五凌集控數(shù)據(jù)網(wǎng)集群通信技術(shù)研究與實現(xiàn)

胡嘉宴，龔傳利

（1. 長沙理工大學(xué)電氣學(xué)院，湖南 長沙410114；2. 中國水利水電科學(xué)研究院自動化所，北京100038）

1 引言

五凌集控計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司提供的H9000 v4.0系統(tǒng)，自2010年4月投運(yùn)以來運(yùn)行良好。目前接入12個水電站，全部實現(xiàn)電廠“無人值班，少人值守”，集控對電站設(shè)備“全監(jiān)全控”。目前，隨著接入電站增加，設(shè)備逐漸老化，為了進(jìn)一步提高監(jiān)控系統(tǒng)安全性，需要對計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

集控系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)通信，采用2臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器主備方式運(yùn)行，但隨著設(shè)備老化，遠(yuǎn)程通信服務(wù)器出現(xiàn)故障的概率逐漸增加，如果一臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器出現(xiàn)故障，與12個水電廠通信任務(wù)就由剩余的一臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器承擔(dān)，這對集控監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行帶來非常大的安全隱患，有必要采取措施進(jìn)一步提高集控與電站通信的可靠性。五凌集控要求對于電站全監(jiān)全控，因此，有必要將電站操作信息送入集控，電站計劃曲線能夠上送集控，集控計劃曲線也能下發(fā)電站，而這些功能IEC60870-5-104規(guī)約并不支持，需要對規(guī)約進(jìn)行擴(kuò)充以實現(xiàn)這些功能。

2 通信集群設(shè)計

2.1 電站集群通信

為了提高集控與電站通信可靠性，將原通信服務(wù)器主備模式升級為集群模式。采用多臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器進(jìn)行集群化配置，目前集控中心將所轄電站分為5個區(qū)域，配置了5臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器。針對每個水電站可以配置遠(yuǎn)程服務(wù)器通信優(yōu)先級隊列，正常情況下，本區(qū)域通信服務(wù)器負(fù)責(zé)本區(qū)域水電站數(shù)據(jù)通信，當(dāng)本區(qū)域通信服務(wù)器故障時，優(yōu)先級次高的通信服務(wù)器接替其通信任務(wù)，依次類推。每個電站與集控有電力通道和電信通道，電力通道優(yōu)先級高于電信通道。根據(jù)此機(jī)制，即使有4臺通信服務(wù)器故障的情況下，電力或電信一個通道故障情況下，集控系統(tǒng)仍然可以維持正常通信。改造后的遠(yuǎn)程通信機(jī)集群，正常情況下實現(xiàn)多臺服務(wù)器任務(wù)分擔(dān)，故障情況下多重冗余，大大提高了通信可靠性。

5臺通信服務(wù)器采用無主配置（即每臺服務(wù)器只有投入/退出狀態(tài)），根據(jù)配置采集隊列和主機(jī)狀態(tài)確定最終通信連接順序，排序第1位且為投入狀態(tài)的服務(wù)器的電力通道負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，按照采集隊列，依次其他服務(wù)器的電力通道和電信通道處于建立連接備用狀態(tài)。如果排在第1的電力通道連接失敗，排第2的電力接替主用功能采集數(shù)據(jù)。如果電力通道均故障，則電信通道排序第1的服務(wù)器接替采集數(shù)據(jù)功能，如果電信排序第1通道也故障，則按照采集隊列順序依次由電信通道接替采集數(shù)據(jù)功能。對于當(dāng)前五凌集控計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，一個電站最多可以配置5臺通信服務(wù)器做為采集隊列，這樣最多有一個主采通信通道，9個備用通信通道，如圖1所示。

圖1 集控與電站通信通道監(jiān)視畫面

2.2 調(diào)度集群通信

4臺調(diào)度通信服務(wù)器部署有與華中網(wǎng)調(diào)通信的104程序，同時也部署有AGC/AVC軟件。4臺通信服務(wù)器均有IEC60870-5-104從站程序，只要有1臺通信服務(wù)器正常，華中網(wǎng)調(diào)主站均可以實現(xiàn)與集控中心正常通信，保證了集控與華中網(wǎng)調(diào)通信安全。4臺通信服務(wù)器均部署AGC/AVC軟件，目前有五強(qiáng)溪、三板溪、白市和托口4個電站屬于華中網(wǎng)調(diào)直調(diào)，AGC/AVC負(fù)責(zé)這4個電站的有功和電壓自動調(diào)節(jié)。4臺通信服務(wù)器同步運(yùn)行AGC/AVC程序，每個電站配置服務(wù)器隊列，正常情況下，4臺服務(wù)器同步計算，電站對應(yīng)排序優(yōu)先級最高服務(wù)器負(fù)責(zé)AGC/AVC命令下發(fā)，如果排序優(yōu)先級最高服務(wù)器故障，那么優(yōu)先級次高服務(wù)器接替其功能，依次類推，調(diào)度通信和AGC/AVC可靠性將大大提高。

3 規(guī)約擴(kuò)展及完善

3.1 全送數(shù)據(jù)插送實時數(shù)據(jù)或命令

為了保證數(shù)據(jù)正確性，防止某個數(shù)據(jù)長時間沒變化引起數(shù)據(jù)不一致，IEC 60870-5-104經(jīng)過若干時間，主站對從站發(fā)起總召，從站將所有的遙測、遙信等全數(shù)據(jù)上送一遍。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，會花很長時間，在此期間將會影響變化數(shù)據(jù)上送和命令下發(fā)。為了解決該問題，在全送過程中，從站送一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，周期檢查是否有變化數(shù)據(jù)和主站下發(fā)的命令，如果有，將暫時中斷傳輸，上送變化數(shù)據(jù)或接受主站下發(fā)的命令，等處理完后，接著傳輸總召數(shù)據(jù)。這樣既保證了全數(shù)據(jù)上送，同時，實時數(shù)據(jù)可以實時上送，下發(fā)命令也能及時執(zhí)行。經(jīng)處理后，插補(bǔ)實時數(shù)據(jù)或命令，全送數(shù)據(jù)過程中，可以保證實時變化數(shù)據(jù)或命令在1 s內(nèi)傳輸或執(zhí)行。

3.2 數(shù)據(jù)補(bǔ)傳

正常情況下，采集順序排名第1的作為主通道傳送數(shù)據(jù)，采集順序排名第2的備用通道做為主用通道的比較數(shù)據(jù)，用于和主用通道數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗糾錯，當(dāng)主用通道中斷時，該通道數(shù)據(jù)即升級為主用數(shù)據(jù)。

備用通道緩存10 s監(jiān)控系統(tǒng)廣播的數(shù)據(jù)，該緩存數(shù)據(jù)時刻與主用通道上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果比較通道發(fā)現(xiàn)主通道有丟失數(shù)據(jù)時，自動將丟失的數(shù)據(jù)在實時庫中插補(bǔ)并廣播出來；當(dāng)通道切換時，由于不同通道采集數(shù)據(jù)難以做到完全同步，因此比較通道利用緩存的10 s監(jiān)控系統(tǒng)廣播的數(shù)據(jù)，插補(bǔ)遺漏數(shù)據(jù)或刪除重復(fù)報警。

3.3 命令返送

根據(jù)五凌集控系統(tǒng)設(shè)計，采用分層方式便于擴(kuò)展，適合于大規(guī)模集控系統(tǒng)建設(shè)。電廠側(cè)布置有電廠集中計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時或者應(yīng)急情況下，可以由電廠監(jiān)控系統(tǒng)操作。但按照在IEC 60870-5-104規(guī)約，無法上送電站側(cè)操作命令，這樣，在集控?zé)o法監(jiān)視到電廠操作，對于整個集控系統(tǒng)有一定安全隱患，同時，也不利于集控的安全管理。為了解決該問題，可以對規(guī)約進(jìn)行擴(kuò)充，借用遙測和遙信，根據(jù)電廠數(shù)據(jù)點數(shù)，將該種類型的點地址放到后面，并將地址值與原有遙測和遙信保持一定距離，防止與原有遙測和遙信沖突，將電廠側(cè)的操作命令通過遙測和遙信點上送集控。集控側(cè)104主站程序收到操作命令后，在集控側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生事件，并標(biāo)電廠名，這樣集控就可以在不改變規(guī)約情況下實現(xiàn)對電廠操作的監(jiān)視。

3.4 計劃曲線上傳和下發(fā)

部分電站按照計劃曲線運(yùn)行，但是IEC60870-5-104規(guī)約沒有上送和下發(fā)曲線點功能，針對該需求，擴(kuò)展規(guī)約，增加曲線上送和下發(fā)功能。

增加曲線類型 類型標(biāo)識137：C_SE_TD

電站側(cè)作為104通信從站，需要實現(xiàn)曲線點變化送和定時全送，變化點采用不連續(xù)點方式（表1）傳輸變化的曲線點，全送采用連續(xù)點傳輸格式（表2）傳輸全部曲線點。通過擴(kuò)展曲線類型，實現(xiàn)計劃曲線上送功能。

表1 不連續(xù)曲線點傳輸格式：多個信息對象（SQ＝0）

表2 連續(xù)曲線點傳輸格式：多個信息對象（SQ＝1）

傳輸規(guī)則：

（1）為了節(jié)約傳輸時間采用拐點傳輸?shù)牟呗?，但是第一點（0：00）和最后一點（23：55）必須傳輸。

（2）每個報文只帶一個時標(biāo)，用于說明該計劃值是哪一天的，所以時標(biāo)的有效位是年、月、日，其他位可以置零。

（3）如果計劃值一幀傳輸不完，可以分幀傳輸。

（4）讀計劃值可以采用讀命令報文，功能類型為<102>，其中第一個地址表示讀整條曲線：當(dāng)信息對象地址為某一條計劃曲線地址時，表示召喚該條計劃曲線；當(dāng)信息對象地址為單個計劃值地址時，表示召喚單個計劃曲線中對應(yīng)的點。

計劃曲線下發(fā)時，增加操作命令，當(dāng)104程序接收到操作員下發(fā)曲線命令時，讀取相應(yīng)的曲線，下發(fā)至對應(yīng)電站。

4 結(jié)束語

五凌集控計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集群通信升級已于2016年9月完成現(xiàn)場投運(yùn)，運(yùn)行半年來效果很好，提高了集控安全性和可靠性，保證了海量數(shù)據(jù)實時性和完整性，文中介紹的技術(shù)對于國內(nèi)外其他集控計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有借鑒意義和推廣價值。