基于廠級監控信息系統的火電廠數據傳輸監測系統的開發應用

湯利民，王大鵬，呂佩哲，杜保華，吳智群

（1.華能（浙江）能源開發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有限公司，陜西 西安 710054）

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

在火電廠日常分析和統計工作中，SIS實時或歷史數據不僅能夠反映機組、系統和設備的實時運行狀態和歷史運行工況，而且能夠提供生產指標統計、性能計算和經濟性分析、設備可靠性監測與統計等；還為企業MIS側其他應用系統如壽命管理系統、智能燃料管理系統、廠用電能耗評估系統、環保監測系統、發電機故障診斷系統、自動調節回路在線評估系統、設備狀態在線評價系統、熱力系統經濟運行在線監測系統等提供數據來源；甚至為所屬區域公司及集團公司、政府監管部門提供必須的在線監測數據[7-15]：因此，SIS的實時或歷史數據被火電廠生產管理、運行、檢修相關技術人員以及上級單位和監管單位廣泛的使用并依賴。

特別是近年來，伴隨著信息化技術的發展，無論是針對長時服役機組基于深度學習技術開發的設備故障診斷或預警系統[16-17]，還是針對短時服役機組基于數據挖掘技術開發的機組或設備運行優化系統[18]，亦或是針對新建機組基于人工智能和物聯網等技術探索智慧電站的建設[19]，都與SIS的實時或歷史數據密切相關。它已演變為火電廠最基礎、最重要、最有價值的數據資產，在火電廠日常生產分析活動中扮演著重要的角色。

SIS的實時或歷史數據來源分為現場一次測點數據和基于現場一次測點數據展開的性能計算數據與統計分析數據2大類，因此現場一次測點數據的穩定可靠至關重要。

SIS的現場一次測點數據主要通過與生產控制大區的機組DCS、DEH、脫硫脫硝控制系統、輔網或公用控制系統（包含輸煤系統、化水系統、凈水系統、廢水系統、除灰系統、除渣系統、除塵系統等）、遠動終端系統、升壓站網絡監控系統、電氣設備控制系統、電能管理系統、供熱/供汽系統等生產控制系統進行數據通信，以OPC、MODBUS、電力IEC-102、電力IEC-103、電力IEC-104、環保HJ212通信協議以及一些非標準化定制接口的方式實現數據的實時采集[20-25]。

由于通信接口種類龐雜、數據傳輸量大、數據通信能力不一、數據通信節點多、操作系統版本多樣、系統廠家實施水平參差不齊、非標準化定制接口穩定性差等現實因素，增大了SIS數據傳輸的不穩定性和復雜度。這對數據傳輸管理提出了更高的要求。

在新的行業背景下，除了做好相關的管理工作外，探索和開發新技術體系、建設數據傳輸服務系統以及智能監控系統是大幅降低SIS數據傳輸中斷時間和頻率優化措施之一。然而截至目前，針對數據傳輸監測系統的研究，并未見相關報道。

1 數據傳輸網絡架構及技術要求

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

圖1 一種典型的SIS數據傳輸網絡架構Fig.1 A typical SIS data acquisition and transmission network architecture

近年來，一些現場取消了Ⅱ區實時數據庫及相關設備，從Ⅰ區采集實時數據后直接通過正向型橫向隔離裝置傳輸至Ⅲ區實時數據庫。其網絡結構如圖2所示。這種簡約的SIS數據采集網絡架構不僅節約了硬件成本，而且減少了因數據傳輸節點過多導致系統可靠性低、維護工作量大的問題。

對于SIS內部數據的通信，主要有以下幾點技術要求：1）不能因為SIS故障或退出運行，使與其相連的DCS等生產控制系統的正常運行受到任何影響；2）SIS網絡帶寬應依據全廠接口通信數據量進行規劃，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應能提供檢查數據通信故障的自診斷功能，應能自動識別、判斷網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維護人員排除故障起指導作用。從SIS大規模應用的現場使用情況看，技術要求第3點往往達不到。

一旦數據通信鏈路中出現軟硬件故障，SIS無法實現有效的自動告警和自我診斷，只能由值班人員主動發現異常并進行排查搶修。這不僅牽扯了多部門和專業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 數據傳輸監測系統的設計思路

火電廠SIS的數據傳輸軟件一般有2種：一種是數據采集軟件，負責從生產控制系統數據發送裝置中采集數據；另外一種是數據傳輸軟件，負責將數據采集軟件采集到的數據從Ⅰ區SIS接口機傳輸至Ⅱ區實時數據庫或Ⅲ區鏡像數據庫，實現數據庫的數據讀寫操作。

在實際使用中，經常會將數據采集軟件和數據傳輸軟件交替部署，以延長數據鏈路和實現數據庫之間的數據傳輸與讀寫。

2.1 監測位置的確定

無論采用何種數據傳輸網絡架構，由于SIS數據流均是從Ⅰ區生產控制系統側至Ⅲ區MIS側單向傳輸，Ⅲ區鏡像數據庫或實時數據庫為數據流的終點，因此確定Ⅲ區鏡像數據庫或實時數據庫服務器為最優監測位置，對Ⅲ區數據庫服務器上的數據傳輸軟件的數據實時性進行跟蹤監測，以判斷整條數據傳輸鏈路的數據傳輸狀態（圖3）。

圖3 SIS數據傳輸流程的監測點選取Fig.3 Selection of monitoring points for SIS data acquisition and transmission process

2.2 數據傳輸監測方法

SIS接口機從多個廠內生產控制系統采集數據，全廠內采集的測點數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測不僅沒有較大意義，而且浪費系統資源。因此只需對來自不同系統的個別關鍵測點進行監測即可。

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

本文將監控點位置選取在MIS服務器側，通過對來自不同接口、不同測點的數據時標變化進行分析，利用測點時標與系統時間的差值作為判斷數據傳輸是否正常的依據。一旦超過設定時長周期，出現某個測點數據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維護負責人員及時進行檢查修復。如果出現多個不同接口測點數據同時停止刷新的情況，可以判斷Ⅱ區或Ⅲ區相關網絡設備或數據庫發生異常。

2.3 告警方式

考慮到電力網絡安全風險[29]，告警提示不能通過Internet公網以手機短信、微信等方式發送，而是限制在企業局域內網。騰訊通RTX（簡稱RTX）是騰訊公司推出的企業級即時通信平臺，為企業局域內網提供了文本會話、語音視頻短信、文件傳輸等溝通功能，安全性高、運行成本低，并且開放了二次開發接口[30-32]。通過將SIS數據傳輸監測系統與RTX集成，利用RTX高效的消息推送功能發布告警信息，是一種適合于企業內部的技術方案。

3 數據傳輸監測系統的開發應用

3.1 系統開發

3.1.1 開發環境

基于傳輸監測的設計思路，考慮到監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，開發一套基于C/S架構的數據傳輸監測系統，部署于Windows 2012 server進行24 h不間斷監測。其編程界面如圖4所示。

圖4 數據傳輸監測系統C#編程界面Fig.4 C# programming interface of the data transmission monitoring system

系統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類來構建。

3.1.2 實現方法

調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）數據，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工具包（software development kit，SDK）以實現告警功能調用和系統集成。數據傳輸監測系統的運行邏輯流程如圖5所示。其主要運行流程如下：

圖5 數據傳輸監測系統的運行邏輯流程Fig.5 Operation logic flow chart of the data transmission monitoring system

1）系統運行，計時器開始，首先讀取系統配置信息。

2）系統分別連接數據傳輸軟件和RTX服務器。如果二者連接成功，繼續下一步；否則，進入下一輪監測。

3）根據配置信息，從數據傳輸軟件中讀取數據最新值與時標。

4）系統通過計算測點時標與系統時間的差值來判斷數據刷新是否正常，判斷數據刷新是否超時。如果未超時，在運行顯示界面實時顯示各接口監測信息；一旦刷新超時，立即觸發SDK調用API實現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）通過計時器循環進入下一輪監測，亦或者手動退出系統結束監測。

3.1.3 監測代碼舉例

以下代碼用于實時數據接收超時的判斷，并輸出告警顯示。

3.2 系統配置

數據傳輸監測系統的配置頁面分為基本信息配置頁面和監測參數配置頁面。

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信息發送賬號和密碼、SIS數據傳輸軟件IP地址和賬號密碼。

圖6 數據傳輸監測系統的基本信息配置頁面Fig.6 Basic information configuration page of the data transmission monitoring system

監測參數配置頁面如圖7所示，主要配置數據來源接口、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控制系統里挑選的關鍵參數，如1號機組DCS的機組負荷測點。

圖7 數據傳輸監測系統的監測參數配置頁面Fig.7 Monitoring parameter configuration page of the data transmission monitoring system

3.3 運行界面

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

圖8 數據傳輸監測系統運行界面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 監測效益

本文技術實現了對SIS數據傳輸的實時監測與告警，具有以下效益：

1）能幫助相關負責人及時發現并處理SIS數據傳輸故障，節省監視SIS運行的時間精力；

2）減少SIS故障導致的數據傳輸中斷時間，降低了對SIS應用功能的影響，降低了被上級單位或監管機構考核的風險；

3）提升SIS在未來工業互聯網和大數據分析中的應用前景。

5 結 語

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