梯级水电站集控中心计算机监控系统软件.pdf
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1、第3 1 卷第6 期2 0 0 7 年1 2 月2 0 日水电自动化与大坝监测H y d r o p o w e rA u t o m a t i o na n dD a mM o n i t o r i n gV 0 1 3 1N o 6D e c 2 0,2 0 0 75梯级水电站集控中心计算机监控系统软件朱辰,施冲(国网南京自动化研究院南京南瑞集团公司,江苏省南京市2 1 0 0 0 3)摘要:为适应水电站集控中心生产管理水平不断提高的新要求,需要对新型集控中心计算机监控系统软件进行研究和开发。简要介绍了面向对象、三层次结构、分布式对象等集控中心系统所采用的新技术,以及集控中心监控系统的
2、控制安全性考虑等系统实现要点。关键词:梯级水电站;集控中心;计算机监控系统;面向对象;分布式对象;控制安全性中图分类号:T V 7 3 60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。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。在坚持优先发展水电的能源发展方针的指导下,中国大型水电基地和流域水电开发的步伐正在加快,大型流域或梯级水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和发展
3、,梯级水电站集控中心的综合自动化水平也要不断提高。计算机软硬件技术及工业控制、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。从监控系统软件的结构来看,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,目前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。国网南京自动化研究院自动控制研究所在总结多年水电厂及梯级集控中心计算机监控系统开发经验的基础上,充分吸收计算机领域的最新技术,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
4、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。它包含多层分布式对象收稿日期:2 0 0 7 0 7 0 2;修回日期:2 0 0 7 0 9 2 8。架构,全面支持异构平台,提供高效、安全、可靠的监控内核,以及功能强大的组态工具、实用方便的应用界面、多种标准接E l、适用于梯级集控中心实际应用需求的各种常规和高级应用功能。1软件结构有别于电站计算机监控系统,梯级集控中心的任务是对整个梯级或水利枢纽(为简便起见,以下的论述仅提及梯级集控,所述问题对水利枢纽也适用)的运行进行监视,按照上级调度指令,对梯级综合利用的各个方面,如泄洪、蓄水、发电、航运
5、等进行统筹安排、协同调度。梯级各电站及泄洪闸一般按无人值班的要求设计,在条件许可时由集控中心对各电站及泄水闸进行集中监视和控制。根据梯级的任务要求,梯级集控计算机监控系统应具有对各梯级子系统进行数据采集与处理、安全运行监视、运行调度、操作控制和管理等功能,同时负责接收上级调度系统下达的各项指令,向上级调度传送所需的数据,以便对整个梯级枢纽进行有效的监视、调度、控制及管理。梯级内往往包含不同时期建设的不同,类型的电站监控系统,它们分布地域广、传输距离远、控制的安全性和复杂性要求较高,集控中心在设计和实现时必须综合考虑这一系列问题,以保证集控中心系统安全、稳定地运行。梯级集控中心的计算机监控系统在
6、系统结构、计算机硬件、通信通道等硬设备确定和实施以后,软件的结构、功能等就成为监控系统项目成败的关键。图1 为集控软件结构示意图。以下对新型梯级集控中心计算机监控系统软件(简称集控软件)研究、设计和实现中的要点及特点进行介绍。万方数据6拉电自多让与夫坝监测高级应用数据库 驸数系统通信计算机监基本组态工具A G C,A V C,据管理、W e b l g【务(上级黻、控系统软件系统E D C 等历史数梯级电站等)据管理)网络通信软件囊崩渤余软件南;准接嗽件、应用程序库、数据库系皖X W i n d o w M o t i fW i n d o w sG U IJ a v a V MJ a v a
7、V M操作系统U N I X开发系统、应用支撑开发环境垣胡技撵平台W i n d o w sO S 核J O J O T c P、O S 毫站b、I o、1 M P、文件管理W i n d o w s 文件管理计算机硬件平台U N I X 服务器工作站P c 系列】疆务器工作站图1 梯级水电站集控中心计算机监控系统软件结构2 软件特点及功能2 1 面向对象技术面向对象技术首先是在计算机软件开发技术的研究中发展起来的,其优越性已得到世界范围众多领域的认可。面向对象技术是根据客观事物(称之为对象)所具有的共性进行抽象,即忽略事物的非本质特征,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
8、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2 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 语言)中,类的作用是定义对象。类给出了属于该类的全部对象的抽象定义,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。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。集控软件的系统设计、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,这将给梯级集控中心的用户带来许多
9、益处,主要表现为:1)运行人员面对的是平时熟悉的设备对象(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各项运行参数,如机组的有功功率、无功功率、机端电压、功率因数等。2)执行控制操作时,可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。3)现场信号与相关对象建立了映射关系,不再作为独立事件出现。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,例如一些信号在机组对象处于开停机过程中时可以不予理会、另一些信号
10、在监视对象处于检修状态时要登人专门的记录表中等。4)在监控系统维护中,维护人员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,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,例如画面中的对象可以方便地复制、保存、抽取,以及对象组件放在容器中可自动调整等。2 2 多层次c s 结构和中间件客户服务器(C S)体系结构在水电厂监控系统中也普遍采用。传统的c s 应用软件模式大多是基于“肥客户机”结构下的2 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)系统及相应程序。随着分
11、布式对象技术的逐渐成熟,3 层(或多层)分布式应用体系结构得到了越来越多的应用。这3 层包括客户端、中间应用服务和数据服务(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,它们可以是集中式的也可以是分散式的。中间服务层提供包括应用服务在内的各种中间组件,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J I 顷,N 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 1 。包括通信中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),使数据安全、完整地
12、进行交换,并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费用和难度。传统的c s 结构和3 层c s 结构有各自的优点和适用性,许多应用领域越来越多地采用3 层结构,都是根据各自的需求综合考虑的。根据梯级集控中心计算机监控系统的具体情况,在分布式对象计算的总体架构下集成了传统的c s 和3 层c s 这2 种模式,可依据系统的具体软硬件配置灵活设置。如在生产管理部分采用浏览器服务器(B S)模型构建整个子系统,增加了W e b 服务器,也可以说构成了4 层结构,其数据集中存储,所有的数据访问必须通过中间
13、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:万方数据发电控制技术及设备朱辰,等梯级水电站集控中心计算机监控系统软件1)中间件为系统提供了强大的扩展性能。2)在客户端无须安装连接不同数据库的客户软件。3)不会因访问客户的增加而增加数据库的并发连接。4)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)。5)对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。6)无须公开内部数据
14、模式,保证了对其修改的自由度,系统安全、可靠、可扩展。7)保证了系统的开放性、完整性、一致性、灵活性,并支持各种异构的系统环境。2 3 分布对象计算技术随着网络技术的不断发展及其应用范围的E l 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,它可能包含不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(L C U)等,各种硬件平台上所采用的操作系统、支撑软件、网
15、络通信都各不相同。在这样的异构环境下,要实现数据信息和软件资源的共享是十分困难的,但这也是集控中心必须面对的。在目前大多数水电厂或梯级集控中心中,除计算机监控系统外,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有数据交换和信息共享、增加新的应用和系统的需求,这就要求将这么多个系统从“信息孤岛”状态逐渐整合成统一的集成系统或平台。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I:1,在由1 个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
16、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,就是分布对象计算。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 nM i c r o s y s t e m s 的企业J a v a 组件(E J B)远程方法调用(R M I)、对象管理组(0 M G)的通用对象请求代理体系结构(C O R B A)、M i c r o s o f t 的组件对象模型(C O M)分布组件对象模型(D C O M)。集控软件的开发主要采用了E J B 模型。E J B R M I 是S u nM i c
17、r o s y s t e 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 a n s,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 a n s 重新组合成一个新的需要的分布式应用程序。一个E J B 能够通过其属性表和方法对它进行定制和控制嘲。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
18、 B 组件和E J B 容器的关系,确定容器是一个E J B 组件的执行环境,它实现对E J 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,还提供了一个E J B容器实现对E J B 类的管理和控制 3 。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、中型口3 水电厂和梯级集控中心系统在目前及未来
19、的跨平台需求。2 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3 个层次:各电站L C U 就地控制,厂站级计算机监控系统的厂站级控制,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
20、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,以及梯级集控中心的自动发电控制(A G C)、经济调度控制(E D C)等功 万方数据8拉电自劫让与夫坝监测能。所有的控制、调节命令都可以分为集控(梯控)和站控2 类模式(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 给定等简称为集控,站控同样),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
21、。“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,包括自动控制和操作员手动控制,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,不接收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:1)控制和调节
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