一類新的電站仿真系統報警機制研究及實現

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報警機制研究及實現

王繼華

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

結合電站仿真系統報警機制實時處理、快速查詢、高效存儲的基本要求，以及近年來提出的預告警、設備模擬發聲、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，依據軟總線技術、分布式存儲技術、大數據分析技術提出了一種新的基于事件驅動的高效、穩定的報警機制。詳細給出了報警機制的數學模型、程序模型、實現結構、細節處理過程。最終給出了結論與展望。

電站仿真系統；報警機制；數學模型

0 引言

在電站仿真系統中，報警系統通過實時獲取過程參數的動態信息，經過既定報警邏輯規則判斷，實現了機組仿真運行狀態監視、事故預警、事件順序記錄等功能[1]。

大量學者[2-5]針對真實分散控制系統的報警機制進行了深入研究，但由于電站仿真系統自身獨有的屬性，比如：一機多模引發的監控點數據量倍增、回退工況引發的報警數據雪崩式出現、大范圍大規模仿真系統運行引發的歷史數據規模幾何式增長、分布式仿真系統引發的信息網絡化共享、學員成績考核引發的報警庫歷史數據查詢頻繁化與復雜化激增等，這些特點使得電站仿真系統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從單機模式到互聯網模式的發展歷程；提出了仿真系統框架結構與報警機制的設計思路；建立了仿真報警機制的數學模型、程序模型，闡述了實現結構與細節描述；最終給出了結論與展望。

1 仿真系統的發展歷程

根據仿真系統的物理布局特點及實現方式，電站仿真系統分為無網單機運行仿真、局域網運行仿真、互聯網運行仿真。結合傳統的依據控制邏輯與電站HMI界面[6]實現方式標準的劃分，將其關系展示如表1所示(注：√表示仿真系統于此模式下可運行)。

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

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，故上述仿真系統無法單機運行。

(2)局域網運行仿真——在固定的局域網環境下多臺操作員站可同時進行操作學習的仿真系統，常用于培訓中心、電站仿真機室。具有靈活分組、現場集控室逼真化再現等特點。

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。

(3)互聯網運行仿真——基于互聯網環境的仿真系統，用戶可以在連接互聯網的前提下隨時隨地進行仿真系統的使用，大大提高了使用率。

此模式下無法使用基于DCS廠家特殊設備的仿真系統。

表1 仿真系統的分類

2 仿真系統及報警機制的結構設計

電站仿真系統分為服務器端和客戶端，二者通過互聯網實現數據連接，其大致布局如圖1所示。

圖1 仿真系統及報警機制框架

2.1 仿真系統結構

服務器端的代理服務器(SLAVE PROXY)外部與網絡直接相連，內部通過以太網總線(ETHERNET BUS)與其它設備進行數據通訊。該設備確保了各客戶端的正常連接，同時實現了訪問數據的負載均衡。

服務端的網絡上同時連接有多套仿真機組 (SIMULATOR)的運行環境、主(備)歷史服務器(SIM HIS)以及認證服務器等其它設備。

客戶端可以直接連接于互聯網，也可以通過代理服務器成組連接于互聯網，確保客戶可以靈活方便地使用仿真系統。

2.2 報警機制結構

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

2.2.1 軟總線設計

每一套單獨仿真系統內部包含多個運行模塊(示意圖中僅列出了和報警系統有關的個別模塊)。為了保證各個模塊高聚合、低耦合地運行，此處借鑒了設備總線數據傳輸的特點，設計了軟總線(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確無冗余地接收到相應數據，同時為各個模塊規范了標準的通訊接口，方便了功能的實現。

2.2.2 事件驅動設計

傳統的報警系統均采用循環掃描報警監視點的方式來判斷是否達到報警標準。隨著報警監視點的大規模增加，同時考慮到工況穩定運行的情況下幾乎沒有報警發生，這種基于時間驅動的循環掃描方式便異常浪費資源。

本文將數據掃描工作轉移到數據監視引擎(MON ENG)，其將實時數據庫(RTDB)的變化消息通過軟總線發送給各個模塊，同時將報警系統設計為事件驅動，從而確保了報警系統高效率運行。

2.2.3 分布式存儲設計

傳統的報警歷史與仿真系統存儲于同一臺設備，此布局不利于多機組、大規模、長時間的仿真運行。

本文設計分布式數據存儲結構，將其歷史信息分散于各個仿真系統與主備歷史庫中。實現了所有仿真系統的歷史數據的統一管理，同時也為多套系統歷史信息數據挖掘提供了方便。

3 報警機制的模型設計及實現

結合康托爾集合理論為報警機制建立相應數學模型。

3.1 數學模型

將報警監控點(Point)定義為集合P

式中：pi表示第i個監控數據點的信息；m表示所有監控點的總數。

將報警規則類型(Rule)定義為集合R。

式中：rj表示第j類監控判定規則的信息；n表示所有監控判定規則的總數。

則P×R二元組表示所有報警條目的觸發條件，其維度為m×n。

將所有報警條目的觸發條件是否生效(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所有報警條目觸發(Trigger)的規則條件，將其中非零元素組成的集合記作T。

仿真系統運行后產生的報警信息條目(Alarm)表示為一個有序多重集合A

式中：ai,j表示第i個監控數據點的第j類判定規則ti,j觸發的報警信息。元素ai,j包含了報警點的基本信息、觸發時間、復位時間、復位人員、復位與確認標識等。

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)：事件響應系統被調用，從事件消息結構中提取信息。如果是報警確認消息則轉入STEP2；如果是變量更新消息則轉入STEP1；否則轉入END。

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

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

STEP3(規則判斷)：更新pi信息，循環搜索pi所對應的規則判定條件ti,j并執行判定。循環完畢后轉入END。循環過程中若ti,j觸發了報警，則轉入STEP4，若ti,j沒有觸發報警，則轉入STEP5。

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

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

STEP6(確認處理)：將搜索到的集合元素置確認標志，返回END。

END(結束處理)：等待下次事件調用。

圖2 程序流程圖

3.3 模型實現

報警機制的實現框架如圖3所示。

服務器報警部分為消息處理實現過程，其中主要數據結構包括監視點數據庫(MONPNTLIB)、規則數據庫(RULESLIB)、報警信息緩存區(ALMCACHE)；主要系統包括事件響應系統(EVENTRSPSYS)、規則判定處理系統(KERNELSYS)、報警庫管理系統(ALMLIBSYS)。

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

其中報警庫管理系統實現了報警服務器與歷史站報警部分、客戶端報警部分的連接。

圖3 報警機制的實現框架

3.4 模型實現細節

3.4.1 搜索定位設計

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

本文在三種數據結構：監視點數據庫、規則數據庫、報警信息緩存區中互相建立完善的指針連接結構。實現了信息直接定位，避免了系統的搜索問題，將時間復雜度降低為常數級，提升了運行效率。

3.4.2 歷史緩存的設計

傳統的報警信息發生后即時入庫，不利于報警條目的搜索置位，倘若發生IO阻塞后果將更為嚴重。

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

3.4.3 預報警的設計

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

3.4.4 設備模擬發聲的設計

設計了事故報警集合元素的顯示、發聲屬性，通過配置實現了設備動作模擬發聲但不顯示的功能。

3.4.5 頁面推送的設計

在警監控點集合中增加HMI界面鏈表，進而為報警條目提供了畫面跳轉的接口。

3.4.6 事故診斷功能的設計

設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。

該過程的實現基于分布式的大數據分析技術，將其轉換為基于高維度大型稀疏矩陣的運算，進而轉化為維度降階的MAP與適配值尋優的REDUCE函數，最終得出事故診斷結果。

3.4.7 多優先級別報警規則設計

數據模型中提到的報警規則類型文件中各條報警規則可以依據不同嚴重程度設定相應優先級，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計

常規的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信息功能同步。傳統的報警機制無法實現上述功能。

本文設計完善了規則庫的內容。在規則庫的判定信息中設計增加了該信息被自動確認的數據點。這樣就保證了HMI的確認信息經模型運算后可以再次傳遞給報警系統；同時滾動條確認時同步HMI發送確認消息。進而確保了二者的同步。

4 結論

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

隨著分布式、大數據技術的廣泛應用，仿真系統運行所生成的巨量數據，尤其是報警機制產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；挖掘其內部信息及外部信息將有利于仿真系統的更加完善、運行人員綜合素質的進一步提升，電站系統更持久穩定的安全生產。

[1]徐嘯虎,渠海珊,周克毅,等.電站仿真機報警系統設計及應用[J].系統仿真學報,2009,21(20):6639-6642.

[2]HWANGSL,LINJT,LIANGGF,etal.Applicationcontrolchartconceptsofdesigningapre-alarmsysteminthenuclearpowerplantcontrolroom[J].NuclearEngineeringandDesign, 2008, 238(12): 3522-3527.

[3]吳娟娟, 冷杉, 張才科, 等.TXP虛擬機的報警系統實現[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(9):118-121.

[4]曾飛,張勇,劉玙,等.電力系統故障診斷的時序模糊邏輯推理方法[J].華北電力大學學報(自然科學版),2014,41(1):7-14.

[5]宋曉玉, 施波, 馬建新. 大型DCS系統報警處理的關鍵技術[J].自動化儀表,2011, 32(7):61-65.

[6]王繼華,周建章,張偉,等. 一種新的虛擬仿真HMI技術研究及實現[J].化工自動化及儀表,2013,40(10)：1296-1299.

[7]王繼華，嚴明，張偉，等.OVATION系統虛擬仿真技術研究與實現[J]. 電力科學與工程, 2014, 30(4)：43-47.

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開發，E-mail：wangjihua@ncepu.edu.cn。

TP391

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