摘 要 描述了近年來計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、圖形處理、數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)和WWW、人工智能、分布式RTU、API、JAVA、電力市場等方面的技術(shù)進(jìn)展，并據(jù)此提出了新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)想，描繪了該系統(tǒng)的輪廓和主要特征，以及如何實(shí)現(xiàn)向新系統(tǒng)的平滑過渡。
關(guān)鍵詞 能量管理系統(tǒng) 面向?qū)ο蠹夹g(shù) 人工智能 因特網(wǎng)
0 引言
電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)三代。70年代基于專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)稱為第一代，如電力自動化研究院為華北電網(wǎng)開發(fā)的SD176系統(tǒng)；80年代基于通用計(jì)算機(jī)的EMS稱為第二代，如四大電網(wǎng)、南方、廣西、貴州、四川、云南等單位采用VAX/VMS的SCADA/EMS系統(tǒng)；90年代基于RISC/UNIX的開放式分布式EMS/DMS稱為第三代，如國家電力調(diào)度通信中心、福建、山東、西北、寧夏、湖北、湖南、安徽等單位引進(jìn)的SCADA/EMS，電力科學(xué)研究院和東北電力集團(tuán)公司合作開發(fā)的CC—2000系統(tǒng)，電力自動化研究院開發(fā)的RD—800系統(tǒng)、OPEN—2000系統(tǒng)、SD—6000系統(tǒng)。南京力導(dǎo)電子系統(tǒng)研究所開發(fā)的SE-900系統(tǒng)等，第三代系統(tǒng)已發(fā)展了近10年。隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的飛速發(fā)展以及電力市場的要求，第四代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備，預(yù)計(jì)將于21世紀(jì)初誕生，該系統(tǒng)的主要特征是采用JAVA、因特網(wǎng)、面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)，綜合考慮電力市場環(huán)境中的安全運(yùn)行及商業(yè)化運(yùn)營的要求。
1 計(jì)算機(jī)技術(shù)
計(jì)算機(jī)技術(shù)這幾年一直按摩爾（Moore）定律發(fā)展(參見圖1)：處理器運(yùn)算速度平均每1.48年翻一翻�，F(xiàn)在高端服務(wù)器的運(yùn)算速度已達(dá)每秒十億條指令，內(nèi)存已達(dá)若干吉字節(jié)(GB)，是10年前的上千倍。原來用于巨型機(jī)、大型機(jī)的技術(shù)已下移至服務(wù)器甚至個人計(jì)算機(jī)。精簡指令計(jì)算機(jī)（RISC）繼續(xù)飛速發(fā)展，超流水線結(jié)構(gòu)的MIPS R4000，超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的SUN Super Sparc，超標(biāo)量、超流水線結(jié)構(gòu)的DEC Alpha，雙流水線超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的Intel Pentium，等等，技術(shù)上各具特色，市場上各領(lǐng)風(fēng)騷。64位CPU和多處理器體系結(jié)構(gòu)已在服務(wù)器領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展對電力系統(tǒng)計(jì)算產(chǎn)生深刻的影響，原來需要巨型機(jī)或大型機(jī)的電力系統(tǒng)計(jì)算，現(xiàn)在用臺式機(jī)就可完成；原來用于離線計(jì)算的方法，現(xiàn)可移植于在線計(jì)算，甚至實(shí)時計(jì)算。
2 操作系統(tǒng)
第三代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的開放性主要依賴于UNIX操作系統(tǒng)的開放性。10年來，UNIX操作系統(tǒng)在微內(nèi)核、實(shí)時處理、對稱多道處理（SMP）、多線程支持、POSIX支持、系統(tǒng)管理的圖形化、容錯處理、安全可靠性等方面都取得了長足的進(jìn)展。盡管Windows NT僅運(yùn)行在Intel和Alpha芯片平臺上，然而NT的發(fā)展與成熟的確對UNIX世界構(gòu)成了威脅，但目前NT版本還不支持多用戶及POSIX接口，且易受病毒的侵襲，后續(xù)版本會逐步改善。NT的技術(shù)性能正在漸漸趕上UNIX，但NT的獨(dú)家壟斷特性卻與UNIX的開放性相距越來越遠(yuǎn)，尤其是Linux流行以來。Linux是現(xiàn)年28歲的芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Linus Torvalds于1991年在讀大學(xué)時自己編寫的一種可以自由使用的UNIX操作系統(tǒng)，其源碼放在Internet上，吸引了大批有興趣的高手共同開發(fā)，不斷完善，將NT的易用性和UNIX的可靠性結(jié)合起來，將X—Window/MOTIF接口與UNIX功能結(jié)合在一起，被認(rèn)為是當(dāng)今UNIX的最好實(shí)現(xiàn)。Linux以其徹底開放的開發(fā)方式著稱于世，并因免費(fèi)使用而迅速普及，許多軟件廠家已宣布支持Linux，這匹黑馬的出現(xiàn)對NT無疑是沉重的打擊。Linux對于把基于UNIX的成熟的SCADA/EMS/DMS系統(tǒng)移植到地、縣調(diào)系統(tǒng)有重要意義。
3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
局域網(wǎng)（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年來，基于CDMA/CD以太網(wǎng)的傳輸速率已由10 Mbit/s發(fā)展到100 Mbit/s，甚至達(dá)到1000 Mbit/s；傳輸介質(zhì)從細(xì)纜（10BASE2）、粗纜（10BASE5）、雙絞線（10BASE—T），發(fā)展到高速雙絞線（100BASE—T）等；傳輸方式由共享總線式、集線器式，發(fā)展到交換式集線器、LAN交換、ATM交換等。交換式局域網(wǎng)改變了新型EMS的體系結(jié)構(gòu)，由總線型發(fā)展為以LAN交換為核心的多總線結(jié)構(gòu)，按功能分組，采用更多的網(wǎng)段，網(wǎng)段內(nèi)共享，網(wǎng)段間交換。
在廣域網(wǎng)方面，ATM（異步傳輸模式）技術(shù)已占絕對優(yōu)勢。隨著電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，155 Mbit/s甚至622 Mbit/s的ATM網(wǎng)絡(luò)將逐步普及，國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（SPDnet，原稱CEDnet）將發(fā)展到一個新階段，初步實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息高速公路。異地EMS/DMS的互連將像本地系統(tǒng)互連一樣，可形成地理分布式調(diào)度自動化系統(tǒng)，國外稱Multi-Site EMS，其中地理分布式應(yīng)用功能（如分布式潮流計(jì)算、分布式網(wǎng)絡(luò)分析、分布式AGC等）正在研究之中。利用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)還可很方便地實(shí)現(xiàn)對無人值班變電站的“遙視”功能，以及上下級調(diào)度之間的可視電話或“可視調(diào)度”。
4 圖形圖像技術(shù)及多媒體技術(shù)
多媒體是一個令人激動的領(lǐng)域。多媒體的迅速發(fā)展對計(jì)算機(jī)處理能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力提出了更高的要求，尤其是對顯示卡的圖形處理能力要求更高，256色在演示動畫和視頻方面已顯不夠，需要發(fā)展16位真彩或24位真彩。各種圖形加速卡發(fā)展很快，Intel公司甚至把基本圖形向量處理功能放進(jìn)微處理器芯片之中（MMX）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（靈境技術(shù)）在模擬仿真領(lǐng)域大顯身手，但在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用正在研究。眼鏡式立體顯示器已開發(fā)成功，將會逐漸改變?nèi)祟惖纳罘绞�。語音識別和語音合成技術(shù)已在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中用于調(diào)度員語音識別、語音記事、語音告警，甚至語音操作等。
多媒體軟件的發(fā)展對電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)人機(jī)界面（MMI）的開發(fā)促進(jìn)很大。多媒體平臺Authorware，Director，Toolbook等；向量圖制作工具CoreDraw，F(xiàn)reehand等；圖形編輯工具Photoshop，Photostyler等；動畫制作工具Animator Pro，Animator Studio，3DS，3DSMAX等；圖形開發(fā)工具Power Builder，Delphi等；地理信息系統(tǒng)Mapinfo，ArcInfo等，都已相當(dāng)流行。新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)將可能直接或間接利用這些流行工具，或?qū)⑵浣Y(jié)果轉(zhuǎn)換為公共格式或內(nèi)部格式。
5 面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)
面向?qū)ο蠹夹g(shù)在軟件的重用性、繼承性、封裝性、開放性及軟件工程等方面帶來革命性的影響，已經(jīng)深刻影響軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的各個方面，如面向?qū)ο蟮姆治�、面向�(qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮木幊痰取Ｕ嬲嫦驅(qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫卻進(jìn)展不快，Informix是最早在關(guān)系數(shù)據(jù)庫上實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠊δ艿臄?shù)據(jù)庫公司，后來Oracle和Sybase也逐步支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，但其本質(zhì)還是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。Object Store是真正面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫，早期產(chǎn)品效率不高，現(xiàn)已達(dá)到實(shí)用水平。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的迅速普及與面向?qū)ο蟮恼Z言C++和JAVA的飛速發(fā)展有很大關(guān)系，也與標(biāo)準(zhǔn)對象建模語言UML（Unified Modeling Language）的出現(xiàn)有關(guān)。UML以面向?qū)ο蟮姆绞矫枋龈鞣N類型的系統(tǒng)，適應(yīng)于需求分析、編程編碼、系統(tǒng)測試等軟件工程的各個階段，可對各種具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的系統(tǒng)建模。IEC 的“電力系統(tǒng)公共信息模型”CIM（Common Information Model）就是用UML描述的。CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作為面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)訪問接口標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受。新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)應(yīng)該全面采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),支持面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)。
6 分布式遠(yuǎn)動技術(shù)
分布處理的思想已經(jīng)滲透到自動化系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，遠(yuǎn)動系統(tǒng)（RTU）近幾年有兩大技術(shù)突破：一是功能分散配置；二是交流采樣。分布式RTU一般都采用現(xiàn)場總線（如CANbus，LONworks等），支持光纖或雙絞線，各功能單元可分散裝設(shè)在一次設(shè)備旁邊，可減少大量二次電纜，接線既簡單又可靠，具有標(biāo)準(zhǔn)接口及開發(fā)工具，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。如：南京力導(dǎo)電子系統(tǒng)研究所的DMP300電站綜合自動化裝置。分布式RTU與廠站自動監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，可取代大量常規(guī)表盤，便于維護(hù)，降低成本。由于分布式RTU可能裝設(shè)在戶外，所以對環(huán)境適應(yīng)性要求比常規(guī)遠(yuǎn)動高。與主站的通信雖仍支持常規(guī)遠(yuǎn)動規(guī)約，但已轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主站端前置處理機(jī)應(yīng)能適應(yīng)這種發(fā)展。
7 人工智能技術(shù)
人工智能技術(shù)對調(diào)度自動化系統(tǒng)將產(chǎn)生深刻的影響。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成功用于智能告警處理、負(fù)荷預(yù)報(bào)、模式識別等。知識庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用也取得很大進(jìn)展。人工智能的思想已在不少軟件系統(tǒng)中閃爍火花，如清華大學(xué)開發(fā)的PANDA系統(tǒng)中的“圖形數(shù)據(jù)一體化”技術(shù)、電力自動化研究院開發(fā)的SD—6000系統(tǒng)中的“圖模一體化”技術(shù)、國家電力調(diào)度通信中心開發(fā)的FEQ2000系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)圖全自動生成技術(shù)等，可大量減少系統(tǒng)生成和維護(hù)的工作量，向“傻瓜系統(tǒng)”邁進(jìn)了一步，深受使用者歡迎。
8 應(yīng)用編程接口（API）標(biāo)準(zhǔn)
為了保證自動化系統(tǒng)的開放性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互操作和功能的“即插即用”，國際電工委員會第57技術(shù)委員會第13工作組（IEC TC57 WG13）正在制訂一系列國際標(biāo)準(zhǔn)，本文作者為該工作組成員，我國也有一個工作組與之對應(yīng)，同步開展工作。WG13開發(fā)的第一個標(biāo)準(zhǔn)是“電力系統(tǒng)公共信息模型（Common Information Model，縮寫為CIM）”，現(xiàn)已到7.0版，近期提交各國表決；隨后將制訂“電力企業(yè)綜合總線（Utility Integration Bus，縮寫為UIB）”，及“實(shí)時數(shù)據(jù)庫程序訪問接口（Real-Time Database Application Programming Interface，縮寫為RDB-API，由中國提交草案）”，圖形接口標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該怎樣搞，還在研究之中。這一組標(biāo)準(zhǔn)的推出并實(shí)現(xiàn)將使電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的“開放性”更上一個臺階。第三代EMS的開放是基于POSIX——源碼重新編譯的開放，只是相對開放。
9 JAVA技術(shù)
JAVA語言綜合了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Internet技術(shù)，將編譯和解釋有機(jī)結(jié)合，先把JAVA源程序編譯為BYTECODE以實(shí)現(xiàn)代碼優(yōu)化，再由JAVA虛擬機(jī)（JVM）解釋執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)跨平臺（操作系統(tǒng)、硬件、網(wǎng)絡(luò)平臺）運(yùn)行。JAVA體系結(jié)構(gòu)參見圖3。JAVA嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮乃拇筇卣鳎悍庋b性（encapsulation）、多態(tài)性（polymorphism）、繼承性（inheritance）、動態(tài)聯(lián)編（dynamic binding）。JAVA在多線程支持和安全性等方面遠(yuǎn)優(yōu)于C++。JAVA擴(kuò)展類庫中的AWT（Abstract Windows Toolkit）實(shí)現(xiàn)了兩類互相競爭的窗口系統(tǒng)（X—Window/MOTIF與MS—Windows）的邏輯統(tǒng)一。JAVA真正跨平臺的開放性遠(yuǎn)勝于基于POSIX的需要重新編譯的開放性。JAVA不僅僅是一種編程語言，JAVA Bean、JAVA組件的發(fā)展對應(yīng)用編程帶來極大的方便，SUN公司正在實(shí)現(xiàn)直接執(zhí)行BYTECODE的JAVA機(jī)，以及基于JAVA的操作系統(tǒng)。JAVA是否適合于實(shí)時應(yīng)用，取決于解釋執(zhí)行BYTECODE的效率，據(jù)報(bào)道，與常規(guī)可執(zhí)行程序的裝入執(zhí)行相比最快已達(dá)到1.3比1。在應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)方面，不少研究人員已進(jìn)行了有益的探索與嘗試，JAVA技術(shù)將導(dǎo)致EMS/DMS的深刻革命。
10 Internet技術(shù)
因特網(wǎng)（Internet）的發(fā)展速度幾乎超出所有人的預(yù)料，已經(jīng)影響了人們的工作方式、思維方式、生活方式，以及國家社會各方面的運(yùn)作方式。因特網(wǎng)飛速發(fā)展，原因之一在于WWW（World Wide Web）瀏覽器的簡單易用。瀏覽器界面已成為桌面（desktop）的基本平臺，瀏覽器技術(shù)用于調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)等非實(shí)時系統(tǒng)已毫無問題，將其作為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的人機(jī)界面，對擴(kuò)大實(shí)時系統(tǒng)應(yīng)用范圍、減少維護(hù)工作量非常有利。在新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的MMI仍將保留，主要供調(diào)度員使用，新增設(shè)Web服務(wù)器供非實(shí)時用戶瀏覽，以后將逐漸統(tǒng)一為一種人機(jī)界面。如：南京力導(dǎo)電子系統(tǒng)研究所開發(fā)的SE-900系統(tǒng)新增設(shè)Web瀏覽器。
11 電力市場的發(fā)展
根據(jù)我國近期開放發(fā)電側(cè)電力市場的基本框架和運(yùn)行規(guī)則，電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)由電能量計(jì)量系統(tǒng)（TMR）、交易管理系統(tǒng)（TMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、結(jié)算系統(tǒng)（SBS）、合同管理系統(tǒng)（CMS）、即時信息系統(tǒng)（SIS）、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（SPDnet）、發(fā)電報(bào)價(jià)系統(tǒng)(GBS)等構(gòu)成，統(tǒng)稱為電力市場運(yùn)營系統(tǒng)（power market operation system，縮寫為PMOS）。
電力市場的引入給EMS帶來功能上和內(nèi)涵上的重大變化，EMS與交易管理系統(tǒng)的功能劃分大體有以下幾種方式：
a.將發(fā)電計(jì)劃類功能完全或部分轉(zhuǎn)移到交易管理系統(tǒng)（TMS），在編排調(diào)度計(jì)劃的過程中，由EMS的安全分析模塊進(jìn)行安全校核，在調(diào)度計(jì)劃形成之后，傳給EMS。該方式可盡量利用現(xiàn)有系統(tǒng)，但EMS與交易管理系統(tǒng)之間的界面較復(fù)雜，適合于近幾年新上的EMS，且應(yīng)用功能比較完善者。
b.在交易管理系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)置發(fā)電計(jì)劃和安全分析功能，在編排調(diào)度計(jì)劃的過程中，不與EMS交換數(shù)據(jù)，在調(diào)度計(jì)劃形成之后，傳給EMS。該方式?jīng)]有充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)，但EMS與交易管理系統(tǒng)相對獨(dú)立，適合于較老的EMS及很難再開發(fā)完善者。
c.在EMS原有功能的基礎(chǔ)上,增加根據(jù)報(bào)價(jià)排序和在安全約束下編排調(diào)度計(jì)劃的功能,達(dá)到整體系統(tǒng)的優(yōu)化,也便于系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)。該方式適合于同時新建EMS和交易管理系統(tǒng)。
負(fù)荷預(yù)報(bào)是EMS的基本功能，也是市場環(huán)境下編排調(diào)度計(jì)劃的基礎(chǔ)，對于該功能不完善的EMS，可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，或在交易管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。為了按電力市場運(yùn)營規(guī)則進(jìn)行結(jié)算，并進(jìn)行必要的市場運(yùn)營考核監(jiān)督，EMS應(yīng)為結(jié)算系統(tǒng)提供帶時標(biāo)的系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)，如頻率曲線、實(shí)際負(fù)荷曲線、實(shí)際出力曲線、備用容量曲線、控制命令或調(diào)整指令記錄、電壓檢測點(diǎn)的電壓曲線等。
12 調(diào)度自動化系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成
現(xiàn)代電力企業(yè)的電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是其它非實(shí)時系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)源，尤其是在電力市場環(huán)境中，需要EMS提供大量數(shù)據(jù)，而且要能夠通過電力企業(yè)綜合總線（UIB）采用3層結(jié)構(gòu)（服務(wù)器層、Web層、客戶層）實(shí)現(xiàn)與交易管理系統(tǒng)、電能量計(jì)量系統(tǒng)、結(jié)算系統(tǒng)、合同管理系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、故障管理系統(tǒng)（trouble call）、燃料管理系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、培訓(xùn)模擬系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)等的互連。它們只交換數(shù)據(jù)，功能各自獨(dú)立。
13 結(jié)語
以上所述各種技術(shù)的發(fā)展為新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)（或稱為電力企業(yè)運(yùn)營管理系統(tǒng)）的誕生進(jìn)行了技術(shù)準(zhǔn)備，當(dāng)前正處于向新一代系統(tǒng)的過渡時期，目前還沒有完整的系統(tǒng)，第三代系統(tǒng)已經(jīng)是相對開放的系統(tǒng)，可以比較平滑地逐步過渡到第四代系統(tǒng)，但過渡階段可能較長。ODE以實(shí)現(xiàn)代碼優(yōu)化，再由JAVA虛擬機(jī)（JVM）解釋執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)跨平臺（操作系統(tǒng)、硬件、網(wǎng)絡(luò)平臺）運(yùn)行。
