黃春紅

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OPC UA及其事件模型在調(diào)度全域事件分析中的研究應用

黃春紅

(國網(wǎng)廈門供電公司，福建 廈門 361004)

研究在調(diào)度全域事件分析中全面應用OPC UA標準。分析當前系統(tǒng)中使用的GES信息模型、服務接口及調(diào)度事件分類，研究通過OPC UA告警和條件等規(guī)范定義的OPC UA事件模型描述調(diào)度全域事件，及通過OPC UA事件服務提供事件訪問支持。對OPC UA事件服務與GES在事件定義和服務能力方面的差異給出了說明。以CIM模式、OPC UA事件分類為基礎，建立事件分析應用的地址空間模型。建立基于OPC UA規(guī)范的事件分析應用，在統(tǒng)一地址空間中管理電網(wǎng)模型及事件等數(shù)據(jù)，完成事件綜合分析。調(diào)度全域事件分析遵循OPC UA規(guī)范，提升了標準化程度、通信效率和安全性。

OPC UA；事件模型；事件綜合分析；電網(wǎng)調(diào)度

0 引言

大規(guī)模電力系統(tǒng)的復雜性使得故障可能單發(fā)、并發(fā)，甚至連鎖發(fā)生[1-3]。防范故障造成損失的一個可行措施是配置各類測量、監(jiān)控系統(tǒng)[4]，獲取多層次電網(wǎng)運行信息為調(diào)度決策提供輔助[5]，以及運用各種安全控制方法[6-7]。其中對電網(wǎng)事件及時做出反應尤為重要，能夠防患于未然或減小損失。文獻[8]研究了基于電力調(diào)度自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的電網(wǎng)事件捕捉方案，文獻[9]根據(jù)故障可能造成的損失對故障進行分類篩選，文獻[10]提出了基于故障影響域的預想故障集自動篩選方法，提升了故障分析計算的效率。文獻[11]則構(gòu)建了調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)，基于公共信息模型(Common Information Model，CIM)[12-13]，統(tǒng)一建模能量管理系統(tǒng)、變電站視頻輔助系統(tǒng)、輸電在線監(jiān)測系統(tǒng)、變電在線監(jiān)測系統(tǒng)、氣象信息系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、故障信息系統(tǒng)、通信監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢信息系統(tǒng)、線路地理信息系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)的電網(wǎng)模型及臺賬數(shù)據(jù)，匯集運行、監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)，以關(guān)聯(lián)區(qū)域為主線，對事件做出綜合的分析和基于融合通信的快速處置，有效地提高了對多系統(tǒng)事件資源的綜合利用和快速響應。

在調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)的事件分類及服務體系方面，已有系統(tǒng)采用的是IEC TC57制定的通用事件與訂閱(Generic Eventing And Subscription, GES)服務[14]。GES規(guī)范通過簡單事件、跟蹤事件和條件事件劃分事件大類，利用區(qū)域、源、源條件等組織告警來源對象和告警條件等，形成了較為規(guī)范的事件描述并通過應用程序接口(API)支持標準化的訪問[15]。但GES與IEC 61970組件接口規(guī)范(Component Interface Specification，CIS)[16]中其他主要數(shù)據(jù)訪問服務一樣，主要考慮在局域網(wǎng)環(huán)境下運行，在通信協(xié)議適應性、安全方面存在一定的弱點，跨網(wǎng)關(guān)的端口設置也相對復雜。OPC 統(tǒng)一架構(gòu)通過定義完整的信息模型、通信架構(gòu)和服務有效地解決了CIS在應用方面存在的問題，這也是IEC TC57決定新一代IEC 61970 CIS全面采用IEC 62541(OPC Unified Architecture, OPC UA)的重要原因[17]。從電力系統(tǒng)管理及其信息交換領(lǐng)域的國際標準發(fā)展來看，基于OPC UA的事件服務將逐步替代GES事件服務，需要在調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)中研究、應用OPC UA事件模型及服務。

本文首先分析GES規(guī)范信息模型、服務接口及基于GES的調(diào)度全域事件分類，之后研究包括告警與條件在內(nèi)的OPC UA規(guī)范，比較GES規(guī)范與OPC UA的事件定義及服務的異同，再基于OPC UA基礎事件模型和數(shù)據(jù)管理方案建立一體化的地址空間模型，全面管理電網(wǎng)模型和事件在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)，在此基礎上綜合分析調(diào)度領(lǐng)域事件，最終構(gòu)建出支持新一代標準的調(diào)度全域事件分析應用。

1 GES信息模型、服務接口及調(diào)度事件分類

1.1 GES信息模型及服務接口

GES信息模型規(guī)定服務器按照固定的數(shù)據(jù)組織方式對外暴露數(shù)據(jù)[15]。

圖1示出了GES信息模型構(gòu)成。上部是對象數(shù)據(jù)層級、對象擁有的性質(zhì)(Property)以及條件組成關(guān)系。一個區(qū)域內(nèi)可以有多個事件源對象，每個事件源對象有特定的類型以及歸屬到類型的性質(zhì)。左下部是條件模型，在條件空間中定義對應于源對象的條件；右側(cè)是事件分類(Category)定義；此外還包含狀態(tài)轉(zhuǎn)移的模型。

GES規(guī)范用接口規(guī)定客戶端與服務器的交互。其中，會話接口用于建立客戶端與服務器的會話，基于會話創(chuàng)建訂閱(Subscription)，以及查詢區(qū)域(Area)、源(Source)、條件空間(ConditionSpace)、源條件(SourceCondition)、分類(Category)、類型和性質(zhì)等。建立訂閱時客戶端向服務器傳遞回調(diào)接口，用于接收各類事件。

GES事件在傳遞時歸納為三大類事件報文，即簡單事件(SimpleEvent)、跟蹤事件(TrackingEvent)和條件事件(ConditionEvent)。簡單事件中的字段作為基本屬性，可被另兩類事件引用。

圖1 GES信息模型

1.2 調(diào)度全域事件分類

調(diào)度全域事件主要包括能量管理(EMS)系統(tǒng)、變電站設備監(jiān)測(OMDS)系統(tǒng)、輸電線路監(jiān)測(OMDSLine)系統(tǒng)、變電設備輔助系統(tǒng)視頻(SubstationVideo)、主網(wǎng)通信(MNet)系統(tǒng)、配網(wǎng)通信(DNet)系統(tǒng)、保護信息系統(tǒng)、輸電線路視頻(LineVideo)系統(tǒng)等等。按照GES的事件分類，將僅反映狀態(tài)變化的事件建模為簡單事件，將各系統(tǒng)中的與操作相關(guān)的事件建模為跟蹤事件，將按條件告警的事件建模為條件事件，同時轉(zhuǎn)換源系統(tǒng)定義的條件。

簡單事件包括模塊運行、負荷預報報告、狀態(tài)估計報告、系統(tǒng)安全審計等事件；跟蹤事件包括升降操作、置點操作、遙控操作、通道操作、掛牌操作、投退設置操作、保護復歸、報警確認、投切操作、替代操作、方案執(zhí)行、設備禁用、數(shù)據(jù)設置操作等等；條件事件包括頻率類、變壓器檔位、斷路器、分接開關(guān)、隔離開關(guān)、(微機)保護、遙測超計劃、遙測越限、線路狀態(tài)告警、變電站視頻告警、通信告警等等。

各類事件擁有的屬性不同，在通過事件報文傳遞事件數(shù)據(jù)時，利用SimpleEvent中的性質(zhì)值變量(property_values)傳遞與事件類別對應的屬性集合。

2 OPC UA規(guī)范及事件模型和服務

2.1 OPC UA規(guī)范

OPC UA是在經(jīng)典OPC DA接口及OMG的DAIS之后，為解決OPC XML-DA的運行效率問題開發(fā)的能適應多種平臺的新一代數(shù)據(jù)訪問規(guī)范[18]。OPC UA利用帶安全的通信通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)在客戶端和服務器間的通信以完成服務調(diào)用，支持基于XML和更高傳輸效率的二進制編碼。

OPC UA滿足兩個方面的核心需求：數(shù)據(jù)建模和分布式系統(tǒng)通信。數(shù)據(jù)建模方面，OPC UA采用面向?qū)ο蟮姆绞浇?shù)據(jù)，具有可擴展的類型系統(tǒng)，能夠處理復雜數(shù)據(jù)和方法，尤其適合與IEC TC57 公共信息模型等面向?qū)ο蟮男袠I(yè)信息模型相配合。分布式通信方面，注重平臺獨立性、互操作性、安全和訪問控制，以及因特網(wǎng)和防火墻友好。其中因特網(wǎng)和防火墻友好這一特性，能夠為系統(tǒng)服務的部署提供極大的便利，也一定程度上克服了之前版本的CIS所采用的CORBA組件在跨防火墻通信方面存在的問題。

OPC UA服務是數(shù)據(jù)提供者(服務器)和數(shù)據(jù)消費者(客戶端)之間的接口。服務以抽象方式定義，涵蓋了模型、歷史、實時、事件訪問等自動化和信息管理領(lǐng)域的常見服務。

OPC UA用地址空間模型說明如何建立數(shù)據(jù)間的組織關(guān)系[19]，在服務整體規(guī)范基礎上[20]，分多個部分分別定義了經(jīng)典接口中模型、實時、歷史、事件等各大類的信息模型和訪問接口。與先前分別在各個服務中采用不同的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理不同，OPC UA在統(tǒng)一的地址空間綜合管理各類數(shù)據(jù)[21]。

2.2 事件模型

OPC UA事件以基本事件類型(BaseEventType)為基類，用多個子類型建模各種事件，包括系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)的方方面面，在兩個規(guī)范中給出定義。其中，第5部分“信息模型”中給出描述系統(tǒng)或裝置自身事件的系統(tǒng)事件(SystemEventType)、審計事件(AuditEventType)、語義變化事件(SemanticChange EventType)和基礎模型更改事件(BaseModel ChangeEventType)等(圖2)。

圖2 OPC UA事件類型概況

通過這些高層次事件類及眾多子類(如已定義的審計事件類型子類超過22個)，覆蓋了系統(tǒng)服務器中模型數(shù)據(jù)變化、安全連接及讀寫審計管理、系統(tǒng)運行等方面。與基于條件生成的事件的“告警和條件”定義單獨放在OPC UA第9部分[21]。

對于電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域而言，告警和條件有關(guān)的事件的重要性要高于其他類的事件。而OPC UA也恰恰在這方面給出了更為詳細的設計。與GES僅規(guī)定了幾個事件大類不同，OPC UA在告警和條件模型中定義了詳細的事件類型繼承樹(圖3)，可以使用類層次中與告警事件對應良好的類型表征事件。

圖3 條件事件類型

例如，限值告警(LimitAlarmType)和離散量(DiscreteAlarmType)可分別用于建模遙測越限和遙信變位等。而當系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移至不正常時，可使用更具體化的SystemOffNormalAlarmType。

2.3 事件服務

OPC UA提供完備的服務集支持客戶端與服務器的信息交互。從大類上看，OPC UA的服務集包括：①?用于發(fā)現(xiàn)服務器的發(fā)現(xiàn)服務集；②?進行客戶端與服務器連接管理的安全通道和會話服務集；③?查找地址空間中信息的視圖服務集和查詢服務集；④?直接讀寫數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的讀寫服務；⑤訂閱數(shù)據(jù)變化和事件的訂閱服務集和監(jiān)視項(MonitoredItem)服務集；⑥?調(diào)用服務器方法(遠程調(diào)用)的調(diào)用服務；⑦?讀取歷史數(shù)據(jù)和事件的歷史數(shù)據(jù)讀取及歷史數(shù)據(jù)更新服務；⑧?修改服務器地址空間構(gòu)成的節(jié)點管理服務集等。

事件訪問需首先定位事件服務(器)，再建立安全的通信通道和會話；之后通過定位地址空間中的事件源對象，確定建立訂閱需要的監(jiān)視項，并設定過濾條件。上述過程中需要使用多個服務集中的服務，但重點是視圖和查詢服務集、訂閱服務集以及監(jiān)視項服務集。

事件源通過查找地址空間中的對象和變量實例節(jié)點獲得。訪問地址空間確定事件源對象僅需在服務器模型數(shù)據(jù)改變后進行。地址空間中的任何作為事件通知器(EventNotifier)的節(jié)點都可以作為事件源對象。一個節(jié)點可以產(chǎn)生什么樣的事件由該節(jié)點所屬類型定義節(jié)點通過“GeneratesEvent”引用的事件類型確定。

OPC UA的事件信息訪問通過建立會話后創(chuàng)建訂閱以及事件監(jiān)視項完成[20]。利用訂閱分組信息源，設定關(guān)注的對象(信息源)；一個監(jiān)視項完成對一個信息源的管理。在創(chuàng)建監(jiān)視項(Create MonitoredItems)時指定監(jiān)視參數(shù)，事件監(jiān)視項參數(shù)的內(nèi)容包括被監(jiān)視對象、過濾器等(表1)。

表1 事件監(jiān)視參數(shù)

每條事件中包含的信息是由事件類型確定的。以基本事件類型實例發(fā)送的事件主要包含的屬性見表2。各子事件類型會根據(jù)自身需求擴展特定的屬性。

表2 基本事件屬性

事件一般在產(chǎn)生時發(fā)送，不在地址空間中建立實例對象。告警和條件類型以及條件實例在地址空間中建模，以響應客戶端設定條件值等需求。

3 GES與OPC UA的事件定義及服務差異

從以上對GES和OPC UA告警與事件模型及服務的分析可以得到GES與OPC UA在事件定義和服務方面的差異。

事件定義方面，GES提供了事件和告警的信息模型，但其通用性和可擴展能力不及OPC UA提供的模型。GES中定義的簡單事件、跟蹤事件可直接用OPC UA中定義的BaseEventType和AuditEvent Type實現(xiàn)。復雜一些的條件事件(ConditionEvent)，則利用OPC UA告警和條件部分定義的Condition Type及其子類實現(xiàn)。在某些已有模型不能覆蓋需求的情況下，可通過派生新子類完成擴展。

服務方面，除了OPC UA比DAIS整體擁有的通信安全、二進制和XML編碼支持、防火墻友好等優(yōu)勢之外，在訂閱和過濾的靈活性方面，OPC UA事件訪問也優(yōu)于GES。GES服務通常由與模型(電網(wǎng)模型等)分立設置的單獨的服務器提供，事件過濾僅針對一個訂閱，無法具體到單獨的監(jiān)視項。OPC UA的事件服務與源對象的地址空間管理體系融合，客戶端不僅可以過濾事件類型，還可以選擇其想獲得的字段，并且過濾可設定到具體監(jiān)視項。這樣就為客戶端的應用提供了更高的靈活性。

4 基于OPC UA的調(diào)度全域事件分析

考慮到OPC UA及事件規(guī)范所具備的先進性，在支持GES的基礎上，調(diào)度全域事件分析服務增加支持OPC UA。所進行的設計開發(fā)包括電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)的OPC UA地址空間組織、事件轉(zhuǎn)換及分析、包括事件訂閱在內(nèi)的OPC UA服務實現(xiàn)等。

4.1 地址空間組織

在OPC UA服務器中，所有為客戶端提供的對象和相關(guān)信息均與服務器的地址空間有關(guān)。

OPC UA地址空間的基本單位是節(jié)點。不同類別節(jié)點包括固定屬性集。其中，定義類型之間關(guān)系的元模型構(gòu)成了地址空間模型。調(diào)度全域事件分析基于IEC TC57 CIM，利用OPC UA的類型擴展性，將CIM中的類、屬性等建模為地址空間模型的節(jié)點，實現(xiàn)基于CIM的調(diào)度全域分析服務地址空間模型。

OPC UA服務器通過節(jié)點間的引用，把地址空間組織成一個孔型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。為了便于客戶端按照常用的場景層次化檢索信息，通常服務器地址空間節(jié)點以層次結(jié)構(gòu)組織。調(diào)度全域分析服務充分利用OPC UA的視圖定義能力和電網(wǎng)模型先天具有良好的層次關(guān)系，建立“站à電壓等級à間隔à設備à量測à量測值”、“線路à設備à量測à量測值”等層次結(jié)構(gòu)與站、線關(guān)聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)合的地址空間。各條件類型與相應的節(jié)點建立關(guān)聯(lián)。

地址空間的構(gòu)建是服務器啟動時根據(jù)視圖設置，通過加載數(shù)據(jù)庫中的CIM對象數(shù)據(jù)完成。作為應用服務器，僅接受客戶端訂閱事件，不接受客戶端創(chuàng)建節(jié)點請求。

4.2 事件轉(zhuǎn)換及分析

調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)、輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、通信監(jiān)測等系統(tǒng)的事件分類建模及匯集，因此，基于OPC UA的事件分析盡管具備從源系統(tǒng)直接獲取事件信息以及基于變化數(shù)據(jù)產(chǎn)出事件的能力，但優(yōu)先采用從已有GES服務提取的事件數(shù)據(jù)。

通過原平臺的GDA、HSDA、TSDA等標準接口獲取電網(wǎng)模型和實時數(shù)據(jù)以及必要的歷史數(shù)據(jù)，將層次化組織的電網(wǎng)模型對象節(jié)點與其支持的事件類型關(guān)聯(lián)，一同構(gòu)成事件分析應用的地址空間。從GES提取的事件累積到事件隊列(圖4)。

圖4 事件分析應用構(gòu)成

事件提取過程中，按照簡單事件轉(zhuǎn)換為BaseEventType和SystemEventType實例、跟蹤事件轉(zhuǎn)換成AuditEventType實例、條件事件轉(zhuǎn)換成ConditionType及其子類實例的映射方式將各類事件轉(zhuǎn)換為遵循OPC UA標準的事件。

分析邏輯由事件隊列中的高優(yōu)先級事件觸發(fā)，將隊列中的事件結(jié)合地址空間中模型以及與事件發(fā)生時刻相關(guān)的實時及歷史數(shù)結(jié)合，構(gòu)成事件案例分析結(jié)果，回寫生成地址空間中的新節(jié)點對象，通過OPC UA接口對外發(fā)布。新案例產(chǎn)生時，產(chǎn)生一條“事件分析案例生成”的系統(tǒng)事件，供訂閱該類型事件(事件分析客戶端等)的應用使用。

4.3 服務實現(xiàn)

OPC UA服務定義應用層的數(shù)據(jù)通信，OPC UA客戶端通過調(diào)用服務的方法，訪問OPC UA服務器提供的數(shù)據(jù)。事件分析應用實現(xiàn)必須的OPC UA服務以支持其他類型的事件應用。

基于抽象的UA服務定義，OPC UA棧定義了語言特定的API。C/C++、Java、C#(.NET)等語言的版本均有經(jīng)OPC基金會認證的軟件開發(fā)工具包。事件分析應用使用Prosys的Java版OPC UA SDK[22]。

基于SDK實現(xiàn)的服務集重點放在與事件訪問相關(guān)的訂閱服務集和監(jiān)視項服務集，同時實現(xiàn)支持事件服務體系所需要的安全通道服務集、會話服務集、節(jié)點管理服務集、視圖服務集。

4.4 測試

OPC UA事件服務發(fā)布后，進行兩種測試：①與已經(jīng)存在的GES訪問對比測試；② OPC UA事件服務標準符合性。由于服務器連接信息已知，測試過程不使用查找服務器相關(guān)的方法(表3)。

表3 OPC UA、GES事件訪問對比測試

利用OPC UA事件服務，對象定位不需使用另外的服務；在使用二進制UA TCP協(xié)議的情況下可獲得與GES等同的效率；良好的安全機制使事件數(shù)據(jù)訪問安全性能得到提升；并可方便地跨防火墻訪問。

OPC UA事件服務標準符合性測試根據(jù)OPC UA協(xié)議子集規(guī)范實施。OPC UA規(guī)定一個應用(客戶端或服務器)需要實現(xiàn)其聲明支持的子集中的所有一致性單元才被視作與標準兼容[23]。調(diào)度全域事件分析服務器聲明支持的協(xié)議子集包括安全相關(guān)協(xié)議子集(SecurityPolicy - Basic128Rsa15、Basic256、None)、標準UA服務器(Standard UA Server)、節(jié)點管理(Node Management Server Facet)、標準事件訂閱服務器(Standard Event Subscription Server Facet)等等。事件服務標準一致性測試重點針對選定的告警和條件(A&C)相關(guān)的A & C Confirm(事件確認)、A & C Exclusive Level(互斥限值告警)等等一致性單元(表4)，共設置58個測試用例。

表4 主要測試用例

測試環(huán)境由仿真源系統(tǒng)、調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)的模型服務器、事件分析服務器以及測試軟件構(gòu)成。具體測試用例的執(zhí)行過程為：①?測試軟件建立到事件服務的會話；②?針對目標節(jié)點訂閱事件(包括條件設定)；③?通過仿真源系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)值變化及模擬遙控等操作，觸發(fā)事件；④?分析比對收到的事件。其中③由人工完成，用于生成與測試用例相關(guān)的事件。全部測試用例運行通過，表明所實現(xiàn)的OPC UA事件服務器能夠以符合OPC UA規(guī)范的方式為客戶端提供事件。

5 結(jié)論

OPC UA(IEC 62541)為電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換提供了新的接口標準。本文以調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)中事件建模、基于事件綜合分析以及提供基于OPC UA的事件服務為切入點，在研究GES事件模型、服務與OPC UA規(guī)范的基礎上，通過轉(zhuǎn)換GES事件并利用平臺系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建了符合OPC UA地址空間規(guī)范的數(shù)據(jù)一體化管理體系，實現(xiàn)了綜合事件分析功能。

事件服務的標準符合性通過測試用例的運行結(jié)果得到驗證，提取到事件分析應用中的電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)以及在分析過程中產(chǎn)生的新事件，均通過OPC UA服務發(fā)布。OPC UA及其事件模型在調(diào)度全域事件分析中的實際應用，證明了OPC UA規(guī)范在電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、事件分析等領(lǐng)域的可用性，提升了調(diào)度全域事件綜合分析和響應系統(tǒng)的標準化程度、跨防火墻通信能力和安全性。

OPC UA提供了從設備到信息系統(tǒng)的全范圍的建模及通信架構(gòu)，本文的應用驗證為在電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域內(nèi)進一步應用該標準打下了基礎。

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(編輯 魏小麗)

Application of OPC UA and its event model in event analysis of dispatch domain

HUANG Chunhong

(State Grid Xiamen Power Supply Bureau, Xiamen 361004, China)

The focus of this paper is on applying OPC UA specifications in event analysis of dispatch domain. GES information model, service interfaces used in current system and categories of dispatching events are analyzed first. Then using event model defined in OPC UA alarm and conditions specification to describe power dispatching events, and providing data access support through OPC UA event service are studied. The differences of event definition and capability of service between GES and OPC UA event services are also discussed. Based on CIM and OPC UA event categories, the address space model of event analysis application is set up. Then the event analysis application is developed to analyze events synthetically, with power grid model and event model managed in unified address space. The event analysis application conforms the OPC UA specification and the communication efficiency and security has been improved.

OPC UA; event model; event correlation analysis; power dispatching

10.7667/PSPC151906

2015-10-29；

2015-12-31

黃春紅(1970-)，女，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化與通信。E-mail:?gkk001@163.com