五凌集控数据网集群通信技术研究与实现

胡嘉宴，龚传利

（1. 长沙理工大学电气学院，湖南 长沙410114；2. 中国水利水电科学研究院自动化所，北京100038）

1 引言

五凌集控计算机监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司提供的H9000 v4.0系统，自2010年4月投运以来运行良好。目前接入12个水电站，全部实现电厂“无人值班，少人值守”，集控对电站设备“全监全控”。目前，随着接入电站增加，设备逐渐老化，为了进一步提高监控系统安全性，需要对计算机监控系统数据网进行适当优化。

集控系统与电站监控系统通信，采用2台远程通信服务器主备方式运行，但随着设备老化，远程通信服务器出现故障的概率逐渐增加，如果一台远程通信服务器出现故障，与12个水电厂通信任务就由剩余的一台远程通信服务器承担，这对集控监控系统运行带来非常大的安全隐患，有必要采取措施进一步提高集控与电站通信的可靠性。五凌集控要求对于电站全监全控，因此，有必要将电站操作信息送入集控，电站计划曲线能够上送集控，集控计划曲线也能下发电站，而这些功能IEC60870-5-104规约并不支持，需要对规约进行扩充以实现这些功能。

2 通信集群设计

2.1 电站集群通信

为了提高集控与电站通信可靠性，将原通信服务器主备模式升级为集群模式。采用多台远程通信服务器进行集群化配置，目前集控中心将所辖电站分为5个区域，配置了5台远程通信服务器。针对每个水电站可以配置远程服务器通信优先级队列，正常情况下，本区域通信服务器负责本区域水电站数据通信，当本区域通信服务器故障时，优先级次高的通信服务器接替其通信任务，依次类推。每个电站与集控有电力通道和电信通道，电力通道优先级高于电信通道。根据此机制，即使有4台通信服务器故障的情况下，电力或电信一个通道故障情况下，集控系统仍然可以维持正常通信。改造后的远程通信机集群，正常情况下实现多台服务器任务分担，故障情况下多重冗余，大大提高了通信可靠性。

5台通信服务器采用无主配置（即每台服务器只有投入/退出状态），根据配置采集队列和主机状态确定最终通信连接顺序，排序第1位且为投入状态的服务器的电力通道负责采集数据，按照采集队列，依次其他服务器的电力通道和电信通道处于建立连接备用状态。如果排在第1的电力通道连接失败，排第2的电力接替主用功能采集数据。如果电力通道均故障，则电信通道排序第1的服务器接替采集数据功能，如果电信排序第1通道也故障，则按照采集队列顺序依次由电信通道接替采集数据功能。对于当前五凌集控计算机监控系统，一个电站最多可以配置5台通信服务器做为采集队列，这样最多有一个主采通信通道，9个备用通信通道，如图1所示。

图1 集控与电站通信通道监视画面

2.2 调度集群通信

4台调度通信服务器部署有与华中网调通信的104程序，同时也部署有AGC/AVC软件。4台通信服务器均有IEC60870-5-104从站程序，只要有1台通信服务器正常，华中网调主站均可以实现与集控中心正常通信，保证了集控与华中网调通信安全。4台通信服务器均部署AGC/AVC软件，目前有五强溪、三板溪、白市和托口4个电站属于华中网调直调，AGC/AVC负责这4个电站的有功和电压自动调节。4台通信服务器同步运行AGC/AVC程序，每个电站配置服务器队列，正常情况下，4台服务器同步计算，电站对应排序优先级最高服务器负责AGC/AVC命令下发，如果排序优先级最高服务器故障，那么优先级次高服务器接替其功能，依次类推，调度通信和AGC/AVC可靠性将大大提高。

3 规约扩展及完善

3.1 全送数据插送实时数据或命令

为了保证数据正确性，防止某个数据长时间没变化引起数据不一致，IEC 60870-5-104经过若干时间，主站对从站发起总召，从站将所有的遥测、遥信等全数据上送一遍。但是，当数据量较大时，会花很长时间，在此期间将会影响变化数据上送和命令下发。为了解决该问题，在全送过程中，从站送一部分数据后，周期检查是否有变化数据和主站下发的命令，如果有，将暂时中断传输，上送变化数据或接受主站下发的命令，等处理完后，接着传输总召数据。这样既保证了全数据上送，同时，实时数据可以实时上送，下发命令也能及时执行。经处理后，插补实时数据或命令，全送数据过程中，可以保证实时变化数据或命令在1 s内传输或执行。

3.2 数据补传

正常情况下，采集顺序排名第1的作为主通道传送数据，采集顺序排名第2的备用通道做为主用通道的比较数据，用于和主用通道数据进行校验纠错，当主用通道中断时，该通道数据即升级为主用数据。

备用通道缓存10 s监控系统广播的数据，该缓存数据时刻与主用通道上送的数据进行比较，如果比较通道发现主通道有丢失数据时，自动将丢失的数据在实时库中插补并广播出来；当通道切换时，由于不同通道采集数据难以做到完全同步，因此比较通道利用缓存的10 s监控系统广播的数据，插补遗漏数据或删除重复报警。

3.3 命令返送

根据五凌集控系统设计，采用分层方式便于扩展，适合于大规模集控系统建设。电厂侧布置有电厂集中计算机监控系统，在集控系统出现故障时或者应急情况下，可以由电厂监控系统操作。但按照在IEC 60870-5-104规约，无法上送电站侧操作命令，这样，在集控无法监视到电厂操作，对于整个集控系统有一定安全隐患，同时，也不利于集控的安全管理。为了解决该问题，可以对规约进行扩充，借用遥测和遥信，根据电厂数据点数，将该种类型的点地址放到后面，并将地址值与原有遥测和遥信保持一定距离，防止与原有遥测和遥信冲突，将电厂侧的操作命令通过遥测和遥信点上送集控。集控侧104主站程序收到操作命令后，在集控侧监控系统产生事件，并标电厂名，这样集控就可以在不改变规约情况下实现对电厂操作的监视。

3.4 计划曲线上传和下发

部分电站按照计划曲线运行，但是IEC60870-5-104规约没有上送和下发曲线点功能，针对该需求，扩展规约，增加曲线上送和下发功能。

增加曲线类型 类型标识137：C_SE_TD

电站侧作为104通信从站，需要实现曲线点变化送和定时全送，变化点采用不连续点方式（表1）传输变化的曲线点，全送采用连续点传输格式（表2）传输全部曲线点。通过扩展曲线类型，实现计划曲线上送功能。

表1 不连续曲线点传输格式：多个信息对象（SQ＝0）

表2 连续曲线点传输格式：多个信息对象（SQ＝1）

传输规则：

（1）为了节约传输时间采用拐点传输的策略，但是第一点（0：00）和最后一点（23：55）必须传输。

（2）每个报文只带一个时标，用于说明该计划值是哪一天的，所以时标的有效位是年、月、日，其他位可以置零。

（3）如果计划值一帧传输不完，可以分帧传输。

（4）读计划值可以采用读命令报文，功能类型为<102>，其中第一个地址表示读整条曲线：当信息对象地址为某一条计划曲线地址时，表示召唤该条计划曲线；当信息对象地址为单个计划值地址时，表示召唤单个计划曲线中对应的点。

计划曲线下发时，增加操作命令，当104程序接收到操作员下发曲线命令时，读取相应的曲线，下发至对应电站。

4 结束语

五凌集控计算机监控系统集群通信升级已于2016年9月完成现场投运，运行半年来效果很好，提高了集控安全性和可靠性，保证了海量数据实时性和完整性，文中介绍的技术对于国内外其他集控计算机监控系统有借鉴意义和推广价值。