浅议小型水电站垂直信息系统设计

郑嘉龙，冯黎兵

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

浅议小型水电站垂直信息系统设计

郑嘉龙，冯黎兵

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

为了适应能源互联网对未来发电企业的要求，提高小型水电站信息化系统集成度，本文在分析垂直信息系统特征的基础上，借鉴其它生产制造行业在信息化方面先进且成熟的管理理论和实践，提出小型水电站垂直信息系统的设计方案，并针对方案实现中的关键技术进行了论述。该系统通过对各信息子系统的集成，不仅可以使原有系统发挥出新的价值和功能，还能进一步提升水电厂的信息化程度。

小型水电站 垂直信息系统 执行系统

1 引言

30年来，随着改革开放的不断推进，中国的水电站自动化技术程度逐步达到了国际先进水平。施冲在文献〔1〕中将过去30年水电站的发展分成了监测监控、常规控制、计算机监控、辅机控制、开放式系统、无人值班(少人值班)、自主知识产权、梯阶集控和数字化水电站等8个阶段。2015年3月，首个能源互联网标准IEEE1888获得成员国全票通过，这意味着发电端的建设即将从数字化阶段向智能化阶段发展。水电站作为整个电网的发电端之一，是能源网络的重要组成部分。但是，我国现阶段数字化水电站建设还是以分层分布式系统为主，层间系统集成度较低，信息共享性不足，形成以层为核心的扁平状信息孤岛。为了适应能源互联网带来的变革，将其他制造业中先进的信息化管理手段结合水电站本身的特点，突破扁平信息孤岛，实现信息共享，形成小型水电站的垂直信息系统具有较强的现实意义。

2 垂直信息系统的特征

广义上的小水电信息系统是指以农村小水电为主的电力企业的综合一体化信息系统，一般由电网自动化系统、地理信息系统、办公自动化系统和生产管理信息系统组成，其核心为水电站的计算机监控系统〔2〕。现阶段的小水电信息系统(如图1(a)所示)，主要以实现计算机监控为主要目标，依靠通信机与电网调度系统连接，双向信息流主要在电气自动化(SCADA)层得以体现，而管理信息系统层面主要是采用相对独立的办公自动化系统(OA)、企业资源计划系统(ERP)等构成，信息系统整体性不足，重复建设现象突出。

垂直信息系统是指从通信的角度，结合业务应用需求将分层结构的各种信息子系统和自动化子系统进行集成，建立一个统一的数据平台，使电网调度系统与执行系统无缝对接，电气自动化层的各项信息参数通过执行层映射到管理信息化层，实现各系统间信息流畅通，减少人工干预，实现生产、销售、财务和资源管理一体化(如图1(b)所示)。

(a)

(b)

3 关键技术

3.1 执行系统(ES)建模

MES的全称是制造执行系统(ManufacturingExecutionSystem)，其定义如下：“MES是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息〔3〕”。MES系统模型如图2(a)所示。

ES(ExecutionSystem)是借鉴了MES的功能设计，同时兼顾电网调度系统接口需要的一种执行系统。它承接和处理来自底层电气自动化SCADA系统、电网调度系统和上层管理信息系统的数据。目前电网调度系统与小型水电站主要通过通信机进行通信。为了尽可能地减少对调度系统正常工作的影响，可以在小型水电站其他系统实现集成的基础上与电网的调度系统实现耦合。水电生产原料是自然界的水资源，同时产品的销售是由终端用户和电网调度决定的，因此在设计ES边界功能时应去掉MES中的供应链管理模块、销售与服务管理模块。此外，ES需要与电网调度系统保持畅通的信息流，所以必须设计调度协同模块。ES系统模型如图2(b)所示。

图2 MES与ES功能模型

3.2IEC61850与IEC61970协议的推广应用

IEC61850是一个庞大的通信协议体系，对变电站自动化系统(SAS)做出了全面和系统的要求，主要包括系统部分、配置部分、数据模型、通信服务、映射部分和测试部分。为解决IEC61850Ed1.0中逻辑节点数目不足、部分通信模型服务定义存在互操作盲区和水电领域对IEC61850的使用未能提出要求等问题，在IEC61850-7-410标准新增了IEC61850通用逻辑节点补充和水电站专用逻辑节点2个方面的介绍。

为了最大限度地降低用户成本，实现软件的即插即用，要求智能水电站遵循IEC61970标准。该协议标准制定了各种应用之间的基于组件、模型和面向对象的接口规范，是系统集成、异构和互操作的基础标准〔4〕。

使用基于TCP/IP的IEC61850和IEC61790协议标准的无缝实时通信系统，替代目前电气自动化层(SCADA)各种现场总线通信协议，为实现水电站的智能化提供通信信息平台的技术支撑。

3.3 通信的实时性和可靠性

为了提高垂直信息系统的实时性和可靠性，在各层信息系统间架设CMS(ContentManagementSystem)服务器。在CMS服务器中进行动态数据交换和负载均衡，用于匹配各信息层对带宽响应时间要求不同以及速率要求不同的问题。

3.3.1 通信的实时性

控制网络(ES层/SCADA层)中数据传输的及时性和系统响应的实时性，是控制系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统(SCADA)的响应时间要求为0.01s～0.5s；执行系统(ES)的响应时间要求为0.5s～2.0s；信息网络(ERP层)的响应时间要求为2.0s～6.0s。管理信息系统层可以通过提高通信带宽和速率，减轻网络负荷，减少传输时延。一般采用普通商用以太网，速率从10Mbit/s到现在可达到100Gbit/s，已经可以满足信息网络大部分使用需求，因此在设计管理信息系统时通信的实时性是可以忽略的。

控制网络和信息网络对通信的实时性要求不同，但是从数据共享的角度来看，两种网络所交换的数据才是垂直信息系统关心的节点。李正军在文献〔5〕中指出，可以通过动态数据交换技术，实现控制网络中实时数据与信息网络中数据库数据的动态交换，集成不同实时性的通信网络。

3.3.2 通信的可靠性

垂直信息系统中的通信可靠性是指各信息层集成的问题，并非各信息层内部的通信可靠性问题。不同的应用场合对信息流量的需求差别很大。例如，SCADA层实现了IEC61850和IEC61970标准后，向ES层传递的管理信息相比控制信息而言，所占的流量会很大。因此，根据信息优先级别分配不同信号的使用流量，是提高通信可靠性的一种方法。具体措施上，蔡凌等在文献〔6〕中提出，利用丢包率作为每条路径流量分配比例的惩罚函数，将流量引入丢包率低的路径，能有效地均衡负载，减少网络的丢包率。通过在各信息系统层间架设优化后的负载均衡器，提高SCADA层、ES层和ERP层之间通信稳定性与可靠性。

4 结语

“垂直”是相对于“平行”而言的一个概念，在互联网、电子商务领域应用比较广泛，比如垂直搜索引擎、电商的垂直营销。将“垂直”的互联网理念引入到工业信息化领域，特别是水电领域，将现有的系统集成在一起，既可以避免重复投资建设，又可以激发旧有系统新的功能和价值，还可以提升小水电企业的信息化程度，降低发电成本。

当前，水电厂分层信息系统的建设和实践经验比较丰富，大型垂直信息系统的推广应用还相对欠缺，特别是在通信的确定性和实时性、稳定性与可靠性等方面，仍需进一步改善。

〔1〕施 冲，马 杰，周庆忠.水电站自动化建设30年回顾与展望[J].水电厂自动化，2009，11(4)：4～7.

〔2〕刘亚成，刘红超，杨代军.小水电信息系统技术及其展望[J].中国电力教育，2010，(09)：245～247.

〔3〕MESAInternational.MESExplained：AHighLevelVision[R].Pittsburgh，USA：MESAInternationalWhitePaperNumber6，1997.

〔4〕韩桂芬，袁宁平.IEC61850与智能化水电站[J].水电厂自动化，2011，(02)：9～12.

〔5〕李正军.现场总线与工业以太网及其应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

〔6〕蔡 凌，汪晋宽，王翠荣.基于丢包率预测的多路径网络负载均衡策略[J].东北大学学报(自然科学版)，2009，30(06)：806～807.

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TP273∶TV

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2095-1809(2016)04-0082-03

郑嘉龙(1987-)，男，浙江江山人，助理实验师，硕士，信息系统项目管理师，主要研究信息系统设计与集成、电力系统微机保护。