周國民，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）

水電站全計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實踐

周國民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)庫和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡是開放式分層全分布水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的兩個主要特征。在該系統(tǒng)的構架過程中，涉及到分布式數(shù)據(jù)庫構建技術、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡技術和分層控制技術等核心技術，這些核心技術的運用提高了系統(tǒng)的可靠性、拓展性、有效性及抗干擾能力。以長江三峽右岸水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用為例，說明開放式分層全分布監(jiān)控系統(tǒng)的應用，其應用必將推動開放式分層全分布理論和技術的進一步完善和發(fā)展。

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

1　發(fā)展歷程

早些時候，計算機的價格比較昂貴，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)集中布置了一臺計算機，稱之為集控機，整個水電站的監(jiān)視和控制任務全由它承擔。其基本特點是簡單可靠且不分層，比較容易實現(xiàn)。但是它有個致命的弱點，就是一旦集控機出現(xiàn)了故障，整個控制系統(tǒng)將面臨著癱瘓的危險，整個電網(wǎng)的安全都將受到威脅。為了克服上述的缺點，功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)（Decentralized System）應運而生。水電站的全部監(jiān)控任務不再由一臺計算機來完成，而是由多臺計算機共同完成。各臺計算機只負責完成某一項功能，結果出現(xiàn)了一系列的完成專項功能的計算機系統(tǒng)，但此時，當某臺電腦出現(xiàn)故障的時候，依然有某一個部分功能出現(xiàn)癱瘓或失靈的現(xiàn)象，從而影響到了整個監(jiān)控系統(tǒng)的功能及安全。

到了20世紀80年代，分層控制（Hierarchical Control）的理論得到了發(fā)展，并很快應用于水電站計算機系統(tǒng)。從控制理論的角度看，強調(diào)了“分層”的概念；但是從計算機系統(tǒng)結構來分析的話，強調(diào)了“分布”的概念。分布式系統(tǒng)（Distributed System）包含了多個獨立而又相互作用的計算機，它們合作于一個共同問題。它最基本要求是：資源分布多個；操作系統(tǒng)的統(tǒng)一；獨立資源并作用相互。這里主要強調(diào)的是資源物理上的分布。“分層”和“分布”這兩個概念結合在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)這個實體中，從而形成了分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。因為分布式計算機監(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，所以近年來新投運的水電站大都采用分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。在 DL/T 5065-1996《水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計規(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構，分設負責全廠集中監(jiān)控任務的電廠級和完成機組、開關站以及公用設備等監(jiān)控任務的現(xiàn)地控制級”。

一般由多個廠商來提供水電站計算機監(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鍵的問題。伴隨著計算機技術的不斷發(fā)展，開放式的計算機系統(tǒng)誕生了。開放式系統(tǒng)有很多特點，如體系結構模塊化、模塊接口標準化、功能處理分布化、應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)的同時也強調(diào)了“數(shù)據(jù)庫”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］。在水電站計算機監(jiān)控應用中，開放式計算機系統(tǒng)和分層全分布式計算機系統(tǒng)得到了結合，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)的總體構架、核心技術與應用研究。

2　總體構架

開放式分層全分布水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的兩個主要特征是分布式數(shù)據(jù)庫和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡。以往的分層分布系統(tǒng)，存放監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫［2］都有一個或多個（冗余系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫服務器。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、培訓工作站、通信工作站、現(xiàn)地控制單元等，通過網(wǎng)絡連接，盡管具備共享信息的條件，但系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是集中式的，網(wǎng)絡中各節(jié)點的工作對系統(tǒng)總數(shù)據(jù)庫還存在著相當大的依賴性，一旦數(shù)據(jù)庫服務器出現(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)庫為特征的開放式分層全分布系統(tǒng)的網(wǎng)絡上各節(jié)點都具有一定的功能，而且在各節(jié)點上分布了相應功能的數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)中的上位機（即操作員工作站、工程師工作站、通信工作站以及培訓工作站的總稱）也只是網(wǎng)絡中的其中一個節(jié)點，它的數(shù)據(jù)庫只是為了實現(xiàn)該節(jié)點對應的全站統(tǒng)計、AGC、AVC功能，不是全站唯一的總數(shù)據(jù)庫。如此，各節(jié)點之間可以在網(wǎng)絡上進行所需信息的交換，不用再依賴數(shù)據(jù)庫服務器了。上位機在數(shù)據(jù)庫服務器沒有投入運行的情況下，在各現(xiàn)地控制單元中更新畫面、采集數(shù)據(jù)，可以將運行人員在上位機上下達的操作命令通過網(wǎng)絡途徑直接傳送給現(xiàn)地控制單元去執(zhí)行，而不需要數(shù)據(jù)庫服務器轉發(fā)了。整個系統(tǒng)中的各設備都遵循相關的標準接入一個全開放式的以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡中［3］。

開放式分層全分布水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)以分布式數(shù)據(jù)庫和全開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡為特征，其總體構架圖如圖1所示，由圖1可知，下位機即現(xiàn)地控制單元計算機鏈接到下層分布數(shù)據(jù)庫，操作員工作站、工程師工作站、通信工作站等上位機則鏈接于上層分布數(shù)據(jù)庫，整個系統(tǒng)中沒有實時的總數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)庫是分散式的。下位機控制層則由下位機控制系統(tǒng)及其下層分布數(shù)據(jù)庫組成；主控層是由上位機、上層分布數(shù)據(jù)庫服務器、歷史數(shù)據(jù)庫服務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。各層是通過開放式以太總線網(wǎng)絡鏈接的。

3　核心技術

圖1　開放式分層全分布水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的總體構架圖

開放式分層全分布水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的構架過程中，對于一些通用技術，如數(shù)據(jù)庫集成技術、軟件層次構架技術以及網(wǎng)絡通信技術等本文不作介紹。以下就著重論述系統(tǒng)構架中的分布式數(shù)據(jù)庫構建技術、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡技術和分層控制技術等等核心技術。

3.1分布式數(shù)據(jù)庫的構建技術

分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)是由無數(shù)節(jié)點集合而成，各個節(jié)點相當于獨立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它們都擁有著各自的數(shù)據(jù)庫、中央處理機、終端，以及它們各自的局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它們在邏輯上屬于同一系統(tǒng)，但是物理結構的意義上是分布式的。它可以有效地解決組織機構分散而數(shù)據(jù)需要相互聯(lián)系的問題。在各種大型的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機與下位機分別處在不同的層次上，在業(yè)務上它們不但需要處理各自的數(shù)據(jù)問題，同時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)庫更加符合其業(yè)務上的需求。分布式數(shù)據(jù)庫可以使系統(tǒng)各處理機之間的相互干擾情況降到最低，負載則由各處理機分擔，可以達到均衡負載的作用。雖然相等規(guī)模的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比集中式數(shù)據(jù)庫系統(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)的應用，因此就整個系統(tǒng)來說，它的可靠性就相對高了。

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有以下特點：

（1）在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里不強調(diào)集中控制的概念，它具有每個局部數(shù)據(jù)庫管理員都具有的高度的自主權和以全局數(shù)據(jù)庫管理員為基礎的分層控制結構。

（2）在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中增加了一個叫做“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當數(shù)據(jù)沒有被分布一樣，所以把數(shù)據(jù)進行轉移同樣也不會影響到程序的正確性。

（3）與集中式數(shù)據(jù)庫系統(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)點上復制好數(shù)據(jù)，則可以提高其局部的應用性。②當某節(jié)點突然發(fā)生故障時，可以操作其他節(jié)點來復制數(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)絡技術

現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)是網(wǎng)絡技術中研究的最多的?，F(xiàn)今工業(yè)以太網(wǎng)成為統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準已經(jīng)成為了一個不爭的事實。雖然目前為止還有其他大量的現(xiàn)場總線標準，但工業(yè)以太網(wǎng)更是各種標準中最具有生命力的。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)結構、廣泛的廠商支持和開放的交換協(xié)議體系。開放是基于標準，而標準驅動著開放［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)場總線網(wǎng)絡可以比擬的。到目前為止，轉向生產(chǎn)集成工業(yè)以太網(wǎng)技術的儀器儀表、裝置的廠家的舉動是十分明智的，可以預見到未來的10年，工業(yè)以太網(wǎng)將不斷地統(tǒng)一各類標準，使企業(yè)生產(chǎn)信息交換的結構達到上下統(tǒng)一、簡單高效的效果。

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，而且它為美國國防部所認可，并被廣泛應用于實際工程中。TCP/IP協(xié)議可以廣泛應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)應用于大型水電站計算機監(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，因為當環(huán)形網(wǎng)某一點斷開后，還可以用環(huán)的另一側進行通信。環(huán)形網(wǎng)需要采用環(huán)形交換機，如MICE3000、RS2等。環(huán)形網(wǎng)的缺點在于它使工程安裝復雜化了，還增加了安裝的難度以及工程的費用。

3.3分層控制技術

20世紀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“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)行結果、信息的反饋流向、被采集的信息上送關系、各級的操作權限等來看，帶有一定程度中央集權性質，系統(tǒng)具有典型性。

對于水力發(fā)電廠來說，其電能生產(chǎn)是一個比較復雜的過程：

（1）地域分布較分散，設備分散在主廠房、中控室、開關站、泄洪閘門等處；

（2）設備的數(shù)量較多；

（3）要求實現(xiàn)的功能較多。

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

多臺計算機采用分層結構后更加便于管理，不同層次、任務的計算機的容量、規(guī)模配置得更加合理，比如，在全廠控制一級常采用規(guī)模相對較大的計算機，而在控制第一線的計算機中可采用規(guī)模較小、抗干擾能力更強、可靠性更高的微機等。

4　應用研究

長江三峽右岸水電站作為一個大型的水力發(fā)電廠，具有多臺機組，施工周期長，機組投運不按照編號順序進行的特點，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設備采購時確定的機組安裝計劃，三峽右岸12臺發(fā)電機組投產(chǎn)計劃分別為2007年6臺，依次為26號、22號、18號、21號、25號、17號；2008年6臺，依次為20號、24號、16號、19號、23號、15號。因此，水電站計算機監(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)定運行的條件下，為新投產(chǎn)的機組LCU的接人創(chuàng)造更多有利的條件［7］。

從機組分批投運的特點來看，監(jiān)控系統(tǒng)適合采用光纖星型網(wǎng)。因為采用光纖環(huán)網(wǎng)時，首批投產(chǎn)需建立臨時環(huán)網(wǎng)，當有新機組投入運行則須先斷開環(huán)網(wǎng)，整個環(huán)網(wǎng)將會出現(xiàn)斷點，從而影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。再考慮到長江三峽右岸水電站對可靠性要求較高，所以，控制網(wǎng)絡需采用雙星型網(wǎng)絡，結合開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡技術，雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡構架形成。

長江三峽右岸水電站監(jiān)控系統(tǒng)是采用分層控制技術進行構架的，整個系統(tǒng)分為現(xiàn)地控制單元層、下位機控制層、主控層和信息發(fā)布層。100 M雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡鏈接在現(xiàn)地控制單元層與下位機控制層之間；1 000 M雙星型以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡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。因此，整個系統(tǒng)形成了4層3網(wǎng)的分層控制結構。

在設計時采用最新的分布式數(shù)據(jù)庫構建技術是由于整個系統(tǒng)的層次較復雜，系統(tǒng)對可靠性和拓展性的要求較高，采用了分布式數(shù)據(jù)庫之后，整個系統(tǒng)的各節(jié)點都具有相對獨立性，并且當某節(jié)點發(fā)生故障情況時，可利用其他節(jié)點的復制數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)應用上的可靠性和有效性。

長江三峽右岸水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計中應用了分布式數(shù)據(jù)庫構建技術、開放式以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡技術和分層控制技術等核心技術。長江三峽右岸水電站各機組陸續(xù)投入運行，其開放式分層全分布計算機監(jiān)控系統(tǒng)也在實際運用過程中不斷地檢驗和完善。開放式分層全分布監(jiān)控系統(tǒng)以一種全新的結構模式，在發(fā)展中應用，在應用中發(fā)展。

［1］徐金壽，張仁貢.水電站計算機監(jiān)控技術與應用［M］.杭州：浙江科學技術出版社，2007.

［2］郝 欣，牟長信，鄭 偉.應用實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)電廠生產(chǎn)過程信息共享［J］.東北電力技術，2006（1）.

［3］鄭 文，薛 曄，高 嬿.水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡通信 ［J］.長春工程學院學報（自然科學版），2003，4（2）：67-69.

［4］李建中，王 珊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

［5］方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術與試驗［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［6］邱銀安，王加陽.大型實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計及并發(fā)控制調(diào)度［J］.微機發(fā)展，2005，15（6）.

［7］吳剛.三峽右岸電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構的選擇［J］.水電站機電技術，2006（12）：34-35.

TV736

A

1672-5387（2016）05-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.003

2016-04-07

周國民（1979-），男，工程師，研究方向：水利水電工程。