淺議小型水電站垂直信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭嘉龍，馮黎兵

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

淺議小型水電站垂直信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭嘉龍，馮黎兵

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

為了適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)未來(lái)發(fā)電企業(yè)的要求，提高小型水電站信息化系統(tǒng)集成度，本文在分析垂直信息系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，借鑒其它生產(chǎn)制造行業(yè)在信息化方面先進(jìn)且成熟的管理理論和實(shí)踐，提出小型水電站垂直信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)方案實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各信息子系統(tǒng)的集成，不僅可以使原有系統(tǒng)發(fā)揮出新的價(jià)值和功能，還能進(jìn)一步提升水電廠的信息化程度。

小型水電站 垂直信息系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)

1 引言

30年來(lái)，隨著改革開(kāi)放的不斷推進(jìn)，中國(guó)的水電站自動(dòng)化技術(shù)程度逐步達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。施沖在文獻(xiàn)〔1〕中將過(guò)去30年水電站的發(fā)展分成了監(jiān)測(cè)監(jiān)控、常規(guī)控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、輔機(jī)控制、開(kāi)放式系統(tǒng)、無(wú)人值班(少人值班)、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、梯階集控和數(shù)字化水電站等8個(gè)階段。2015年3月，首個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1888獲得成員國(guó)全票通過(guò)，這意味著發(fā)電端的建設(shè)即將從數(shù)字化階段向智能化階段發(fā)展。水電站作為整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電端之一，是能源網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。但是，我國(guó)現(xiàn)階段數(shù)字化水電站建設(shè)還是以分層分布式系統(tǒng)為主，層間系統(tǒng)集成度較低，信息共享性不足，形成以層為核心的扁平狀信息孤島。為了適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的變革，將其他制造業(yè)中先進(jìn)的信息化管理手段結(jié)合水電站本身的特點(diǎn)，突破扁平信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享，形成小型水電站的垂直信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 垂直信息系統(tǒng)的特征

廣義上的小水電信息系統(tǒng)是指以農(nóng)村小水電為主的電力企業(yè)的綜合一體化信息系統(tǒng)，一般由電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)組成，其核心為水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)〔2〕?，F(xiàn)階段的小水電信息系統(tǒng)(如圖1(a)所示)，主要以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主要目標(biāo)，依靠通信機(jī)與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)連接，雙向信息流主要在電氣自動(dòng)化(SCADA)層得以體現(xiàn)，而管理信息系統(tǒng)層面主要是采用相對(duì)獨(dú)立的辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OA)、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)等構(gòu)成，信息系統(tǒng)整體性不足，重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象突出。

垂直信息系統(tǒng)是指從通信的角度，結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用需求將分層結(jié)構(gòu)的各種信息子系統(tǒng)和自動(dòng)化子系統(tǒng)進(jìn)行集成，建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，使電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，電氣自動(dòng)化層的各項(xiàng)信息參數(shù)通過(guò)執(zhí)行層映射到管理信息化層，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間信息流暢通，減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、銷售、財(cái)務(wù)和資源管理一體化(如圖1(b)所示)。

(a)

(b)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 執(zhí)行系統(tǒng)(ES)建模

MES的全稱是制造執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecutionSystem)，其定義如下：“MES是一些能夠完成車間生產(chǎn)活動(dòng)管理及優(yōu)化的硬件和軟件的集合，這些生產(chǎn)活動(dòng)覆蓋從訂單發(fā)放到出產(chǎn)成品的全過(guò)程。它通過(guò)維護(hù)和利用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息來(lái)指導(dǎo)、傳授、響應(yīng)并報(bào)告車間發(fā)生的各項(xiàng)活動(dòng)，同時(shí)向企業(yè)決策支持過(guò)程提供有關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的任務(wù)評(píng)價(jià)信息〔3〕”。MES系統(tǒng)模型如圖2(a)所示。

ES(ExecutionSystem)是借鑒了MES的功能設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)接口需要的一種執(zhí)行系統(tǒng)。它承接和處理來(lái)自底層電氣自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和上層管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。目前電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)與小型水電站主要通過(guò)通信機(jī)進(jìn)行通信。為了盡可能地減少對(duì)調(diào)度系統(tǒng)正常工作的影響，可以在小型水電站其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成的基礎(chǔ)上與電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)耦合。水電生產(chǎn)原料是自然界的水資源，同時(shí)產(chǎn)品的銷售是由終端用戶和電網(wǎng)調(diào)度決定的，因此在設(shè)計(jì)ES邊界功能時(shí)應(yīng)去掉MES中的供應(yīng)鏈管理模塊、銷售與服務(wù)管理模塊。此外，ES需要與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)保持暢通的信息流，所以必須設(shè)計(jì)調(diào)度協(xié)同模塊。ES系統(tǒng)模型如圖2(b)所示。

圖2 MES與ES功能模型

3.2IEC61850與IEC61970協(xié)議的推廣應(yīng)用

IEC61850是一個(gè)龐大的通信協(xié)議體系，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)做出了全面和系統(tǒng)的要求，主要包括系統(tǒng)部分、配置部分、數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)、映射部分和測(cè)試部分。為解決IEC61850Ed1.0中邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)目不足、部分通信模型服務(wù)定義存在互操作盲區(qū)和水電領(lǐng)域?qū)EC61850的使用未能提出要求等問(wèn)題，在IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)新增了IEC61850通用邏輯節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充和水電站專用邏輯節(jié)點(diǎn)2個(gè)方面的介紹。

為了最大限度地降低用戶成本，實(shí)現(xiàn)軟件的即插即用，要求智能水電站遵循IEC61970標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定了各種應(yīng)用之間的基于組件、模型和面向?qū)ο蟮慕涌谝?guī)范，是系統(tǒng)集成、異構(gòu)和互操作的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)〔4〕。

使用基于TCP/IP的IEC61850和IEC61790協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，替代目前電氣自動(dòng)化層(SCADA)各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)水電站的智能化提供通信信息平臺(tái)的技術(shù)支撐。

3.3 通信的實(shí)時(shí)性和可靠性

為了提高垂直信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，在各層信息系統(tǒng)間架設(shè)CMS(ContentManagementSystem)服務(wù)器。在CMS服務(wù)器中進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換和負(fù)載均衡，用于匹配各信息層對(duì)帶寬響應(yīng)時(shí)間要求不同以及速率要求不同的問(wèn)題。

3.3.1 通信的實(shí)時(shí)性

控制網(wǎng)絡(luò)(ES層/SCADA層)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，是控制系統(tǒng)最基本的要求。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程控制系統(tǒng)(SCADA)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01s～0.5s；執(zhí)行系統(tǒng)(ES)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.5s～2.0s；信息網(wǎng)絡(luò)(ERP層)的響應(yīng)時(shí)間要求為2.0s～6.0s。管理信息系統(tǒng)層可以通過(guò)提高通信帶寬和速率，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，減少傳輸時(shí)延。一般采用普通商用以太網(wǎng)，速率從10Mbit/s到現(xiàn)在可達(dá)到100Gbit/s，已經(jīng)可以滿足信息網(wǎng)絡(luò)大部分使用需求，因此在設(shè)計(jì)管理信息系統(tǒng)時(shí)通信的實(shí)時(shí)性是可以忽略的。

控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不同，但是從數(shù)據(jù)共享的角度來(lái)看，兩種網(wǎng)絡(luò)所交換的數(shù)據(jù)才是垂直信息系統(tǒng)關(guān)心的節(jié)點(diǎn)。李正軍在文獻(xiàn)〔5〕中指出，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交換，集成不同實(shí)時(shí)性的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.3.2 通信的可靠性

垂直信息系統(tǒng)中的通信可靠性是指各信息層集成的問(wèn)題，并非各信息層內(nèi)部的通信可靠性問(wèn)題。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)信息流量的需求差別很大。例如，SCADA層實(shí)現(xiàn)了IEC61850和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)后，向ES層傳遞的管理信息相比控制信息而言，所占的流量會(huì)很大。因此，根據(jù)信息優(yōu)先級(jí)別分配不同信號(hào)的使用流量，是提高通信可靠性的一種方法。具體措施上，蔡凌等在文獻(xiàn)〔6〕中提出，利用丟包率作為每條路徑流量分配比例的懲罰函數(shù)，將流量引入丟包率低的路徑，能有效地均衡負(fù)載，減少網(wǎng)絡(luò)的丟包率。通過(guò)在各信息系統(tǒng)層間架設(shè)優(yōu)化后的負(fù)載均衡器，提高SCADA層、ES層和ERP層之間通信穩(wěn)定性與可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

“垂直”是相對(duì)于“平行”而言的一個(gè)概念，在互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，比如垂直搜索引擎、電商的垂直營(yíng)銷。將“垂直”的互聯(lián)網(wǎng)理念引入到工業(yè)信息化領(lǐng)域，特別是水電領(lǐng)域，將現(xiàn)有的系統(tǒng)集成在一起，既可以避免重復(fù)投資建設(shè)，又可以激發(fā)舊有系統(tǒng)新的功能和價(jià)值，還可以提升小水電企業(yè)的信息化程度，降低發(fā)電成本。

當(dāng)前，水電廠分層信息系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較豐富，大型垂直信息系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還相對(duì)欠缺，特別是在通信的確定性和實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與可靠性等方面，仍需進(jìn)一步改善。

〔1〕施 沖，馬 杰，周慶忠.水電站自動(dòng)化建設(shè)30年回顧與展望[J].水電廠自動(dòng)化，2009，11(4)：4～7.

〔2〕劉亞成，劉紅超，楊代軍.小水電信息系統(tǒng)技術(shù)及其展望[J].中國(guó)電力教育，2010，(09)：245～247.

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

〔4〕韓桂芬，袁寧平.IEC61850與智能化水電站[J].水電廠自動(dòng)化，2011，(02)：9～12.

〔5〕李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

〔6〕蔡 凌，汪晉寬，王翠榮.基于丟包率預(yù)測(cè)的多路徑網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡策略[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(06)：806～807.

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TP273∶TV

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2095-1809(2016)04-0082-03

鄭嘉龍(1987-)，男，浙江江山人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，主要研究信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)。