PAGE1某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u103某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例 15111.1監(jiān)控對(duì)象 1290221.2設(shè)計(jì)原則 1269441.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 221261.4設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案 3197021.4.1數(shù)據(jù)采集軟件的問題 3142641.4.2主控平臺(tái)與被控設(shè)備通訊軟件配置參數(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)修改問題 51.1監(jiān)控對(duì)象某電站總裝機(jī)為700MW，擁有四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量均為175MW，年發(fā)電量設(shè)計(jì)為21.5億kW.h，設(shè)計(jì)出線四回，并入電網(wǎng)的電壓等級(jí)為220kV，作為水庫(kù)電站，不僅是川東北地區(qū)重要的電源支撐點(diǎn)，還承擔(dān)著四川電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的重要任務(wù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督控制目標(biāo)對(duì)象有：（1）四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備組及協(xié)助設(shè)備；（2）四臺(tái)三相主變壓調(diào)節(jié)器；（3）220kV開關(guān)站；廠用電系統(tǒng)；公用設(shè)備；大壩閘門系統(tǒng)。1.2設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該基于“無人、少人值守”的原則進(jìn)行，在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)現(xiàn)地、遠(yuǎn)方監(jiān)控相關(guān)要求進(jìn)行；實(shí)現(xiàn)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與四川省電力調(diào)度中心、四川省電力公司南充備用調(diào)度中心連接，實(shí)現(xiàn)與MIS（ManagementInformationSystem）系統(tǒng)、安全生產(chǎn)與營(yíng)銷實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、設(shè)備機(jī)組震動(dòng)擺度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等的通訊作用功能；完成電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備、保護(hù)系統(tǒng)、閘門操控管理系統(tǒng)、協(xié)助操控管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)交互；系統(tǒng)配置和設(shè)備選型過程中應(yīng)該考慮到一定冗余性，在設(shè)計(jì)過程中可充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，從而滿足系統(tǒng)的未來發(fā)展相關(guān)要求；符合可靠性、冗余性的要求，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)局部故障情況下，現(xiàn)場(chǎng)其它設(shè)備的運(yùn)行不受到影響。MTBF（MeanTimeBetweenFailure）、MTTR（Meantimetorepair）等各方面指標(biāo)應(yīng)該符合《水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)性能指標(biāo)》方面的要求；為促進(jìn)系統(tǒng)硬件和功能的拓展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全開放、分布式。為使系統(tǒng)在以后能擴(kuò)充新功能及規(guī)模，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為模塊化、結(jié)構(gòu)化，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為分布式；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該嚴(yán)格履行國(guó)家經(jīng)貿(mào)委[二零零二]第30號(hào)令《高壓傳輸電網(wǎng)與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)配數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全保障防護(hù)規(guī)定》等安全保障防護(hù)設(shè)計(jì)方案通告的多種要求，展開安全保障防護(hù)；實(shí)時(shí)性好；可高效快捷的進(jìn)行人機(jī)交互、操作方便。1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從目前水電行業(yè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式來看，星形和環(huán)形快速以太網(wǎng)均有應(yīng)用[30]。就單星形和單環(huán)形網(wǎng)絡(luò)來看，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)冗余性較好，當(dāng)環(huán)網(wǎng)上的任意一處光纜斷開，網(wǎng)絡(luò)能迅速重構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳遞的需要，但數(shù)據(jù)傳輸效率相比之下較低。根據(jù)本電站的實(shí)際情況，綜合其它類似規(guī)模電站的成熟經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用雙星形冗余結(jié)構(gòu)的站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)可知這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為層次清晰，所需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備少，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性高，故障點(diǎn)少，既滿足了網(wǎng)絡(luò)冗余性的要求，也保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男蔥31]。而星形結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)保持一定獨(dú)立關(guān)系，可很好的符合機(jī)組大小修時(shí)互不影響的需要。如圖3-1所示是這次設(shè)計(jì)的某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，上位機(jī)系統(tǒng)中重要的服務(wù)器采用電接口分別連接到兩個(gè)星形的中心交換機(jī)，其它上位機(jī)設(shè)備和LCU分別采用電接口和光接口連接到兩個(gè)星形的中心交換機(jī)。除此之外，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了能夠在傳輸電纜級(jí)容錯(cuò)、通訊連接線路級(jí)容錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)核心級(jí)容錯(cuò)等多個(gè)方面思考之外，還能夠通過運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)綜合管理操作應(yīng)用軟件，綜合管理網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)接點(diǎn)、交換機(jī)設(shè)備等，研究分析網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議包的主要內(nèi)容，根據(jù)出現(xiàn)問題的幀判定網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的主要問題和矛盾，診治判斷網(wǎng)絡(luò)問題故障，對(duì)問題故障展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與全面處理[32]；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)配置設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)荷載，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息資源展開科學(xué)合理調(diào)配。作為電站內(nèi)部的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，從以前的共享10Mbps帶寬的總線型以太網(wǎng)、4/16Mbps的令牌環(huán)網(wǎng)等形式，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，目前已普遍采用10/100/1000Mbps自適應(yīng)星形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。本設(shè)計(jì)方案采用100/1000Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)，上位機(jī)系統(tǒng)中系統(tǒng)服務(wù)器和操作員工作站采用1000Mbps接口，上位機(jī)系統(tǒng)中其它設(shè)備和LCU采用100Mbps接口。圖3-1某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖本論文中設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，全廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、全廠AGC與AVC作用功能數(shù)據(jù)等分散在操作人員工作服務(wù)站與系統(tǒng)伺服器里，各LCU采集與運(yùn)行工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及較長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等分布在現(xiàn)地控制單元中。1.4設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案1.4.1數(shù)據(jù)采集軟件的問題（1）增加網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控模塊，提高主站與廠站網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性。IEC104協(xié)議是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模式下的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。主站與廠站交換信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性是影響數(shù)據(jù)采集軟件可靠運(yùn)行的重要因素。在技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，主站與遠(yuǎn)程廠站之間的數(shù)據(jù)通信往往需要交換機(jī)、加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)、路由器、網(wǎng)絡(luò)防火墻等幾種中間媒介，防止網(wǎng)絡(luò)異常中斷和數(shù)據(jù)損失是很困難的。如果主驅(qū)動(dòng)器在解決外網(wǎng)問題后能夠自動(dòng)發(fā)起與遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)連接，就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件的可靠運(yùn)行起到重要作用。因此，在數(shù)據(jù)采集軟件的開發(fā)過程中，增加了網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控模塊，可以在后臺(tái)作為獨(dú)立線程運(yùn)行，監(jiān)控主站與各廠站的通信連接狀態(tài)。需要在非活動(dòng)狀態(tài)下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸，及時(shí)下發(fā)通道測(cè)試報(bào)文，保證通信通道的互聯(lián)互通。特別是當(dāng)模塊檢測(cè)出主站和設(shè)備站之間的網(wǎng)絡(luò)連接中斷時(shí)，網(wǎng)絡(luò)重連機(jī)制應(yīng)該立即啟動(dòng)。每間隔一定時(shí)間（例如每5秒）通過自動(dòng)啟動(dòng)與遠(yuǎn)程廠站的網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，直到恢復(fù)正常數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而提高主站和廠站之間網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。（2）采用多線程技術(shù)，提高從主站采集數(shù)據(jù)的效率在實(shí)際工業(yè)運(yùn)行過程中，主站與遠(yuǎn)程站的數(shù)據(jù)通信采用“一對(duì)多”的形式，包括一對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)連接和信息交互、協(xié)議分析、數(shù)據(jù)處理和傳輸，因此數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)非常多。為提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集性能，滿足水電廠數(shù)據(jù)秒級(jí)更新的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域引入了多線程編程技術(shù)，將數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)線程進(jìn)行處理。并行處理從而提高數(shù)據(jù)收集效率?？紤]到由于引入多線程而可能出現(xiàn)的“死鎖”問題，軟件開發(fā)過程靈活處理資源的鎖狀態(tài)，使用讀寫鎖來打破形成條件，避免多線程并發(fā)請(qǐng)求無法同時(shí)共享資源這種并發(fā)請(qǐng)求問題，從而保證多線程應(yīng)用的穩(wěn)定性。（3）分解合并數(shù)據(jù)報(bào)文，解決報(bào)文堵塞問題。在主站數(shù)據(jù)采集軟件與廠站之間的數(shù)據(jù)傳輸過程中，可能會(huì)出現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文中的報(bào)文修改問題。報(bào)文拼接通常是指廠站將數(shù)據(jù)報(bào)文以較短的時(shí)間間隔和少量的數(shù)據(jù)合并、打包、傳輸?shù)街髡?，以提高?shù)據(jù)傳輸?shù)男?。采集軟件接收到的?shù)據(jù)包有時(shí)可能會(huì)有多幀數(shù)據(jù)包互連。MessageSticky包類型如圖3-2所示。除了常規(guī)數(shù)據(jù)幀外，還有兩種常見的消息錨定數(shù)據(jù)包類型。其中，粘包類型1是將多個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀串聯(lián)在一起的類型。在固定包類型2中，除了數(shù)據(jù)幀固定的情況外，固定包中還包含不完整的數(shù)據(jù)包，這給包的處理帶來了一定的困難。圖3-2報(bào)文粘包的類型消息保留問題是影響軟件可靠運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性和可靠性的重要因素之一。因此，主站需要有數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。評(píng)估和過濾收到的數(shù)據(jù)消息。該功能可以根據(jù)固定包的類型分別對(duì)消息進(jìn)行處理，解決消息的固定包問題。基于IEC104協(xié)議，數(shù)據(jù)報(bào)文的每一幀都包含一個(gè)起始字符（68H）和報(bào)文長(zhǎng)度的字段。主站數(shù)據(jù)采集軟件在處理數(shù)據(jù)幀時(shí)，可以先從數(shù)據(jù)幀中取出代表報(bào)文長(zhǎng)度的字節(jié)，與當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀比較，得到數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度（長(zhǎng)度字節(jié)加2）。如果兩者的數(shù)據(jù)幀報(bào)文長(zhǎng)度相同，則比較數(shù)據(jù)幀直接由通用數(shù)據(jù)幀協(xié)議解析；如果小于數(shù)據(jù)幀的實(shí)際報(bào)文長(zhǎng)度，則為粘包報(bào)文。如果是粘包報(bào)文，則必須進(jìn)一步分類和單獨(dú)處理。所以粘包中前面完整的數(shù)據(jù)幀可以先進(jìn)行移除和處理，檢索最后一個(gè)圖像時(shí)，如果數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度（位長(zhǎng)加2）等于實(shí)際消息長(zhǎng)度，則粘包消息類型將為類型1，數(shù)據(jù)幀可以被視為普通數(shù)據(jù)幀。如果數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度（長(zhǎng)度變化加2）大于實(shí)際消息長(zhǎng)度，則它是類型2，因此粘性數(shù)據(jù)包消息必須與下一個(gè)常規(guī)數(shù)據(jù)幀結(jié)合才能被處理。綜上所述，根據(jù)粘包類型對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分類合并可以有效解決報(bào)文粘連問題。(4)將數(shù)據(jù)采集結(jié)果以數(shù)組形式寫入數(shù)據(jù)服務(wù)中，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率主站數(shù)據(jù)采集軟件接收廠站發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文，經(jīng)過協(xié)議分析、系數(shù)變換等數(shù)據(jù)處理后，得到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)值，上層SCADA系統(tǒng)作進(jìn)一步處理。集中控制系統(tǒng)中第二應(yīng)用功能模塊的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)支持。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑪?shù)據(jù)采集結(jié)果以數(shù)組的形式記錄在數(shù)據(jù)服務(wù)中，并構(gòu)建了基于內(nèi)存的輕量級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)的讀寫操作在內(nèi)存中進(jìn)行。上層SCADA系統(tǒng)為服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)，即通過簡(jiǎn)單數(shù)組索引得到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，有效防止復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系檢索，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。1.4.2主控平臺(tái)與被控設(shè)備通訊軟件配置參數(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)修改問題計(jì)算機(jī)的主控平臺(tái)與被控設(shè)備進(jìn)行通信，要么是因?yàn)楸豢卦O(shè)備的訪問次數(shù)不一樣，要么是因?yàn)橛袝r(shí)被控設(shè)備需要增加或改變測(cè)量點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)的主控平臺(tái)沒有配備顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)等外圍設(shè)備，因此更改計(jì)算機(jī)主控平臺(tái)與被控設(shè)備之間通訊軟件的配置參數(shù)或數(shù)據(jù)庫(kù)非常麻煩。因此，在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要將計(jì)算機(jī)的主控平臺(tái)配置為自動(dòng)化運(yùn)行的設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)，Modbus協(xié)議通信配置為一路空閑，該路Modbus通道用于與某些外圍設(shè)備（例如筆記本電腦）進(jìn)行通信。以操作員的筆記本為例，如果需要更新數(shù)據(jù)庫(kù)或修改程序，就可以把主控管理平臺(tái)和筆記本電腦連接，可以在筆記本電腦上使用公共Modbus軟件或自主開發(fā)的Modbus軟件。目前，Modsim是工業(yè)中被廣泛使用的第三方軟件，Modscan軟件用作Modbus主站，Modsim軟件用作Modbus從站，它們與主控管理平臺(tái)進(jìn)行通訊。其中，400601-402000是主控管理平臺(tái)內(nèi)存空間中的一個(gè)子任務(wù)工作區(qū)。總共有14個(gè)任務(wù)，任務(wù)號(hào)和工作區(qū)一一對(duì)應(yīng)，共100字節(jié)。每個(gè)字節(jié)的定義見表3-1。表3-1本系統(tǒng)中通訊進(jìn)程管理任務(wù)區(qū)描述表TaskNocharBTaskNocharTypecharAnaModecharHealthchardspcharMLPuint16_tctlcharupdflagcharoffsetshortsoenumshortdinumshortdo_numshortainumshortao_numshortsoe_uint16_tdi_IOAuint16_tdo_IOAuint16_tai_IOAuint16_tao_I0Auint16_t續(xù)表3-1本系統(tǒng)中通訊進(jìn)程管理任務(wù)區(qū)描述表參數(shù)名類型描述soe_mbadrintdi_mbadrintdo_mbadrintaimbadrintaombadrintevmbadrintevmblenintmbadrintcmdmblenintrTUluint8trTuruint8tmportshortmperiodshortmintervalshortbandluint16tBand2uint16_tLCOMIuint8_tLCOM2uint8_tliplstructinaddrLip2structinaddrriplstructin_addr續(xù)表3-1本系統(tǒng)中通訊進(jìn)程管理任務(wù)區(qū)描述表參數(shù)名類型描述Rip2structinaddrsockuint16tcurlinknouint16ttimett2time_tt3timetripstructinaddrROKuint16_tWOKuint16_tCOKuint16_tEOKuint16_tUOKuint16_tRERuint16_tWERuint16_tCERuint16tEERuint16_tUERuint16_tevtimeuint32_tabstatusshort.TmSynctimetucUseGPSuint8t續(xù)表3-1本系統(tǒng)中通訊進(jìn)程管理任務(wù)區(qū)描述表參數(shù)名類型描述buint