（机械电子工程专业论文）opc技术及其在厂站监控系统中的应用研究.pdf

摘要 本文主要包括两方面内容：o p cd a 服务器及其与o p c 客户交互通信的研 究实现；o p c 模式在电力监控系统软件中集成方案的设计实现。 日新月异的计算机技术使电力实时监控和远动技术正朝着功能分散化、通信 网络化的方向发展，数据通信成为厂站自动化系统的核心。监控系统与测控装嚣 通信封装了很多不同的规约，由此引发的规约转换不灵活和系统集成兼容性差等 问题成为实际工程中的瓶颈，加重了监控系统开发的负担。如何有效提高监控系 统的开放性与互操作性己成为关键所在。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术的产生和应用彻底改变了这种状况，它为 自动化系统中不同应用间提供了一种标准的数据交换机制。本文首先深入分析了 以c o m 组件对象模型为基础的o p c 内部机制及其通信原理，运用v i s u a lc + + a t l 技术设计了o p c d a ( 数据存9 1 ) 通用服务器并研究实现了与o p c 客户的交互 通信。结合实际需求，将o p c 通信技术引入厂站监控系统来解决数据通信中存 在的问题。重点阐述了o p c 模式在南瑞中德公司厂站监控系统通信控制器c c m 中的技术集成方案，通过应用验证了采用o p c 技术后系统集成、移植、升级时 的高效和低成本。最后展望了o p c 的发展以及在下一代变电站自动化通信体系 i e c 6 1 8 5 0 中的重要地位。 关键词：厂站监控系统，o p c 模式，c o m d c o m ，数据通信，c c m a b s t r a c t t h et h e s i si n c l u d e sm a i n l yt w op a r i s ：t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fo p cd a s e r v e ra n di t si n t e r a c t i o nc o m m u n i c a t i o nw i t ho p c c l i e n t ；t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o fo p c _ i n t e g r a t i o ns c h e m ei ne l e c t r i cp o w e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r es y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r i cp o w e rr e a l t i m e s u p e r v i s o rc o n t r o la n df a rc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ea d v a n c i n gt o w a r d sd i s t r i b u t e d f u n c t i o na n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o nb e c o m e sc o r ep o i n to f a u t o m a t i o ns y s t e m t h es u p e r v i s o rc o n t r o ls y s t e mn e e dc o m m u n i c a t et ov a r i o u s e q u i p m e n t sf o rm e a s u r ea n dc o n t r 0 1 b u tn o wt h e r ea r es om a n yp r o t o c o l sf r o m d i f f e r e n tv e n d o r s ，w h i c hr e s u l t si n i n f l e x i b i l i t y o fp r o t o c o lc o n v e r s i o na n d i n c o m p a t i b i l i t yo fi n t e g r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts o f t w a r es y s t e m si n t h ep r o j e c t s ， a g g r a v a t e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t s oh o wt oh e i g h t e nt h eo p e na r c h i t e c t u r ea n d c o o p e r a t i o na b i l i t yo f s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi st h ek e y t h es i t u a t i o ni sc h a n g e dd r a s t i c a l l yw i t ht h ea p p l i c a t i o no fo p ct e c h n o l o g y o p cp r o v i d e sak i n do fn o r m a ld a t a e x c h a n g em e c h a n i s mf o rm a n yd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n si na u t o m a t i o ns y s t e m i nt h et h e s i s ，t h eo p ci n n e rm e c h a n i s mb a s e do n c o ma n di n t e r a c t i o nc o m m u n i c a t i o na r ea n a l y z e df i r s t l y p r o g r a m m i n gb yv i s u a l c + + a t l t h eg e n e r a lo p cd as e r v e ra n di t si n t e r a c t i o nc o m m u n i c a t i o nw i t ho p c c l i e n ta r er e a l i z e d s e c o n d l yt h eo p c t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mo fp o w e rp l a n t & t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n t os o l v ed a t ac o m m u n i c a t i o n p r o b l e m s o n r e q u i r e m e n t s ；e m p h a t i c a l l y t h e o p c i n t e g r a t i o n s c h e m ei n c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm a n a g e m e n t ( c c m ) o fn s p si sd i s c u s s e da n da p p l i c a t i o n si n p r a c t i c ev a l i d a t et h eb e t t e re f f i c i e n c ya n dl e s sc o s to fs y s t e mi n t e g r a t i o n ，t r a n s p l a n t a n du p g r a d e f i n a l l yt h ep r o s p e c to fo p ca n di t si m p o r t a n tr o l ei ni e c 618 5 0a r e d j s c u s s e d k e y w o r d s ：s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fp o w e rp l a n t & t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ， o p cm o d e l ，c o m d c o m ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，c c m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者。签铋趣 2 咖年弓月q 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文储。签狲盏丛 2 0 0 e 年弓月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 厂站自动化 众所周知，电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电系统中的一次设备， 即发电机、变压器、断路器、电线电缆等以及相应的辅助系统，即所谓的二次系 统按照规定的技术和经济要求构成的。二次系统通过测量、控制、保护、调节等 多种手段实现对一次设备以及由这些一次设备所构成的一次系统的监测、保护、 操纵与控制。 随着我国电网建设结构的日趋复杂，作为电力系统重要组成部分的变电站， 其运行的经济性、安全性和可靠性变得越来越重要。由于电力生产过程比较快， 电力系统发生的事件、事故要求在秒级时间内反应，实时性要求高。为了保证电 力系统的安全与可靠，除了要求一次系统的稳固、科学与合理外，对操控一次系 统的二次系统也提出了很高的技术要求。这就促进了二次系统的技术发展与进 步；另一方面由二次系统的主要部分，即由微机监控( 远动技术) 和继电保护所形 成的发电厂与变电站自动化( 以下简称厂站自动化) 技术伴随着微电子技术、计算 机技术和通信技术的突飞猛进而获得了显著的发展和进步：将常规变电站的保 护、仪表、中央信号、远动装置等二次设备和功能数字化和综合化，取代常规二 次设备，集保护、测量、通信、监视、控制于一体。尤其是遥控和无人值班变电 站的兴起和实用化，使得厂站自动化技术在实践中不断的得到深化和推广【i l 。 当前的厂站自动化技术以i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 关于 变电站的结构规范为准，采用分层分布式结构【2 】，取代了传统的集中式结构。厂 站自动化系统被分为三个层次： 厂站层( s t a t i o n l e v e l ) 问隔层( b a y l e v e l ) 过程层( p r o c e s s l e v e l ) 在设计理念上不是以整个厂站作为设备所要面对的目标，而是以间隔和元件 作为设计的依据。在中低压系统中采用物理结构和电气特性完全独立，功能上既 考虑测控又涉及继电保护这样的测控保护综合单元对应一次系统中的间隔出线 或发电机、变压器、电容器、电抗器等电气元件；在高压与超高压系统中，则以 独立的测控单元对应高压或超高压系统中的间隔和元件。 网络尤其是基于t c p i p 的以太网，现场总线的兴起以及光纤通信的应用为 厂站自动化系统功能上和地理上的分布提供了可靠的物质基础。由于采用了分层 分布式的结构，使得传统上相当独立的远动和继电保护系统逐步融合与统一，这 样远动技术就上升到了一个完全崭新的高度，由此而诞生的系统称之为厂站自动 河海大学工学硕士论文 o p c 技术及# 在厂站监捧系统中的应用研究 化系统。其中，包含着两个重要的组成部分：监控系统和继电保护系统，本文中 重点讨论的是前者。 1 2 问题的提出 厂站自动化中，最基本的功能就是通常所说的“二遥”或“四遥”，配合调 度控制中心完成整个调度自动化的任务。它们的实现主要依靠监控系统与现场的 远方终端单元( r t u r e m o t e 。l e r m i n a lu n i t ) 共同完成，监控软件中的通信控制器不 断地采集厂站端的实时运行数据，经过处理后送至远方调度、实时数据库和历史 数据库：同时将调度工作站的调度命令根据不同的规约下发给厂站端1 3 1 。随着技 术的发展，系统中使用的r t u 来自不同的生产厂家、遵循不同的通信规约，使 得电力系统内设备的无缝互连变得相当困难，大量的规约转换工作不可避免，互 操作性问题日益突出。对于开发监控程序软件的技术人员来说，有2 0 一3 0 的 时间是用于编写通信驱动程序【d 】。每当一个供应商将一个新的控制器投入市场销 售时，所有的软件开发人员就不得不重新编写一个新的驱动程序。 随着厂站系统中的r t u 朝着分布式方向发展，r t u 还逐渐采用了近几年兴起 的、有着可靠性高等诸多优点的现场总线技术：p r o f i b u s 总线、c a n 总线等【5 j 。 目前监控软件的做法是把它支持的各种通信规约全部劐装在通信控制器程序的 内部，由用户通过配覆程序选择适当的规约，与不同的厂站底层设备通信。然而 这样做有以下不足： 通信舰约问题一不同厂家的备种远动装置或现场总线控制系统采用不同的 通信规约与监控系统通信，即使同一种规约也存在版本不断升级的要求。为 了集成不同厂家的设备，监控软件需要包含大量的设备驱动程序，大量的精 力被用于重复开发驱动程序和处理规约转换的问题，不仅开发费用高昂而且 占用了那些本可以用来增强系统性能的资源。 系统兼容性和可移植性问题电力系统会随生产及市场的发展变化做出修 改，当选择新系统、更新远动装置时，就面临着硬件驱动程序和新系统之间 的兼容性问题，若不兼容就意味着要更换整个系统。用户的选择受到很大的 限制，不能根据系统的要求选择最佳的系统集成方案和最经济的投资方案。 系统的稳定性问题一在厂站自动化系统中应用软件、工业控制软件等往往由 不同的厂商丌发，他们通过各自的设备驱动程序同时对同一个硬件设备进行 操作时，常常会出于相互之间的不协调、不兼容造成系统的崩溃，影响整个 系统的安全、稳定运行。 异构网络系统集成问题一随着控制系统网络化趋势的增强，登须解决现场设 备、控制网络、监视网络、企业管理网络和局域网络等异构网络的互连问题。 各、控制网络、监视网络、企业管理网络和局域网络等异构网络的互连问题。 第一章绪论 系统升级比较困难一当对系统局部某一部份进行改进时，要求对整个系统进 行重新组织，不能灵活地对某一局部进行单独升级。 1 30 p c 技术及发展现状 电力监控系统是一个完成电力系统远方采集、监视与控制分析的大型计算机 应用系统，随着计算机技术和通信技术的进步，开放性与互操作性必将成为发展 趋势。因此这就迫切需要一种能有效进行数据访问和管理的开放标准，使工业控 制计算环境中的各个数据源之间能够灵活地进行数据通信。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，面向过程控制的o l e ) 作为硬件与软件之间的 一个中间件解决了以上的问题，它为工业计算环境提供了这样一种标准，支持分 布式应用和异构环境下软件的无缝集成【“。供应商可以开发一个高度优化的、可 重用的o p cs e r v e r 访问底层的硬件，并将数据以o p c 接口方式提供给任何支持 o p c 规范的客户端软件，客户就可以按照统一的数据访问标准访问不同厂商的硬 件产品。这种软件组件技术支持软件开发的可重用性、可扩展性、可移植性、易 维护性和高可靠性【”，恰好为解决厂站监控系统的开放性问题提供了契机。 1 3 10 p c 规范简介 o p c 规范作为一个工业标准，是开发0 p c 服务器与o p c 客户软件之间数据传 输的规范，并已形成一个体系。根据开发软件功能的不同，o p e n 定了以下领域 的单独规范吵 数据访问规范一定义y o p c f l 艮务器中一组c o m 对象及其接口，并规定了客户 对服务器程序进行数据存取时需要遵循的标准。借助m i c r o s o f t 的d c o m 技 术，o p c 实现了高性能的远程数据访问能力1 们。 报警和事件处理规范一该规范提供了一种通知机制，在指定事件或报警条件 发生时，o p c n 务器能够主动通知客户程序j 。 历史数据访问规范一该规范提供一种通用历史数据引擎，可以向感兴趣的用 户和客户程序提供数据汇总和数据分析等额外的信息【1 2 】【1 3 1 。 安全性规范一该规范提供了一种专门的机制来保护o p c 服务器中的现场数 据，防止未授权的操作误修改这些参数【i ”。 批量过程规范一该规范基于o p c 数据存取规范和i s a 8 8 系列批量控制标准， 提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法i l 5 1 。 1 320 p c 技术的优势 硬件厂商可以只为他的所有客户仅提供一套软件，软件厂商也仅需要开发一 套通信接口程序。当硬件的新版本出现时，软件开发者不用重写驱动程序。 河海大学工学硕士论文 o p c 技术及其在厂站监控系统中的应用研究 不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而实现系统 的开放性，易于实现与其它系统的接口。 o p c 规范以o l e d c o m 为技术基础，而0 l e d c o m 支持t c p i p 等网络协 议，因此可以将各个子系统从物理上分开，使得系统的应用范围更广1 6 】。 采用o p c 规范，便于系统的组态，简化系统的复杂性，大大缩短软件开发周 期，提高软件运行的可靠性和稳定性，易于系统的升级与维护。 1 3 3o p c 技术的最新发展 o p c 基金会( o p cf o u n d a t i o n ) 是管理o p c 标准的国际组织，其成员几乎包括 了世界上所有的控制系统、仪器仪表和过程控制系统的主要供应商。o p c 规范 就是这些领先的自动化软硬件供应商与微软公司合作，制定的一套标准的 o l e c q m d c o m 接口协议j 。 最近，o p c 的下一代规范o p cu a ( u n i f i e da r c h i t e c t u r e ) 的预发布成为业内的 亮点。o p cu a 做为架构统一、面向对象和地址空间技术的全新规范，基于w e b s e r v i c e ，易于实现与i t 系统集成、平台独立和更高的安全性；w e bs e r v i c e 是u n i f i e d a r c h i t e c t u r e 规范中实现信息高效传输的关键。到目前为止，该规范用于原型开发 的草稿已经完成。u a 的主要目标是建立更丰富的数据模型与平台的独立性，以 及提高工厂底层和企业系统之间的集成支持，o p cu a 的推出必将引发工业控制 系统尤其是软件理念的又一轮技术革新。 1 3 4o p o 技术的应用现状 近几年，o p c 技术不断发展，产品日臻完善，在全世界工控行业得到广泛应 用。全球o p c 基金会成员已增长至l j 3 0 0 多个，o p c 产品增加y s 0 0 多种，并且与 c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 、o d v a 、f i e l d b u sf o u n d a t i o n 、p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l 、 o m a c 、p l co p e n 等其它工业标准合作，成为工控领域最新、应用最广泛的软 总线标准。由于o p c 技术的采用，使得以更简单的系统结构、更长的寿命、更低 的价格解决工业控制成为可能，同时现场设备与系统的连接也更加简单、灵活【l ”。 0 p c 中国促进会是o p c 基金会的中国分会常设机构，自成立以来一直以本地 化的形式加强中国与o p c 国际基金会的联系以及信息技术的传播，推广o p c 在工 业及商用领域的应用。虽然国内起步较晚，但鉴于o p c 巨大的技术和经济优势， 越来越多的科研院所和公司投a 至r j o p c 的研究和应用中。 1 4 本文的背景、意义及任务 1 4 1 课题的工程背景 在我国电力自动化系统中，变电站监控软件技术相对落后，各类软件间很难 第一章绪论 实现协同工作与互操作，极大的影响了数据通信与信息共享。围绕o p c 技术的产 品在目前国产监控软件中处于起步阶段，很多应用不得不引进国外垄断企业的产 品。从资源整合与战略发展的长远眼光考虑，必须要给予充分的重视【1 9 j 。 本课题是在企业工程环境中接触到了o p c 技术，了解了厂站自动化系统实时 数据通信的技术环境；从企业的需求入手，学习和使用o p cd as e r v e r 的核心技 术及通信机制并进行了开发实践；在实际项目中设计了集成方案，参与的工程实 施和调试取得了较好的效果，在同行业中可以起到一定的示范作用。 1 4 2 本文的主要工作 本文的主要内容是通过o p c 原理及开发技术的研究，实现了一个o p c 通用数 据存取服务器，重点探讨了o p c 模式的交互协作；为厂站监控系统软件添加o p c 功能提出集成方案，并应用于实际。主要工作有以下几点： 1 1 分析了厂站监控系统的不足，将基于c o m d c o m 技术的o p c 客户机服务器 模式引入其中。 2 ) 对o p c 技术进行研究，包括c o m 组件对象模型、各对象模型的关系以及o p c 客户机与服务器之间的通信机制。 3 ) 分析t c o m 组件开发最常用的工具a t l ( 活动模板库) ，领会组件编程技术的 思想及相关编程技术；提炼出0 p c 服务器整体程序框架并采用a r l 技术实现， 详细的探讨了实现服务器过程中的些关键点及与客户的交互通信。 4 ) 从实际需求入手，提出在南瑞中德公司厂站监控系统通信控制器c c m 中集成 o p c 客户机n 务器的技术方案，并应用于实际项目，取得预期效果。最后， 展望了o p c 技术的发展及其在下一代电力自动化通信标准体系i e c 6 1 8 5 0 中 的重要地位。 本课题不仅着眼于o p c 技术的深入研究，而且着重就厂站监控系统中o p c 技 术的应用这一具有普遍性的实际问题进行了探讨并提出了一种解决方案。实现了 理论研究与实践的紧密结合，正是本课题的研究宗旨。 河海大学工学硕士论文 o p c 技术及其存厂站监控系统中的应用研究 第二章v , 壹d i 监控系统的发展和o p c 模式的引入 2 1 厂站监控系统 随着计算机科学技术、工业控制等方面新技术的迅速发展，生产过程自动化 程度的不断提高，人们不断谋求对生产过程，特别是对处于分散状态的生产过程 的集中监视、控制和统计管理。在此背景下，计算机监控技术在综合自动控制理 论、计算机技术和现代通信技术的基础上迅速发展起来。监控系统在基本结构、 应用场合和完成其特定的任务方面都有着繁多的种类，各自有着不同的特征。有 的可能是一个很简单的单一对象控制，有的可能是一个很大的综合系统。无论哪 种监控系统，具有远距离信息交换功能是其主要特征。 为了完成远方终端、变电站和调度之间远距离实时信息的自动传输以及实时 的控制任务( 直接操作某些设备或调整某些参量) ，必须应用远动监控技术和装 置。所谓远动，就是应用通信技术对远方的运行设备进行监视和控制，以实现远 程测量、远程信号、远程控制和远程调节等功能。从发电厂和变电站发往调度控 制中心的信息有测量量和状态量，测量量有有功功率、无功功率、电压、电流、 频率等：状态量有断路器、隔离开关的位置，自动装置、继电保护的动作状态， 发电机组、远动设备的运行状态等。 峪控系统的主要任务是：将表征电力系统运行状态和各发电厂及变电站的有 关实时信，g ( n 量量和状态量) 采集到调度控制中心；把调度控制中心的命令发往 发电厂和变电站，对设备进行控制和调节。从而实现集中监视和控制，提高经济 安全运行水平并能及时了解事故的发生和范围，加快事故处理。调度人员可以借 助监控装置进行遥控或遥调，实现无人或少人化，并提高运行操作质量，改善运 行人员的劳动条件。随着科学技术的进步，远动系统的功能根据电力系统调度自 动化的实际需要还在不断扩展，如遥视功能的出现等【2 ”。 2 1 1 厂站监控系统的发展和结构特点 计算机和网络技术的快速发展，使得变电站的实时监控和远动技术正向着功 能分散化和通信网络化的方向发展。在对厂站监控系统的功能进一步完善的同 时，对诸如信息响应时间、通信速度、降低成本、可靠性等性能方面提出了更高 的要求。从发展过程上来看，我国厂站监控系统的发展历经了集中式厂站微机监 控系统、分散式厂站微机监控系统、网络型厂站微机监控系统睇“。 2 1 1 1 集中式厂站监控系统 以发电厂或变电站为对象开发、生产和应用的微机监控系统，称为集中式厂 站微机监控系统。这个定义中的一个关键词语是以厂站为对象，而不是以厂站内 第二章厂站监控系统的发展、问题和o p c 模式的引入 的元件、间隔为对象。因此2 0 世纪8 0 年代流行的众多r t u 就是一个典型的集 中式厂站微机监控装置或系统，它基本上是根据一个发电厂或者一个变电站有多 少数量的遥测、遥信和遥控以及要同几个远方调度控制中心交换数据等要求来向 供货厂家提出订单的，供货方基本上可以不涉及所供厂站的一次接线图等具体技 术要求，仅向相关设计单位提供一份接线端子图就能满足要求。 集中式厂站监控系统产生于2 0 世纪8 0 年代并很快在电力系统调度自动化的 过程中得到普及和推广，为调度自动化的实用化发挥了积极作用。然而，正如前 面对集中式微机监控系统的定义，它是以发电厂和变电站为对象的，因此也存在 以下一些不足之处： 1 1 由于其体系结构是面向厂站而非元件或间隔，因此可靠性能不可能提高。因 为系统内的输入输出模件与间隔和元件不存在一一对应关系，块数字输入 模件可能对应了几个间隔的开关状态，这就意味着某一模块或电源发生故障 时可能导致整个系统停电瘫痪，而分散式系统某一间隔层测控单元发生故障 只影响该间隔的监控，不致造成整个系统的瘫痪。 2 1 增加占地面积或建筑面积，增加电缆用量。开销更大，弊病更明显。 3 ) 系统扩展、升级较困难。 2 1 1 2 分散式厂站监控系统 电力系统容量不断的扩大、全国联网的趋势正在形成，使得对系统稳定性和 可靠性要求的进一步提高。作为电力网络中的大型结点一发电厂与变电站的地位 也愈显重要，此时传统的集中式厂站微机监控系统的弊端也逐渐凸现，主要表现 在可靠性不高方面。 所渭分散式微机监控系统，是以发电厂或者变电站内的电气间隔和元件( 变 压器、电抗器、发电机、电容器等) 为对象开发、生产、应用的微机监控系统。 定义中关键词语是以电气间隔和电气元件为对象而不是以厂站整体为对象，分散 式厂站微机监控系统具有i e c 所推荐的三层结构，如下图2 - 1 ，即系统框架由间 隔层的各种测控单元和站控层的主单元构成。 面向间隔层的各种线路、元件的单元，无论是测控保护二合一的综合单元或 测控保护彼此分开的独立单元，它们都是一个在物理结构上和自动化概念上十分 明确清晰的智能电子装置q e o ) ，即它们都有自己的中央处理器( c p u ) 、输入输出、 电源、通信口、外部连接端子以及机箱、面板等。它们完全可以加电独立运行， 完成对一条线路或一个元件的测量与控制或继电保护等功能，它们与间隔进出线 或元件形成了一一对应的关系，这是区分集中式和分散式的重要依据。 河海大学工学硕士论文 鱼里壁水及其在厂站监控系统中的应用研究 第2 层：站控层 第1 层：间隔层 第0 层：过程层 图2 1 分层分布式厂站控制系统的结构 211 3 网络式厂站监控系统 目前，越来越多的用户接受了i e c 规范，采纳了分散式厂站监控系统的概念， 这种监控系统的任务就是通过通信将分散在各个间隔的测控单元或测控保护综 合单元的信息收集、汇总到站控层的主控单元，根据用户对功能的要求进行处理。 同时实现逻辑自动控制和开关联锁功能，并且将部分或者全部的信息远传调度控 制中心。这样，通信就成了分散式厂站监控系统的重要环节，通信的模式和性能 也决定了微机监控系统的性能优劣。网络技术，特别是以太网和快速现场总线的 成熟和应用为分散式厂站微机监控系统的性能提升和改善创造了条件。 所谓网络式厂站微机监控系统，是指在分散式厂站微机监控系统的基础上， 在间隔层和过程层( 目前主要是间隔层) 采用先进的网络通信模式和技术( 包括工 业以太网和快速现场总线) ，把表征间隔层或过程层的智能设备作为构成网络的 一组基本节点的分散式微机监控系统。其特点如下： 1 1 由于网络型厂站微机监控系统的间隔层设备能不依赖于主控单元直接 交换数据，所以可以实现间隔层设备的数据共享。同样，它可以更为方 便的实现间隔层的操作防误联锁，通过共享其它保护监控装置采集的一 次设备状态来直接进行条件联锁，这就将逻辑联锁功能直接下放到间隔 层，提高了防误联锁的可靠性和效率。 第二章j 站监控系统的发展、问题和o p c 模式的0 l 入 2 ) 工业自动化，也包括厂站自动化的理想目标就是削减通向自动化各层次 路径上复杂程度各异的连接，以跨越不同的总线技术，并借助某种网络 直接建立统一的通信。以太网作为经过验证的可靠的网络标准，侧重于 数据处理和通信，是一个就好的选择。此外网络型厂站监控本身的结构 也把原有的分散式结构压缩的更加扁平。 3 ) 由于t c p i p 协议等网络型的通信协议更加规范，协议结构更为合理， 使得可以通过诸如c l i e n t s e r v e r ( 包括瘦客户端) 、d c o m 、c o r b a 等技 术从软件集成角度对监控系统的结构进行对象化重新构建，本文中所要 研究的目前工业监控系统流行的o p c 技术就是基于d c 0 m 的种分布 式网络化监控组件。此外，电力系统发电厂和变电站监控领域的 i e c 6 1 8 5 0 规范也就是基于监控系统网络化提出和应用的【2 3 】。 站控层 间隔层 图2 - 2 基于以太网的厂站监控系统的结构 图2 - 2 就是网络型厂站监控系统的典型模式，其应用的关键是间隔层测控、 保护单元装置必须具有网络接口。而传统的监控系统的通信网络截至于厂站层主 控单元，现场仪表或传感器仍然是一对一模拟信号传输。 网络化迎合了时代的潮流，是目前厂站监控技术的研究热点和发展方向。该 系统的主要特征是采用i n t e m e t 技术、分层分布系统技术、o p c 技术、面向对象 技术、组件技术以及j m ，a 等技术，实现数据采集监控系统与其它信患系统的增 值集成，实现管控过程的智能化。这样形成的系统具有除上述各类模式的优点外， 最大特点是全开放性，系统扩展、升级更新都十分方便。 2 1 2 厂站监控系统中的通信网络 厂站自动化系统实质上是由多台微机组成的分层分布式控制系统，包括微机 监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。在各个子系统中，又由多个 智能模块组成，如：在微机保护子系统中有变压器保护、电容器保护、各种线路 保护等。因此在厂站自动化系统内部，必须通过内部数据通信，实现各子系统内 部和各子系统之间的信息交换和信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置并 简化各子系统的互连，既减少了重复投资又提高了系统整体的安全性和可靠性。 河海大学工学硕士论文 o p c 技术及其存厂立占i 蝌宅系统中的麻用研究 由于数据通信在厂站自动化系统内的重要性和特殊性，经济、可靠的数据通 信成为系统的技术核心，厂站自动化系统内的数据网络应满足下列要求：快速 的实时响应能力：很高的可靠性；优良的电磁兼容性能；分层式结构。 3 5 k v 变电站通信网络 小规模的3 5 k v 变电站和1 1 0 k v 终端变电站，可考虑使用r s 4 2 2 和r s 4 8 5 组成的网络；当变电站规模较大时应考虑选择现场总线网络。r s 4 2 2 和r s 4 8 5 串口传输速率指标是不错的，在1 0 0 0 m 内传输速率可达1 0 0 k b s ，短距离速率可 达1 0 m b s 。r s 4 2 2 串口为全双工，r s 4 8 5 串口为半双工，媒介访问方式为主从 问答式，属总线结构。这两个网络的不足在于接点数目比较少，无法实现多主冗 余。r s 4 2 2 的工作方式为点对点，上位机一个通信口最多只能接1 0 个节点，r s 4 8 5 串口构成一主多从，只能接3 2 个节点，此外有信号反射、中间节点问题。 1 1 0 k v 变电站通信网络 中型枢纽11 0 k v 变电站节点数一般为4 0 个左右，多主冗余要求和节点数量 增加使r s 4 2 2 和r s 4 8 5 难以胜任。现场总线却能得心应手，总线网将网上所有 节点连接在一起，可以方便的增减节点；具有点对点、一点对多点和全网广播传 送数据的功能；常用的有l o n w o r k s 网、c a n 网。两个网络均为中速网络，5 0 0 m 时l o n w o r k s 网传输速率可达1 m b s ，c a n 网在小于4 0 m 时达1 m b s ，c a n 网 在节点出错时可自动切除与总线的联系，l o n w o r k s 网在监测网络节点异常时可 使该节点自动脱网，媒介访问方式c a n 网为问答式，l o n w o r k s 网为载波监听多 路访问冲撞检测( c s m a c d ) 方式，内部通信遵循l o nt a l k 协议 2 。 c a n 网开销小，一帧8 位字节的传输格式使其服务受到一些限制，l o n w o r k s 网为无源网络，脉冲变压器隔离，具有很强的抗电磁干扰能力，重要信息有优先 级。根据目前成熟的应用案例，l o n w o r k s 网可作为一般中型1 1 0 k v 枢纽变电站 自动化通信网络。 2 2 0 k v 及以上变电站通信网络 2 2 0 5 0 0 k v 变电站节点数目多，站内分布成百上千个c p u ，数据信息流大， 对速率指标要求高( 要求速率1 3 0 k b s ) ，l o n w o r k s 网络的实时性、宽带a nu , 寸间同 步指标会力不从心。应考虑e t h e r n e t 网或p r o f i b u s 网。e t h e m e t 网为总线式拓扑 结构，采用c s m a c d 介质访问方式，传输速率高达1 0 m b s ，可容纳1 0 2 4 个节 点，距离可达2 5 k m 。物理层和链路层遵循i e e e 8 0 2 3 协议，应用层采用t c p i p 协议。 2 1 ，3 传输规约 和厂站自动化系统的网络标准化的要求相比，数据传输规约统一标准化的要 1 0 第= 章厂站监控系统的发展、问题和o p c 模式的引入 求更为迫切【2 s 1 1 2 6 1 。无论是站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中， 由规约转换问题引起的软件编程成为实际工程调试量最大的项目，既耗费人力物 力，运行维护也不方便，是目前自动化技术发展的一大问题f 2 7 】。 变电站和调度中心之间的传输规约 目前各个地方情况不一，现场大多采用各种形式的规约如c d t 、s c 一1 8 0 1 、 u 4 f 、d n p 3 0 等一些规约，1 9 9 5 年i e c 为了在兼容的设备之间达到互换的目的， 颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 传输规约，为了使我国尽快采用远动传输的国际标准， 1 9 9 7 年原电力部颁布了国际1 0 1 规约的国内版本d l t 6 3 4 - 1 9 9 7 ，并在1 9 9 8 年 的桂林会议上进行了宣贯。该规约为调度端和厂站端之间的信息传输制定了标 准，变电站自动化设备的远方调度传输协议采用1 0 1 规约。 站内局域网的通信规约 目前各生产厂家基本上各做各的通信方式，造成不同厂家设备通信连接的困 难和后续维护的隐患。i e c 在1 9 9 7 年颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，国家经贸 委在1 9 9 9 年颁布了1 0 3 规约的国内版本d l t 6 6 7 一1 9 9 9 ，并在2 0 0 0 年的南昌会 议上进行了宣贯，1 0 3 规约为继电保护和间隔层( i e d ) 设备与变电站层设备间的数 据通信传输规定了标准，变电站自动化站内协议要求采用1 0 3 规约。 电力系统电能计量传输规约 对电能计量采集传输系统，i e c 在1 9 9 6 年颁布的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 标准，即 我国电力行业标准d l t 7 1 9 2 0 0 0 ，是在实施变电站电能计量系统时需要遵守的。 2 1 4 主控单元简介 主控单元亦称主单元( m a s t e ru n i t ) 是分散式厂站微机监控系统的一个重要组 成部分。按照i e c 所推荐的分散式厂站微机监控系统的多层结构，主控单元一般 位于站控层，用于完成厂站内间隔层的各种测控单元或测控保护综合单元以及各 种智能电子装置( i e d s ) 与站控层的后台系统和远方调度之间的信息交换，实质上 它是起着通信控制器的作用。典型配置如图2 3 所示： 图2 - 3 单主控单元的配置方式 主控单元必须具有强大、灵活的通信能力，包括具有各种通信接口、通信方 式以及良好的信息交换容曩，这些功能都要通过主控单元的软硬件设计来实现。 河海大学_ _ 】= ：学硕士论文 o p c 技术及其在厂站监控系统中的应用研究 2 2 厂站监控系统中的数据通信 a b 发电厂变电站发电厂 变电站 图2 - 4 调度自动化系统的结构 物理上现代调度自动化系统由三部分组成【2 引：位于调度控制中心的主站系 统，位于发电厂和变电站的厂站系统以及连接两者的远动通信系统，如图2 4 。 厂站自动化系统中的智能采集与控制设备如各种远动终端装置r t u 、现场总 线终端装置f t u ( f i e l d b u st e r m i n a lu n i t ) 等与电力生产过程和作业管理的设备或 仪表如传感器、保护装置、i o 单元等相结合，实时感知发电机组或电力设备各 种参数及运行状态如电压、电流、有功和无功功率、有功和无功电量、频率、断 路器分合信号等，并将这些信号收集汇总，根据用户对功能的要求进行处理，同 时通过远动通信系统将部分或全部的信息传递到调度主站系统中。 一方面，主站系统在接受到传送的信息后，以适当的形式如声音、图形、图 像等方式显示给用户，以达到监视的目的；同时数据经过处理后，告知用户设备 的各种参数和运行状态以及处理设备的报警状态，进行事故追忆和趋势分析。这 些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能与别的系统) n m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 结合形成功能更加强大的系统。另一方面，主站系统还可以 接受调度人员的指示，将控制调节信号( 如输出断路器控制信号或改变设备整定 值的信号) 发送到r t u 等，再通过执行器等达到控制电力设备的目的。 由此可见，厂站自动化系统中的数据通信在蹩个调度自动化系统中起着相当 重要的作用。目前，越来越多的变电站接受了分散式监控的概念，保护装置币u i o 单元均分布在开关柜和测控间隔中，厂站自动化的任务就是通过通信将其信息加 以收集、汇总，根据用户对功能的要求进行处理，同时将部分或全部的信息远传 调度。通信成了变电站综合自动化系统的核心，通信模式和性能也决定了其性能 的优劣。然而，与现场众多异种设备和系统进行数据通信和信息共享时，厂站监 控系统软件不得不集成多种智能采集设备等的驱动程序和处理规约转换相关的 问题，复杂而且灵活性差，这是目前实际工程中的大瓶颈问题。o p c 的出现， 能够解决计算机监控系统中存在的数据交换问题，使新一代的厂站监控系统具有 开放性、互操作性、升级维护方便等特点。 2 第二章厂站监控系统的发展、问题和o p c 模式的引入 2 3o p c 模式的引入 o p c 技术本质是采用t m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( 组件对象模型分布式组件 对象模型) 技术，c o m 主要是为了实现软件复用和互操作，并且为基于w i n d o w s 的程序提供了统一的、可扩充的、面向对象的通信协议；d c o m 是c o m 技术在 分布式计算领域的扩展，使c o m 支持在局域网、广域网甚至i m e m e t 上不同计算 机的对象之间的通信。c o m 是基于c s ( 客户服务器) 模型，基于c o m 的o p c 技术 同样是以客户机j l 务器的形式来实现的，包括o p c 服务器* 口o p c 客户端两部分。 通常把符合o p c 规范的设备驱动程序称为o p c 服务器，而将符台o p c 规范的 应用软件统称为o p c 客户。服务器充当客户与硬件设备之间的桥梁，客户是独立 于设备的( 即不管现场设备以何种形式存在客户都以统一的方式去访问) 。o p c 所 提供的接口标准事实上是一种“软件总线”，在客户端和服务器端各自定义了统 一的具有不变特性的标准“接口” 29 1 。基于“o p c 总线”的客户机和服务器间是 多对多协同工作的关系，客户机通过o p c 接口对服务器上的数据进行访问和控 制。