华中科技大学 硕士学位论文 电网调度自动化系统的软件可靠性研究 姓名：刘洋 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：罗毅 20061001
华中科技大学 硕士学位论文 电网调度自动化系统的软件可靠性研究 姓名：刘洋 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：罗毅 20061001
摘 要 随着我国电力工业的迅速发展，调度自动化系统已在保证电力系统安全、可靠和 经济运行中发挥着重要作用，并且成为电力系统安全稳定运行的三大支柱之一。在硬 件可靠性技术不断发展，可靠性水平不断提高的同时，人们发现软件的失效己经逐渐 成为实时系统发生灾难性事故的主要根源之一。因此，在电网调度自动化系统中进行 软件可靠性工程理论和应用的研究具有重要的学术和工程应用价值。 本论文首先概述了电力软件及软件可靠性理论的国内外研究现状，介绍了软件可 靠性的概念及其度量的方法和流程，总结了现有的软件可靠性模型。 论文提出在电网调度自动化系统的软件开发中对软件的可靠性进行度量，以保证 和提高软件系统的可靠性。结合目前国内外软件可靠性水平，典型失效事件对失效强 度的要求以及调度自动化系统硬件的可靠性水平，提出了适用于SCADA软件系统的 可靠性参数及目标，以满足该指标作为终止测试的依据。SCADA软件是客户/服务器 结构的实时系统，具有丰富的图形用户界面，针对以上特点，介绍了测试用例设计的 方法，并且举例说明测试用例的实现。接着分别利用JM模型和GO模型对SCADA 失效数据进行分析，从而预测软件的可靠性。每种模型分别采用两种不同的参数估计 方法一一极大似然估计法和最小二乘法，通过比较四种方法得到软件可靠性评估结 果，并指明其中最适合SCADA软件可靠性评估的模型及方法。 最后对本论文所作的工作进行了总结，提出了电网调度自动化系统软件可靠性研 究存在的不足并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：调度自动化SCADA软件可靠性预测JM模型GO模型 I
I 摘 要 随着我国电力工业的迅速发展，调度自动化系统已在保证电力系统安全、可靠和 经济运行中发挥着重要作用，并且成为电力系统安全稳定运行的三大支柱之一。在硬 件可靠性技术不断发展，可靠性水平不断提高的同时，人们发现软件的失效已经逐渐 成为实时系统发生灾难性事故的主要根源之一。因此，在电网调度自动化系统中进行 软件可靠性工程理论和应用的研究具有重要的学术和工程应用价值。 本论文首先概述了电力软件及软件可靠性理论的国内外研究现状，介绍了软件可 靠性的概念及其度量的方法和流程，总结了现有的软件可靠性模型。 论文提出在电网调度自动化系统的软件开发中对软件的可靠性进行度量，以保证 和提高软件系统的可靠性。结合目前国内外软件可靠性水平，典型失效事件对失效强 度的要求以及调度自动化系统硬件的可靠性水平，提出了适用于 SCADA 软件系统的 可靠性参数及目标，以满足该指标作为终止测试的依据。SCADA 软件是客户/服务器 结构的实时系统，具有丰富的图形用户界面，针对以上特点，介绍了测试用例设计的 方法，并且举例说明测试用例的实现。接着分别利用 JM 模型和 GO 模型对 SCADA 失效数据进行分析,从而预测软件的可靠性。每种模型分别采用两种不同的参数估计 方法——极大似然估计法和最小二乘法，通过比较四种方法得到软件可靠性评估结 果，并指明其中最适合 SCADA 软件可靠性评估的模型及方法。 最后对本论文所作的工作进行了总结，提出了电网调度自动化系统软件可靠性研 究存在的不足并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：调度自动化 SCADA 软件可靠性预测 JM 模型 GO 模型
ABSTRACT With the rapid development of power industry,power dispatching automation system becomes more and more important in insuring the security,reliability and economy of power system.The hardware reliability technology and level are developing ceaselessly, however,the software failure is found to be one of the main reasons resulting in disasters in Real-Time system.Therefore,the research on the theory and its application of software reliability engineering in power dispatching automation system should be imperative The present study statuses of power system software and software reliability theory are summarized firstly in the thesis.Besides concept and measurement method of software reliability,general software reliability models are also introduced. It presents to measure the power system software reliability when it is under developing,so as to improve the reliability of whole system.Software reliability metrics and target suiting the SCADA system are presented,synthetically considering the software reliability level in and out of China,the need of failure intensity for typical failure event, and the hardware reliability.The SCADA system is a Real-Time system which is based on Client/Server structure and is full of Graphical User Interface.According to these,the means and examples of software testing cases design for SCADA are given.Furthermore, the failure data of SCADA are analyzed based on JM model and GO model respectively in order to forecast the software reliability.Two kinds of parameter estimate methods are used in each model,named Maximum Likelihood Estimation and Least Squares Estimation.By comparing the results using the four methods,it points out the best method for SCADA. At the end of this dissertation,the results of the research are summarized.The deficiencies existed in research process and the further work are also submitted. Keywords:power dispatching automation SCADA software reliability forecasting JM model GO model
II ABSTRACT With the rapid development of power industry, power dispatching automation system becomes more and more important in insuring the security, reliability and economy of power system. The hardware reliability technology and level are developing ceaselessly, however, the software failure is found to be one of the main reasons resulting in disasters in Real-Time system. Therefore, the research on the theory and its application of software reliability engineering in power dispatching automation system should be imperative. The present study statuses of power system software and software reliability theory are summarized firstly in the thesis. Besides concept and measurement method of software reliability, general software reliability models are also introduced. It presents to measure the power system software reliability when it is under developing, so as to improve the reliability of whole system. Software reliability metrics and target suiting the SCADA system are presented, synthetically considering the software reliability level in and out of China, the need of failure intensity for typical failure event, and the hardware reliability. The SCADA system is a Real-Time system which is based on Client/Server structure and is full of Graphical User Interface. According to these, the means and examples of software testing cases design for SCADA are given. Furthermore, the failure data of SCADA are analyzed based on JM model and GO model respectively in order to forecast the software reliability. Two kinds of parameter estimate methods are used in each model, named Maximum Likelihood Estimation and Least Squares Estimation. By comparing the results using the four methods, it points out the best method for SCADA. At the end of this dissertation, the results of the research are summarized. The deficiencies existed in research process and the further work are also submitted. Keywords: power dispatching automation SCADA software reliability forecasting JM model GO model
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年月 日 年月 日
独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密 □，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 □。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日
1绪论 1.1 课题背景 电网调度自动化系统由远动系统和计算机系统组成，其中调度主站端系统是系统 的核心部分，它负责收集和处理各远动分站采集的遥测、遥信信息，并对远动分站发 送各种命令信息，从而实现实时数据的采集与监视控制(Supervisory Control and Data Acquisition,简称SCADA)功能。近年来，随着计算机技术的发展，利用SCADA系 统实时数据和历史数据，实现电网安全经济分析功能，如状态估计、外部等值、负荷 预测、在线潮流、安全分析、自动故障选择、校正对策、最优潮流、故障分析等等， 从而完成能量管理(Energy Management System,简称EMS)功能。通过与SCADA 系统相连，从中取得实时数据，并进行在线分析，从而为电网的实时安全经济运行提 供强有力的分析决策手段，大大提高电网的调度自动化水平，同时这些开环运行实时 功能的实现，也是实现电网的无功/有功优化闭环控制的前提条件山。 调度自动化系统是软件密集型系统，软件的质量和可靠性至关重要。随着计算机 软硬件技术的飞速发展，为满足电网调度的自动化程度的需要，调度自动化系统大量 使用计算机系统，许多计算机系统对于保证调度自动化系统的可靠性、安全性，保证 任务的完成起着至关重要的作用。统计表明，尽管计算机系统的硬件复杂程度在逐渐 增加，但硬件可靠性随着硬件技术（尤其是VLSI,Very Large Scale Integrated Circuit) 的不断发展而得到很大提高。而作为其核心部分的计算机软件的质量也日益受到人们的 关注。调度系统自动化程度的提高极大地增加了软件开发的规模和复杂度，一般成熟的 SCADA/EMS软件工作量超过500人年，程序量超过百万行，画面超过1000幅，开发期 10年以上。软件失效逐渐成为实时系统发生灾难性事故的主要隐患。最近一些研究人员 提出了电力系统脆弱性(ulnerability)的问题，认为电力系统因人为干预、信息、计算 机软硬件、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素而潜伏这大面积停电的灾难性事 故的危险状态2l)。美加8.l4大停电的调查报告证实FE(First Energy)的软件失效导 致调度员对系统状态失去监视是事故的主要原因之一。在美加大停电后，各国都加 1
1 1 绪 论 1.1 课题背景 电网调度自动化系统由远动系统和计算机系统组成，其中调度主站端系统是系统 的核心部分，它负责收集和处理各远动分站采集的遥测、遥信信息，并对远动分站发 送各种命令信息，从而实现实时数据的采集与监视控制(Supervisory Control and Data Acquisition，简称 SCADA)功能。近年来，随着计算机技术的发展，利用 SCADA 系 统实时数据和历史数据，实现电网安全经济分析功能，如状态估计、外部等值、负荷 预测、在线潮流、安全分析、自动故障选择、校正对策、最优潮流、故障分析等等， 从而完成能量管理（Energy Management System，简称 EMS）功能。通过与 SCADA 系统相连，从中取得实时数据，并进行在线分析，从而为电网的实时安全经济运行提 供强有力的分析决策手段，大大提高电网的调度自动化水平，同时这些开环运行实时 功能的实现，也是实现电网的无功/有功优化闭环控制的前提条件[1]。 调度自动化系统是软件密集型系统，软件的质量和可靠性至关重要。随着计算机 软硬件技术的飞速发展，为满足电网调度的自动化程度的需要，调度自动化系统大量 使用计算机系统，许多计算机系统对于保证调度自动化系统的可靠性、安全性，保证 任务的完成起着至关重要的作用。统计表明，尽管计算机系统的硬件复杂程度在逐渐 增加，但硬件可靠性随着硬件技术（尤其是 VLSI，Very Large Scale Integrated Circuit） 的不断发展而得到很大提高。而作为其核心部分的计算机软件的质量也日益受到人们的 关注。调度系统自动化程度的提高极大地增加了软件开发的规模和复杂度，一般成熟的 SCADA/EMS 软件工作量超过 500 人年，程序量超过百万行，画面超过 1000 幅，开发期 10 年以上。软件失效逐渐成为实时系统发生灾难性事故的主要隐患。最近一些研究人员 提出了电力系统脆弱性（Vulnerability）的问题，认为电力系统因人为干预、信息、计算 机软硬件、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素而潜伏这大面积停电的灾难性事 故的危险状态[2][3]。美加 8.14 大停电的调查报告证实 FE（First Energy）的软件失效导 致调度员对系统状态失去监视是事故的主要原因之一[4]。在美加大停电后，各国都加
强对电网的管理，力图通过调度自动化系统的重要作用来提高电网的安全运行水平。 目前己经证实软件可靠性是软件质量中最重要，也是最易定量的固有特性的。因 为可靠性与软件的缺陷相关，缺陷的多少对软件费用的影响最大。可靠性全面或部分 地包括许多质量特性，如正确性是面向开发人员的程序特性，不可靠的软件一定存在 着正确性问题，软件安全性、保密性可以看作是软件可靠性的具体的方面。 软件可靠性度量是软件可靠性工程的重要内容。软件和硬件一样也有可靠性问 题，甚至计算机软件的可靠性比硬件的可靠性还要差，因此，在新的形势下，运用软 件可靠性工程的理论来加强对调度自动化系统的软件开发的管理，提高软件的可靠性 势在必行。 按照ANSIIAIAA R-013-1992推荐的软件可靠性工程给出的定义6，软件可靠性工 程是指应用统计技术处理在系统开发和运行期间所采集的数据，以便详细说明、预测、 估计和评价基于软件的系统可靠性。该定义主要强调的是软件可靠性工程中的度量工 作。"Handbook of Software Reliability Engineering"指出：软件可靠性工程定量地按用 户对于可靠性的需求研究软件系统的操作行为。我国的软件可靠性专家则认为软件可 靠性工程和硬件可靠性工程相似，是指为了满足软件的可靠性要求而进行的一系列设 计、分析、测试和管理等工作。尽管说法不一，但无一不包含软件可靠性度量，甚至 大多以度量作为主要的工作，由此可见软件可靠性度量在软件可靠性工程中的重要程 度。 软件可靠性度量工作贯穿于软件生存周期的各个阶段，对软件的质量和可靠性管 理起着重要的作用。 在需求分析阶段，首先要确定软件可靠性要求，包括定性的和定量的可靠性要求， 它既是软件承制单位开发软件的可靠性目标，也是用户验收软件产品时的可靠性要求 依据。目前，硬件系统己经建立一套完整的可靠性的参数和指标体系，对于软件来说， 应该使用哪些软件可靠性参数，以及如何选用参数及其指标的确定对于开展软件可靠 性工程中的定量工作是必不可少的。 在设计阶段，尽管软件尚未最终开发出来，但是通过分析可能导致软件不可靠的 各个因素，对于软件的可靠性可以进行定性的分析，从而指导软件的设计等其他活动。 2
2 强对电网的管理，力图通过调度自动化系统的重要作用来提高电网的安全运行水平。 目前己经证实软件可靠性是软件质量中最重要，也是最易定量的固有特性[5]。因 为可靠性与软件的缺陷相关，缺陷的多少对软件费用的影响最大。可靠性全面或部分 地包括许多质量特性，如正确性是面向开发人员的程序特性，不可靠的软件一定存在 着正确性问题，软件安全性、保密性可以看作是软件可靠性的具体的方面。 软件可靠性度量是软件可靠性工程的重要内容。软件和硬件一样也有可靠性问 题，甚至计算机软件的可靠性比硬件的可靠性还要差，因此，在新的形势下，运用软 件可靠性工程的理论来加强对调度自动化系统的软件开发的管理，提高软件的可靠性 势在必行。 按照ANSIIAIAA R-013-1992推荐的软件可靠性工程给出的定义[6]，软件可靠性工 程是指应用统计技术处理在系统开发和运行期间所采集的数据，以便详细说明、预测、 估计和评价基于软件的系统可靠性。该定义主要强调的是软件可靠性工程中的度量工 作。"Handbook of Software Reliability Engineering"[7]指出：软件可靠性工程定量地按用 户对于可靠性的需求研究软件系统的操作行为。我国的软件可靠性专家则认为软件可 靠性工程和硬件可靠性工程相似，是指为了满足软件的可靠性要求而进行的一系列设 计、分析、测试和管理等工作。尽管说法不一，但无一不包含软件可靠性度量，甚至 大多以度量作为主要的工作，由此可见软件可靠性度量在软件可靠性工程中的重要程 度。 软件可靠性度量工作贯穿于软件生存周期的各个阶段，对软件的质量和可靠性管 理起着重要的作用。 在需求分析阶段，首先要确定软件可靠性要求，包括定性的和定量的可靠性要求， 它既是软件承制单位开发软件的可靠性目标，也是用户验收软件产品时的可靠性要求 依据。目前，硬件系统己经建立一套完整的可靠性的参数和指标体系，对于软件来说， 应该使用哪些软件可靠性参数，以及如何选用参数及其指标的确定对于开展软件可靠 性工程中的定量工作是必不可少的。 在设计阶段，尽管软件尚未最终开发出来，但是通过分析可能导致软件不可靠的 各个因素，对于软件的可靠性可以进行定性的分析，从而指导软件的设计等其他活动
在软件的测试阶段，通过可靠性测试，可以及早暴露（概率意义上）使用中具有较 高发生概率的缺陷，从而有效地提高软件的可靠性，通过可靠性的度量工作可以对软 件的可靠性水平进行估计，并对可能达到的可靠性水平进行预测，从而为测试管理、 软件项目管理提供决策依据。 在软件投入使用后，通过收集软件的失效数据，可以对软件的使用可靠性进行评 估，为下一代软件或同类型软件的可靠性定量要求的确定提供参考。 鉴于软件可靠性度量的重要性，研究如何选取软件的可靠性参数、特别是具有调 度自动化系统的软件可靠性参数以及在软件开发过程中如何对其进行度量无疑对于 我国开展软件可靠性工程工作具有重要的意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1电力软件的研究现状 SCADA/EMS丰富的功能，特别是高级功能主要是由软件实现的，按其性质可分 为三大类：系统软件、支持软件和应用软件山8。 系统软件是计算机生产厂家为便于用户使用和充分发挥硬件功能所提供的管理 程序和为其他程序服务并提供方便的一大类程序的总称。系统软件质量的好坏，对于 应用软件能否正常工作，用户编制和调试程序是否方便，均有极大的影响。系统软件 一般包括各种编译程序、程序开发不可缺少的软件工具、操作系统、系统生成及其他 服务性程序。 支持软件主要包括信息收集系统、数据库系统、人机联系系统。 信息收集系统可以认为是SCADA系统软件的一部分，是由前置机来完成的。其 主要模块有：前置机通信驱动程序模块、数据库更新程序模块、通道监视和自动切换 程序模块、系统时间同步程序模块。 数据库系统时支持软件最重要的部分，与应用软件联系特别紧密。数据库管理系 统作为管理和维护数据库的软件，负责处理用户对数据库的操作，负责数据库组织的 逻辑细节和物理细节的处理，使得用户尽可能不受这些细节的影响，可以从更加抽象 的观点出发来看待和使用数据库。为了在统一幅静态画面（网络接线图）上显示各种 3
3 在软件的测试阶段，通过可靠性测试，可以及早暴露(概率意义上)使用中具有较 高发生概率的缺陷，从而有效地提高软件的可靠性，通过可靠性的度量工作可以对软 件的可靠性水平进行估计，并对可能达到的可靠性水平进行预测，从而为测试管理、 软件项目管理提供决策依据。 在软件投入使用后，通过收集软件的失效数据，可以对软件的使用可靠性进行评 估，为下一代软件或同类型软件的可靠性定量要求的确定提供参考。 鉴于软件可靠性度量的重要性，研究如何选取软件的可靠性参数、特别是具有调 度自动化系统的软件可靠性参数以及在软件开发过程中如何对其进行度量无疑对于 我国开展软件可靠性工程工作具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 电力软件的研究现状 SCADA/EMS 丰富的功能，特别是高级功能主要是由软件实现的，按其性质可分 为三大类：系统软件、支持软件和应用软件[1][8][9]。 系统软件是计算机生产厂家为便于用户使用和充分发挥硬件功能所提供的管理 程序和为其他程序服务并提供方便的一大类程序的总称。系统软件质量的好坏，对于 应用软件能否正常工作，用户编制和调试程序是否方便，均有极大的影响。系统软件 一般包括各种编译程序、程序开发不可缺少的软件工具、操作系统、系统生成及其他 服务性程序。 支持软件主要包括信息收集系统、数据库系统、人机联系系统。 信息收集系统可以认为是 SCADA 系统软件的一部分，是由前置机来完成的。其 主要模块有：前置机通信驱动程序模块、数据库更新程序模块、通道监视和自动切换 程序模块、系统时间同步程序模块。 数据库系统时支持软件最重要的部分，与应用软件联系特别紧密。数据库管理系 统作为管理和维护数据库的软件，负责处理用户对数据库的操作，负责数据库组织的 逻辑细节和物理细节的处理，使得用户尽可能不受这些细节的影响，可以从更加抽象 的观点出发来看待和使用数据库。为了在统一幅静态画面（网络接线图）上显示各种
对应的数据，就需要建立几个数据库，如实时数据库、历史数据库、离线数据库等等。 SCADA数据库包括： (1)实时数据库：通过RTU周期性地采集的测量和状态信息。这种数据通常实时 更新，每次更新时即将旧数据冲掉。这样的数据库有模拟量数据库、数字量数据库、 计算量数据库、系统配置数据库离线模拟量数据库、离线数字量数据库。 (2)参数数据库：参数信息属于半固定数据，包括解释实时数据所需要的各种信 息，例如上下限值、变化率限值、标度变换的系数、扫描周期以及其他有关信息。 (3)历史数据库：历史数据库定期(5min)从实时数据库中读取模拟量，按一定 的结构顺序存入历史档案中。为了保证在历史数据库容量不断变化的情况下仍能正确 存取历史数据，引入了版本号和索引数据库。 人机联系系统也是支持软件的重要组成部分，它是实现人机对话的重要手段之 一。其功能主要从显示屏幕(CRT)和打印机上体现出来，操作工具一般是键盘和鼠 标，其主要内容有：显示和打印、命令与参数设置、图形和数据库编辑与维护、控制 操作。 应用软件由以下系统组成： (1)SCADA功能软件 SCADA功能软件实现调度自动化系统的基本功能，如遥测、遥信、遥控和遥调。 为了对电网的运行状态进行分析，必须在调度自动化系统中建立一个电网设备、结构、 参数、状态等各种信息合数据的模型，即网络数据库。网络建模就是提供生成、修改 和维护网络数据库的工具，建立SCADA数据库与网络数据库之间的映射。 (2)网络拓扑 由网络建模形成的网络数据库是一个与实际电力系统相一致的模型，它如实地反 映了电网中各个厂站电压等级内的电力系统实际接线以及开关的开合状态合实时在 线信息，但不能给出整个调度范围内的电气连接状态。 网络拓扑的功能就是要新信息确定整个电网的电气连接状态，为潮流计算、状态 估计、负荷预测、调度员潮流、自动电压控制、短路电流计算等EMS应用软件提供 一个一致的、完整的可直接使用的网络数据结构图。网络拓扑软件还能对某些断路器 4
4 对应的数据，就需要建立几个数据库，如实时数据库、历史数据库、离线数据库等等。 SCADA 数据库包括： (1)实时数据库：通过 RTU 周期性地采集的测量和状态信息。这种数据通常实时 更新，每次更新时即将旧数据冲掉。这样的数据库有模拟量数据库、数字量数据库、 计算量数据库、系统配置数据库离线模拟量数据库、离线数字量数据库。 (2)参数数据库：参数信息属于半固定数据，包括解释实时数据所需要的各种信 息，例如上下限值、变化率限值、标度变换的系数、扫描周期以及其他有关信息。 (3)历史数据库：历史数据库定期（5min）从实时数据库中读取模拟量，按一定 的结构顺序存入历史档案中。为了保证在历史数据库容量不断变化的情况下仍能正确 存取历史数据，引入了版本号和索引数据库。 人机联系系统也是支持软件的重要组成部分，它是实现人机对话的重要手段之 一。其功能主要从显示屏幕（CRT）和打印机上体现出来，操作工具一般是键盘和鼠 标，其主要内容有：显示和打印、命令与参数设置、图形和数据库编辑与维护、控制 操作。 应用软件由以下系统组成： (1)SCADA 功能软件 SCADA 功能软件实现调度自动化系统的基本功能，如遥测、遥信、遥控和遥调。 为了对电网的运行状态进行分析，必须在调度自动化系统中建立一个电网设备、结构、 参数、状态等各种信息合数据的模型，即网络数据库。网络建模就是提供生成、修改 和维护网络数据库的工具，建立 SCADA 数据库与网络数据库之间的映射。 (2)网络拓扑 由网络建模形成的网络数据库是一个与实际电力系统相一致的模型，它如实地反 映了电网中各个厂站电压等级内的电力系统实际接线以及开关的开合状态合实时在 线信息，但不能给出整个调度范围内的电气连接状态。 网络拓扑的功能就是要新信息确定整个电网的电气连接状态，为潮流计算、状态 估计、负荷预测、调度员潮流、自动电压控制、短路电流计算等 EMS 应用软件提供 一个一致的、完整的可直接使用的网络数据结构图。网络拓扑软件还能对某些断路器
的错误遥信信息进行辨识，以校正网络结构。 (3)状态估计 利用网络拓扑软件的结果和SCADA系统采集的遥测、遥信数据进行分析、研究 加工，检测和辨识其中的不良数据，给出量测误差信息，经过处理以获得整个电网准 确、可靠的实时运行状态和实时数据，形成一幅比较正确地、完整的，在潮流上收敛 的电力系统运行图。它是对电网进一步分析、计算的基础。 (4)负荷预测 负荷预测可以按正常工作日或节假日模式分别预测未来一周内（按小时或每 l5mi)的符合（包括系统负荷预测和母线预报），并可以计及气象因素，如气温、雨 量等对电力负荷的影响。主要用于计算负荷变化，预计电网的运行条件，作为确定近 期及当前电网运行方式的依据。 (5)调度员潮流 调度员潮流是EMS的最基本的分析软件，可以对当前实时电网或者历史上某一 时刻的电网进行各种模拟操作并进行潮流计算，给出计算结果及报警信息，预计进行 这些操作后电网的运行状态是否安全、是否合理，为调度员控制和管理电网提供更便 捷的手段。 (6)自动电压控制 自动电压控制应用软件自动调节电网内带负荷变压器的分接头和投切电容电抗 器组来使中枢点的电压控制在预先确定的计划内之内，同时使电网最经济。 (7)短路电流计算 在实时网络上构造正序、负序、零序网络，模拟电力系统对称三相短路、两相短 路、两相短路对地、单相短路以及断线等故障时的电网状态，计算其电流分布和各母 线的电压，从而校核电网中各种类型的保护装置，以及它们的相互配合，提高电网的 安全水平，这对电力系统运行乃至设计、设备选择、继电保护整定等都十分重要。 (8)无功优化 无功优化高级应用软件根据计算结果控制无功设备的投切，改善电压分布，提高 线路传输容量。 5
5 的错误遥信信息进行辨识，以校正网络结构。 (3)状态估计 利用网络拓扑软件的结果和 SCADA 系统采集的遥测、遥信数据进行分析、研究 加工，检测和辨识其中的不良数据，给出量测误差信息，经过处理以获得整个电网准 确、可靠的实时运行状态和实时数据，形成一幅比较正确地、完整的，在潮流上收敛 的电力系统运行图。它是对电网进一步分析、计算的基础。 (4)负荷预测 负荷预测可以按正常工作日或节假日模式分别预测未来一周内（按小时或每 15min）的符合（包括系统负荷预测和母线预报），并可以计及气象因素，如气温、雨 量等对电力负荷的影响。主要用于计算负荷变化，预计电网的运行条件，作为确定近 期及当前电网运行方式的依据。 (5)调度员潮流 调度员潮流是 EMS 的最基本的分析软件，可以对当前实时电网或者历史上某一 时刻的电网进行各种模拟操作并进行潮流计算，给出计算结果及报警信息，预计进行 这些操作后电网的运行状态是否安全、是否合理，为调度员控制和管理电网提供更便 捷的手段。 (6)自动电压控制 自动电压控制应用软件自动调节电网内带负荷变压器的分接头和投切电容电抗 器组来使中枢点的电压控制在预先确定的计划内之内，同时使电网最经济。 (7)短路电流计算 在实时网络上构造正序、负序、零序网络，模拟电力系统对称三相短路、两相短 路、两相短路对地、单相短路以及断线等故障时的电网状态，计算其电流分布和各母 线的电压，从而校核电网中各种类型的保护装置，以及它们的相互配合，提高电网的 安全水平，这对电力系统运行乃至设计、设备选择、继电保护整定等都十分重要。 (8)无功优化 无功优化高级应用软件根据计算结果控制无功设备的投切，改善电压分布，提高 线路传输容量
(9)安全分析 电网的安全分析包括静态安全分析和动态安全分析。一方面能确定系统当前的运 行状态在出现故障时，如线路、变压器因故退出运行时是否安全：另一方面能确定使 系统安全运行的校正、调节和控制措施。 (10)调度员模拟培训 用于仿真模拟电网的各种运行状态、各种操作及事故过程，并为调度人员提供与 实时系统安全一样的运行环境以培养调度人员熟悉并掌握电网管理系统的各项功能， 提高调度员操作和事故分析、处理的能力。 SCADA/EMS涉及多种专业技术：计算机硬件、软件、通信、调度、计划、经营 等，它需要有良好组织的众多技术人员进行确认、设计、编程、试验、联调、维护与 改进，一般将至少需要两级以上的管理体系才能进行开发与维护的软件称为大型软 件，而有资格的SCADA/EMS厂商都有多层的技术管理体系。 SCADA/EMS软件内部含有大量彼此联系的功能，随着功能的增加，内部联系的 复杂性呈非线性增长。SCADA/EMS的特点体现在逻辑的复杂性，高级应用软件的特 点体现在数值计算的复杂性，因此不仅要求配置计算能力强大的硬件，而且要求具有 非常有效的算法和复杂的程序技巧。 SCADA/EMS绝大部分输入/输出是在线的，其中还有很大的一部分是实时的，它 们之间存在联系并相互干扰，这样的特点大大增加了软件开发和调试的复杂性。 用户要求的特殊软件的开发对用户和厂商来说都有较大的风险，只有具有多方面 软件专家和清楚了解用户特殊要求的厂商才有提供这些软件的资格。在谈判用户专用 软件时，供货方在报价和确定未知软件性能时必然要考虑风险。 开发成功一个软件不仅在技术上非常复杂，而且绝大部分工作量是用户见不到 的，也是难以想象的。用户见到的软件产品主要是画面，但以此评价软件就过于表面 化了，这些至多是露在水面上的冰山，90%的工作量隐含在水面以下。要建立高质量 的软件开发环境，投资将非常大，但可在软件的质量和存活周期方面得到回报。 SCADA/EMS软件产品表面上不能完全体现它的质量和投入量，这使得开发过程难以 理解和管理，也使用户难以选择8)。 6
6 (9)安全分析 电网的安全分析包括静态安全分析和动态安全分析。一方面能确定系统当前的运 行状态在出现故障时，如线路、变压器因故退出运行时是否安全；另一方面能确定使 系统安全运行的校正、调节和控制措施。 (10)调度员模拟培训 用于仿真模拟电网的各种运行状态、各种操作及事故过程，并为调度人员提供与 实时系统安全一样的运行环境以培养调度人员熟悉并掌握电网管理系统的各项功能， 提高调度员操作和事故分析、处理的能力。 SCADA/EMS 涉及多种专业技术：计算机硬件、软件、通信、调度、计划、经营 等，它需要有良好组织的众多技术人员进行确认、设计、编程、试验、联调、维护与 改进，一般将至少需要两级以上的管理体系才能进行开发与维护的软件称为大型软 件，而有资格的 SCADA/EMS 厂商都有多层的技术管理体系。 SCADA/EMS 软件内部含有大量彼此联系的功能，随着功能的增加，内部联系的 复杂性呈非线性增长。SCADA/EMS 的特点体现在逻辑的复杂性，高级应用软件的特 点体现在数值计算的复杂性，因此不仅要求配置计算能力强大的硬件，而且要求具有 非常有效的算法和复杂的程序技巧。 SCADA/EMS 绝大部分输入/输出是在线的，其中还有很大的一部分是实时的，它 们之间存在联系并相互干扰，这样的特点大大增加了软件开发和调试的复杂性。 用户要求的特殊软件的开发对用户和厂商来说都有较大的风险，只有具有多方面 软件专家和清楚了解用户特殊要求的厂商才有提供这些软件的资格。在谈判用户专用 软件时，供货方在报价和确定未知软件性能时必然要考虑风险。 开发成功一个软件不仅在技术上非常复杂，而且绝大部分工作量是用户见不到 的，也是难以想象的。用户见到的软件产品主要是画面，但以此评价软件就过于表面 化了，这些至多是露在水面上的冰山，90％的工作量隐含在水面以下。要建立高质量 的软件开发环境，投资将非常大，但可在软件的质量和存活周期方面得到回报。 SCADA/EMS 软件产品表面上不能完全体现它的质量和投入量，这使得开发过程难以 理解和管理，也使用户难以选择[8]
