火电厂厂级监控信息系统数据库平台应用实践探讨

随着我国电力工业的发展和信息技术的突飞猛进，实施"信息化带动工业化"战略，是电力工业发展的必然要求，也是电力企业谋求创新发展的必由之路[1]。国内各大电厂正逐渐重视整合企业的现有信息资源，希望在整个电厂范围内实现信息共享，为电厂实现管控一体化、提高整体效益打下坚实基础。 火电厂厂级监控信息系统(SIS)作为电厂信息化的主体，目前正以前所未有的速度蓬勃发展，并逐步进入积极稳妥的推广应用阶段。 SIS系统能够得以顺利实施的重要前提是在全厂范围内建立起高级应用所需的实时数据库平台，以集成全厂的控制和信息系统，从而为信息管理与自动控制一体化的实现奠定良好基础。本文基于Industrial SQL Serrer(INSQL)实时数据平台及其相关问题作了详细分析。 一、SIS系统数据平台的建设 数据平台为系统提供生产信息来源，是整个系统的基础，实时/历史数据库是系统的核心。 1.1 实时数据库的选择 SIS系统作为火力发电厂生产过程的综合决策支持系统，对生产数据的实时性有严格要求，所以数据平台要具有并发处理、在线组态查询、海量存储、即时响应和对外开放等数据处理功能。数据平台首先要满足实时性的要求。其数据采集系统最好能以数据源变化速度的2倍来采集数据，以反映整个系统的变化;要能够将高速变化的数据实时的提供给用户，并能以数据原型存入历史数据库。其次，数据容量要大。SIS系统需要包含全厂所有系统的实时数据。一台300MW机组的DCS系统大概有6000个I/O点。再加上化学水处理系统、灰控、煤控等控制系统，一个典型的4×300MW的机组大概要有30000点的容量。随着电站数字化不断发展，基于现场总线控制技术的智能仪表将逐渐取代现在的测量仪表，系统容量还将翻番。SIS系统的历史数据要求在线时间长，通常要求能够至少保留一个大修的时间周期。因此，数据平台要在保证性能的基础上对数据进行压缩存储。最后，数据平台要能灵活方便的进行组态。由于电厂自动化建设是一个渐进的过程。随着自动化水平的不断提高，各种新的控制系统将不断增加，旧的系统将不断升级和改造。因此，这就需要数据平台有一个开放的接口，使新的系统能够很容易的挂接到数据平台上。 为了满足平台对容量及实时性的要求，通常需要选择一个商业实时数据库。现在很多实时/历史数据库都能满足以上要求，各有优点[2]。在安徽某火电厂(以下简称A厂)的SIS系统建设项目中，我们选择了WonderWare公司的INSQL实时数据库。 1.2 INSQL系统简介 INSQL把数据分成统计数据、事件数据、配置数据、实时数据和历史数据。统计数据、事件数据由INSQL根据用户的配置自动完成统计或者事件检测，结果根据事件本身的特点采用不同的存储方式。配置数据包括系统的配置、数据源的配置、位号的配置等，通常为静态数据。实时数据以快照的形式放在内存中，根据配置不同，每个点可以有最近时刻的多个实时快照。快照方式保证了实时数据检索的高性能。历史数据每段时间(如1天，由用户自定义)生成一个文件夹，称为历史数据块。这种方式为历史数据的管理带来了极大的便利，可以方便的备份、离线(从数据目录中移走)、在线(从备份目录中复制到数据目录)。 INSQL系统由以下几个子系统组成: (1)配置子系统。监视系统配置的变化，使得用户能够动态修改INSQL的系统配置，如添加、删除或修改点的配置，不需要重启数据采集服务，也不会引起数据的丢失。 (2)数据采集子系统。从现场设备采集数据，并通过一系列技术保证数据实时准确的到达INSQL服务器。其中，I/O Server为PLC、DCS等控制设备提供的数据驱动软件，用以从这些设备高性能的采集实时数据;IDAS Service与一个或者多个I/O Server进行通信，将实时数据送入INSQL服务器;MDAS Service用来从非自动化设备采集数据。以上每个环节都可以配置冗余，保证数据传输的实时性和可靠性。 (3)数据存储子系统。它为实时数据快照分配内存，将实时数据写入缓存或者存入历史数据块。 (4)数据检索子系统。它通过统一的接口，如OLE DB，为用户提供实时数据、历史数据检索。INSQL通过允许用户通过标准的数据库查询语言SQL来检索实时、历史数据，并对SQL语言进行了扩展，使得对历史数据的检索、处理更为方便。 (5)事件子系统。它可提供定制事件探测、事件报警、计划事件等功能。 INSQL系统的以上特点为构建高可靠性、高性能的数据平台奠定了基础。下面以A厂为例介绍基于INSQL的数据平台的建设。 1.3 基于INSQL的数据平台构架 A厂装机容量为4×125MW,SIS系统通过接口机将各机组的DCS、ECS及SCADA、化学水处理系统共20000点接入数据平台。根据应用需要，INSQL服务器配置的是25000点的许可协议。当系统需要扩容时，可以升级该许可协议来增加实时数据库的容量，系统不需做要任何其他的更改。整个系统平台示意图见图2。 接口机监听并接受DCS系统通过UDP数据报发过来的实时数据，将数据送入INSQL实时数据库。接口机上的接口程序I/O Server通过INSQL内部协议SuiteLink与数据服务器INSQL通信。使用该内部协议，每一个通过I/O Server采集的数据都包含了时间和质量标签，并具有更高的数据采集效率。通过IO/Server连接各种数据源，INSQL能提供毫秒级的数据采集。I/O Server具有数据缓存功能。当由于种种原因导致I/O Server与INSQL断开以后，I/O Server将数据缓存在本地，当联系恢复时，I/O Server将缓存数据发回INSQL，保证数据不损失。 为了提高数据采集系统的可靠性，接口机与服务器采用冗余星形拓扑结构，接口机通过两个千兆网卡与SIS系统的交换机相连，故障时能够自动切换到备用网络上，保证实时数据的可靠传输(图2上没有画出冗余网络)。 以实时数据库为中心，在SIS网上布置了应用服务器、关系数据库服务器、Web服务器，构成SIS系统的功能模块。基于SIS系统的高层信息化建设，如基于SIS系统的数据挖锯、决策支持等系统，将根据网络的性质接入MIS网、SIS网，或者单独部署新的网络，与SIS、MIS系统分别连接。 系统具有自诊断功能。随着分布式系统的不断增加，系统之间的数据流程变得相对比较复杂。系统应该以网络拓扑图的形式，在线进行自诊断，实时反映系统状况。该系统将各个网络接口机、数据服务器、各个应用服务器、网页服务器的运行状态以测点的形式接入实时数据平台。通过实时监测画面、历史数据分析都可以查看任意时刻的网络连接状况，便于管理员对系统进行诊断与维护。同时对关键网络设备的状态设置了报警，当某个设备离线时，系统将产生一条预警信息到事务预警模块，事务预警模块根据预警信息的定义，将信息发送至系统管理员。 1.4 客户端的访问接口 INSQL最大的特点在于使用非常方便。INSQL把微软SQL Server的强大功能与自己的过滤、联合和处理能力进行了结合。展现给用户的就是SQL Server中的一个数据库，里面包含了配置表和虚拟数据表。用户能够通过数据库查询语言SQL简单方便的获取实时数据。同时，它扩展了标准SQL语言，为所有数据类型在时间域中增加了过滤能力，为用户获取和处理历史数据带来了极大的便利。用户可以基于SQL、ODBC或OLE DB接口来扩展自己的应用。同时，WonderWare的集成解决方案FactorySuiteA2中包含了多种客户端工具，包括趋势定制、数据检索查询、网页组态与浏览服务等。由于支持SQL接口，开发者也可以通过ASP.NET非常简单的完成页面的组态与编程工作。 1.5 与MIS系统的连接 考虑到SIS系统与MIS系统的不同安全级别和性质[3]，通常要求SIS系统与MIS系统不能连接在同一个网络上。但是现场往往有以下需求:①MIS系统上有很多用户需要访问SIS系统，特别是需要访问实时监测系统、报表系统、运行分析与操作指导等系统。②原来部分SIS系统的功能是在MIS系统中完成的。如煤质分析录入等。SIS系统通常需要从MIS系统数据库获取该类数据，而暂时不会将这些功能从MIS系统中移植到SIS系统中来。③MIS系统的有些经营管理报表通常需要SIS系统的统计数据。 考虑到以上因素，通过添加一块网卡，将SIS系统的网页服务器通过防火墙同时在MIS网上发布。这样，MIS系统所有用户都能通过授权访问SIS系统。从而在保证SIS系统安全的前提下把对安全生产的监控延伸到公司的每个角落，把经营工作贯穿到生产的全过程。用户甚至可以通过VPN的方式在Internet上进入MIS系统，访问SIS系统网页。 为了保证SIS系统数据采集及实时数据库的安全与稳定，各个应用服务器及数据服务器都不能接入MIS系统。通过设置专门的MIS网关机，来获取MIS系统的数据，同时隔离SIS系统与MIS系统。 二、SIS系统的逐步完善 在SIS系统的实施过程中，不能搞大而全，希望一次性成功投入全部功能模块是不现实的。国内SIS系统应用软件的部分模块，如性能计算与运行优化等已经较为成熟，但是还有更多功能尚处于探索阶段，如故障诊断、寿命管理等。电厂应该根据自身的需求，结合软件模块在行业中的成熟程度有计划、有步骤地建设。还可以结合本厂特色，以为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务为指导来开发有自己特色的优化控制管理模块。 该厂SIS系统一期工程构建了网络平台与数据平台，开发了实时信息监测、历史数据统计与分析、性能计算、机组运行优化管理、运行分析系统、报表系统等子系统，并为二期奠定数据基础，搭建了SIS系统基本框架，一期项目通过验收一年。在这期间，SIS系统对所有MIS系统用户开放大部分功能。系统运行稳定，受到用户一致好评。在对当前系统的理解及掌握的基础上，结合信息化电厂的规划，用户对SIS系统提出了新的需求。SIS系统二期已经开始开发，结合本厂的实际，将要投入循环水优化调度、运行分析与操作指导、吹灰优化管理、设备寿命管理等具有本厂特色的功能。 信息来源于；东方自