流域集控異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪 林，陳 鵬，魏 鵬，戴宏偉，王宇航

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051；2.南瑞集團(tuán)有限公司， 南京 211106)

0 引 言

為了科學(xué)利用流域水能資源，提升電站運(yùn)維人員生活品質(zhì)，國(guó)內(nèi)大型水力發(fā)電企業(yè)均相繼建成了流域水電站群集控中心[1,2]。流域集控中心一般具備四大功能：電力運(yùn)行、水庫(kù)調(diào)度、生產(chǎn)管理、應(yīng)急指揮。遠(yuǎn)動(dòng)通信是指應(yīng)用通信技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)方的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程信號(hào)、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)等各項(xiàng)功能，其承擔(dān)著梯級(jí)流域信息傳輸?shù)闹負(fù)?dān)，是實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)行中監(jiān)視及控制的主要技術(shù)手段。在遠(yuǎn)動(dòng)通信中，為了正確傳送和接收信息，必須有一套信息傳輸順序、信息格式和信息內(nèi)容等的約定，這一套約定稱為規(guī)約或協(xié)議。IEC60870-5-104通信協(xié)議是國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)為了將IEC60870-5-101遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議用于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)而制定的，能滿足監(jiān)視控制信息的傳輸要求。同時(shí)在實(shí)時(shí)性，信息有效率，準(zhǔn)確性，信道占用率這4個(gè)方面均表現(xiàn)良好，適用于我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際情況，兼容性良好、標(biāo)準(zhǔn)且方便管理。目前包括流域集控中心在內(nèi)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用IEC60870-5-104規(guī)約與各個(gè)水電站之間進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)通信。

流域集控中心與各級(jí)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)(地調(diào)、省調(diào)、網(wǎng)調(diào))的區(qū)別在于，流域集控中心一般需要對(duì)水電站進(jìn)行全監(jiān)全控。這也就導(dǎo)致常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)通信中的一些問(wèn)題更加突出：①集控中心與水電站的SCADA系統(tǒng)多為異構(gòu)系統(tǒng)，水電站側(cè)無(wú)論是維護(hù)還是改造經(jīng)常要修改SCADA后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，集控中心都要做相應(yīng)的修改，否則就會(huì)導(dǎo)致集控中心與水電站的數(shù)據(jù)不一致，這種不一致不僅會(huì)影響監(jiān)視，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致誤判斷和誤操作，最終影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。②遠(yuǎn)動(dòng)通信信息點(diǎn)表數(shù)據(jù)規(guī)模大(數(shù)萬(wàn)點(diǎn))，全站所有的四遙量分別在各自的一張總表里，修改時(shí)需要先查找，然后逐條進(jìn)行修改和檢查。并且集控中心和水電站不同地點(diǎn)不同人員進(jìn)行不完全同步的修改，極易出錯(cuò)。因此，要提出一種異構(gòu)SCADA系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的方法，在確保安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高工作效率。

1 流域集控遠(yuǎn)動(dòng)通信原理

包括IEC60870-5-104在內(nèi)的遠(yuǎn)動(dòng)通信，能夠進(jìn)行信息的傳遞，依賴的是通信雙方事先按照協(xié)議中的定義對(duì)所有的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了地址的編排。地址的編排是一種映射，對(duì)應(yīng)著圖2中的映射2。在水電站SCADA系統(tǒng)中通常會(huì)建立一張遠(yuǎn)動(dòng)信息點(diǎn)表，這張表用于保存遠(yuǎn)動(dòng)通信的所有上行、下行測(cè)點(diǎn)信息，以及測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)編碼信息和IEC60870-5-104對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系就是圖1中的映射1和映射3。整個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)通信的準(zhǔn)確性與這3個(gè)映射的正確與否相關(guān)。

圖1 流域集控遠(yuǎn)動(dòng)通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of basin-controlled remote control communication

2 水電站SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象

數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的基礎(chǔ)是能夠解析異構(gòu)的流域集控中心和各個(gè)水電站SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)象。在SCADA系統(tǒng)軟件中定義的數(shù)據(jù)對(duì)象包含了數(shù)值、屬性和方法，這些數(shù)據(jù)對(duì)象通常被稱為測(cè)點(diǎn)或點(diǎn)[3]。這些數(shù)據(jù)的變量特征、報(bào)警限值和刷新死區(qū)等屬性，以及是否報(bào)警和是否記錄等操作方法，被封裝成一個(gè)整體來(lái)對(duì)外提供服務(wù)。

2.1 測(cè)點(diǎn)樹結(jié)構(gòu)

在水電站SCADA系統(tǒng)中，所有的測(cè)點(diǎn)都掛在分層的樹形結(jié)構(gòu)中，最終形成一棵“測(cè)點(diǎn)樹”，測(cè)點(diǎn)樹結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)樹結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Survey point tree structure

測(cè)點(diǎn)樹中有三種類型的節(jié)點(diǎn)：根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)是同一棵樹中除本身外所有節(jié)點(diǎn)的祖先，沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)的作用主要是形成測(cè)點(diǎn)樹的基本結(jié)構(gòu)，它的子節(jié)點(diǎn)可以是中間節(jié)點(diǎn)，也可以是葉節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)是具有一定的實(shí)際意義的，可以是指某個(gè)實(shí)際的時(shí)間單元、空間單元或物理設(shè)備，也可以是指抽象的邏輯功能單元。葉節(jié)點(diǎn)指的是測(cè)點(diǎn)，沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)可以是實(shí)際的I/O量，也可以是虛擬的，各個(gè)SCADA系統(tǒng)中特有的復(fù)雜的測(cè)點(diǎn)類型，例如組合測(cè)點(diǎn)等。

2.2 測(cè)點(diǎn)編碼

國(guó)內(nèi)主流水電站SCADA系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)編碼如表1。

表1 主流水電站SCADA系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)編碼Tab.1 Point codes for SCADA systems of mainstream hydropower stations

結(jié)合2.1中的測(cè)點(diǎn)樹，發(fā)現(xiàn)水電站SCADA系統(tǒng)在對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編碼時(shí)使用的規(guī)則基本類似。測(cè)點(diǎn)的編碼信息就是測(cè)點(diǎn)在測(cè)點(diǎn)樹中的位置信息。只不過(guò)不同的系統(tǒng)中樹的層級(jí)總數(shù)不同，反映在編碼上也就是編碼的位數(shù)不同，例如在表一中，中水科H9000系統(tǒng)采用四位編碼，而其余兩個(gè)系統(tǒng)采用的是五位編碼。另外不同的系統(tǒng)中每位編碼的長(zhǎng)度也不相同，命名也有各自的定義。

為了進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，需要將測(cè)點(diǎn)編碼進(jìn)行統(tǒng)一。同時(shí)遠(yuǎn)動(dòng)通信采用的是IEC60870-5-104協(xié)議，所以在編碼時(shí)進(jìn)行綜合考慮。形成五位編碼：

P1.P2.P3.P4.P5

編碼中，P1表示測(cè)點(diǎn)的第一層位置信息，可用于標(biāo)識(shí)廠站號(hào)，對(duì)應(yīng)于104的公共地址1；P2表示測(cè)點(diǎn)的第二層位置信息，可用于標(biāo)識(shí)單元號(hào)，對(duì)應(yīng)于104的公共地址2；P3表示測(cè)點(diǎn)的第三層位置信息，可用于標(biāo)識(shí)設(shè)備對(duì)象號(hào)或LCU號(hào)，對(duì)應(yīng)于104 的信息體地址1；P4表示測(cè)點(diǎn)的第四層位置信息，可用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)類型，對(duì)應(yīng)于104的信息體地址2；P5表示測(cè)點(diǎn)的第五層位置信息，可用于標(biāo)識(shí)測(cè)點(diǎn)序號(hào)，對(duì)應(yīng)于104的信息體地址3。

2.3 測(cè)點(diǎn)屬性

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)時(shí)，除了要比對(duì)測(cè)點(diǎn)描述外，也要比對(duì)一些關(guān)鍵屬性。因?yàn)榱饔蚣刂行脑趯?duì)水電站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，常會(huì)由于測(cè)點(diǎn)的關(guān)鍵屬性不一致，而導(dǎo)致數(shù)值顯示異常、報(bào)警混亂，甚至是下發(fā)控制錯(cuò)位等問(wèn)題，影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。

遠(yuǎn)動(dòng)通信進(jìn)行傳輸時(shí)，涉及四遙量，包括：遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)。對(duì)于各種不同的數(shù)據(jù)類型，除了編碼和描述，直接影響監(jiān)視和控制的關(guān)鍵屬性還包括：①遙測(cè)：高高限、高限、低限、低低限、報(bào)警與否、報(bào)警級(jí)別、記錄與否、比例系數(shù)。②遙信：復(fù)歸描述、動(dòng)作描述、是否報(bào)警、報(bào)警級(jí)別、記錄與否。③遙控：無(wú)。④遙調(diào)：比例系數(shù)。

3 異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)方法和過(guò)程

依據(jù)流域集控中心遠(yuǎn)動(dòng)通信原理以及整理抽象的水電站SCADA系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)編碼和測(cè)點(diǎn)屬性，形成對(duì)應(yīng)SCADA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)編碼對(duì)照表，則可以進(jìn)行異構(gòu)SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)[4]的比對(duì)。其中標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)編碼對(duì)照表可以采用XML結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和映射[5-7]，基本原理就是采用編碼映射機(jī)制屏蔽各獨(dú)立系統(tǒng)的異構(gòu)性和復(fù)雜性[8]。具體比對(duì)分五步進(jìn)行，包括“導(dǎo)出”、“轉(zhuǎn)換”、“比對(duì)”、“查找引用”、“同步修改”：①導(dǎo)出：水電站側(cè)SCADA系統(tǒng)導(dǎo)出測(cè)點(diǎn)表，內(nèi)容包括：測(cè)點(diǎn)編碼、測(cè)點(diǎn)描述、測(cè)點(diǎn)關(guān)鍵屬性、測(cè)點(diǎn)104地址。②轉(zhuǎn)換：集控中心側(cè)SCADA系統(tǒng)軟件選擇水電站對(duì)應(yīng)SCADA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)編碼對(duì)照表，打開步驟1中導(dǎo)出的水電站側(cè)測(cè)點(diǎn)表。③比對(duì)：以測(cè)點(diǎn)編碼作為關(guān)鍵字，找到差異處，包括測(cè)點(diǎn)增減、測(cè)點(diǎn)描述不一致、限值等屬性不一致，并將差異項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。④查找引用：查找差異項(xiàng)相關(guān)的所有組合點(diǎn)、畫面、報(bào)表等引用處，并進(jìn)行提示，即該測(cè)點(diǎn)修改的影響范圍。⑤同步修改：根據(jù)比對(duì)的分析結(jié)果和建議，選擇需要同步的差異項(xiàng)，經(jīng)確認(rèn)后進(jìn)行修改。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中通過(guò)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)水電行業(yè)較為主流的SCADA系統(tǒng)，總結(jié)歸納了其數(shù)據(jù)對(duì)象，包括測(cè)點(diǎn)編碼以及測(cè)點(diǎn)屬性，分析其共性。建立了異構(gòu)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)間比對(duì)的數(shù)學(xué)模型，并且給出了比對(duì)的方法。實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)功能能夠從流域集控中心實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)出發(fā)，解決了現(xiàn)有人工比對(duì)方式下的低效和高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。同時(shí)對(duì)于其他水利或新能源等集控SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)也有一定的參考意義。

另外還有一些方式可以避免數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)與同步。例如對(duì)于異構(gòu)SCADA系統(tǒng)，在流域集控中心部署延伸操作員站也是一種方式，相當(dāng)于將水電站SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控終端放置到了集控中心，但是會(huì)增加設(shè)備投資成本和維護(hù)成本。對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度而言，上級(jí)電力調(diào)度對(duì)下級(jí)調(diào)度單位則采用數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)閱的方式，來(lái)全面了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，針對(duì)圖形轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換分別采用電力系統(tǒng)圖形描述規(guī)范CIM/G和電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議DL476-92進(jìn)行開發(fā)[9]。