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(水利工程专业论文)三峡左岸电站计算机监控系统及其通信研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章简要概述了计算机监控系的现状和发展趋势,提出了计算机监控系统通信研 究的意义,最后介绍了论文的主要工作和各章节的安排。 1 1 计算机监控系统的现状和发展趋势 水电厂自动化系统由控制硬件、控制软件、人机接口、i o 设备及与信息系统及 其连接等组成。随着计算机技术、网络技术的发展,水电厂计算机监控系统发展形成 了基于开放系统的分布式计算机监控系统。开放系统标准,如t c p i p s q l 、o d b c 、j d b c 、 o p c 具有通用性和移植性,监控系统的软件可以安装在任何具有开放系统特点的计算 机上。计算机监控系统软件的开发除了按照开放系统标准以外,还采用了面向对象技 术。水电厂计算机监控系统的控制设备具有复杂性和多样性的特点,基于面向对象的 技术应用是将水电厂运行设备如发电机组、主变、开关等抽象为对象,从系统设计、 编程语言选择到用户界丽等一系列过程都依据面向对象的理念、原则和技术进行,使 用这种技术给用户的使用和维护都带来极大的方便。 目前监控系统的结构基本上以面向网络为基础,系统级设备大多采用以太网 e t h e r n e t 或光纤环网f d d i 等通用网络设备连接高性能的微机、工作站、服务器, 在被控设备现场则较多地采用p l c 或智能现地控制单元,再通过现场总线与现地智能 i 0 设备、智能仪表、远程i 0 等相连接构成现地控制系统,与厂级系统结合形成 整个控制系统。 对于现地控制单元,智能控制器加上现场总线技术应是一个发展趋势,根据i e c 标准及现场总线的定义:现场总线是连接智能设备和自动化系统的数字式双向传输、 多分枝结构的通信网络。水电厂被控制对象分散,机组容量变大,控制信息量增多, 控制任务功能增加,控制负荷加重,采用现场总线将分散在现场的智能仪表、i 0 设备、智能变送器、智能控制器连接成一体,体现了分散控制的特点,提高了系统的 自治性和可靠性,节省了大量信号电缆和控制电缆。因此,使用现场总线网络适应分 布式、开放式的发展趋势。 目前监控系统软件的平台多用组态方式实现。用户无需对操作系统命令深人了 华中科技大学硕士学位论文 解,也不需要复杂的编程技巧,不论是在u n i x 系统上还是在w i n d o w s 系统上,都可 通过组态工具提供界面十分方便地完成对象定义、数据库测点定义、现地控制单元的 各种模件定义、处理算法定义、通信端口和协义定义以及顺控制流程生成、检测、加 载等各种功能的应用定义以和维护,避免了使用编辑程序难免产生的输入错误,实现 了监控系统服务的面向对象、可靠、开放、友好、可扩展和透明化。 随着软件技术的发展,诸如w e b 、面向对象的j a v a 等新技术将越来越多地引入计 算机监控系统。如在大中型电厂用高性能的u n i x 工作站或服务器作为全系统的主控 机和数据服务器,而用p c 机作为操作员站,由j a v a 一次编译,多处运行,可轻松地 在操作员站、主处理器等监控系统内的节点上获得同样的人机界面,由w e b 信息发布 技术的支持,可在企业内部同过p c 联网远程浏览到同样的界面,实现资源共享,有 效地服务生产。 计算机监控系统的功能是实现电厂的集中监控、数据记录和管理及系统远方监控 及操作。随着安全生产、经济管理、电力市场等功能的扩展,监控系统已逐渐发展成 为水电厂生产综合管理系统。这些功能系统的拓展,根据具体情况,可配置成相对独 立的系统,通过高速网络与计算机监控系统进行数据交换,也可配置成计算机监控系 统的子系统。为了适应电力市场的发展,诸如趋势分析系统,状态检修系统,电力市 场、经济调度决策支持系统已处于研究开发或实验阶段。为实现这些系统功能,硬件 支持上,必须选择6 4 位的工作站、服务器,高速交换式以太网( 1 0 0m b i t so r lg b i t s ) 等才能满足这些高级系统对大量数据处理和交换及通信的要求。 以计算机监控系统为基础的水电厂生产综合管理系统提供了水电厂从最基础的 数据采集和设备控制直到面向电力市场的经济运行决策的一整套完善服务功能,提高 了电力生产管理水平,促进未来电力生产的现代管理迈上一个新台阶【”。 1 2 计算机监控系统相关通信研究的意义 计算机监控系统内部各个节点之间、系统与外围设备之间及本系统与其它监控系 统( 或控制系统) 之间的连接都是按照一定的通讯协议实现的,不同监控系统和同一 监控系统中不同部分之间通讯所采用的协议大都是不同的。例如,不同监控系之间多 采用远程通讯协议如1 0 l 协议;统监控系统内部各节点之间所形成的实时工业过程控 制以太网多采用t c p i p 协议( 或其它专用协议符合8 0 2 3 标准) ,通过i p 地址即可 华中科技大学硕士学位论文 2 三峡工程左岸电站计算机监控系统 长江三峡水利枢纽工程是具有防洪、发电、航运等综合效益的特大型水利工程, 其三蛱电站总装机容量1 8 2 0 0 m w ,其中左岸电站装有1 4 台单机容量为7 0 0 m w 的水 轮发电机组,通过8 回5 0 0 k v 交流线路接入电力系统。三峡左岸电站计算机监控系统 承担对左岸电站全厂设备的实时监视和控制。 2 1 三峡工程左岸电站计算机监控系统概述 三峡左岸电站在我国电力系统中处于十分重要的地位,它的安全、经济运行对华 中、华东电网乃至全国电力系统均有重要影响。因此,保证三峡电站安全、经济运行 是三峡电站计算机监控系统的首要任务。同时,作为世界一流电站,三峡电站监控系 统需在投运及投运后相当长的时间内仍具有先进性、可扩展性、易升级性。以保证三 峡电站在未来的发展中长期处于世界先进电站的行列。电站计算机监控系统的监控对 象几乎包括了电站中所有设备:1 4 台水轮发电机组及其辅助设备,1 4 台三相主变压 器,5 0 0 k v g i s 开关站,2 3 个泄洪深孔闸门,2 2 孔底泄洪闸门及2 个排漂孔,6 段1 0 i “ 厂用电,油气水设备等。由于机组容量大,控制监视对象多,计算机监控系统的 点总量多达3 9 0 0 0 点( 不包括通讯和计算点的数量) ,使三峡电站监控系统成为世界 上最大的巨型水电站计算机监控系统。 三峡左岸电站作为目前全国最大的水电站,其安全稳定运行对国民经济的发展具 有举足轻重的作用。由于汛期和非汛期电站均要参加系统调峰,机组起停将十分频繁, 因此,三峡左岸电站自动化水平的高低或者说其计算机监控系统设计的好坏将直接影 响该电站将来能否安全稳定运行,这就要求三 阃喙嘁黄嵯柿眩恍头呃诼 副e计 必须建立在高起点之上,对计算机监控系统软硬件设计提出较高的目标而且要适应当前和将 来的要求,否则,就很难保证电站将来的安全稳定运行。三峡左岸电站 设备众多,国内外供货厂家也众多。由于采用了不同厂家的设备,尤其是机组和 机组保护采用了二个不同厂家的设备且各子系统( 包括自动化元件) 又 华中科技大学硕士学位论文 计达到一致。 三峡左岸电站主要现场设备包括调速系统自动调节装置,发交组继电保护装置和 励磁调节器等。 三峡左岸电站每台机组调速装置有三套,是法国a l s t o m 公司生产的 n e y r p i c l 5 0 0 ( n e y i 冲l c l 5 0 0 时,n e y r p i c l 5 0 0 s )和n e 心i c l o o o 。 两套 n e y l 姆i c l 5 0 0 具有相同的配置( 包括软、硬件) 和相同的功能互为备用,控制对象 是t r l o ,n e 冲i c l o o o 是一套电手动控制装置,控制对象是e d l 2 。当两套 n e y r p i c l 5 0 0 出现故障时,自动切换到n e y r p i c l 0 0 0 运行。同时也可以实现远方 现地的电手动自动切换。它是调速器的_ 套后备控制设备。可编程控制器p l c ( a c l l o ) 主要对压油泵及其辅助设备( 气罐补气、回油箱油温的加热与冷却等) 进 行监视和控制。通讯模块是调速器与监控系统的纽带和桥梁,监控系统通过调速器柜 内通讯模块来实现对调速柜、调速器控制柜的实时监控和数据交换。当调速器控制柜 内的p l c 出现故障不能正常运行时。监控系统通过通讯模块实现对调速器液压系统的 控制( c s c s 作为液压系统的后备控制) 。p l c 与监控系统的通讯协议是a f l o o 。 发电机一变压器组继电保护系统是以数字式继电保护系统为主的保护系统,且均 按双重化冗余方式配置,其微处理机是采用适应于工业环境的通用型工业用微机。每 台发变组保护采用两个独立保护系统的双重化配置,分别安装在a 盘和b 盘两块盘 上,同一功能的保护尽可能的采用原理不同、性能接近的原则。保护系统具有事件顺 序记录及故障录波功能,能记录及输出事件的时间、地点、故障类型。保护能与计算 机监控系统时钟同步,同步误差不大于1 i l l s 。s i e m e n s 、a b b 保护分别通过 p r o f i b u s 、s p a 总线与计算机监控系统相连。保护功能用软件投退,装置出口用硬 连片投,退。保护动作后,按用户的设定进行解列、灭磁、停机等操作 三峡左岸电站安装有1 4 台水轮发电机,每台发电机配有一套励磁系统,励磁系 统主要由:励磁变压器、整流功率柜、励磁调节器、灭磁及过电压保护装置、起励装 置、电气制动装置,保护、测量及信号设备等组成。其中励磁调节器完全冗余的两套 设备( 每一套励磁调节器都有自己独立的i 0 接口) ,两套调节器可以完全独立的工作, 在现地进行操作时,可以通过自己的操作面板进行调节控制。励磁调节器为双p l c 控制器,互为备用,所采用的调节规律为p i d + p s s 。l c u 调节励磁的方式有两种: 开关量与p r o f i b u s d p 通讯。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 计算机监控系统的结构设计 三峡左岸电站计算机监控系统由a b b 标准的a d v 觚to c s 工业过程实时监视与 控制系统和a l s t o m 公司在其基础上开发的h p c i m s 电站过程监视与控制历史信息 管理系统组成。 2 2 1 计算机监控系统的网络结构 为了提高系统的实时性和可靠性,三峡左岸电站计算机监控系统采用全分布式体 系结构,即功能分布和分布式数据库系统。整个系统分成厂站层和现地控制单元两层。 厂站层包括操作员站、历史数据库站、网关工作站、电站实时历史信息查询w e b 服 务器、应用程序工作站( a g c ,a v c ) 、操作员培训工作站、工程师工作站、过程实时 信息监视终端、模拟屏驱动器、大屏幕电视墙等设备。现地控制层包括机组现地控制 单元、公用设备控制单元( 厂用电系统、排水系统、气系统、直流电源系统) 、泄洪 闸门现地控制单元、g i s 现地控制单元等设备。全厂数据库和历史数据库分布在厂站 计算机中,各单元数据库分布在各个现地控制单元( l c u ) 中,系统各功能分布在系统 的各个节点上,每个节点严格执行指定的任务和通过系统网络与其它节点进行通讯。 系统采用无主结构,操作员工作站中与监视和控制有关的实时信息全部直接来自 l c u ,即使两台数据库服务器全部故障,也不影响电站设备的监视和控制。 为了提高系统的实时性,本电站监控系统采用了控制网和厂站层信息网分开的结 构。具体采用了三层网络,即现场总线网、控制网和厂站层信息网。为了提高系统的 可利用率,控制网、信息网和重要的现场总线网均采用冗余结构。信息网在经硬件和 软件防火墙隔离后还与专供运行及管理者使用的生产信息查询系统子网连接。系统网 络分t c p m 网络和实时工业过程控制网络两种形式。t c m p 网络采用星型连接方式, 控制网络采用当今流行的1 0 0 m 冗余光纤自愈以太环网连接方式。实时工业过程控制 网络分为m b 3 0 0l o m 工业以太网( 符合8 0 2 3 标准) 和a f l o o1 5 m 现场总线。重要 的现场总线网采用传输速率 1 5 m b p s 的冗余总线,传输介质为光纤。 2 1 2 2 硬件系统配置 为了提高系统的可维护性和可利用率,整个系统尽量采用相同的硬件平台,并且 满足机组能够分期投运的要求。为了满足系统实时性要求和保证系统具有良好的开放 华中科技大学硕士学位论文 性,硬件平台最大限度地采用现在流行的且严格遵守当今工业标准的产品,以便为应 用开发提供最大的灵活性和使系统能够方便的扩展和升级。为了避免监控系统受到来 自电站内外不同电磁干扰源的影响,监控系统网络传输介质绝大全部都采用光缆。 为了达到三峡左岸电站计算机监控系的设计要求,监控统选用目前a b b 公司所 支持的最高硬件配置。系统以现地控制单元l c u ( a c 4 5 0 ) 为核心配置,l c u 采用 双c p u 、双电源模块、双以太网通讯模块、双现场总线模块结构。主控制器与所辖的 远程刚o 之间通过冗余光纤现场总线( a f l o o ) 连接,u 0 部分采用了a b b 公司的 s 8 0 0 系列m 模件,如d 1 8 0 1 1 6 点开入、d 0 8 0 1 1 6 开出模件、a 1 8 0 18 点模入模件、 a 0 8 0 l8 点模出模件、a 1 8 3 08 点温度量输入模件等。主控制器中的双c p u 以主,热备 用方式运行,主c p u 故障时,热备用c p u 自动承接主c p u 的任务,保证任务不中断 且无扰动。该模件配上不同的通信固件后可实现不同规约的通信,如c s 5 1 3 小m 3 0 0 , c 1 5 2 2 a f l o o ,c 1 8 l o - a f l o o 子站;c 1 5 4 1 p r o f l b u sd p ,c 1 5 3 5 特殊通信规约固件, 可实现i e c 8 7 051 0 1 等规约的通信。 2 _ 2 _ 3 软件系统配置 监控系统的软件包括计算机的操作系统软件、支持软件、系统开发工具软件以及 应用软件。上位机的操作系统为w i n d o w s2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e r 和h u u x l o 2 0 操作 系统。开发工具软件一般包括:编程语言程序,交互式数据库、报表与画面编辑软件、 电话语音报警与查询开发工具等。数据库软件要完成三峡左岸电站数据的定义、数据 库的生成、加载与运行。通信软件完成监控系据库统内部各节点之间以及与外部系统 的通信,且包括现地控制单元与远程m 及智能设备的通信。数据库采集与处理软件: 实现电站主辅设备重要信号的采集与处理功能,能对自动采集的数据进行可用性检 查并自动生成各类运行报表、曲线图与历史数据记录。控制与调节软件:实现机组 及辅助设备的顺序控制与点设备控制,实现单机有功与无功的闭环调节。a g c 、a v c 软件:实现左岸电站的自动发电控制与自动电压控制。电话语音报警与查询软件:当 有重要事故发生时,自动迸行电话语音报警,能区分时段,并能同时拨出5 门以上电 话。系统诊断软件:实现监控系统硬件设备、软件运行情况的诊断。对于硬件设备的 诊断能精确到加模块。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 计算机监控系统的功能特点 2 3 1 现地控制单元l c u 现地控制单元a c 4 5 0 配置了双处理机模件p m 5 1 1 ( 主频2 5 m h z 的m c 6 8 0 4 0 c p u 、1 6 mr a m 、8 mf l a s hm e m o r y ) ,双电源模件,时钟同步脉冲接收模件,s c 5 2 0 通信模件等。a c 4 5 0 通过m b 3 0 0 网络与系统中其他a c 4 5 0 以及a s5 2 0 工作站进行 进行数据交换。 现地控制单元a c 4 5 0 的主要功能包括现地数据采集、分布式实时数据库、顺序 控制流程、逻辑控制程序以及与系统中其他部分的数据交换。 在a c 4 5 0 中提供了实时数据库功能,在基于a c 4 5 0 构成的监控系统中它就形成 了系统中的分布式实时数据库。从现场采集来的实时数据直接或者经过初步加工后存 入数据库,再根据用户的定义进行包括状态检查、限值检查、综合运算、记录生成等 一系列进一步的处理。通过m b 3 0 0 ( m a 咖r b u s 3 0 0 ) 为厂级工作站、h p c i m s 系统 提供模拟量,开关量实测值、模拟量越限,复限信息、开关量动作,复归的事件或告警信 息等实时数据。 电厂维护人员可以通过运行在u n i x 工作站或移动式工作站上的工具软件 a d v a b u i i d 对运行在a c 4 5 0 上的实时数据库进行离线或在线维护。通过工具软件 f l l n c t i o nc h a nb u i l d e r 可以离线进行数据库的定义和维护。对于重复性比较多的修改 或替换( 如将设备类型和测点基本相同的2 号机组数据库改成5 号机组数据库) 可以 先把数据库转换成a s c l i 文本格式,再利用文本编辑程序中的查找、替换等功能方便 地进行所希望的修改。修改完成后再把数据库由文本格式转换成数据库源文件的内部 格式,此时可根据需要把修改后的数据库加载到a c 4 5 0 中。也可以通过a s5 2 0 工作 站上的o n - l i n eb i l i l d e r 功能对数据库进行在线修改,选择所希望的a c 4 5 0 节点,联 机成功以后就可以进行数据库的在线修改。在线修改只能对数据库中已定义点的属性 进行修改,且所作的修改仅作用于当前数据库。在线修改完成以后最好将修改后的数 据库上载到工作站或用源文件的形式存入工作站,以保证数据库定义的一致性和再次 向a c 4 5 0 加载数据库时不至于丢失用在线方式对数据库所作的修改。 用f 吼c t i o nc h a nb u i l d c r 也可以进行a c 4 5 0 中顺序控制流程的编制、修改。顺控 流程用逻辑功能块的方式表示,可定义a n d 、o r 、a d d 、m o n o 、s w c 、m o v e 华中科技大学硕士学位论文 等多种功能块以及各功能块之间的关系和数据流向。可在一定范围内定义顺控流程的 执行周期。在进行流程修改时可以充分利用复制、替换等功能对流程进行修改,像控 制逻辑相同仅仅数据库测点名不同的流程的修改,如将1 号机组开机流程改成2 号机 组开机流程之类的修改就可以很方便的修改完成,并且不易产生因多次输入而造成的 错误。通过a s5 2 0 工作站上的o n l i i l eb 谢l d e r 功能也可以对在a c 4 5 0 上的顺控流程 的执行进行一些控制,如把停机流程置为b l o c k 方式,则该停机流程将不会被启动。 通过输入相应的命令可以在线监视指定功能块的输入和输出值。可以在线修改功能块 的输入或输出连接,在做了在线修改以后应该与在线修改数据库一样,一定要把修改 后的流程上载到工作站或用源文件的形式存入工作站。 2 3 2 操作员工作站和工程师工作站 a s 5 2 0 操作员工作站采用h pb2 6 0 0u n 工作站,工程师工作站采用与操作员 工作站同样的配置。工作站与各个现地控制单元a c 4 5 0 用m b 3 0 0 连接,因为m b 3 0 0 网络是a b b 公司的非开放式专用网络,其传输协议不对外公开。每台工作站上还配 置了可以支持t c m p 协议的以太网卡,用于与h p c i m s 交换数据。工作站上安装 了a b b 公司o c s 软件和a p c lc 0 茸,c p r a 且 pc o ,l a l l c 0 d i i 鱼r l m0 s c gg , ,一at i 矗一d g x b l kt 工五叠 c t c l 矗v 1 0 p 工一t i o pt 工l i 玎tt 工苴i o pl 埘,f t g lc p r 吐珊n t i d 口p l i l 且l t 工互i l ag t i h c 0 搬t0 d i st 工矗l p a t 舶l p o 誊t 肛b l 取i 直s 7 耵 p c 置,0 姐 f c ls y s 坷 s y s 矗一s s c tt i g f t l s t c g m c t c g 埘0 d 1 c 3 瓶o d z c s m f 0 d l e c s h i 9 图3 1 3r - c o n f 元件 2 2 d l z 3 s s 7 o 1 z 3 华中科技大学硕士学位论文 f 2 2 0 一f l f - 0 一r 2 f - 0 一f 3 d - l - l d - 0 0 0 0 0 0 0 一2 d - 8 0 0 0 0 0 0 e + 0 3 3 d - 0 4 r s e t p 0 b j e c t 可 d e s t 对e t d e s t 耳0 d s e t p t y p e r g 量嚣i r 一6 e 点x 茸a v l d i g v l s t r o b 毫 t e 3 t 甚0 d e t e s t t e s td i g e r r c o d z t o lt z s t r r v s p d s x 4 0 s l t p 4 l o m 4 2 4 3 4 4 4 5 8 0 8 l 8 2 8 3 图3 1 7r s t e p 元件 图3 1 3 中,r c i 的r c 0 n f 定义的板号b o a i u ) n = l ,对应m v i 中的b o a r d p o s i t i o n 为4 号,端口号p o r r n = l ,b o a ) t = 1 ( 类型= 1 ,为首选的线路) , r ntn = l ( 远程终端号) ,r 1 1 jt y p e = 1 ( a b b ,i e c - 8 7 0 一5 一1 0 1 通信) ,n o 二c s n s = 1 9 ( c s n 的节点个数) ,c s n n e t = 1 l ( c s n 网络号) ,c s n n o d e l 1 9 ( 网络节点对应的各个 节点号) 。 图3 1 4 、3 1 5 中,r i n d 、r a v 中b l o c kn = _ 2 2 1 、9 0 1 ,d e s tn e t d e s tn o d - o ( 固定为o 是c m n 和c s n 都位于r c i 同一个节点上) , a p pc o n n 卸( v a l x 数值输入直接与d i 和a i 数据库相连) ,p c c o n f = 1 ( 初始化 p c 元件配置) 。 图3 1 6 、3 1 7 中,r g o 、r s e t p 中0 b j e c t j 归2 5 3 、2 2 0 ( 对象号) ,d e s t _ n e t , d e s tn o d = 0 同上,s e t t y p e = 1 ( 设置的数据类型,l 为单极模拟量) 。 r g o 中指令b ov a l c o m m 锄d 在对象中的位置由b l b 1 5 经b ,i 转换实现。 对应i e c 通信,每个点还具体定义了i e c 通道号: 开关量通道号= r - i n d 的b l o c kn 1 6 + ( 开关量在r i n d 中的位置一1 ) 图3 1 4 中的i e c = 2 2 1 1 6 + ( 3 1 ) = 3 5 3 8 模拟量通道号= r a v 的b l o c kn + 1 6 3 8 4 图3 1 5 中的i e c = 9 0 l + 1 6 3 8 4 = 1 7 2 8 5 r g o 通道号= r g 0 的o b j e c tn 15 + 4 9 3 9 2 + r g o 中的位置 图3 1 6 中的i e c = 2 5 3 1 5 + 4 9 3 9 2 + 1 = 5 3 1 8 8 r s e t p 通道号= r - s e t p 的o b j e c tn + 4 5 0 5 6 图3 1 7 中的i e c = 2 2 0 + 4 5 0 5 6 = 4 5 2 7 6 华中科技大学硕士学位论文 1 0 1 协议从a c 4 5 0 控制器采集流程如下。网关机是主站,r c i 和m i m i c 是从站。 从站有两类数据,变化的开关量是一类数据,变化的模拟量是二类数据。主站不停向 从站发送询问报文,询问从站是否有变化信息发送。一类信息的传送可以打断二类信 息的传送。主站每2 0 分钟向从站发送一次总召唤命令,从站立刻把系统内由r - i n d 和r a v 包含的开关量和模拟量信息全部发给主站。 网关机g w a y l 和g 眦w 2 运行的1 0 1 通信进程有: g w m a m : g g c e w a y d ) 【c : i e c l o lc o m d x e : i e c l o l sc o m d x e : i e c l 0 1 c cc o m c 1 ) ( e : 1 0 1 的配置文件 通信程序主进程 1 0 1 通信主程序,监视各1 0 1 通信状态 与a c 4 5 0 控制器进行1 0 1 通信 与国调进行1 0 1 通信 与网调进行1 0 1 通信 控制器通信配置文件: i e c l 0 1c o n f i g d e f 端口和速率配置文件 m a s t e rm ed a l r a d e f模拟量配置文件 m a s t e rs ec t r l d e f 调度设置命令配置文件 m a s t e rs pd a r a d e f 开关量配置文件 国调通信配置文件: c 1 0 l sc o n f i g d e f 端口和速率配置文件 m ed a r a d e f 发送给国调的模拟量配置文件 s ec t r l d e f 国调设值命令配置文件 s pd a r a d e f 发送给国调的开关量配置文件 d cc 1 r l d e f 国调远方操作命令配置文件 网调通信配置文件: i e c l 叭c c c o n f i g d e f 端口和速率配置文件 m ed 筒r ac c d e f 发送给网调的模拟量配置文件 s pd 加渔c c d e f 发送给网调的单接点开关量配置文件 d p _ _ d a :i :ac c d e f发送给网调的双接点开关量配置文件 网关l 和网关2 各有一路到网调的串口l o l 通信,两路同时通信。网关l 和网关 华中科技大学硕士学位论文 2 共享一路到国调的串口1 0 1 通信,通信的切换需人为通过插拔串口连接进行。 3 4t - a s e 2 协议通信 1 a s e 2 协议的主要概念是关联、双边协议、数据值对象、数据集对象、传送集 对象、控制中心等。1 a s e 2 协议基于工业自动化系统制造报文规范( m 籼f a c t i m n g m e s 翰g es p e c i f i c a t i o n ,m m s ) 。r i a s e 2 协议中对对象及关系的描述均基于m m s ,具 体的网络握手交互过程及报文格式均由底层的协议实现。丁a s e 2 协议在实现时仅需 告诉m m s 需要传送哪些信息,以及相应的传送参数。这是1 a s e 2 协议与目前传统 的远动传送方法间的本质区别。满足了实时性、同时性的要求。通过i a s e 2 协议, 调度中心之间,调度与电厂之间可通过广域网进行实时信息交换。 三峡左岸电厂的t a s e 2 通信是通过使用s i s c o 公司的蛐s l i t e 软件包实现的。 该软件包实现了t a s e 2 的个功能子集: b l 0 c k1 :提供了周期传送电力系统数据的功能。主要用于周期性传送模拟量和 开关量数据。 b l o c k2 :扩展的数据集传送条件监视。主要用于变化的模拟量和开关量传送。 b l o c k 4 :提供了通过文本文件或二进制文件传送信息的机制。主要用于调度曲 线文件传送和s 0 e 信息传送。 b l 0 c k5 :设各控制。主要用于调度发设值或操作命令。 网关机运行的1 a s e 2 协议进程 gwdc:tase2通信主程序 sliste:1ase2服务程序 s r e a d d :t a s e 2 程序,负责从远方接收数据 i m s d a t a d e d a t 文件。该文件是网关机1 a s e 2 通信使用的总表,包含所有测点 信息,如图3 1 8 所示。 华中科技大学硕士学位论文 3 6 本章小节 图3 2 5d 觚a s e t 通信过程图 计算机监控系统的通信网络包括监控系统与梯调和国调的通信、工业控制网与厂 站层信息网的数据通信。对监控系统采用不同的通信协议,v i p 协议、1 0 1 协议、1 a s e 2 协议、m b 3 0 0 环网内数据通信分别详细分析和描述了协议的帧格式、参数配置、程序 设置和功能的实现。 一一 3 2 华中科技大学硕士学位论文 和诊断功能。a f l 0 0 网络的安装可以是单网,也可以是冗余模式的双网。在冗余网的 配置中,数据在双缆上同时传输,但是只有其中一根电缆上的数据被接收,双缆接收 数据的切换是通过硬件自动实现的。 对应每一个通信元件,a c 4 5 0 中包含a f l 0 0 数据库元件,通过对相应数据库元件的 配置实现l c u 对现场设备数据的采集,见a f l o o 网络图4 2 。 图4 2a f l o o 网络图 所有在a d v a n tf i e l d b u s 上的通信都是基于主从帧的概念。具有总线控制权的主 站发送主帧,其它模件的通信界面以从帧响应。主帧发送后从帧的响应不是必须的, 即使是正常的运行,从帧的丢失也是普遍的事情,因此没有主帧发送时总线上就没有 通信。如图4 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 1 甜b nl a 醴b n h a 嗍h l e d t f 神斛捆f 酬 :l ! i竺匕竺i t 巨 曼二强 e 团 亘二二二二二圈 ,e 匠 夏二二二二二工圈j 圈 弛叵 夏二二二二二卫亘巨卫叵圈 d s y n 曲n 2 a t i p r 明m b l e 【9b i 协) d 22d a bb y 怕s 1 6b i 埘 d | i 4 d 乱a b y 阳se 3 2 b i 嘲 d 88 d 矾ab y t e se 6 4b i t s ) p r b c r c 雕她甜b y l e 8 b 魂s ) 图4 5a f l 0 0 帧结构图 处理数据的传输是通过信号地址实现的。在对应的发送d s p 中,某一发送处理数据 的逻辑地址即信号地址是唯一确定的。逻辑地址是在d s p 的i d e n t 和s t a t l 0 n 的属性 中自动指定的。主帧的控制域包含指定处理数据值的信号地址和发送相应c d p 通信界 面的源信号地址。信号地址也可作为过滤机制,每一通信界面会定义一个接收信号地 址表。该设置可以 xm 华中科技大学硕士学位论文 所示。 b n a f b e t 图4 6a f l o o 信息帧结构 前两个字节是传输模式,为功能码和目标地址,图4 7 中为目标地址模式。该信 息将会被指定的目标地址所接收。后3 0 个字节为用户指定数据包内容。 每一个连接到a f l o o 的通信站都支持模件状态字。状态字为两字节,显示通信界 面是否配置有效,是否能够分享总线控制权及是否想要更新发送c d p 的配置。模件状 态字只在通信界面层使用,和c d p 的通信及信息传输无关。当一个通信站具有总线控 制权时,它会周期性地读取所有连接到舒l o o 模件的状态字,进而获得哪些通信站可 用以及其状态如何。模件状的读取是通过发送功能码为1 5 的主帧来实现。控制域包 含目标通信站的地址。如果目标站工作正常,它将会以模件状态子来应答 在每1 0 2 4 ,2 0 4 8 或4 0 9 6 m s 周期结束时,具有总线控制权的主站会把总线控制权 传递给下一个通信站。总线控制权的移交分为两步,其中包括所有通信站之间的同步。 图4 7 给出了由地址为2 的通信站移交总线控制权到地址为3 的通信站的过程。 b 婪m a s 妗r c x 华中科技大学硕士学位论文 址。该主帧被自身的两字节从帧所响应,从帧包含当前配置的总的检查信息。该主帧 固定在发送周期的最后一个时间槽发送,此主帧的接收进而被用作所有通信站内部时 钟同步。此外,从帧也被用于检查配置的有效性。 接着,具有总线控制权的主站再发送一个新的主帧,功能码为8 ,控制域为将获 得总线控制权通信站的地址。目标站将返回从帧,此从帧包含其当前的配置。如果总 检察信息和前一个从帧的相匹配,则总线控制权移交成功,新的通信站将获得总线控 制权。否则,之前的主站继续保留总线控制权,持续另一个1 0 2 4 ,2 0 4 8 或4 0 9 6 m s 周 期。 华中科技大学硕士学位论文 5 三峡左岸电站计算机监控系统及其通信的运行 三峡左岸电站计算机监控系统从2 0 0 3 年7 月第一台机组投运到2 0 0 5 年1 2 月进 行最终验收,已历经两年多的时间。在这期间,a l s t 咖公司专家和维护人员根据实际 运行情况不断对m b 3 0 0 网进行优化,为无缝交接,建管结合和全厂安全生产及自动化 运行奠定了良好基础,确保了三峡左岸电站顺利实现了全部机组投产发电。计算机监 控系统实现了与梯调、国调的通信、机组运行监控和自动化操作、a 6 c v g 自动发电 控制和发电综合信息管理,其功能还在不断扩展如趋势分析系统。 5 1 计算机监控系统及其通信的评价 三蛱左岸电站计算机监控系统选用了瑞士a l s t o m 公司供货的监控系统,整个系 统分为厂站信息系统和现地控制系统。厂站层信息系统是a l s t o m 新研制的水电站信 息管理系统,为a l s t o m 公司在a b b 的h p c 系统上的一个扩展,在设计之初就充分考 虑了三峡电厂作为世界上超大型计算机监控系统大容量数据处理的需求。现地控制系 统采用a b b 成熟的a d v a n t 系统和相对封闭的m b 3 0 0 光纤冗余网络,控制器硬件选用 的是其顶级配置 c 4 5 0 。作为世界上最大的巨型水电站计算机监控系统,三峡左岸电 站计算机监控系统无论在设备上还是在技术上都处于世界领先地位。 厂站层信息系统集中了三峡左岸电站1 4 台机组以及g i s 、厂用电系统、公用系统 以及泄洪坝段系统的重要实时数据,作为整个信息系统核心部分的数据层,历史数据 库系统是整个信息系统数据集中的核心。历史数据库系统采用了最新的集群计算机的 方式,由一组计算机来完成历史数据库的存储和归档功能。两个数据库服务器通过电 缆连接并通过集群软件进行管理,允许数据库服务器之间快速的故障切换和负载均 衡,整个系统具有高可用性和易管理的特点。 对于集群计算机而言,计算机、网络、磁盘阵列都是集群计算机的资源,应用程 序与服务可以分布在不同的计算机上,两个数据库节点通过私有网络直连,用于故障 诊断。当正在运行的资源故障时,可以迅速切换到冗余的资源上,为系统并行处理与 故障恢复提供更高的可用性。 对于系统管理员来说,一个集群就是一个控制对象,通过集群管理软件,可以方 对于系统管理员来说,一个集群就是一个控带对象,通过集群管理软件,可以方 华中科技大学硕士学位论文 便地对集群内的所有资源进行控制与管理。 监控系统的安全性是保证电站生产安全的重要条件,由于三峡左岸电站厂站层信 息系统的服务器大部分都基于w i n d o w s 操作系统,为此,在网络安全防范( 非法入侵、 病毒防范) 等方面也做了充分的考虑。 在三峡电站厂站层系统的配置中,内网和外网之间配置了经过国家安全认证的网 络防火墙设备,但防火墙主要能防范的是非法入侵,对于因特网上泛滥的病毒不能实 现很好的防范。厂站层系统通过t p c i p 网络与电站生产管理系统连接,实现实时网 页的信息发布。由于电站的生产管理系统是直接与i n t e r n e t 相连的,对于因特网上 泛滥的病毒的防范,监控系统还配置了经过国家安全认证的网络安全隔离装置。实时 监控系统不再直接通过网络与电站e p m s 系统相连,而是仅通过网络隔离装置实现两 个安全区之间非网络方式的安全的数据交换,在物理上实现实时系统向e 删s 系统数 据流的单向信息传输,而且隔离装置没有i p 地址,隐藏m a c 地址,因此既可以保护 实时系统不会感染因特网上的病毒,也可以保护系统免受非法用户的攻击。以上安全 隔离措施的使用,使三峡左岸电站监控系统具有很高的安全性能。 监控系统与现地设备和其它控制系统的通信效率和通信质量的高低也是衡量该 系统性能的重要标准。三峡左岸电站监控系统采用了多达十种不同的通信协议,这些 协议实现了监控系统的现地数据采集、事件上传、数据库数据上传、场站层与l c u 数 据交换、与其它控制系统( 如梯调) 的收发,不同层间的数据交换又实现了监控系统 的许多功能,如机组的自动控制与保护、远方开停机、a g c a v c 自动负荷分配等。这 些通信协议均采用了较为成熟和领先的通信协议标准和硬件冗余设置,其传输介质也 以光纤为主,容量保留了足够的带宽,满足了大容量数据处理、现场设备分部范围广 ( 会造成数据传输延时) 、数据采集可靠性和数据传输实时性高的要求,有较高的通 信效率和通信质量。 5 2 计算机监控系统通信出现的问题与改进 三峡左岸电站计算机监控系统从2 0 0 3 年7 月投运,已经了两年多的时间。在运 行中先后出现涉及监控系统通信的问题又一下三个方面。 5 2 1 网关机到现地l c u10 1 通信有时会发生事件的丢失。 如l l 号机投运并网时国调未能及时收到出口开关变位信息,经检查发现1 1 号机 华中科技大学硕士学位论文 以r c i 中1 0 1 协议发送a i c l 4 ( 左岸电站机组有功) 为例,其中把d e a d b a n d 引脚 的输入改成1 即可。 方案二,把部分由1 0 1 发送给网关的模拟量转由通过数据库服务器发送,因为所 有通过1 0 1 发送给网关的模拟量都已通过数据集方式( d a t s e t 通信) 发送给了数据库 服务器,并且发给数据库服务器的模拟量数据还没有死区限制,是每秒定时发给服务 器的。具体的路径更改如图5 2 所示, 图5 21 0 1 模拟量传输分流图 模拟量采集方式由l o l 转移到数据库服务器,不仅保证了数据传送的实时性( 经 测试现地l c u 上变化的模拟量经过数据库通信服务器传送至网关机仅需要1 秒钟左右 时间) ,而且还可以降低现地l c u 系统负荷率。 对于两种方案,选择l 号机l c u 做测试。首先按方法一把大部分模拟量死区放宽 华中科技大学硕士学位论文 至1 ,仍然发生通信数据丢失的现象,且调度对我厂模拟量精度要求较高,无法继续 放宽死区,因此决定选用第二套方案。数据服务器到网关机的数据传输方法上采用文 件传输方式或u d p 传送方式。由于文件传输方式存在占用网关机资源较大,传送速度 较慢的缺点,为了最大地保证传送到调度数据的实时性和可靠性,选择u d p 传送方式。 5 2 2l c u 控制器之间的数据集通信有时会出现数据短时丢失。 通过分析发现,r c i 和l c u 控制器之间的d a ts e t 数据集通信和1 0 1 通信共用了 一个缓冲区,当1 0 l 通信数据量过大( 模拟量大量变化) 时,d a ts 扎一r 接收端就无 法使用缓冲区。每秒由d a t s e t _ s 发送端发送的数据就无法被接受,这样就影响了数 据集的正常传输,可见这要求必须把一部分1 0 l 模拟量传输负载转由数据库服务器发 送,以减少1 0 l 传输在某一时刻对缓冲区的大量占用。由数据库服务器d b l 和d b 2 传 送模拟量的方式为:d b l 和d b 2 通过g c 伽,v i p 从t n l 和t n 2 ( 数据传输节点) 获取 数据后,根据已修改的配置文件把网关机需要的数据打成一个包,在网上进行u d p 广 播。d b l 的广播端口为5 2 0 0 0 ,d b v 2 的广播端口为5 2 0 0 l 。两个端口互为备用,网关1 和网关2 的g w i m s 程序( 从d b 接收数据的通信程序) 缺省监听端口5 2 0 0 0 ,当通信中 断时,自动切至端口5 2 0 0 l 。d b 上与网关机通信的服务程序是r t d i s t r j b u t e r 。配置 文件为r t d c o n f i g 姗l ,如图5 3 。 图5 3 中,c h a n n e l n o 为i m s 通道号( 与网关机i m s d a t a d e f d a t 中的i m s 通道号 相对应) ,s i g n a l n a m e 监控系统测点名,s t a t i o n i d 站地址,d s i d 数据集i d ,d s p o s 数 据集d a t s e t 中的位置( 1 2 3 ) 。对配置文件的修改只要将原来由1 0 l 传送的模拟量 点按图5 3 中的程序段格式加入配置文件即可。模拟量传输的修改仅涉及模拟量的采 集方式的不同,网关机到调度的通信程序和配置文件不做任何改动。 华中科技大学硕士学位论文 图5 3r t d c o n f i g x m l 配置文件 “ 华中科技大学硕士学位论文 网关机的配置按新方式读取模拟量修改后,国调收到三龙i 、三龙i i 和三龙的 有功出现周期性跳变现象,约每2 0 分钟一次,且每次跳变值都一样。经分析1 0 l 的 模拟量发送程序虽都
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