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1、分布式变电站的实时信息采集与监控系统设计张延松,胡云苹,俞辉,赵英凯(南京工业大学 自动化学院,江苏 南京 210009)?摘要:以某石化公司分布式变电站为对象,基于 OPC数据存取规范和组态王技术实现了现场各个电气设备实时信息采集与变电站远程监控,着重介绍了系统设计的框架,利用 VC6.0 和 WtOPCSvr.DLL 开发 OPC客户端软件的步骤,对 Matrikon 公司的MatrikonOPC Tunneller 软件进行配置,解决了OPC远程数据通讯问题,详述了实时数据存取的过程以及组态王和 OPC 的数据交换技术,最终实现了分布式变电站远程监控系统。关键词:组态王;OPC;数据采集
2、;变电站;远程监控;Tunneller中图分类号:TP273?文献标识码:BReal-time Information Acquisition and Monitoring SystemDesign of the Distributed SubstationZHANG Yan-song,HU Yun-ping,YU Hui,ZHAO Ying-kai(College of A utomation,Nanj ing University of Technology,Nanjing 210009,Jiangsu,China)Abstract:T ake the distribution subst
3、ations of a certain petrochemical company as a research object,thereal-time information acquisition of various electromechanical equipment and romote supervision of substa?tions were realized relied on Kingview and OPC data access specification.The system frame was introduced.The procedure of develo
4、ping OPC client software using VC6.0 and WtOPCSvr.DLL was focused on,MatrikonOPCTunneller of Matirkon Company was configured to solve data communication problems between OPC client and OPCserver,and the process of real-time data access and data exchanging between Kingview and OPC were stated in de?t
5、ail.At last,remote monitoring system of the distribution substations was implemented.Keywords:kingview;OLE for process control(OPC);data access;substation;remote monitor;Tunneller?作者简介:张延松(1983-),男,硕士研究生,Email:favourite200811 ?随着电厂综合自动化水平的不断提高,可编程逻辑控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)等在电厂的生产过程自动化中得到了广泛应用,现场运行着多个分布式
6、变电站控制系统。各系统运行着不同的电机、变压器、压缩机等机电设备,缺乏公共一致的通信基础设施,导致各种子控制系统和上层管理系统之间的数据访问、管理、集成十分困难,所以需要数据访问中间件为控制系统集成和企业信息化提供解决方案。而过程控制对象链接与嵌入(OPC)恰恰提供了工业控制的接口标准,有效解决了控制系统的?信息孤岛,便于实现管控一体化。OPC(OLE for process control)是 OPC 基金会组织倡导的工业控制和生产自动化领域中使用的硬件和软件接口标准,它基于 Microsoft 的OLE、COM(component object model)和 DCOM技术。组态王是北京亚
7、控公司生产的一款全中文的工控组态软件,具有组态灵活,可生成友好的交互式图形界面,提供各种现场设备的驱动,广泛应用于工业控制系统的数据采集及监控 1。本文在VC 环境下开发了访问设备 OPC 服务器的 OPC客户端软件,利用组态王和 OPC 技术实现了变电站现场电气设备运行信息的采集,并应用于组态监控系统中,改变了用电管理、调度、运行的传统工作方式,为实时数据的深层次应用提供了便利。1?系统总体设计本系统由数据采集模块、监控图模块、网络安全模块、组态王和 OPC 数据交互模块等组成,其中数据采集模块是核心。通过对罐区 1#、酸碱、67ELECTRIC DRIVE?2010?Vol.40?No.1
8、电气传动?2010 年?第 40卷?第 1 期江边 1#和 6#变电所综合保护系统数据集成接口进行改造,数据采集模块将远程综合保护动作时的数据和 4个分散的高压变电所的 4 套直流屏的实时信息集成到本地系统,供监控系统使用。我们利用组态王的组态工具和控件绘制出变电所的一次系统图、报警、报表等监控图,通过与 OPC 的数据交互和编写脚本来获取实时数据,构建内网监控平台。为了保证电气 PLC 控制系统的绝对安全,利用现有的硬防火墙,将电气监控网与管理网隔离开来,并对网络地址和 WAN 口 LAN 口的链接方式重新配置,以提高数据传输的安全性。实时信息系统简图如图 1 所示。图 1?监控系统实施Fi
9、g.1?The monitoring system implementation?变电站远程监控系统实时信息获取流程如图2 所示。图 2?实时数据获取流程Fig.2?Real-time data accessing procedure2?OPC 客户端软件的设计本文的 OPC Client 程序 LeadOPC.Center是利用 Wintech 公司的 WtOPCSvr.DLL 在 VC环境下 开发 的,充当 组态 王的数 据服 务器。WtOPCSvr.DLL 作为一个快速开发 OPC 服务器的工具包,封装了所有关于 COM 和 OPC 的技术细节,使开发 OPC 服务器的工作集中在特定的数
10、据采集任务上来。该工具包就是一个动态链接库,支持 OPCl.0 和 OPC2.0 定义的所有接口,使用它可以迅速地开发 OPC 数据存取服务器。它提供了一些把定制数据集成到 OPC 服务器的易于使用的 API 函数,开发该客户端时利用了其中的数据访问规范,支持的接口和 API 函数。下面详细介绍 LeadOPC.Center 开发步骤,并给出关键源代码:1)创建新的工程,编辑 StdAfx.h 文件,加载opcda.h,opccomn.h,opcerrors.h,opcprops.h,opcquality.h 以及 opcda_i.c,opccomn_i.c 文件,将它们存入工程文件夹中。2)
11、初始化 COM 库。由于是远程监控,需要远程访问 OPC 服务器,所以在使用接口类之前必须首先使用 CoInitializeEx()函数对 COM 库进行初始化。HRESULT hr=CoInitializeEx(NU LL,COINIT _M UL?TIT HREADED);/初始化 COM 库3)通过 OPC 服务器的ProgID 查询注册表中相关 CLSID,用 CLSIDFromProgID()函数实现ProgID 到 CLSID 的转换。hr=pIOPCServerList-CLSIDFromProgID(m _ str?ProgID,&clsid);4)连接远程 OPC 服务器,查
12、询对象的 IID_IOPCServer 接口。hr=CoCreateInstanceEx(clsid,NULL,CLSCTX_SERV?ER,NU LL,sizeof(m_arrMultiQI)/sizeof(MULT I_QI),m_arrMultiQI);5)创建 OPC 组,查询 IOPCItemMgt 接口。IOPCServer 接口的 AddGroup()方法可以创建一个有指定名称和属性的 OPC 组。hr=m_pIServer-AddGroup(pszName,pGroup-IsActive(),pGroup-GetUpdateRate(),(OPCHANDLE)pGroup,&l
13、Bias,&fDeadband,pGroup-GetLanguag eID(),&hServer,&dwRevU pdateRate,IID_IUnknown,&pU nknown);6)添加 OPC 数据项。使用 IOPCItemMgt接口的 AddItem()方法可以添加具有特殊属性的指定数量的数据项。hr=m_pIItemMgt-AddItems(dwCount,/数据项数目pItemArray,/数据项数组指针&pResults,/结果数组&pErrors);/出错提示数组7)OPC 的数据项读写。本客户端程序同时编写了同步和异步读写代码,既支持数据存取规68电气传动?2010 年?第
14、 40卷?第 1 期张延松,等:分布式变电站的实时信息采集与监控系统设计范 1.0,也支持版本2.0,所以必须实现 IOPCSyn?cIO 接口、IOPCAsyncIO(old)接口和 IOPCAsyn?cIO2 接口,这里仅给出 IOPCAsyncIO2 接口的异步读写代码实现:hr=m_pIAsync2-Read(/异步读cdwItems,/请求数据的数目phServer,/服务器句柄dwClientTransID,&dwCancelT ransID,&pErrors);hr=m_pIAsync2-Write(/异步写cdwSentItems,/要写的数据数phServer,/服务器句柄p
15、Values,/数据值dwClientTransID,&dwCancelTransID,&pErrors);8)OPC 连接断开,释放接口指针。当程序退出或停止服务器时,依次删除 Item、Group,释放资源。void CKServer!Stop()RemoveAllGroups(false);/删除所有数据组Disconnect();/通过 IOPCItemMgt 接口提出删除数据项请求 hr=m_pIItemMgt-RemoveItems(dwCount,phServer,&pErrors);/使用 IOPCServer interface 提出删除数据组请求 hr=m_pIServer
16、-RemoveGroup(pGroup-GetServerHandle(),pGroup-IsForceDeletion();/释放服务器接口if(m_pIServer)m_pIServer-Release();m_pIServer=NULL;CoUninitialize();/释放 COM程序代码编写完成后,执行程序,得到 OPC客户端软件如图 3 所示。图 3?LeadOPC.Center 客户端软件Fig.3?LeadOPC.Center client_side software3?变电站实时信息的采集该公司分布式变电所采用 ABB 的电气设备,现场电气监控系统 SE-900C 为力导公
17、司的产品,作为数据采集前端,已将各种油泵、压缩机、变压器等电参数数据通过 PLC 采集上来,但各个数据采集机分布在各个厂区,采用不同的系统。为了构建厂网统一监控平台,在办公室电脑上监控现场的运行状况,就要将远程不同变电所的电气设备运行参数集成到统一的数据平台,我们通过开发的 OPC 客户端结合 MatrikonOPC Tunnel?ler 获取现场运行数据。OPC 仅仅支持 OPC 服务器与 OPC 客户之间的数据通信,如果数据需要在 OPC 服务器或OPC 客户之间传输,标准的 OPC 是无能为力的 2。为此,Matrikon 公司开发了 OPC 数据通讯软件 MatrikonOPC Tun
18、neller,功能相当于通讯网关,起到数据采集和转发等功能,扮演了OPC 服务器和 OPC 客户端的角色,可以从 OPC服务器取得数据,自己再作为 OPC 服务器提供给别的 OPC 客户端,配置简单,数据通信可靠高效,该软件作为一个 OPC 客户端解决了 OPC 服务器或 OPC 客户之间不能进行数据交换的问题 3,4。MatrikonOPC T unneller 包括运行于本地的T unneller 客户端网关和远程的 Tunneller 服务器端网关两部分,服务器端网关作为一个服务安装并运行在远程计算机即现场后台数据采集机上,它负责和远程 OPC 服务器通讯;客户端网关安装在 OPC 客户
19、端所在的计算机即办公室监控机上,和 OPC 客户端通信把从远程采集的数据转发给 OPC 客户端。远程通信前,先要启动 T un?nellel Client Config,添加远程 T unnellel 连接,设置远程服务器的主机名或 IP 地址、端口号、连接超时、重连次数,然后建立连接,下载远程 OPC 服务器程序标识清单,为本机 OPC 客户端要连接到的服务器建立本地镜像 5,过程如图 4 所示。?该公司有灌区、火炬、江边 1#和 6#等 4 个变电所,而且都在分离的地方,各个变电所的断路器、接地开关、小车位置等遥信和母联、电机、变压器等遥测数据量较多,所以采取批量存取,建立了OPC 数据库
20、文件(*.csv)。我们在现场统计了 4个变电所的遥信和遥信数据的点号表即 guanqu.csv,huoju.csv,jiang1#.csv,jiang6#.csv。以灌区变电所为例(共 108 个点号),如图 5 所示。69张延松,等:分布式变电站的实时信息采集与监控系统设计电气传动?2010年?第40 卷?第1 期图 4?Tunneller 客户端配置Fig.4?Tunnelleller client-side configure图 5?灌区 OPC 数据库文件 guanqu.csvFig.5?OPC database file of guanqu substation?打开LeadOPC
21、.Center,新建OPC 服务器,弹出服务器标识列表,选中 Tunneller 客户端中列出的远程 OPC 服务器,新建数据组,然后将 OPC 数据库文件*.csv 导入组中,相当于添加数据项标签,就可看到遥信和遥测数据被存取出来,通过 Tun?neller 转发通信正常稳定。以灌区变电所为例,图6 显示了 LeadOPC.Center 对服务器 KingView.View.1的通信界面,可以看到实时的遥信和遥测数据点号、类型、时间戳、数据质量、值等。图 6?灌区变电所的实时数据采集Fig.6?Guanqu substation real-time data acquisition4?厂网监
22、控系统设计与实现我们使用的是亚控公司的组态王 6.51 设计变电站监控组态画面,设计时首先新建组态王工程,组态时可以使用工具箱里面的工具快速创建组态画面,由于远程数据已经通过 OPC 客户端存取到本机,故不需定义 IO 设备 6。然后要构造数据库,数据库是?组态王 软件的核心部分,为便于设计,在数据字典里我们将各个变电所的遥信和遥测数据变量名定义为 LeadOPC.Center 中的相应点号如 yc01_128,yx01_182 等,这样就可以保证连接组态王服务器时数据的寄存器设备名和变量名一致,如 yc01_128 和 yc01_128.Value 对应,还可以防止大数据量时因数据的漏定义而
23、导致监控的不准确。数据库定义完成后,建立动画连接,对遥测数据文本框定义其模拟值输出连接表达式,和我们事先定义的数据变量关联,对遥信数据的监控设计时,由于它是开关量,有状态切换,所以我们需定义画面上开关的状态连接表达式。详细的组态设计这里不再详述,具体可参考组态王的帮助文档。为了实现数据显示和监控,组态王软件必须从 OPC 客户端获取数据,实现数据交互,这样OPC 客户端充当组态王的服务器,组态王充当了新的 OPC 客户端 7。在组态王工程浏览器中,点击?OPC 服务器,然后在右边双击图 标,在出现的窗口中选择 OPC 服务器为 LeadOPC.Center.1,其他默认,然后确定。打开数据字典
24、,将每一个实时数据变量与 LeadOPC.Center.1 中相应的寄存器关联起来。由于上面提到数据变量的巧妙命名,寄存器名应该是和变量名一致的,以数据字典中一个变量为例,可以看到它的属性如下:然后打开 LeadOPC.Center.1,通过 Tunneller 通信远程的 OPC 服务器,运行组态王工程,就可以实现变电站的远程监控,在办公室查看变电站的实时运行状况,可以实时监控进线、母联、断路器、接地开关、三相电流、功率等。以灌区变电所监控为例,图 7 显示了实时刷新的变电所监控运行画面。70电气传动?2010 年?第 40卷?第 1 期张延松,等:分布式变电站的实时信息采集与监控系统设计图
25、 7?灌区变电所实时监控Fig.7?Guanqu substation real-time monitor5?结束语为了提高该公司的管理水平和运作效率,方便工作人员和管理层及时高效地了解现场的运行状况,我 们利 用 OPC 技 术 和 组 态王 结 合 Ma?trikonOPC Tunneller 构建了厂部内网监控平台。我们采用 VC 8开发了 OPC 客户端程序,利用Tunneller 稳定高效的网关通信和数据采集转发能力,基于 OPC 数据存取规范将分布在不同区域的4个变电站的遥信和遥测实时信息统一存储到本机的 OPC 客户端 LeadOPC.Center,利用组态王和OPC 的数据交互
26、,成功地实现了变电站运行系统的远程监控,这套系统已经在该石化公司投入了运行。变电站远程监控系统有助于供电质量实时分析,保障了用电设备的安全,提高了工厂的自动化水平,为实时数据的统计管理、故障诊断、性能分析等深层次应用和变电站综合自动化奠定了基础。参考文献 1?亚控科技.组态王 Version6.5 用户手册 M.北京:北京亚控科技发展有限公司,2005.2?OPC Foundation.Data Access Custom Interface StandardVersion 2.04 Z.2000:97-138.3?王端喜.OPC 在华能东西关水电厂辅机控制系统改造中的应用 J.水电自动化与大
27、坝监测,2008,32(1):55-57.4?余秋霞,廖常初.基于OPC 的电厂控制信息集成 J.电力自动化设备,2004,24(2):67-69.5?MatrikonOPC.M atrikon OPC Tunneller-U sers Manual EB/OL .http:/ OPC 的变电站自动化监控主站软件的设计思想 J.电力系统自动化,2002,27(3):61-63.7?罗粮,石锐,英振华,等.工控组态软件对外集成方式的研究与设计 J.计算机工程与设计,2005,26(12):3387-3388.8?孙鑫,余安萍.VC+深入详解 M.北京:电子工业出版社,2006.收稿日期:2009-01-05修改稿日期:2009-07-17?更正:本刊 2009 年第 12 期第 37 页,将作者简介的硕士研究生误为硕士研究所,特此更正,并向作者表示歉意!#电气传动编辑部71张延松,等:分布式变电站的实时信息采集与监控系统设计电气传动?2010年?第40 卷?第1 期