【《某水电站计算机监控系统总体设计案例》4200字】

PAGE1某水电站计算机监控系统总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u103某水电站计算机监控系统总体设计案例 15111.1监控对象 1290221.2设计原则 1269441.3结构设计 221261.4设计难点及解决方案 3197021.4.1数据采集软件的问题 3142641.4.2主控平台与被控设备通讯软件配置参数及数据库修改问题 51.1监控对象某电站总装机为700MW，拥有四台水轮发电机组，单机容量均为175MW，年发电量设计为21.5亿kW.h，设计出线四回，并入电网的电压等级为220kV，作为水库电站，不仅是川东北地区重要的电源支撑点，还承担着四川电网调峰、调频和事故备用的重要任务。计算机监控系统的监督控制目标对象有：（1）四台水轮发电机设备组及协助设备；（2）四台三相主变压调节器；（3）220kV开关站；厂用电系统；公用设备；大坝闸门系统。1.2设计原则在设计时应该基于“无人、少人值守”的原则进行，在进行总体设计时，依据现地、远方监控相关要求进行；实现电站计算机监控系统与四川省电力调度中心、四川省电力公司南充备用调度中心连接，实现与MIS（ManagementInformationSystem）系统、安全生产与营销实时监管系统、水情测报系统、设备机组震动摆度实时监测系统等的通讯作用功能；完成电站计算机监控系统和设备机组励磁设备、保护系统、闸门操控管理系统、协助操控管理系统等的数据交互；系统配置和设备选型过程中应该考虑到一定冗余性，在设计过程中可充分利用现有的先进技术，从而满足系统的未来发展相关要求；符合可靠性、冗余性的要求，在系统运行过程中出现局部故障情况下，现场其它设备的运行不受到影响。MTBF（MeanTimeBetweenFailure）、MTTR（Meantimetorepair）等各方面指标应该符合《水电厂计算机监控系统性能指标》方面的要求；为促进系统硬件和功能的拓展，系统设计为全开放、分布式。为使系统在以后能扩充新功能及规模，系统软件设计为模块化、结构化，数据库设计为分布式；计算机监控系统应该严格履行国家经贸委[二零零二]第30号令《高压传输电网与电厂计算机监控系统及调配数据网络安全保障防护规定》等安全保障防护设计方案通告的多种要求，展开安全保障防护；实时性好；可高效快捷的进行人机交互、操作方便。1.3结构设计从目前水电行业计算机监控系统主流的网络结构形式来看，星形和环形快速以太网均有应用[30]。就单星形和单环形网络来看，环形网络冗余性较好，当环网上的任意一处光缆断开，网络能迅速重构，保证数据传递的需要，但数据传输效率相比之下较低。根据本电站的实际情况，综合其它类似规模电站的成熟经验，在结构设计上采用双星形冗余结构的站内网络，根据实际的经验可知这种网络结构的优势表现为层次清晰，所需网络设备少，系统运行的可靠性高，故障点少，既满足了网络冗余性的要求，也保证了网络传输的效率[31]。而星形结构的各节点保持一定独立关系，可很好的符合机组大小修时互不影响的需要。如图3-1所示是这次设计的某水电站计算机监控系统结构设计图，上位机系统中重要的服务器采用电接口分别连接到两个星形的中心交换机，其它上位机设备和LCU分别采用电接口和光接口连接到两个星形的中心交换机。除此之外，针对网络的容错综合系统设计，除了能够在传输电缆级容错、通讯连接线路级容错、网络核心级容错等多个方面思考之外，还能够通过运用网络综合管理操作应用软件，综合管理网络的每一个接点、交换机设备等，研究分析网络服务协议包的主要内容，根据出现问题的帧判定网络可能产生的主要问题和矛盾，诊治判断网络问题故障，对问题故障展开实时监测与全面处理[32]；实时动态配置设计网络荷载，对网络信息资源展开科学合理调配。作为电站内部的计算机监控系统网络，从以前的共享10Mbps带宽的总线型以太网、4/16Mbps的令牌环网等形式，随着网络技术的发展，目前已普遍采用10/100/1000Mbps自适应星形和环形拓扑结构的以太网。本设计方案采用100/1000Mbps自适应以太网，上位机系统中系统服务器和操作员工作站采用1000Mbps接口，上位机系统中其它设备和LCU采用100Mbps接口。图3-1某水电站计算机监控系统结构设计图本论文中设计计算机监控系统采用分层分布系统组成结构，全厂的实时数据、历史数据、全厂AGC与AVC作用功能数据等分散在操作人员工作服务站与系统伺服器里，各LCU采集与运行工作的实时数据以及较长期的历史数据库等分布在现地控制单元中。1.4设计难点及解决方案1.4.1数据采集软件的问题（1）增加网络连接监控模块，提高主站与厂站网络连接的稳定性。IEC104协议是TCP/IP网络模式下的数据传输协议。主站与厂站交换信息时，网络连接的稳定性是影响数据采集软件可靠运行的重要因素。在技术的实际应用过程中，主站与远程厂站之间的数据通信往往需要交换机、加密认证网关、路由器、网络防火墙等几种中间媒介，防止网络异常中断和数据损失是很困难的。如果主驱动器在解决外网问题后能够自动发起与远程驱动器的网络连接，就会对数据采集软件的可靠运行起到重要作用。因此，在数据采集软件的开发过程中，增加了网络连接监控模块，可以在后台作为独立线程运行，监控主站与各厂站的通信连接状态。需要在非活动状态下监控数据传输，及时下发通道测试报文，保证通信通道的互联互通。特别是当模块检测出主站和设备站之间的网络连接中断时，网络重连机制应该立即启动。每间隔一定时间（例如每5秒）通过自动启动与远程厂站的网络连接请求，直到恢复正常数据通信，进而提高主站和厂站之间网络连接的可靠性。（2）采用多线程技术，提高从主站采集数据的效率在实际工业运行过程中，主站与远程站的数据通信采用“一对多”的形式，包括一对多的网络连接和信息交互、协议分析、数据处理和传输，因此数据采集模块的任务非常多。为提高实时数据采集性能，满足水电厂数据秒级更新的实时监控需求，在计算机领域引入了多线程编程技术，将数据拆分成多个线程进行处理。并行处理从而提高数据收集效率。考虑到由于引入多线程而可能出现的“死锁”问题，软件开发过程灵活处理资源的锁状态，使用读写锁来打破形成条件，避免多线程并发请求无法同时共享资源这种并发请求问题，从而保证多线程应用的稳定性。（3）分解合并数据报文，解决报文堵塞问题。在主站数据采集软件与厂站之间的数据传输过程中，可能会出现接收到的数据报文中的报文修改问题。报文拼接通常是指厂站将数据报文以较短的时间间隔和少量的数据合并、打包、传输到主站，以提高数据传输的效率。采集软件接收到的数据包有时可能会有多帧数据包互连。MessageSticky包类型如图3-2所示。除了常规数据帧外，还有两种常见的消息锚定数据包类型。其中，粘包类型1是将多个完整的数据帧串联在一起的类型。在固定包类型2中，除了数据帧固定的情况外，固定包中还包含不完整的数据包，这给包的处理带来了一定的困难。图3-2报文粘包的类型消息保留问题是影响软件可靠运行和数据采集实时性和可靠性的重要因素之一。因此，主站需要有数据采集软件进行数据传输。评估和过滤收到的数据消息。该功能可以根据固定包的类型分别对消息进行处理，解决消息的固定包问题。基于IEC104协议，数据报文的每一帧都包含一个起始字符（68H）和报文长度的字段。主站数据采集软件在处理数据帧时，可以先从数据帧中取出代表报文长度的字节，与当前的数据帧比较，得到数据帧的长度（长度字节加2）。如果两者的数据帧报文长度相同，则比较数据帧直接由通用数据帧协议解析；如果小于数据帧的实际报文长度，则为粘包报文。如果是粘包报文，则必须进一步分类和单独处理。所以粘包中前面完整的数据帧可以先进行移除和处理，检索最后一个图像时，如果数据帧的长度（位长加2）等于实际消息长度，则粘包消息类型将为类型1，数据帧可以被视为普通数据帧。如果数据帧的长度（长度变化加2）大于实际消息长度，则它是类型2，因此粘性数据包消息必须与下一个常规数据帧结合才能被处理。综上所述，根据粘包类型对数据报文进行分类合并可以有效解决报文粘连问题。(4)将数据采集结果以数组形式写入数据服务中，从而提高数据传输效率主站数据采集软件接收厂站发送的实时数据报文，经过协议分析、系数变换等数据处理后，得到数据的数据值，上层SCADA系统作进一步处理。集中控制系统中第二应用功能模块的实现提供了数据支持。为了提高数据传输的效率，数据采集结果以数组的形式记录在数据服务中，并构建了基于内存的轻量级数据存储结构，使数据的读写操作在内存中进行。上层SCADA系统为服务调用数据，即通过简单数组索引得到的对应数据，有效防止复杂的数据关系检索，提高数据传输效率。1.4.2主控平台与被控设备通讯软件配置参数及数据库修改问题计算机的主控平台与被控设备进行通信，要么是因为被控设备的访问次数不一样，要么是因为有时被控设备需要增加或改变测量点。由于计算机的主控平台没有配备显示器、键盘和鼠标等外围设备，因此更改计算机主控平台与被控设备之间通讯软件的配置参数或数据库非常麻烦。因此，在设计开发过程中，需要将计算机的主控平台配置为自动化运行的设备。根据设计，Modbus协议通信配置为一路空闲，该路Modbus通道用于与某些外围设备（例如笔记本电脑）进行通信。以操作员的笔记本为例，如果需要更新数据库或修改程序，就可以把主控管理平台和笔记本电脑连接，可以在笔记本电脑上使用公共Modbus软件或自主开发的Modbus软件。目前，Modsim是工业中被广泛使用的第三方软件，Modscan软件用作Modbus主站，Modsim软件用作Modbus从站，它们与主控管理平台进行通讯。其中，400601-402000是主控管理平台内存空间中的一个子任务工作区。总共有14个任务，任务号和工作区一一对应，共100字节。每个字节的定义见表3-1。表3-1本系统中通讯进程管理任务区描述表TaskNocharBTaskNocharTypecharAnaModecharHealthchardspcharMLPuint16_tctlcharupdflagcharoffsetshortsoenumshortdinumshortdo_numshortainumshortao_numshortsoe_uint16_tdi_IOAuint16_tdo_IOAuint16_tai_IOAuint16_tao_I0Auint16_t续表3-1本系统中通讯进程管理任务区描述表参数名类型描述soe_mbadrintdi_mbadrintdo_mbadrintaimbadrintaombadrintevmbadrintevmblenintmbadrintcmdmblenintrTUluint8trTuruint8tmportshortmperiodshortmintervalshortbandluint16tBand2uint16_tLCOMIuint8_tLCOM2uint8_tliplstructinaddrLip2structinaddrriplstructin_addr续表3-1本系统中通讯进程管理任务区描述表参数名类型描述Rip2structinaddrsockuint16tcurlinknouint16ttimett2time_tt3timetripstructinaddrROKuint16_tWOKuint16_tCOKuint16_tEOKuint16_tUOKuint16_tRERuint16_tWERuint16_tCERuint16tEERuint16_tUERuint16_tevtimeuint32_tabstatusshort.TmSynctimetucUseGPSuint8t续表3-1本系统中通讯进程管理任务区描述表参数名类型描述buint