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电力系统中,SCADA系统

在电力系统中,SCADA系统应用最为广泛,技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统(EMS系统)的一个最主要的子系统,有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势,现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益,减轻调度员的负担,实现电力调度自动化与现代化,提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

根据ARC的一项报告,电力行业SCADA系统全球展望,全球电力工业SCADA系统市场在2004年

超过了12亿美元,预计至2009年将超过15亿美元,其复合年增长率可超过

4%。

SCADA系统的效率,越来越重要的是能集成在公司的业务系统中。SCADA 系统必须能向企业的所有需要的节点提供实时的数据。对于电气设施,一个典型的运行网络通常包括地理信息系统geographic information systems (GIS),客户管理系统customer management systems (CMS),职工或维护管理系统以及ERP。SCADA的信息必须与人力资源和资产优化程序集成,以有效的作用于业务过程的改变,提高传送和分配系统的可靠性,提高性能,改善客户服务,降低运

行成本。

论用Linux/PC构建电力系统SCADA通用平台

周拥华1,程时杰1,黄立滨2,罗成2

(1.华中科技大学电气工程学院,湖北武汉430074;

2.河南许昌许继集团,河南许昌461000)

摘要:为向我国220kV及以上电压等级的SCADA系统提供可靠性高、普遍实用、具有自主知识产权且性能价格比高的系统软硬件平台,结合计算机技术发展的最新成果,论述了基于Intel架构的PC服务器与Linux操作系统用于构建SCADA平台的必要性和可行性,同时提出了平台的构建方案。从电力系统中广泛存在的监控后台需求出发,讨论了现有Solaris/Sparc、MS Windows/Intel等多种方案的局限性,并针对PC的局限,着重论述了各项关键指标的解决办法。得出的结论是,采用该Linux操作系统构建的平台,可以降低成本,提高性能,最大限度地满足电力系统监控与自动化技术发展的需要。

关键词:PC服务器;变电站;综合自动化;廉价磁盘冗余阵列;对称多处理器;自动故障冗余

1引言

随着信息技术、自动化控制技术的飞速发展,电力系统对各种监控系统尤其是变电站综合自动化系统的要求也越来越高。这意味着在数据采集、数据通信以及数据处理、存储等方面都将面临新的挑战。在计算机领域,Sun Sparc、HPAlpha等高端计算机系统的价格依然不菲,而从性能上来说,类似Sun Ultra系列的工作站和低端服务器的性能却并不十分优越。另一方面,商用的Unix系统虽然已经广泛应用于高端领域,但缺乏这一平台上的研发与技术支持人员,很多关键技术还依赖于国外,而MSWindows虽然已经被广泛接受,但它在稳定性、安全性等方面还一直没有达到相对严格的工业控制的要求。实践表明,Unix/Sparc、Unix/Alpha这样的系统技术起点高,成本大,而MSWindows/PC又难以满足工业控制的要求。同时,Unix、Windows操作系统依然完全依赖于国外,其核心并不公开,难以满足发展中的电力信息系统安全的需要。为适应这一要求,本文提出了采用Linux/PC构建通用平台的设想和实现方案。

2电力SCADA对系统平台的要求

电力系统的发展直接导致变电站复杂程度的增高,而变电站的稳定运行又直接影响到电力系统的安全与稳定,因此,作为变电站监控的系统平台就很重要。我国自80年代以来,在500kV变电站综合自动化领域,一直在努力改变全盘引进的局面,目前已经开始拥有了自主研发的系统。但其计算机平台,由于稳定性要求等因素,无论是其硬件还是其操作系统,都还一直依赖于国外。

从历史和现状看,500 kV变电站对系统性能指标的要求主要还是在可靠性方面,就发展趋势而言,在速度上的要求也在逐步提高。

根据现有变电站的实际情况和发展趋势看,变电站综合自动化的后台监控计算机必须满足的主要条件如下[1]:

(1)平均故障间隔时间(MTBF)不小于2万h,系统可用率不小于99.9%;

(2)主机正常负荷率宜低于30%,事故负荷率宜低于50%。

其它如电磁兼容、抗干扰等具体参数可参见相关标准。

3计算机系统架构———两种平台

计算机发展的最重要标志就是其架构(Archi-tecture)与IC工艺的发展。随着计算机在商业领域的普及,为满足各种应用的系统架构不断出现,对通用的科学计算与数据处理计算机而言,主要可分为精简指令系统(RISC)和复杂指令系统(CISC)两种,前者属高端领域,后者则是PC的核心。由于设计的目的、应用的领域不同,针对这两种平台设计的操作系统也各有千秋,下面对它们分别论述。

3.1RISC系统与Unix

最初精简指令系统计算机(RISC)的设计目的是满足科学计算(军方)的需要,具有稳定可靠的特点,

这个特点传递给了在这个平台上开发的操作系统和应用软件。同时,由于其定位在复杂的科学计算,起点较高,也就比较昂贵。它不仅在高端的应用(小型机到巨型机)中成本非常高,即使是在低端的工作站,价格也不菲。另一方面,由于体系结构的原因,它往往要求其外围设备(如基本输入输出设备)必须自己具备处理数据的能力,这样才能使CPU集中精力处理好必要的计算和调度任务,这进一步增加了系统的成本,同时,由于商业化发展,各公司的RISC系统并不兼容,配件也必须来自原厂,所以扩展、维护成本也非常高。

Unix系统最初设计用来管理庞大的RISC系统,由于其使用者都是专业人士,因此其使用、配置和开发都比较复杂,即使在XWindows出现后,由于其一贯的作风,要想深入Unix系统,仍然具有较高的难度。另外,随着Unix/RISC的商业化,各个厂商都推出了各自的版本,相互之间虽然遵循POSIX标准,但兼容性很差,再加上Unix/RISC系统昂贵的价格,进一步提高了进入该平台的门槛。

3.2复杂指令系统与Windows、Linux

Intelx86是CISC系统的代表,其最初的设计目的是为了满足中小型公司及个人的需要,它追求超出浮点计算范畴的各种处理能力和速度(如字处理、多媒体处理等),同时要降低成本,使之适合于普通家庭用户。其体系结构允许CPU承担所有输入输出的处理工作。另一方面,它具有广泛兼容的系统总线接口,因此其扩展非常方便。虽然这种系统最初定位很低,而且没有太多考虑严格的工业与科学应用要求。但随着技术发展,IC制造工艺的不断提高,以往仅用于高端系统的RISC领域的技术被越来越多地应用于PC 中,使得PC有了更多的层次,逐渐进入高端工业控制与科学计算领域。

复杂指令系统计算机在处理器指令集中包涵了更多的便捷可用的指令,简化了用户程序的设计。其主流操作系统从最初的DOS发展到现在的Win-dowsXP,采取的是一种傻瓜式路线,即降低计算机的使用难度,使非专业人士也能轻松使用。虽然在NT以后的版本中逐步提高了系统的安全性和可靠性,但其图形系统被规划在内核中,缺乏灵活性,系统性能等也大受影响。

90年代出现的Linux改变了Windows一统CISC软件平台的天下。Linux不仅继承并发扬了Unix优点,更多方采纳了现代操作系统的各种技术。如内核模块动态加载技术等。使得系统内核可灵活配置。另一方面,由于其属于免费操作系统,并且开放所有源代码,使用者可以轻松获得必要的资料,因而Linux的志愿者也很多,结果不仅大大降低了其技术门槛,而且使系统越来越易于使用,这个系统的应用也因此迅速推广开来。

3.3两种平台在电力系统中的应用

以上两种系统架构一直是计算机硬件的两大主流,以它们为核心构成的不同硬件平台,其外部总线、存储设备及其它外部设备都有很大的区别,但随着技术的发展又慢慢趋于一致,各种技术的揉和,使得PC 不仅廉价、高效,而且具备了越来越高的可靠性。

在我国电力系统中,以往高电压等级的SCADA都采用Unix/RISC系统,应用最为普及的是其代表Solaris/Sparc(通常使用它们的低端工作站作为平台,因此通称为工作站)。而Windows/CISC系统(以Intelx86为代表,称为Intel Architecture,即IA,也就是常说的PC),往往只作为辅助计算机。造成这种局面并非完全是由于PC本身的原因,在我国工业领域广泛应用的工控机大多数也是Intel架构,主要原因是处理能力、存储容量、可靠性等指标之间没有找到一个合适的结合点。

随着Linux操作系统和PC硬件的不断完善,现在我们有了另一种选择,就是Linux/PC平台。

4新技术对PC的完善

将PC与工作站相比较,就硬件而言,PC主要还是在性能和稳定可靠两个方面存在不足。新技术的发展对此进行了完善[2]。

虽然以Intel的x86芯片为核心的PC并不是为严格的工业控制设计的,但随着设计与制造工艺的共同发展,使得它以及它的外围器件都越来越成熟和稳定,而Linux操作系统的出现,更是弥补了PC在高端应用中的操作系统空白。这两者的结合,加上近几年来各种属于小型机的高端技术在PC领域的应用,使我们可以设计一个可满足不断发展的电力监控系统后台要求的通用平台。

在处理器的性能方面,以PentiumPRO为代表的IA32处理器的诞生标志着PC服务器/工作站进入市场,它支持对称多处理器(SMP)技术,在一台计算机内用多个CPU构成并行处理系统。1998年In-tel 推出的PIIXeon处理器更是被业界所推崇。Xeon的设计目的是为了满足企业级服务器与工作站的需要,可应用于严格要求的商业环境;它支持SMP,与同期的Pentium处理器比较,具有更多更快的二级缓存,从而具有更好的性能。随着多级流水线处理技术的采用,尤其是最近64位架构的出现更突破了传统IA的局限,大大提高了PC的性能。

在总线与接口方面,PC不断扩展其先进的PCI总线,从32位到64位,从33MHz到66MHz,PCI总线性能不断提高。为适应严格要求的工业控制环境而设计的CompactPCI总线技术在提高PC工控机性能的同时,更进一步提高了PC系统的稳定性。

在最重要的磁盘系统中,SCSI(小型计算机系统接口)在PC上的应用大大提高了PC的数据吞吐能力,尤其是硬盘系统的可靠性(寿命);冗余磁盘阵(RAID)的引入更是大大刺激了PC在数据库方面的应用[3][4]。冗余磁盘阵列本是高端服务器的专有技术,但随着该技术成本的降低,它开始被应用于PC服务器领域。目前的主流RAID卡结合SCSIUltra160/Ultra 3,采用基本的RAID1或RAID5能达到很好的性能和故障冗余效果,而低成本的IDERAID甚至Linux系统的软件RAID技术至少在很大程度上提高了系统数据的安全可靠性。

网络的性能与故障冗余在工业控制中也很重要,在高端服务器领域,已经有了各种负荷均衡和自动故障冗余措施。这些技术已经被应用到了PC中。以Intel PRO100+Dual Port Server Adapter为例,它可以在

32位PCI总线上提供Team工作模式,这是一种相对简单的基于数据链路层的负荷均衡与故障冗余技术。但可以通过使用该技术,非常便捷地得到能够满足电力系统监控后台所需要的故障冗余功能,甚至可以利用多块这样的网络适配器进行负荷均衡,以达到提高网络性能的目的。

其它如双电源技术,都已经非常成熟。随着时代的进步,越来越多的RISC系统技术应用到普通PC中,也使得CISC与RISC的差距慢慢缩小,从现有条件看,完全可以在PC平台上,用最少的投资,构成性能非常不错的系统。

5Linux操作系统及其应用

5.1Linux的现状与广泛的支持

Linux从推出至今,不过短短10年时间,在这10年中,它的发展速度超过了以往任何一种操作系统,经过10年的发展,Linux不仅成熟起来,而且得到了非常广泛的应用。

Linux内核的发展一直掌握在Linus所领导的一个开放小组的统一控制下,这既保证了Linux的稳定发展,也使得各种好的建议能纳入新版本的计划中。

随着商机的出现,Oracle、IBM、DELL等大型厂商也正式对外宣称支持Linux,Oracle推出了其著名数据库Oracle的Linux版本,IBM更是斥资10亿美元,放弃其AIX系统的继续研发,转而在其所有硬件平台上采用Linux。

现有被广泛使用的Linux发行版主要包括我国的RedFlag(红旗,已经成功应用于银行———中国农行、嵌入式系统———福利彩票系统、政府机构以及陕西电力等),北美的RedHat(红帽子,已经被广泛应用于各行各业,如电影特效处理等),欧洲的SuSe(德国)等,这些发行版都依据Linux内核以及桌面系统版本的更新而不断推出新的版本,每个系统的国际性支持都在不断提高,目前发行版都可以很好地支持中文输入与显示。

在外围硬件的支持方面,虽然PC的各种配件很多,供应商也非常多,甚至比较杂乱,但都有PC兼容的标准,随着Linux的推广普及,各种常用配件、甚至工业领域的专业配件,也都有了Linux版本的驱动,这个范围还正在进一步扩大。

5.2Linux的特色

Linux在PC平台上出色的性能表现是众多用户选用Linux作为他们的商业服务器的主要原因之一,与Windows相比,在多任务、多用户的网络环境下,Linux的性能远远超过Windows[5],这是Linux先进的进程管理、内存管理以及高性能的文件系统所决定的[6]。

Linux实际上是从Unix发展过来的,应该说是Unix的一种变体。Linux继承了Unix稳定可靠的特点(通过系统机制来保证),正因为如此,威胁Win-dows系统、数据安全的各种病毒在Linux下就几乎不存在。而且,现在每个Linux发行套件中都包涵功能强大的防火墙,可以很好地限制来自网络的各种访问,

有效地提高了系统的安全性。

Linux操作系统内核统一,在可移植性方面Linux目前的主流硬件平台还是PC,但这并不意味着它不能在其它平台上使用,最新的Linux 2.4.x内核支持包括IA32/IA64/SPARC/ALPHA,甚至几乎所有大型机、巨型机系统硬件平台。

由于采用现代内核机制,Linux的内核具有模块可加载特性,这意味着用户在不修改内核源程序的情况下就可以根据实际需要定制内核中功能部分,使得系统更专业,具有更高的效率。与Windows和传统的Unix相比,这个特点非常突出。Linux系统也正是基于这一系统架构,非常完美地实现了多硬件平台、SMP 等特性,使得内核的系统性非常强,移植也很方便。

新的Linux 2.4内核版本开始支持日志文件系统,这种文件系统与传统的FAT、NTFS文件系统比较,关键在于对整个文件实现日志管理,不仅能提高了访问大量小文件时的效率,而且在文件系统出现问题时,也能够自动快速恢复,这一方面降低了维护难度,另一方面增加了文件系统的数据可靠性。

Linux最具特色的地方是Open Source,Linux从内核到每一个发行版都包涵几乎所有应用程序,都是在GPL原则下开放源码的,这样,用户不仅能修改源码达到定制系统的目的,而且也能在GPL原则下,重用所有的代码,来实现自己的功能。Linux的源码库是一个宝贵的资源,它不仅为我们提供了学习操作系统的最好环境,而且也为我们编制自己的应用程序提供了宝贵的源代码资源和系统思想。另外,Linux下的程序设计语言及平台非常丰富。值得一提的是Delphi和C++Builder两大开发环境的设计商Borland公司最近推出的Kylix 3.0,它不仅提供了Linux平台下类似Delphi的软件开发环境,甚至提供了与Delphi兼容的源代码,这样一来,我们在Delphi@Windows下开发的软件,就能很容易地通过Kylix移植到Linux

平台上运行[7]。

5.3Linux在商业与军工各方面的广泛应用

Linux的商业应用已经非常广泛,著名电影TA-TANIC中的几乎所有电脑特技,后期影片处理都是在Linux系统下完成的。目前全世界的Web服务器有超过60%采用Linux+Apache构建,很多商业数据库也采用Linux作为系统平台。实践表明,在重负荷、大访问量的网络服务器上,采用Windows/服务器不能达到要求,而使用Linux/服务器或Linux/PC-Cluster就能解决这一问题[8]。

Linux在工业控制领域乃至军用方面也已经越来越广泛。例如欧洲的AutomationX工业控制软件就是基于Linux平台的(www.mnrcan.com)。我国电力系统对Linux也有尝试性的使用。而嵌入式Linux更是被广泛应用于各种场合,例如PDA、彩票机、甚至照相机中[9][10]。

6利用Linux/PC构建电力SCADA通用平台的实现方案

按照电力系统的要求,采用现有的技术条件,完全可以配置一系列性能价格比比较高的、符合电力系统各级别需要的系统平台,下面给出了一种可能的实现方案。

硬件:PC工控机或PC服务器,可选配置有对称多处理器(SMP,双处理器或4处理器)、冗余磁盘阵列(RAID,基于SCSI或IDE硬盘)、自动故障冗余双口网卡(AFTNIC),以及双机冗余配置。

软件系统:Linux(RedHat 7.x或SuSe 7.x~8.x或者RedFlag 3.x)操作系统;基于XWindows 的图形窗口系统(XFree86+OpenMotif桌面管理);MySQL或Oracle数据库;gcc、gtk、qt等c/c++开发环境、接口库;kdevelop、kylix等集成开发环境;IPv4以及IPv6网络支持;UnixODBC可支持通过ODBC访问外部微软ODBC引擎驱动的商业数据库系统,如SQLServer等。

对于110kV及以下变电站后台监控,可以采用简单PC工控机,开放源码的高性能MySQL数据库,配合Linux强大的网络功能,可以方便快捷地构建一个开发平台。

对于220kV变电站后台监控,可采用SMP双处理器系统,沿用TCP/IP网络通信,提高系统处理大量IO数据的能力。对稳定性以及数据安全性要求较高的变电站,可在单机中采用IDERAID,并进行双机冗余配置。数据库可采用MySQL或商业数据库如Oracle等。

对于重要的220kV变电站或500kV枢纽变电站,可以对单机采用SCSIRAID、双网冗余、双电源冗余技术,并采用双机冗余配置。数据可采用商用Oracle数据库或Sybase、DB2等数据库。这样便能使整个系统达到非常高的安全稳定可靠水平。

7结语

随着技术的发展,计算机软硬件平台也出现了统一的趋势,事实上,我们今天看到的PC和与之对应的微型机、小型机等都已经远远超出了其最初的定义;各种技术的揉和更使得它们在速度、稳定性等各个方面都越来越接近,PC也开始在很多服务领域取代了以往的高端服务器;而落后于硬件发展的操作系统在三大实力分割天下的局面形成之后(MSWINDOWS、UNIX、LINUX),又在版权、持续研发费用、以及操作系统本身适应现代操作系统的技术特性等因素的作用下,也开始出现两极分化的大趋势,即逐步淘汰Unix,继而用Linux取而代之,IBM、Oracle以及HP等大型厂商的支持就是最好的证明。就现在而言,虽然Linux/PC平台依然具有其难以克服的弱点(除内核外的很多软件稳定性较差,尤其是免费的X桌面管理系统,中文支持还不够理想等),但采用Linux/PC构建电力SCADA系统通用平台,无论从技术性、安全性、实用性上看,还是从经济性方面考虑,都不失为一个好的选择。

参考文献

[1]中华人民共和国电力行业标准.220kV~500kV变电所计算机监控系统设计技术规程(报批稿).中华人民共和国国家经济贸易委员会发布,2001

[2]Dan Byron.Increasing Availability atthe Cost of Reliability,

http://ftp.us.dell.com/app/1 q02-Byr.pdf,2002.2

[3] Steve Hogge and Bo Zhou.Understanding Server-Based RAID Using Ultra ATATechnology,http://ftp.us.dell.com/app/iq02-Hog,pdf,2002.3

[4] Database Environments,http://ftp.us.dell.com/app/raidma-na.pdf,2001.5

[5]John Kirch.Microsoft Windows NTServer 4.0 versus UNIX.http://kirch.net/unix-nt/,1999.8.[6]毛德操,胡希明.Linux内核源代码情景分析[M].杭州:浙江大学出版社,2001.5.

[7]乔林.kylix程序设计-类库参考手册[M].北京:中国铁道出版社,2002.4.

[8]Hewlett-Packard and GSI,Linux PC Clustering.http://hp-linux.cern.ch/,1999.4.[9]王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用[M].北京:清华大学出版社,2001.8.

[10]王永福,等.基于Linux的能量管理系统[J].电力系统自动化,2001,(10):55-58.