面向对象的H9000 V6.0系统主要技术特征

王德宽，文正国，黄　帆

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

1　引言

近10年来，我国水电行业电气二次领域的热点不断向智能化方向转移，广大水电用户迫切希望早日进入智能水电厂行列，各研制单位也纷纷推出形形色色的智能水电厂解决方案，一时热闹非凡。

作为水电自动化解决方案的主要研制单位之一，北京中水科水电科技开发有限公司一直在思考，究竟什么是智能水电厂？我们应该为用户提供什么样的水电智能化解决方案？

根据我们多年来积累的丰富的水电自动化、信息化技术开发与应用的经验，经几年来的慎重思考，与广大用户和设计单位的反复交流，提出了水电厂智能一体化平台的总体架构及层次结构[1-3]，特别是2016年起与清江水电开发有限责任公司的项目合作，提出了面向对象的控制系统概念，经过近两年的开发，中水科技将于近期推出全新的面向对象的H9000 V6.0计算机监控系统，该系统也将成为中水科技智能水电厂解决方案--iP9000智能一体化平台的核心。

本文将首先介绍H9000 V6.0系统的主要技术特点、系统架构、主要功能、特点及为用户带来的增值服务，最后介绍用H9000 V6.0构建iP9000智能一体化平台的总体思路。

2　H9000 V6.0的设计原则

作为全新的面向对象的水利水电计算机监控系统，H9000 V6.0系统首要问题是解决智能电网时代水电厂众多自动化、信息化应用的互联、互通、互动问题。H9000 V6.0系统的主要设计原则如下：

(1)作为iP9000智能一体化平台的核心，不仅应满足高可靠性水电控制系统的功能性能要求，还应具有足够的开放性，支持第三方应用的接入，满足智能水电厂多样性应用对平台的要求；

(2)应全面采用面向对象编程语言开发，非结构化数据库，全分布全冗余系统结构，应用编程图模一体化；

(3)系统开放，数据库、图形、通信等提供开放标准接口，如IEC 61850、IEC 60970，根据实际灵活配置，为第三方应用接入提供平台支持服务。

(4)系统结构及功能发布符合电力二次安全防护要求，并为跨安全区数据管理与同步提供基础服务；

(5)应具有丰富统一易用的系统二次开发、配置、维护工具软件，具有系统的在线扩充维护功能，特别是数据库的在线定义、编辑、修改、升级功能。

(6)向前兼容，保护用户长期以来在H9000系统上的投资，确保老系统的用户应用程序和数据的高效移植。

3　H9000 V6.0系统的架构

3.1　系统层次架构

H9000 V6.0系统采用面向服务的体系架构，基于松散耦合的服务封装，包含了业务功能、业务数据和其关联的接口，适应性强，灵活性好，可为各类复杂的智能应用提供服务支撑。H9000 V6.0系统由下列功能层次构成：

(1)硬件层，支持各种国产或进口的计算机硬件平台，如曙光、浪潮、intel、Sparc、Itanium、power等。

(2)操作系统层：支持Linux、Windows操作系统，也支持AIX、Solaris以及HP-UX等UNIX操作系统。

(3)数据层：按照CIM和IEC 61850模型建立水电设备数据模型。设备数据模型基于面向对象方法设计，构建完整的设备对象树。实现iRTDB实时库、历史数据库、文件系统级的元数据汇集，提供通用的数据服务(API、ODBC、CORBA、WEBService)接口。

(4)传输层(又称服务总线)：基于C++实现，建立分布式数据传输总线，实现跨平台的消息传递、文件操作、进程管理、网络对象管理、事件异步回调等。

(5)服务层：实现服务对象的查询、定位和访问，实现文件、画面、数据、事件、自诊断、日志等基础服务。

(6)基础层：为监控等各类应用提供数据采集、数据处理、控制、人机联系画面、数据库管理、模型管理等功能支持，并实现这些功能。

(7)应用层：实现监控系统各高级功能。亦可完成其他智能决策支持功能，如梯级集控、水情测报与水库调度、故障诊断、培训仿真、工程安全监测等应用。

系统支持C/S、B/S两种架构。对于安全I区和II区的应用，可采用C/S结构。对于安全III区的应用，可采用B/S结构。

3.2　全冗余全分布的系统架构

H9000 V6.0系统完全继承了H9000系统高可靠性的优点，采用全冗余全分布的系统结构，系统各计算机节点配备完整的实时数据库，可安装有完整并相同的系统功能软件包。各计算机节点由系统配置定义完成某种指定的应用功能，并由本地的实时数据库等提供服务。系统取消了主机主备状态切换机制，采用服务队列调度与切换机制，任一功能均可采用服务管理机制进行服务调度和故障切换，每个服务均可定义独立的主机队列，不同的服务相互独立，互不影响。任一主机节点设备故障时，可根据有关设备的状态，并按预先设置的切换策略，进行故障切换处理。因此，任意一台硬件设备的故障不影响其他设备及系统的正常运行。多年来的实践表明，全冗余全分布的系统架构可以获得极高的系统可靠性、可扩展性和实时性。

3.3　系统的开发环境

H9000 V6.0系统全部采用C++语言实现，确保了整个系统的高性能。数据库支持实时数据库、关系型数据库和非关系型数据库。基于大数据分析与智能应用的需要，H9000 V6.0采用非关系型数据库MongoDB，用于存储大数据与非结构化数据。图形系统基于QT开发，实现图形的跨平台兼容性及高性能。

4　主要功能

与以前版本相比较，H9000 V6.0系统变化比较显著的功能及特点如下：

4.1　面向对象化设计

系统采用彻底的面向对象思维进行设计，数据、画面、报警均采用面向对象的组织形式。数据建模采用设备对象树的形式进行构建，支持采用IEC61850标准对水电厂进行信息的对象化描述和建模。采用面向对象的方法组织整合实时数据、历史数据、报警、调节与控制操作，通过对象可索引得到该对象的数据属性、操作属性和报警状态等。实时数据库和历史数据库均内生支持对象类型数据的存储与访问。画面采用动态对象图元实现设备与流程的对象级展示与动态切换。

4.2　支持非结构化数据、可在线维护的数据库

H9000 V6.0构建了全新的iRTDB实时数据库和基于MongoDB的iHistDB历史数据库，支持任意类型的对象化数据、文件和图像、视频、音频等非结构化数据的存储，满足各类应用业务系统的数据管理需要。

可在线编辑、修改、扩充数据库的点、属性、结构及表，可在线升级数据库，提高系统的可维护性和可用率。提供统一、透明的数据库访问接口，无论是实时数据库、非关系型数据库，还是Oracle、MySql等商用关系型数据库，都可以用同一套接口进行访问，简化应用实现，保护用户已有的第三方应用的连续性。实时数据库常驻内存，支持高达百万次/s的数据访问和处理。

实时数据库采用全冗余机制，具有本地访问快速简单、同步方便等优点，并且在H9000系统中有多年实际应用的历史。

iHistDB历史数据库采用分布式集群技术，通过廉价的通用PC服务器即可搭建高性能、可扩展的历史数据库，具有易维护、快速故障恢复等优点，支持TB级海量历史数据的存储。

4.3　标准化的公共服务

系统基础平台按照SOA架构设计，通过服务总线提供的服务原语，为应用开发和集成提供一组通用的基础服务。系统提供服务的描述方法、服务代理和服务管理的功能，满足应用功能对服务的查询、监控、定位和访问。系统提供的公用服务包括文件传输与管理服务、数据访问服务、权限控制与管理服务、告警服务、日志服务、管理服务、诊断服务、采集服务等。基于服务的架构，可以实现在统一的人机界面上进行画面组态，实现设备监视与控制，并与后台的水务计算、防洪演算等进行交互，从而实现业务一体化集成。

4.4　业务一体化集成

系统基础平台提供安全I、II、III/IV区内统一的系统管理、数据分析、图形、报表等功能支撑接口，完成各个应用的数据采集、数据同步、数据交换、对外通信、模型管理、文件管理。平台对于各业务来说不仅是一个应用环境，而且还是一个集成开发环境，用户可以在平台上构建和部署自己的应用和接口。系统提供跨安全I、II、III分区的信息自动同步机制，支持在满足安全规范下的不同分区之间数据与信息的平台级透明传输，简化了不同系统和应用的跨区交互实现。

4.5　面向对象的智能监视与报警

系统采用面向对象的设计理念，对现场设备可定义不同层级的对象，如I/O信号级、设备级、电站级、流域级等，设备级本身亦可大可小，如断路器、调速器、机组或电站等。所有的设备信息应按设备对象进行组织，当机组的某一设备有异常报警信息时，它对应的机组对象图形状态发生闪烁。可根据实际运行需要，定义报警的层级，如集控系统只报机组级、电站只报设备级等，尤其在海量数据时减少报警数量，可显著减轻运行人员的劳动强度。

具有智能报警功能。采集数据完成基本处理后，可根据报警策略进行智能分级报警。智能监视功能可根据运行经验定制智能监视策略，如对于油泵、水泵等设备，可根据其启停次数、时间变化，液位、液压趋势等规律的变化监视并判断设备的运行状态，在运行异常时才给出报文和语音报警。

4.6　数据采集与通信

采集服务器集群或主备设计，不管是采集PLC数据，还是与厂内其他系统或厂外的调度通信等，均采用统一的通信组件框架，嵌入具备各种通信协议组件，扩展方便。系统支持IEC 61850、IEC61970/61968，同时支持目前广泛应用的IEC 61400-25、IEC60870-5-104、IEC60870-5-101、DNP及CDT等规约。除完成数据交互功能外，还具有完善的数据通信调试手段，如点表自动同步、自动对点、在线报文解析、报文存储、遥测/遥信调试、报文监视等。所有通信的配置均在统一的DETool配置工具软件中完成。

4.7　人机联系与可视化

人机界面基于QT，实现图形系统源码级的跨平台兼容。采用面向对象的信息组织和展示方式，一个对象对应一组组合图元，实现所关联对象的主要状态显示和报警显示。支持多种静态、电力、水调、棒图、曲线、综合图元；支持故障诊断、在线监测等分析结果展示图元，可动态扩展；支持动态图元及GIF动画；支持多窗口、多屏；支持报警窗自定义、语音报警、报警确认；对控制过程提供双席认证机制，提高控制安全和可靠性。采用先进的多窗体技术，支持水电厂多应用主题信息的集成显示，在用户界面上提供应用集成的技术手段，用控件和容器技术支持应用集成，可以控件、IE浏览器等多种形式接入第三方应用；系统提供基于GIS的信息显示手段和可视化的展现手段，丰富应用界面的展示效果，突出水电厂宏观信息、关键信息。

4.8　图模一体化

基于CIM的图模库一体化技术，采用控件形式，支持第三方应用，实现多业务图形组态。利用图形生成电力设备的拓扑结构，图形、数据库、模型库的生成、维护一气呵成。绘图的同时，完成一次设备模型的构建。根据开关、刀闸状态校验相关遥测量、遥信量，由面向点转向面向设备对象，进行不同级别的设备对象报警。具有IED设备模型、一次设备模型及管理功能。

4.9　内部加密及安全认证机制

系统提供基于对象级的细粒度数据访问和设备操作的权限控制与验证机制，支持主机和操作员的责任区域范围定义。为满足日益严格的控制系统安全防护要求，系统内部的服务调用和消息通信均提供加密和认证机制，采用CA数字证书技术实现用户验证和密钥交换，杜绝未经授权的用户和应用仿冒数据和控制命令。因此，我们可以认为H9000 V6.0系统本质是安全的。

5　工具软件

H9000 V6.0系统提供了IPM和DETool两大开发、集成与维护工具软件，软件内容功能丰富，集成度高，使用方便，不仅显著提高了系统的可靠性和集成效率，而且大大降低了工具软件使用及系统集成与维护的难度。

IPM是H9000 V6.0系统的人机联系开发工具软件，所见即所得，采用图模一体化、可视化、面向对象的应用编程，可一次性自动生成人机联系的图形、数据库点表、控制逻辑及参数、一次设备参数，可任意生成图形实体，并将其封装为对象，也可将多个图形实体或对象封装为符合对象。利用对象绘图或表时，自动生成与对象实体有关的遥测、遥信参数数据库点表，并自动生成连接关系。

DEtool是系统数据工程与系统配置软件，基于QT，面向对象、可视化。与V4.0版相比较，V6.0的DETool不仅集成了原来分离的ControlLock控制闭锁、PDC综合计算、Hreport报表编辑等功能软件，还新开发并集成了系统配置等功能软件，可完成系统硬软件配置、通信接口硬软件配置、通信配置等，使系统配置、参数设置等操作全部在统一界面下完成，全部项目工程化数据也由数据库统一管理，系统的标准化程度和可维护性显著提高。

上述两软件均具有系统版本升级时用户数据的升级转换功能，如支持画面、数据库、报表等文件由H9000低版本升级至V6.0。

6　主要技术特点

(1)数据对象化：面向对象的数据结构，数据组织和表现可根据需要灵活修改，可建立统一规范的水电厂信息模型；

(2)模型标准化：支持IEC 61850及IEC 61970/61968，支持面向对象编程；

(3)信息标准化：包括统一的服务、信息以及数据交换标准；

(4)系统平台化：统一的管控、数据及人机联系平台及界面；

(5)平台开放化：以公开的标准、自定义的接口向第三方应用开放；既支持IEC 61850，也支持其他常用电力通信规约；

(6)支持非结构化数据存储，可在线修改、扩充、维护数据库；

(7)集成工具化：高度集成的系统开发与集成工具，图-模-库一体化，所见即所得；

(8)内置的系统加密和安全认证机制；

(9)系统向前兼容，保护用户的投资。

7　iP9000智能一体化平台的构建

H9000 V6.0系统可用于构建iP9000智能平台，或智能一体化平台。

鉴于H9000 V6.0是一个高度支持开放的系统，可在其上构建各种专业应用，如监控、水情水调、安全监测、故障分析与诊断、培训仿真等。应根据电力二次安全防护的规定，对上述各专业应用系统进行分区管理，如横向隔离、纵向加密等。

iP9000智能平台就是由H9000 V6.0构成的多专业应用、跨安全区的全厂统一数据平台。H9000 V6.0为跨安全区的数据互通、互联与互动统一提供的服务。各专业应用系统的有序协调互通互动，实现水电厂发电生产、运行、维护过程的决策智能化、控制自动化、效益最大化，少人乃至无人干预，就是智能化水电厂。

智能水电厂建设涉及到水电厂发电生产运行管理的方方面面，智能化系统及装置众多，没有任何一个制造商具备提供全套智能水电厂解决方案的能力，但智能一体化平台应是唯一的。该一体化平台应能支持不同专业应用的开发、运行、监控与管理。

鉴于H9000 V6.0系统是面向服务开发的全冗余全分布开放系统，目标是为不同的专业应用提供平台服务与支持，不同专业应用可根据其复杂程度或模块化程度，采用下列方式接入平台，完成专业应用的开发、集成、运行及维护管理（图1）。

图1　iP9000智能平台各类应用的接入模式

（1）A模式：iP9000平台在数据库、基础服务、人机联系、应用功能等方面全面支持应用，如水电厂的各类控制系统、数据采集与管理系统、水情与水调系统等，可根据用户需求直接进行工程化系统集成。

（2）B模式：iP9000平台在数据库、基础服务、人机联系等方面提供支持，实现统一平台，数据共享，互联互动等，但需开发或移植该类专业应用的核心计算或分析模块。如清江项目的第三方软件已按B模式接入，合作方仅需提供功能的核心计算分析功能，iP9000平台完成数据库、图形、人机联系等其他功能。

（3）C模式：对于某些十分复杂、庞大的专业应用，可维持专业应用的软件结构、数据库结构及人机界面不变，通过数据库表的映射，iP9000平台提供数据服务等基础服务，实现平台对数据的统一管理，与专业应用的数据共享。

8　结语

H9000 V6.0是针对水电智能化建设需要而研发的新产品，满足水电应用对测控数据平台安全、可靠、互联、互通、互动、开放、兼容等方面的要求，既支持IEC 61850标准，又兼顾现状，支持其他标准规约设备的接入，为水电厂各智能应用的开发和接入提供了一个很好的统一开放的数据管理、开发维护、运行管理平台，可广泛应用于构建各类专业系统，如监控系统、水情水调系统、大数据管理与分析系统、故障诊断系统等，也可用于构建水电厂跨安全区的统一智能数据平台。

参考文献：

[1]王德宽，张毅，刘晓波，等.智能水电厂自动化系统总体构想[J].水电自动化与大坝监测，2011（1）：5-9.

[2]王德宽，张毅，余江城，等.流域梯级集控中心自动化系统智能化建设总体规划设计 [J].水电站机电技术，2012（3）：1-4.

[3]王德宽，张毅，何飞跃，等.iP9000水电厂智能平台[J].水电站机电技术，2014（3）：1-3.