1　引言

　　调度自动化系统经过20多年的发展，已从单机集中式的系统发展为开放、分布式的系统，涵盖了SCADA，EMS，DTS，DMS等用于实时调度、培训和管理等领域的功能^［1～6］。随着系统功能的不断增多、应用领域的不断拓宽和系统规模的不断增大，调度自动化系统对其支撑平台和开发环境的要求也越来越高。在现阶段可以认为，支撑平台的水平决定了一个调度自动化系统是否成功，而以往的系统限于历史条件，大多是面向具体的功能应用设计、开发的，其系统的开放性、可扩充性和二次开发等方面都存在着严重的不足。研究和开发具有自主版权的高水平的、适用面广的调度自动化系统的支撑系统已成为具有很好社会效益和学术价值的课题。
　　调度自动化系统的发展与现代计算机技术的发展是密切相关的，进入90年代以来，EMS呈现出以下发展趋势：
　　(1)由封闭、专用型向开放型转变
　　开放的系统是按照开放的接口、服务和支持的规范而实现的系统。开放的系统^［1,12］具有可移植性、可伸缩性和可互操作性的优点。一个开放的支撑系统首先应支持应用层的开放，这恰是以往系统最薄弱的方面。
　　(2)分布式的体系结构
　　分布式系统^{［1,2,10,12,13,15］}采用标准的接口和介质，把整个系统按功能解裂分布在网络的各个节点上，数据实现冗余分布，提高了系统的整体性能，降低了对单机的性能要求，同时提高了系统的安全性和可靠性。并且系统的可扩充性增强，使局部功能升级成为可能。
　　 (3)采用面向对象技术
　　面向对象技术由面向对象分析(OOA)、面向对象设计(OOD)和面向对象实现(OOP)三部分组成。面向对象技术较好地解决了70年代的软件危机，该技术的广泛应用导致了软件工程的一次深刻变革。由于对象具有数学模型较稳定、接口简单、规范等特征，且开发出的软件的可复用性、可扩充性和可靠性都有明显的提高，所以面向对象技术适合于大型软件系统的开发^［1］。
　　(4)SCADA/EMS/DTS的一体化
　　SCADA、EMS和DTS这3套系统实际面向的是同一个物理对象——电力系统，它们本质上是同一个物理对象在不同方面的应用。SCADA/EMS/DTS系统的一体化已成为发展的趋势，它有利于三者之间的资源共享，如可实现统一的数据库、人机界面和应用程序等。用户只需维护一套SCADA/EMS/DTS共享的图形数据库，无需烦琐地维护系统接口，因而降低了维护费用和维护难度，并为后续的发展打下良好的基础。
　　(5)新一代的网络操作系统、网络技术和商用数据库的应用
　　新一代网络操作系统Windows NT的出现，因其与具有Windows统一的友好的图形用户界面，丰富的应用软件和开发工具，以及良好的实时性和可靠性而受到各界用户的青睐^［7,10］。Windows NT以很快的速度占领了相当的市场份额。如何在Windows NT操作系统上研制和开发新型的调度自动化系统已成为该领域的一个热点课题。
　　计算机网络技术^［8］是当今正迅速发展的新兴信息科学技术之一，是计算机、通信电子学、光电子学、多媒体技术等学科相互渗透发展而成的一个新的学科分支。以100　Base-T快速以太网、ATM(Asynchronous Transfer Mode)网络、帧中继技术为代表的新一代网络技术，以其高速的传输速度和大大缩短了的传输时延为新一代调度自动化系统良好的网络集成方案和远程通信、远方诊断技术提供了后盾。
　　在调度自动化系统中采用分布式的实时数据库与客户/服务器(Client/Server)体系的商用数据库有机结合的方式，成为调度自动化系统发展的另一趋势。一方面，近年来在高速网络技术的推动下，基于Client/Server体系的分布式大型商用关系库发展迅猛；另一方面国内一些厂商在这方面也进行了一些有益的尝试^［1,9］。这种方案可以很好地解决调度自动化系统实时数据和离线数据的分布存储、网上一致性维护、安全性以及调度自动化系统中的资源开放性等问题。
　　由此可见，新一代调度自动化系统的特点是，采用面向对象技术，基于开放系统标准、分布式体系结构的一体化SCADA/EMS/DTS，广泛采用Windows NT 、高速网络技术和大型商用关系库，以及标准的GUI人机接口等技术。

2　系统的总体设计

　　在设计该系统时笔者充分考虑了以往系统在操作系统选择、分布式支撑环境、实时数据库设计和开放性等方面存在的不足而重新进行设计，着重解决系统应用层的开放性问题。
　　本系统遵循开放式系统标准并采用分布式体系结构。系统硬件平台为Alpha/IBM/HP工作站、Power PC或高档微机，采用Windows NT网络操作系统和高速以太网，支持多种网络协议如TCP/IP、X.25等。由于硬件设备及接口、系统结构、操作系统和网络通信协议均建立在国际工业标准基础上，因而具有良好的开放性，有利于保护用户的软件投资，有利于系统功能的进一步扩充。系统采用面向对象的程序设计方法(Object-Oriented Programming)和Peer to Peer与Client/Server相结合的系统结构，并实现了实时数据库和商业关系型数据库的无缝集成，从而使系统具有更高的可靠性、灵活性和开放性。该系统是一个基于事件驱动，通过一个称为“在线服务器”的软总线来组织处理、协调分布式事务，使得系统的各个模块完全解耦，分布性能进一步得到提高。
　　支撑系统主要包括分布式系统运行环境、数据库管理系统、人机界面系统和分布式系统管理、监视与通信服务等4大部分组成。

3　分布式系统运行环境

　　分布式系统运行环境主要包括分布式系统的帐号与安全管理、时钟管理和软总线3个部分，本系统采用Peer to Peer与Client/Server有机结合的系统结构模式。
　　分布式系统的帐号与安全管理、分布式系统的时钟管理分别为系统提供安全管理和全网时钟同步。作为软总线的核心的在线事件服务器分布于网上各机节点上，为分布式实时运行环境提供在线事件服务。
　　在线事件服务器采用了一种具有三层结构的客户/服务器的体系结构，它起着系统神经中枢的作用。事件是系统的神经脉络，各种各样的事件在各子系统中按预定的轨道流动，建立各应用系统包括各个节点的系统之间的联系纽带，互相交换控制信息，实现各应用系统之间的解耦以及进程协调调度，从而正确完成系统的整体功能。事件分为本地事件、全局事件和点对点事件，本地事件为本地节点内部进程间传递的事件；全局事件为需向全网广播的事件，此类事件先送入本地的事件服务器，再由服务器通过广播报文向全网广播；点对点事件即需发送给指定的另一节点的事件，此类事件先送入本地的事件服务器，然后由服务器通过面向连接的TCP协议向对端发送。事件处理主要功能是对来自各方的事件进行串行化，然后即时驱动事件串行或并行动作，或分发给下一级的事件代理服务器。
　　这种设计不仅使得系统的各个模块完全解耦，而且分布性能进一步得到提高。另外系统的各大模块的功能可以任意装卸而不影响系统的稳固性，如：系统可以装配SCADA、PAS和DTS的功能以及它们之间的任意组合。

4　数据库管理系统

　　目前，调度自动化系统中采用商用关系型数据库已成为潮流。但是在当前的软硬件环境下，直接使用商用关系型数据库还不能满足电网实时系统的快速响应要求。因此，既保证实时性又满足与外部系统接口的标准性和开放性是需要认真解决的问题。本系统采取了SQL Server与实时数据库集成开发的策略。其中，实时数据库用以支持应用程序对数据访问的实时性，商用库用以支持实时库的一致性、支持电力系统模型数据和历史数据的存储与恢复、报表、曲线、饼图、棒图与历史数据的接口，以及支持外部系统的标准ANSI-SQL访问。
　　其中的实时数据库管理系统具有以下特点：
　　(1)提供多数据集(dataset)　数据库管理系统提供多数据集，不同的数据集可以应用于不同的工程和应用，互不干扰。该功能使得系统工程版本的维护变得很方便。
　　(2)提供数据库的多家族机制　每个数据库都支持多家族，同一数据库模式下的不同家族的数据库，数据结构完全一致，但内容可以保持独立。同时，这些从属于同一数据库模式的数据库可以自动实现相互镜象。该特性能很好地支持EMS中实时态和多个研究态应用的问题。该类应用中，程序是完全相同的，只需切换数据库的家族即可实现各个运行状态之间的切换，而且数据库之间的数据交换可以通过镜象功能自动实现。
　　(3)实用方便的建库、维护、修改和查询手段　具有全图形化的工具，进行数据库的建库、维护。并提供了在线修改和查询数据库的图形工具，为现场调试和用户的日常维护提供了指导和便利。
　　(4)满足电力系统网络分析的要求　数据库提供了二维字段和一些特殊的记录，很好地满足了EMS中大型矩阵计算的要求。
　　(5)数据库访问快速、满足实时性要求。
　　(6)满足在线应用程序快速计算而提供的直接物理地址访问和共享机制。
　　(7)多任务的并发控制机制，保证读写操作的有效性和正确性，不致因同时访问而造成紊乱、冲突。
　　(8)提供通过字段名访问数据库的标准接口　提供了用户访问数据库的透明接口，满足用户进行二次开发的需要。
　　(9)各节点数据库的数据同步功能　通过软总线事件分发的方式，为数据库间的同步提供了强有力的支持。
　　(10)与标准或兼容的SQL商用数据库的通用接口，实现实时库与商用数据库的有机结合、优势互补。

5　人机界面系统(MMI)

　　本系统的MMI采用Windows多文档(MDI)结构，全图形界面GUI技术，为SCADA/EMS/DTS的各类用户提供了方便、灵活、直观的显示、操作手段和统一的感观。风格与用户熟悉的Windows 95 界面完全一致。本系统的MMI充分利用Win32抢占式多任务多线程、受保护的平坦内存、新型的图形用户界面、MFC文档/视结构框架等多项先进技术，完全采用面向对象技术，开发工具选用Visual C/C++5.0，由于VC提供了与Win32 API紧密结合的类库MFC(Microsoft Foundation Class)，使得在处理Windows消息编程机制方面，有助于编写更为精炼、高效、可靠的代码。
　　图形系统运行状态可分为两种：维护态和运行态。在维护态下，图形系统提供了SCADA、EMS和DTS的维护功能。运行态分为SCADA、EMS、DTS 3种工作方式，在各种方式下提供各自完整的功能。只要用户拥有足够的权限，就可以方便地在这几种状态之间进行切换。这种集成的开发方式主要基于以下几方面的考虑：
　　(1)体现一体化集成的开发策略。
　　(2)减少开发代价，因为3套系统具有很大的相似性，可以公用大量的程序代码。
　　(3)3套系统面对的是同一类用户，可共享硬件资源。
　　(4)易学易用，这种方式给用户的感觉是3套系统只是1套系统的3个大功能模块。它们具有统一的运行环境、统一的风格并且系统间的切换极其简单。
　　系统人机界面MMI主要包括两大部分：图形系统和报表、曲线、饼图、棒图系统。图形系统是MMI系统的核心，提供了一个具有Windows95/NT风格的功能强大的全图形画面编辑器，并吸收了常见的绘图软件(如PAINT，AutoCAD)绘图及编辑的一些优点。图形编辑器尽量使用户使用自然、方便的操作方式，交互方式以当今流行的鼠标操作为主。图形系统还提供了“把柄”(handle)、物体捕捉(snap)、网格定位(grid)、撤消/恢复(undo/redo)操作、用户自定义线型以及图元的分层存储和管理等功能，这些辅助功能大大提高了绘图操作的效率。
　　在设计图形系统时，本文着重解决了图形系统的二次开发问题，这是应用层开放性的一个重要方面。动态数据和图元动态属性是SCADA/EMS/DTS反映电网状态和分析结果的最常用和最直观的方法。怎样做出一个通用的留有用户自定义的接口是非常重要的。传统系统中，图元动态属性、动态数据和数据库的接口是对用户完全封闭的，完全是一种开发者在程序中的一种自我约定，所以可扩充性差。本工作的目的是把电力系统运行状态在图形系统中的表现方式和表现内容完全交予用户，用户可以配置出最适合自己需求的界面；另外，为开发者开发新功能提供方便，无需进行繁琐的编码。这是一次开发、多种应用的问题。为此，本系统引入了动态引擎的概念,它是驱动图元动态显示数据库中对应数据或状态的对象。动态数据条件引擎和动态图元条件引擎统称为动态引擎，它由逻辑表达式、实时数据库访问接口和相应驱动机制组成，用户可以方便地针对不同的设备类型定制各自的动态引擎。另外，图形系统还提供了事件触发器，每一个触发器对应一个全局事件或本地事件，如调用一幅画面等，使得系统功能的扩展变得相对容易。
　　系统提供智能化的图上电网拓扑结构自动生成功能。可根据厂站主接线图的连接关系自动搜索生成电力系统网络的拓扑结构，避免用人工输入拓扑信息，实现了基于电力系统拓扑的“所见即所得”。
　　另外，系统还提供WWW方式的浏览工具。该工具利用ActiveX控件技术，把原有的图形功能封装在ActiveX控件中，作为浏览工具中的图形功能，因而使浏览工具与系统的图形功能保持一致并可实现同步升级，充分利用系统的原有代码资源。该浏览工具使得用户可以在离线MIS网上浏览调度自动化系统中的实时信息。

6　分布式系统管理、监视与通信服务

　　分布式系统管理、监视与通信服务是分布式系统安全、可靠运行的关键所在。本系统的特色功能有：
　　(1)实时态、研究态、维护态三态运行模式
　　分布式系统可划分为在线和离线两种运行方式。在线运行方式下，通过实时库提供的多家族机制，可将系统分为实时态和研究态运行模式，两种状态对应的数据库结构与系统配置完全相同，主要区别是数据来源与目的不同，所有在实时态能进行的数据操作和运行的程序都能在研究态进行。离线运行方式下，系统处于维护态，可对系统进行维护操作。实时态、研究态、维护态可共存于同一节点，也可在分布系统节点上选择配置并进行三者间的切换。
　　(2)分布式系统数据的版本管理
　　数据版本管理主要包括静态参数(电网建模数据)、图形文件和在线维护操作的一致性管理。所有静态参数通过进入SQL Server库的方式，以Client/Server模式达到各节点的数据共享。在线维护操作通过广播报文保证全网的即时一致性，同时存入SQL Server关系表，保证后启动的系统获得原在线维护操作的记录数据以达到可延续的一致性。图形文件版本通过在SQL Server中建立图形文件版本管理索引表的方式，指明存储最新版本的图形文件所在的主机名，任何工作站打开任一厂站图时均授权存取，并将对应最新版本的图形文件备份至本机，从而提高了图形文件的安全性。
　　(3)分布式系统监视与报警机制
　　系统监视包括对系统软、硬件、网络互联设备以及系统性能的监视。系统报警可以将电力设备运行状态变化、模拟量越限、特别的操作员操作、应用程序非正常执行及异常结果，以及系统运行中的其它非正常状态，以报警的形式表现出来，可以伴以语音报警在屏幕上显示，以引起操作员的注意，也可以打印输出。
　　(4)分布式系统的通信服务
　　通信服务是分布式网络支撑环境的不可缺少的部分。通信服务通过在线服务器提供SCADA/EMS/DTS各子系统之间的数据通信。所有的通信服务都实现冗余多网络的可靠通信。也就是说，系统中配置了多条相互独立的局域网，只要一条通信回路正常就可以保证数据的正确到达。

7　系统的运行模式

　　如图1所示，新一代调度自动化系统是一套集SCADA、EMS和DTS三大应用系统于一体的集成系统，SCADA、EMS和DTS共享一套数据库管理系统、人机交互系统和分布式支撑环境。三者既可集成在同一节点上，也可分散驻留于不同节点，配置灵活，每个单独的系统都可独立运行。
　　从图1可看出，系统由3个网组成：前置网、实时
双网和DTS网。两台互为热备用的前置机挂在前置网上，与多台终端服务器共同构成前置数据采集系统，负责与远方RTU通信，进行规约转换，并直接挂接在实时双网上，与后台系统进行通信。实时双网组成后台系统，它负责与前置数据采集系统通信，完成SCADA的后台应用和EMS分析决策功能。根据职责和功能的不同，实时网上可以配置系统维护工作站、调度工作站、运方分析工作站和保护科分析工作站，各类工作站的数目可依据实际需要进行配置。DTS网是调度员培训系统的内部网，它通过DTS的教员工作站与实时双网相连。其中DTS的教员工作站在这里同时起一网桥的作用，DTS网可直接取用实时网上的实时数据进行培训。DTS网与实时网上的数据互不干扰，减轻了网络的数据流。另外在实时网上配置了一个WEB服务器，企业MIS网上的用户通过它可以实现对实时网上的数据和画面的浏览。

图1　新一代SCADA/EMS/DTS一体化系统网络方案网
Fig.1　Network diagram of new integrated SCADA/EMS/DTS system

　　商用关系数据库系统(SQL Server)采用多客户/(主、备)服务器模式，数据库服务器节点由一主一备结构构成，主数据库服务器定期向备份数据库服务器复制数据，以提高系统数据的安全性和可靠性。
　　在系统中，一般SCADA和EMS是共存于同一主机的，这样，用户可不必面对过多的显示器，同时也减少了硬件配置。当然EMS也可独立运行，此时系统要求启动SCADA的实时数据库和实时数据接收等后台功能。由图1可见，系统中的SCADA和EMS的服务器是共享的，并且互为热备用。这种配置既可减少投资又不降低系统可靠性。本系统中SCADA服务器还兼具历史和通信服务器的功能。
　　该系统结构具有以下特点:
　　(1)主网结构采用双LAN，提高了网络通信的可靠性。
　　(2)按功能和信息流向分组、分层，将前置机处理系统和SCADA、EMS后台应用以及DTS应用各自分别连接至一独立LAN上，连接隔离可减少网上报文“碰撞”机会，提高了主网络系统的传输效率。
　　(3)主、备数据库服务器(SQL Server)通过第三网络接口板连接至企业 MIS，实现与外部系统的开放数据访问。
　　(4)关键节点均采用主-备结构的双机热备份冗余配置，当一节点故障时，另一节点升级为主务器。如SCADA服务器，数据库SQL Server服务器均采用分布式主-备结构的冗余配置。
　　(5)DTS态时，EMS和SCADA人机工作站作为学员端需从电力系统模型(PSM，Power System Model)取得仿真电力系统模型数据，PSM通过DTS LAN以广播方式向EMS、SCADA工作站学员端提供数据，这样将通信流量较大的PSM广播负载从主网(双LAN)中隔离开来，大大减小了主网上网络通信的数据流量，提高了网络效率。PSM可方便地取得实时数据，且各人机工作站(EMS，SCADA)可灵活地根据数据源的不同(电力系统实时数据和PSM数据)在EMS态和DTS态进行切换，这样可以实现在同一节点上同时运行SCADA、EMS和DTS三大应用功能的目的。
　　(6)前置系统由标准的终端服务器组成。这种配置不仅可扩充性好，而且可以用通道之间的软件切换替来代传统的硬件切换，提高了可靠性。

8　结束语

　　本文设计和开发了一套基于Windows NT操作系统的SCADA/EMS/DTS一体化支撑平台，包括分布式系统运行环境、数据库管理系统、人机界面系统和分布式系统管理、监视与通信服务等4大部分。该平台在操作系统的选用、一体化、开放性等方面进行了新的尝试，特别是从平台的体系结构上，为降低调度自动化系统的维护难度和维护费用进行了优化。实践证明，该系统在技术和实际应用方面都是成功的。
　　选用该平台的江苏省南通地区电网的EMS/DTS一体化系统，已在1998年8月投入实际运行。该系统实现的应用功能有：网络拓扑、状态估计、负荷预报、在线潮流、静态安全分析、自动故障选择、校正对策分析、无功优化、故障计算和调度员培训仿真等。

参考文献

1　Zhang Boming,Deng Youman,Sun Hongbin et al.An open and distributed energy management system advanced applic

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