1 前言

    基于局域网的分布式SCADA系统在我国已经有近10年的发展历史，但是SCADA系统对计算机网络技术的应用则依然停留在很低层次上。在SCADA技术的发展过程中，SCADA系统总是被当作孤立的系统对待，系统互联的问题一向不被重视。近年来，由于计算机在电力企业应用的进一步普及，以及计算机网络技术本身的发展，系统互联已成为一个SCADA系统开发设计人员不得不考虑的问题。
    传统的基于局域网的简单分布的SCADA系统在碰到系统互联时一般采用转发（网络转发或串口转发）的方式来解决。转发方式只能在两个系统间实现少量的数据交换。且转发方式还有一个致命的缺点，就是数据丢失以及因为时间延迟造成的数据不一致性。
    要实现系统互联，SCADA／EMS系统必须在体系结构上要有所突破。在认识上，首先应该把SCADA／EMS系统作为电力企业计算机综合信息系统的一个子系统来看待；其次，系统在体系结构上应该是开放的。笔者认为Client／Server结构
是一种很有发展前途的结构模式。早在1991年就有人对这一结构模式进行探讨研究^{［1］［2］}，这种结构模式的SCADA／EMS系统被广泛认可则是近几年的事^［3］。Client／Server结构的信息处理系统在非实时领域的应用相对来讲要早得多，几年以前它就已经走了最前沿的位置^［4］。实时领域的应用有其特殊性，Client／Server在处理即时告警信息，传递控制命令方面和一般的信息系统相比有着更苛刻的要求，因此必须有适合实时应用特点的Client／Server网络模型。本文主要是针对电力调度自动化系统的特点探讨Client／Server结构的SCADA／EMS系统的网络模型。

2 基于链接的分布式网络系统

2．1服务器字典

    Client／Server模式的SCADA系统在网络结构上是一种基于链接的非透明的分布式系统。它的两层含义是：第一，Client在和Server交换数据以前，必须先同它建立数据链路；第二，Client只有事先知道了Server的逻辑位置（如机器名、IP地址等）才能和它建立链路。Client／Server的这一结　　构特点，保证了数据传输的高效和安全可靠，这是传统的基于广播的简单分布的系统所不具备的。

        但是，数据的使用者一般只关心最后结果，要求他必须知道数据存放在哪一台机器上以及那台机器的IP地址是不切实际的。尤其是当系统具有多个功能服务器时，要使用者知道每一功能服务器的逻辑位置根本就不可能。所以必须为每一台客户机预先设置一张能提供某一功能所对应的服务器逻辑位置的信息表，该信息表可以存放在配置文件中，或数据库表中，我们称它为服务器字典。

　　当客户机很多时，维护服务器字典会非常困难，可以把它放到一台专门的机器中，每一客户机在需要时可以从这台专门机器中读取有关信息。通过服务器字典的使用，数据使用者可不必关心服务器逻辑位置，从而对数据的使用是透明的。

2．2 Client／Server网络模型
        如果每一个应用都和相应的服务器建立一个链接，客户机和服务器之间的链路会非常之多，最后服务器将不堪重负从而降低系统性能甚至于使系统瘫痪。我们设计的网络模型中，每一台客户机都有一个网络服务程序，由它负责从服务器字典中获取服务器逻辑位置的信息并建立链路，而客户机的每一个应用只和本地的网络服务程序打交道。从图1可以看出，每一客户机和服务器之间只有一条数据链路。这是一个两级结构的Client／Server网络模型。客户机本地网络服务器程序是所有客户应用的Server端，相对于整个系统它又是系统Server的Client端。

　　两级结构的Client／Server网络模型，不但减少了Server和Client之间的网络链路的数量，同时也使网络管理变得容易：

　　（1）客户应用不直接和系统Server打交道，从而实现了应用角度数据的透明访问；

　　（2）本地网络服务程序根据需要随时建立或删除和Server之间的链路，以提高网络效率，降低网络负担；

　　（3）双服务器热备份系统中，客户端应用可不关心客户机和服务器之间数据链路的切换，做到切换不仅是无缝的，而且是透明的；

        （4）在具有多个功能服务器的系统中，客户端应用可不关心各个功能服务器逻辑和物理信息。

3  三种类型的数据链路

         SCADA系统为实时信息处理系统，客户机和服务器之间共有三种类型的数据流，它们是实时刷新数据、告警信息和控制信息。和这三种类型的数据流相对应，客户机和服务器之间有三种类型的数据链路（图2）。

　　实时刷新数据是SCADA系统最主要的数据流。数据交换是半双工方式进行的，客户端是服务的请求者，服务器端是服务的提供者。这种一问一答的方式恰恰是Client／Server最擅长的数据交换方式。
       告警信息是一种单向的数据流，服务器是数据的发送方，客户端是数据的接收方。告警信息的出现是随机的，但是一旦需要就必须立即传输，且传输必须绝对可靠，不能有信息丢失。
       传统的分布SCADA系统一般用广播方式发送告警信息报文，发送方可以做到即时发送，但不能保证接收方一定能正确收到，因此常常有告警信息丢失的事情发生。对于Client／Server结构的SCADA系统，由于数据传输是基于链路的，完全能保证告警信息不会丢失。至于如何做到数据传输的即时性，虽然一般的基于链路的网络通信方式（如Socket和NamePipe）均支持全双工方式，但是由于客户端并不是每时每刻都在向服务器请求数据，因此想用一条全双工的数据链路来同时传送实时刷新数据和随机告警信息并不可行。为此，必须为告警信息设一条专门的数据链路，我们称之为告警信息链路，而把传送实时刷新数据的那条链路称作为数据刷新链路。
       控制信息也是一种单向的数据流，和告警信息的不同在于：客户端是数据的发送方，服务器则是数据的接收方。相对来说，它的即时性要求没有告警信息强。
       控制信息的传递必须做到安全和可靠。比如发遥控命令，一般要预先进行座席和用户身份的双重验证，而一旦遥控开始，要求尽量高的遥控成功率。因此必须有区别于数据刷新链路和告警信息链路的第三条数据链据——控制信息链路。控制信息链路只有在需要时才建立，一旦控制过程结束就立即拆除。
4   双服务器热备用系统
4．1双服务器热备用的概念
        服务器（Server）是Client／Server系统的核心部分，系统的稳定与否完全取决于服务器运行是否稳定可靠，所以通常都要配备双服务器甚至于多服务器。作为系统服务的提供者，它的主要角色是功能服务器，包括数据处理和功能响应。
        系统运行时两台服务器应有主次之分，只有一台处于值班状态，另一台则处于备用状态，两台服务器都要进行各自的数据处理，但是只有值班服务器响应客户机的数据请求。

4．2数据同步问题
       前置机虽然也是客户机，但是作为数据的提供者它和其他的客户机是有区别的，既然两台互为热备用的服务器各自都要进行数据处理，前置机和两台服务器分别建立永久的数据链路是合理的，从而每一服务器可以各自独立地获取源数据。

    严格地讲，源数据到达两台服务器的时间并不是完全一致的，但是源数据本身就是时刻变化的，因此并不存在数据同步（或一致性）问题。但是一些统计量数据，如积分量、最大值、最小值、平均值等等，随着时间的推移其不一致性会不断积累，同步问题就变得很突出。是否可以采用备用机不处理，由值班机向备用机直接提供的数据的办法呢？事实上，值班机发生故障时，备用机并不是立刻就能知道的，因此这样做并不合适。比较恰当的方法是，备用机自己也进行统计处理，又定期和值班机进行数据同步。
       双机系统还有个启动先后的问题，先启动的机器肯定是处于值班状态，后启动的机器应立刻和它进行数据同步。

4．3服务器之间的数据链路
        网络链接如Socket、NamePipe等，都有主动方和被动方的区别，两台服务要相互监视对方的状态，因此应建立两条数据链路。每一服务器，对其中的一条链路它是主动方，对另一条链路它是被动方。两条数据链路的方法，能避免两台服务器因自身的原因而争抢值班的现象出现。

    多服务器系统的另一层含义，实际上是一种网络互联的思想。每一个功能服务器和一定数量的客户机组成为一个严格意义上的Client／Server体系结构的系统。如果客户机的身份不是固定的，它可以根据需要在不同时间里登录到不同的功能服务器上或在同一时间里登录到几个不同功能的服务器上。这样，几个不同功能的服务器和一定数量的客户机即组成了功能分布的基于Client／Server体系结构的多服务器系统。由于计算机应用的普及，SCADA系统只是电力行业综合信息系统的一个子系统。一方面，各个部门都要共享SCADA数据：另一方面，调度部门也有访问其他部门信息的要求。Client／Server结构的多服务器系统正是基于这样的要求提出来的。这里，各个功能服务器实际上就是电力企业综合信息系统的各个系统（如MIS系统，用电管理系统、SCADA系统等等）的功能服务器。再推广一步，基于这一网络模型，电力企业上下级之间的网络互联也变得轻而易举。
　　理论上，多服务器系统的全部服务器和客户机组成一个局域网系统是可行的。但在实际应用中必须考虑网络瓶颈问题，所以根据地理位置、部门划分、信息传输量和实时性要求等考虑网络分段是必要的。

6  实例分例
        基于上述设计思想，以Windows NT为操作系统平台的Super－2000 SCADA／EMS调度自动化系统已经开发完成。该系统SQLServerfor NT为系统数据库平台，实时数据库则是在SQLServer基础上自行开发的，两者都符合Client／Serve结构要求且满足商用数据库应用规范。网络实现上，系统采用NamePipe和Socket构筑链路。该系统已在全国四十多家电力企业（包括省调、地调、县调和变电站、发电厂）投入实际应用，系统能很好地满足用户需求，且运行情况良好，得到了用户的好评。
        图4是Super－2000系统一个典型应用的结构框图。一个电力企业一般包括MIS系统，SCADA／EMS、电量结算系统等多个系统，Super－2000 SCA－DA／EMS和各个子系统都有联系，它们之间的关
系是：
（1）MIS系统可以访问Super－2000的实时数据和历史数据。
（2）Super－2000的客户机可以访问MIS系统的设备管理信息。
（3）电量结算系统从Super－2000获取部分实时信息。
（4）Super－2000的客户机可以访问电量结算系统的有关信息。
（5）Super－2000和集控站系统互相交换实时数据，调度员可以通过Super－2000的客户机或直接通过集控站操作控制系统向变电站发控制命令。
（6）WEB服务定期从MIS和Super－2000读取数据向Internet发布信息，这样世界各地的任何地区Internet用户可以浏览MIS和SCADA系统的有关信息。

（7）上级电力调度自动化系统通过专线和Super－2000系统相连，在这一功能上前者是后者的一个客户应用。同样后者也可接收前者的有关信息。

（8）远程客户机和家庭工作站通过拨号MO－DEM获取所有子系统的有关信息。理论上拨号MODEM可以挂接在SCADA子系统或MIS子系统上，也可以接在其他的子系统上。

    以上实例的成功应用表明，基于Client／Serv－er结构的SCADA／EMS系统具有广泛的适用性。同时也说明，本文提出的网络结构模型是切实可行的