內外通信互聯模式下水電站計算機監控通信系統的升級與應用

劉仙玉，張仁貢

(1.珊溪水力發電廠，浙江 溫州 325304；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231)

內外通信互聯模式下水電站計算機監控通信系統的升級與應用

劉仙玉1，張仁貢2

(1.珊溪水力發電廠，浙江 溫州 325304；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231)

針對珊溪水力發電廠計算機數據通信系統存在的運行不穩定問題，從硬件和軟件兩個方面進行了重新設計與應用。設計與應用過程中采用了目前最先進的硬件配置以及一系列現代的軟件升級核心技術。軟件升級核心技術包括：內外通信互聯的層次化構架技術、、內外通信互聯的應用層設計技術、內外通信互聯的數據庫和目錄管理技術等。應用實踐表明，通過精心設計后的新型計算機數據通信系統，運行穩定，安全可靠，同時具有一定的先進性和代表性，可以為其他水電站數據通信系統的設計、開發、改造和升級提供借鑒。

通信系統；數據；計算機監控；水電站；珊溪

0 引言

水電站通信系統是水電站綜合自動的重要環節，它是架起水電站計算機監控系統和電網監控中心的橋梁[1]，它為水電站計算機監控、自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）以及水電站防洪和水情測報提供調度決策數據。珊溪水力發電廠的通信系統與計算機監控系統同時建設，計算機監控系統經過幾次更新改造后，性能不斷提高，不斷滿足了水電站現代自動化的需求。但是水電站的通信系統一直沒有進行改造和升級，不能滿足整個電網的現代化需要，時常出現故障和系統協調配合問題。筆者結合珊溪水力發電廠的硬件、軟件的實際，通過對水電站計算機監控中心的通信部分系統進行改造和升級，應用了一系列現代的通信硬件和軟件技術，使該水電站通信系統滿足電網和電站綜合自動化的要求[2-3]，本文將結合珊溪水力發電廠對水電站通信系統改造和升級進行詳細論述，便于同類電廠單位借鑒。

1 總體構架

本水電站數據通信系統改造和升級后分為內部通信模塊和外部通信模塊兩個部分，內部數據通信模塊主要針對水電站內部數據，數據庫采用Oracle 9i進行開發管理[4-5]，而外部數據通信模塊采用目錄管理形式。新型系統構架設計如圖1所示。

圖1 珊溪水力發電廠新型數據通信系統設計構架圖

從圖1中可以看出，內部數據通信模塊可以與計算機監控中心、各個機組LCU、視頻監控系統等進行通信，通信數據采用Oracle 9i數據庫[5]進行管理，通過由供應商提供的數據庫引擎接口訪問內部數據庫；外部數據庫采用目錄進行管理，管理員利用目錄管理軟件，通過數據庫引擎，可以與內部數據庫進行數據交換；同時外部數據通信模塊由內部數據通信模塊進行調用，外部數據通信模塊到內部數據通信模塊是一個單向的數據流，這有利于保證內部數據通信模塊的安全性。

2 硬件系統的改造與升級

（1）更新通信工作站。依據浙江省省調要求，珊溪水力發電廠數據通信系統原來使用了1U型機架式工作站作為通信機，共配置兩臺研華工控機互為備用，主要功能是保持與省調進行實時數據交換，包括雙路101通道、雙路104通道。但是2008年投產半年后2號通信機不定期發生死機現象，系統重裝后情況依舊，并于2010年底因硬件故障導致無法開機，珊溪水力發電廠與省調僅通過單路通道保持通信，不符合“兩項細則”考核要求。為此珊溪水力發電廠更換兩臺通信機為HP Z400工作站。每臺工作站主機主要配置為∶CPU∶Intel Xeon四核W3550型CPU；主頻∶3.06GHz；內存∶4GB；硬盤∶160GB；光驅∶DVD-ROM；網卡∶100M網口×4（外置網卡使用PCI-E接口）；顯卡∶FX380圖卡；標準鍵盤鼠標等。

（2）新建歷史數據工作站。2008年計算機監控中心改造時未考慮通信系統的歷史數據保存功能劃分，目前使用兩臺數據服務器主機處理實時數據同時兼做歷史數據站，經多年運行歷史數據庫日益龐大，導致兩臺數據服務器負擔加大，因此單獨購買了一臺HP Z600工作站作為歷史數據服務器保存歷史數據。歷史工作站主機配置為∶CPU∶Intel Xeon四核X5667型 CPU；主頻∶3.2GHz；緩存∶12M；內存∶4GB；硬盤∶160GB×3；光驅∶DVD-ROM；網卡∶100M網口×2；顯卡∶FX380圖卡；標準鍵盤鼠標等。

（3）重新進行現地控制單元系統配置。現地控制單元系統配置就是使PLC系統的硬件結構與其上運行的軟件功能完全吻合，是軟件一個重要功能，是編制調試PLC控制程序的基礎。為了使軟件能夠適應硬件更新情況下的系統硬件組合，軟件中系統配置的內容與步驟如下∶①選擇機架類型和電源模塊；②配置CPU模塊，以符合系統更新升級的應用需求；③配置I/O等其他模塊，并根據系統更新升級的應用需求設置相應通道的屬性；④保存配置信息，生成配置文件，并通過以太網將配置文件下載到主控制器（CPU模塊）。

3 軟件系統升級核心技術

珊溪水力發電廠數據通信系統開發過程中涉及的一些通用技術機制不勝牧舉，以下只介紹本系統開發的核心技術機制，這些核心技術機制是計算機技術結合系統功能特性進行研究的成果，具有一定的前沿性和創新性，它們包括內外通信互聯的層次化構架技術、內外通信互聯的應用層設計技術、內外通信互聯的數據庫和目錄管理技術等。

3.1 內外通信互聯的層次化構架技術

該系統改造升級過程中，主要分為三層進行設計，分別為硬件層、軟件層和客戶層，如圖2所示。硬件層由數據庫服務器、WEB服務器、以太網、交換機、水電站工作站群組成，數據庫服務器安裝在發電廠監控中心，WEB服務器安裝在副廠房辦公樓的網絡管理中心，以太網和水電站采用以太網鏈接，水電站工作站群安裝在水電站監控中心室。軟件層由數據庫、數據庫引擎及數據庫管理系統[3]、WEB應用層、通信接口、進程和界面組件等組成，完成數據的訪問、傳輸和控制等功能。客戶層包括數據庫設計員、數據庫管理員、WEB管理員、軟件工程師和水電站職工群等，主要完成整個系統的設計、管理、維護、應用和實施。

圖2 內外通信互聯的層次化網絡拓撲結構圖

從圖2可知，內部數據通信系統的構架模式是采用了C/S的構架模式，而外部數據通信系統采用基于B/S的構建模式。內部數據通信系統與外部數據通信系統之間采用了SQL數據引擎與WEB應用層鏈接，同時應用層采用了基于ASP.NET的空間設計技術以提高其安全性能。

3.2 內外通信互聯的應用層設計技術

由于電網監控中心、WEB生產管理系統、大壩安全管理系統等平臺的客戶群訪問數據庫時需要經過WEB應用服務器，WEB應用服務器中安裝了由ASP.NET開發的應用組件[4]，WEB應用層采用ASP.NET的空間設計技術，它由業務外觀空間、業務邏輯空間、數據訪問空間、通用配置空間等組成，各個空間層次關系如圖3所示。

圖3 WEB應用層結構關系圖

對各個空間組件進行基于類的設計，形成了基于面向對象的空間層次結構，如圖4所示。

圖4 內外通信互聯的類層次結構圖

從圖4可知，數據層和數據訪問層作為內部數據通信類層，系統框架層和業務邏輯層為互聯類層，而業務邏輯層、業務外觀層和WEB表示層可以作為外部數據通信類層。采用層次化類的設計其優點在于，當用戶數據經過WEB表示層、業務外觀空間、業務邏輯空間訪問內部數據通信類層時，必須先經過互聯類層。因此可以在互聯類層的系統框架層和業務邏輯層的空間中進行安全設計。具體設計方法是∶在ASP.NET里面Crypttography命名空間下定義了3種類型的加密方法，對稱加密，MD5加密和哈希加密，該系統應用了前兩種，同時加入界面的登錄驗證。

3.3 內外通信互聯的數據庫和目錄管理技術

由于水電站計算機監控的狀態數據量比較大，如果把各種數據信息的內容全部保存在商業數據庫中，必定占用大量的歷史數據庫空間資源。為此在存儲文件、空間、視頻等特殊數據信息時只存儲文件的訪問路徑、標題和時間等信息，而不保存信息具體的內容，通過現地控制單元軟件平臺上傳的信息以文件的形式保存在WEB服務器的硬盤中。由數據庫表存儲基本數據，而將具體內容以文件形式保存在硬盤中，并通過路徑、目錄以及文件名等信息將數據庫與文件集成鏈接，這樣不但節約了歷史數據庫寶貴的空間資源，而且通過上傳附加文件的形式，把主文件和多個附加文件做好超級鏈接后一起上傳，從而很好地解決了特殊信息內容中需要二級或多級鏈接的問題。數據庫與文件集成化數據存儲模型如圖5所示。

圖5 歷史數據庫與文件集成化數據存儲模型

珊溪水力發電廠的歷史數據庫表的創建也保存在目錄管理中，可以采用通用數據庫語言SQL語言[6]來創建數據表。當數據表創建后，就可以對實時數據表進行目錄備份了。珊溪水力發電廠的通信系統歷史數據采用了ftp目錄備份工具進行備份，將主機（原歷史服務器）中需要備份的歷史數據拷貝到新的歷史服務器對應的目錄中。注意∶拷貝過程中，部分文件要拷貝完全。打開ftp工具，在“會話”中選擇“快速連接”，在彈出對話框中，“服務器”欄填寫歷史服務器或主機（原歷史服務器）ip地址，“用戶名”欄填寫 mysql，“密碼”欄填寫 mysql，點擊“連接”。連接正常后，右邊欄應該是歷史服務器或主機（原歷史服務器的）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據進行拷貝。例如要備份2011年歷史數據，以模擬量為例，其文件如下∶

4 應用和維護

4.1 主要特點

系統改造升級后的主要特點包括∶

（1）從硬件和軟件兩個方面進行了更新改造，同時對控制系統進行重新配置，提高了LCU層和控制中心的通信效率。

（2）在方案設計上分為內部通信和外部通信兩個部分，在保證了內部通信安全性的同時，采用多種加密技術保證了外部通信的安全，使電網監控中心、WEB生產管理系統、大壩安全管理系統等平臺能夠共享監控數據。

（3）采用商業數據庫和目錄管理相互結合的方式，增強了歷史數據的運行、管理和維護功能。

4.2 運行維護

由于水電站的數據量比較大，運行時間越長，數據庫就會越大，為了防止數據庫的無限膨脹，通信系統的歷史數據庫管理系統對數據采用了自動維護方式。根據珊溪水力發電廠的運行要求，定時采集的數據在數據庫中保存了15d，15d后其數據的采樣頻率改為5min一點，30d后改為10min一點，60d后改為30min一點。180d后數據將被刪除。

對各種信息保存時間也不一樣，一般一覽表信息僅保存最近10000條記錄，狀態變位、輔助設備啟停等事件數據信息保存2年，統計信息保存2年。

珊溪水力發電廠通信系統的歷史數據庫維護操作由歷史數據庫管理系統自動完成，無需人為干預。

珊溪水力發電廠通信系統的歷史數據庫在主/從方式下，由歷史數據庫管理系統決定主/從狀態，實時數據庫數據發布系統與主歷史服務程序鏈接和交換數據[7]。主/從數據庫之間的數據備份由歷史數據庫管理系統自動完成。Java應用接口也會自動判別主/從狀態，并始終與主歷史數據庫服務器保持鏈接，保證查詢結果的可靠。

5 結語

珊溪水力發電廠通信系統的升級與改造成功主要有兩個方面，一方面從硬件上選用了最新的硬件設備，性能優良。其次軟件開發選用了最新的關鍵技術，并在實踐應用中針對珊溪水力發電廠的實際情況進行了優化配置、設計和開發。由于計算機技術不斷在發展，綜合自動化要求也在不斷提高，將在以后的實踐中加強研究，且對珊溪水力發電廠的通信系統進行不斷地升級。

[1]楊 武.水電站綜合自動化數據庫管理系統的研究[J].機電工程技術，2008（7）：33-35.

[2]徐金壽，張仁貢.水電站計算機監控技術與應用[M].杭州：浙江科學技術出版社，2007.

[3]張仁貢.水電站動力特性分析軟件的開發與應用[J].水利水電技術，2006（8）：68-70.

[4]American Institute of down-to-earth quality of learning.Microsoft SQL Server 2005Based Technology[M].World Book Publishing Company，2007.

[5]Wiley-Wrox.Beginning Database Design[M].E-books，2008.

[6]王 娟，邱宏茂，劉俊民，等.一種數據庫記錄遷移和清除機制的實現[J].核電子學與探測技術，2008（5）：608-611.

[7]朱 亮，劉椿年，王士軍.關系數據庫中基于區域聚類的多區域查詢優化[J].北京工業大學學報，2008（7）：773-779.

TP315

B

1672-5387（2014）02-0020-04

2014-01-11

國家自然科學基金（60874074）；國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAD10B01）

劉仙玉（1945-），男，高級工程師，研究方向∶水電站運行與管理。