電站計算機監控系統網絡拓撲研究

電站的計算機監控系統普遍采用分層分布式結構，它將分布在機組控制室的每個現地監控單元利用網絡連接起來，組成一個計算機網絡．本文根據監控系統速度的要求和系統穩定性的要求，對監控系統的網絡拓撲結構及軟硬冗余進行分析，給出軟件冗余的設計思想，討論了如何選擇更合理的拓撲結構以便實現對系統的合理高效控制．
　　關鍵詞： 計算機監控系統（CSCS） 網絡拓撲 分層分布式

Study of the Network Configuration
of Computer Surveil and Control System in Power Plant

Tao Ke1,XU Yi-shan1,HE Peng2

(1.Information and Electricity College, Three Gorges University, Yichang443002,China;
2.Information and Technology Center, Three Gorges University, Yichang443002,China)

??? Abstract： Computer Surveil and Control System （CSCS）is often a distributed system, and it connects all Local Control Units which are in the Unit Control Room into a computer network. According to the speed and stability demands of the CSCS , this paper analyzes the network structure and design idea of both hardware and software ,and discuss the principle of how to choose a more reasonable network topology to achieve the goal of more efficient and safer control．
　　Keywords： Computer Surveil and Control System（CSCS） Network topology distributed system


　　隨著計算機及網絡技術的迅速發展，計算機應用已深入到很多行業中．對于電力系統中普遍應用的電站監控系統來說，網絡信息技術更是極大地推進它向自動化,網絡化的發展.
　　電站是電力系統中的電能供給方，根據它的實際生產要求，對處于自動控制的最高層的計算機監控系統有著與普通的計算機控制不同的要求，從而所構成的計算機監控系統網絡也與普通的計算機網絡不同，它的網絡應用針對性強，對網絡的穩定性、可靠性要求高，要求計算機網絡內的局部故障不影響其他設備的正常運行．所以電站計算機監控系統的網絡在普通計算機網絡的基礎上采取了硬件冗余方式，同時在軟件上也進行了相關的設計，以滿足相關的要求.本文就計算機監控系統的各種網絡拓撲結構、硬件組成及軟件設計進行分析和討論．

一、 網絡節點的通用設置
　　電站監控系統網絡對網絡節點上的計算機的要求是：
　　1、對于處于現地監控位置的現地控制單元，其網絡需要有穩定的網絡連接，在網絡某處出現不能連接故障時不影響其它網絡節點的正常的數據傳輸．
　　為達到這樣的要求，通常各網絡節點計算機都設置為硬件的網絡冗余，即設置雙網卡，故障時自動切換．由于現地控制單元多為CPU模件板與其他功能插件板的組合，所以對于現地控制單元上的網絡節點計算機也實行雙機冗余，即有兩塊負責實時數據處理的CPU模件板．從而網絡節點上的設置通常為一塊模件板設置一塊網卡，對應于各自的網絡．如下圖所示：

　　2、其它控制和監視節點，如處于數據的收集和命令的發送、接受位置的監控主站，操作人員使用的操作員工作站等，也采取硬件冗余．主要是主站的雙機加雙網卡冗余，操作員站等的雙網卡冗余。

二、 分布式監控系統中的有主和無主結構
　　電站的計算機監控系統屬于分布式系統，對于分布式系統的主機的處理有兩種常見的兩種方式，即分布式有主結構和分布式無主結構．
　　分布式有主結構是指在整個系統中有特定功能的計算機充當系統主機功能，主機負責對現地控制單元傳送的數據收集以供其他計算機使用，同時，將其他計算機傳到的數據，其中包括命令，下達給系統中的現地控制單元，因而，分布式有主結構對主機的要求較高．
　　分布式無主結構指的是整個系統中無充當主機功能的計算機，通過設置數據服務器來收集系統中各種實時信息，以供需要時使用，任意的計算機現地控制節點與應用計算機如操作員站之間直接進行命令和數據傳輸．
　　分布式有主結構與分布式無主結構在結構上的區別主要集中在主機功能上，在實際應用及軟件操作上，分布式無主結構需要整個計算機監控系統的應用軟件的支持，開發網絡應用中間鏈路層的協議，而分布式有主結構可以避開設置專用的軟件和協議，兩者分別針對于不同的要求．

三、網絡拓撲結構分析
　　由于總線型網絡自身特點的限制，不適合于在電站監控系統這樣對于網絡應用要求嚴格的網絡內使用，所以本文對其不作分析．對于應用較為廣泛的星型和環型網絡進行詳細分析并進行擴展，同時結合有、無主結構分析其應用性質．
　　① 星型網絡
　　星型網絡監控系統示意圖如下：

　　由星形網絡組成的監控系統，各網絡節點通過中心交換機連接，同時考慮到冗余需要，利用另外一臺交換機組成雙網絡，網絡工作原理如下：
　　有主結構：現地控制單元有兩塊CPU模件，實現該單元節點處的故障冗余，為主的CPU板實時采集各種信號，并針對故障信號采取相應處理，同時將采集的信號量數字化，再傳送給主站；主站負責數據的接收，同時向操作員站送實時數據，并將操作員站的命令下達．
　　無主結構：現地控制單元實時采集各種信號并針對故障信號采取相應處理，主站作為數據服務器，定時向各現地控制單元節點要數據并記錄，操作員站通過交換機直接與現地控制單元通訊，傳送數據與命令．
　　星形網絡的優點是結構相對簡單，由于普遍通訊協議為TCP/IP，開發額外的系統應用程序比較簡單，缺點是系統安全性能不高，若交換機壞，則網絡就面臨崩潰，對主站依賴性強．此種網絡結構在一些系統升級改造的電站應用較多．
　　 ② 擴展環型網絡
　　 擴展環型網絡是在環型網絡的基礎上，加上各其他功能節點，或通過轉換與其他應用網絡連接，而現地計算機控制依舊處于環型網絡上．示意圖如下：

　　由擴展環型網絡組成的監控系統，各網絡節點通過環型鏈路交換數據，利用兩條環鏈構成冗余，除現地單元、操作員站外的其他應用計算機屬于另一個TCP/IP網，主站與應用程序這些功能計算機通過協議轉換連接到兩個網絡中．網絡工作原理如下：
　　此種網絡拓撲結構較適合于無主結構，若應用為有主結構，TCP/IP網段的信息交換將由于主站性能限制而受到遲滯，對應用快速性不利．
　　在無主結構模式下，現地控制單元實時采集各種信號并針對故障信號采取相應處理，主站作為數據服務器，記錄各現地控制單元節點數據，操作員站在環網上直接與現地控制單元通訊，傳送數據與命令．在環網之外的TCP/IP網絡通過與主站、應用程序工作站通訊，取得各種信息并可發送命令．
　　擴展環型網絡的優點是在結構上，分層應用明顯，各節點功能清楚，系統安全性能高，兩個不同協議網段間的故障互相沒有影響，網絡穩定性好．缺點結構相對復雜，網絡投入較大，開發應用程序時，需考慮到兩個網段的不同協議．目前國內某在建大型水電站的計算機監控系統采用的就是這種結構．

四、軟件冗余設計
　　硬件冗余只是在結構構成上實現了故障切換，而建立在硬件基礎上的操作系統及應用程序系統也需要實現冗余，這樣才能在硬件故障時有效偵測到，并終止冗余中故障一方的監視控制功能，防止異常事件發生，所以監控系統中的雙機冗余如主站與現地單元均需要在內部的運行軟件上加以實現軟件冗余．
　　軟件冗余較多利用Socket通訊和“進程間通訊”（InterProcess Communication IPC）結合的設計概念[1],即冗余的兩計算機運行的同樣的操作系統及應用程序，互相利用運行中的程序即進程的數據通訊，并判斷對方的工作狀態，并作出相應的應用處理．本文給出常見的軟件設計框圖及部分判斷執行代碼。

　　軟件冗余除了在應用程序上的實現外，還有基于特定操作系統平臺的應用程序，這些操作系統內含服務冗余設計，就無須應用程序上的軟件冗余設計，如Windows2000 Advanced Server內部就集成了故障轉移功能：即如果群集中的某個節點失敗，其他節點可以繼續提供服務，從失敗處繼續進行，且對于客戶端來說，關鍵的應用程序和資源仍然可用。

五　結語
　　結合本文上面的分析，電站監控系統的網絡拓撲有著與與普通計算機網絡的很大結構不同，同時網絡應用程序也有較大區別，本文根據電站監控系統網絡的應用需求特殊性，從較多網絡構成拓撲中選出較具代表性的網絡結構，提出網絡的組成特征及針對性較高的軟件冗余步驟設計，以滿足實際需要。