湯利民，王大鵬，呂佩哲，杜保華，吳智群

（1.華能（浙江）能源開發(fā)有限公司長興分公司，浙江 湖州 313100；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安西熱電站信息技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054）

火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（supervisory information system for plant level，SIS）是一種基于信息通信技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和數(shù)據(jù)存儲等手段，將火電廠各種分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、過程控制系統(tǒng)（process control system，PCS）和電氣控制系統(tǒng)（electrical control system，ECS）的生產(chǎn)控制系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)匯集至生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（management information system，MIS），并利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、在線模型分析、熱力性能計算和應用功能擴展，實現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、信息與資源的充分利用和高效管理，最終為生產(chǎn)管理層提供生產(chǎn)過程監(jiān)視與生產(chǎn)管理指導和決策，以期優(yōu)化機組經(jīng)濟運行性能、提高火電廠整體效益[1-6]。

在火電廠日常分析和統(tǒng)計工作中，SIS實時或歷史數(shù)據(jù)不僅能夠反映機組、系統(tǒng)和設備的實時運行狀態(tài)和歷史運行工況，而且能夠提供生產(chǎn)指標統(tǒng)計、性能計算和經(jīng)濟性分析、設備可靠性監(jiān)測與統(tǒng)計等；還為企業(yè)MIS側(cè)其他應用系統(tǒng)如壽命管理系統(tǒng)、智能燃料管理系統(tǒng)、廠用電能耗評估系統(tǒng)、環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)回路在線評估系統(tǒng)、設備狀態(tài)在線評價系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)經(jīng)濟運行在線監(jiān)測系統(tǒng)等提供數(shù)據(jù)來源；甚至為所屬區(qū)域公司及集團公司、政府監(jiān)管部門提供必須的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)[7-15]：因此，SIS的實時或歷史數(shù)據(jù)被火電廠生產(chǎn)管理、運行、檢修相關(guān)技術(shù)人員以及上級單位和監(jiān)管單位廣泛的使用并依賴。

特別是近年來，伴隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，無論是針對長時服役機組基于深度學習技術(shù)開發(fā)的設備故障診斷或預警系統(tǒng)[16-17]，還是針對短時服役機組基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開發(fā)的機組或設備運行優(yōu)化系統(tǒng)[18]，亦或是針對新建機組基于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)探索智慧電站的建設[19]，都與SIS的實時或歷史數(shù)據(jù)密切相關(guān)。它已演變?yōu)榛痣姀S最基礎、最重要、最有價值的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，在火電廠日常生產(chǎn)分析活動中扮演著重要的角色。

SIS的實時或歷史數(shù)據(jù)來源分為現(xiàn)場一次測點數(shù)據(jù)和基于現(xiàn)場一次測點數(shù)據(jù)展開的性能計算數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)2大類，因此現(xiàn)場一次測點數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。

SIS的現(xiàn)場一次測點數(shù)據(jù)主要通過與生產(chǎn)控制大區(qū)的機組DCS、DEH、脫硫脫硝控制系統(tǒng)、輔網(wǎng)或公用控制系統(tǒng)（包含輸煤系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等）、遠動終端系統(tǒng)、升壓站網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)、電氣設備控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、供熱/供汽系統(tǒng)等生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，以OPC、MODBUS、電力IEC-102、電力IEC-103、電力IEC-104、環(huán)保HJ212通信協(xié)議以及一些非標準化定制接口的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集[20-25]。

由于通信接口種類龐雜、數(shù)據(jù)傳輸量大、數(shù)據(jù)通信能力不一、數(shù)據(jù)通信節(jié)點多、操作系統(tǒng)版本多樣、系統(tǒng)廠家實施水平參差不齊、非標準化定制接口穩(wěn)定性差等現(xiàn)實因素，增大了SIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性和復雜度。這對數(shù)據(jù)傳輸管理提出了更高的要求。

在新的行業(yè)背景下，除了做好相關(guān)的管理工作外，探索和開發(fā)新技術(shù)體系、建設數(shù)據(jù)傳輸服務系統(tǒng)以及智能監(jiān)控系統(tǒng)是大幅降低SIS數(shù)據(jù)傳輸中斷時間和頻率優(yōu)化措施之一。然而截至目前，針對數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的研究，并未見相關(guān)報道。

1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)及技術(shù)要求

火電廠SIS的數(shù)據(jù)主要來源于生產(chǎn)控制大區(qū)（Ⅰ區(qū)）。Ⅰ區(qū)部署接口機采用一對一網(wǎng)絡直連方式采集各生產(chǎn)控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，先經(jīng)過防火墻或正向型橫向隔離裝置傳輸至Ⅱ區(qū)實時數(shù)據(jù)庫匯集，再通過正向型橫向隔離裝置將數(shù)據(jù)傳輸至Ⅲ區(qū)鏡像數(shù)據(jù)庫，繼而實現(xiàn)SIS WEB應用、性能計算等系列功能。圖1是一種典型的的SIS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)[26-28]。

圖1 一種典型的SIS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.1 A typical SIS data acquisition and transmission network architecture

近年來，一些現(xiàn)場取消了Ⅱ區(qū)實時數(shù)據(jù)庫及相關(guān)設備，從Ⅰ區(qū)采集實時數(shù)據(jù)后直接通過正向型橫向隔離裝置傳輸至Ⅲ區(qū)實時數(shù)據(jù)庫。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種簡約的SIS數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡架構(gòu)不僅節(jié)約了硬件成本，而且減少了因數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點過多導致系統(tǒng)可靠性低、維護工作量大的問題。

對于SIS內(nèi)部數(shù)據(jù)的通信，主要有以下幾點技術(shù)要求：1）不能因為SIS故障或退出運行，使與其相連的DCS等生產(chǎn)控制系統(tǒng)的正常運行受到任何影響；2）SIS網(wǎng)絡帶寬應依據(jù)全廠接口通信數(shù)據(jù)量進行規(guī)劃，一般主干通信速率大于1 000 Mb/s，接口機及功能站的通信速率大于100 Mb/s即可滿足要求；3）SIS應能提供檢查數(shù)據(jù)通信故障的自診斷功能，應能自動識別、判斷網(wǎng)絡故障和設備故障的原因和出處，以提高自身可靠性。其報警功能應對系統(tǒng)維護人員排除故障起指導作用。從SIS大規(guī)模應用的現(xiàn)場使用情況看，技術(shù)要求第3點往往達不到。

一旦數(shù)據(jù)通信鏈路中出現(xiàn)軟硬件故障，SIS無法實現(xiàn)有效的自動告警和自我診斷，只能由值班人員主動發(fā)現(xiàn)異常并進行排查搶修。這不僅牽扯了多部門和專業(yè)維護人員的時間精力，還有可能造成SIS維護部門甚至火電廠被上級主管部門考核。

2 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

火電廠SIS的數(shù)據(jù)傳輸軟件一般有2種：一種是數(shù)據(jù)采集軟件，負責從生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送裝置中采集數(shù)據(jù)；另外一種是數(shù)據(jù)傳輸軟件，負責將數(shù)據(jù)采集軟件采集到的數(shù)據(jù)從Ⅰ區(qū)SIS接口機傳輸至Ⅱ區(qū)實時數(shù)據(jù)庫或Ⅲ區(qū)鏡像數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)讀寫操作。

在實際使用中，經(jīng)常會將數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)傳輸軟件交替部署，以延長數(shù)據(jù)鏈路和實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸與讀寫。

2.1 監(jiān)測位置的確定

無論采用何種數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)，由于SIS數(shù)據(jù)流均是從Ⅰ區(qū)生產(chǎn)控制系統(tǒng)側(cè)至Ⅲ區(qū)MIS側(cè)單向傳輸，Ⅲ區(qū)鏡像數(shù)據(jù)庫或?qū)崟r數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)流的終點，因此確定Ⅲ區(qū)鏡像數(shù)據(jù)庫或?qū)崟r數(shù)據(jù)庫服務器為最優(yōu)監(jiān)測位置，對Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)庫服務器上的數(shù)據(jù)傳輸軟件的數(shù)據(jù)實時性進行跟蹤監(jiān)測，以判斷整條數(shù)據(jù)傳輸鏈路的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)（圖3）。

圖3 SIS數(shù)據(jù)傳輸流程的監(jiān)測點選取Fig.3 Selection of monitoring points for SIS data acquisition and transmission process

2.2 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測方法

SIS接口機從多個廠內(nèi)生產(chǎn)控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，全廠內(nèi)采集的測點數(shù)量達到幾萬甚至十幾萬個。同時對如此多的測點進行實時監(jiān)測不僅沒有較大意義，而且浪費系統(tǒng)資源。因此只需對來自不同系統(tǒng)的個別關(guān)鍵測點進行監(jiān)測即可。

但是，不同系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議不盡相同。例如，數(shù)據(jù)采集軟件與遠動終端系統(tǒng)或者電能量系統(tǒng)通信采集電度表數(shù)據(jù)最常采用102協(xié)議。為避免通信中斷或數(shù)據(jù)異常，配置延遲一定時間進行數(shù)據(jù)采集。而與DCS通信使用的OPC協(xié)議中，數(shù)據(jù)采集不需設置延遲。因此，將監(jiān)控點位置選取在接口機前端并不適合。

本文將監(jiān)控點位置選取在MIS服務器側(cè)，通過對來自不同接口、不同測點的數(shù)據(jù)時標變化進行分析，利用測點時標與系統(tǒng)時間的差值作為判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正常的依據(jù)。一旦超過設定時長周期，出現(xiàn)某個測點數(shù)據(jù)的時標和值均未刷新，可以判斷該測點所屬接口異常，以告警的方式通知或督促相關(guān)維護負責人員及時進行檢查修復。如果出現(xiàn)多個不同接口測點數(shù)據(jù)同時停止刷新的情況，可以判斷Ⅱ區(qū)或Ⅲ區(qū)相關(guān)網(wǎng)絡設備或數(shù)據(jù)庫發(fā)生異常。

2.3 告警方式

考慮到電力網(wǎng)絡安全風險[29]，告警提示不能通過Internet公網(wǎng)以手機短信、微信等方式發(fā)送，而是限制在企業(yè)局域內(nèi)網(wǎng)。騰訊通RTX（簡稱RTX）是騰訊公司推出的企業(yè)級即時通信平臺，為企業(yè)局域內(nèi)網(wǎng)提供了文本會話、語音視頻短信、文件傳輸?shù)葴贤üδ?，安全性高、運行成本低，并且開放了二次開發(fā)接口[30-32]。通過將SIS數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)與RTX集成，利用RTX高效的消息推送功能發(fā)布告警信息，是一種適合于企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)方案。

3 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

3.1.1 開發(fā)環(huán)境

基于傳輸監(jiān)測的設計思路，考慮到監(jiān)測程序自身必須具備的高可靠性和將來代碼的可維護性以及與即時通信接口的兼容性，選擇C#作為編程語言，開發(fā)一套基于C/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，部署于Windows 2012 server進行24 h不間斷監(jiān)測。其編程界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)C#編程界面Fig.4 C# programming interface of the data transmission monitoring system

系統(tǒng)頁面主要分為配置頁面和運行顯示頁面，其窗體由.NET框架類庫的System.Windows.Forms控件中定義的Form類來構(gòu)建。

3.1.2 實現(xiàn)方法

調(diào)用基于組件對象模型（component object model，COM）的應用程序編程接口（application programming interface，API）數(shù)據(jù)，進行實時判斷，并通過騰訊通RTX為第三方應用提供的軟件開發(fā)工具包（software development kit，SDK）以實現(xiàn)告警功能調(diào)用和系統(tǒng)集成。數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的運行邏輯流程如圖5所示。其主要運行流程如下：

圖5 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的運行邏輯流程Fig.5 Operation logic flow chart of the data transmission monitoring system

1）系統(tǒng)運行，計時器開始，首先讀取系統(tǒng)配置信息。

2）系統(tǒng)分別連接數(shù)據(jù)傳輸軟件和RTX服務器。如果二者連接成功，繼續(xù)下一步；否則，進入下一輪監(jiān)測。

3）根據(jù)配置信息，從數(shù)據(jù)傳輸軟件中讀取數(shù)據(jù)最新值與時標。

4）系統(tǒng)通過計算測點時標與系統(tǒng)時間的差值來判斷數(shù)據(jù)刷新是否正常，判斷數(shù)據(jù)刷新是否超時。如果未超時，在運行顯示界面實時顯示各接口監(jiān)測信息；一旦刷新超時，立即觸發(fā)SDK調(diào)用API實現(xiàn)RTX告警消息推送，并在運行顯示界面實時顯示接口告警信息。

5）通過計時器循環(huán)進入下一輪監(jiān)測，亦或者手動退出系統(tǒng)結(jié)束監(jiān)測。

3.1.3 監(jiān)測代碼舉例

以下代碼用于實時數(shù)據(jù)接收超時的判斷，并輸出告警顯示。

3.2 系統(tǒng)配置

數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的配置頁面分為基本信息配置頁面和監(jiān)測參數(shù)配置頁面。

基本信息配置頁面如圖6所示，主要配置RTX服務器IP地址和通信端口、RTX信息發(fā)送賬號和密碼、SIS數(shù)據(jù)傳輸軟件IP地址和賬號密碼。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的基本信息配置頁面Fig.6 Basic information configuration page of the data transmission monitoring system

監(jiān)測參數(shù)配置頁面如圖7所示，主要配置數(shù)據(jù)來源接口、測點名稱、接口負責人、負責人RTX賬號。其中的測點是從每個生產(chǎn)控制系統(tǒng)里挑選的關(guān)鍵參數(shù)，如1號機組DCS的機組負荷測點。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)配置頁面Fig.7 Monitoring parameter configuration page of the data transmission monitoring system

3.3 運行界面

數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的運行界面如圖8所示。圖8中：左側(cè)顯示的是所有SIS接口機數(shù)據(jù)傳輸正常的情況；右側(cè)顯示的是供熱接口機數(shù)據(jù)傳輸異常的情況，在故障接口機列表中顯示了供熱系統(tǒng)測點最后的數(shù)據(jù)刷新時間、需要聯(lián)系的運維人員和聯(lián)系方式。圖9給出了數(shù)據(jù)傳輸異常情況的RTX告警消息推送界面。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)運行界面Fig.8 Operation interface of the data transmission monitoring system

圖9 RTX告警消息界面Fig.9 RTX alarm message interface

4 監(jiān)測效益

本文技術(shù)實現(xiàn)了對SIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)測與告警，具有以下效益：

1）能幫助相關(guān)負責人及時發(fā)現(xiàn)并處理SIS數(shù)據(jù)傳輸故障，節(jié)省監(jiān)視SIS運行的時間精力；

2）減少SIS故障導致的數(shù)據(jù)傳輸中斷時間，降低了對SIS應用功能的影響，降低了被上級單位或監(jiān)管機構(gòu)考核的風險；

3）提升SIS在未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析中的應用前景。

5 結(jié) 語

工業(yè)信息化的發(fā)展使得SIS的作用越來越重要。本文介紹了監(jiān)測SIS數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定性的意義和思路；依托企業(yè)級即時通信平臺騰訊通，開發(fā)了基于SIS的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)；實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸中斷及時告警，并為故障排查提供可靠依據(jù)，減少了SIS數(shù)據(jù)傳輸中斷時間。本文研究結(jié)果對于火電廠具備一定的推廣價值和借鑒意義。