摘　要　描述了近年来计算机、数据网络、图形处理、数据库、因特网和WWW、人工智能、分布式RTU、API、JAVA、电力市场等方面的技术进展，并据此提出了新一代电网调度自动化系统的设想，描绘了该系统的轮廓和主要特征，以及如何实现向新系统的平滑过渡。
关键词　能量管理系统　面向对象技术　人工智能　因特网
分类号　TM 734

　　电网调度自动化系统发展到今天已经三代。70年代基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统称为第一代，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统；80年代基于通用计算机的EMS称为第二代，如四大电网、南方、广西、贵州、四川、云南等单位采用VAX/VMS的SCADA/EMS系统；90年代基于RISC/UNIX的开放式分布式EMS/DMS称为第三代，如国家电力调度通信中心、福建、山东、西北、宁夏、湖北、湖南、安徽等单位引进的SCADA/EMS，电力科学研究院和东北电力集团公司合作开发的CC—2000系统，电力自动化研究院开发的RD—800系统、OPEN—2000系统、SD—6000系统等，第三代系统已发展了近10年。随着计算机、数据网络、数据库等技术的飞速发展以及电力市场的要求，第四代电网调度自动化系统的基础条件已经具备，预计将于21世纪初诞生，该系统的主要特征是采用JAVA、因特网、面向对象等技术，综合考虑电力市场环境中的安全运行及商业化运营的要求。

1　计算机技术

　　计算机技术这几年一直按摩尔（Moore）定律发展(参见图1)：处理器运算速度平均每1.48年翻一翻。现在高端服务器的运算速度已达每秒十亿条指令，内存已达若干吉字节(GB)，是10年前的上千倍。原来用于巨型机、大型机的技术已下移至服务器甚至个人计算机。精简指令计算机（RISC）继续飞速发展，超流水线结构的MIPS R4000，超标量结构的SUN Super Sparc，超标量、超流水线结构的DEC Alpha，双流水线超标量结构的Intel Pentium，等等，技术上各具特色，市场上各领风骚。64位CPU和多处理器体系结构已在服务器领域占主导地位。
 

图1　计算机技术发展示意图

　　计算机技术的飞速发展对电力系统计算产生深刻的影响，原来需要巨型机或大型机的电力系统计算，现在用台式机就可完成；原来用于离线计算的方法，现可移植于在线计算，甚至实时计算。

2　操作系统

　　第三代电网调度自动化系统的开放性主要依赖于UNIX操作系统的开放性。10年来，UNIX操作系统在微内核、实时处理、对称多道处理（SMP）、多线程支持、POSIX支持、系统管理的图形化、容错处理、安全可靠性等方面都取得了长足的进展。尽管Windows NT仅运行在Intel和Alpha芯片平台上，然而NT的发展与成熟的确对UNIX世界构成了威胁，但目前NT版本还不支持多用户及POSIX接口，且易受病毒的侵袭，后续版本会逐步改善。NT的技术性能正在渐渐赶上UNIX，但NT的独家垄断特性却与UNIX的开放性相距越来越远，尤其是Linux流行以来。Linux是现年28岁的芬兰赫尔辛基大学的Linus Torvalds于1991年在读大学时自己编写的一种可以自由使用的UNIX操作系统，其源码放在Internet上，吸引了大批有兴趣的高手共同开发，不断完善，将NT的易用性和UNIX的可靠性结合起来，将X—Window/MOTIF接口与UNIX功能结合在一起，被认为是当今UNIX的最好实现。Linux以其彻底开放的开发方式著称于世，并因免费使用而迅速普及，许多软件厂家已宣布支持Linux，这匹黑马的出现对NT无疑是沉重的打击。Linux对于把基于UNIX的成熟的SCADA/EMS/DMS系统移植到地、县调系统有重要意义。

3　网络技术

　　局域网（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年来，基于CDMA/CD以太网的传输速率已由10 Mbit/s发展到100 Mbit/s，甚至达到1000 Mbit/s；传输介质从细缆（10BASE2）、粗缆（10BASE5）、双绞线（10BASE—T），发展到高速双绞线（100BASE—T）等；传输方式由共享总线式、集线器式，发展到交换式集线器、LAN交换、ATM交换等。交换式局域网改变了新型EMS的体系结构，由总线型发展为以LAN交换为核心的多总线结构，按功能分组，采用更多的网段，网段内共享，网段间交换。如图2所示。
 

图2　总线型EMS与交换型多总线结构的EMS
Fig.2　The bus architecture and switching multi-bus
architecture of EMS

　　在广域网方面，ATM（异步传输模式）技术已占绝对优势。随着电力系统光纤通信网络的发展，155 Mbit/s甚至622 Mbit/s的ATM网络将逐步普及，国家电力数据网络（SPDnet，原称CEDnet）将发展到一个新阶段，初步实现电力系统信息高速公路。异地EMS/DMS的互连将像本地系统互连一样，可形成地理分布式调度自动化系统，国外称Multi-Site EMS，其中地理分布式应用功能（如分布式潮流计算、分布式网络分析、分布式AGC等）正在研究之中。利用高速数据网络还可很方便地实现对无人值班变电站的“遥视”功能，以及上下级调度之间的可视电话或“可视调度”。

4　图形图像技术及多媒体技术

　　多媒体是一个令人激动的领域。多媒体的迅速发展对计算机处理能力和网络传输能力提出了更高的要求，尤其是对显示卡的图形处理能力要求更高，256色在演示动画和视频方面已显不够，需要发展16位真彩或24位真彩。各种图形加速卡发展很快，Intel公司甚至把基本图形向量处理功能放进微处理器芯片之中（MMX）。虚拟现实技术（灵境技术）在模拟仿真领域大显身手，但在电力系统中的应用正在研究。眼镜式立体显示器已开发成功，将会逐渐改变人类的生活方式。语音识别和语音合成技术已在电网调度自动化系统中用于调度员语音识别、语音记事、语音告警，甚至语音操作等。
　　多媒体软件的发展对电网调度自动化系统人机界面（MMI）的开发促进很大。多媒体平台Authorware，Director，Toolbook等；向量图制作工具CoreDraw，Freehand等；图形编辑工具Photoshop，Photostyler等；动画制作工具Animator Pro，Animator Studio，3DS，3DSMAX等；图形开发工具Power Builder，Delphi等；地理信息系统Mapinfo，ArcInfo等，都已相当流行。新一代电网调度自动化系统将可能直接或间接利用这些流行工具，或将其结果转换为公共格式或内部格式。

5　面向对象技术与数据库技术

　　面向对象技术在软件的重用性、继承性、封装性、开放性及软件工程等方面带来革命性的影响，已经深刻影响软件系统开发设计的各个方面，如面向对象的分析、面向对象的设计、面向对象的编程等。真正面向对象的数据库却进展不快，Informix是最早在关系数据库上实现面向对象功能的数据库公司，后来Oracle和Sybase也逐步支持面向对象技术，但其本质还是关系型数据库。Object Store是真正面向对象的数据库，早期产品效率不高，现已达到实用水平。面向对象技术的迅速普及与面向对象的语言C++和JAVA的飞速发展有很大关系，也与标准对象建模语言UML（Unified Modeling Language）的出现有关。UML以面向对象的方式描述各种类型的系统，适应于需求分析、编程编码、系统测试等软件工程的各个阶段，可对各种具有静态结构和动态行为的系统建模。IEC 的“电力系统公共信息模型”CIM（Common Information Model）就是用UML描述的。CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作为面向对象的数据访问接口标准已被广泛接受。新一代电网调度自动化系统应该全面采用面向对象技术,支持面向对象的标准。

6　分布式远动技术

　　分布处理的思想已经渗透到自动化系统的各个领域，远动系统（RTU）近几年有两大技术突破：一是功能分散配置；二是交流采样。分布式RTU一般都采用现场总线（如CANbus，LONworks等），支持光纤或双绞线，各功能单元可分散装设在一次设备旁边，可减少大量二次电缆，接线既简单又可靠，具有标准接口及开发工具，标准化程度高。分布式RTU与厂站自动监控系统结合，可取代大量常规表盘，便于维护，降低成本。由于分布式RTU可能装设在户外，所以对环境适应性要求比常规远动高。与主站的通信虽仍支持常规远动规约，但已转向计算机数据通信协议，主站端前置处理机应能适应这种发展。

7　人工智能技术

　　人工智能技术对调度自动化系统将产生深刻的影响。人工神经网络技术已成功用于智能告警处理、负荷预报、模式识别等。知识库系统和专家系统在电力系统的应用也取得很大进展。人工智能的思想已在不少软件系统中闪烁火花，如清华大学开发的PANDA系统中的“图形数据一体化”技术、电力自动化研究院开发的SD—6000系统中的“图模一体化”技术、国家电力调度通信中心开发的FEQ2000系统中数据库与系统图全自动生成技术等，可大量减少系统生成和维护的工作量，向“傻瓜系统”迈进了一步，深受使用者欢迎。

8　应用编程接口（API）标准

　　为了保证自动化系统的开放性，实现系统之间的互操作和功能的“即插即用”，国际电工委员会第57技术委员会第13工作组（IEC TC57 WG13）正在制订一系列国际标准，本文作者为该工作组成员，我国也有一个工作组与之对应，同步开展工作。WG13开发的第一个标准是“电力系统公共信息模型（Common Information Model，缩写为CIM）”，现已到7.0版，近期提交各国表决；随后将制订“电力企业综合总线（Utility Integration Bus，缩写为UIB）”，及“实时数据库程序访问接口（Real-Time Database Application Programming Interface，缩写为RDB-API，由中国提交草案）”，图形接口标准应该怎样搞，还在研究之中。这一组标准的推出并实现将使电网调度自动化系统的“开放性”更上一个台阶。第三代EMS的开放是基于POSIX——源码重新编译的开放，只是相对开放。

9　JAVA技术

　　JAVA语言综合了面向对象技术和Internet技术，将编译和解释有机结合，先把JAVA源程序编译为BYTECODE以实现代码优化，再由JAVA虚拟机（JVM）解释执行，以实现跨平台（操作系统、硬件、网络平台）运行。JAVA体系结构参见图3。JAVA严格实现了面向对象的四大特征：封装性（encapsulation）、多态性（polymorphism）、继承性（inheritance）、动态联编（dynamic binding）。JAVA在多线程支持和安全性等方面远优于C++。JAVA扩展类库中的AWT（Abstract Windows Toolkit）实现了两类互相竞争的窗口系统（X—Window/MOTIF与MS—Windows）的逻辑统一。JAVA真正跨平台的开放性远胜于基于POSIX的需要重新编译的开放性。JAVA不仅仅是一种编程语言，JAVA Bean、JAVA组件的发展对应用编程带来极大的方便，SUN公司正在实现直接执行BYTECODE的JAVA机，以及基于JAVA的操作系统。JAVA是否适合于实时应用，取决于解释执行BYTECODE的效率，据报道，与常规可执行程序的装入执行相比最快已达到1.3比1。在应用于电网调度自动化系统方面，不少研究人员已进行了有益的探索与尝试，JAVA技术将导致EMS/DMS的深刻革命。

图3 JAJA体系结构示意图
Fig.3 JAJA system diagram

10　Internet技术

　　因特网（Internet）的发展速度几乎超出所有人的预料，已经影响了人们的工作方式、思维方式、生活方式，以及国家社会各方面的运作方式。因特网飞速发展，原因之一在于WWW（World Wide Web）浏览器的简单易用。浏览器界面已成为桌面（desktop）的基本平台，浏览器技术用于调度生产管理系统和办公自动化系统等非实时系统已毫无问题，将其作为电网调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统应用范围、减少维护工作量非常有利。在新一代电网调度自动化系统中，传统的MMI仍将保留，主要供调度员使用，新增设Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。

11　电力市场的发展

　　根据我国近期开放发电侧电力市场的基本框架和运行规则，电力市场技术支持系统由电能量计量系统（TMR）、交易管理系统（TMS）、能量管理系统（EMS）、结算系统（SBS）、合同管理系统（CMS）、即时信息系统（SIS）、数据网络系统（SPDnet）、发电报价系统(GBS)等构成，统称为电力市场运营系统（power market operation system，缩写为PMOS），总体结构见图4。
 

图4　电力市场运营系统示意图
Fig.4　Power market operation system architecture

　　电力市场的引入给EMS带来功能上和内涵上的重大变化，EMS与交易管理系统的功能划分大体有以下几种方式：
　　a.将发电计划类功能完全或部分转移到交易管理系统（TMS），在编排调度计划的过程中，由EMS的安全分析模块进行安全校核，在调度计划形成之后，传给EMS。该方式可尽量利用现有系统，但EMS与交易管理系统之间的界面较复杂，适合于近几年新上的EMS，且应用功能比较完善者。
　　b.在交易管理系统中单独设置发电计划和安全分析功能，在编排调度计划的过程中，不与EMS交换数据，在调度计划形成之后，传给EMS。该方式没有充分利用现有系统，但EMS与交易管理系统相对独立，适合于较老的EMS及很难再开发完善者。
　　c.在EMS原有功能的基础上,增加根据报价排序和在安全约束下编排调度计划的功能,达到整体系统的优化,也便于系统的运行维护。该方式适合于同时新建EMS和交易管理系统。
　　负荷预报是EMS的基本功能，也是市场环境下编排调度计划的基础，对于该功能不完善的EMS，可以单独实现，或在交易管理系统中实现。为了按电力市场运营规则进行结算，并进行必要的市场运营考核监督，EMS应为结算系统提供带时标的系统环境数据，如频率曲线、实际负荷曲线、实际出力曲线、备用容量曲线、控制命令或调整指令记录、电压检测点的电压曲线等。

12　调度自动化系统与其它系统的集成

　　现代电力企业的电网调度自动化系统是其它非实时系统的实时数据源，尤其是在电力市场环境中，需要EMS提供大量数据，而且要能够通过电力企业综合总线（UIB）采用3层结构（服务器层、Web层、客户层）实现与交易管理系统、电能量计量系统、结算系统、合同管理系统、GIS系统、故障管理系统（trouble call）、燃料管理系统、水调自动化系统、雷电定位系统、培训模拟系统、调度生产管理系统、办公自动化系统等的互连。它们只交换数据，功能各自独立。逻辑结构如图5所示。

图5　采用3层结构方式的电力企业应用系统集成
Fig.5 The power emterprise application system imtegration with 3-layer archirecture

13　结语

　　以上所述各种技术的发展为新一代电网调度自动化系统（或称为电力企业运营管理系统）的诞生进行了技术准备，当前正处于向新一代系统的过渡时期，目前还没有完整的系统，第三代系统已经是相对开放的系统，可以比较平滑地逐步过渡到第四代系统，但过渡阶段可能较长。

作者单位：国家电力调度通信中心　100761　北京
作者简介：辛耀中，男，1956年生，教授级高级工程师，副总工程师，主要从事电力系统自动化、数据网络及标准化方面的工作。