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远动主站系统1
第五章远动主站系统
§5-1远动主站系统硬件配置
远动主站系统也称调度主站系统或中央控制系统，是指设在电网调度控制中心的计算机控制系统，它是整个电网调度管理控制系统的的心脏部分，其任务是收集来自电网生产过程的数据和信息，分析处理这些数据或信息并为电网调度操作人员显示其结果，接收调度操作人员的指令，指挥电网生产运行方式和操作。
对远动主站系统硬件配置有许多要求，有些要求是用户的特殊要求和需要，有些则是带有普遍性和基础性的要求。
这些要求在很大程度上决定了远动主站系统的设计。
远动主站系统的设计可以由响应时间、可用率、系统维护与开发三个方面来概括系统的性能和表达系统结构的能力。
系统响应时间定义为：
从请求功能的瞬间到输出可使用的结果的这一段时间，这个概念适用于整个控制系统的各个不同的部分，例如：
把电网局部的数据发送至远动主站系统，并提供给刷新数据库的时间，或提供给刷新显示器屏幕数据的时间。
系统设计对关键性功能应保证快速响应。
对显示功能要求的响应时间通常是在2～5秒钟范围之内，一个良好的显示响应时间只有1秒钟。
电网控制中心是一个要求快速响应的实时系统，其影响响应时间的主要因素有：
（1）计算机工作负荷；
（2）计算机结构；（3）操作系统；（4）数据库系统和数据库存储。
系统的可用率一般定义为：
可用率=（总的时间-停用时间）/总的时间。
系统的可用率一般要求>99%，关键性元件的可用率要求>99.9%。
为了实现这样高的可用率导致了采用两套完全相同的设备配置，以便于以最小的一个设备元素作为一个可运行的状态来处理。
通常我们在设计系统时就十分强调，不得因一个设备元素的故障而影响整个系统的运行。
以至于导致全系统的停运，这是为保证可用率对硬件运行结构上提出的基本要求。
系统维护和开发要求是指:
系统必须设计成硬件和软件（特别是软件）能够很容易地进行维护和更新。
软件系统的程序通常非常大，如果没有程序维护和开发的手段及机器，用户在失败情况下只能将系统停运下来，其损失不难想象。
远动主站系统无论硬件还是软件都具有三个基本部分：
①通信计算机子系统。
它包含与远动分站通信的前置机和与上下级相邻主站系统进行远程通信的通信计算机二大部分；
②主计算机子系统。
用该子系统建立全系统的中央实时数据库；
③人机接口子系统。
由它完成人机对话，电网生产运行的指挥，控制操作和实现系统维护开发。
通常，远动主站系统设计是否成功，要由调度操作人员来评价，因此远动系统的重要功能都集中体现在人机接口MMI（Man-MachineInterface）上。
在有高级功能水准的系统中，还有一些应用软件（和硬件）子系统，完成各项电网高级应用功能的运行和操作，如调度员培训子系统，AGC，EDC等。
历史数据库子系统与高级应用软件子系统配套，提供各项电网高级应用软件运行中所需的历史数据，并长期保存其各项运行结果的记录。
不论哪种远动主站系统的配置方式，其配置的大小要依据两点：
一是所需求的功能内容，即功能水准；二是从电网中将要采集的数据量和处理的数据量以及将要设置的厂站数量，远动主站系统配置的最终选择取决于该系统由谁和如何及怎样使用。
通常远动主站系统功能水准可分以下几个等级：
（1）数据采集和管理系统DAM；
（2）数据采集/监视控制系统SCADA；
（3）数据采集/监视控制/自动发电./经济调度系统SCADA+AGC/EDC；
（4）能量管理系统EMS。
§5-1-1集中式远动主站系统硬件配置
基于对远动主站系统的不同要求，在90年代之前出现某些公认的典型系统配置。
这些系统配置多采用集中耦合方式，即计算机之间采用接口与接口的联接方式。
计算机多采用小型计算机为主。
主要是受到当时的计算机硬件结构和价格昂贵的限制，人们希望一机多能，软件的功能模块之间界面不清楚。
一、没有冗余度的单机系统
远动主站系统设计中最基本的配置方案是采用一台计算机为主计算机构成系统，由该主计算机联接人机联系和通讯的工作。
原则上这类系统有两种方法可以进行配置：
第一种方法是把主计算机作为联结所有控制设备的结合点设备。
在这种情形中，主要问题是任何时间外部设备（又称外设）执行一个信息任务，发送或请求存储或恢复主计算机的数据都要中断主计算机CPU。
这种系统除了处理、传输数据之外，只剩下部分时间来运行主程序。
因此，这样的系统响应比较慢，其框图如图5-1所示。
图5-2是一个在图5-1方案基础上，采用通信控制专用计算机和人机联系专用计算机的系统，它提高了主计算机的工作负荷能力。
由通信控制专用计算机实现前置子系统的数据处理，一般它服务于两个方面：
一是接口于通讯系统，二是执行某些数据处理。
经DMA（Direct-Memory-Access）方式，数据以高速度直接送至主计算机存储器内，因此，主计算机中断频率相应减少。
人机联系计算机控制操作显示和VDU（VisualDisplayUnit）的数据处理，可以存储局部的显示信息，使之显示变化所需要的响应时间减少到最短。
也可以采用DMA方式访问主计算机存储器。
但不论怎样，在该配置的系统中，如果任何一个关键性的系统元件损坏，都会导致整个远动主站系统停下。
其原因很简单，不论是整个系统的可用性，还是各子系统的可用性仅仅是取决于系统元件自身的可用性程度，而不存在通过系统结构特征来体现出可用性。
在这种配置系统中，可实现的功能水准为：
（1）数据采集：
采集测量值和状态信号和事故信号。
（2）控制操作：
操作断路器的合/断；发电机组的投入/退出；当地调节设备的人工/自动操作；控制发电机出力、电压、闸门位置等的增/减脉冲或模拟遥调值。
（3）监视：
自动监视采集的生产过程信息对发生异常或越限进行报警。
（4）显示：
显示所采集的电力系统信息以及控制系统内部状态信息。
二、具有冗余度的四机系统
如果要使远动主站系统的可用率得到提高，采用完全备份方式来配置设备是必要的。
这种方法适合于远动主站系统中的所有系统元件，备份方式有效的提供了较高的可用性。
然而在许多情况下仅仅考虑到了系统主设备的备份方式配置，例如主计算机，前置机，VDU等，而对通信和分站系统的设备备份方式常常被忽略，在许多情况下是十分需要的。
在冗余配置中，从功能上讲主备份计算机是相等的，两台机器以主/备方式或并行方式连续不间断地工作。
在主/备方式中，数据库连续把数据从主机（PrimaryComputer）传送到备用机（Back-upComputer）。
如果主机故障了，备用机自动取代主要角色，原来的主机成为备用机角色。
如果两台计算机并行工作，两台计算机同时刷新它们自己的数据库。
图5-3是一个典型四机配置远动主站系统。
四机配置系统功能很相似于前面叙述的单机配置系统的功能。
不同的只是完全备份式的设备增加了某些特征。
例如：
可以把操作员培训很方便的结合进去，假如备份式系统以主/备类型工作的话，备用计算机可以作为增加的资源，实现这些功能。
当远动主站系统的要求较高时，冗余配置系统方案通常习惯选择图5-3的系统配置方案。
数据处理容量大，因此，功能内容比单机系统更大。
主站系统和分站系统两方面增加的自动控制功能通常能在四机系统中与相关的应用功能结合在一起。
除了监视功能相同于单机系统之外。
该系统在增加收集数据的同时，也为分站提供了计算能力。
利用这些计算结果能有效地监视关键性的越限事件，也可增加以下新功能：
（1）计算所测量的有功、无功、视在功率，该计算结果在校核输电线路负荷中是很重要的。
（2）在一个区域或一个电力公司内，电量生产的累计计算，该项工作在统计和实际应用中是不可缺少的。
（3）执行EMS功能。
如功率潮流，状态估计，自动发电控制（AGC）等。
图5-3冗余四机系统
一个远动主站系统的结构是基于计算机设备相互联接形式的不同而构成的。
这种系统配置的特点如下：
（1）人机接口子系统是主计算机通过图形显示发生器直接支持的。
每个人机对话的操作席位可以由一台或多台CRT和字符/功能键盘组成。
80年代生产的CRT是采用控制字符方式工作的半图形设备。
各种图形字符是在订购设备时与厂方预先约定的，并写入EPROM中不可由用户自行更改。
所有图形字符和色彩由图形发生器产生和控制，所以图形字符数量和色彩种类都受到一定的限制。
（2）实时系统的特征之一是通过数据库和数据库的结构设计来决定的。
在集中联接方式下，系统配置设计中使用的数据库和软件模型设计，以及各软件模型与数据库联接界面的过渡方式成为关键因素。
（3）所有的功能软件集中于主计算机内，使实现这些功能硬件界面较少，软件之间界面容易过渡，数据库数据共享容易实现。
（4）由于上面三点原因，主计算机负荷十分繁重，主机大多采用小型计算机来承担，致使系统造价太高，建设初期一次性投资较大，就系统的使用全过程看其经济造价显得不太合理。
§5-1-2分布式远动主站系统硬件配置
一、分布式结构系统
进入90年代分布式系统得到讯速发展，主要是基于三个方面的技术支持：
（1）计算机硬件的讯速发展，采用RISC（精简指令系统计算机）技术。
使CPU处理性能从原来的几个MIPS（每秒钟处理百万条指令）上升到几十个MIPS，甚至高达几百MIPS。
内存容量从几MB增加到几十MB。
外部存储器容量也发展到几百MB到几GB。
（2）计算机局部通信网络（LAN）的迅速发展和广泛的商业化应用。
（3）计算机非专业性产品和广泛使用的标准得到了公认，促使了系统技术从只要求透明度发展到要求开放形式。
分布式系统意味着能将整个远动主站系统的任务分解成界面明确的较小的部分，将分解后的各部分内容分别在各个不同的处理器上执行。
分解后的各部分内容就是远动主站系统的各个功能模块或者是电网高级应用软件包。
处理器就是远动主站系统中的各个服务器和工作站。
在分布式结构的系统中，可以很方便地实现对所有系统元件按等同备份方式配置，即某一功能模块按双服务器结构配置，通过冗余构造系统获得最大程度的可用率，实际上，在设计和组成系统时很难确定系统中的那一部元件是重要的或非常重要的，所以不仅仅要求对系统的某一部分而且要求对整个系统保持冗余都是非常有必要的。
对于某一个功能模块运行的双服务器结构之间的通信监视，一般是以两种不同的物理联接进行：
LAN（局部网络）和监视联系（RMI）。
在这个过程当中有不同的信息被传送：
即测试信息和校核信息。
测试信息（表达某台机器在线运行信号）通过一种物理联系被从一个服务器发送到另一个服务器。
校核信息是从在线服务器送到备用服务器，即实现同时对在线和备用服务器刷新数据内容。
根据信息内容、有无信息或服务器运行状态变化来决定是否启动双服务器之间的切换。
由于双服务器之间是以热备用方式运行，所以切换是平衡的，无扰动的条件下进行的，也不会有丢失数据现象出现。
值得提出的是分布式系统的双服务器配置结构以及它们之间的切换的实现，都是依赖于LAN的联接方式。
请参见图5-4。
整个远动主站系统的功能从硬件和软件上划分成不同的工作平台和模块，同时进行工作，给系统的各项响应时间指标带来了很大的提高。
各项功能模块被分别运行时，就可以实现并行处理，CPU负荷和功能程序之间能得到理想的协调。
由于软件被划分成不同模块，这样就隔离了各模块之间的干扰，提高了程序质量和运行环境，大大地改善了系统维护条件。
同时也可以从标准产品角度上达到符合用户实际需要的要求。
标准产品的模块简化了不同服务器之间的功能分配，这种功能分配方法对进行功能再开发是十分有利的。
图5-4系统双机间的监视和无扰动切换
分布式系统中所需要的服务器或工作站数量取决于如何分配软件模块。
分布性总是建立在不同电网环境情况的基础之上的，因为没有两个网络的特点是会完全相同的。
如何分配其些模块是很重要的，尤其是在大型系统中。
例如，通常情况下调度员模拟培训（DTS）需要单独执行，因为用户往往希望在培训时与在线系统隔离开以免干扰，需设置独立的工作站。
一般设置两台计算机，一台由教师使用，一台由学员使用。
当需要一个席位以上的调度员操作控制台的物理布局时，人机接口模块（MMI）也常常采用专用的工作站形式来执行其功能，以一台计算机作为一个调度员操作控制席位的工作平台。
电网高级应用软件大多以几个相关模块组合使用一个工作站，这是因为高级应用软件需要大量的专用处理能力。
在必要时对报告和表格也可以采用微型计算机作为专用处理器来分配其运行模块。
图5-5是一个典型的分布结构的远动主站系统配置图。
二、关于开放系统结构
开放系统结构是基于分布式结构而言的。
在长期的实践中，随着电网的不断变化和发展，电网调度管理控制中心希望对远动主站系统在保持原有的数据资源和软件资源的前题下，不断改进和升级，以延长其系统的使用寿命。
这样就存在两个方面的问题：
一是前期产品与当前产品的硬/软件兼容问题；二是对不同的供货商提供的计算机选择问题。
因此IEEE给出开放的SCADA/EMS系统定义和开放的计算机系统定义。
IEEE能量控制中心工作组对SCADA/EMS系统的开放性定义：
能够增扩或完全取代现存的EMS系统的部分或全部，对于所有的供应设备不依赖某一个供货商。
要真正做到开放性，不论是SCADA/EMS系统还是计算机本身都要求严格按照公认的开放的工业标准进行系统设计和设备选择，这是现代远动主站系统建设中的一项非常重要的原则问题。
所谓“标准”就是意味着那些经用户认可的、经常使用并得到验证的、运行熟悉的界面，而“开放”就是那些供货商都可以得到的并在产品中使用的标准，决不是取决于特定的产品。
通常有以下著名的标准：
IEEEPOSIX操作系统界面。
1003.1指定了基本的操作系统特性，1003.4指定了实时系统方面的特性。
OSF
开放软件基金会/MOTIF和X-WINDOWS的人机界面。
SQL
结构化查询语言，用于高性能实时数据库和库的维护的界面。
OSI
开放系统互连ISO/OSI（国际标准化组织/开放系统互连）参考模型及CCITT（国际电话电报咨询委员会）建议指明通讯层的结构。
例如：
—Ethernet（以太网络）（IEEE802.3）用于LAN通信；
—TCP/IP（传输控制协议和互连网络协议）用于LAN和WAN（广域网）通讯；
—DECNET（DEC网络）用于LAN和WAN通信；
—X.25/3用于WAN通讯；
—RP570（IEC870-5）用于RTU与主站之间的通信；
—ELCOM（IEC870-6）用于内部中心通讯；
—OSF/DCE（开放软件基金会/分布计算机环境）用于分布式计算环境。
图5-5SCADA/EMS分布结构系统配置图
ADM管理器PSS电力系统模拟服务器
COM通信器S5SLMATICSS模拟盘驱动器
NA网络分析服务器DTS1,2调度增训仿真服务器
GCS发电控制和时序服务TCI遥控接口
GWY信关TS时间系统
MMI1…n人机交互服务器1…nTSR终端服务器
TEST测试服务器
三、当前分布式系统的几个关键性技术
1.计算机网络管理
计算机网络管理（CNM）是针对分布式系统各不同服务器之间的相互通信，就硬件/软件冗余，多机协调监控和监视的不同要求而提出的。
CNM是位于系统/应用程序与基本系统之间的一个独立子系统透明于系统/应用程序和基本系统。
CNM提供的功能具备在多台计算机环境中通信。
图5-6表明了CNM与系统及应用程序和基本系统之间的分层关系。
由于远动主站系统功能分布在各个服务器上，这些服务器通过单一的或冗余的LAN相联。
不同任务的分配是由系统配置决定的。
在发生错误时或由人工干预下能使系统重新构成。
CNM提供下列功能：
运行方式管理；计算机状态管理；冗余规则；自举协调和监视。
CNM分别有下列运行方式决定一台或多台服务器具有相同的用户。
进程运行；测试方式；培训；独立方式（非在线运行）。
根据下列计算机状态，可以决定其计算机的运行方式。
自举；进程控制；热备用；测试方式下的进程控制；
测试方式下的热备用；培训；冷备用；独立运行（不联网）。
CNM根据各种需要提供不同的冗余规则，即双计算机热备用运行，冷备用管理和单机运行。
图5-7显示热备方式下的双机工作状态变换的周期。
热备用时，当主机发生故障时，备用机无需人工干预，能自动、平稳地切换到备用机上对系统不发生任何扰动。
CNM对系统各部分均通过出错信息（被动监视）和专用监视程序（主动监视）来进行监视，对出错信息按照系统分层以及严重的程度进行分类，并给出相应的对策。
例如，某硬件系统发生错误，使机器自动重新引导等。
CNM提供手动切换和自动切换功能。
在特殊的运行组织下（如测试和培训运行）和修改当前的结构时需采用手动方式切换。
在系统出错或计算机故障切换至备用单元上时，均进行自动切换。
2.软总线（Softbus）
随着远动主站系统不断增大，功能软件日益复杂，这就要求软件严格按照模块设计并采用标准接口。
作为模块化设计的结果，标准通讯已成为必要，软件程序之间可以在逻辑层上相互通信。
这样的系统用软总线体现出来。
与硬件相类似，程序间的相互通信按标准接口由软总线相互连接起来。
软总线为数据帧和程序间相互传送数据提供了通用的通信系统。
其特点如下：
（1）安装使用简单。
（2）软总线使软件开发标准化。
（3）计算机内部和整个分布系统计算机之间在ISO传输层上传递信息。
（4）实现冗余LAN的处理。
（5）能高级测试和模拟仪器。
（6）程序可立即、延迟、一次性或周期性激活。
（7）可作为移植高级语言的接口。
在计算机内部通过软总线通讯实现了各程序之间信息交换。
见图5-8。
在计算机网络中，软总线的延伸超过了单台计算机的界限，通过LAN联接起来。
发送器根据一个唯一的计算机标识符来指定接收的计算机。
根据中央的路由表，软总线知道通过LAN的路由，不论发送器与接收器是否在相同的计算机上或者不相同的计算机上，都可以正常工作。
3.人机接口的进步
由于采用RISC技术后，计算机提供了人机接口环境发生了飞跃性进步。
可归结成以下重大技术改革：
（1）全图形显示。
具有完备的手段实现图形漫游、变焦和任意移动，由用户充分自由地不受限制的自行生成和建立图形符。
（2）高显示分辩率。
能提供几百种色彩和不抖动的显示，为操作人员显著地减轻了工作强度，并改善工作环境。
（3）多窗口技术。
允许操作员在工作时对屏幕上任意区域拼装所关注的多个独立画面。
（4）快速鼠标控制。
通过交互菜单选择方式可取代90%以上的键盘操作。
利用移动和放置软键（Softkey）（由鼠标和光标组合构成），实现窗口之间的直观作用。
鼠标控制几乎可覆盖工作站的所有屏幕而不需在屏幕之间进行切换。
（5）极好的显示响应时间。
（6）有面向电网生产工艺的交互式显示结构，运用者不需要软件知识。
为此下面就图形技术做些简单介绍。
（1）可变焦和可漫游图形。
该功能主要用于网络和曲线显示，即用于既有全景显示又有多细节显示的复杂图形方面。
图形被设计成一系列的平面，每个平面包含对某一特殊层次详细信息，在变焦时，屏幕上的显示能供助于变焦因子从一个平面切换到下一个平面。
漫游有三种方式（如图5-9所示）：
平滑方式
窗口跟踪鼠标移动的位置漫游；
步进方式
窗口跟踪键盘上的光标键来实现漫游；
弹性方式
选取平面图上的可见光点来移动图形的一部分。
变焦即改变图形的篇幅比例，取决于变焦因子。
有三种变焦模式（如图5-10所示）：
平滑变焦
移动鼠标来改变变焦比例因子。
步进变焦
靠功能键盘和窗口中的图形来改变变焦比例因子。
区域变焦
只允许图形放大的功能。
（2）可滚动图形
该功能主要用于数字字符表显示方面。
一个表格由图形的一个平面来表示。
通过鼠标器提起滚动杠的顶端来实现逐行滚动或靠提起滚动杠的黑框部分并移动至所需的位置（快速滚动到始端或末端或表中任意位置）。
见图5-11中的示意。
（3）层次显示。
层次显示即当变焦时变替显示/消除各层次的窗口信息。
有两种模式。
平面交换
在变焦时，按预定的比例因子，显示平面自动地改变为下一个，对每个平面来说，平面能见度的比例范围是定义好的。
这些平面可以不同程度地表示细节。
如图5-12中，在平面1中所有的单个设备的馈线显示，而在平面0中对逻辑组合设备同样的馈线只有一个符号表示。
一个平面内层次显示
即在一个平面内变焦时，图形元件如标记，模拟量或其他细节均可见，而其他不合适的内容可能会消失。
该功能可用来对信息的细节作有选择的显示。
请参见图5-13中的显示变化过程。
图5-9在世界图上漫游
图5-10区域变焦
图5-11实例：
可滚动的图形
图5-12平面切换
图5-13在一个平面中层次显示
§5-1-3远动主站实例简介
一、我国四大电网调度自动化引进工程简介
华北、华中、东北、华东四大电网都是我国千万kW级以上的大电网，地域横跨数省市，人口数千万甚至上亿，其规模在世界上也是屈指可数的。
我国从1981年开始筹备四大电网调度自动化系统引进工程，1985年7月与美国西屋系统公司（WSL）签订了工程引进合同，1986年前后陆续地投入使用。
这次引进的调度控制系统属于中档次即SCADA+AGC功能水准级，但其硬件和软件留有发展为EMS系统的余地，它的支持软件具有高档先进水平（WMS级），可以运行各种高级应用软件的开发。
远动主站系统主机采用VAX-11/785双机配置系统，一台为值班机，另一台作为热备用。
前置机采用四台PDP-11/73小型计算机，其中的两台用来收集WSL公司生产的RTU数据，另两台则作为国产的循环式远动装置或其他公司生产的RTU的接口。
四台前置机通过以太网（EThernet）与主机相连接，以太网是80年代的成熟技术。
这种连接方式已被不少家公司采用。
为了分散前置机的负载，每台前置机上装有10块智能接口板，分别处理从4个通道（包括备用通道）上传来的RTU信息。
接口板中的微机可以进行不同类型RTU的通信规约转换，因而比较灵活。
VAX-11系列计算机是一种强大的超级小型机，VAX-11/785计算机字长32位，内存12MB，所配备VAX/VMS操作系统的显著优点是虚拟存储，用户可以完全不必操心存储单元的分配和容量限制，这对于大的电网应用软件是非常方便的。
缺点是实时响应速度略慢一些（CPU处理性能2.4MIPS）。
PDP-11系列是16位字长的小型机，内存1MB，与VAX-11系列一样，也是美国DEC公司的产品。
专为电网而开发的软件环境性能良好。
它的人机会话系统使用非常方便，使生成画面的工作量大为减少，完全不需要填写任何表格，全部用对话方式完成。
数据库的调用方法也极为简单，而且速度极快。
引进工程的硬件配置如图5-14所示。
SCADA软件功能比较全，全部引进的软件有以下几项：
（1）数据采集（DataAcquisition）；
（2）人机会话（Man-MachineInterface；
（3）告警（Alarm）；
（4）记录（Logging）；
（5）事故追忆（PostDisturbanceReview）；
（6）通信（Communication）；
（7）特殊运算（SpecialOperations）；
（8）双机切换（Failover）；
（9）双机备用（Back-Up）；
（10）模拟盘驱动（M
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