具有开放式结构的控制中心

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1、具有开放式结构的控制中心 0 引言与计算机工业中的大多数领域一样，软件开发 领域几乎每天都有号称是具有革命性的方法出 现，但是却会在一段时间后无声无息的消失。 而开放式结构的能源管理系统（EMS）却并非 如此。十年的实践证明了这个是一个有效的技 术方法。但这并不意味着所有问题都得到了解 决；实际上，这是一个动态发展的研究领域， 而且在不久的将来，一些具有挑战性的问题将 不断地涌现出来。 1 能量管理系统（EMS）的发展 第一代计算机化的电力系统控制中心出 现在上个世纪的七十年代，建立在当时 计算机的体系结构之上。当时计算机的 功能非常有限（以今天的标准来看）， 所以那时的软件必须是高度优化的，

2、而 且要和操作系统，甚至是硬件紧密地连 接起来。因此，应用软件，人机接口（ PMI），数据库，操作系统以及硬件都要 相互连接起来。 这一代控制中心提高了电力系统监控的 质量。同时，计算机应用于电力系统的 优点及其发展潜力更为人们所认识，这 是因为电力系统可以在没有提高运行危 险性的情况下，在靠近系统的临界状态 下安全地运行。因此，电力公司推迟扩 容资金的投入实践，同时还可以使一些 更为复杂的运行结构变得可行起来。 但是这一代计算机的体系结构存在着弊端。计 算机和软件都很快地落伍了，市场的变化使许 多原来的制造厂家被迫关闭。与此同时，为了 使控制中心能保持正常的运行，电力公司需要 更换那些有缺陷

3、的元件，增加新的功能，扩大 数据库以及增加计算量。但是，软件和硬件之 间的紧密联系使更新或者扩充软硬件变得非常 困难，甚至不可能实现。几年以后，一些电力 公司的控制中心将会是由一些过时的硬件和软 件所组成。那么，对这些控制中心进行维修就 会越来越困难，也越来越昂贵，而其功能以及 可靠性则越来越差。因此，这些控制中心将不 能满足不断发展的运行要求. 电力工业的其他部门也存在着类似的问题。在 80年代，价格低廉而功能强大的计算机的出现 以及网络的发展使得分布式处理成为了可能。 由工作站和个人电脑组成的网络迅速地取代了 旧有的大型机。因为联接不同的计算机必须要 有一个统一的标准，所以，这种分散性的结

4、构 导致了在不同领域中标准化的大量涌现。很快 地出现了一些公认的标准：C语言，X- Windows，UNIX，以及TCP-IP（这些都是一些 最知名的例子）。为了避免第一代EMS/SCADA系统所存在的问题 ，大部分控制中心软件的开发商都采用了为大 众所承认的标准。这种方法和下面提到的设计 方法结合起来，使控制中心的软件结构演变成 为所谓的开放式结构。 2 开放式控制系统的生命周期 并不是很多软件开发商都可以生产出像 EMS/SCADA这样的具有较长生命周期的 大型软件产品的。1991年，我们在 CEPEL（一个巴西电力系统的研究中心） 参与了SAGE从最初设计直至它在许多实 际项目中具体实现

5、时的协调工作。开放 式结构的概念从设计的最初才开始普及 ，但却从一开始就被严格的执行。 这个丰富的经历给了我们许多宝贵的经 验。首先是：用户和软件开发商之间的 紧密联系对于调整产品来说是非常必要 的。许多开发商认为是很尖端的很有用 的功能(部件)往往不为终端用户接受；相 反，用户却经常要求开发商增加一些开 发商可能没有想到的，但用户认为是非 常重要的新功件（往往是一些很简单的 功能）。让用户与软件开发商接触无疑 会造成一些不便之处（如频繁中断，分 辨要求，改变优先权等），但其好处却 更加明显。 最有趣的经验是在设计过程中，每一个步 骤都使用开放式概念。在90年代初，这 些概念还没有完全清晰，而

6、且使用这样 的方法的优点与缺点也不是很明显。但 几年以后，开放式被证明了是延长产品 的生命周期的一个必要条件。开放式概念（便携性，互用性，可扩展 性，调制能力以及可量测性）仍然在不 断的发展当中，它在设计将会在几年后 出现的新一代的EMS/SCADA系统的过程 中起到重要的作用。 3 便携性 (Portability)对于控制中心而言，便携性指的是在不 同的硬件/软件工作平台上运行相同的软 件的可能性。这一功能消除了上一代 EMS/SCADA系统中存在的一个大问题： 依赖于特定的生产厂家。如果系统是便 携式的，它就可以在不同的平台上运行 ，而这些平台可以由不同的厂家制造。 它可以带来很重要的优

7、势： 1) 可以在考虑元件的价格，鲁棒性及其性 能情况下，针对每一个特定的应用程序，从 大量备选元件中选出最符合要求的元件来。 否则，电力公司只能在特定的厂家提供的非 常有限的范围中选取元件。2) 硬件和软件的独立性。硬件和软件的商家 可能突然撤离市场，也可能提高服务与产品 的价格，又或者是会停止某一类产品的生产 。在某些情况下，这就意味着某一类控制中 心发展的停止。 便携性与所使用的标准的范围直接相关 ，但是与那些与操作系统相关的标准尤 其重要。一些SCADA系统是基于不同版 本的Windows操作系统的。当然，他们 并不是完全可便携的，但他们仅仅是在 操作系统这个方面依赖于某个厂商。近 年

8、来，许多开发人员基于以前的经验或 者是为了使用起来更方便而选择了其他 的操作系统，但也经常遇到前面所提及 的问题。由于EMS/SCADA系统的生命周 期一般要超过十年，所以依赖于某一个 特定的厂家不是一个保险的做法。 采用UNIX 操作系统是解决便携性问题 的一个好办法。UNIX系统有许多不同的 版本，但是都只使用了那些标准化了的 功能。不同版本系统都会有一些改进了 的地方，但是，无论那些改进有多么吸 引人，其兼容性有多么好，我们也应该 完全的避免使用它们。在不远的将来， 在所有的硬件平台上使用LINUX系统将更 容易实现这方面的便携性。当然，最好 的解决方法是完全独立于操作系统之外 ，但是，

9、这样的做法在经济上是得不偿 失的。 便携性的另外一个重要方面与所使用的 编程语言有关。编程人员应该使用那些 为人们所广泛使用的语言，并且避免使 用语言编辑器所提供的改进了的但却并 不是标准化的东西。在过去，人们选择 了C，C+甚至是FORTRAN作为编程的 语言，而目前，JAVA（它可以在大多数 的平台之间实现内在的便携性）在很多 的应用程序中被证明了可以在提供更多 的优点的前提下代替这些语言。 便携性必须包括图形接口。在过去，这 对于控制中心来说就意味着接口的开发 人员应该使用X-Windows和Motif。网络 技术极大地改变了这种状况，因为一般 的网络浏览器可以轻易的实现图形接口 在不同

10、的平台之间的互访。数据库是影响便携性的另外一个方面。 使用SQL（尽最大可能避免使用非标准 化的功件）使那些用来连接不同的商用 数据库的软件的开发变得更为简单. 我们的实际经验表明，便携性必须是一 个长期的目标。如果我们在软件开发的 各个阶段都给予足够的重视，则很容易 就可以实现EMS/SCADA系统在工作平台 之间的移植工作。不过，这项工作一般 不太容易实现。使用LINUX，网络以及JAVA以后，便 携性比以前（十年前）更容易实现了， 但决不是意味着它就是一个不重要的目 标了 4 互用性 (Interoperability)如果EMS/SCADA系统已经在便携性的问 题上给予了足够的重视的话

11、（尤其是那 些严格使用标准的方面），那么我们可 以在这个方向上做更进一步的工作，实 现互用性。互用性指的是在同一时间，同一个网络 上的不同的工作平台上运行软件模型（ 不论相同与否），而所有这些模型之间 应该可以互相通信，相互作用。也就是 说，不同的硬件、操作系统和软件模型 可以在网络中共存，而且都是同一个 EMS/SCADA系统的一个部分。互用性 系统的一个优点是可以实现在同一个网 络中的不同硬件平台上面运行一个完全 相同的软件程序。互用性并不容易实现。几乎没有什么 EMS/SCADA系统可以完全实现这个 功能。但是其优点是非常有意义的 ：电力公司可以将不同的硬件平台 组合起来，使得在每一次进

12、行系统 的升级或者扩容时可以购买性价比 最好的算法。这就意味着便携性的优点只有在互用 性实现以后才能明显的表现出来。 否则的话，电力公司在需要进行系 统的升级或者扩容时还是要依赖于 最初的硬件生产厂家，或者是更换 整个硬件平台。这就和第一代控制 中心所遇到的问题非常相象了。在不同风格的UNIX系统之间实现互用性 要比在UNIX系统与Windows系统之间实 现容易，这是因为在这种情况下后者不 能依赖于那些用以促进UNIX系统互用性 的标准。COBRA标准是解决这样的综合 过程的一个可能的方法。互用性（和模块化）的另外一项工作是 电力控制系统的公用数据模型的定义。 这里的目的是为了提出一个基于标

13、准化 数据模块的分布式EMS/SCADA系统，因 此，将其它的功能集成到现有的系统中 就成为了可能。基于这样的方法，EPRI 提出了一个由IEC TC57 WG13和WG14所 联合标准化的公用信息模型（CMI）。未来的发展向互用性提出了巨大的挑战。 EMS/SCADA软件将不再被限制在局部的网络上 运行。电力工业中不断发生的变化使得 EMS/SCADA软件必须和电力公司的其它软件、 它的合作伙伴以及它的竞争对手相互影响。一 些软件模型将不得不解决诸如信息与服务的协 议问题，安全性问题、外部通信问题以及一些 与开放式环境有关的不确定性方面的问题，但 是他们没有对外部的竞争对手施加直接的控制 。

14、代理(agent)技术是开发一些在开放环境中可 以相互作用的软件的一个很有前途的方法，但 是一些如安全性、外部信息的可靠性和通信语 言等的重要问题还需要更仔细的深入研究。 5 可扩展性(Expanbility) 控制中心的软件必须可以有效的支持电 力系统的扩容。电力系统的发展以及新 软件功能都必须很容易的彼此适应，以 保持系统运行在可接受的水平。简而言 之，控制中心软件必须具有可扩展性。 在过去，这通常就意味着系统从其初始 的设计阶段开始就应该是一个超出当前 需要的系统，这是因为在往后要增加新 的处理功能是比较困难的。电力公司必 须在控制中心的初始建设阶段就对硬件 设备投入大量的资金，以备未来

15、的需求 之用。很明显，这对控制中心的初始投 资带来了很大的负面影响。但如果不这 样做，电力公司在需要进行系统的性能 改善时将不得不完全依赖于原来的硬件 厂商。而在没有竞争对手的情况下，厂 家可以任意的提高产品及其服务的价格 。 在开放式结构的控制中心中，便携性和 互用性二者共同作用，使可扩展性问题 可以比较容易就得到解决。电力公司没 有必要对一些备用的设备进行投资，因 为新的处理功能可以在需要的时候进行 添加或者升级。不同种类的硬件在网络 中的分布式处理可以安全实现在网络中 添加一台计算机，或者是替代一台旧的 计算机 .表格1 控制中心的发展过 去现 在将 来集成客户/服务器和分布式基于元件和

16、代理商的分布式没有使用标准使用操作系统，图形，协议以及编程语言标准所有现有的标准加上数据库模型和用于简化应 用程序综合的API依赖于生产厂家（硬件和软件）不依赖于硬件生产厂家不依赖于硬件和基本软件（操作系统，中间设 备和数据库）生产厂家没有互用性的可能，不能便携，几乎不能扩容 。可便携，可扩容，可模块化，可升级，可互用完全开放，带有基于元件和代理商的互用性半图形的PMI全图形的PMI全图形，基于网络的PMI，带有先进的可视化资 源与控制层的其他控制中心严格有序的相互影响与其他控制中心，公司的其他部门以及其他实 体的受约束的相互影响。与一个开放环境中的非下属外部竞争对手的紧 密的相互影响与外部实体进行初步的信息交换与外部实体进行一定程度上的信息交换与外部实体进行紧密的信息交换自主的，使用控制中心自身采集和处理的信息 进行决策自主的，对外部数据的依赖性不强半自主的，对外部数据的依赖性很强。技术指导操作非技术规则的重要性开始增加经济，商业以及法律的规则变得非常重要生命周期依赖于硬件生命周期依赖基本软件标准生命周期依赖元件接口标准如果在某些硬件上的投资在没有影响控 制中心运行性能的前提下推迟