（计算机应用技术专业论文）超临界火电机组生产实时检测系统的设计与实现.pdf

中文摘要 随着国家电力体制改革的不断深入、电力市场的不断成熟，客观要求加快电厂 信息化建设，充分应用生产过程实时信息资源。因此，生产实时监测系统( s i s ， s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 在近几年得到了迅猛发展。 针对某超临界火电机组发电厂的生产要求，本文对s i s 系统进行了设计，具体 工作包括： 1 ) 设计整体方案及架构。采用冗余的干兆以太网作为信息传递和数据传输的媒 体，提供冗余的网络连接系统，实现高效能的网络数据交换和访问控制。s i s 与所 有生产相关的控制系统之间接口应采用网络隔离装置。并采取物理安全措施、访问 控制、身份认证等手段作为网络安全的基本措施。 2 ) 硬件集成。s i s 系统的硬件容量按本期工程l 、2 、3 、4 号机组数据总容量 并适当预留裕量设计，选用了h pr x 6 6 0 0 + 磁盘阵y u + e m cc x 3 - 2 0 作为数据库服务器， 思科的c a t a l y s t 4 5 0 6 干兆交换机作为核心交换机，计算及应用服务器、维护服务 器等选用了h p 的d l 5 8 0 。 3 ) 接口方案的确定。依据各个下层控制网络( d c s 、辅助控制网、电网监控系 统n c s 等) 的数据接口协议分别制订了接口方案。s i s 不对下层控制网络进行修改、 组态或对工艺过程进行任何控制，也不能影响下层生产控制网络的控制功能。 4 ) 软件功能的实现。软件系统的设计实现的基本应用功能包括生产过程信息采 集、处理和监视，机组级、厂级性能计算和分析，机组运行指标分析，运行优化和设 备操作指导、小指标考核等。在扩展应用功能方面，则包括耗差分析、在线热力试 验等模块。 在s i s 系统投运后，为电厂厂级生产和管理提供了大量有价值的数据信息、决策 支持及统计报表，为节能降耗工作提供了重要的技术数据和手段，提高了电厂的整 体运行和管理水平。s i s 将全厂控制系统结合到一起，实现了从安全运行模式向安全、 经济运行模式的转变。 关键词：火力发电；生产实时监测系统；实时数据库 a b s t r a c t w i t ht h ed e e p e n i n gr e f o r m o ft h en a t i o n a lp o w e ra d m i n i s t r a t i o n s y s t e ma n dt h ei n c r e a s i n gm a t u r i t yo f t h ep o w e rm a r k e t ，p o w e rp l a n t sh a v e t os t e pu pt h e i ri n f o r m a t i o np a c es oa st om a k ef u l lu s eo ft h er e a l - t i m e i n f o r m a t i o nr e s o u r c e s a sar e s u l t ，s i s ，t h es u p e r v i s i o ni n f o r r n a t i o ns y s t e m ， h a sw i t n e s s e dr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r si nc h i n a c o n s i d e r i n gt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t so fac e r t a i nt h e r m a lp o w e r p l a n to fs u p e rc r i t i c a lg e n e r a t o r s ，t h et h e s i sd e s i g n sas i s f o rt h ep l a n t w h i c hc o v e r st h ef o l l o w i n gt a s k s ： 1 ) d e s i g n i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e 10 0 0 me t h e r n e t n e t w o r ki s a d o p t e da st h em e d i u mf o ri n f o r m a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n s i sa n da l l t h eo t h e rc o n t r o ls y s t e m sa r ei s o l a t e du s i n gn e t w o r kd e v i c e si nl o g i c s u c h n e t w o r ks e c u r i t ym e a s u r e sa sp h y s i c a ls e c u r i t ym e a s u r e s ，a c c e s sc o n t r o l ， n e t w o r ki d e n t i f i c a t i o na r ea l s oe m p l o y e d 2 ) h a r d w a r ei n t e g r a t i o n t h eh a r d w a r ec a p a c i t yo ft h es i si sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h et o t a ld a t ac a p a c i t yo ft h ef o u rg e n e r a t o r si n ac e r t a i np h a s e o ft h ep l a n tc o n s t r u c t i o n ，l e a v i n gs o m ee x t r ac a p a c i t ya v a i l a b l e 1h es y s t e m 。 r n u s e smr x 6 6 0 0 ，d i s ka r r a ya n de m cc x 3 2 0 a st h ed a t a b a s es e r v e r , c i s c oc a t a l y s t 4 5 0 6a st h elo o o mc o r ee x c h a n g e r ，a n di - t pd l 5 8 0a st h e c o m p u t a t i o n ，a p p l i c a t i o ns e r v e ra n dt h em a i n t e n a n c es e r v e r 3 ) d e s i g n i n gt h es y s t e m si n t e r f a c e t h ei n t e r f a c ed e s i g ni sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v ed a t ai n t e r f a c ep r o t o c o lo ft h el o w e rc o n t r o l n e t w o r k s ，s u c ha sd c s ，s u p p l e m e n t a r yc o n t r o ln e t w o r k a n dt h ep o w e rg r i d m o n i t o rs y s t e mn c se t c t h es i sd o e sn o tc h a n g et h el o w e rc o n t r o l n e t w o r k s ，d o e sn o tc o n t r o la n yc o n f i g u r a t i o na n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e s a n dd o e sn o ta f f e c tt h ec o n t r o lo ft h el o w e rp r o d u c t i o nc o n t r o ln e t w o r k 4 ) i m p l e m e n t i n gt h es y s t e m f u n c t i o n s t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h e s o f t w a r ei n c l u d et h ed a t ac o l l e c t i n g ，d a t ah a n d l i n ga n dm o n i t o r i n go ft h e p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h eg e n e r a t o r - l e v e la n d p l a n t 1 e v e lp e r f o r m a n c e ，t h ea n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o no ft h eg e n e r a t o r p e r t o r m a n c e t h ei n s t r u c t i o nf o ro p e r a t i o n ，a n dt h ee x a m i n a t i o no f t h es m a l l 1 n d e x e s t h ee x p a n d e da p p l i c a t i o nc o v e r ss u c hm o d u l e s a se n e r g y - 1 0 s s a n a l y s i sa n do n l i n et h e r m a lt e s t 1 t1 sh 叩e dt h a t ，a f t e rt h ea p p l i c a t i o no f t h es i s ，i tw i l lp r o v i d et h ep l a n t m a n a g e m e n tw i t ha d e q u a t ev a l u a b l e i n f o r m a t i o n ，d e c i s i o ns u p p o r ta n d s t a t i s t i c a l r e p o r t s i tw i l la l s op r o v i d ei m p o r t a n td a t a a n ds e ea sa n 1 m p o r t a n tm e a n sf o re n e r g ys a v i n ga n dc o s tr e d u c t i o ns oa st oi m p r o v e t h e o p e r a t l o na n dm a n a g e m e n to ft h ep o w e rp l a n t t h es i si n t e g r a t e s a l lt h e c o n t r o ls y s t e m so ft h e p l a n ts ot h a tat r a n s i t i o nw i l lb em a d e 仔o ms a f e o p e r a t i o nt os a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o n k e yw o r d s ：t h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n ；s i s ；r e a l t i m ed a t a b a s e i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：釜狱透 日期：2 三晕：上! 擎 一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：查型凿参日期：兰! 翌：。上! 垡 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 近年来，在发电企业的生产管理中，各类生产实时控制系统发挥着重要作用。 但对处于市场竞争中的发电厂和发电集团，如何对这些分散的实时信息进行采集和 应用，已迅速成为电力生产和经营管理中的一个重要课题。 1 1 1 发电业务经营管理的需求 1 ) 安全、经济生产的需求 安全生产是发电企业的首要工作，而对生产设备的运行状况进行长期、全面、 准确地分析和预测，并合理制定运行方式，则是减少事故和故障发生的重要途径。 通过本系统的建设，可以将原本分散的各类生产实时数据集中采集并整理为厂级、 甚至集团级的实时指标体系，提供给范围更广的人员进行分析和决策。 2 ) 电力市场的需求 随着电力市场的逐步开展建设，发电企业面临的电力市场竞争将日趋激烈，电 厂所采用的竞价策略将直接影响到电厂和集团的经济效益。为满足这种分析需要， 发电企业迫切需要建设一套及时、稳定、准确的生产实时数据采集、存储、处理和 展现平台。 1 1 2 现有实时信息处理和利用的主要问题 随着发电企业生产自动化水平的不断提高，电厂的各类机组级生产实时控制系 统如d c s 、p l c 、l c u 等逐步完善，为及时、准确掌握电厂实时生产信息并合理调整 运行方式，提高电厂的安全生产水平和经济效益发挥了重要作用，但目前我们对这 些生产实时信息的利用和处理上还存在以下一些问题： 1 ) 实时信息利用范围小 电厂各控制系统大都运行在生产现场，运行值班人员在控制室等地可以通过运 行终端直接监视和控制生产运行过程。根据国务院3 0 号令要求，自动化控制和管 理网络之间必须以单向数据传输的物理隔离网闸进行隔离，否则将带来严重的安全 隐患。目前，大部分电厂值长，以及远在电厂办公楼，甚至是生活区的运行厂长以 及生技部门的运行管理人员无法监视生产实时信息管理生产运行。 由于分散于各自动化控制系统的电厂生产实时数据一般只能由原系统来调用， 这些系统受操作人员范围、专业范围、技术平台和信息安全等的局限，很难对有关 实时数据加以深层次的综合利用，造成了对信息资源一定程度上的浪费。 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 因此，目前急需在已有传统的分散的生产实时系统基础上，建立一套面向上述 对象服务的生产实时监测系统。 2 ) 实时信息分散无序 电厂各自动化控制系统根据各自的关注重点，分别建立了一套测点和计算点， 并进行数据采集和处理。这种控制系统大多是机组或部件级，各系统间可能有实时 指标的交叠和重复，并且各自采用的技术方法，如主机、通讯、数据库和软件开发 操作模式等都有差异，这些问题的存在实际上是近年来生产实时监测系统( s i s ) 蓬勃发展的一个重要原因。 因此，如何将这些无序分散于各系统中的实时指标，基于一个统一的实时数据 库，整理成一套厂级的、完整的体系并加以综合利用，就成为发电厂急待解决的一 个问题。 3 ) 实时信息智能化程度低 由于受各实时控制系统可靠性和实时性严格要求，各系统呈现的实时生产信息 没有经过深入加工处理，智能化程度低，功能也较差。例如，在分析事故时仅能依 赖s o e 等功能，不具有事故回放功能，也不提供科学的考核安全经济运行的指标， 更谈不上优化运行和高级诊断等功能。 因此，如何将这些宝贵的实时信息资源整合在一个更为灵活、宽松的环境中， 利用更加丰富的业务和数学分析模型加以数据分析利用，也成为电厂科学管理的一 个新课题【3 1 。 综上所述，以电厂为基础单位，有体系地统一采集、整理和存储原本分散的各 类生产实时信息，并加以分析利用，最终建成一套生产实时监测系统，不仅有必要， 而且非常迫切。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1 制造执行系统( m e s ) 上世纪九十年代中后期，国际上先进国家的流程生产企业( 包括电力行业) 开 始向信息化发展，稍后，我国电力企业也开始大规模地推行企业信息化。 在定位流程企业信息化内涵时，国际上提出了制造执行系统( m e s ) 的概念， 形成了m e s + e r p 的企业信息化模式。1 9 9 2 年，美国先进制造研究机构( a d v a n c e d m a n u f a c t u r er e s e a r c h ，简称a m r ) 在对流程企业做了大量调查研究的基础上，提 出了企业的三层集成模型，即自下而上为控制层、执行层和计划层，每一层有对应 2 第一章绪论 的控制或管理系统及其相应的软件。对应控制层的d c s 、s c a d a 已经得到了较为 广泛的应用，并取得明显的安全经济效益。对应计划层的e r p 等在西方发达国家的 许多企业中逐步广泛应用。但是由于当时对应执行层的信息系统无人关注，计划层 e r p 等与控制层d c s 互相隔离运行，e r p 没有控制层生产实时信息的支持，以致 企业信息化成效大打折扣h j 。 经过一段时间的反思，到九十年代后期，对应执行层的m e s 迅速发展起来。什 么叫m e s 呢? a m r 称其为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间，面向车 间层的管理系统。”制造执行协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n 即 m e s a ) 对m e s 定义为“m e s 是通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的 生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时，m e s 能对此及时做出反应、 报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使 得m e s 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产动作过程， 从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又提高了生产回报率。 m e s 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的 关键任务信息 。简言之，m e s 是位于上层计划管理系统与底层控制系统之间的面 向车间生产过程的管理信息系统。目前国际上所有流程企业，以及国内石化、钢铁 等行业均广泛应用m e s + e r p 的模式来规划和发展企业信息系统。 1 2 2 生产实时监测系统( sis ) 在我国的电力企业大规模地从分散控制系统向集散控制系统的跨越过程中，各 电力企业的管理信息系统也如火如荼地展开建设。虽然没有象a m r 那样从下而上 地划分三层集成模型，而这三个层次是明显的客观存在。d c s 的发展先于m i s 的 建设，所以在m i s 集成的中后期，类似于e r p 与d c s 之间的断层问题同样地凸显 了出来，介于m i s 和d c s 之间的执行层应用系统生产实时监测系统( s i s ) 的 概念提了出来 生产实时监测系统“主要是为发电厂建立生产过程实时历史数据库平台，为全厂 实时生产过程综合优化服务的实时生产过程监控和管理的信息系统。”i l 】生产实时监 测系统的概念是我国的m i s 和d c s 专家在对两个系统进行集成连通的过程中自主提 出的。从最初的简单地利用关系型数据库进行生产实时数据的存储，到后来利用国外 的实时历史数据存储平台( 主要产品是p i ) ，到现在的有了我国自主知识们权的实时 历史数据平台( 如上海麦杰公司的o p e n p l a n t ) ，各应用模块同益成熟，生产实时监 测系统及其应用在短短的数年间令我国取得了突飞猛进的发展。 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 1 2 3m e s 与生产实时监测系统的比较 m e s 与生产实时监测系统概念有个共同点，即它们都是位于三层集成模型的 中间层，介于控制层( d c s ) 和企业管理层( e r p ，m i s ) 之间的信息系统，都是 在第一层和第三层之间集成过程中产生的应用，但它们之间还是存在差异的【2 】。 m e s 系统的应用范围是流程制造业，电力企业只是它应用的一部分，所以m e s 的外延要大于生产实时监测系统，m e s 系统更庞大更复杂，实施难度也更大。而生 产实时监测系统是电力系统要在解决m i s 与d c s 系统之间集成时提出的概念，更 偏重于单纯的生产实时数据的采集、存储与分析，主要适用对象也是电力企业。电 厂信息化采用生产实时监测系统+ m i s 模式，系统配置清晰，管理方便，更易于实 施和维护。 m e s 主要考虑离线管理，而生产实时监测系统还考虑在线监视和管理，而且 根据电厂独有特点，在纳入机组优化调度后还将会出现全厂综合优化调度功能。目 前，我国已经有一些电厂将非直调方式( 中调把全厂负荷发给电厂，电厂按优化分 配算法将负荷分配给每台机组) ，取得了明显的经济效益。日益受到电网调度的支 持和电厂的重视。如生产实时监测系统真正实现这一功能的闭环，它的等级将会升 级到与机组控制相同甚至更高的水平。m e s 要领中没有考虑到电厂这一过程，不能 满足要求。 1 2 4 实时数据库理论与技术 数据库理论与技术的发展极其迅速，其应用日益广泛，在当今的信息社会中， 它几乎无所不在。以关系型为代表的数据库系统在传统的( 商务和管理的事务型) 应用领域获得了极大成功，然而它们在现代工程( 尤其是在工业控制领域) 和时间 关键型的应用领域面前，却显得束手无策。一方面企业希望该数据平台能够提供高 速、及时的实时数据服务，能够有效地集成异构控制系统，提供分布式的数据服务。 另一方面希望它可以在工厂控制层( 现场总线、d c s 、p l c 等) 与m e s 系统之间 建立了实时的数据连接，使企业全生产过程控制和业务管理相结合。同时它也是流 程模拟、先进控制、实时在线优化、生产全过程管理系统的数据平台，而这些是靠传 统的关系型的数据库所无法实现的，由此而导致了实时数据库( r e a lt i m ed a t a b a s e ， r t d b ) 的产生和发展1 5 j 。 1 2 4 1 实时数据库的发展 数据库的应用正从传统领域向新的领域扩展，如电力调度、化工、钢铁、冶金、 4 第一章绪论 造纸、c a d c a m 、电子银行事务、电子数据交换与电子商务、证券与股票交易； 交通控制、雷达跟踪、空中交通管制等等。这些应用有着与传统应用不同的特征， 一方面，要维护大量共享数据和控制数据；另一方面，其应用活动( 任务或事务) 有很强的时间性，要求在规定的时刻和( 或) 一定的时间内完成其处理；同时，所处 理的数据也往往是”短暂”的，即有一定的有效时间，过时则有新的数据产生，而当 前的决策或推导变成无效。所以，这种应用对数据库和实时处理两者的功能及特性 均有需求，既需要数据库来支持大量数据的共享，维护其数据的一致性，又需要实 时处理来支持其任务( 事务) 与数据的定时限制【6 j 。 但是，传统的数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整性、 一致性，其性能目标是高的系统吞吐量和低的代价，而根本不考虑有关数据及其处 理的定时限制，所以，传统的数据库管理系统( d b m s ) 不能满足这种实时应用的 需要。而传统的实时系统( r t s ) 虽然支持任务的定时限制【_ 7 ，但它针对的是结构 与关系很简单、稳定不变和可预报的数据，不涉及维护大量共享数据及它们的完整 性和一致性，尤其是时间一致性。因此，只有将两者的概念、技术、方法与机制” 无缝集成”的实时数据库( r t d b ) 才能同时支持定时和一致性。 实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，系统的正确性不仅 依赖于事务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间【8 j 。近年来，r t d b 已发展为现代数据库研究的主要方向之一，受到了数据库界和实时系统界的极大关 注。然而，r t d b 并非是数据库和实时系统两者的简单结合，它需要对一系列的概 念、理论、技术、方法和机制进行研究开发，如数据模型及其语言，数据库的结构 与组织；事务的模型与特性，尤其是截止时间及其软硬性；事务的优先级分派、调 度和并发控制协议与算法；数据和事务特性的语义及其与一致性、正确性的关系， 查询事务处理算法与优化；i o 调度、恢复、通信的协议与算法，等等，这些问题 之间彼此高度相关 9 1 。 1 2 4 2 国外实时数据库介绍 实时数据库技术在国外已经历经二十余年的发展和应用，早期多应用于石化行 业，后向电力、冶金、证券、交通等领域扩展，目前在国内电力行业应用较多的国 外实时数据库主要有o s i 公司的p i 、i n s t e p 公司的e d n a 、w o n d e r w a r e 公司的i n s q l 盘莹 守。 p i ( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是美国o s is o f t w a r e 公司开发的一套基于c s 架 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 构的商品化软件应用平台，可以作为控制系统与上层管理信息系统连接的桥梁。p j 可作为工厂数据的自动采集、存储和监视，提供精确的操作情况画面，浏览当前和 过去的生产情况。如大多数国外软件一样，p i 是商品化很高的软件，不提供直接的 现场程序开发服务，但提供了各种集成的网络工具，如p id a t a l i n k 、p ip r o c e s s b o o k 等为用户的二次开发提供了工具。早期的p 1 支持v m s 操作系统，现在的p 1 支持 w i n d o w s 和u n i x 。支持o d b c 协议与外界关系数据库连接【1 0 1 2 】。 e d n a ( e n t e r p r i s ed i s t r i b u t e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 是美国i n s t e p 公司开发的实 时数据库系统。e d n a 实时数据库系统以服务目录为核心，以安全服务为外围，围 绕各个服务建立起安全的网络。各个服务独立但相互协作地为客户服务，彼此不相 互依附。e d n a 系统分为服务器、客户端和接口三个方面，分别提供采集和存储现 场实时数据、浏览和处理生产信息及数据库的通信等功能。e d n a 采用基于哈夫曼 编码的数据压缩算法，自称为数据无损压缩。e d n a 从2 0 0 2 年进入中国市场，由于 商业推广的成功，目前在国内已取得了较多的应用业绩，市场占有量仅次于p i ，但 e d n a 在数据接口、客户端工具等方面还很不成熟。e d n a 目前只支持w i n d o w s 操 作系统。 i n s q l ( i n d u s t r i a l s q ls e r v e r ) 是w o n d e r w a r e 公司开发的实时数据库系统，它 的特点是内嵌了一个m i c r o s o f ts q ls e r v e r 关系数据库内核，因此具有很多关系型 数据库的特点，i n s q l 由于w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h7 - 控软件的广泛应用而得到 了很好的推广。但是由于采用的是关系型数据库内核，在实时性、数据压缩率和响 应时间上比其它数据库都有明显的差距，目前在电力行业应用较少。 1 2 4 3 国内实时数据库发展现状 国内实时数据库系统与国外同类产品相比起步较晚，但经过近十年的产品研发 和实际工程应用，在一些领域已经可以与国外的实时数据库产品竞争，并取得了一 定的市场份额f 1 3 】。目前在电力行业应用较为广泛的数据库有o p e n p l a n t 、a g i l o r 等。 实时数据库无论是进口的还是国产的，都各有优势，但是实时信息系统的总的 质量或品质是由参与构建系统的最低水平的环节决定的。从国内已经运行的实时数 据库系统看，与国外引进的实时数据库相比，国产实时数据库有如下优势： 1 ) 多维结构比较符合中国国情 进口实时数据库的数据库结构一般是一维的，即全企业实时数据统一编号，因 为国外流程工业企业大都统一设计、集中控制、集中d c s ，它们本来的数据结构就 6 第一章绪论 是一维的。但是国内企业由于生产装置的建设布局和生产管理模式的不同，现场实 时数据的结构往往是多维的。例如炼油厂有多套生产装置，它们之间除了工艺流程 的关系外，实时数据之间从数据库的角度看基本没有直接联系，不同的装置可能有 相同编号( t a g 位号) 。使用某些进口实时数据库就必须重新统一数据编号，即将多 维的数据映射到一维的数据库，在用户界面或其他系统调用时再映射到多维的世界 来。这将会增加构建实时信息系统的困难降低实时数据库的运行效率【l4 。实际上国 内实时生产数据的结构是十分复杂的，远不是一个一维结构所能表达的。国产实时 数据库可以按照国内企业实时数据的实际结构，即由于生产装置建设过程的不同、 生产工艺的不同和生产管理模式的不同而引起的实时数据的结构的不同，来调整实 时数据库的结构。不同的企业、不同的数据载体、不同的数据特征、不同的数据结 构、硬行套用结构成型的、不符合中国国情的实时数据库是很难构建优秀的实时数 据库系统的。 2 ) 实时性能更好 实时数据库性能的第一个指标就是系统响应周期( 系统响应周期指从现场数据 变化到实时数据库的数据跟随变化的最长时间) 。由于国产实时数据库一般开发方 和工程方是一家，为了实时数据库实时、高效、稳定地运行，在数据采集和计算机 实时通信协议方面这一最关键的技术方面没有必要对外开放。由于使用了自定义协 议如n 生产实时监测系统实时通信协议，实时数据可以以最快的速度、最小的周期、 最小的硬件软件代价将实时数据直接送往实时数据库内存。 3 ) 开发周期短，系统升级快 国产实时数据库系统的缺点是通信协议内部封闭，优点也是通信协议内部封闭。 国产实时数据库的开发商没有必要花费很多的精力时间去遵循这个那个协议，他们 只要考虑整个系统对外开放的标准和协议，因此国产实时数据库技术更新快，可以 根据计算机和网络技术的发展和用户的需要，经常对自己的系统进行升级，也可以 针对计算机网络上特有的事件如计算机病毒来改善系统防御病毒的能力。国产实时 数据库系统升级快，一到二年就有新的版本问世，最新版本完全可以满足国内大型 企业构建实时数据库系统的需要【l 5 1 。 4 ) 可根据用户的需要量身定制 实时数据库系统从信息的角度看仍然是个信息系统，不仅国内企业与国外企业 需求不同，即便国内企业的需求也不尽相同。用同一个实时数据库平台不太可能满 足所有企业的需求，根据用户的需要为企业量身定做将是实时数据库发展的必经之 7 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 道。国产软件在这方面应该是占有优势的。 1 3 研究的内容与意义 由于电力工业在国民经济发展中所处的地位，发电企业是保证电网安全运行的 重要组成部分，随着电网规模的发展和技术进步，提高发电厂生产运行的安全性和 经济性也日益重要。电力企业m i s 和生产实时监测系统所发挥的作用也日益强大， 脱离了生产实时监测系统的m i s 系统，是无本之木、无源之水，没有了及时、准确、 翔实的数据来源，效能必将大打折扣。 作为一个完整的生产实时监测系统的解决方案，要研究和解决的内容包括如下 几个方面： 1 ) 硬件平台网络的建立； 2 ) 硬件设备的选型； 3 ) 接口方案的确定； 4 ) 实时数据库的选型； 5 ) 软件功能的实现。 本文通过比较分析生产实时监测系统建设的常用方法，研究发电厂生产实时监 测系统管理的特点与规律，进行总体的分析与设计，结合生产实时监测系统的建设 情况进行整体的阐述。 发电厂生产实时监测系统是电力企业三层集成模型中最重要的一环，将生产和 管理连接成为有机的整体，使企业的管理信息系统发挥真正的作用，随着生产实时 监测系统开发和建设的不断深入，它的外延也在不断扩大，不断地增加新的内容和 管理模块，功能不断增强，创造的经济效益、安全效益也在不断增加，对电力企业 的安全经济运行有很深远的意义。 第二章生产实时监测系统的建立 第二章生产实时监测系统的建立 2 1s i s 是信息化电厂的核心系统之一 在过去十年多的时间里，d c s 的成功应用标志着电力生产自动化进程的实现， 随着以“厂网分开，竞价上网”为目标的电力体制改革的深入进行，在计算机及网 络技术快速发展的带动下，电力生产的信息过程相应启动。经过几年的探索和实践， 逐步形成了“数字化电厂”的概念，提出了以s i s 为核心的四层次电力信息化蓝图， 如图2 1 所示。 图2 - 1 四层挺电力信息化蓝图 f i g m e 2 1f o u r l a y e r so f t h e p o w e r p l a n t i n f o r m a t i o n i z a t i o nb l u e p r i n t s i s 成为近些年来电力信息化建设的主要项目之一，究其原因是现化代大型电 力企业无一例外地采用了“单元控制，全厂管理”的运营模式，生产过程控制和经 营管理是其中的两个重要环节。就提高企业整体效益而论两者相互渗透，密不可 分，但就其信息的时效性而言，两者之间却存在着巨大的差别，无法利用现有的信 息系统将其连接起来。就是我们前面所说的集成模型第一层和第三层之间的脱节。 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 s i s 就像座桥梁，使生产自动化信息传输到了生产经营管理中并发挥它的巨大作用。 在s i s 出现之前，通常采用在d c s 系统中增加设备管理模块或是在m i s 系统中 增加生产实时数据的方法时行厂级实时生产管理。实践证明，这两种解决方案都给 电厂带来了新的问题。一方面过多地在d c s 系统中增加设备管理功能，使d c s 的 结构日趋复杂，不可避免地出现数据阻塞或软件“死机事故，降低了生产过程控 制的可靠性；另一方面，将海量秒级数据加入到“静态”m i s 数据库中，不仅设计 困难，而且数据不可能完整，系统开销成几何倍数增长，响应速度大幅下降，所以 建立在实时历史数据平台上的独立s i s 系统的建立就势在必然了。 2 2sis 开发建设策略 s i s 作为生产管理信息系统，也同样遵循管理信息系统的开发策略，开发管理 信息系统通常有两种策略【l 7 j ： 1 “自下而上”的开发策略 “自下而上的开发策略是从现行的管理业务状况出发，先实现每个具体的功 能，逐步地由低到高建立系统，因为任何管理信息系统的基本功能都是数据处理，所 以“自下而上 的方法首先从研究各项数据处理应用开始，根据需要逐步增加有关管 理控制方面的功能。一些企业或组织在初始和扩展阶段，各种条件( 设备、资金、人 力) 尚不完备，常常采用这种开发策略。其优点是可以避免大规模系统可能出现运行 不协调的风险，但缺点是不能像想象中那样完全周密，由于缺乏从整个系统的角度出 发考虑问题，随着系统开发的进展，原定方案往往要做许多重大修改，甚至推翻重来。 这种方式对整个项目和投资带来巨大的风险。 2 “自上而下 的开发策略 “自上而下”的开发策略强调从整体上协调规划，由整体到局部，由长远到近期， 从探索合理的信息流出发来设计信息系统。由于这种开发策略要求较强的逻辑性，因 而难度较大，但这是一种更重要的策略，是信息系统的发展走向集成和成熟的要求。 整体| 生是系统的基本特性，虽然一个系统由许多子系统或模块构成，但它们又是个 不可分割的整体。 就两种开发策略来讲，并不是完全割裂开来的。在需求调研和分析过程中，应 当采取“自下而上”的策略，充分了解企业内部的管理流程、逻辑和数据流，掌握 翔实的系统规划设计素材。而总体规划、设计、和实施，则应当采取高屋建瓴，“自 上而下”的策略，既要将决策层的管理思路、管理目标不折不扣地贯彻下去，又要 1 0 第二章生产实时监测系统的建立 保证各业务子系统和模块间能切实高效地协调完成各自的任务，避免信息孤岛和数 据冗余造成的管理系统效率低下的问题。 m i s 不同于s i s ，相比较来说，m i s 的覆盖面更广，m i s 服从于整个企业的管 理目标。m i s 的整体设计与需求分析对一个企业来说是相当繁复而浩大的工程，需 要对整个企业的所有部门的管理流程、逻辑、业务数据等进行全面的梳理与优化， 在此基础上提出对整个企业管理的一个改革方案。如果一个企业的最高管理者没有 作好准备去迎接变革与动荡( 因为对管理模式的变革必定会导致人员、岗位的变动， 引发一系列的不稳定因素) ，那么就不可能采取或只能局部采取“自上而下 的建 设策略。 s i s 则不同，s i s 的特点决定了它更适合采取“自上而下的开发策略： 1 ) s i s 面向对象单一，目标明确。 s i s 服从于企业的生产管理目标，服务的对象主要是生产管理人员，改造的和 指导目标主要是运行、生产、检修技术，不存在或对管理流程的影响的程度较轻， 所以s i s 的建设与开发更应当采取“自上而下”的开发策略。 2 ) 生产管理技术成熟，便于s i s 的建设开发。 我国的电力工业自建国以来已经历了近7 0 年的历史，在发电运行、检修等生产 技术方面积累了大量的经验，特别是近些年引进了国外许多先进地设备与技术，使 我们电力工业的生产技术逐步与国际接轨。新厂通过直接引进技术和设备，老厂通 过技术革新改造，使生产管理技术和机组自动化水平大大提高。s i s 在这时提出并 切入电力系统，时机很好。一方面自动化水平提高后需要新的管理方法与技术进行 电力生产管理，另一方面电力生产管理积累的许多年的经验需给生产管理创造更多 的效益。所以采取“自上而下”的建设开发策略比较顺畅，水到渠成，事半功倍。 3 ) s i s 日臻完善，其结构适应“自上而下的策略 s i s 概念的提出至今已有近十年的时间，s i s 已从最初的模索实践到现在日趋成 熟，基本形成了基于实时历史数据平台，以d c s 和其他辅助控制系统为数据来源， 各应用系统模块化的结构。s i s 的建设应当制定整个企业的s i s 规划与蓝图，在资 金有限的情况下，首先选择对企业生产管理中帮助最大、最能产生安全与经济效益 的模块来实施，主次分明，张弛有度，而且由于各模块问的独立性较高，不必担心 整个项目和投资的风险。 超临界火电机组生产实时监测系统的设计与实现 2 3sls 建设过程需要注意的问题 虽然s i s 技术和应用日趋成熟，建设风险越来越小，产生的效益越来越大，但 在规划、建设和实施过程中还是有些风险要注意规避的，主要存在以下几个方面： 2 3 1s l s 与d o s 系统间的数据传输与集成 s i s 概念提出之前，一部分发电企业就建设了生产实时数据系统。主要是为了 生产管理人员在非生产现场掌握机组的实时运行情况。实时数据还可以被引用到综 合统计系统如生产日、月报等进行指标的统计分析。主要利用关系型数据进行存储， 秒级的数据一般能存储一周，分钟级的数据一般存储2 3 个月。实时显示采用广播 方式，客户端采用绘图和生成工具模拟现场的系统和生产测点，接收广播数据来进 行实时显示。由于图形和测点都是由生产人员手工录入或生成，而且不会象d c s 系统那样进行反复地调试与校对，错误很多，漏洞百出。 s i s 则采取了真正的实时历史数据平台，让专门的压缩技术来构造实时历史 数据库，最大的存储规模在数十万点，秒级的历史数据都能够存3 年以上，采用开 放式的接口以备其他系统调用。但是，有些s i s 也存在s i s 的数据来源、图形测点 等人工生成的现象，造成了s i s 数据较大的错误率。 在s i s 与d c s 和其他辅控系统集成的过程中，应当采取图形、测点、开关量 状态等全盘转换的做法，即将d c s 等系统中的系统图、测点、状态等文件通过专 门的工具转换到s i s 中，使s l s 的图形、测点、标号、开关量状态等与d c s 保持完 全的一致，这样做不仅能节约大量的人力物力，更重要的是保证s i s 数据的准确性、 正确性。不少s i s 系统尽管投入大量人力物力，实时历史数据平台选用最先进的， 各应用模块也完善，但就是未采取全盘转换的方式来集成数据，造成数据错误较多， 使s i s 系统应用模块计算出来的结果与生产现场根本不相符，对生产运行没有丝毫 的指导意义。所以这个环节对s i s 的建设是相当重要的，是重大风险点之一。 2 3 2s l s 建设与电力二次系统之间的安全防护 从电力工业的特点可以看到，电力企业和电网都要求高度地安全性，可靠性和 稳定性。s i s 和d c s 等采用i t 技术来构建，i t 技术的快速发展也带来了很多不良 的东西，如恶意代码、黑客程序等，这些东西对电力二次系统( d c s 、s c a d a 、煤、 水、灰、脱硫等辅控系统等) 都构成了严重的威胁，直接威胁到电力生产的安全。 电力系统的高层管理部门早就意识到了这种威胁，先后出台了电力二次系统安全 防护规定( 电监会5 号令) ，“关于印发电力二次系统安全防护总体方案等安 1 2 第二章生产实时监测系统的建立 全防护方案的通知”( 电监安全 2 0 0 6 1 3 4 号) 等文件，加强电力二次系统的防护。 其中发电厂二次防护的目标是“抵御黑客、病毒、恶意代码等通过各种形式对发电 厂二次系统发起的恶意破坏和攻击，以及其他非法操作，防止发电厂电力二次系统 瘫痪和失控，并由此导致的发电厂一次系统事故”【1 6