王明俊（中國電力科學研究院，北京100085）
摘 要：介紹和分析了我國電網調度自動化技術從數據采集和監控（SCADA）到能量管理系統（EMS）的發展歷程，對電力部門幾次技術決策帶來的成果進行了描述。最后，對自動化走向信息化進行了論述，并對將自動化的實時信息組入電力企業資源規劃（ERP）提出了建議。
關鍵詞：數據采集和監視控制；能量管理系統；信息技術；公用信息模型；企業資源規劃
1 引言
數據采集和監視控制（SCADA）以及能量管理系統（EMS），在電網調度自動化領域已眾所周知。其中，SCADA除應用于電力部門外還廣泛應用于石油、煤氣、軌道交通等非電力部門；EMS隨著電力經營體制的變革，傳統上的在線運行監控和離線營銷管理分離的局面，已不適應當代電力市場的需要，因此EMS正在走向信息化的能量信息系統（EIS），并逐步組入當代電力企業資源規劃（ERP）。
我國電力部門是較先進入數字化和自動化，并為信息化奠定良好基礎的工業部門之一。本文將就其發展過程、技術特點及今后展望進行分析和探討，試圖得出一些有益的啟示。
2 改革開放前的“自力更生”
我國的電網調度自動化起步較早，大體經歷了遠動化、數字化和自動化3個階段。早在20世紀50年代中期，就開始研制有接點遙信和頻率式遙測遠動裝置，在東北、北京等地區進行無人值班變電站的試點，并在計算技術的影響下，由布線邏輯向數字化、軟件化的方向發展。
1958年電力部主管部門作出了一次關于研發計算機的重要技術決策：支持當時的華北電力設計院派人參加由中國科學院計算所研制的我國第一臺大型數字電子計算機（104機）的調試和投運工作。此工作導致了電力部門161電子管計算機和167晶體管計算機兩代計算機的研制和應用開發工作。隨后骨干力量分流到電力部南北兩個主要研究單位—— 電力自動化研究院和中國電力科學研究院（以下簡稱電自院和電科院），促進電力部門較早地進入數字技術領域。
兩代計算機的先后投運和推廣應用，在設計、研制、科研和運行領域培養了大批計算技術應用人才，推動計算機和遠動技術相結合，向自動化方向發展。1972年，廣東省中調所和華北電力設計院合作，使廣東省自制的108乙機與SF58有接點遙信和頻率式遙測遠動裝置（零/滿刻度為3/5周期）互連成功。這是我國最早實現計算機與遠動結合的一個實例。
但，起步早并不一定就發展快。據前蘇聯所著的計算機史稱，我國1959年向國慶十周年獻禮的104機，當時位居亞洲第一。但是，由于當時我國走的是一條按部就班的由電子管、鍺晶體管、硅晶體管、集成電路的路子，很快就被繞過電子管和晶體管、直接走向集成電路、實現跨越式發展的日本超過了。這也是我國電網調度自動化技術在改革開放前發展不快的一個原因。
3 我國第一套SCADA系統的引進
改革開放前，我國電網調度自動化領域內的遠動化和數字化是按遠動和計算機兩個專業各自發展的。二者結合組成一體化的SCADA系統，并取得“引進—消化—開發—創新”的快速發展，則是改革開放后的事。1978年電力部主管部門力排眾議，作出了第二次技術決策：隨1979年我國第一條500kV平武線輸電工程引進我國第一套計算機與遠動終端（RTU）一體化的SCADA系統。
隨平武工程從瑞典ASEA公司引進的SINDAC-3 SCADA系統，通過DS-801 RTU對平武線一線三站實現了安全監控。經消化、開發、漢化并接入其他遠動終端后，該系統擴充為整個湖北電網調度自動化系統，穩定運行達15年以上。
SINDAC-3的引進，確立了計算機與遠動相結合的SCADA理念。差不多與此同時，電力部通信調度局還從日本日立公司引進了用于通信調度的僅含主站的H80E系統。電科院和電自院分別參與了上述兩項工程的引進和開發工作。
在“引進—消化—開發—創新”方針的指引下，部屬南北兩院在20世紀80年代中期起先后開發了PDP-11/24、MicroVAXII、VAX-11/750、VAX4000等計算機與遠動終端相結合的SCADA系統[1]。調度運行單位在管理體制上也逐漸將計算機和遠動兩個專業合并為自動化專業。
4 自主版權的EMS
由SCADA發展到EMS，其廣度和深度要求是不同的。廣度方面，單純的SCADA系統對遠動終端（RTU）的數量并無要求，可多可少；但支持EMS的RTU的數量必須滿足構建全網實時數據庫的需要。深度方面，EMS除需實時數據庫和SCADA功能的支持外，還必須裝備各種智能型高級應用軟件。這就帶來了基于網絡接線及元件參數的網絡數據庫和接入不同應用軟件的應用編程接口問題。計算技術起步較早的電力部門，20世紀60年代就開發了電力系統潮流、短路、穩定等基本應用軟件，并廣泛投入離線使用。但如何與SCADA結合接入實時系統并直接控制發電過程，卻是個新問題，這就導致了20世紀80年代后期東北、華北、華中、華東四大網EMS的引進工作。
和第一次SCADA的引進不同，這次EMS的引進是有選擇地引進的。重點放在EMS 的支撐平臺和自動發電控制（AGC）上，EMS高級應用軟件完全由國內開發。從英國西屋公司引進的WESDAC-32系統，使用了美國ESCA公司的HABITAT支撐平臺和AGC軟件。電力部兩院參與引進，并各自分擔兩網的現場驗收、系統漢化和RTU接入等任務。
四大網EMS投入運行不久，電力部通信調度局的H80E系統也隨著通調局升為國家電力調度中心而由西門子的SPECTRUM分布式系統所取代。
第二次引進，在較高層面上實現了又一次“引進—消化—開發—創新”，導致 20世紀90年代自主版權EMS支撐平臺和應用軟件的先后問世。電自院的SD-6000、OPEN- 2000，電科院和東北電管局合作的CC-2000就是這個時代的產物[1]。其中，CC-2000尤其值得一提[2]。四大網EMS投入運行后的20世紀80年代末90年代初，開放式分布式系統和面向對象技術得到了很大發展。
和開放式分布式對立的是封閉的集中式系統。這種系統的好處是一機多用、節約資源投資，但存在第三方產品難于接入、不易擴展更新等缺點。四大網引進的WESDAC-32 就有這樣的弊端。隨著計算機技術的發展，性價比日益提高，資源投資已不成問題，但要實現開放式和分布式，必須解決各種接口和通信協議的標準化問題。隨著20世紀80年代末開放式系統結構（OSA）的興起，POSIX、SQL、OSF/Motif、TCP/IP等涉及操作系統、數據庫、用戶界面和通信等有關的標準先后建立，為開放式分布式系統的發展鋪平了道路。
同樣，類似集成電路由組件、插件、部件發展到系統的面向對象軟件技術，也存在需要較多資源支持和類庫（class）/ 組件（component）的標準化問題。這也是自20世紀60年代提出面向對象技術以來，為什么幾起幾落的一個原因。但是，即使到了資源問題業已解決的90年代中期，面向對象的標準化問題仍未見突破。
為改變由單一廠家提供EMS、第三方應用難于接入、系統更新擴充困難的局面，國外某些大學早就開始對面向對象技術應用于EMS應用軟件的研究和開發工作，如DEMS （Distributed EMS）、IEMS（Integrated EMS）等[3]。但支撐平臺的開發由于投資和標準風險太大遲遲未行動。
在此時刻，電力部主管部門又一次作出重要決策：在支持開放式分布式系統開發的同時毅然支持CC-2000系統對面向對象技術進行探索和開發。敢于創新須與善于創新相結合，CC-2000的投資風險可通過自行開發來降低，但標準風險必須緊緊跟蹤面向對象技術的發展和標準的制訂進程，最大限度地避免或減少可能發生的技術偏離。
實踐表明，CC-2000所采用的事件總線（event bus）和匿名消息交換機制，與隨后IEC 61970參考模型中的集成總線（integration bus）和“訂閱/發布”信息的發布模式極為接近，這就為CC-2000今后高水平的版本更新打下了良好基礎。
歷經4年后，CC-2000于1996年在東北電網投入運行，并在有關單位的合作下將來自電科院、電自院、清華大學、東北網調等開發的各種EMS高級應用軟件接入系統，實現了國內全部自主版權、接入多方應用軟件的EMS功能。
5 公用信息模型（CIM）的行業標準
CC-2000接入多方應用軟件，是在IEC 61970控制中心應用編程接口（CCAPI）標準[4]發布前進行的。由于當時沒有公認標準可循，缺乏共同語言，只能靠有關各方現場通力合作，奮斗數月方告完成。這充分地說明了建立應用編程接口（API）標準的必要性。
國際上的對象管理組織（OMG），長期致力于基于公用對象請求代理機制（CORBA）API標準的制定工作。但由于其面向各行各業，涉及面廣，因而多年討論未能定下來。控制中心應用編程接口（CCAPI）將API限定在控制中心（CC）之內。這原是美國電力研究院（EPRI）的一個代號為RP-3654的開發項目，后被認定為IEC 61970 EMS-API CIM國際標準的基礎，并由此導致在OMG內產生一專門工作組Utility SIG（Special Interest Group）。
和程序（方法）與數據完全分開的面向應用不同，面向對象技術將數據分為公用數據和私有數據，并將私有數據和方法封裝在一起。CCAPI由3部分組成：描述數據結構的公用信息模型（Common Information Model，CIM），允許程序之間通信的信息總線接口（Message Bus Interface，MBI），提供CIM數據交換標準的公用數據交換接口（Common Data Access interface，CDA）。
IEC61970 1999年版本的CIM，內容涉及SCADA、EMS和電力市場，包括293個類（class），劃分在SCADA、負荷模型、拓撲邏輯、繼電保護、測量、發電、生產、能量計劃、財務等15個包（package）內。標準要求采用面向對象的建模技術統一模型，采用CORBA 實現分布式系統的互操作，但可靈活實施。如先實現控制中心多廠家應用軟件和應用系統的應用級“即插即用”，今后進一步在組件化應用軟件和應用系統之間實現組件級的“方法共享”。此外，應用軟件和應用系統既可根據CCAPI標準進行組件級的全新開發，也可對部分應用通過包裝（wrapper）接入系統，以及在現有系統的基礎上通過擴展標記語言（CIM/XML）文件導入導出，實現與CIM的對接。
IEC 61970 EMS-API CIM國際標準一發布，國際上一些大牌開發廠商很快就跟上來。ABB將傳統的能量管理系統/配電管理系統（EMS/DMS），升級為含支持電力市場的能量/配電信息系統（EIS/DIS）。西門子更徹底，聲稱完全遵循IEC 61970的CIM，并取名為 PowerCC IMM（Information Model Manager）。雖然這些公司并不都是全新開發，但其系統與CIM對接所進行的導入導出試驗，卻領先了一步。面臨這樣的形勢，電力部主管部門又及時作出正確決策：不是從部門、而是從行業高度團結電科院、電自院、清華大學等國內主要研發單位，在標準化的同一起跑線上和國外開展競爭。
下面兩則國內外報導，說明了這一問題：
（1）2000年12月18~19日，ABB、SIEMENS、Alstom ESCA、Langdale等廠商在美國Orlando進行了CIM/XML文件的互操作試驗。試驗項目有：小模型和60節點模型的基本導入、基本導出和含修改導出，無修改互操作，以及樣本模型文件的含修改互操作等。試驗情況按項目和廠家列表注明，如ABB未參加小模型和60節點模型的含修改導出以及樣本模型文件的含修改互操作的試驗，SIEMENS參加和通過的項目最多等。
（2）2002年1月23~24日，我國國家電力公司在北京組織中國電力科學研究院、電力自動化研究院、清華大學、魯能積成公司、東方電子公司等SCADA/EMS研發單位成功地進行了基于IEC 61970國際標準的互操作試驗。測試方案采用100、60、14節點模型等標準算例的CIM/XML文件，各個單位在不同的硬件和軟件系統平臺上分別進行了CIM/XML文件導入、電力潮流計算和文件導出等互操作試驗。試驗表明，國產EMS應用軟件在采用國際標準、實現不同系統平臺的信息交換和互操作方面開始進入國際先進行列。
換句話說，早先歷時數月才接入CC-2000的多方應用軟件，如有關各方嚴格遵循CCAPI標準，那么只要用較短時間甚至幾天便可完成。“即插即用”標準的實現，便于用戶比較、選擇、更新、擴充所需的應用軟件和系統，免除了依賴單一廠家“從一而終”或不得不推倒重來的被動局面，有力地推動了SCADA/EMS技術的有序競爭和發展。
6 從自動化走向信息化
當回顧20世紀后半葉從SCADA到EMS的發展歷程時，新世紀所迎來的卻是更大的機遇和挑戰：技術的進步?電力信息技術的發展和電力體制的改革?電力市場的開放。實際上，涉及SCADA、EMS和電力市場的公用信息模型（CIM）正緊緊跟蹤電力信息技術的發展，并通過電力市場進入財務、資產等管理信息領域。
6.1 電力信息技術的發展
電力信息技術長期與電網運行實時信息和電力營銷管理信息平行發展。電網運行實時信息以自動化形式，從遠動、SCADA發展到EMS。電力營銷管理信息以離線管理形式，正從傳統的管理信息系統（MIS）向企業資源規劃（ERP）發展。
電網運行實時信息現已從自動化走向標準化。如涉及SCADA、EMS和電力市場的 IEC 61970，橫向將和支持配電管理系統（DMS）、地理信息系統（GIS）等的IEC 61968接軌，縱向將和支持變電站（含光電VT/CT）的IEC 61850互補接軌，構成完整的標準化系列。離線方面基于Component的ERP雖然發展很快，但尚未達到行業級的標準化高度。當前電力 ERP的處境與當年CCAPI的API相似，時代正呼喚標準化的電力ERP早日出臺。
由于電力商品具有生產消費發、供、用同步完成的特點，電力市場環境下電網運行實時信息和電力營銷的管理信息已密不可分。
問題是維持SCADA/EMS/電力市場與MIS/ERP的平行發展，還是甘冒當年CC-2000 那樣的風險，統一將SCADA/EMS/電力市場組入電力ERP企業資源規劃？筆者以為后者較好。
6.2 電力市場的開放
我國國務院[2002]5號文發布的我國電力體制改革方案，現已進入實施和操作階段：電力體制改革的方針大計已定，具體實施方案已定，各公司組織班子已定。市場環境下，傳統的電力調度中心將由調度交易中心所取代。技術裝備上，除需研發新的電力市場支持系統外，傳統的SCADA/EMS也將面臨不可逾越的改造。
我國前期6省市“廠網分開”的電力市場模擬試點，積累了豐富經驗，明確了電力市場運營系統電能計量、能量管理、報價管理、交易管理、合同管理、結算管理和信息管理的框架結構，以及對傳統SCADA/EMS功能的改造內容。各地正在建設為電力市場服務的電能計量遙測系統和開放交換即時信息系統（OASIS）。
問題是當前的電力市場運營系統、計量系統和信息系統的建設，僅按“廠網分開”考慮還是連同“輸配電分開”一并規劃分步實施。筆者的意見是后者較妥。如將輸配關口納入計量系統建設，地區實施網供內部考核和地方小電廠競價上網市場運作兩部機制，以及供需基本平衡、地區大用戶直接向地區小電廠買電的計劃協調（Scheduling Coordinator，SC）等，這樣可為今后實現“輸配電分開”平滑過渡。
無論是自動化組入ERP或是電力市場的平滑過渡，都涉及信息采集、管理和使用的信息化問題。
今天，以信息化帶動含自動化的工業化，實現跨越式發展，已是眾多部門和行業的共同決策。
對電力市場開放伊始的電力行業來說，集實時運行和離線管理于一體的信息化，不僅利于實現跨越式發展的戰略決策，而且為當前和今后適應市場環境多變特點所必需。自動化經標準化走向信息化，已是大勢所趨。
7 結束語
本文回顧了我國電力調度自動化發展的歷程，闡述了電力部對此作出的技術決策所帶來的技術發展，并就電力市場環境下發展信息技術提出了建議。
參考文獻
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