计算机监控系统软件研究.pdf

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1、电厂监控 朱辰等梯级水电站集控中心计算机监控系统软件研究 梯级水 电站集控 中心 计算机监控系统软件研究 朱辰施冲 王伟(国电自动化研究院江苏省南京市2 1 0 0 0 3)【摘要】介绍了为适应水电站集控中心生产管理水平不断提高的新要求而对新型集控中 心计算机监控 系统软件的研究和开发。简要地介绍了面向对象、三层次结构、分布式对象 等集控中心系统中所采用的新技术以及集控中心监控 系统的控制安全性考虑等系统实现 要 点。【关键词】计算机监控系统面向对象分布式对象 控制安全性集控中心【数据库分类号】S Z O 1 0 引言 水力资源占中国常规能源资源剩余可采储量的4 0 左右，是中国重要的能源资源

2、。更重要的 是水电是可再生的清洁能源，它不排放温室气体，对于保护全球大气环境，防止气候变暖，实现可持 续发展具有重要作用。在优先发展水电是必须坚持的能源发展方针的思想指导下，我国大型水电 基地和流域水电开发的步伐正在加快。在此形式下大型流域或梯级电站集控中心的自动化系统建 设也变得越来越重要。从远程集控、无人值班、在线状态监测到电力市场等都标志着电力行业逐步 走向市场，运行管理体制和模式在不断改革发展，我国梯级水电厂集控中心综合 自 动化的水平也需 不断提高。随着计算机软 硬件技术、工业控制、通信网络等方面新技术的迅速发展，为梯级计算机 监控系统的发展提供了有力的支持。我国梯级计算机监控系统技

3、术也在稳步发展，从监控系统软 件的结构来看，在早期是面向具体应用的系统，程序围绕具体应用去实现。随着应用的增加和功能 要求的提高，进入面向过程的应用阶段，程序根据较抽象的过程实现软件功能，随着对应用实体的 不断抽象，现在的系统发展到以面向现场设备为特征的面向对象的梯级计算机监控系统。国电自动化研究院自控所(南瑞自控公司)在总结多年开发水电厂及梯级集控中心计算机监控 系统经验的基础上，充分吸收国际上计算机科学领域中的最新技术，将面向对象的设计方法与国内 水电综合 自动化的新要求相结合，并将其贯穿于计算机监控系统软件设计的全过程，研究开发了跨 平台的面向对象的梯级集控中心计算机监控系统软件，它包含

4、了多层分布式对象架构，全面支持异 构平台的特性，系统提供了高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态工具、实用方便的应用界面、多种标准接 口、适用于梯级集控中心实际应用需求的各种常规及高级应用功能。1 新型梯级集控中心监控系统软件的特点 梯级集控中心的计算机监控系统在系统结构、计算机硬件、通信通道等硬设备确定和实施以 收稿 日期：2 O 0 6 0 8 0 3。维普资讯 http:/ 2 2 0 O 6年 9 月 水电厂 自 动化 第 4 期总第 1 0 9 期 后，软件的结构、功能等就成为监控系统项目 成败的关键。以下就我们在新型梯级集控中心监控系 统软件研究、设计和实现中的要点及特点作一些介绍

5、。为方便起见，此新型梯级集控中心计算机监 控系统软件简称为集控软件。1 1 面向对象技术 面向对象的技术首先是在计算机软件开发技术的研究中发展起来的，其优越性已得到全世界 范围众多领域的广泛认可。面向对象技术是将客观世界中的事物(称之为对象)根据其所具有的共 性进行抽象，即忽略事物的非本质的特征，只关注那些与当前目标有关的本质特征，把具有共同性 质的事物划为一类，得到一个抽象的概念。类是具有相同属性和服务的一组对象的集合，它为属于 该类的全部对象提供了统一的抽象描述，包含属性和服务两个主要部分。在面向对象的编程语言(如监控软件所采用的J a v a)中，类的作用是定义对象。类给出了属于该类的全

6、部对象的抽象定义，而对象则是符合这种定义的一个实体，又称为类的一个实例(in s t a n c e)。在集控软件中，把梯级水 电站实际生产管理中运行、维护人员非常熟悉的设备抽象为监控系统中的对象，如水轮发电机组、变压器、输电线路、开关、辅助设备等。集控软件从系统设计、系统实现语言的选择、用户界面定义 等一系列过程都依据面向对象的设计理念、原则和技术，这样工作的结果将给梯级集控中心的用户 们带来深受他们喜爱的益处，其几个主要优点是：运行人员面对的是他们平时所熟悉的设备对象(水轮发电机组、变压器、断路器、隔离刀闸 等)，进入相关对象后就可以得到他们所关心的有关对象的各项运行参数，如机组的有功功率

7、、无功 功率、机端电压、功率因素等；执行控制操作时，直接在相关画面上选取欲操作的对象，系统中相应的对象处理软件能自动 进行动态校核，给出允许操作或不允许操作的明确提示，减少了误操作的可能性。特别是在紧急情 况下，由于思想紧张而造成的误操作；现场信号与相关对象建立了映射关系，不再是作为独立事件出现。一旦有信号动作发生，系 统会自动根据关联对象的状态来决定应该启用何种相应的处理对策，如：一些信号在机组对象处于 开停机工程中时可以不予理会；另一些信号在监视对象处于检修状态时，是要登人专门的记录表中 的等；维护人员在监控系统维护中进行的工作也都是围绕着对象进行的，从集控中心数据库组态、到显示画面组态等

8、都提供了面向对象的组态工具。这些工具都具有易学易用、方便快捷的特点。如画面中的对象可以方便地复制、保存、抽取，对象组件放在容器中可自动调整等。1 2 多层次 C l i e n t s e r v e r 结构和 中间件(Mi d d l e wa r e)C l i e n t s e r v e r 体系结构已为大家所熟悉，在水电厂监控系统中也普遍采用。传统的 C l i e n t s e r v e r 应用软件模式大多是基于“肥客户机”结构下的两层结构应用软件，客户端软件一般由应用程序及 相应的数据库连接程序组成，而服务器端软件一般为数据库(包括集控中心实时数据库和历史数据 库)系统

9、及相应程序。随着分布式对象技术的逐渐成熟，三层(或多层)分布式应用体系结构得到了越来越多的应用。这三层包括：客户端 中间应用服务 数据服务(各种数据库)这些层次并不一定与网络上的具体计算机位置相对应，只是概念上的分层，根据系统结构和应 用需求，它们可以是集中式也可以是分散式。中间服务层提供包括应用服务在内的各种中间组件，维普资讯 http:/ 电厂监控 朱辰等梯级水电站集控中心计算机监控系统软件研究 3 中间件屏蔽了网络系统中硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性，使应用软件能够比 较平顺地运行于不同平台上。同时中间件在负载平衡、连接管理和任务调度方面起了很大的作 用l 1 。包括通信中

10、间件在内的一组中间件集成在一起，构成一个平台(包括开发平台和运行平台)，完成数据安全、完整地交换，使应用与服务相对独立。各层次的修改都不会影响到其他层次，简化 了用户需求发生变化时所需的修改工作量，大大降低了用户用于软件系统维护和升级的难度和费 用。传统的C l i e n t s e r v e r 结构和三层次的 C l i e n t s e rv e r 结构都有各 自的优点和适用性，各个应用领 域越来越多地采用三层次结构都是根据各自的需求综合考虑的。我们根据梯级集控中心计算机监 控系统具体情况在分布式对象计算的总体架构下集成了传统 C li e n t S e r v e r 和三层

11、次的 C l i e n t S e rv e r 二种模式，可依系统的具体软件 硬件配置灵活设置。如在生产管理部分采用 B S 模型构建整个 子系统，增加了We b 服务器，构成了四层结构，其数据集中存储，所有的数据访问必须通过中间件 进行权限认证，在客户端本地无需存储任何数据，大大提高了整个子系统的安全性。在此应用方式下选用该结构的主要优点是：中间件为系统提供了强大的扩展性能；在客户端无需安装连接不同数据库的客户软件；不会 因访 问客户 的增加而增加数据库的并发连接；通过功能强大的中间件，可以很方便地在管理系统客户端得到与中控室操作员工作站上完 全相同的监视画面(控制功能被安全地屏蔽)；对

12、客户端的硬件要求较低，而且目前流行的浏览器均支持各种操作系统，使用户可以在保留 原有的软件和硬件的基础上运行新的应用系统，保护现有投资；无须公开内部数据模式，保证了对其修改的自由度，系统安全、可靠、可扩展；保证系统的开放性、完整性、一致性、灵活性，并支持各种异构的系统环境。1 3 分布对象计算技术 随着网络技术的不断发展和应用范围日 趋扩展，建立基于网络的应用已成为广大用户的普遍 需求，正是这一需求的上升带动了分布计算的发展。在分布计算环境中，系统的异构性是一个非常 显著的特点。对一个流域或梯级集控中心而言由于各电站都是分别完成电站监控系统建设，最终 肯定是一个非常典型的异构环境，它可能包括不

13、同的大 中型数据服务器、U N I X工作站、工业 P C 机、智能化的现地控制单元等，各种硬件平台上所采用操作系统、支撑软件、网络通信都各不相同。在这样的异构环境之下要实现数据信息和软件资源的共享是一件十分困难的事情，但这也是我们 的集控中心今天必须去面对的事情。在目前大多数水电厂或梯级集控中心中除了计算机监控系统 外，都还存在着设备状态在线监测系统、水情水调系统、生产管理系统等大大小小的系统，每个系统 中又包括了多个不同的应用。随着时间的推移，这些系统和应用必然会存在以下需求：a 数据交换 和信息共享；b 增加新的应用和系统。这些需求提出了将这些多个系统从“信息孤岛”状态逐渐整 合成统一的

14、集成系统或平台的要求，这需要在同一或不同开发厂商的系统或应用之间建立相互接 口、在由一至若干个局域网或若干广域网组成的分布式计算机网络上进行数据交换，而一个合适的 分布计算架构将为分布式应用带来极大的益处。如前所述，对应用软件的可复用性和可扩展性的 要求促使面向对象的技术得到了广泛的应用，而将面向对象的思想方法运用到分布环境中，这就是 分布对象计算(D O c、D i s tri b u t e d O b j e c t C o m p u ti n g)。目 前国际上分布对象计算技术领域主要有 3 种 架构标准：S u n M i c r o s y s t e m s的 E J B(E

15、n t e r p r i s e J a v a B e a n s，企业 J a v a组件)R MI(R e m o t e Me t h o d I n v o c a-t i o n，远程方法调用)、O M G(O b j ect M ana g e m e n t G r o u p)组织的 C O R B A(C o m m o n O b j ect A r c h i t ect u r e，通用 对象请求代理体系结构)、M ic r o s o f t 的 C O M D C O M(C o m p o n e n t O b j e c t M ode l D i s t

16、 r ib u t e d C O M，组件对 维普资讯 http:/ 4 2 O 0 6年 9 月 水电厂 自 动化 第 4 期总第 1 0 9期 象模型 分布组件对象模型)。我们主要采用了企业 J a v a 组件模型，下面对它稍加介绍。E J B R M I 是 S u n M i c m s y s te m s 定义的功能规范，为 J a v a B e a n s 定义一个服务器组件模型。E J B的 组件模型是特化的、非可视化的 J a v a B e ans，它允许把可重用组件放在中间服务器执行，而这些组件 可以和其他 J a v a B e ans 重新组合成一个新的所需要的

17、分布式应用程序。一个 E J B能够通过它的属 性表和方法对它进行定制和控制_ 2 J。在 J a v a 中已经拥有了称为 J a v a B e a n s 的组件模型，而 E J B则 延伸了J a v a B e a n s 的功能，它允许开发在服务端执行的软件组件。E J B的功能规范定义了 E J B 组件 和E J B 容器的关系，确定 C o n ta in e r s(容器)是一个 E J B 组件的执行环境，它实现对 日B 类的管理和服 务。E J B 服务器提供一个标准服务集来支持企业 J a v a 组件，它还提供了一个称之为 E J B容器实现 对 E J B 类的管

18、理和控制。它提供了系统级的功能，如生存周期管理、状态管理、透明的分布管理、事 务控制、安全服务等复杂的功能。由于 E J B 是以J a v a 语言开发的，因此它所具有的“一次编写，随处可用”特性。使得这些E J B 组 件不但可以在任何平台执行，也能在不同厂商提供的容器内执行。这种全面支持异构平台的特性，非常适合大、中型水电厂及梯级集控中心系统在 目 前及未来的跨平台的需求。1 4 控制安全性 梯级集控中心的功能包括对整个梯级内所属电站实行集中控制，实时采集各级电站的运行数 据，与调度中心的计算机系统通信，根据调度命令，以及梯级库区的水情等进行全梯级的优化经济 调度。梯级电站的控制可分三个

19、层次，即各电站现地控制单元就地控制、厂站级计算机监控系统的 厂站级控制和梯级集控中心计算机监控系统的远方控制。控制的权限按就地、厂站、梯级集控中心 从高到低，控制权限可以通过操作开关和计算机软件切换或闭锁。从梯级集控中心运行人员在操 作员工作站发出控制命令到电站现地执行机构动作，中间要经过多个计算机硬件和软件及长短不 一的通信通道，它们的物理特性、软件策略各不相同。为保证控制(包括负荷调节)的安全可靠，在 集控中心设计和实现时必须对整个梯级系统的控制安全性进行认真仔细的规划和设计。梯级集控中心计算机监控系统的控制操作功能，应包括集控中心运行人员对梯级各电站发电 设备、开关站设备等的控制操作，以

20、及梯级集控中心的 A G C、E D C等功能。所有的控制、调节命令 都可以分为集控(梯控)站控(为了表述方便这里把梯级集控中心的设备控制、负荷调节、A G C给 定等都简称为集控，站控同样)两类模式，监控系统对各种模式都制定了完善的控制策略(需要集控 中心和梯级各电站监控系统的密切配合)，以保证整个梯级实时控制的安全性。“集控 站控”控制方式仅用于对梯级电站设备(可以含泄洪设施)的控制与操作，包括自动和操 作员手动控制，该控制方式切换按各电站分别进行。当某电站处于“集控”控制方式时，集控中心操 作员可通过集控中心计算机监控系统人机接口直接对电站控制对象发布控制命令，此时该电站计 算机主控级人

21、机接口不能进行相同的控制和给定。当某电站处于“站控”控制方式时，该电站设备 受本电站计算机监控系统控制，不接受梯调计算机监控系统的控制命令。只有具有控制权的控制 中心发出的自动开停机令才有效，而手动开停机遵循当地优先原则，即不论控制权在哪一级控制中 心，电厂当地均可手动开停机。集控软件的设计和实现充分考虑了以下要点：控制方式的切换：控制和调节方式的切换应有相应的闭锁条件，以保证电站设备的运行状态 不产生波动。控制方式的设定及切换应不影响数据采集的进行，包括各系统间的数据交换，如集控 中心、各电站 A G C 或 A V C 输出的给定值或设定值在邻级间的传送及各级的数据采集。负荷调节权可设置为

22、网调、梯级和当地。调节权的不同决定了厂内A G C负荷给定值的来源 不同，任何时候网调、梯级和当地三级控制中心仅有某一级有调节权，这也就是确定厂内 A G C 负荷 给定值的惟一来源：维普资讯 http:/ 电厂监控 朱辰等梯级水电站集控中心计算机监控系统软件研究 5 机组控制方式及控制权：机组控制方式有手动、半 自动和 自 动三种。对每台机组单独设置控 制方式，不仅可以把带“病”或检修机组置为手动方式而不会影响梯级 A G C运行，而且可以根据梯 级各电站综合自动化水平和设备性能实现手动、半 自 动和自动开停机组；所有控制方式的选择和切换都在电站侧进行，集控中心侧可以及时监视到 目 前处于何

23、种控 制方式，但在集控中心侧不可以进行任何方式的切换。监控程序检测到不可运行的故障或情况时，出于安全考虑可自动切换至较安全的控制方式(仅限于退出某一种控制方式，如：有问题机组退出 A G C)。切换时一定要保证负荷稳定，防止负荷突变；充分考虑了在电站设备事故的情况下，如机组事故、L C U故障、系统频率异常等，如何迅速退 出个别 A G C机组或全厂 A G C，即在事故条件下如何 自动判别并迅速改变 A G C机组的受控状态，以 确保电力系统稳定运行和设备安全；，任何一级(现地控制单元、厂站级、集控中心级)系统或通信通道的局部故障或重置，都应保 证整个系统的控制安全和稳定。紧急状态下，根据调

24、度规程，实现紧急控制。1 5 功能强大的组态工具 集控软件提供了一系列功能强大的面向对象的组态工具，用户无需对操作系统命令深入了解，也不需要复杂的编程技巧，不论是在 U N I X系统平台上还是在 Wi n d o w s 系统平台上，都可通过组态 界面十分方便地完成：梯级数据库测点定义、对象定义、电站模型定义、处理算法定义、通信端口、远 程通信协义的定义等各种功能的应用定义以及维护，很多功能只需点击鼠标进行选择，既快捷、方 便，又避免了使用编辑程序难免产生的输入错误，真正体现了系统服务的面向对象、可靠、开放、友 好、可扩展和透明化。1 6 集控 中心智能电话报警服务 系统 对梯级集控中心而言

25、，其运行管理的功能和职责与电站是有区别和分工的，集控中心监控系统 的报警处理与电站监控系统的报警处理也有着较大的不同。梯级包括几个甚至十几个形式、规模 各不相同的电站，电站内的各种主辅设备、主接线等也是千差万别。各电站的大量报警信息如果不 经过滤的提交给集控中心运行人员，毫不夸张地说，那对集控中心运行人员将是灾难性的。各电站 的报警信息在电站级经过初步筛选以后上送至梯级，由集控中心智能报警软件根据既定策略进行 智能化处理，仅对集控中心运行人员应该关注的信息进行有效报警。这样，就可以做到电站内部的 报警基本上由电站在本地及时就近处理(无人值守的电站可以另论)，集控中心只是对其应该关注 的重要信号

26、进行监视，处理与梯级运行相关的重要报警。如：某电站 1 台水轮发电机组因瓦温过高 而紧急停机，电站工作人员立即对瓦温过高的原因进行查找和设备故障排除；集控中心的智能报警 系统在分析确认了报警后，还应根据当时的控制模式及时进行自动或手动的负荷平稳转移(电站内 或电站间)，以保证电网的安全稳定运行。融合了多语种 自 动语音合成功能的集控中心智能电话语 音报警服务系统，它能根据 S C A D A系统产生的报警信号，按照与其相关联的优先级别和被通知者 的处理优先级，提供实时智能报警通知。把各电站生产现场发生的事件经过智能化的处理，通过通 信系统、电话、移动通信等多种方式，以最快的速度把报警信息传递给

27、集控中心相关的人员，以便他 们及时做出对事件的响应。它不仅是一个智能的可通过各种通信工具报警的系统，而且是一个交 互式语音信息服务中心，在用户觉得需要的时候就可以拨打电话与系统进行交互，了解他所关心的 梯级生产设备的运行数据或进一步地了解相关报警信息。1 7 其他主要特点和功能 集控中心监控系统还提供了很多各具特色的功能(将另文介绍)，主要有：功能上丰富多彩，操作上方便适用的图形界面；维普资讯 http:/ 6 2 0 0 6年 9 月 水电厂 自 动化 第4期总第 1 0 9期 支持标准 O D B C，J D B C接口的历史数据库功能；电子表格化的报表子系统；可靠适用的电厂及梯级高级应用

28、软件(A G C、A V C、E D C)，可有效提高梯级水电站群的综 合管理水平，发挥水电站群联合优化调度的优势；发电计划、经济调度决策支持及交易计划评估；智能化报警管理；生产过程信息断面截取和历史回放；网络及系统的安全防护；集控中心统一数据平 台。2 集控中心监控系统实现 集控中心计算机监控系统基于分布式对象计算技术，从系统的规划、设计、软件实现到提供给 用户的组态工具、应用界面都使用了面向对象和跨平台的技术。遵循 T C WI P、S Q L、O D B C、J D B C、J a v a R M I、O P C等国际标准和被广泛使用的软件工具，具有充分的开放性、可扩展性和异构平台适应

29、性。系统可以适应在集控中心监控系统连续、安全运行受影响最小的情况下，其所属电站分期建 设、分期接人、分别调试的特点。由于集控中心与所属电站交换的数据量和实时控制的紧密程度都 要远远超过调度中心与电站之间，其接人时的现场调试也更为复杂，所以集控中心在电站分期接人 时的安全、可靠和方便性等方面应具有更高的要求。系统采用快速可靠的网络连接，提供可充分利 用系统资源的并行工作、负载均衡方式的双网冗余功能。系统可配置成双网络、双主机、双数据服 务器、远程冗余通道等多种冗余方式，并支持 R A I D(R e d u n d a n t A r r a y o f I n d e p e n d e n

30、t D is k s)、s A N(S t o r-a g e A r e a N e r o,)大大提高了生产数据的完整性和可靠性。可通过高速以太网、S D H等组成全梯级 流域的完整系统，充分利用监控系统提供的各种功能，不断提高梯级经济运行和安全生产管理水 平。3 结束语 面向对象技术、三层(多层)次客户 服务器结构、分布式对象计算等都是发展很快而且在各行 各业应用越来越广泛的技术，代表了现代软件发展的方向。把这些新技术结合进梯级集控中心计 算机监控系统中来，将给水电行业的广大用户提供一个通过分布技术实现异构平台间对象互通的 面向对象的全新的监控系统，它将使我国水电行业综合自动化更上一层楼

31、。参考文献 1 G e o r g e C o u l o u r i s，J e a n D o l l i m o r e，T i m K i n d b e r g 著，金蓓弘等译 分布式系统概念与设计 机械工业出版社 2 S u n S o f t E n t e r p r i s e J a v a B e a n s S e r v e r C o m p o n e n t M o d e l f o r J a v a W h i t e P a p e r h t t p：s p l a s h j a v a s o f t c o rn b e a n s 3 朱辰，施冲等 基于分布式对象技术的 N C 2 0 0 0 水电厂计算机监控系统软件 水电自动化与大坝监测，2 O O 2，2 6(5)朱辰男，高级工程师，长期从事水电自动化技术及管理工作。施冲 男，高级工程师，长期从事水电自动化技术及管理工作。王伟男，工程师，从事水电自动化技术工作。维普资讯 http:/