水電站全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)踐

周國(guó)民，于　紅（.浙江禹瑞工程咨詢有限公司，浙江 杭州 3005；.河北省石津灌區(qū)管理局，河北 石家莊 05005）

水電站全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)踐

周國(guó)民1，于紅2
（1.浙江禹瑞工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310015；2.河北省石津灌區(qū)管理局，河北 石家莊 050051）

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是開放式分層全分布水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的兩個(gè)主要特征。在該系統(tǒng)的構(gòu)架過程中，涉及到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分層控制技術(shù)等核心技術(shù)，這些核心技術(shù)的運(yùn)用提高了系統(tǒng)的可靠性、拓展性、有效性及抗干擾能力。以長(zhǎng)江三峽右岸水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用為例，說明開放式分層全分布監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，其應(yīng)用必將推動(dòng)開放式分層全分布理論和技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展。

開放式；分布式；分層控制；數(shù)據(jù)庫(kù)；水電站；監(jiān)控系統(tǒng)

1　發(fā)展歷程

早些時(shí)候，計(jì)算機(jī)的價(jià)格比較昂貴，集中式監(jiān)控系統(tǒng)是水電站喜歡采用的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集中布置了一臺(tái)計(jì)算機(jī)，稱之為集控機(jī)，整個(gè)水電站的監(jiān)視和控制任務(wù)全由它承擔(dān)。其基本特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠且不分層，比較容易實(shí)現(xiàn)。但是它有個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是一旦集控機(jī)出現(xiàn)了故障，整個(gè)控制系統(tǒng)將面臨著癱瘓的危險(xiǎn)，整個(gè)電網(wǎng)的安全都將受到威脅。為了克服上述的缺點(diǎn)，功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)（Decentralized System）應(yīng)運(yùn)而生。水電站的全部監(jiān)控任務(wù)不再由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來完成，而是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)共同完成。各臺(tái)計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)完成某一項(xiàng)功能，結(jié)果出現(xiàn)了一系列的完成專項(xiàng)功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但此時(shí)，當(dāng)某臺(tái)電腦出現(xiàn)故障的時(shí)候，依然有某一個(gè)部分功能出現(xiàn)癱瘓或失靈的現(xiàn)象，從而影響到了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的功能及安全。

到了20世紀(jì)80年代，分層控制（Hierarchical Control）的理論得到了發(fā)展，并很快應(yīng)用于水電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從控制理論的角度看，強(qiáng)調(diào)了“分層”的概念；但是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分析的話，強(qiáng)調(diào)了“分布”的概念。分布式系統(tǒng)（Distributed System）包含了多個(gè)獨(dú)立而又相互作用的計(jì)算機(jī)，它們合作于一個(gè)共同問題。它最基本要求是：資源分布多個(gè)；操作系統(tǒng)的統(tǒng)一；獨(dú)立資源并作用相互。這里主要強(qiáng)調(diào)的是資源物理上的分布?！胺謱印焙汀胺植肌边@兩個(gè)概念結(jié)合在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)這個(gè)實(shí)體中，從而形成了分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。因?yàn)榉植际接?jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)克服了集中式監(jiān)控系統(tǒng)與功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)的眾多缺點(diǎn)，所以近年來新投運(yùn)的水電站大都采用分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在 DL/T 5065-1996《水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》中明確指出了：“監(jiān)控系統(tǒng)最好采用分層分布式的結(jié)構(gòu)，分設(shè)負(fù)責(zé)全廠集中監(jiān)控任務(wù)的電廠級(jí)和完成機(jī)組、開關(guān)站以及公用設(shè)備等監(jiān)控任務(wù)的現(xiàn)地控制級(jí)”。

一般由多個(gè)廠商來提供水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件，廠商之間如何接口和協(xié)調(diào)工作就成為了比較關(guān)鍵的問題。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，開放式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)誕生了。開放式系統(tǒng)有很多特點(diǎn)，如體系結(jié)構(gòu)模塊化、模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能處理分布化、應(yīng)用軟件的可移植性和不同系統(tǒng)間的互操作性。在開放式系統(tǒng)出現(xiàn)之后，又出現(xiàn)了“全分布”的新概念。換句話說，以前在談分布的時(shí)候，往往著重的是在“處理”上的分布。然而在開放系統(tǒng)出現(xiàn)的同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了“數(shù)據(jù)庫(kù)”等的分布，是一種更加完全的分布，而這些正符合上述分布系統(tǒng)的定義［1］。在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控應(yīng)用中，開放式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和分層全分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到了結(jié)合，開放式分層全分布系統(tǒng)就這樣形成了。本文著重論述了開放式分層全分布系統(tǒng)的總體構(gòu)架、核心技術(shù)與應(yīng)用研究。

2　總體構(gòu)架

開放式分層全分布水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的兩個(gè)主要特征是分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。以往的分層分布系統(tǒng)，存放監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)［2］都有一個(gè)或多個(gè)（冗余系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)包括很多子系統(tǒng)，例如工程師工作站、操作員工作站、培訓(xùn)工作站、通信工作站、現(xiàn)地控制單元等，通過網(wǎng)絡(luò)連接，盡管具備共享信息的條件，但系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是集中式的，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的工作對(duì)系統(tǒng)總數(shù)據(jù)庫(kù)還存在著相當(dāng)大的依賴性，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，全系統(tǒng)的功能都將受到很大影響。以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)為特征的開放式分層全分布系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)都具有一定的功能，而且在各節(jié)點(diǎn)上分布了相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)中的上位機(jī)（即操作員工作站、工程師工作站、通信工作站以及培訓(xùn)工作站的總稱）也只是網(wǎng)絡(luò)中的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的數(shù)據(jù)庫(kù)只是為了實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的全站統(tǒng)計(jì)、AGC、AVC功能，不是全站唯一的總數(shù)據(jù)庫(kù)。如此，各節(jié)點(diǎn)之間可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行所需信息的交換，不用再依賴數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器了。上位機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器沒有投入運(yùn)行的情況下，在各現(xiàn)地控制單元中更新畫面、采集數(shù)據(jù)，可以將運(yùn)行人員在上位機(jī)上下達(dá)的操作命令通過網(wǎng)絡(luò)途徑直接傳送給現(xiàn)地控制單元去執(zhí)行，而不需要數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)了。整個(gè)系統(tǒng)中的各設(shè)備都遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)接入一個(gè)全開放式的以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中［3］。

開放式分層全分布水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)為特征，其總體構(gòu)架圖如圖1所示，由圖1可知，下位機(jī)即現(xiàn)地控制單元計(jì)算機(jī)鏈接到下層分布數(shù)據(jù)庫(kù)，操作員工作站、工程師工作站、通信工作站等上位機(jī)則鏈接于上層分布數(shù)據(jù)庫(kù)，整個(gè)系統(tǒng)中沒有實(shí)時(shí)的總數(shù)據(jù)庫(kù)，它的數(shù)據(jù)庫(kù)是分散式的。下位機(jī)控制層則由下位機(jī)控制系統(tǒng)及其下層分布數(shù)據(jù)庫(kù)組成；主控層是由上位機(jī)、上層分布數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及其他裝置組成；信息發(fā)布層包括電廠信息發(fā)布系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)庫(kù)。各層是通過開放式以太總線網(wǎng)絡(luò)鏈接的。

3　核心技術(shù)

圖1　開放式分層全分布水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架圖

開放式分層全分布水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架過程中，對(duì)于一些通用技術(shù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)集成技術(shù)、軟件層次構(gòu)架技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等本文不作介紹。以下就著重論述系統(tǒng)構(gòu)架中的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分層控制技術(shù)等等核心技術(shù)。

3.1分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建技術(shù)

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)是由無數(shù)節(jié)點(diǎn)集合而成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，它們都擁有著各自的數(shù)據(jù)庫(kù)、中央處理機(jī)、終端，以及它們各自的局部數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。它們?cè)谶壿嬌蠈儆谕幌到y(tǒng)，但是物理結(jié)構(gòu)的意義上是分布式的。它可以有效地解決組織機(jī)構(gòu)分散而數(shù)據(jù)需要相互聯(lián)系的問題。在各種大型的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)分別處在不同的層次上，在業(yè)務(wù)上它們不但需要處理各自的數(shù)據(jù)問題，同時(shí)還需要交換和處理彼此之間的數(shù)據(jù)內(nèi)容，因此分布式數(shù)據(jù)庫(kù)更加符合其業(yè)務(wù)上的需求。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)可以使系統(tǒng)各處理機(jī)之間的相互干擾情況降到最低，負(fù)載則由各處理機(jī)分擔(dān)，可以達(dá)到均衡負(fù)載的作用。雖然相等規(guī)模的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)比集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障的幾率上高，但由于其故障的影響只是限于局部數(shù)據(jù)的應(yīng)用，因此就整個(gè)系統(tǒng)來說，它的可靠性就相對(duì)高了。

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)里不強(qiáng)調(diào)集中控制的概念，它具有每個(gè)局部數(shù)據(jù)庫(kù)管理員都具有的高度的自主權(quán)和以全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理員為基礎(chǔ)的分層控制結(jié)構(gòu)。

（2）在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中增加了一個(gè)叫做“分布式透明性”的新概念。所謂分布式透明性就是指在編寫程序時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)沒有被分布一樣，所以把數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移同樣也不會(huì)影響到程序的正確性。

（3）與集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)所不同的是，把數(shù)據(jù)冗余在分布式系統(tǒng)中看作是需要的特性，其原因在于：①如果在需要的節(jié)點(diǎn)上復(fù)制好數(shù)據(jù)，則可以提高其局部的應(yīng)用性。②當(dāng)某節(jié)點(diǎn)突然發(fā)生故障時(shí)，可以操作其他節(jié)點(diǎn)來復(fù)制數(shù)據(jù)，因此大大地增加了系統(tǒng)的有效性［4］。

3.2開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中研究的最多的?，F(xiàn)今工業(yè)以太網(wǎng)成為統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為了一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。雖然目前為止還有其他大量的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但工業(yè)以太網(wǎng)更是各種標(biāo)準(zhǔn)中最具有生命力的。其中最引人注目的原因是工業(yè)以太網(wǎng)具有靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、廣泛的廠商支持和開放的交換協(xié)議體系。開放是基于標(biāo)準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)著開放［5］。工業(yè)以太網(wǎng)提供了上百萬數(shù)據(jù)源的高速交換，不是其他現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)可以比擬的。到目前為止，轉(zhuǎn)向生產(chǎn)集成工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的儀器儀表、裝置的廠家的舉動(dòng)是十分明智的，可以預(yù)見到未來的10年，工業(yè)以太網(wǎng)將不斷地統(tǒng)一各類標(biāo)準(zhǔn)，使企業(yè)生產(chǎn)信息交換的結(jié)構(gòu)達(dá)到上下統(tǒng)一、簡(jiǎn)單高效的效果。

TCP/IP協(xié)議通常被采用在以太網(wǎng)通信協(xié)議上，但是，TCP/IP協(xié)議與開放互聯(lián)模型ISO相比，顯得更加開放，而且它為美國(guó)國(guó)防部所認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。TCP/IP協(xié)議可以廣泛應(yīng)用于各種各樣的信道和底層協(xié)議。確切地說，TCP/IP協(xié)議是包括了TCP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP協(xié)議、ICMP協(xié)議和其他一些協(xié)議的協(xié)議組。

同軸電纜或光纖可以使用于工業(yè)以太網(wǎng)。目前為止，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于大型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，采用雙星型或雙環(huán)形網(wǎng)。雙環(huán)形網(wǎng)比雙星型網(wǎng)可靠性要高，因?yàn)楫?dāng)環(huán)形網(wǎng)某一點(diǎn)斷開后，還可以用環(huán)的另一側(cè)進(jìn)行通信。環(huán)形網(wǎng)需要采用環(huán)形交換機(jī)，如MICE3000、RS2等。環(huán)形網(wǎng)的缺點(diǎn)在于它使工程安裝復(fù)雜化了，還增加了安裝的難度以及工程的費(fèi)用。

3.3分層控制技術(shù)

20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的其中一種新理論叫做分層控制理論，它是一種從控制論的角度來研究多個(gè)相互影響的系統(tǒng)的控制方法。分層控制理論是把“中央控制”對(duì)“各子系統(tǒng)控制”的監(jiān)視，以及確定“各子系統(tǒng)控制中心”的控制方向的問題提高到理論上來［6］。從控制論的角度，按照其命令的產(chǎn)生、命令執(zhí)行結(jié)果、信息的反饋流向、被采集的信息上送關(guān)系、各級(jí)的操作權(quán)限等來看，帶有一定程度中央集權(quán)性質(zhì)，系統(tǒng)具有典型性。

對(duì)于水力發(fā)電廠來說，其電能生產(chǎn)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程：

（1）地域分布較分散，設(shè)備分散在主廠房、中控室、開關(guān)站、泄洪閘門等處；

（2）設(shè)備的數(shù)量較多；

（3）要求實(shí)現(xiàn)的功能較多。

因此我們將水電站的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)分層控制結(jié)構(gòu)的想法是合理的。從水電站必須執(zhí)行的操作來看，如正常的事故時(shí)電站操作員的操作控制、全站各臺(tái)機(jī)組的成組控制以及現(xiàn)地閉環(huán)控制等，分層控制結(jié)構(gòu)更加符合水電站的生產(chǎn)特點(diǎn)。

多臺(tái)計(jì)算機(jī)采用分層結(jié)構(gòu)后更加便于管理，不同層次、任務(wù)的計(jì)算機(jī)的容量、規(guī)模配置得更加合理，比如，在全廠控制一級(jí)常采用規(guī)模相對(duì)較大的計(jì)算機(jī)，而在控制第一線的計(jì)算機(jī)中可采用規(guī)模較小、抗干擾能力更強(qiáng)、可靠性更高的微機(jī)等。

4　應(yīng)用研究

長(zhǎng)江三峽右岸水電站作為一個(gè)大型的水力發(fā)電廠，具有多臺(tái)機(jī)組，施工周期長(zhǎng)，機(jī)組投運(yùn)不按照編號(hào)順序進(jìn)行的特點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備采購(gòu)時(shí)確定的機(jī)組安裝計(jì)劃，三峽右岸12臺(tái)發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)計(jì)劃分別為2007年6臺(tái)，依次為26號(hào)、22號(hào)、18號(hào)、21號(hào)、25號(hào)、17號(hào)；2008年6臺(tái)，依次為20號(hào)、24號(hào)、16號(hào)、19號(hào)、23號(hào)、15號(hào)。因此，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)必須具有較高的開放性和可靠性，在監(jiān)控系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，為新投產(chǎn)的機(jī)組LCU的接人創(chuàng)造更多有利的條件［7］。

從機(jī)組分批投運(yùn)的特點(diǎn)來看，監(jiān)控系統(tǒng)適合采用光纖星型網(wǎng)。因?yàn)椴捎霉饫w環(huán)網(wǎng)時(shí)，首批投產(chǎn)需建立臨時(shí)環(huán)網(wǎng)，當(dāng)有新機(jī)組投入運(yùn)行則須先斷開環(huán)網(wǎng)，整個(gè)環(huán)網(wǎng)將會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)，從而影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。再考慮到長(zhǎng)江三峽右岸水電站對(duì)可靠性要求較高，所以，控制網(wǎng)絡(luò)需采用雙星型網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架形成。

長(zhǎng)江三峽右岸水電站監(jiān)控系統(tǒng)是采用分層控制技術(shù)進(jìn)行構(gòu)架的，整個(gè)系統(tǒng)分為現(xiàn)地控制單元層、下位機(jī)控制層、主控層和信息發(fā)布層。100 M雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)鏈接在現(xiàn)地控制單元層與下位機(jī)控制層之間；1 000 M雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)鏈接在廠站控制層與主控層之間；由于主控層和信息發(fā)布層可靠性要求不太高，則采用1 000 M單星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。因此，整個(gè)系統(tǒng)形成了4層3網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計(jì)時(shí)采用最新的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)是由于整個(gè)系統(tǒng)的層次較復(fù)雜，系統(tǒng)對(duì)可靠性和拓展性的要求較高，采用了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)之后，整個(gè)系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)都具有相對(duì)獨(dú)立性，并且當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障情況時(shí)，可利用其他節(jié)點(diǎn)的復(fù)制數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)應(yīng)用上的可靠性和有效性。

長(zhǎng)江三峽右岸水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分層控制技術(shù)等核心技術(shù)。長(zhǎng)江三峽右岸水電站各機(jī)組陸續(xù)投入運(yùn)行，其開放式分層全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也在實(shí)際運(yùn)用過程中不斷地檢驗(yàn)和完善。開放式分層全分布監(jiān)控系統(tǒng)以一種全新的結(jié)構(gòu)模式，在發(fā)展中應(yīng)用，在應(yīng)用中發(fā)展。

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TV736

A

1672-5387（2016）05-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.003

2016-04-07

周國(guó)民（1979-），男，工程師，研究方向：水利水電工程。