郭 波, 李福星, 鄒麗梅, 許淑嫻, 王世豪

(1．武夷學(xué)院農(nóng)機(jī)智能控制與制造福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300；2．華梵大學(xué)機(jī)電工程系，臺灣 臺北 223；3．南平市延平區(qū)鑫四海機(jī)電自動化有限公司，福建 南平 353000)

0 引 言

改革開放后，閩北水利建設(shè)發(fā)展加快，興建有一批中小型水庫，以及大量鄉(xiāng)村小水電站設(shè)施，早期建設(shè)的水利水電設(shè)施地處偏遠(yuǎn)，自動化程度偏低，依賴人員駐站管理控制。而且，電站運(yùn)維管理受到當(dāng)?shù)剡\(yùn)維人力與技術(shù)水平的限制，缺少運(yùn)維管理的設(shè)備的高額維護(hù)費(fèi)用，又進(jìn)一步惡化電站盈利，因此閩北區(qū)域許多中小電站地位頗為尷尬。業(yè)界與科研院所一直高度關(guān)注水電監(jiān)控技術(shù)研究。何滔提出一種過程信息交互自動化遠(yuǎn)程子站網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新改造策略，用于提升生產(chǎn)過程信息傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性和可行性[1]。韋松直以100/1000Mbps自適應(yīng)光纖以太網(wǎng)實(shí)時通信解決電廠自動監(jiān)控系統(tǒng)通信，設(shè)計三層控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水電系統(tǒng)在上位機(jī)的在線顯示、控制與調(diào)節(jié)[2]。閩北中小水電站受到老區(qū)貧弱的投資能力限制，且因投入產(chǎn)出比低，不適合更換全套先進(jìn)自動化系統(tǒng)，因此產(chǎn)業(yè)急切需要水利設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控升級和集中運(yùn)維。據(jù)此，提出一種中小水電站分布式監(jiān)控構(gòu)建策略，主要采用Redis云架構(gòu)，樹莓派通過執(zhí)行開發(fā)的Python代碼，銜接電站現(xiàn)場分布的PLC控制器、測控儀表、專用設(shè)置繼保裝置與現(xiàn)場攝像監(jiān)視構(gòu)成獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，集控中心與監(jiān)視運(yùn)維節(jié)點(diǎn)通過Redis哈希對象獲得電站監(jiān)視數(shù)據(jù)，發(fā)布遠(yuǎn)程控制指令，通過開發(fā)節(jié)點(diǎn)PC應(yīng)用程序，應(yīng)用可靠交互策略，保證了分布式監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 中小水電站分布式云監(jiān)控架構(gòu)設(shè)計

閩江是福建省最大的河流[3]，其格子河系形由建溪、富屯溪等大量支流匯聚為干流，閩北山區(qū)內(nèi)分布著大量中小型水利水電設(shè)施。為實(shí)現(xiàn)項目核心目標(biāo)，以分布式云監(jiān)控系統(tǒng)，納入?yún)^(qū)域內(nèi)水電站機(jī)組設(shè)施，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控與運(yùn)維管理。但區(qū)域內(nèi)電站機(jī)組設(shè)施建成時間不一，涉及的設(shè)施裝置種類多，自動化水平差異大，電站通信基礎(chǔ)設(shè)施條件弱，因此很難直接利用現(xiàn)有成套先進(jìn)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造監(jiān)控運(yùn)維。

閩北當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平偏低，中小型水電站設(shè)施年發(fā)電總量有限，評估項目改造成本與發(fā)電收益的投入產(chǎn)出比偏低，電站中小企業(yè)自身追加投資全面改造電站的意愿不強(qiáng)，同時普遍缺少技改與運(yùn)維力量，使得電站收益靠天吃飯的產(chǎn)出模式多年難以改變。針對產(chǎn)業(yè)技術(shù)短板，受益于開放源碼軟件運(yùn)動，課題組基于Redis、Python等開源平臺[4]，設(shè)計了開發(fā)水電站分布式云監(jiān)控架構(gòu)。

1.1 水電站分布式云監(jiān)控總體架構(gòu)

水電站分布式云監(jiān)控系統(tǒng)由電站控制層、云端控制層與遠(yuǎn)程監(jiān)控層組成，如圖1所示。電站控制層物理上位于水電站設(shè)施現(xiàn)場，分布于閩北區(qū)域的不同地理位置，現(xiàn)場一般具有機(jī)組設(shè)施、有關(guān)控制屏組設(shè)施、其他繼保裝置和傳感裝置等。電站控制層為每一設(shè)施和裝置配備微型電腦節(jié)點(diǎn)，標(biāo)識為系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)一無二的站控節(jié)點(diǎn)PC。微型電腦PC的成本低廉，硬件配置不斷提升，適合在架構(gòu)中大規(guī)模配置，可以勝任實(shí)時可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸任務(wù)。站控節(jié)點(diǎn)PC內(nèi)部署應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)橋接云端Redis集群服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)施裝置。

云端控制層根據(jù)管轄的站控節(jié)點(diǎn)數(shù)量，允許在分布式的云服務(wù)器配置相應(yīng)規(guī)模Redis集群系統(tǒng)，用于保持系統(tǒng)規(guī)模與性能的高彈性。利用Redis集群系統(tǒng)內(nèi)置的自動分區(qū)功能，系統(tǒng)可獲得水電站分布式云監(jiān)控服務(wù)的高度可用性。Redis哨兵機(jī)制的加入，系統(tǒng)運(yùn)行過程可實(shí)現(xiàn)一定程度的自動化故障恢復(fù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層由集控中心、監(jiān)管節(jié)點(diǎn)與運(yùn)維節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)組成，集控中心通過高速帶寬網(wǎng)絡(luò)與云端Redis集群服務(wù)器通信，監(jiān)管節(jié)點(diǎn)與運(yùn)維節(jié)點(diǎn)數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)不受限制。出于遠(yuǎn)程控制安全性的設(shè)計考慮，采用了集控中心為主，監(jiān)管節(jié)點(diǎn)與運(yùn)維節(jié)點(diǎn)為從的分級結(jié)構(gòu)，監(jiān)管節(jié)點(diǎn)與運(yùn)維節(jié)點(diǎn)上線需要獲得集控中心認(rèn)證與授權(quán)。

圖1 分布式云監(jiān)控總體架構(gòu)圖

1.2 站控節(jié)點(diǎn)工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

站控節(jié)點(diǎn)設(shè)計的核心是圍繞微型電腦的軟硬件裝置。為了與電站設(shè)施的PLC控制器、測控儀表、專用設(shè)置繼保裝置與現(xiàn)場攝像監(jiān)視集成，項目采用了基于ARM的微型電腦主板樹莓派[5]，其部件整合于85*56毫米的主板中，最新的版本Raspberry Pi 4 Model B發(fā)布于2019年，網(wǎng)絡(luò)通信性能提升至千兆以太網(wǎng)、雙頻802.11ac無線、藍(lán)牙5.0以及串口通信.最大支持8G運(yùn)行內(nèi)存，以Python為主要編程語言，并且支援Java、C和Perf等主流編程。

站控節(jié)點(diǎn)核心開發(fā)工作為樹莓派交互接口，連接種類繁多的中小水電站各種設(shè)施。Modbus是一種串行通信協(xié)議，作為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，受到絕大部分中小水電站工控裝置支持。課題組開發(fā)Python開源平臺的通訊協(xié)議，將讀寫線圈、讀寫寄存器等常用功能碼以Python定義為程序庫，以供樹莓派與水電站工控裝置Modbus通訊調(diào)用。少量型號老舊的專用設(shè)施繼電和保護(hù)裝置不具備串口數(shù)字輸出能力，則利用樹莓派內(nèi)置的通用型輸入輸出GPIO直接采集或控制，應(yīng)用程序可直接利用使用 RPi.GPIO 庫。部分儀表裝置本身具有以太網(wǎng)接口能力，項目將樹莓派增加至局域內(nèi)網(wǎng)就可與其通訊，應(yīng)用程序利用socket庫實(shí)現(xiàn)通訊讀寫。

根據(jù)項目遠(yuǎn)程監(jiān)控內(nèi)容組成，樹莓派將中小水電站各種設(shè)施的交互信息分為監(jiān)視數(shù)據(jù)、歷史記錄數(shù)據(jù)文件、遠(yuǎn)程控制指令和多媒體數(shù)據(jù)四類?？紤]大多數(shù)電站通信基礎(chǔ)設(shè)施弱，帶寬不足的條件限制，為了提升監(jiān)控運(yùn)行的實(shí)時性，系統(tǒng)設(shè)計了站控節(jié)點(diǎn)與Redis云服務(wù)器的通訊協(xié)議，嚴(yán)格限制了實(shí)時通訊數(shù)據(jù)包規(guī)模。

實(shí)時通訊數(shù)據(jù)包內(nèi)容由監(jiān)視數(shù)據(jù)、歷史記錄數(shù)據(jù)文件地址、遠(yuǎn)程控制指令代碼及多媒體數(shù)據(jù)文件地址組成。利用Redis管道模式批量存取云端Redis鍵值。

1.3 Redis云監(jiān)控方案

遠(yuǎn)程字典服務(wù)器Remote Dictionary Server(Redis) 是一個用ANSI C編寫的開源內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)，可以在Linux等大多數(shù)POSIX系統(tǒng)中工作，支持諸如字符串、散列、列表等豐富數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Redis服務(wù)在支持中小水電站分布式云監(jiān)控應(yīng)用中極為有利，其原本設(shè)計用于數(shù)據(jù)庫、緩存和消息代理，獨(dú)有的Redis Sentinel和Redis Cluster自動分區(qū)來提供更高的可靠性。Redis除了出色的高并發(fā)、集群規(guī)模、部署靈活特性外，它的開源特性為遠(yuǎn)程監(jiān)控升級和集中運(yùn)維提供更低成本的選擇。研究機(jī)構(gòu)近年利用Redis開發(fā)的專用系統(tǒng)越來越多[6-8]。

監(jiān)控方案將Redis服務(wù)部署于云端服務(wù)器，電站控制層節(jié)點(diǎn)PC與遠(yuǎn)程監(jiān)控層PC均為客戶端，以服務(wù)器-客戶機(jī)(C/S)架構(gòu)組建云監(jiān)控通訊網(wǎng)絡(luò)。該方案避免了在電站控制層節(jié)點(diǎn)PC與遠(yuǎn)程監(jiān)控層PC之間架設(shè)通訊專線的成本，任意地理位置分布的PC只要能接入互聯(lián)網(wǎng)，就能作為客戶端與服務(wù)器和其他客戶端交互信息。

監(jiān)控過程中，電站控制層節(jié)點(diǎn)映射于Redis的唯一哈希hash對象，節(jié)點(diǎn)PC定時刷新對象的字段與值，讀取對象內(nèi)遠(yuǎn)程控制指令字段的代碼值，執(zhí)行控制指令后報告響應(yīng)代碼。遠(yuǎn)程監(jiān)控層PC獲得集控中心授權(quán)后，被允許訪問相應(yīng)電站控制節(jié)點(diǎn)對象的字段，同樣以Redis管道模式批量獲得數(shù)據(jù)后用于人機(jī)界面顯示。具有控制權(quán)限的運(yùn)維節(jié)點(diǎn)PC執(zhí)行應(yīng)用程序，將遠(yuǎn)程控制指令自動轉(zhuǎn)換成指令代碼，擁有寫對象內(nèi)遠(yuǎn)程控制指令字段和讀響應(yīng)代碼的權(quán)限。

集控中心計算機(jī)擁有完整的上線電站綜合監(jiān)控、管理功能與最高權(quán)限。通過Redis存儲系統(tǒng)與中心計算機(jī)SQL數(shù)據(jù)庫同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化保存；按顯示需要完成數(shù)據(jù)可視化轉(zhuǎn)換；提供電站控制層節(jié)點(diǎn)標(biāo)識和統(tǒng)計管理；提供下級監(jiān)視節(jié)點(diǎn)與運(yùn)維節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證管理功能；以維護(hù)Redis的控制指令與代碼對照表、歷史文件地址表、多媒體數(shù)據(jù)文件地址表等鍵值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序和功能的自動化遠(yuǎn)程升級。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控可靠交互策略

2.1 電站控制層節(jié)點(diǎn)雙機(jī)熱備份策略

考慮中小水電站現(xiàn)場電磁環(huán)境不利于PC穩(wěn)定運(yùn)行，電站控制層節(jié)點(diǎn)雙機(jī)熱備份策略是系統(tǒng)最為重要的硬件可靠性措施。策略應(yīng)用采用主從工作模式，主微型電腦處于工作狀態(tài)，而從微型電腦處于監(jiān)控準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)主微型電腦出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)采集收發(fā)延時超過閾值，從機(jī)以軟件診斷模式轉(zhuǎn)化為激活模式，保證節(jié)點(diǎn)工作在短時間的全面恢復(fù)。

2.2 文件數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)策略

Redis系統(tǒng)設(shè)計是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲，但沒有文件可靠傳輸?shù)膬?nèi)部機(jī)制，水電站分布式云監(jiān)控系統(tǒng)利用Redis最大的鍵值長度指標(biāo)，運(yùn)輸傳輸不超過512M的歷史記錄數(shù)據(jù)文件及多媒體數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)大文件傳輸可靠性，節(jié)點(diǎn)PC數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計了三項工作流程。

1)數(shù)據(jù)文件的分片上傳與下載

以節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)延時數(shù)據(jù)為依據(jù)，自動選擇切片數(shù)據(jù)大小，避免高延時下節(jié)點(diǎn)PC與云服務(wù)器產(chǎn)生傳輸失敗；

2)數(shù)據(jù)片段的MD5校驗(yàn)

以MD5驗(yàn)證程序計算數(shù)據(jù)片段的MD5校驗(yàn)碼，與數(shù)據(jù)片段拼接后上傳Redis，接收方PC下載數(shù)據(jù)后重算接收數(shù)據(jù)片段的MD5碼驗(yàn)證完整性；

3)數(shù)據(jù)片的Base64編碼與解碼

Base64是網(wǎng)絡(luò)上最常見的用于傳輸8Bit字節(jié)碼的編碼方式之一，是一種基于64個可打印字符來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的方法，工控設(shè)施和裝置歷史記錄文件與多媒體數(shù)據(jù)文件可能存在無法常規(guī)編碼的符號，上傳Redis前編碼，讀取Redis數(shù)據(jù)后解碼，用于解決監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過程的可讀性。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)集控中心運(yùn)行現(xiàn)場

圖3 遠(yuǎn)程運(yùn)維節(jié)點(diǎn)智能手機(jī)運(yùn)維界面

3 應(yīng)用效果

目前，水電站分布式云監(jiān)控系統(tǒng)2019年已在福建省南平市延平區(qū)鑫四海機(jī)電自動化有限公司上線應(yīng)用。已納入光澤湖邊電站(裝機(jī)容量：1500kW)，延平合坑電站(裝機(jī)容量：250kW)，建甌楊梅坪電站(裝機(jī)容量：560kW)。項目投產(chǎn)至今，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明三個電站發(fā)電量約提升15%。平均每個電站縮減員工4人。預(yù)測2020年全年提升發(fā)電量可達(dá) 138.6萬千瓦時，預(yù)計帶來直接發(fā)電收入提升41.58萬元；節(jié)約的人工費(fèi)用預(yù)計降低成本60萬元。水電站分布式云監(jiān)控系統(tǒng)集控中心運(yùn)行現(xiàn)場如圖2所示，遠(yuǎn)程運(yùn)維節(jié)點(diǎn)智能手機(jī)運(yùn)維界面如圖3所示。隨著系統(tǒng)上線后示范作用逐漸增強(qiáng)，閩北流域多家中小型電站已進(jìn)入代管談判，預(yù)計2021年系統(tǒng)將擴(kuò)容至20個電站，超過4萬千瓦的總裝機(jī)容量。

4 結(jié) 語

水電站分布式云監(jiān)控系統(tǒng)利用成本低廉的樹莓派微型電腦作為電站控制節(jié)點(diǎn)，在云端部署開源且可靠的Redis存儲系統(tǒng)為服務(wù)器，任意地理位置分布的電站控制層節(jié)點(diǎn)PC與遠(yuǎn)程監(jiān)控層PC為客戶機(jī)，設(shè)計開發(fā)了成本低，容量彈性大，性能穩(wěn)定的監(jiān)控架構(gòu)，降低系統(tǒng)的推廣應(yīng)用難度，并可柔性移植于其他地域和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。利用開源軟件Python平臺，基于遠(yuǎn)程監(jiān)控可靠交互策略開發(fā)節(jié)點(diǎn)PC應(yīng)用軟件，系統(tǒng)上線運(yùn)行平穩(wěn)，監(jiān)控時延低，滿足用戶要求。系統(tǒng)逐步納入當(dāng)?shù)仉娬局悄芑\(yùn)維，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一運(yùn)維托管，不僅為公司帶來穩(wěn)定的托管分成收入，同時促進(jìn)流域電站提效增產(chǎn)，輻射帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，企業(yè)與老區(qū)群眾都從發(fā)電量增加、用工減少直接增加了經(jīng)濟(jì)效益。與此同時，可靠、智能的控制技術(shù)開發(fā)應(yīng)用于解決產(chǎn)業(yè)問題，向技術(shù)創(chuàng)新要發(fā)展，要效益，切合國家發(fā)展戰(zhàn)略，加速老區(qū)人口脫貧致富，社會效益不可估量。