基于BS架構(gòu)的梯級水電站大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺設(shè)計

林躍茂，鄒 超，張偉仁，胡仁焱

(長江電力三峽梯調(diào)通信中心成都調(diào)控部，四川 成都 610094)

0 引言

隨著我國水利技術(shù)的發(fā)展，梯級水電站相關(guān)工程的數(shù)量逐漸增加[1]。初始的水電站大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的功能主要是匯總數(shù)據(jù)、設(shè)備控制及指令下達[2]。雖然可以完成基礎(chǔ)性的輔助工作，但是一旦出現(xiàn)復(fù)雜的管控情況，便無法達到預(yù)期的處理效果，影響水電站的工作效率。

B/S架構(gòu)具有靈活、多變的特點，在實際應(yīng)用的過程中，可以確保數(shù)據(jù)處理的精準度[3]，能夠保證部分復(fù)雜指令解析的完整性與系統(tǒng)性，對梯級水電站日常工作的監(jiān)測、輔助效果更佳[4]。因此，基于B/S架構(gòu)，構(gòu)建梯級水電站大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，并對平臺性能展開測試，可以確保最終處理結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性，進一步實現(xiàn)梯級水電站的智慧化運行[5]。

1 平臺硬件設(shè)計

1.1 PCI Express連接器設(shè)計

針對平臺的應(yīng)用途徑及需求標準，PCI Express連接器應(yīng)設(shè)定對應(yīng)的承接硬件，營造穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境[6]。為了避免電路混電，設(shè)計人員可以先在平臺電路中安裝限制裝置，然后在電路中接入同步動態(tài)存儲器，即SDRAM。主控電源的側(cè)后方需要安裝一個單片機，數(shù)據(jù)采集精度為12位，內(nèi)部的芯片與限制裝置相互關(guān)聯(lián)。

設(shè)定此時電路的電壓為12 V，電壓的單值輸出差為2.35 V。安裝電擦除數(shù)據(jù)存儲器，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸單向地址，電路處于被監(jiān)測狀態(tài)。在電路的核心位置、初始位置以及主控電源處分別安裝一個16位的數(shù)據(jù)定時器，同時，在后方連接多處理器，并布設(shè)一定數(shù)量的接口，形成關(guān)聯(lián)鏈路及通道，具體的鏈路指標參數(shù)如下表1所示。

表1 鏈路及通道指標參數(shù)設(shè)定

根據(jù)表1，可以完成對鏈路及通道指標參數(shù)的設(shè)定。與此同時，在上述基礎(chǔ)之上，接入I/O線，與兼容UART 串行口形成閉合小型控制電路，與后方的電源端口連接，才形成一個定向的控制電路，接入PCI Express連接器，與插入卡形成雙向接口，形成PCI Express連接通道。在上述標定的連接器位置二次接入連接裝置，擴大系統(tǒng)的接入路徑，為后續(xù)的硬件構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1.2 ADC核心電路設(shè)計

系統(tǒng)初始電路中布設(shè)一個電流轉(zhuǎn)換裝置，設(shè)定此時的電流為1 200 A，轉(zhuǎn)換頻率為16位，吞吐速率設(shè)定在50～75 kSPS即可。PCI Express連接器與主控電源之間安裝循環(huán)承接卡板。采樣率為100 kSPS，極限電壓值設(shè)定在10 V左右。在核心電路中接入一個小型的ADC抗混疊濾波控制電路，設(shè)定帶寬為15 kHz。在電路中接入雙極低失真的運放 AD8599信號驅(qū)動器，在合理的范圍之內(nèi)，擴大系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，確保指令執(zhí)行的速率。設(shè)定驅(qū)動器的量程驅(qū)動范圍，與前端電路形成雙向控制的元件運行機制，在ADC前端裝置的輔助和支持之下，形成雙控的基準電壓源電路。接入FPGA模塊，將 SER/PAR引腳拉高，以ADC控制裝置為引導(dǎo)，從高位開始，調(diào)整硬件的執(zhí)行順序，完成平臺硬件的設(shè)計與搭接。

2 平臺軟件設(shè)計

2.1 B/S架構(gòu)下集控互備服務(wù)指令設(shè)計

本文采用B/S架構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平臺結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更加精細化的分析處理。針對梯級水電站的日常工作需求，需要設(shè)定單元執(zhí)行周期，將相關(guān)的工作任務(wù)組成便捷讀取的文件，以txt的形式轉(zhuǎn)換為特殊格式的引用文件，在完成字符處理之后，生成對應(yīng)的執(zhí)行基礎(chǔ)指令。以此為基礎(chǔ)，在軟件架構(gòu)中，設(shè)定數(shù)據(jù)分片，將轉(zhuǎn)換后的水電站服務(wù)數(shù)據(jù)按照相關(guān)規(guī)則進行劃分，并計算出大數(shù)據(jù)服務(wù)的集控比，具體如公式(1)所示。

(1)

公式(1)中：U表示集控比，e表示轉(zhuǎn)換率，β表示響應(yīng)時間，d表示單元服務(wù)頻率。通過上述計算，最終可以得出實際的集控比。根據(jù)得出的集控比，可以了解到平臺對梯級水電站的控制狀態(tài)。

設(shè)定多層級的大數(shù)據(jù)服務(wù)功能模塊，利用B/S架構(gòu)中的制備程序，將所獲取的數(shù)值及信息分別劃定在對應(yīng)的平臺執(zhí)行層級之中，以特定的目標作為引導(dǎo)，形成集控互備服務(wù)指令。

2.2 分布式B/S服務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在平臺中安裝組態(tài)軟件IFIX4.5，在主控區(qū)域中關(guān)聯(lián)一個數(shù)據(jù)監(jiān)測導(dǎo)入程序，設(shè)定數(shù)值、信息的格式為單向傳輸，并形成Excel文件。在初始數(shù)據(jù)庫與傳輸通信道之間設(shè)立一個過程數(shù)據(jù)庫，將過程數(shù)據(jù)庫中的文件逐一發(fā)送到平臺控制單元。采用分布式結(jié)構(gòu)，調(diào)整數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行方式，設(shè)計分布式B/S服務(wù)數(shù)據(jù)庫的標定邏輯，具體如圖1所示。

圖1 分布式B/S服務(wù)數(shù)據(jù)庫的標定邏輯結(jié)構(gòu)

在上述的平臺環(huán)境之下，將設(shè)計的B/S架構(gòu)下集控互備服務(wù)指令以及功能梯級水電站服務(wù)模塊同時設(shè)定在數(shù)據(jù)庫之中，進一步細化平臺的執(zhí)行能力，提升服務(wù)效果，為智能化梯級水電站的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要對B/S架構(gòu)的梯級水電站大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的實際應(yīng)用效果進行分析與研究?？紤]到最終測試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文選擇H梯級水電站作為測試的主要對象，同時，在相同的環(huán)境之下，針對水電站中不同的大數(shù)據(jù)服務(wù)項目，測定所設(shè)計平臺的實際應(yīng)用效果，并對最終得出的結(jié)果展開分析。

3.1 測試準備

設(shè)定平臺的通道電壓范圍為3～5 V，ADC核心電路的電壓為5.5 V，USB接口芯片與PCI Express連接器搭接，以、串聯(lián)的形式關(guān)聯(lián)電源。使用示波器進行耦合處理，同時檢查電源芯片是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。對測定平臺進行通道信號調(diào)試、ADC 采集調(diào)試以及FPGA緩沖測定。針對H梯級水電站的置信需求及標準，在B/S架構(gòu)下設(shè)定數(shù)據(jù)服務(wù)程序，并明確單個執(zhí)行指令的響應(yīng)時間，一般需要控制在0.2～0.5 s。設(shè)定服務(wù)指令的基礎(chǔ)指標參數(shù)，具體如表2所示。

表2 指令指標數(shù)值調(diào)整設(shè)定

根據(jù)表2，可以完成對指令指標數(shù)值調(diào)整的設(shè)定與分析。與此同時，調(diào)整指令對H水電站的數(shù)據(jù)服務(wù)模式，營造穩(wěn)定的測試環(huán)境。核定測試的設(shè)備及平臺是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并確保不存在影響最終測試結(jié)果的外部因素，核定無誤后，開始系統(tǒng)測試。

3.2 測試過程及結(jié)果分析

將所測定的水電站數(shù)據(jù)服務(wù)區(qū)域劃分為4個模塊，每一個模塊均為專業(yè)性的服務(wù)項目。準備300個服務(wù)任務(wù)測定系統(tǒng)，并在梯級水電站中布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點。每一個監(jiān)測節(jié)點均為獨立的，且在實際應(yīng)用的過程中，需要實現(xiàn)定向的關(guān)聯(lián)，以此來獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在上述基礎(chǔ)之上，需要先計算出系統(tǒng)的單元處理差值，具體如下公式(2)所示：

(2)

公式(2)中：Y表示單元處理差值，θ1表示執(zhí)行比，a表示監(jiān)測節(jié)點數(shù)量，u表示核心執(zhí)行距離，θ2表示執(zhí)行誤差。通過上述計算，最終可以得出實際的單元處理差值。結(jié)合系統(tǒng)對項目的處理誤差，測定在相同的環(huán)境之下，同時處理不同數(shù)量的任務(wù)時，系統(tǒng)的服務(wù)響應(yīng)時間，得出測試結(jié)果之后，進行進一步分析與驗證，具體如表3所示。

表3 測試結(jié)果比照分析

根據(jù)表3，可以完成對測試結(jié)果的分析與研究。與初始水電站服務(wù)平臺測試組相對比，本文所設(shè)計的B/S架構(gòu)水電站服務(wù)平臺測試組最終測定出來的服務(wù)響應(yīng)時間相對較短，表明平臺對水電站日常任務(wù)的執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的匯總處理效果更佳，具有實際的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

本文以B/S架構(gòu)作為平臺的執(zhí)行基礎(chǔ)，結(jié)合梯級水電站日常的項目，設(shè)定標定的服務(wù)模塊，對數(shù)據(jù)及信息劃分得更加精細化、完整化，有利于營造更加多元化的平臺環(huán)境，進一步實現(xiàn)水電站的智能化創(chuàng)新，提升服務(wù)效果。