SCADAEMSDMS一体化系统主站技术方案.docx
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SCADAEMSDMS一体化系统主站技术方案
SCADA/EMS/DMS一体化系统主站
技术方案综述
目录
第一章主站系统的现状及新技术的发展1
1.1概述1
1.2电力企业控制中心应用系统现状1
1.3电力企业控制中心的技术发展3
1.3.1CORBA中间件技术3
1.3.2国际标准IEC61970CIM/CIS与企业集成总线(UIB)4
1.4建设一体化系统主站的技术关键4
1.4.1基于中间件技术的分布式运行平台4
1.4.2遵循CIM标准的数据库平台5
1.4.3基于CIM的图-模-库一体化的人机交互平台5
1.5建设一体化系统的意义5
第二章一体化系统的特点及结构6
2.1设计原则6
2.1.1可扩展性和灵活性原则6
2.1.2标准化和互操作性原则6
2.1.3先进性和实用性原则6
2.1.4安全性和可靠性6
2.2技术特点6
2.2.1基于中间件技术的一体化平台6
2.2.2遵循国际标准IEC61970CIM/CIS的数据库平台6
2.2.3分层构件化的分布式系统设计6
2.2.4基于CIM标准的图-模-库一体化技术7
2.2.5强大的网络互联和数据共享能力7
2.2.6Web报表和Web浏览技术7
2.2.7面向对象的模块化电力应用软件包7
2.2.8面向电力市场7
2.3体系结构7
第三章一体化系统的设计方案9
3.1概述9
3.2硬件及操作系统平台9
3.3数据库平台10
3.4网络平台10
3.5应用平台11
3.6一体化系统方案13
第四章一体化系统功能概要16
第一章主站系统的现状及新技术的发展
1.1概述
能量管理系统作为电力系统控制中心用于电网监视、控制和优化的计算机系统总称,其目的是用最小成本保证电网的供电安全性。
美国EPRI指出,采取以下措施可在不影响系统安全性的同时使运行成本有效降低:
1)开发控制中心中包含在EMS/DMS内或支持EMS/DMS的经济的、实时的软件;
2)实现控制中心和发电厂间数据的无缝通讯;
3)帮助运行人员培训。
到目前为止,作为调度自动化系统的SCADA/EMS的发展已经历经三代。
第一代系统为70年代基于专用机和专用操作系统的SCADA系统,第二代系统为80年代基于通用计算机和集中式的SCADA/EMS系统,部分EMS应用软件开始进入实用化,第三代系统为90年代基于RISC/UNIX的开放分布式EMS系统(含SCADA应用),采用的是商用关系型数据库和先进的图形显示技术,EMS应用软件更加丰富和完善,第三代系统已经有十年的发展历史。
近几年来,随着城市化发展和人民生活质量的提高,发、输电与配电不平衡发展的矛盾日益突出,表现为供电质量和供电可靠性的脆弱。
随着国家对城市配电网和农村电网改造力度的逐步深入,人们对配电自动化与配电管理系统的认识有了进一步的提高。
配电自动化与管理系统的发展开始进入全面铺开和实用化发展的阶段。
电力系统规模不断扩大,电网管理自动化水平不断提高,电力企业由集中“管制”走向“取消管制”的电力市场化进程不断加快。
在这种形势下,电力企业越来越面临着这样的问题:
原有的电网能量管理系统是否能够适应电力市场交易以及安全调度的需要,如何改造才能适应电力市场化进程的需求?
新建的电网能量管理系统怎样才能以最小的投资跟上迅速发展的计算机软硬件水平更新换代的步伐,同时能够满足不同时期建设、不同厂商开发的各个应用系统之间的系统互连、信息共享、软件互操作的要求?
面对Internet飞速发展的步伐,新一代电网能量管理系统的建设应该如何应对才能满足快速变化着的环境的需要?
1999年,国际电工委员会(IEC)TC57WG13工作组针对EMS发布了“IEC61970EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface(即EMS-API)”规范,针对EMS、DMS、TMR(电量计量系统)等各种自动化应用系统互联的需要制定了“IEC61968SystemInterfacesForDistributionManagement”标准。
新的国际标准的确立和应用,必将为电力企业建立一体化的自动化集成系统提供技术上的保证,同时有利于企业内各“自动化孤岛”的互连,和不同应用软件的“即插即用”的实现。
由于计算机通信技术、网络技术、数据库技术、面向对象技术、INTERNET技术以及软件标准化技术取得了飞速发展,以安全为主的一体化经营的电力生产、输送、分配和消费过程,开始逐步走向以安全和经济为同等目标的开放电力市场。
面向电力市场的新一代调度自动化系统的技术和运行条件已经具备。
1.2电力企业控制中心应用系统现状
目前,电力企业中各业务部门为满足特定的需要,分别安装和开发不同的应用系统,如实现电网实时监控和运行调度自动化的SCADA/EMS系统;实现配电自动化和配电管理的SCADA/DMS系统;实现自动绘图、存储电力系统结构进行电力设备管理的AM/FM/GIS(自动化管理/设备管理/地理信息系统);实现电能量的自动采集、分析与计费功能的电能量采集与计费系统(TMR);实现开放的电能量竞价的电能量交易系统(TMS);辅助资源管理和经营管理决策的企业资源规划系统(ERP)等等。
这些系统分别承担着电力企业的发、输、配电网运行和控制、维护、管理、规划、用户服务、计划编制等任务。
然而,这些应用系统关心电力对象的不同方面,对电力对象有自己专门的建模方法,相互之间很少设计成能够进行自由的数据交换,使得各个应用系统在信息上成为相对孤立的“自动化孤岛”,不易与其他功能区域交换数据或在企业范围内实现集成。
此外,电力应用系统深受计算机工业发展状况的影响,由于各应用系统开发时间不同,建设模式也不同,因此目前电力企业网中的系统具有以下共同的异构特征:
1)多种计算机硬件平台,如:
RISC计算机、PC机等;
2)多种操作系统平台,如:
UNIX、WindowsNT、LINUX等;
3)多种数据库平台,如:
Oracle、Sybase、Informix、SQLServer等;
4)多种开发语言,如:
C、C++、Java、PowerBuilder等。
为了使不同厂家、不同时期建设的电力企业自动化应用系统能够做到数据共享、软件互连,目前国内系统通常的做法是:
1)跨部门收集各个应用系统的数据;
2)针对专门需要开发点对点的系统接口(如图1.1所示);
图1.1电力企业应用系统现状
以上方法缺点是缺乏一种标准的数据库访问接口,同时新建的系统虽然暂时避免了成为“自动化系统的孤岛”,但是不会建立一种企业自动化系统共享的、高效的分布式数据平台,其结果是给未来的电力企业市场竞争,增加了更多的“自动化孤岛”。
1.3电力企业控制中心的技术发展
1.3.1CORBA中间件技术
目前电力企业各个应用系统均为独立的设计模式,不同的供应商有自己一套专门的数据模型。
为实现应用系统间的资源共享,用户只有进行相当复杂的点对点集成、繁琐的数据格式转换。
1990年11月,对象管理组织(OMG)在《对象管理体系指南》一书中首次提出“公共对象请求代理结构”,以后被人简称为CORBA。
CORBA标准的提出,是软件界的一场革命。
中间件技术(又称构件技术、组件技术)可以实现灵活的接口定义、执行模块运行时刻的激活,支持独立于平台和编程语言的对象重用,使开发出的软件具有面向对象、可重用、可移植及可互操作性等特点。
分布式对象计算领域主流技术之一的CORBA中间件体系结构能够实现EMS应用模块在异构环境中的互联、互操作以及信息共享,是满足电力企业自动化系统一体化应用集成的唯一核心技术。
我们知道,分布式软件开发需要解决一系列的兼容问题,主要包括以下五点:
1)跨硬件平台,即应用软件可以分布在大型机、UNIX/NT工作站、服务器、笔记本等各种机型的硬件平台上;
2)跨操作系统,即应用软件的开发要满足各类UNIX系统,以及WindowsNT系统和Linux系统上运行的需要;
3)跨语言,由于目前能够实现应用功能的编程语言多种多样,因此,分布式应用软件的实现不应局限于特定的编程语言;
4)跨协议,为了使应用软件运行时具有数据、方法共享性,操作透明性,集成应用软件时要考虑不同协议带来的问题;
5)跨版本,分布式软件的开发,要能够适应软件版本不断更新的需要。
目前为止,CORBA是用来解决上述问题的唯一方案。
CORBA的第一个版本于1991年发布,最早的分布式系统大多是用C语言编写,产生了移植问题,随着面向对象技术的日益成熟,1995年基于C++映射的CORBA2.0版问世,通过提供标准的IIOP协议(InternetInter-ORBProtocol)使得不同供应商的ORB上所开发的系统组件间可以互操作。
CORBA2.2版本中,由于用POA(可移植的对象是适配器)代替BOA(基本的对象适配器),克服了服务器端的可移植性。
1999下半年-2000年末发布的CORBA3.0版本从Internet集成、服务质量控制和CORBA组件结构方面丰富了CORBA分布式系统的安全性、实时性。
CORBA技术是综合了面向对象技术、分布式计算技术、多层体系结构和接口技术的一种综合技术,针对目前电力企业自动化系统领域存在的支撑平台的非开放性和专有性,采用CORBA技术实现应用系统的互操作,是解决未来应用系统集成和互操作的首选方案。
基于CORBA技术规范的应用系统互连如图1.2所示。
图1.2一体化应用系统的互连趋势
1.3.2国际标准IEC61970CIM/CIS与企业集成总线(UIB)
90年代初,美国电科院(EPRI)在电力企业的能量管理系统和配电自动化领域开展了称为CCAPI(控制中心应用程序接口)的数据通讯和数据抽取工程,并建立了公用信息模型(CIM),该模型是电力企业EMS系统中建立的一套全面的数据类型的描述。
CCAPI专业组的目标是开发一套框架,以便电力企业运行环境里的应用软件达到“即插即用(PlugandPlay)”。
IEC技术委员会第13和第14工作组(WG13和WG14)从事于使电力工业的全部电网一侧的数据结构和应用程序的接口(API)标准化,WG13集中在EMS应用程序接口的工作,WG14集中在认识和建立与配电管理系统(DMS)要求的标准化接口和电力企业的应用系统集成总线IEC61968UIB。
CCAPI专业组已经提交了CIM模型给IEC作为一种建议的标准,并被IEC所采纳。
1999年末,IEC61970CIM/CIS作为IEC标准被推荐给全世界的EMS、TMS、DMS、TMR生产厂家和电力公司。
2000年11月,由国际上知名的电力自动化厂商ABB、SIEMENS、GEHallis、AlSTOMESCA开始了基于CIM模型的第一次EMS系统互操作试验,2001年5月,上述四厂家又进行了第二次EMS系统的互操作试验,尽管以上试验非常简单且这些厂家提供的产品要达到IEC61970CIM/CIS规定的基于CORBA平台的系统互操作还有很长的路要走,但是这已经给我们了一个信号,今后电力应用系统的互连和电力应用软件的即插即用的时代很快就会来到。
2001年1月和2001年7月,由国调通信中心组织的国内主要的电力自动化厂商参加的EMS-API互操作试验会议分别达成了近期内加快国内EMS、DMS等电力自动化产品按照CIM标准进行互操作的协议,东方电子以其业内率先遵循IEC61970CIM/CIS标准开发的新一代DF8003系统参与了这次互操作试验,并提供了基于实时中间件平台的应用系统互联的公用信息访问接口(CDA/DAF)和与非CIM标准的系统进行信息共享和互操作的CIM/XML导入器/导出器,为企业自动化系统的互连提供了符合国际标准CIM的丰富的APIs接口。
1.4建设一体化系统主站的技术关键
1.4.1基于中间件技术的分布式运行平台
电力企业一体化系统的建设包括两层的含义,一是数据一体化,即企业的众多系统的数据模型接合到一个较小的、更合理的使其能够提供决策支持的数据集合;二是提供一种公用的方法进行自动通讯。
基于中间件技术的分布式运行平台可以看作是应用系统与不同得计算机软/硬件体系之间的一个中间件软件包,它可以有效的将上层应用和底层系统隔离开,同时建立跨平台的开发平台和运行的环境,使上层应用不必修改代码就可以移植到不同的操作系统之上,从而使得上层应用可以在不同的硬件体系和操作系统之上实现互连、互通、互操作。
基于CORBA体系结构的分布式运行平台,可以确保电力企业自动化系统的无缝集成,实现企业资源的优化配置和共享度,满足电力企业不断发展的应用需求扩展的需要。
1.4.2遵循CIM标准的数据库平台
随着电力企业自动化系统集成需求的增长和互联的要求,CIM作为控制中心应用程序一体化(集成)的标准对象模型将变得越来越广泛,电力企业自动化产品的生产厂家必须提供它们的私有对象模型和CIM之间的标准映射。
CIM作为一种标准的数据交换模型将大大减轻电力系统应用程序间的相互依赖和互操作性。
公用信息模型/组件接口规范(CIM/CIS)的采用将使EMS、DMS、TMR、TMS、MIS等真正走向开放和标准化,使企业的自动化系统一体化平台的建设有了共同遵循的国际标准。
随着CORBA/DCOM标准和技术的不断发展,以及IEC61970CIM/CIS标准的不断丰富和完善,新一代电力企业一体化系统(EMS、TMR、TMS、DMS、RDS、AM/FM/GIS等)将是今后电力企业自动化系统发展的趋势。
1.4.3基于CIM的图-模-库一体化的人机交互平台
图-模-库一体化技术在SCADA/EMS系统中的运用,使得自动化系统管理员和调度员更易于维护系统和使用系统,拉进了开发者和使用者的距离。
SCADA/EMS/DMS一体化系统中的图-模-库一体化必须建立在面向对象的、统一标准的技术规范基础上,应用系统才能实现平滑交互,CIM提供了统一的模型定义。
1.5建设一体化系统的意义
建设电力企业应用系统一体化系统的意义可从用户和开发商两方面来分析。
从用户的角度来看,它具有以下优点:
1)易于系统的扩展和升级;
2)易于系统的互连和应用软件的互操作;
3)减少投资的费用和提高系统的性价比;
4)减少维护费用。
从开发商的角度分析,具有以下优点:
1)降低开发的费用;
2)缩短系统的开发周期;
3)提高系统的可维护性;
4)便于系统的升级和模块化改造。
第二章一体化系统的特点及结构
2.1设计原则
2.1.1可扩展性和灵活性原则
根据SCADA/EMS/DMS系统实时性、分布式计算,以及与其它系统互连的要求,设计上应采用基于中间件技术的开放分布式系统设计思想,使得应用程序建立在构件化的基础之上,便于新的应用模块在不同软/硬件环境上的扩展。
2.1.2标准化和互操作性原则
随着电力企业信息化步伐的加快,电力控制中心互连系统的需求增多。
在未来的电力市场环境下,电力市场交易系统需要EMS系统提供电力系统安全性分析。
IEC61970CIM/CIS国际标准,定义了EMS、DMS、PTMS、TMR等系统的公用的数据模型和标准的组件接口规范,为各个应用系统之间公用数据的存取和访问提供了统一的国际标准,从而为分布式系统平台之上建立可互操作的应用软件模块奠定了基础。
2.1.3先进性和实用性原则
随着电力市场的开展,传统的EMS应用软件将发生重大的变化,如发电计划已经为电力市场交易管理系统所代替,等等。
SCADA/EMS/DMS应用软件设计应做到先进性与实用化相结合,为电力企业发展提供可靠的技术保证。
2.1.4安全性和可靠性
SCADA/EMS/DMS系统是实时系统,必须提供7×24的可靠保证。
同时,SCADA/EMS/DMS系统作为电力企业数据源广泛与其他应用系统进行互连,以及提供Internet服务等,系统安全性十分重要。
2.2技术特点
在新的电力市场环境下,XX电力公司新一代系统应体现以下技术特点:
2.2.1基于中间件技术的一体化平台
系统应充分考虑到了SCADA/EMS/DMS/TMR对开放性、可扩展性、可移植性、易维护性、可靠性和安全性的要求,为XX电力公司提供一套易于维护和使用、遵循国际标准、采用面向对象技术、开放分布式的开发和运行平台。
2.2.2遵循国际标准IEC61970CIM/CIS的数据库平台
目前调度自动化主站系统处于群雄割据局面,为了使新一代的调度自动化系统满足日益增长的系统网络数据交换和数据共享的需要,国际电工委员会近十年逐渐完善了能量管理系统的应用程序接口标准和模型定义工作,并号召EMS生产厂家积极采用(兼容)该标准。
新系统的设计应从系统支撑平台、数据库、人机界面几个方面,参考IEC61970的标准,以电力设备为对象创建了统一的电力系统数据模型,为能扩展和软件更新提供了开放的、强大的底层支持功能。
2.2.3分层构件化的分布式系统设计
新系统应采用分层设计技术,整个系统应由系统支撑(计算机硬件、操作系统、数据库管理系统、网络)层、通用平台层、专用平台层、应用平台层、应用软件层组成,提高系统的开放性、可扩展性和可维护性。
2.2.4基于CIM标准的图-模-库一体化技术
新一代SCADA/EMS/MS系统应参考IEC最新推出的CIM标准中设备模型定义的基础上,结合国内的具体情况,使用户可以按照各自的应用需求,在维护一套图形系统和设备参数下,满足各自应用的需求。
该技术应用大大方便了用户的系统维护。
2.2.5强大的网络互联和数据共享能力
电力企业计算机系统纵横向互连是当前应用发展的必然。
所谓横向互连是指局域网间的互联,如与MIS系统、TMR系统等系统的互连;而纵向互连是指城域网或广域网的互连,如与集控站、RTU、上下级调度中心的互联等。
具有强大的网络互连能力是新一代系统应具备的一个重要特点。
2.2.6Web报表和Web浏览技术
Web应用技术的运用,使得应用系统走向开放和通用。
大多数系统提供了Web浏览功能,而基于Web的报表功能应作为新一代自动化系统所应具备的Internet功能。
2.2.7面向对象的模块化电力应用软件包
随着C++语言的不断丰富和完善,使得系统的应用开发更为灵活和快捷。
基于面向对象技术编制的构件化、模块化应用程序,减少了系统代码的公用性,大大提高了系统的可扩展性和稳定性。
2.2.8面向电力市场
开放电力市场是电力体制改革的方向。
新一代系统应充分考虑为未来的电力市场技术支持系统提供交易安全的支持功能。
2.3体系结构
SCADA/EMS/DMS一体化系统的体系结构如图1.3所示。
图1.3面向电力市场的SCADA/EMS/DMS/TMR/TMS系统体系结构
第一层:
分布式系统运行和开发中间件平台,也称通用平台层。
该软件包有效的将上层应用和底层系统隔离开,同时建立在不同的计算机体系结构和操作系统之上的该分布式系统运行平台,为上层应用的设计和运行提供一种开发平台和运行的环境。
第二层:
基于IEC61970CIM/CIS的面向对象关系数据库中间件平台层。
它采用国际电工委员会(IEC)制定的能量管理系统应用程序接口标准(EMSAPI)和面向对象的电力设备模型定义,是面向电力系统应用的完备且完善的数据库管理系统,可以为数据采集与监控(SCADA)、电网分析软件(NAS)、自动发电控制(AGC)、配电管理系统(DMS)、调度管理和智能操作票系统(DMIS)、交易管理系统(TMS)、电能计量系统(TMR)、地理信息系统(GIS)和调度员培训仿真系统(DTS)等监控、电力市场系统提供充分的支持。
专用平台层的建立,使得应用软件的“即插即用”成为可以实现的目标。
第三层:
应用平台层,它是为EMS和其它系统(配电自动化系统、电能量计量系统、水调自动化系统、企业管理信息系统)提供通用的应用接口和功能的总称。
应用平台层的建立使得电力企业的自动化系统不再是一个个“孤岛”,使企业内部的信息和数据交流具有了可靠的、安全的、高效的统一平台。
第四层:
电力应用软件层,该层包括丰富的能量管理系统应用软件、配电管理系统应用软件、电能量计量应用软件和电力市场交易管理系统软件。
第五层:
培训仿真层,该层为EMS和TMS系统的镜象层,包括调度员培训仿真系统和交易员仿真培训系统。
第三章一体化系统的设计方案
3.1概述
SCADA/EMS/DMS一体化系统主站是计算机硬件系统、软件系统和网络系统的集成。
系统的集成,平台是关键。
正确的选择平台非常重要,主要表现在:
1)有利于把握整个系统的投资方向,避免投资风险和投资浪费;
2)有利于把握整个系统的技术发展方向,减少技术风险和应用开发风险;
3)在统一的平台环境下,有利于发展企业自身的信息产业;
4)有利于采用先进的平台体系结构和开发工具,提高应用软件的质量和效率;
5)有利于平台与应用之间的整体集成,统一标准、统一系统风格、统计界面,提高系统可用性。
XXSCADA/EMS/DMS一体化系统在方案设计时,应着重考虑一下平台的建设:
1)硬件及操作系统平台
2)数据库平台
3)网络平台
4)应用平台
本章着重从上述几方面向用户提出个平台的设计原则,供参考。
3.2硬件及操作系统平台
目前,计算机系统硬件主要分为两大体系结构,一是基于RISC体系结构的64位计算机,如:
CompaqAlpha系列、HP9000系列、SunUltra系列、IBMeServer系列等。
二是基于CISC体系结构的32位计算机,如基于Intel微处理器的各种PC计算机。
计算机操作系统与硬件是密不可分的。
对应不同的硬件,操作系统也可大致划分为两大类,即Unix操作系统和Windows操作系统。
业界著名Unix操作系统有:
CompaqTru64Unix、HP-UX、SunSolaris、IBMAIX等。
作为企业级操作环境,WindowsNT操作系统应用广泛。
Linux操作系统作为一种免费的Unix操作系统而流行,主要用于网站。
Unix操作系统的第一个版本发表于1969年,由于它的开放性、可移植性和多用户、多任务等特点,深受用户欢迎。
Unix已经成为业界公认的操作系统标准,IEEEPOSIX就是基于Unix制定的操作系统规范。
WindowsNT(NewTechnology)是由Microsoft公司于1993年推出的网络操作系统。
它具有32位结构、支持多任务、可移植性,支持对称多处理、多协议等特点。
它所提供的图形用户界面和管理工具具有易用性特点。
选择计算机硬件及操作系统因遵循以下原则:
1)开放式设计,易于同其他异构系统互连;
2)支持客户/服务器结构;
3)支持多种网络协议;
4)较高的系统性能价格比;
5)产品具有良好的连续性。
电力企业电网调度自动化系统要求具有高实时性、高可靠性、高可扩展性等特点。
作为关键应用,可采用Unix或WindowsNT操作系统。
一般地,大、中以上级地调多考虑采用Unix操作系统,而尤其采用CompaqTru64Unix者居多。
这主要由于CompaqAlpha是64位计算领域的领导者,其领先的性能深受电力企业青睐。
WindowsNT操作系统以其强大的功能和易用性,特别是运行于低成本环境PC上的特点而被中低用户普遍采用。
3.3数据库平台
SCADA/EMS/DMS系统是实时性要求很强的
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