stationId 為當(dāng)前刷新的站所標(biāo)識，Sdata類型對象為異步響應(yīng)所傳輸?shù)牧繙y數(shù)據(jù)集合，包括該站所所有實時設(shè)備圖元信息，在此基礎(chǔ)上完成了調(diào)度監(jiān)控的界面測試，運行界面如圖8所示。

圖8 GWT框架的良村站SVG接線界面Fig. 8 SVG monitoring interface of Liangcun station

4.2 圖元局部刷新測試

對調(diào)度監(jiān)控主接線畫面進行觀測和 SVG圖元操作測試，從監(jiān)控數(shù)據(jù)服務(wù)器中修改電壓模擬量的值和斷路器的開關(guān)量狀態(tài)，模擬變化的遙測、遙信數(shù)據(jù)，觀測模擬量和狀態(tài)量圖元狀態(tài)變化，得到如圖9所示的界面響應(yīng)。

圖9 SVG監(jiān)測信息的界面響應(yīng)Fig. 9 Interface response to SVG monitoring information

由圖9得：當(dāng)實時數(shù)據(jù)庫中的量測變量發(fā)生變化時，調(diào)度監(jiān)控界面關(guān)聯(lián)的圖元顯示顏色和位置狀態(tài)也隨之相應(yīng)變化。

利用前端性能檢測工具Dynatrace Ajax Edition對GWT監(jiān)控SVG界面進行測試，記錄SVG動態(tài)圖元數(shù)據(jù)在引擎中刷新的延時時間，即從界面輪詢發(fā)出異步請求，到服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)在Ajax數(shù)據(jù)引擎中進行緩存比對的，所經(jīng)過的時間長度。通過Dynatrace Ajax Edition的Network 視圖即可觀察界面運行的每個異步請求任務(wù)具體運作時間，包括開始時間、任務(wù)總耗時、網(wǎng)絡(luò)傳輸和等待上消耗的時間等信息，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 SVG界面數(shù)據(jù)刷新延遲Fig. 10 Delay of data refreshing in SVG interface

從圖10可得，SVG圖元界面數(shù)據(jù)刷新延遲控制在百毫秒級，遠(yuǎn)小于工程應(yīng)用中2-3 s的界面分辨率指標(biāo)，保證了配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控SVG圖形界面操作的實時性，可更好地滿足工程應(yīng)用的需求。

5 結(jié)論

1) 采用Ajax數(shù)據(jù)引擎與實時數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)了圖元變化屬性與量測實時對象的關(guān)聯(lián)，驗證了配電網(wǎng) SVG主接線圖的動態(tài)刷新效果和使用SVG圖元進行配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控界面動態(tài)信息快速交互的可行性。

2) 采用 SVG圖元的實時數(shù)據(jù)引擎處理技巧，研究了基于實時 Ajax數(shù)據(jù)引擎的配電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)測界面的刷新延時特性，結(jié)果表明，SVG界面圖元刷新延遲時間處于百毫秒級，對于實時庫中變化的信息數(shù)值響應(yīng)快，得到的界面響應(yīng)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于工程應(yīng)用需求。

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(編輯 姜新麗)

Data engine technology of low delay asynchronous refresh for SVG wiring diagram interface of distributed power network

QU Zhijian, YING Kangxing, ZHAO Liang
(College of Electrical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In order to solve the problem of SVG interface’s slow interaction rate of real-time data and low processing efficiency of real-time information in distributed monitoring applications, a new technology scheme for distributed monitoring SVG interface refreshment of distributed network based on real-time Ajax data engine is studied. From real-time information interaction, real-time Ajax data engine and dynamic refresh control of scalable vector graphics to structure design of switching data and analog data, the key implementation methods for partial refreshment of Ajax data engine and SVG graphic element are given. Take the monitoring interface of distribution network as an example for doing interactive tests of analog quantity and state quantity, which realize SVG partial refreshment of monitoring interface. Tests result for graphic element data show that the refresh delay of SVG interface is about one hundred milliseconds, verifying the fast refresh processing validity of real time data engine in distributed monitoring interface. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51267005 and No. 51567008).

dispatch monitoring system; data engine; SVG; partial refreshing; real-time interaction

2015-10-28；

2016-01-13

屈志堅(1978-)，男，博士，副教授，碩導(dǎo)，研究方向為智能監(jiān)控理論與技術(shù)；E-mail: 08117324@bjtu.edu.cn

應(yīng)康興(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度自動化；E-mail: 1102983344@qq.com

趙 亮(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度自動化。E-mail: 675672037@qq.com

10.7667/PSPC151898

國家自然科學(xué)基金資助項目(51267005,51567008);江西省自然科學(xué)基金資助項目（20161BAB206156）；江西省杰出青年人才資助計劃