摘 要 描述了近年來計算機、數據網絡、圖形處理、數據庫、因特網和WWW、人工智能、分布式RTU、API、JAVA、電力市場等方面的技術進展，并據此提出了新一代電網調度自動化系統的設想，描繪了該系統的輪廓和主要特征，以及如何實現向新系統的平滑過渡。
關鍵詞 能量管理系統 面向對象技術 人工智能 因特網
0 引言
電網調度自動化系統發展到今天已經三代。70年代基于專用計算機和專用操作系統的SCADA系統稱為第一代，如電力自動化研究院為華北電網開發的SD176系統；80年代基于通用計算機的EMS稱為第二代，如四大電網、南方、廣西、貴州、四川、云南等單位采用VAX/VMS的SCADA/EMS系統；90年代基于RISC/UNIX的開放式分布式EMS/DMS稱為第三代，如國家電力調度通信中心、福建、山東、西北、寧夏、湖北、湖南、安徽等單位引進的SCADA/EMS，電力科學研究院和東北電力集團公司合作開發的CC—2000系統，電力自動化研究院開發的RD—800系統、OPEN—2000系統、SD—6000系統。南京力導電子系統研究所開發的SE-900系統等，第三代系統已發展了近10年。隨著計算機、數據網絡、數據庫等技術的飛速發展以及電力市場的要求，第四代電網調度自動化系統的基礎條件已經具備，預計將于21世紀初誕生，該系統的主要特征是采用JAVA、因特網、面向對象等技術，綜合考慮電力市場環境中的安全運行及商業化運營的要求。
1 計算機技術
計算機技術這幾年一直按摩爾（Moore）定律發展(參見圖1)：處理器運算速度平均每1.48年翻一翻。現在高端服務器的運算速度已達每秒十億條指令，內存已達若干吉字節(GB)，是10年前的上千倍。原來用于巨型機、大型機的技術已下移至服務器甚至個人計算機。精簡指令計算機（RISC）繼續飛速發展，超流水線結構的MIPS R4000，超標量結構的SUN Super Sparc，超標量、超流水線結構的DEC Alpha，雙流水線超標量結構的Intel Pentium，等等，技術上各具特色，市場上各領風騷。64位CPU和多處理器體系結構已在服務器領域占主導地位。
計算機技術的飛速發展對電力系統計算產生深刻的影響，原來需要巨型機或大型機的電力系統計算，現在用臺式機就可完成；原來用于離線計算的方法，現可移植于在線計算，甚至實時計算。
2 操作系統
第三代電網調度自動化系統的開放性主要依賴于UNIX操作系統的開放性。10年來，UNIX操作系統在微內核、實時處理、對稱多道處理（SMP）、多線程支持、POSIX支持、系統管理的圖形化、容錯處理、安全可靠性等方面都取得了長足的進展。盡管Windows NT僅運行在Intel和Alpha芯片平臺上，然而NT的發展與成熟的確對UNIX世界構成了威脅，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，后續版本會逐步改善。NT的技術性能正在漸漸趕上UNIX，但NT的獨家壟斷特性卻與UNIX的開放性相距越來越遠，尤其是Linux流行以來。Linux是現年28歲的芬蘭赫爾辛基大學的Linus Torvalds于1991年在讀大學時自己編寫的一種可以自由使用的UNIX操作系統，其源碼放在Internet上，吸引了大批有興趣的高手共同開發，不斷完善，將NT的易用性和UNIX的可靠性結合起來，將X—Window/MOTIF接口與UNIX功能結合在一起，被認為是當今UNIX的最好實現。Linux以其徹底開放的開發方式著稱于世，并因免費使用而迅速普及，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系統移植到地、縣調系統有重要意義。
3 網絡技術
局域網（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年來，基于CDMA/CD以太網的傳輸速率已由10 Mbit/s發展到100 Mbit/s，甚至達到1000 Mbit/s；傳輸介質從細纜（10BASE2）、粗纜（10BASE5）、雙絞線（10BASE—T），發展到高速雙絞線（100BASE—T）等；傳輸方式由共享總線式、集線器式，發展到交換式集線器、LAN交換、ATM交換等。交換式局域網改變了新型EMS的體系結構，由總線型發展為以LAN交換為核心的多總線結構，按功能分組，采用更多的網段，網段內共享，網段間交換。
在廣域網方面，ATM（異步傳輸模式）技術已占絕對優勢。隨著電力系統光纖通信網絡的發展，155 Mbit/s甚至622 Mbit/s的ATM網絡將逐步普及，國家電力數據網絡（SPDnet，原稱CEDnet）將發展到一個新階段，初步實現電力系統信息高速公路。異地EMS/DMS的互連將像本地系統互連一樣，可形成地理分布式調度自動化系統，國外稱Multi-Site EMS，其中地理分布式應用功能（如分布式潮流計算、分布式網絡分析、分布式AGC等）正在研究之中。利用高速數據網絡還可很方便地實現對無人值班變電站的“遙視”功能，以及上下級調度之間的可視電話或“可視調度”。
4 圖形圖像技術及多媒體技術
多媒體是一個令人激動的領域。多媒體的迅速發展對計算機處理能力和網絡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，需要發展16位真彩或24位真彩。各種圖形加速卡發展很快，Intel公司甚至把基本圖形向量處理功能放進微處理器芯片之中（MMX）。虛擬現實技術（靈境技術）在模擬仿真領域大顯身手，但在電力系統中的應用正在研究。眼鏡式立體顯示器已開發成功，將會逐漸改變人類的生活方式。語音識別和語音合成技術已在電網調度自動化系統中用于調度員語音識別、語音記事、語音告警，甚至語音操作等。
多媒體軟件的發展對電網調度自動化系統人機界面（MMI）的開發促進很大。多媒體平臺Authorware，Director，Toolbook等；向量圖制作工具CoreDraw，Freehand等；圖形編輯工具Photoshop，Photostyler等；動畫制作工具Animator Pro，Animator Studio，3DS，3DSMAX等；圖形開發工具Power Builder，Delphi等；地理信息系統Mapinfo，ArcInfo等，都已相當流行。新一代電網調度自動化系統將可能直接或間接利用這些流行工具，或將其結果轉換為公共格式或內部格式。
5 面向對象技術與數據庫技術
面向對象技術在軟件的重用性、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，已經深刻影響軟件系統開發設計的各個方面，如面向對象的分析、面向對象的設計、面向對象的編程等。真正面向對象的數據庫卻進展不快，Informix是最早在關系數據庫上實現面向對象功能的數據庫公司，后來Oracle和Sybase也逐步支持面向對象技術，但其本質還是關系型數據庫。Object Store是真正面向對象的數據庫，早期產品效率不高，現已達到實用水平。面向對象技術的迅速普及與面向對象的語言C++和JAVA的飛速發展有很大關系，也與標準對象建模語言UML（Unified Modeling Language）的出現有關。UML以面向對象的方式描述各種類型的系統，適應于需求分析、編程編碼、系統測試等軟件工程的各個階段，可對各種具有靜態結構和動態行為的系統建模。IEC 的“電力系統公共信息模型”CIM（Common Information Model）就是用UML描述的。CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作為面向對象的數據訪問接口標準已被廣泛接受。新一代電網調度自動化系統應該全面采用面向對象技術,支持面向對象的標準。
6 分布式遠動技術
分布處理的思想已經滲透到自動化系統的各個領域，遠動系統（RTU）近幾年有兩大技術突破：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在一次設備旁邊，可減少大量二次電纜，接線既簡單又可靠，具有標準接口及開發工具，標準化程度高。如：南京力導電子系統研究所的DMP300電站綜合自動化裝置。分布式RTU與廠站自動監控系統結合，可取代大量常規表盤，便于維護，降低成本。由于分布式RTU可能裝設在戶外，所以對環境適應性要求比常規遠動高。與主站的通信雖仍支持常規遠動規約，但已轉向計算機數據通信協議，主站端前置處理機應能適應這種發展。
7 人工智能技術
人工智能技術對調度自動化系統將產生深刻的影響。人工神經網絡技術已成功用于智能告警處理、負荷預報、模式識別等。知識庫系統和專家系統在電力系統的應用也取得很大進展。人工智能的思想已在不少軟件系統中閃爍火花，如清華大學開發的PANDA系統中的“圖形數據一體化”技術、電力自動化研究院開發的SD—6000系統中的“圖模一體化”技術、國家電力調度通信中心開發的FEQ2000系統中數據庫與系統圖全自動生成技術等，可大量減少系統生成和維護的工作量，向“傻瓜系統”邁進了一步，深受使用者歡迎。
8 應用編程接口（API）標準
為了保證自動化系統的開放性，實現系統之間的互操作和功能的“即插即用”，國際電工委員會第57技術委員會第13工作組（IEC TC57 WG13）正在制訂一系列國際標準，本文作者為該工作組成員，我國也有一個工作組與之對應，同步開展工作。WG13開發的第一個標準是“電力系統公共信息模型（Common Information Model，縮寫為CIM）”，現已到7.0版，近期提交各國表決；隨后將制訂“電力企業綜合總線（Utility Integration Bus，縮寫為UIB）”，及“實時數據庫程序訪問接口（Real-Time Database Application Programming Interface，縮寫為RDB-API，由中國提交草案）”，圖形接口標準應該怎樣搞，還在研究之中。這一組標準的推出并實現將使電網調度自動化系統的“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
JAVA語言綜合了面向對象技術和Internet技術，將編譯和解釋有機結合，先把JAVA源程序編譯為BYTECODE以實現代碼優化，再由JAVA虛擬機（JVM）解釋執行，以實現跨平臺（操作系統、硬件、網絡平臺）運行。JAVA體系結構參見圖3。JAVA嚴格實現了面向對象的四大特征：封裝性（encapsulation）、多態性（polymorphism）、繼承性（inheritance）、動態聯編（dynamic binding）。JAVA在多線程支持和安全性等方面遠優于C++。JAVA擴展類庫中的AWT（Abstract Windows Toolkit）實現了兩類互相競爭的窗口系統（X—Window/MOTIF與MS—Windows）的邏輯統一。JAVA真正跨平臺的開放性遠勝于基于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組件的發展對應用編程帶來極大的方便，SUN公司正在實現直接執行BYTECODE的JAVA機，以及基于JAVA的操作系統。JAVA是否適合于實時應用，取決于解釋執行BYTECODE的效率，據報道，與常規可執行程序的裝入執行相比最快已達到1.3比1。在應用于電網調度自動化系統方面，不少研究人員已進行了有益的探索與嘗試，JAVA技術將導致EMS/DMS的深刻革命。
10 Internet技術
因特網（Internet）的發展速度幾乎超出所有人的預料，已經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作方式。因特網飛速發展，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，瀏覽器技術用于調度生產管理系統和辦公自動化系統等非實時系統已毫無問題，將其作為電網調度自動化系統的人機界面，對擴大實時系統應用范圍、減少維護工作量非常有利。在新一代電網調度自動化系統中，傳統的MMI仍將保留，主要供調度員使用，新增設Web服務器供非實時用戶瀏覽，以后將逐漸統一為一種人機界面。如：南京力導電子系統研究所開發的SE-900系統新增設Web瀏覽器。
11 電力市場的發展
根據我國近期開放發電側電力市場的基本框架和運行規則，電力市場技術支持系統由電能量計量系統（TMR）、交易管理系統（TMS）、能量管理系統（EMS）、結算系統（SBS）、合同管理系統（CMS）、即時信息系統（SIS）、數據網絡系統（SPDnet）、發電報價系統(GBS)等構成，統稱為電力市場運營系統（power market operation system，縮寫為PMOS）。
電力市場的引入給EMS帶來功能上和內涵上的重大變化，EMS與交易管理系統的功能劃分大體有以下幾種方式：
a.將發電計劃類功能完全或部分轉移到交易管理系統（TMS），在編排調度計劃的過程中，由EMS的安全分析模塊進行安全校核，在調度計劃形成之后，傳給EMS。該方式可盡量利用現有系統，但EMS與交易管理系統之間的界面較復雜，適合于近幾年新上的EMS，且應用功能比較完善者。
b.在交易管理系統中單獨設置發電計劃和安全分析功能，在編排調度計劃的過程中，不與EMS交換數據，在調度計劃形成之后，傳給EMS。該方式沒有充分利用現有系統，但EMS與交易管理系統相對獨立，適合于較老的EMS及很難再開發完善者。
c.在EMS原有功能的基礎上,增加根據報價排序和在安全約束下編排調度計劃的功能,達到整體系統的優化,也便于系統的運行維護。該方式適合于同時新建EMS和交易管理系統。
負荷預報是EMS的基本功能，也是市場環境下編排調度計劃的基礎，對于該功能不完善的EMS，可以單獨實現，或在交易管理系統中實現。為了按電力市場運營規則進行結算，并進行必要的市場運營考核監督，EMS應為結算系統提供帶時標的系統環境數據，如頻率曲線、實際負荷曲線、實際出力曲線、備用容量曲線、控制命令或調整指令記錄、電壓檢測點的電壓曲線等。
12 調度自動化系統與其它系統的集成
現代電力企業的電網調度自動化系統是其它非實時系統的實時數據源，尤其是在電力市場環境中，需要EMS提供大量數據，而且要能夠通過電力企業綜合總線（UIB）采用3層結構（服務器層、Web層、客戶層）實現與交易管理系統、電能量計量系統、結算系統、合同管理系統、GIS系統、故障管理系統（trouble call）、燃料管理系統、水調自動化系統、雷電定位系統、培訓模擬系統、調度生產管理系統、辦公自動化系統等的互連。它們只交換數據，功能各自獨立。
13 結語
以上所述各種技術的發展為新一代電網調度自動化系統（或稱為電力企業運營管理系統）的誕生進行了技術準備，當前正處于向新一代系統的過渡時期，目前還沒有完整的系統，第三代系統已經是相對開放的系統，可以比較平滑地逐步過渡到第四代系統，但過渡階段可能較長。ODE以實現代碼優化，再由JAVA虛擬機（JVM）解釋執行，以實現跨平臺（操作系統、硬件、網絡平臺）運行。
