水电站全计算机监控系统的开发与实践

周国民，于　红（.浙江禹瑞工程咨询有限公司，浙江 杭州 3005；.河北省石津灌区管理局，河北 石家庄 05005）

水电站全计算机监控系统的开发与实践

周国民1，于红2
（1.浙江禹瑞工程咨询有限公司，浙江 杭州 310015；2.河北省石津灌区管理局，河北 石家庄 050051）

分布式数据库和全开放式以太网总线网络是开放式分层全分布水电站计算机监控系统的两个主要特征。在该系统的构架过程中，涉及到分布式数据库构建技术、开放式以太网总线网络技术和分层控制技术等核心技术，这些核心技术的运用提高了系统的可靠性、拓展性、有效性及抗干扰能力。以长江三峡右岸水电站计算机监控系统的应用为例，说明开放式分层全分布监控系统的应用，其应用必将推动开放式分层全分布理论和技术的进一步完善和发展。

开放式；分布式；分层控制；数据库；水电站；监控系统

1　发展历程

早些时候，计算机的价格比较昂贵，集中式监控系统是水电站喜欢采用的监控系统，该系统集中布置了一台计算机，称之为集控机，整个水电站的监视和控制任务全由它承担。其基本特点是简单可靠且不分层，比较容易实现。但是它有个致命的弱点，就是一旦集控机出现了故障，整个控制系统将面临着瘫痪的危险，整个电网的安全都将受到威胁。为了克服上述的缺点，功能分散式监控系统（Decentralized System）应运而生。水电站的全部监控任务不再由一台计算机来完成，而是由多台计算机共同完成。各台计算机只负责完成某一项功能，结果出现了一系列的完成专项功能的计算机系统，但此时，当某台电脑出现故障的时候，依然有某一个部分功能出现瘫痪或失灵的现象，从而影响到了整个监控系统的功能及安全。

到了20世纪80年代，分层控制（Hierarchical Control）的理论得到了发展，并很快应用于水电站计算机系统。从控制理论的角度看，强调了“分层”的概念；但是从计算机系统结构来分析的话，强调了“分布”的概念。分布式系统（Distributed System）包含了多个独立而又相互作用的计算机，它们合作于一个共同问题。它最基本要求是：资源分布多个；操作系统的统一；独立资源并作用相互。这里主要强调的是资源物理上的分布。“分层”和“分布”这两个概念结合在水电站计算机监控系统这个实体中，从而形成了分层分布式计算机监控系统。因为分布式计算机监控系统克服了集中式监控系统与功能分散式监控系统的众多缺点，所以近年来新投运的水电站大都采用分层分布式计算机监控系统。在 DL/T 5065-1996《水力发电厂计算机监控系统设计规定》中明确指出了：“监控系统最好采用分层分布式的结构，分设负责全厂集中监控任务的电厂级和完成机组、开关站以及公用设备等监控任务的现地控制级”。

一般由多个厂商来提供水电站计算机监控系统的硬件和软件，厂商之间如何接口和协调工作就成为了比较关键的问题。伴随着计算机技术的不断发展，开放式的计算机系统诞生了。开放式系统有很多特点，如体系结构模块化、模块接口标准化、功能处理分布化、应用软件的可移植性和不同系统间的互操作性。在开放式系统出现之后，又出现了“全分布”的新概念。换句话说，以前在谈分布的时候，往往着重的是在“处理”上的分布。然而在开放系统出现的同时也强调了“数据库”等的分布，是一种更加完全的分布，而这些正符合上述分布系统的定义［1］。在水电站计算机监控应用中，开放式计算机系统和分层全分布式计算机系统得到了结合，开放式分层全分布系统就这样形成了。本文着重论述了开放式分层全分布系统的总体构架、核心技术与应用研究。

2　总体构架

开放式分层全分布水电站计算机监控系统的两个主要特征是分布式数据库和全开放式以太网总线网络。以往的分层分布系统，存放监控系统的数据库［2］都有一个或多个（冗余系统）数据库服务器。监控系统内包括很多子系统，例如工程师工作站、操作员工作站、培训工作站、通信工作站、现地控制单元等，通过网络连接，尽管具备共享信息的条件，但系统数据库是集中式的，网络中各节点的工作对系统总数据库还存在着相当大的依赖性，一旦数据库服务器出现了故障现象，全系统的功能都将受到很大影响。以分布式数据库为特征的开放式分层全分布系统的网络上各节点都具有一定的功能，而且在各节点上分布了相应功能的数据库。该系统中的上位机（即操作员工作站、工程师工作站、通信工作站以及培训工作站的总称）也只是网络中的其中一个节点，它的数据库只是为了实现该节点对应的全站统计、AGC、AVC功能，不是全站唯一的总数据库。如此，各节点之间可以在网络上进行所需信息的交换，不用再依赖数据库服务器了。上位机在数据库服务器没有投入运行的情况下，在各现地控制单元中更新画面、采集数据，可以将运行人员在上位机上下达的操作命令通过网络途径直接传送给现地控制单元去执行，而不需要数据库服务器转发了。整个系统中的各设备都遵循相关的标准接入一个全开放式的以太网总线网络中［3］。

开放式分层全分布水电站计算机监控系统以分布式数据库和全开放式以太网总线网络为特征，其总体构架图如图1所示，由图1可知，下位机即现地控制单元计算机链接到下层分布数据库，操作员工作站、工程师工作站、通信工作站等上位机则链接于上层分布数据库，整个系统中没有实时的总数据库，它的数据库是分散式的。下位机控制层则由下位机控制系统及其下层分布数据库组成；主控层是由上位机、上层分布数据库服务器、历史数据库服务器以及其他装置组成；信息发布层包括电厂信息发布系统及其数据库。各层是通过开放式以太总线网络链接的。

3　核心技术

图1　开放式分层全分布水电站计算机监控系统的总体构架图

开放式分层全分布水电站计算机监控系统的构架过程中，对于一些通用技术，如数据库集成技术、软件层次构架技术以及网络通信技术等本文不作介绍。以下就着重论述系统构架中的分布式数据库构建技术、开放式以太网总线网络技术和分层控制技术等等核心技术。

3.1分布式数据库的构建技术

分布式数据库的系统是由无数节点集合而成，各个节点相当于独立的数据库系统，它们都拥有着各自的数据库、中央处理机、终端，以及它们各自的局部数据库管理系统。它们在逻辑上属于同一系统，但是物理结构的意义上是分布式的。它可以有效地解决组织机构分散而数据需要相互联系的问题。在各种大型的水电站计算机监控系统中，上位机与下位机分别处在不同的层次上，在业务上它们不但需要处理各自的数据问题，同时还需要交换和处理彼此之间的数据内容，因此分布式数据库更加符合其业务上的需求。分布式数据库可以使系统各处理机之间的相互干扰情况降到最低，负载则由各处理机分担，可以达到均衡负载的作用。虽然相等规模的分布式数据库系统比集中式数据库系统在出现故障的几率上高，但由于其故障的影响只是限于局部数据的应用，因此就整个系统来说，它的可靠性就相对高了。

分布式数据库系统具有以下特点：

（1）在分布式数据库系统里不强调集中控制的概念，它具有每个局部数据库管理员都具有的高度的自主权和以全局数据库管理员为基础的分层控制结构。

（2）在分布式数据库系统中增加了一个叫做“分布式透明性”的新概念。所谓分布式透明性就是指在编写程序时当数据没有被分布一样，所以把数据进行转移同样也不会影响到程序的正确性。

（3）与集中式数据库系统所不同的是，把数据冗余在分布式系统中看作是需要的特性，其原因在于：①如果在需要的节点上复制好数据，则可以提高其局部的应用性。②当某节点突然发生故障时，可以操作其他节点来复制数据，因此大大地增加了系统的有效性［4］。

3.2开放式以太网总线网络技术

现场总线和以太网是网络技术中研究的最多的。现今工业以太网成为统一的现场总线标准已经成为了一个不争的事实。虽然目前为止还有其他大量的现场总线标准，但工业以太网更是各种标准中最具有生命力的。其中最引人注目的原因是工业以太网具有灵活的组网结构、广泛的厂商支持和开放的交换协议体系。开放是基于标准，而标准驱动着开放［5］。工业以太网提供了上百万数据源的高速交换，不是其他现场总线网络可以比拟的。到目前为止，转向生产集成工业以太网技术的仪器仪表、装置的厂家的举动是十分明智的，可以预见到未来的10年，工业以太网将不断地统一各类标准，使企业生产信息交换的结构达到上下统一、简单高效的效果。

TCP/IP协议通常被采用在以太网通信协议上，但是，TCP/IP协议与开放互联模型ISO相比，显得更加开放，而且它为美国国防部所认可，并被广泛应用于实际工程中。TCP/IP协议可以广泛应用于各种各样的信道和底层协议。确切地说，TCP/IP协议是包括了TCP协议、IP协议、UDP协议、ICMP协议和其他一些协议的协议组。

同轴电缆或光纤可以使用于工业以太网。目前为止，工业以太网应用于大型水电站计算机监控系统中，采用双星型或双环形网。双环形网比双星型网可靠性要高，因为当环形网某一点断开后，还可以用环的另一侧进行通信。环形网需要采用环形交换机，如MICE3000、RS2等。环形网的缺点在于它使工程安装复杂化了，还增加了安装的难度以及工程的费用。

3.3分层控制技术

20世纪80年代发展起来的其中一种新理论叫做分层控制理论，它是一种从控制论的角度来研究多个相互影响的系统的控制方法。分层控制理论是把“中央控制”对“各子系统控制”的监视，以及确定“各子系统控制中心”的控制方向的问题提高到理论上来［6］。从控制论的角度，按照其命令的产生、命令执行结果、信息的反馈流向、被采集的信息上送关系、各级的操作权限等来看，带有一定程度中央集权性质，系统具有典型性。

对于水力发电厂来说，其电能生产是一个比较复杂的过程：

（1）地域分布较分散，设备分散在主厂房、中控室、开关站、泄洪闸门等处；

（2）设备的数量较多；

（3）要求实现的功能较多。

因此我们将水电站的监控系统构成一个分层控制结构的想法是合理的。从水电站必须执行的操作来看，如正常的事故时电站操作员的操作控制、全站各台机组的成组控制以及现地闭环控制等，分层控制结构更加符合水电站的生产特点。

多台计算机采用分层结构后更加便于管理，不同层次、任务的计算机的容量、规模配置得更加合理，比如，在全厂控制一级常采用规模相对较大的计算机，而在控制第一线的计算机中可采用规模较小、抗干扰能力更强、可靠性更高的微机等。

4　应用研究

长江三峡右岸水电站作为一个大型的水力发电厂，具有多台机组，施工周期长，机组投运不按照编号顺序进行的特点，根据监控系统设备采购时确定的机组安装计划，三峡右岸12台发电机组投产计划分别为2007年6台，依次为26号、22号、18号、21号、25号、17号；2008年6台，依次为20号、24号、16号、19号、23号、15号。因此，水电站计算机监控系统必须具有较高的开放性和可靠性，在监控系统安全稳定运行的条件下，为新投产的机组LCU的接人创造更多有利的条件［7］。

从机组分批投运的特点来看，监控系统适合采用光纤星型网。因为采用光纤环网时，首批投产需建立临时环网，当有新机组投入运行则须先断开环网，整个环网将会出现断点，从而影响整个监控系统的安全稳定运行。再考虑到长江三峡右岸水电站对可靠性要求较高，所以，控制网络需采用双星型网络，结合开放式以太网总线网络技术，双星型以太网总线网络构架形成。

长江三峡右岸水电站监控系统是采用分层控制技术进行构架的，整个系统分为现地控制单元层、下位机控制层、主控层和信息发布层。100 M双星型以太网总线网络链接在现地控制单元层与下位机控制层之间；1 000 M双星型以太网总线网络链接在厂站控制层与主控层之间；由于主控层和信息发布层可靠性要求不太高，则采用1 000 M单星型以太网总线网络。因此，整个系统形成了4层3网的分层控制结构。

在设计时采用最新的分布式数据库构建技术是由于整个系统的层次较复杂，系统对可靠性和拓展性的要求较高，采用了分布式数据库之后，整个系统的各节点都具有相对独立性，并且当某节点发生故障情况时，可利用其他节点的复制数据，从而提高了系统在数据应用上的可靠性和有效性。

长江三峡右岸水电站计算机监控系统的设计中应用了分布式数据库构建技术、开放式以太网总线网络技术和分层控制技术等核心技术。长江三峡右岸水电站各机组陆续投入运行，其开放式分层全分布计算机监控系统也在实际运用过程中不断地检验和完善。开放式分层全分布监控系统以一种全新的结构模式，在发展中应用，在应用中发展。

［1］徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用［M］.杭州：浙江科学技术出版社，2007.

［2］郝 欣，牟长信，郑 伟.应用实时数据库实现电厂生产过程信息共享［J］.东北电力技术，2006（1）.

［3］郑 文，薛 晔，高 嬿.水电站计算机监控系统的局域网络通信 ［J］.长春工程学院学报（自然科学版），2003，4（2）：67-69.

［4］李建中，王 珊.数据库系统原理［M］.北京：电子工业出版社，1998.

［5］方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［6］邱银安，王加阳.大型实时数据库系统设计及并发控制调度［J］.微机发展，2005，15（6）.

［7］吴刚.三峡右岸电站计算机监控系统网络结构的选择［J］.水电站机电技术，2006（12）：34-35.

TV736

A

1672-5387（2016）05-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.003

2016-04-07

周国民（1979-），男，工程师，研究方向：水利水电工程。