溪洛渡水電站數(shù)據(jù)整合平臺設計及應用

張露成，夏建華，吳美琪

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300)

大數(shù)據(jù)技術在交通、消費、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應用廣泛，發(fā)揮著重大作用，影響了生活中的方方面面。但是，基于水電站的大數(shù)據(jù)應用技術較少，不能形成一體化的數(shù)據(jù)中心。為滿足水電站運行工作需要和解決特定的管理問題，溪洛渡水電站建立了大量的監(jiān)控、監(jiān)測和管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)功能各有側重，所管理的信息既有交集、也存在差異和互補。由于建設時間、供應商和采用技術的不同，各系統(tǒng)的信息描述、數(shù)據(jù)含義等自成體系，形成了信息單獨存放、共享困難、難以綜合分析利用的信息孤島。為解決該問題，綜合利用各類業(yè)務數(shù)據(jù)，優(yōu)化業(yè)務平臺，溪洛渡水電站建立了一套數(shù)據(jù)整合平臺，實現(xiàn)了平臺內數(shù)據(jù)的自由流動[1]。

1 結構設計

溪洛渡水電站廠站網(wǎng)絡構架搭建及數(shù)據(jù)整合項目不改變各系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡架構，數(shù)據(jù)實現(xiàn)統(tǒng)一存儲。各系統(tǒng)按照二次安防分區(qū)原則接入數(shù)據(jù)中心，跨安全大區(qū)接入設備使用正向隔離裝置、同一安全大區(qū)之間數(shù)據(jù)交互使用硬件防火墻進行安全防護。數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)均設置數(shù)據(jù)庫，其中生產(chǎn)控制大區(qū)數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)采集服務器實現(xiàn)和保存并向管理信息大區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，管理信息大區(qū)數(shù)據(jù)庫集中保存數(shù)據(jù)中心所有數(shù)據(jù)[2]。

安全Ⅰ區(qū)由數(shù)據(jù)采集服務器、核心交換機、前置采集軟件、數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)組成，負責采集Ⅰ區(qū)各現(xiàn)地單元、系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)轉發(fā)。各類數(shù)據(jù)轉換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，本地滾動存儲至少1個月歷史數(shù)據(jù)，并可在Ⅰ、Ⅱ區(qū)恢復正常通信后斷點續(xù)傳。

安全Ⅱ區(qū)由數(shù)據(jù)采集服務器、核心交換機、PLC采集終端、前置采集軟件、數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)組成。負責采集Ⅱ區(qū)各現(xiàn)地單元、系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)轉發(fā)。每套PLC采集終端可通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與其他系統(tǒng)相連，共用網(wǎng)絡通道。各類數(shù)據(jù)轉換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，本地滾動存儲至少1個月歷史數(shù)據(jù)，并可在Ⅱ、Ⅲ區(qū)恢復正常通信后斷點續(xù)傳。

安全Ⅲ區(qū)由虛擬化服務器集群、數(shù)據(jù)庫服務器、磁盤陣列等組成，包括關系數(shù)據(jù)庫服務器、時序數(shù)據(jù)庫服務器、文件服務器、緩存服務器、應用服務器、前置服務器等?？蓪⒏黝悢?shù)據(jù)轉換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，可在Ⅱ、Ⅲ區(qū)恢復正常通信后斷點續(xù)傳。虛擬化服務器集群，任一物理服務器、虛擬出的服務器故障后，均能進行無擾切換，不影響數(shù)據(jù)中心功能正常運行。

數(shù)據(jù)流向分橫向數(shù)據(jù)流動和縱向數(shù)據(jù)流動，需在滿足電力二次安全防護規(guī)定的前提下，實現(xiàn)跨安全分區(qū)、上下級系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流動。

橫向數(shù)據(jù)流動方面，通過在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)部署數(shù)據(jù)中心采集節(jié)點(數(shù)據(jù)采集服務器)，將原有部署在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)上送、數(shù)據(jù)抽取、服務調用等方式，將模型數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)等收集到采集節(jié)點；具備完善的跨區(qū)同步機制，將這些數(shù)據(jù)同步匯聚到Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心，實時數(shù)據(jù)穿越隔離裝置的數(shù)據(jù)延遲在5 s以內，具備丟包重傳能力。采集節(jié)點具備數(shù)據(jù)緩存功能，在Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)通訊中斷時，可以緩存一定時間的模型數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡恢復后自動同步到Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心。Ⅲ區(qū)的業(yè)務系統(tǒng)直接由Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心采集服務將模型數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)采集后入數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一存儲[3]。橫向數(shù)據(jù)流動如圖1所示。

圖1 橫向數(shù)據(jù)流動圖

縱向數(shù)據(jù)流動方面，通過安全Ⅲ區(qū)的縱向加密裝置，進行上下級的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)上級數(shù)據(jù)中心的同步策略，把部分水電廠級數(shù)據(jù)定期向上級數(shù)據(jù)中心同步。并可響應上級數(shù)據(jù)中心的召喚命令，返回指定查詢數(shù)據(jù)結果。能夠按照上級數(shù)據(jù)中心要求將電廠數(shù)據(jù)中心內數(shù)據(jù)發(fā)送至上級數(shù)據(jù)中心，提供基于標準規(guī)約的接口、基于JMS的接口、基于WebService的服務、基于安全通訊的文件交換等多種方式的縱向數(shù)據(jù)交換。縱向數(shù)據(jù)流動如圖2所示。

圖2 縱向數(shù)據(jù)流動圖

2 功能設計及實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設計

溪洛渡水電站數(shù)據(jù)整合平臺接入的數(shù)據(jù)量較大、種類較多，一種數(shù)據(jù)庫無法覆蓋所有應用場景，因此設計了混合存儲模型，將實時斷面數(shù)據(jù)存入實時庫，秒級以上的數(shù)據(jù)存入關系數(shù)據(jù)庫，毫秒級的快速數(shù)據(jù)存入時序數(shù)據(jù)庫。另外，針對文件類的非結構化數(shù)據(jù)，通過具備高速緩存功能的文件服務器，將索引信息放在高速緩存數(shù)據(jù)庫里，提高文件檢索的效率[4]。

為提高系統(tǒng)的開放性和操作性，數(shù)據(jù)整合平臺的實時數(shù)據(jù)庫設計采用面向對象的數(shù)據(jù)模型，直接定義模型中的類和關系，完全兼容國際標準，并能適應標準的后續(xù)變化。數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)的任意結點可配置，系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)按應用的需要分布于各臺機器，即某一結點保存在該結點運行的所有應用的數(shù)據(jù)。完善的一致性策略保證副本之間的同步更新，數(shù)據(jù)庫的多副本避免了單點故障，從而提升了系統(tǒng)的可靠性。

同時，數(shù)據(jù)整合平臺采用實時庫與關系庫相結合的模式，以滿足其對數(shù)據(jù)庫實時性、一致性、完整性和開放性的特殊要求。平臺通過關系庫模型定義工具保證關系庫與實時庫模式定義的一致性，通過通用、統(tǒng)一訪問接口實現(xiàn)跨實時、關系的透明數(shù)據(jù)訪問，從而將實時庫和關系庫很融合為一個整體。

關系庫存儲的數(shù)據(jù)范圍廣，特點和用途各異，可分為模型數(shù)據(jù)、周期原始數(shù)據(jù)、報警事件數(shù)據(jù)、計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中模型數(shù)據(jù)是從實時庫導出的模型，其模式跟實時庫中建的相同，滿足水電廠設備模型的要求；周期原始數(shù)據(jù)是指實時庫中具有固定存儲周期的數(shù)據(jù)，如監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信數(shù)據(jù)，通過定時刷新實現(xiàn)對各點數(shù)據(jù)變化軌跡的記錄，對后續(xù)的計算、統(tǒng)計以及曲線分析具有重要價值；報警事件數(shù)據(jù)是設備的動作、異常、變位告警，以及各種系統(tǒng)運行報警(如主機、網(wǎng)絡報警)等；計算數(shù)據(jù)是對各種原始數(shù)據(jù)或統(tǒng)計結果進行公式運算的結果，統(tǒng)計數(shù)據(jù)是對各種原始數(shù)據(jù)或報警事件進行統(tǒng)計運算的結果，計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)是經(jīng)過加工的綜合信息，對用戶使用(如報表)具有重要意義[5]。

秒級數(shù)據(jù)時效性要求高，數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫無法滿足要求，因此將這類數(shù)據(jù)保存到時序數(shù)據(jù)庫中。

非結構化數(shù)據(jù)主要指結構化數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)，主要包括文件、畫面等。該類數(shù)據(jù)存入文件服務器，相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，不但易于管理，且通過瀏覽工具操作更加直觀。

2.2 報表設計

該數(shù)據(jù)平臺具備多樣化的報表展示功能，通過類EXCEL設計模式展示報表，兼容EXCEL公式。支持多樣化的數(shù)據(jù)源，包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源(主流關系型數(shù)據(jù)庫)、文本數(shù)據(jù)源(EXCEL文件、TXT文件內的數(shù)據(jù))、程序數(shù)據(jù)源、標準數(shù)據(jù)源等；支持多人共同使用、編輯同一套報表，并能通過模板加鎖功能防止編輯沖突，保障數(shù)據(jù)安全；能夠實現(xiàn)普通報表、聚合報表、決策報表等各類報表功能。能夠對報表模板進行二次開發(fā)，可通過靈活的控件組合方式生成新的報表模板。能夠批量添加第三方數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行標記。數(shù)據(jù)報表及分析的數(shù)據(jù)結果能夠導出為PDF等格式文件進行保存打印?？蓪F(xiàn)有在線監(jiān)測與趨勢分析系統(tǒng)報表模板導入大數(shù)據(jù)平臺中，并進行多樣化展示。

以機組排水泵運行統(tǒng)計為例，通過自選時間，查詢該時間內全廠機組頂蓋排水泵運行次數(shù)、單次運行時間、啟動間隔時間，如圖3、圖4所示。溪洛渡電站共有18臺水輪發(fā)電機組，每臺機組有3臺頂蓋排水泵，圖中每臺泵用不同顏色顯示。選定查詢日期后，數(shù)據(jù)平臺能夠自動顯示該周期內頂蓋排水泵啟動次數(shù)、單次運行時間、啟動間隔時間。其中，圖4中坐標橫軸表示機組號及排水泵編號，坐標縱軸表示啟動次數(shù)和單次平均運行時間。通過報表展示，能夠簡單直接觀察機組頂蓋排水泵運行效率、控制邏輯是否正常，減少運行人員巡視工作量。

圖3 機組頂蓋排水泵日運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示

圖4 機組頂蓋排水泵日運行統(tǒng)計圖形展示

2.3 數(shù)據(jù)展示及檢索

根據(jù)電站實際運行需要，數(shù)據(jù)整合平臺提供了功能齊全的數(shù)據(jù)展示及檢索功能。通過導航信息欄，可以展示電站當前左右岸機組總有功、上下游水位、出入庫流量、年度月度累計發(fā)電量、機組實時有功等生產(chǎn)指標實時信息；也可通過數(shù)據(jù)檢索頁面查詢各自動化系統(tǒng)模擬量、開關量、異常告警事件、測點投退狀態(tài)跟蹤、設備動作次數(shù)越限報警等歷史數(shù)據(jù)；同時，能夠實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、巡檢數(shù)據(jù)自定義填報等功能。豐富的數(shù)據(jù)展示頁面及強大的檢索功能，極大程度的方便了運維人員查看各類設備動態(tài)，提高了設備自動化分析水平[6]。

3 結 語

溪洛渡水電站數(shù)據(jù)整合平臺的成功設計及應用，實現(xiàn)了不同業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，擴展性好，靈活度高，提高了數(shù)據(jù)分析的便利性，便于對電站進行全方位監(jiān)測和控制。它能夠通過標準通信協(xié)議、文件、數(shù)據(jù)庫接口、消息等不同方式，從采集終端、第三方系統(tǒng)直接或間接采集實時、歷史等各類數(shù)據(jù)，并通過支持封裝圖表等各類圖形控件、多條件組合查詢、統(tǒng)計查詢等功能，進行豐富的數(shù)據(jù)展示。各信息系統(tǒng)可以圍繞一體化數(shù)據(jù)平臺進行信息交換，減少了數(shù)據(jù)流通環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)交換效率。同時，該數(shù)據(jù)整合平臺應用功能與電站現(xiàn)場實際需求還存在一定程度的差距，需要不斷進行完善和優(yōu)化。