基于分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試用上位機(jī)的研究及應(yīng)用

周艷龍　張玉嬌　董俊君

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是水電廠的核心控制系統(tǒng)，目前大多采用分層分布式結(jié)構(gòu)，其中現(xiàn)地層下位機(jī)由各LCU組成;控制層上位機(jī)由各數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站等組成?，F(xiàn)地層某一機(jī)組LCU檢修后期，需將其接入監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行點(diǎn)量核對(duì)、控制令核對(duì)等試驗(yàn)。在該階段，該機(jī)組LCU處于檢修狀態(tài)，而其接入的上位機(jī)系統(tǒng)則處于運(yùn)行狀態(tài)。在這種方式下進(jìn)行試驗(yàn)存在以下問題： （1）檢修態(tài)LCU的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上送易引起監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常。例如虛負(fù)荷試驗(yàn)中的有功、無功數(shù)據(jù)易引起全廠AGC誤調(diào)節(jié)。

（2）進(jìn)行控制令下發(fā)試驗(yàn)中，需要運(yùn)行人員配合下令。一方面影響運(yùn)行人員的正常值班;另一方面未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的控制令易導(dǎo)致運(yùn)行人員誤操作，甚至誤下令至其他LCUo （3）控制層與現(xiàn)地層分隔較遠(yuǎn)，需安排專人留守在上位機(jī)，通過電話聯(lián)系對(duì)點(diǎn)、修改數(shù)據(jù)庫等;尤其是在LCU檢修調(diào)試期間不可避免地會(huì)多次修改某些點(diǎn)量，此時(shí)，上位機(jī)也需要配合修改數(shù)據(jù)庫并多次完成數(shù)據(jù)庫的生成、同步工作。造成重復(fù)性工作、效率低下且容易出錯(cuò)。

基于上述問題，結(jié)合水電廠分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)，提出搭建一個(gè)“調(diào)試專用上位機(jī)”系統(tǒng)，用于檢修機(jī)組下位機(jī)的安全、高效調(diào)試。該系統(tǒng)能夠基本模擬實(shí)際運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)功能，且便于攜帶。檢修期間，將該“虛擬上位機(jī)”放至現(xiàn)地層，同時(shí)，將檢修態(tài)LCU接入該系統(tǒng)，可方便直觀地完成點(diǎn)量核對(duì)、控制令下發(fā)、數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)修改等。調(diào)試完成后，只需將最終修改完成的數(shù)據(jù)庫文件拷貝至實(shí)際運(yùn)行上位機(jī)系統(tǒng)，并一次性完成數(shù)據(jù)庫的生成及同步工作即可。

（一）系統(tǒng)基本功能

利用成熟可靠的硬件平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，搭建出一套便攜式的、可用于LCU的接入調(diào)試的專用上位機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)能通過簡單的配置后，即可實(shí)現(xiàn)分層分布式站控層監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，包括：

1.支持單臺(tái)或多臺(tái)LCU的通訊接入。

2.支持LCU接入后的“四遙”信號(hào)調(diào)試。

3.支持廠控模式下AGC/AVC所有功能。

4.支持監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、閉鎖庫、計(jì)算庫及畫面的編輯維護(hù)。

（二）設(shè)計(jì)基本原則

系統(tǒng)主要應(yīng)用于水電廠分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU的接入調(diào)試。針對(duì)應(yīng)用場合及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中將遵循以下原則：

1.安全。作為安全I(xiàn)區(qū)的調(diào)試接入設(shè)備，系統(tǒng)應(yīng)采用成熟可靠、國產(chǎn)化的硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行搭建。

2.實(shí)時(shí)。采用高性能處理器和數(shù)據(jù)交換設(shè)備，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信要求。

3.冗余。系統(tǒng)采用N+1故障容錯(cuò)設(shè)計(jì)，配置的工作站或服務(wù)器應(yīng)具備故障自診斷、冗余切換等功能。

4.靈活。系統(tǒng)各工作站、服務(wù)器、數(shù)據(jù)交換等設(shè)備均采用通用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)具有良好的擴(kuò)展性能和方便的軟/硬件升級(jí)空間。同時(shí)調(diào)試環(huán)境豐富，通過簡單的配置變更即可適應(yīng)于不同廠站的監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試。

5.高效。系統(tǒng)各設(shè)備采用緊湊、便攜式集成方案，適應(yīng)于復(fù)雜的檢修調(diào)試作業(yè)環(huán)境。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)交換及接口設(shè)備、電源系統(tǒng)等組成，并經(jīng)布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，形成為成套裝置。系統(tǒng)架構(gòu)如下圖：

圖1 調(diào)試用上位機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（二）硬件配置

1.工作站及服務(wù)器

配置兩臺(tái)Think Book系列便攜式主機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)虛擬上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器及操作員站。兩臺(tái)主機(jī)硬件配置一致，預(yù)裝國廠凝思操作系統(tǒng)。運(yùn)行內(nèi)存16GB，固態(tài)硬盤容量1TB。

2.交換機(jī)

配置1臺(tái)H3C IE4300-6P型三層管理交換機(jī)，用于系統(tǒng)主機(jī)與主機(jī)、主機(jī)與待接入LCU之間的數(shù)據(jù)交換。交換容量不低于10Gbps，包轉(zhuǎn)發(fā)率不低于6Mpps，2個(gè)LC光纖接口，4個(gè)RJ45網(wǎng)口，各接口通訊速率10/100/1000Mbps自適應(yīng)。

3.電源

配置1個(gè)6孔電源分配器（PDU）及1個(gè)MDR-20-24開關(guān)電源。其中PDU內(nèi)置防浪涌模塊，開關(guān)電源適應(yīng)AC100—240V輸入，輸出DC24V供交換機(jī)。

（三）軟件環(huán)境配置

1.主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)配置

為系統(tǒng)工作站及服務(wù)器配置主機(jī)名，安裝監(jiān)控系統(tǒng)集成及歷史庫。同時(shí)對(duì)交換機(jī)進(jìn)行配置，配置管理及業(yè)務(wù)vlan、規(guī)劃ip地址段等。以北京中水科技H9000 v4.5計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置為例，相關(guān)配置示例如下表：

表1 主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)配置示例

2.調(diào)試環(huán)境配置

完成相關(guān)主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)配置后，即可對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用功能進(jìn)行配置，主要包括調(diào)試環(huán)境、應(yīng)用進(jìn)程、數(shù)據(jù)庫（實(shí)時(shí)庫和歷史庫）、AGC/AVC等高級(jí)應(yīng)用。仍以北京中水科技H9000 v4.5計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置為例，具體如下：

（1）建立/h9000系統(tǒng)工作目錄，完成主機(jī)授權(quán)文件更新。

（2）修改系統(tǒng)配置文件emsconfig.def，完成各主機(jī)自啟動(dòng)進(jìn)程配置。

（3）更新電廠側(cè)最新數(shù)據(jù)庫、閉鎖庫、計(jì)算庫及畫面文件至主機(jī)。

（4）安裝Oracle數(shù)據(jù)庫及客戶端，完成歷史數(shù)據(jù)庫的配置。

（5）完成數(shù)據(jù)服務(wù)器上的AGC、AVC程序編譯及配置生效。

（6）啟動(dòng)各主機(jī)H9000系統(tǒng)，檢查測試系統(tǒng)基本功能。

3.系統(tǒng)加固

嚴(yán)格按照《電力行業(yè)信息安全等級(jí)保護(hù)基本要求》、《國家電網(wǎng)公司網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全管理辦法》等要求，并對(duì)照系統(tǒng)加固清單對(duì)工作站、服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)加固，對(duì)異動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行信息檢測并注冊(cè)。具體如下：

（1）配置密碼及賬戶鎖定策略。

（2）配置審核及日志記錄策略。

（3）關(guān)閉不必要的系統(tǒng)端口，例如TCP/UDP138、TCP/UDP139、TCP/UDP445等。

（4）禁用不必要的應(yīng)用服務(wù)，包括Telnet，Rlogin，F(xiàn)TP等通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。

（5）安裝防病毒軟件。

（四）系統(tǒng)便攜式集成

配置一臺(tái)便攜式移動(dòng)工作臺(tái)。工作臺(tái)采用兩層設(shè)計(jì)，上一層為敞開式作業(yè)層，下一層為箱式封閉式結(jié)構(gòu)。其中兩臺(tái)主機(jī)及相關(guān)人機(jī)接口設(shè)備布置于第一層，交換機(jī)、PDU及開關(guān)電源等設(shè)備布置于第二層。整個(gè)工作臺(tái)采用靜音滾輪推動(dòng)，設(shè)計(jì)緊湊、輕巧、便攜、適應(yīng)于機(jī)組檢修的現(xiàn)場布置。

（一）機(jī)組修后LCU接人調(diào)試 結(jié)合鳳灘電廠3號(hào)機(jī)檢修后調(diào)試，申請(qǐng)將LCU接入該專用調(diào)試平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)采集、控制令下發(fā)、控制權(quán)切換及歷史庫檢查等，完成的具體試驗(yàn)項(xiàng)目有：掃查量/中斷量數(shù)據(jù)采集、模擬量及溫度量數(shù)據(jù)采集、SOE量分辨率試驗(yàn)、SOE量雪崩試驗(yàn)、設(shè)備控制令及傳動(dòng)試驗(yàn)、開出DO/AO功能測試、網(wǎng)絡(luò)控制測試、AGC功能測試。

（二）成效分析

通過實(shí)際應(yīng)用測試表明，該套專用調(diào)試上位機(jī)基本性能滿足《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》、《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》等相關(guān)指標(biāo)要求。其遙控/遙調(diào)準(zhǔn)確率達(dá)100%，事件順序記錄分辨率（ SOE）≤2ms.模擬量越死區(qū)傳送時(shí)延≤2s，狀態(tài)量變位傳送時(shí)延≤1s，控制執(zhí)行命令從生成到輸出的時(shí)間≤1s。

另外，調(diào)試期間LCU與電廠實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)在物理鏈路上隔離，徹底杜絕了誤操作及對(duì)運(yùn)行設(shè)備的影響。通過將該成套調(diào)試上位機(jī)搬至調(diào)試現(xiàn)場，大大提升了調(diào)試工作效率，單臺(tái)機(jī)組LCU修后的調(diào)試時(shí)間由原來的16h縮減至4h。

為助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，常規(guī)水電及抽水蓄能等清潔能源蓬勃發(fā)展，分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)大量應(yīng)用，其中現(xiàn)地控制單元的安全、高效調(diào)試需求日益凸顯。本文正是立足這一專業(yè)需求，對(duì)專用調(diào)試上位機(jī)系統(tǒng)開展了一定程度的研究和應(yīng)用。雖然研究范圍及應(yīng)用案例稍顯局限，但其中蘊(yùn)含的安全隔離調(diào)試思想則具有一定啟示意義，其搭建出的調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)更是具有相當(dāng)?shù)钠者m性。