王繼華

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

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一類新的電站仿真系統(tǒng)報警機制研究及實現(xiàn)

王繼華

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

結(jié)合電站仿真系統(tǒng)報警機制實時處理、快速查詢、高效存儲的基本要求，以及近年來提出的預(yù)告警、設(shè)備模擬發(fā)聲、頁面推送、事故診斷、界面與滾動條報警同步等更高級別需求，依據(jù)軟總線技術(shù)、分布式存儲技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提出了一種新的基于事件驅(qū)動的高效、穩(wěn)定的報警機制。詳細給出了報警機制的數(shù)學(xué)模型、程序模型、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、細節(jié)處理過程。最終給出了結(jié)論與展望。

電站仿真系統(tǒng)；報警機制；數(shù)學(xué)模型

0 引言

在電站仿真系統(tǒng)中，報警系統(tǒng)通過實時獲取過程參數(shù)的動態(tài)信息，經(jīng)過既定報警邏輯規(guī)則判斷，實現(xiàn)了機組仿真運行狀態(tài)監(jiān)視、事故預(yù)警、事件順序記錄等功能[1]。

大量學(xué)者[2-5]針對真實分散控制系統(tǒng)的報警機制進行了深入研究，但由于電站仿真系統(tǒng)自身獨有的屬性，比如：一機多模引發(fā)的監(jiān)控點數(shù)據(jù)量倍增、回退工況引發(fā)的報警數(shù)據(jù)雪崩式出現(xiàn)、大范圍大規(guī)模仿真系統(tǒng)運行引發(fā)的歷史數(shù)據(jù)規(guī)模幾何式增長、分布式仿真系統(tǒng)引發(fā)的信息網(wǎng)絡(luò)化共享、學(xué)員成績考核引發(fā)的報警庫歷史數(shù)據(jù)查詢頻繁化與復(fù)雜化激增等，這些特點使得電站仿真系統(tǒng)的報警機制需要進行單獨的研究與探討。

本文首先介紹了仿真系統(tǒng)從單機模式到互聯(lián)網(wǎng)模式的發(fā)展歷程；提出了仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)與報警機制的設(shè)計思路；建立了仿真報警機制的數(shù)學(xué)模型、程序模型，闡述了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與細節(jié)描述；最終給出了結(jié)論與展望。

1 仿真系統(tǒng)的發(fā)展歷程

根據(jù)仿真系統(tǒng)的物理布局特點及實現(xiàn)方式，電站仿真系統(tǒng)分為無網(wǎng)單機運行仿真、局域網(wǎng)運行仿真、互聯(lián)網(wǎng)運行仿真。結(jié)合傳統(tǒng)的依據(jù)控制邏輯與電站HMI界面[6]實現(xiàn)方式標(biāo)準(zhǔn)的劃分，將其關(guān)系展示如表1所示(注：√表示仿真系統(tǒng)于此模式下可運行)。

(1)無網(wǎng)單機運行仿真——不借助其他設(shè)備，可于單臺PC機上獨立運行的仿真系統(tǒng)，常用于個人學(xué)習(xí)、學(xué)者研究。具有小巧靈活方便易實現(xiàn)的特點，但其無法進行合作培訓(xùn)，無法使用具備特殊硬件的仿真系統(tǒng)。

鑒于激勵式以及半激勵式(最小化DCS)的邏輯需要運行于真實機柜，故上述仿真系統(tǒng)無法單機運行。

(2)局域網(wǎng)運行仿真——在固定的局域網(wǎng)環(huán)境下多臺操作員站可同時進行操作學(xué)習(xí)的仿真系統(tǒng)，常用于培訓(xùn)中心、電站仿真機室。具有靈活分組、現(xiàn)場集控室逼真化再現(xiàn)等特點。

此策略是目前使用最為廣泛的一種模式，能夠運行目前各種類型的仿真系統(tǒng)。

(3)互聯(lián)網(wǎng)運行仿真——基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的仿真系統(tǒng)，用戶可以在連接互聯(lián)網(wǎng)的前提下隨時隨地進行仿真系統(tǒng)的使用，大大提高了使用率。

此模式下無法使用基于DCS廠家特殊設(shè)備的仿真系統(tǒng)。

表1 仿真系統(tǒng)的分類

2 仿真系統(tǒng)及報警機制的結(jié)構(gòu)設(shè)計

電站仿真系統(tǒng)分為服務(wù)器端和客戶端，二者通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，其大致布局如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)及報警機制框架

2.1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

服務(wù)器端的代理服務(wù)器(SLAVE PROXY)外部與網(wǎng)絡(luò)直接相連，內(nèi)部通過以太網(wǎng)總線(ETHERNET BUS)與其它設(shè)備進行數(shù)據(jù)通訊。該設(shè)備確保了各客戶端的正常連接，同時實現(xiàn)了訪問數(shù)據(jù)的負載均衡。

服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)上同時連接有多套仿真機組 (SIMULATOR)的運行環(huán)境、主(備)歷史服務(wù)器(SIM HIS)以及認證服務(wù)器等其它設(shè)備。

客戶端可以直接連接于互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過代理服務(wù)器成組連接于互聯(lián)網(wǎng)，確?？蛻艨梢造`活方便地使用仿真系統(tǒng)。

2.2 報警機制結(jié)構(gòu)

報警機制在該環(huán)境下主要包括服務(wù)器報警部分(ALM SYS)、歷史站報警部分(ALM HIS)、客戶端報警部分(ALM CLIENT)。

2.2.1 軟總線設(shè)計

每一套單獨仿真系統(tǒng)內(nèi)部包含多個運行模塊(示意圖中僅列出了和報警系統(tǒng)有關(guān)的個別模塊)。為了保證各個模塊高聚合、低耦合地運行，此處借鑒了設(shè)備總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，設(shè)計了軟總線(SOFT BUS)策略。此方法不僅可以確保連接到軟總線上的各個模塊都可以準(zhǔn)確無冗余地接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時為各個模塊規(guī)范了標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，方便了功能的實現(xiàn)。

2.2.2 事件驅(qū)動設(shè)計

傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)均采用循環(huán)掃描報警監(jiān)視點的方式來判斷是否達到報警標(biāo)準(zhǔn)。隨著報警監(jiān)視點的大規(guī)模增加，同時考慮到工況穩(wěn)定運行的情況下幾乎沒有報警發(fā)生，這種基于時間驅(qū)動的循環(huán)掃描方式便異常浪費資源。

本文將數(shù)據(jù)掃描工作轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)監(jiān)視引擎(MON ENG)，其將實時數(shù)據(jù)庫(RTDB)的變化消息通過軟總線發(fā)送給各個模塊，同時將報警系統(tǒng)設(shè)計為事件驅(qū)動，從而確保了報警系統(tǒng)高效率運行。

2.2.3 分布式存儲設(shè)計

傳統(tǒng)的報警歷史與仿真系統(tǒng)存儲于同一臺設(shè)備，此布局不利于多機組、大規(guī)模、長時間的仿真運行。

本文設(shè)計分布式數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，將其歷史信息分散于各個仿真系統(tǒng)與主備歷史庫中。實現(xiàn)了所有仿真系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時也為多套系統(tǒng)歷史信息數(shù)據(jù)挖掘提供了方便。

3 報警機制的模型設(shè)計及實現(xiàn)

結(jié)合康托爾集合理論為報警機制建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。

3.1 數(shù)學(xué)模型

將報警監(jiān)控點(Point)定義為集合P

式中：pi表示第i個監(jiān)控數(shù)據(jù)點的信息；m表示所有監(jiān)控點的總數(shù)。

將報警規(guī)則類型(Rule)定義為集合R。

式中：rj表示第j類監(jiān)控判定規(guī)則的信息；n表示所有監(jiān)控判定規(guī)則的總數(shù)。

則P×R二元組表示所有報警條目的觸發(fā)條件，其維度為m×n。

將所有報警條目的觸發(fā)條件是否生效(Used)的信息定義為生效矩陣Umn如下：

其中1≤i≤m， 1≤j≤n

則P×R·U矩陣中的非零元素表示該系統(tǒng)所有報警條目觸發(fā)(Trigger)的規(guī)則條件，將其中非零元素組成的集合記作T。

仿真系統(tǒng)運行后產(chǎn)生的報警信息條目(Alarm)表示為一個有序多重集合A

式中：ai,j表示第i個監(jiān)控數(shù)據(jù)點的第j類判定規(guī)則ti,j觸發(fā)的報警信息。元素ai,j包含了報警點的基本信息、觸發(fā)時間、復(fù)位時間、復(fù)位人員、復(fù)位與確認標(biāo)識等。

3.2 程序模型

報警機制的主要處理模型流程如下，見圖2所示：

STEP0(事件處理)：事件響應(yīng)系統(tǒng)被調(diào)用，從事件消息結(jié)構(gòu)中提取信息。如果是報警確認消息則轉(zhuǎn)入STEP2；如果是變量更新消息則轉(zhuǎn)入STEP1；否則轉(zhuǎn)入END。

STEP1(變量分流)：在報警監(jiān)控點集合P中搜索pi，如果搜索成功則轉(zhuǎn)入STEP3,否則轉(zhuǎn)入END。

STEP2(確認分流)：在報警信息條目集合A中搜索ai,j，如果搜索成功則轉(zhuǎn)入STEP6；否則轉(zhuǎn)入END。

STEP3(規(guī)則判斷)：更新pi信息，循環(huán)搜索pi所對應(yīng)的規(guī)則判定條件ti,j并執(zhí)行判定。循環(huán)完畢后轉(zhuǎn)入END。循環(huán)過程中若ti,j觸發(fā)了報警，則轉(zhuǎn)入STEP4，若ti,j沒有觸發(fā)報警，則轉(zhuǎn)入STEP5。

STEP4(觸發(fā)處理)：生成報警ai,j。在報警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若沒有搜索成功則將ai,j插入集合A；返回STEP3。

STEP5(復(fù)位處理)：生成報警ai,j。在報警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若搜索成功則將搜索到的對象置復(fù)位標(biāo)志；返回STEP3。

STEP6(確認處理)：將搜索到的集合元素置確認標(biāo)志，返回END。

END(結(jié)束處理)：等待下次事件調(diào)用。

圖2 程序流程圖

3.3 模型實現(xiàn)

報警機制的實現(xiàn)框架如圖3所示。

服務(wù)器報警部分為消息處理實現(xiàn)過程，其中主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括監(jiān)視點數(shù)據(jù)庫(MONPNTLIB)、規(guī)則數(shù)據(jù)庫(RULESLIB)、報警信息緩存區(qū)(ALMCACHE)；主要系統(tǒng)包括事件響應(yīng)系統(tǒng)(EVENTRSPSYS)、規(guī)則判定處理系統(tǒng)(KERNELSYS)、報警庫管理系統(tǒng)(ALMLIBSYS)。

歷史站報警部分(ALMSYSHIS)主要實現(xiàn)了歷史文件的管理(FILEMNGSYS)；客戶端報警部分(ALMCLIENT)實現(xiàn)了報警顯示、發(fā)聲與確認的人機接口(ALMHMISYS)。

其中報警庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)了報警服務(wù)器與歷史站報警部分、客戶端報警部分的連接。

圖3 報警機制的實現(xiàn)框架

3.4 模型實現(xiàn)細節(jié)

3.4.1 搜索定位設(shè)計

搜索速度是制約報警機制快速響應(yīng)的關(guān)鍵問題，并且程序模型中幾乎每一步驟均涉及到搜索。即使報警監(jiān)控點與判定規(guī)則規(guī)模確定，隨著大量報警信息的出現(xiàn)，系統(tǒng)的執(zhí)行時間也將以平方級增長。

本文在三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：監(jiān)視點數(shù)據(jù)庫、規(guī)則數(shù)據(jù)庫、報警信息緩存區(qū)中互相建立完善的指針連接結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了信息直接定位，避免了系統(tǒng)的搜索問題，將時間復(fù)雜度降低為常數(shù)級，提升了運行效率。

3.4.2 歷史緩存的設(shè)計

傳統(tǒng)的報警信息發(fā)生后即時入庫，不利于報警條目的搜索置位，倘若發(fā)生IO阻塞后果將更為嚴(yán)重。

本文設(shè)計了歷史緩存，報警條目均被復(fù)位確認完畢后方可入庫，這樣既保證了歷史報警數(shù)據(jù)的快速定位修正，又確保了歷史數(shù)據(jù)的分布式安全存儲。

3.4.3 預(yù)報警的設(shè)計

在規(guī)則類型集合的元素里增加了更為嚴(yán)格合理的趨勢化報警規(guī)則，使得其在報警未出現(xiàn)的情況下提前給出警報。

3.4.4 設(shè)備模擬發(fā)聲的設(shè)計

設(shè)計了事故報警集合元素的顯示、發(fā)聲屬性，通過配置實現(xiàn)了設(shè)備動作模擬發(fā)聲但不顯示的功能。

3.4.5 頁面推送的設(shè)計

在警監(jiān)控點集合中增加HMI界面鏈表，進而為報警條目提供了畫面跳轉(zhuǎn)的接口。

3.4.6 事故診斷功能的設(shè)計

設(shè)計事故報警集合知識庫，將每次仿真運行生成的報警信息條目集合與知識庫中集合進行匹配搜索，定位診斷出生成此事故集合的原因。

該過程的實現(xiàn)基于分布式的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為基于高維度大型稀疏矩陣的運算，進而轉(zhuǎn)化為維度降階的MAP與適配值尋優(yōu)的REDUCE函數(shù)，最終得出事故診斷結(jié)果。

3.4.7 多優(yōu)先級別報警規(guī)則設(shè)計

數(shù)據(jù)模型中提到的報警規(guī)則類型文件中各條報警規(guī)則可以依據(jù)不同嚴(yán)重程度設(shè)定相應(yīng)優(yōu)先級，從而達到報警級別的靈活控制。

3.4.8 界面與滾動報警同步的設(shè)計

常規(guī)的HMI界面報警顯示與滾動條報警相互獨立，但是目前要求HMI界面的報警信息與確認功能與報警滾動條上對應(yīng)信息功能同步。傳統(tǒng)的報警機制無法實現(xiàn)上述功能。

本文設(shè)計完善了規(guī)則庫的內(nèi)容。在規(guī)則庫的判定信息中設(shè)計增加了該信息被自動確認的數(shù)據(jù)點。這樣就保證了HMI的確認信息經(jīng)模型運算后可以再次傳遞給報警系統(tǒng)；同時滾動條確認時同步HMI發(fā)送確認消息。進而確保了二者的同步。

4 結(jié)論

本文針對電站仿真系統(tǒng)報警功能的設(shè)計是一類滿足傳統(tǒng)與高級別需求的新型報警機制，其既適用于基于互聯(lián)網(wǎng)的仿真系統(tǒng)，又兼容以往各種模式的仿真系統(tǒng)，同時對真實分散控制系統(tǒng)的報警功能也具有積極的借鑒意義。

隨著分布式、大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，仿真系統(tǒng)運行所生成的巨量數(shù)據(jù)，尤其是報警機制產(chǎn)生的合理布局的報警歷史信息，將受到重視并成為重要的資源財富；挖掘其內(nèi)部信息及外部信息將有利于仿真系統(tǒng)的更加完善、運行人員綜合素質(zhì)的進一步提升，電站系統(tǒng)更持久穩(wěn)定的安全生產(chǎn)。

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WANG Jihua(Beijing Sifang Automation Co.Ltd.,Beijing 100085,China)

Study and Implementation of a New Alarm Mechanism for Power Plant Simulator

Combining the basic requirements of alarm mechanism for power station simulator,known as real-time processing, fast query function, efficient storage, with other higher level needs which are put forward in recent years, such as pre-alarm, sound of equipment, HMI page pushing, accident diagnosis, alarm information synchronization between HMI and alarm scroll bar, a new highly efficient, stable alarm mechanism based on event driven is proposed, according to the soft bus technology, distributed data storage technology and big data technology. The mathematical model, program model, structure and implementation method of the alarm mechanism in detail are given.In the last section, conclusions are drawn and prospectare presented.

power plant simulator; alarm mechanism; mathematical model

2016-05-09。

王繼華(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電站仿真系統(tǒng)開發(fā)，E-mail：wangjihua@ncepu.edu.cn。

TP391

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.013