五凌集控数据网集群通信优化升级方案及实现

龚传利,文正国，谢源强,吴辉

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004）

五凌集控下辖五强溪、三板溪、托口等12个水电厂，分布在沅水、湘江和资江3个不同流域。五凌集控集中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。所辖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”[1-5]。集控数据网采用IEC60870-5-104规约，5台远程通信服务器(WLYC1,WLYC2,WLYC3,WLYC4,WLYC5),实现集群通信，根据配置采集队列和主机状态确定最终通信采集优先级顺序，正常情况下每台通信机负责一个区域数据采集，实现负载均衡，故障情况下按照优先级顺序自动接替采集任务[6]。五凌集控数据网集群通信运行稳定且可靠性高，但在生产运行中发现有值得改进的地方。主要有以下几个方面：

（1）通信服务器只有故障情况下才自动切换，无法根据需要进行手动切换。运维人员在故障处理和电厂监控系统改造接入集控联调时，需要手动切换指定服务器链路，因此需要改进增加手动切换功能。

（2）电厂与集控通信机采用冗余配置，电厂侧仅一台通信服务器正常工作即可满足通信需要，当前对备用服务器无监视功能，如果备用服务器故障或网络故障就无法起到正常备用功能，为安全生产埋下隐患，需要监测网络是否正常。

（3）集控与各集控电厂IEC104程序无“四遥”通信点表自动检测功能，不利于集控模式下缺陷的迅速处理与定位，也无法实现集控与电厂联调对点时的通信配置文件双方互核，给集控运行模式下的安全生产埋下隐患。

（4）电站顺控流程执行情况和其他过程提示信息，由于没有实际数据点的字符串信息，104规约不支持，需要扩展104规约，上送信息，便于集控中心实时管理。

（5）标准104规约不支持计划曲线传输，集控中心水调系统制作发电计划，无法及时下发计划曲线。

（6）集控当前对电厂时间偏差没有监视，无法及时掌握电厂时间偏差。

（7）电厂机组检修时，信息不正确可能干扰正常监控效果，需要增加一键屏蔽部分或整个LCU上送信息功能。

基于以上需求，对IEC104通信进行优化升级。

1 集群通信功能优化

1.1 通道切换

修改集控IEC104程序，增加上位机集控通信机主用通道切换功能，当下令切换至某备用通信机时，此通信机即切换为某区域电厂的主用通信机（原主用通信机自动切成备用状态）。当取消主用通信机切换指令，集控与集控电厂即按照配置表内的主、备顺序进行自动切换。

每个厂站增加一个状态点，该状态点可以支持6个状态，字符串状态改为无，WLYC1、WLYC2、WLYC3、WLYC4、WLYC5状态为0时按照默认配置表定义的主备顺序进行切换，当状态不为0时（1为WLYC1，2为WLYC2，3为WLYC3，4为WLYC4，5为WLYC5），根据对应状态值，切换对应的远程通信工作站为主控，如果该远程通信工作站为电力通道正常，则电力通道为主控，如果不正常，则电信通道为主控。

1.2 物理通道监视

ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。利用ICMP协议，可以及时判断电厂物理通道是否正常。每个电厂有两台通信服务器，每台服务器分别有电力和电信通道，每个电厂建立4个状态点，监视4个通道，故障时报警提醒运行人员。集控侧增加一个进程，定期发ping包，通过解析反馈信息，可及时掌握各物理通道信息。

1.3 主从站时间偏差监视

监控系统时标是设备状态信息报警和模拟量时效性的重要组成部分，准确时标是故障和事故分析的重要依据。根据电网两个细则考核要求，需增加所辖电站和集控时间偏差监视，偏差超出合理范围，需报警提醒运行人员。

具体实现方法如下，电站将当前时间年月日时分秒转化为绝对秒（以1970年1月 1日(00:00:00 GMT)为0 s起始时间）上送集控，集控收到后，与集控时间进行比较，当时间超过预设值时，产生事件报警提醒运行人员。

1.4 一键屏蔽上送功能

当电厂检修时，设备处于非正常工作状态，会出现频繁报警信息和错误信息，过多信息会干扰集控中心运行人员监盘，可能导致遗漏重要信息，给安全生产带来隐患。每个LCU增加“一键屏蔽”状态点和全厂“一键屏蔽”状态点，当该点投入时，电厂不上送相应LCU或全厂的信息。

1.5 参数优化

1.5.1 测试帧时间t3优化

五凌集控对所辖电站进行“全监全控”，对于数据实时性和准确性要求很高，要求集控与电站通信多重冗余配置，部分故障情况下也能无扰切换。但是，在电站暂时无变化数据情况下，如果出现网络中断，譬如人为拔出网线，104需要通过超时判断才能监测出故障，通常需要十几秒。为了及时发现主站与从站之间通信的意外中断现象，推荐t3为1 s。主从站通过测试帧监测链路状态及时掌握切换情况，防止通信意外中断。

1.5.2 k、w优化

对于大型水电站集中监控系统，考虑到数据点较多，实时变化上送数据也多，如果按照标准规约推荐w为8，k为12，从站传输8帧数据就等待确认，将会影响数据传输效率。为了减少总召传输时间，将k、w优化，便于提高传输速度。根据电站数据量规模，可以将标准规约推荐k和w乘以相同倍数，需要注意的是，主站和从站要保持参数一致，否则主从站将由于判断依据不一致导致通信中断。

2 自动核对主从站信息

通常电厂接入集控时，采用双方电话核对点信息，该方式工作量大，且容易遗漏，核对时也只核对模拟量数值和状态点状态值，对于下列信息通常都难以逐一核对：①点地址信息；②更新时间；③接点属性描述信息；④遥测量限值；⑤遥测量死区；⑥遥信点是否报警禁止；⑦数据点汉字描述信息。标准104规约不支持这类信息，采用扩展104规约方式，实现自动核对通信点表，则大大降低运维人员工作量，同时提高核对准确度。具体实现过程如下：

2.1 JSON格式简介

该扩展功能为了便于后期根据需要进行内容增减，采用JSON格式描述信息体。JSON是 JavaScript对象表示法，是一种轻量级的数据交换格式。具有自我描述性，易于理解且语法简洁。JSON有3种语法：

（1）键/值对 key:value，用冒号分割。比如“名称”：“调速器”。

（2）文档对象 JSON对象写在大括号中，可以包含多个键/值对。

如{“名称”：“调速器”，“地址”：“北京”}。

（3）数组 JSON数组在方括号中书写：数组成员可以是对象，值，也可以是数组(只要有意义)。

如：{“水轮机”：[“提速器”，“刀闸”，“断路器”，“励磁”]}。

2.2 工作方式

（1）自动对点功能由从站端发起、主站端响应的交互方式实现；

（2）自动对点过程中，数据上送和控制下达不受影响；

（3）自动对点功能通过扩展ASDU类型标识实现；

（4）主站侧和从站侧分别将自动对点的过程和内容写入自动对点报告文件，以便于事后分析；

（5）自动对点信息体采用JSON文本格式表示；

（6）收到自动对点帧找不到本地对应的信息地址时需回应错误响应帧，错误响应帧的类型标识为该自动对点帧的类型标识，传送原因中的P/N置1；

（7）从站侧发送自动对点帧后，主站响应帧超时情况下应产生错误日志，并关闭连接，超时时间为5 s。

2.3 规约设计

（1）自动对点数据帧均采用I帧类型；

（2）ASDU标识符定义（表1）

表1 ASDU标识符信息

（3）自动对点ASDU结构

表2 自动对点ASDU信息

传送原因：

监视方向

<6>：＝ 激活（必须）

控制方向

<7>：＝激活确认

<44>：＝未知的类型标识

<45>：＝未知的传送原因

<46>：＝未知的应用服务数据单元公共地址

2.4 自动对点信息体

（1）遥测信息体包含模拟量中文描述、实时值、更新时间、本地数据库上限、下限、上上限、下下限。

表3 通信优化遥感信息说明

（2）遥信信息体包含状态量中文描述、实时状态值、禁止报警、更新时间、本地数据库状态描述。

表4 通信优化的本地数据信息

（3）主站侧的错误响应帧信息体包含表5内容。

表5 通信优化的错误响应帧信息

2.5 自动对点报告

自动对点主从站均生成报告，可为excel或其他形式，运维人员很方便分析查看自动对点结果。

3 传输增加字符串信息

集控中心集中监控系统，除了通常“四遥”信息外（这些都需要实际数据点支持），电站监控系统通常会有些信息没有实际点，譬如顺控流程执行信息，自诊断信息、AGC/AVC中间过程信息，这些没有建数据点，对于这些信息传输，104规约没有相应类型支持，有必要增加该类型。具体格式见表6。

表6 电站监控识别系统

4 命令返送

集控中心需要及时掌握电站操作情况，对于电站监控系统操作信息，需要上送集控。电站上送集控的104信息对象格式需包括用户名、命令描述、操作点名、主机名、时标等，采用JSON格式。

表7 命令返送系统操作

命令返送信息体：

表8 命令返送信息说明

5 计划曲线上送和下发

计划曲线传输采用南方电网104规约[7-8]，具体参见南方电网DLT634.5104-2002远动协议实施细则，因五凌集控所辖电厂调度计划曲线均采用96点，且只有今日和明日两天计划曲线，为了降低处理难度，计划曲线传输采用连续点全部上送的方式。具体见表9。

表9 计划曲线传输流程

集控侧通过命令触发，可以下发今日或明日计划曲线，电站侧收到集控下发的计划曲线或者计划曲线有变化时，主动上送集控，电站侧同时采用定时全送方式上送集控。

6 结语

集控监控系统与电站通信通常采用IEC60870-5-104规约，对于数据量较小的通信，该规约功能满足需要。但是随着在中大型集控中心应用，逐渐发现很多方面不满足生产实际需要，需进行功能优化和规约扩充，才能更好满足集控监控系统需要。本文根据五凌集控生产需求进行功能优化和规约扩充，这些需求具有通用性，可供同类集控中心与电站数据网通信系统借鉴。