劉仙玉，張仁貢

(1.珊溪水力發(fā)電廠，浙江 溫州 325304；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

內(nèi)外通信互聯(lián)模式下水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控通信系統(tǒng)的升級(jí)與應(yīng)用

劉仙玉1，張仁貢2

(1.珊溪水力發(fā)電廠，浙江 溫州 325304；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

針對(duì)珊溪水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)存在的運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與應(yīng)用。設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中采用了目前最先進(jìn)的硬件配置以及一系列現(xiàn)代的軟件升級(jí)核心技術(shù)。軟件升級(jí)核心技術(shù)包括：內(nèi)外通信互聯(lián)的層次化構(gòu)架技術(shù)、、內(nèi)外通信互聯(lián)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)技術(shù)、內(nèi)外通信互聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)和目錄管理技術(shù)等。應(yīng)用實(shí)踐表明，通過(guò)精心設(shè)計(jì)后的新型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，同時(shí)具有一定的先進(jìn)性和代表性，可以為其他水電站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、改造和升級(jí)提供借鑒。

通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)監(jiān)控；水電站；珊溪

0 引言

水電站通信系統(tǒng)是水電站綜合自動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，它是架起水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和電網(wǎng)監(jiān)控中心的橋梁[1]，它為水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、自動(dòng)電壓控制（AVC）以及水電站防洪和水情測(cè)報(bào)提供調(diào)度決策數(shù)據(jù)。珊溪水力發(fā)電廠的通信系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)建設(shè)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾次更新改造后，性能不斷提高，不斷滿足了水電站現(xiàn)代自動(dòng)化的需求。但是水電站的通信系統(tǒng)一直沒(méi)有進(jìn)行改造和升級(jí)，不能滿足整個(gè)電網(wǎng)的現(xiàn)代化需要，時(shí)常出現(xiàn)故障和系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合問(wèn)題。筆者結(jié)合珊溪水力發(fā)電廠的硬件、軟件的實(shí)際，通過(guò)對(duì)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的通信部分系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)，應(yīng)用了一系列現(xiàn)代的通信硬件和軟件技術(shù)，使該水電站通信系統(tǒng)滿足電網(wǎng)和電站綜合自動(dòng)化的要求[2-3]，本文將結(jié)合珊溪水力發(fā)電廠對(duì)水電站通信系統(tǒng)改造和升級(jí)進(jìn)行詳細(xì)論述，便于同類(lèi)電廠單位借鑒。

1 總體構(gòu)架

本水電站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)改造和升級(jí)后分為內(nèi)部通信模塊和外部通信模塊兩個(gè)部分，內(nèi)部數(shù)據(jù)通信模塊主要針對(duì)水電站內(nèi)部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 9i進(jìn)行開(kāi)發(fā)管理[4-5]，而外部數(shù)據(jù)通信模塊采用目錄管理形式。新型系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 珊溪水力發(fā)電廠新型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架圖

從圖1中可以看出，內(nèi)部數(shù)據(jù)通信模塊可以與計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心、各個(gè)機(jī)組LCU、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)采用Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)[5]進(jìn)行管理，通過(guò)由供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎接口訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)；外部數(shù)據(jù)庫(kù)采用目錄進(jìn)行管理，管理員利用目錄管理軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，可以與內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；同時(shí)外部數(shù)據(jù)通信模塊由內(nèi)部數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行調(diào)用，外部數(shù)據(jù)通信模塊到內(nèi)部數(shù)據(jù)通信模塊是一個(gè)單向的數(shù)據(jù)流，這有利于保證內(nèi)部數(shù)據(jù)通信模塊的安全性。

2 硬件系統(tǒng)的改造與升級(jí)

（1）更新通信工作站。依據(jù)浙江省省調(diào)要求，珊溪水力發(fā)電廠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)原來(lái)使用了1U型機(jī)架式工作站作為通信機(jī)，共配置兩臺(tái)研華工控機(jī)互為備用，主要功能是保持與省調(diào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，包括雙路101通道、雙路104通道。但是2008年投產(chǎn)半年后2號(hào)通信機(jī)不定期發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象，系統(tǒng)重裝后情況依舊，并于2010年底因硬件故障導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)機(jī)，珊溪水力發(fā)電廠與省調(diào)僅通過(guò)單路通道保持通信，不符合“兩項(xiàng)細(xì)則”考核要求。為此珊溪水力發(fā)電廠更換兩臺(tái)通信機(jī)為HP Z400工作站。每臺(tái)工作站主機(jī)主要配置為∶CPU∶Intel Xeon四核W3550型CPU；主頻∶3.06GHz；內(nèi)存∶4GB；硬盤(pán)∶160GB；光驅(qū)∶DVD-ROM；網(wǎng)卡∶100M網(wǎng)口×4（外置網(wǎng)卡使用PCI-E接口）；顯卡∶FX380圖卡；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)鼠標(biāo)等。

（2）新建歷史數(shù)據(jù)工作站。2008年計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心改造時(shí)未考慮通信系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)保存功能劃分，目前使用兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器主機(jī)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)兼做歷史數(shù)據(jù)站，經(jīng)多年運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)日益龐大，導(dǎo)致兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)擔(dān)加大，因此單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)HP Z600工作站作為歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器保存歷史數(shù)據(jù)。歷史工作站主機(jī)配置為∶CPU∶Intel Xeon四核X5667型 CPU；主頻∶3.2GHz；緩存∶12M；內(nèi)存∶4GB；硬盤(pán)∶160GB×3；光驅(qū)∶DVD-ROM；網(wǎng)卡∶100M網(wǎng)口×2；顯卡∶FX380圖卡；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)鼠標(biāo)等。

（3）重新進(jìn)行現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)配置?，F(xiàn)地控制單元系統(tǒng)配置就是使PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與其上運(yùn)行的軟件功能完全吻合，是軟件一個(gè)重要功能，是編制調(diào)試PLC控制程序的基礎(chǔ)。為了使軟件能夠適應(yīng)硬件更新情況下的系統(tǒng)硬件組合，軟件中系統(tǒng)配置的內(nèi)容與步驟如下∶①選擇機(jī)架類(lèi)型和電源模塊；②配置CPU模塊，以符合系統(tǒng)更新升級(jí)的應(yīng)用需求；③配置I/O等其他模塊，并根據(jù)系統(tǒng)更新升級(jí)的應(yīng)用需求設(shè)置相應(yīng)通道的屬性；④保存配置信息，生成配置文件，并通過(guò)以太網(wǎng)將配置文件下載到主控制器（CPU模塊）。

3 軟件系統(tǒng)升級(jí)核心技術(shù)

珊溪水力發(fā)電廠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及的一些通用技術(shù)機(jī)制不勝牧舉，以下只介紹本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)機(jī)制，這些核心技術(shù)機(jī)制是計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合系統(tǒng)功能特性進(jìn)行研究的成果，具有一定的前沿性和創(chuàng)新性，它們包括內(nèi)外通信互聯(lián)的層次化構(gòu)架技術(shù)、內(nèi)外通信互聯(lián)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)技術(shù)、內(nèi)外通信互聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)和目錄管理技術(shù)等。

3.1 內(nèi)外通信互聯(lián)的層次化構(gòu)架技術(shù)

該系統(tǒng)改造升級(jí)過(guò)程中，主要分為三層進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為硬件層、軟件層和客戶層，如圖2所示。硬件層由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、以太網(wǎng)、交換機(jī)、水電站工作站群組成，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器安裝在發(fā)電廠監(jiān)控中心，WEB服務(wù)器安裝在副廠房辦公樓的網(wǎng)絡(luò)管理中心，以太網(wǎng)和水電站采用以太網(wǎng)鏈接，水電站工作站群安裝在水電站監(jiān)控中心室。軟件層由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)引擎及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[3]、WEB應(yīng)用層、通信接口、進(jìn)程和界面組件等組成，完成數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、傳輸和控制等功能?？蛻魧影〝?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)員、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員、WEB管理員、軟件工程師和水電站職工群等，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)、應(yīng)用和實(shí)施。

圖2 內(nèi)外通信互聯(lián)的層次化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從圖2可知，內(nèi)部數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)架模式是采用了C/S的構(gòu)架模式，而外部數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用基于B/S的構(gòu)建模式。內(nèi)部數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與外部數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)之間采用了SQL數(shù)據(jù)引擎與WEB應(yīng)用層鏈接，同時(shí)應(yīng)用層采用了基于ASP.NET的空間設(shè)計(jì)技術(shù)以提高其安全性能。

3.2 內(nèi)外通信互聯(lián)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)技術(shù)

由于電網(wǎng)監(jiān)控中心、WEB生產(chǎn)管理系統(tǒng)、大壩安全管理系統(tǒng)等平臺(tái)的客戶群訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)需要經(jīng)過(guò)WEB應(yīng)用服務(wù)器，WEB應(yīng)用服務(wù)器中安裝了由ASP.NET開(kāi)發(fā)的應(yīng)用組件[4]，WEB應(yīng)用層采用ASP.NET的空間設(shè)計(jì)技術(shù)，它由業(yè)務(wù)外觀空間、業(yè)務(wù)邏輯空間、數(shù)據(jù)訪問(wèn)空間、通用配置空間等組成，各個(gè)空間層次關(guān)系如圖3所示。

圖3 WEB應(yīng)用層結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

對(duì)各個(gè)空間組件進(jìn)行基于類(lèi)的設(shè)計(jì)，形成了基于面向?qū)ο蟮目臻g層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 內(nèi)外通信互聯(lián)的類(lèi)層次結(jié)構(gòu)圖

從圖4可知，數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層作為內(nèi)部數(shù)據(jù)通信類(lèi)層，系統(tǒng)框架層和業(yè)務(wù)邏輯層為互聯(lián)類(lèi)層，而業(yè)務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)外觀層和WEB表示層可以作為外部數(shù)據(jù)通信類(lèi)層。采用層次化類(lèi)的設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)WEB表示層、業(yè)務(wù)外觀空間、業(yè)務(wù)邏輯空間訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信類(lèi)層時(shí)，必須先經(jīng)過(guò)互聯(lián)類(lèi)層。因此可以在互聯(lián)類(lèi)層的系統(tǒng)框架層和業(yè)務(wù)邏輯層的空間中進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)方法是∶在ASP.NET里面Crypttography命名空間下定義了3種類(lèi)型的加密方法，對(duì)稱(chēng)加密，MD5加密和哈希加密，該系統(tǒng)應(yīng)用了前兩種，同時(shí)加入界面的登錄驗(yàn)證。

3.3 內(nèi)外通信互聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)和目錄管理技術(shù)

由于水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控的狀態(tài)數(shù)據(jù)量比較大，如果把各種數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容全部保存在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，必定占用大量的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)空間資源。為此在存儲(chǔ)文件、空間、視頻等特殊數(shù)據(jù)信息時(shí)只存儲(chǔ)文件的訪問(wèn)路徑、標(biāo)題和時(shí)間等信息，而不保存信息具體的內(nèi)容，通過(guò)現(xiàn)地控制單元軟件平臺(tái)上傳的信息以文件的形式保存在WEB服務(wù)器的硬盤(pán)中。由數(shù)據(jù)庫(kù)表存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)，而將具體內(nèi)容以文件形式保存在硬盤(pán)中，并通過(guò)路徑、目錄以及文件名等信息將數(shù)據(jù)庫(kù)與文件集成鏈接，這樣不但節(jié)約了歷史數(shù)據(jù)庫(kù)寶貴的空間資源，而且通過(guò)上傳附加文件的形式，把主文件和多個(gè)附加文件做好超級(jí)鏈接后一起上傳，從而很好地解決了特殊信息內(nèi)容中需要二級(jí)或多級(jí)鏈接的問(wèn)題。數(shù)據(jù)庫(kù)與文件集成化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型如圖5所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)與文件集成化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

珊溪水力發(fā)電廠的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)表的創(chuàng)建也保存在目錄管理中，可以采用通用數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言SQL語(yǔ)言[6]來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。當(dāng)數(shù)據(jù)表創(chuàng)建后，就可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表進(jìn)行目錄備份了。珊溪水力發(fā)電廠的通信系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)采用了ftp目錄備份工具進(jìn)行備份，將主機(jī)（原歷史服務(wù)器）中需要備份的歷史數(shù)據(jù)拷貝到新的歷史服務(wù)器對(duì)應(yīng)的目錄中。注意∶拷貝過(guò)程中，部分文件要拷貝完全。打開(kāi)ftp工具，在“會(huì)話”中選擇“快速連接”，在彈出對(duì)話框中，“服務(wù)器”欄填寫(xiě)歷史服務(wù)器或主機(jī)（原歷史服務(wù)器）ip地址，“用戶名”欄填寫(xiě) mysql，“密碼”欄填寫(xiě) mysql，點(diǎn)擊“連接”。連接正常后，右邊欄應(yīng)該是歷史服務(wù)器或主機(jī)（原歷史服務(wù)器的）的home/mysql目錄，在該目錄下選擇home/mysql/product/data/nariMap目錄，選擇需要備份的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝。例如要備份2011年歷史數(shù)據(jù)，以模擬量為例，其文件如下∶

4 應(yīng)用和維護(hù)

4.1 主要特點(diǎn)

系統(tǒng)改造升級(jí)后的主要特點(diǎn)包括∶

（1）從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了更新改造，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，提高了LCU層和控制中心的通信效率。

（2）在方案設(shè)計(jì)上分為內(nèi)部通信和外部通信兩個(gè)部分，在保證了內(nèi)部通信安全性的同時(shí)，采用多種加密技術(shù)保證了外部通信的安全，使電網(wǎng)監(jiān)控中心、WEB生產(chǎn)管理系統(tǒng)、大壩安全管理系統(tǒng)等平臺(tái)能夠共享監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

（3）采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和目錄管理相互結(jié)合的方式，增強(qiáng)了歷史數(shù)據(jù)的運(yùn)行、管理和維護(hù)功能。

4.2 運(yùn)行維護(hù)

由于水電站的數(shù)據(jù)量比較大，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)越大，為了防止數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)限膨脹，通信系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采用了自動(dòng)維護(hù)方式。根據(jù)珊溪水力發(fā)電廠的運(yùn)行要求，定時(shí)采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了15d，15d后其數(shù)據(jù)的采樣頻率改為5min一點(diǎn)，30d后改為10min一點(diǎn)，60d后改為30min一點(diǎn)。180d后數(shù)據(jù)將被刪除。

對(duì)各種信息保存時(shí)間也不一樣，一般一覽表信息僅保存最近10000條記錄，狀態(tài)變位、輔助設(shè)備啟停等事件數(shù)據(jù)信息保存2年，統(tǒng)計(jì)信息保存2年。

珊溪水力發(fā)電廠通信系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)操作由歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需人為干預(yù)。

珊溪水力發(fā)電廠通信系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)在主/從方式下，由歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)決定主/從狀態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)與主歷史服務(wù)程序鏈接和交換數(shù)據(jù)[7]。主/從數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)備份由歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)自動(dòng)完成。Java應(yīng)用接口也會(huì)自動(dòng)判別主/從狀態(tài)，并始終與主歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器保持鏈接，保證查詢結(jié)果的可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

珊溪水力發(fā)電廠通信系統(tǒng)的升級(jí)與改造成功主要有兩個(gè)方面，一方面從硬件上選用了最新的硬件設(shè)備，性能優(yōu)良。其次軟件開(kāi)發(fā)選用了最新的關(guān)鍵技術(shù)，并在實(shí)踐應(yīng)用中針對(duì)珊溪水力發(fā)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化配置、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷在發(fā)展，綜合自動(dòng)化要求也在不斷提高，將在以后的實(shí)踐中加強(qiáng)研究，且對(duì)珊溪水力發(fā)電廠的通信系統(tǒng)進(jìn)行不斷地升級(jí)。

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2014-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（60874074）；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2012BAD10B01）

劉仙玉（1945-），男，高級(jí)工程師，研究方向∶水電站運(yùn)行與管理。