1　引言
　　隨著信息技術、自動化控制技術的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)對各種監(jiān)控系統(tǒng)尤其是變電站綜合自動化系統(tǒng)的要求也越來越高。這意味著在數(shù)據(jù)采 集、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)處理、存儲等方面都將面臨新的挑戰(zhàn)。在計算機領域，Sun Sparc、HPAlpha等高端計算機系統(tǒng)的價格依然不菲，而從性能上來說，類似Sun Ultra系列的工作站和低端服務器的性能卻并不十分優(yōu)越。另一方面，商用的Unix系統(tǒng)雖然已經廣泛應用于高端領域，但缺乏這一平臺上的研發(fā)與技術支持 人員，很多關鍵技術還依賴于國外，而MSWindows雖然已經被廣泛接受，但它在穩(wěn)定性、安全性等方面還一直沒有達到相對嚴格的工業(yè)控制的要求。實踐表 明，Unix／Sparc、Unix／Alpha這樣的系統(tǒng)技術起點高，成本大，而MSWindows／PC又難以滿足工業(yè)控制的要求。同時，Unix、 Windows操作系統(tǒng)依然完全依賴于國外，其核心并不公開，難以滿足發(fā)展中的電力信息系統(tǒng)安全的需要。為適應這一要求，本文提出了采用Linux／PC 構建通用平臺的設想和實現(xiàn)方案。
2　電力SCADA對系統(tǒng)平臺的要求
　　電力系統(tǒng)的發(fā)展直接導致變電站復雜程度的增高，而變電站的穩(wěn)定運行又直接影響到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，因此，作為變電站監(jiān)控的系統(tǒng) 平臺就很重要。我國自80年代以來，在500kV變電站綜合自動化領域，一直在努力改變全盤引進的局面，目前已經開始擁有了自主研發(fā)的系統(tǒng)。但其計算機平 臺，由于穩(wěn)定性要求等因素，無論是其硬件還是其操作系統(tǒng)，都還一直依賴于國外。
　　從歷史和現(xiàn)狀看，500 kV變電站對系統(tǒng)性能指標的要求主要還是在可靠性方面，就發(fā)展趨勢而言，在速度上的要求也在逐步提高。
　　根據(jù)現(xiàn)有變電站的實際情況和發(fā)展趨勢看，變電站綜合自動化的后臺監(jiān)控計算機必須滿足的主要條件如下^［1］：
　?。?）平均故障間隔時間（MTBF）不小于2萬h，系統(tǒng)可用率不小于99．9％；
　?。?）主機正常負荷率宜低于30％，事故負荷率宜低于50％。
　　其它如電磁兼容、抗干擾等具體參數(shù)可參見相關標準。
3　計算機系統(tǒng)架構———兩種平臺
　　計算機發(fā)展的最重要標志就是其架構（Archi－tecture）與IC工藝的發(fā)展。隨著計算機在商業(yè)領域的普及，為滿足各種應用 的系統(tǒng)架構不斷出現(xiàn)，對通用的科學計算與數(shù)據(jù)處理計算機而言，主要可分為精簡指令系統(tǒng)（RISC）和復雜指令系統(tǒng)（CISC）兩種，前者屬高端領域，后者 則是PC的核心。由于設計的目的、應用的領域不同，針對這兩種平臺設計的操作系統(tǒng)也各有千秋，下面對它們分別論述。
3．1　RISC系統(tǒng)與Unix
　　最初精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）的設計目的是滿足科學計算（軍方）的需要，具有穩(wěn)定可靠的特點，這個特點傳遞給了在這個平臺上開發(fā)的操作 系統(tǒng)和應用軟件。同時，由于其定位在復雜的科學計算，起點較高，也就比較昂貴。它不僅在高端的應用（小型機到巨型機）中成本非常高，即使是在低端的工作 站，價格也不菲。另一方面，由于體系結構的原因，它往往要求其外圍設備（如基本輸入輸出設備）必須自己具備處理數(shù)據(jù)的能力，這樣才能使CPU集中精力處理 好必要的計算和調度任務，這進一步增加了系統(tǒng)的成本，同時，由于商業(yè)化發(fā)展，各公司的RISC系統(tǒng)并不兼容，配件也必須來自原廠，所以擴展、維護成本也非 常高。
　　Unix系統(tǒng)最初設計用來管理龐大的RISC系統(tǒng)，由于其使用者都是專業(yè)人士，因此其使用、配置和開發(fā)都比較復雜，即使在XWindows出現(xiàn)后，由 于其一貫的作風，要想深入Unix系統(tǒng)，仍然具有較高的難度。另外，隨著Unix／RISC的商業(yè)化，各個廠商都推出了各自的版本，相互之間雖然遵循 POSIX標準，但兼容性很差，再加上Unix／RISC系統(tǒng)昂貴的價格，進一步提高了進入該平臺的門檻。
3．2　復雜指令系統(tǒng)與Windows、Linux
　　Intelx86是CISC系統(tǒng)的代表，其最初的設計目的是為了滿足中小型公司及個人的需要，它追求超出浮點計算范疇的各種處理能力和速度 （如字處理、多媒體處理等），同時要降低成本，使之適合于普通家庭用戶。其體系結構允許CPU承擔所有輸入輸出的處理工作。另一方面，它具有廣泛兼容的系 統(tǒng)總線接口，因此其擴展非常方便。雖然這種系統(tǒng)最初定位很低，而且沒有太多考慮嚴格的工業(yè)與科學應用要求。但隨著技術發(fā)展，IC制造工藝的不斷提高，以往 僅用于高端系統(tǒng)的RISC領域的技術被越來越多地應用于PC中，使得PC有了更多的層次，逐漸進入高端工業(yè)控制與科學計算領域。
　　復雜指令系統(tǒng)計算機在處理器指令集中包涵了更多的便捷可用的指令，簡化了用戶程序的設計。其主流操作系統(tǒng)從最初的DOS發(fā)展到現(xiàn)在的 Win－dowsXP，采取的是一種傻瓜式路線，即降低計算機的使用難度，使非專業(yè)人士也能輕松使用。雖然在NT以后的版本中逐步提高了系統(tǒng)的安全性和可 靠性，但其圖形系統(tǒng)被規(guī)劃在內核中，缺乏靈活性，系統(tǒng)性能等也大受影響。
　　90年代出現(xiàn)的Linux改變了Windows一統(tǒng)CISC軟件平臺的天下。Linux不僅繼承并發(fā)揚了Unix優(yōu)點，更多方采納了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的各 種技術。如內核模塊動態(tài)加載技術等。使得系統(tǒng)內核可靈活配置。另一方面，由于其屬于免費操作系統(tǒng)，并且開放所有源代碼，使用者可以輕松獲得必要的資料，因 而Linux的志愿者也很多，結果不僅大大降低了其技術門檻，而且使系統(tǒng)越來越易于使用，這個系統(tǒng)的應用也因此迅速推廣開來。
3．3　兩種平臺在電力系統(tǒng)中的應用
　　以上兩種系統(tǒng)架構一直是計算機硬件的兩大主流，以它們?yōu)楹诵臉嫵傻牟煌布脚_，其外部總線、存儲設備及其它外部設備都有很大的區(qū)別，但隨著技術的發(fā)展又慢慢趨于一致，各種技術的揉和，使得PC不僅廉價、高效，而且具備了越來越高的可靠性。
　　在我國電力系統(tǒng)中，以往高電壓等級的SCADA都采用Unix／RISC系統(tǒng)，應用最為普及的是其代表Solaris／Sparc（通常使用它們的低 端工作站作為平臺，因此通稱為工作站）。而Windows／CISC系統(tǒng)（以Intelx86為代表，稱為Intel Architecture，即IA，也就是常說的PC），往往只作為輔助計算機。造成這種局面　　并非完全是由于PC本身的原因，在我國工業(yè)領域廣泛應用 的工控機大多數(shù)也是Intel架構，主要原因是處理能力、存儲容量、可靠性等指標之間沒有找到一個合適的結合點。
　　隨著Linux操作系統(tǒng)和PC硬件的不斷完善，現(xiàn)在我們有了另一種選擇，就是Linux／PC平臺。
4　新技術對PC的完善
　　將PC與工作站相比較，就硬件而言，PC主要還是在性能和穩(wěn)定可靠兩個方面存在不足。新技術的發(fā)展對此進行了完善^［2］。
　　雖然以Intel的x86芯片為核心的PC并不是為嚴格的工業(yè)控制設計的，但隨著設計與制造工藝的共同發(fā)展，使得它以及它的外圍器件都越來越成熟和穩(wěn) 定，而Linux操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，更是彌補了PC在高端應用中的操作系統(tǒng)空白。這兩者的結合，加上近幾年來各種屬于小型機的高端技術在PC領域的應用，使 我們可以設計一個可滿足不斷發(fā)展的電力監(jiān)控系統(tǒng)后臺要求的通用平臺。
　　在處理器的性能方面，以PentiumPRO為代表的IA32處理器的誕生標志著PC服務器／工作站進入市場，它支持對稱多處理器（SMP）技術，在 一臺計算機內用多個CPU構成并行處理系統(tǒng)。1998年In－tel推出的PIIXeon處理器更是被業(yè)界所推崇。Xeon的設計目的是為了滿足企業(yè)級服 務器與工作站的需要，可應用于嚴格要求的商業(yè)環(huán)境；它支持SMP，與同期的Pentium處理器比較，具有更多更快的二級緩存，從而具有更好的性能。隨著 多級流水線處理技術的采用，尤其是最近64位架構的出現(xiàn)更突破了傳統(tǒng)IA的局限，大大提高了PC的性能。
　　在總線與接口方面，PC不斷擴展其先進的PCI總線，從32位到64位，從33MHz到66MHz，PCI總線性能不斷提高。為適應嚴格要求的工業(yè)控制環(huán)境而設計的CompactPCI總線技術在提高PC工控機性能的同時，更進一步提高了PC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　在最重要的磁盤系統(tǒng)中，SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口）在PC上的應用大大提高了PC的數(shù)據(jù)吞吐能力，尤其是硬盤系統(tǒng)的可靠性（壽命）；冗余磁盤陣（RAID）的引入更是大大刺激了PC在數(shù)據(jù)庫方面的應用^{［3］［4］}。 冗余磁盤陣列本是高端服務器的專有技術，但隨著該技術成本的降低，它開始被應用于PC服務器領域。目前的主流RAID卡結合 SCSIUltra160／Ultra 3，采用基本的RAID1或RAID5能達到很好的性能和故障冗余效果，而低成本的IDERAID甚至Linux系統(tǒng)的軟件RAID技術至少在很大程度上 提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠性。
　　網絡的性能與故障冗余在工業(yè)控制中也很重要，在高端服務器領域，已經有了各種負荷均衡和自動故障冗余措施。這些技術已經被應用到了PC中。以 Intel PRO100＋Dual Port Server Adapter為例，它可以在32位PCI總線上提供Team工作模式，這是一種相對簡單的基于數(shù)據(jù)鏈路層的負荷均衡與故障冗余技術。但可以通過使用該技 術，非常便捷地得到能夠滿足電力系統(tǒng)監(jiān)控后臺所需要的故障冗余功能，甚至可以利用多塊這樣的網絡適配器進行負荷均衡，以達到提高網絡性能的目的。
　　其它如雙電源技術，都已經非常成熟。隨著時代的進步，越來越多的RISC系統(tǒng)技術應用到普通PC中，也使得CISC與RISC的差距慢慢縮小，從現(xiàn)有條件看，完全可以在PC平臺上，用最少的投資，構成性能非常不錯的系統(tǒng)。
5　Linux操作系統(tǒng)及其應用
5．1　Linux的現(xiàn)狀與廣泛的支持
　　Linux從推出至今，不過短短10年時間，在這10年中，它的發(fā)展速度超過了以往任何一種操作系統(tǒng)，經過10年的發(fā)展，Linux不僅成熟起來，而且得到了非常廣泛的應用。
　　Linux內核的發(fā)展一直掌握在Linus所領導的一個開放小組的統(tǒng)一控制下，這既保證了Linux的穩(wěn)定發(fā)展，也使得各種好的建議能納入新版本的計劃中。
　　隨著商機的出現(xiàn)，Oracle、IBM、DELL等大型廠商也正式對外宣稱支持Linux，Oracle推出了其著名數(shù)據(jù)庫Oracle的Linux版本，IBM更是斥資10億美元，放棄其AIX系統(tǒng)的繼續(xù)研發(fā)，轉而在其所有硬件平臺上采用Linux。
　　現(xiàn)有被廣泛使用的Linux發(fā)行版主要包括我國的RedFlag（紅旗，已經成功應用于銀行———中國農行、嵌入式系統(tǒng)———福利彩票系統(tǒng)、政府機構 以及陜西電力等），北美的RedHat（紅帽子，已經被廣泛應用于各行各業(yè)，如電影特效處理等），歐洲的SuSe（德國）等，這些發(fā)行版都依據(jù)Linux 內核以及桌面系統(tǒng)版本的更新而不斷推出新的版本，每個系統(tǒng)的國際性支持都在不斷提高，目前發(fā)行版都可以很好地支持中文輸入與顯示。
　　在外圍硬件的支持方面，雖然PC的各種配件很多，供應商也非常多，甚至比較雜亂，但都有PC　　兼容的標準，隨著Linux的推廣普及，各種常用配件、甚至工業(yè)領域的專業(yè)配件，也都有了Linux版本的驅動，這個范圍還正在進一步擴大。
5．2　Linux的特色
　　Linux在PC平臺上出色的性能表現(xiàn)是眾多用戶選用Linux作為他們的商業(yè)服務器的主要原因之一，與Windows相比，在多任務、多用戶的網絡環(huán)境下，Linux的性能遠遠超過Windows^［5］，這是Linux先進的進程管理、內存管理以及高性能的文件系統(tǒng)所決定的^［6］。
　　Linux實際上是從Unix發(fā)展過來的，應該說是Unix的一種變體。Linux繼承了Unix穩(wěn)定可靠的特點（通過系統(tǒng)機制來保證），正因為如 此，威脅Win－dows系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全的各種病毒在Linux下就幾乎不存在。而且，現(xiàn)在每個Linux發(fā)行套件中都包涵功能強大的防火墻，可以很好地 限制來自網絡的各種訪問，有效地提高了系統(tǒng)的安全性。
　　Linux操作系統(tǒng)內核統(tǒng)一，在可移植性方面Linux目前的主流硬件平臺還是PC，但這并不意味著它不能在其它平臺上使用，最新的Linux 2．4．x內核支持包括IA32／IA64／SPARC／ALPHA，甚至幾乎所有大型機、巨型機系統(tǒng)硬件平臺。
　　由于采用現(xiàn)代內核機制，Linux的內核具有模塊可加載特性，這意味著用戶在不修改內核源程序的情況下就可以根據(jù)實際需要定制內核中功能部分，使得系 統(tǒng)更專業(yè)，具有更高的效率。與Windows和傳統(tǒng)的Unix相比，這個特點非常突出。Linux系統(tǒng)也正是基于這一系統(tǒng)架構，非常完美地實現(xiàn)了多硬件平 臺、SMP等特性，使得內核的系統(tǒng)性非常強，移植也很方便。
　　新的Linux 2．4內核版本開始支持日志文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)與傳統(tǒng)的FAT、NTFS文件系統(tǒng)比較，關鍵在于對整個文件實現(xiàn)日志管理，不僅能提高了訪問大量小文件 時的效率，而且在文件系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，也能夠自動快速恢復，這一方面降低了維護難度，另一方面增加了文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性。
　　Linux最具特色的地方是Open Source，Linux從內核到每一個發(fā)行版都包涵幾乎所有應用程序，都是在GPL原則下開放源碼的，這樣，用戶不僅能修改源碼達到定制系統(tǒng)的目的，而 且也能在GPL原則下，重用所有的代碼，來實現(xiàn)自己的功能。Linux的源碼庫是一個寶貴的資源，它不僅為我們提供了學習操作系統(tǒng)的最好環(huán)境，而且也為我 們編制自己的應用程序提供了寶貴的源代碼資源和系統(tǒng)思想。另外，Linux下的程序設計語言及平臺非常豐富。值得一提的是Delphi和 C＋＋Builder兩大開發(fā)環(huán)境的設計商Borland公司最近推出的Kylix 3．0，它不僅提供了Linux平臺下類似Delphi的軟件開發(fā)環(huán)境，甚至提供了與Delphi兼容的源代碼，這樣一來，我們在 Delphi＠Windows下開發(fā)的軟件，就能很容易地通過Kylix移植到Linux平臺上運行^［7］。
5．3　Linux在商業(yè)與軍工各方面的廣泛應用
　　Linux的商業(yè)應用已經非常廣泛，著名電影TA－TANIC中的幾乎所有電腦特技，后期影片處理都是在Linux系統(tǒng)下完成的。目前全世界 的Web服務器有超過60％采用Linux＋Apache構建，很多商業(yè)數(shù)據(jù)庫也采用Linux作為系統(tǒng)平臺。實踐表明，在重負荷、大訪問量的網絡服務器 上，采用Windows／服務器不能達到要求，而使用Linux／服務器或Linux／PC－Cluster就能解決這一問題^［8］。
　　Linux在工業(yè)控制領域乃至軍用方面也已經越來越廣泛。例如歐洲的AutomationX工業(yè)控制軟件就是基于Linux平臺的 （www．mnrcan．com）。我國電力系統(tǒng)對Linux也有嘗試性的使用。而嵌入式Linux更是被廣泛應用于各種場合，例如PDA、彩票機、甚至 照相機中^{［9］［10］}。
6　利用Linux／PC構建電力SCADA通用平臺的實現(xiàn)方案　　
　　按照電力系統(tǒng)的要求，采用現(xiàn)有的技術條件，完全可以配置一系列性能價格比比較高的、符合電力系統(tǒng)各級別需要的系統(tǒng)平臺，下面給出了一種可能的實現(xiàn)方案。
　　硬件：PC工控機或PC服務器，可選配置有對稱多處理器（SMP，雙處理器或4處理器）、冗余磁盤陣列（RAID，基于SCSI或IDE硬盤）、自動故障冗余雙口網卡（AFTNIC），以及雙機冗余配置。
　　軟件系統(tǒng)：Linux（RedHat 7．x或SuSe 7．x～8．x或者RedFlag 3．x）操作系統(tǒng)；基于XWindows的圖形窗口系統(tǒng)（XFree86＋OpenMotif桌面管理）；MySQL或Oracle數(shù)據(jù)庫；gcc、 gtk、qt等c／c＋＋開發(fā)環(huán)境、接口庫；kdevelop、kylix等集成開發(fā)環(huán)境；IPv4以及IPv6網絡支持；UnixODBC可支持通過 ODBC訪問外部微軟ODBC引擎驅動的商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如SQLServer等。
　　對于110kV及以下變電站后臺監(jiān)控，可以采用簡單PC工控機，開放源碼的高性能MySQL數(shù)據(jù)庫，配合Linux強大的網絡功能，可以方便快捷地構建一個開發(fā)平臺。
　　對于220kV變電站后臺監(jiān)控，可采用SMP雙處理器系統(tǒng)，沿用TCP／IP網絡通信，提高系統(tǒng)處理大量IO數(shù)據(jù)的能力。對穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)安全性要求 較高的變電站，可在單機中采用IDERAID，并進行雙機冗余配置。數(shù)據(jù)庫可采用MySQL或商業(yè)數(shù)據(jù)庫如Oracle等。
　　對于重要的220kV變電站或500kV樞紐變電站，可以對單機采用SCSIRAID、雙網冗余、雙電源冗余技術，并采用雙機冗余配置。數(shù)據(jù)可采用商用Oracle數(shù)據(jù)庫或Sybase、DB2等數(shù)據(jù)庫。這樣便能使整個系統(tǒng)達到非常高的安全穩(wěn)定可靠水平。
7　結語
　　隨著技術的發(fā)展，計算機軟硬件平臺也出現(xiàn)了統(tǒng)一的趨勢，事實上，我們今天看到的PC和與之對應的微型機、小型機等都已經遠遠超出了 其最初的定義；各種技術的揉和更使得它們在速度、穩(wěn)定性等各個方面都越來越接近，PC也開始在很多服務領域取代了以往的高端服務器；而落后于硬件發(fā)展的操 作系統(tǒng)在三大實力分割天下的局面形成之后（MSWINDOWS、UNIX、LINUX），又在版權、持續(xù)研發(fā)費用、以及操作系統(tǒng)本身適應現(xiàn)代操作系統(tǒng)的技 術特性等因素的作用下，也開始出現(xiàn)兩極分化的大趨勢，即逐步淘汰Unix，繼而用Linux取而代之，IBM、Oracle以及HP等大型廠商的支持就是 最好的證明。就現(xiàn)在而言，雖然Linux／PC平臺依然具有其難以克服的弱點（除內核外的很多軟件穩(wěn)定性較差，尤其是免費的X桌面管理系統(tǒng)，中文支持還不 夠理想等），但采用Linux／PC構建電力SCADA系統(tǒng)通用平臺，無論從技術性、安全性、實用性上看，還是從經濟性方面考慮，都不失為一個好的選擇。 參考文獻
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