基于OPC技术的风电厂数据采集与监控系统方案_路小俊(1)

基于OPC 技术的风电厂数据采集与监控系统方案

路小俊1,冬大龙2,宋　斌1,唐成虹1

(1.深圳南瑞科技有限公司,广东省深圳市518057;2.唐山供电公司,河北省唐山市063000)

摘要:针对当前风电厂中风机控制系统及电力监控系统多系统并存的情况,以过程控制对象链接

与嵌入(O PC )技术为基础,结合风电厂数据采集与监控(SCADA )系统的特点,介绍了基于O PC 技术实现的风电厂中风机控制系统和电气控制系统的无缝连接,解决了风电厂多系统互联问题。同时,对风电厂SCADA 系统采用OPC 接入后引起的网络安全问题以及应采取的安全策略进行了探讨。最后,分析了相关监控方案在电力系统中应用的优势。关键词:风力发电厂;O PC 技术;数据采集与监控系统;网络安全中图分类号:TM614;TM764

收稿日期:2008207218;修回日期:2008209208。

0　引言

随着风电厂综合自动化水平的不断提高,可编程逻辑控制器(PL C )、分散控制系统(DCS )等在风电厂生产过程自动化中得到了广泛应用。由于利用风能发电的特殊性,风电厂的监控系统必然存在多系统、多网络协议并存的局面。由于不同厂商系统之间通信协议、通信接入方式等均存在差异,因此,在风电厂中很多重要的风机监控系统成为了风电厂

监控系统中的“信息孤岛”[1]

,将严重影响整个风电厂监控系统的安全可靠性,这是目前风电厂建设大潮中亟待解决的问题。

将风电厂不同系统结合起来的主要困难在于各个系统采用各类不同的通信协议,并且控制系统软件基于不同的智能设备和底层硬件驱动程序,如果按照传统系统集成,将不仅占用开发人员很多的精力和大量的系统资源,还可能由于部分厂商专用技术保密而不可能实现。同时,这种系统的集成方式会过分依赖通信协议转换装置来实现,系统稳定性存在一定的隐患。

本文以过程控制对象链接与嵌入(OPC )技术为基础,阐述如何构建风电厂内的数据采集与监控(SCADA )系统集成方案[223],重点讨论不同系统的互联模式和实现方法,以及基于OPC 技术的风电厂监控系统方案在风电厂和电力系统中应用的优势。

1　常见风电厂监控系统的集成

在风电厂自动化系统中,风机控制系统通常采用现场总线作为系统内部通信网,电气控制系统部

分通过现场总线或者以太网把站内的保护、测量、控制及通信装置与监控主站连接起来。

传统的风电厂监控系统中采用了一个重要的功能模块:协议转换器。使用通信协议转换器可以将采用不同协议的风机控制系统中的PL C 、智能电子设备(IED )与电气控制系统进行互联,并可与风电厂的监控主站和远程主站利用以太网技术进行互联。其中协议转换器主要完成2项任务:一是通过协议转换器将现场总线控制系统通信网络从低速、专用、集中的现场总线通信网络发展成真正高速、可靠、全开放、全分散的数据通信网络;二是转换不同的通信协议、交换协议报文,使现场总线系统与电气控制系统互联。

通常,协议转换器需要具有较强的通信转换能力,并且通信接口具有专用性和复杂性,导致通信协议转换器的设计和开发工作极其复杂。另外,现场硬件设备的增加会导致系统必须增加相应的硬件接口。即使由厂家提供设备的访问接口,协议转换器的开发者也不得不去熟悉各种不同的接口规范,工程应用开发周期较长,给风力发电厂监控系统集成带来极大的不便。

2　OPC 技术系统

OPC 是微软(Microsoft )公司针对过程控制领域的技术规范,它以对象链接与嵌入(OL E )/构件对象模型(COM )/分布构件对象模型(DCOM )技术

为基础,采用客户/服务器模式,为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的接口标准,制定了关于数据采集、历史趋势以及事件报警等接口标准。这个标准定义了应用Micro soft 操作系统在基于PC 的客户机之间交换实时过程数据的方法[4]。

第32卷　第23期2008年12月10

日Vol.32　No.23Dec.10,2008

O PC 系统由OPC 服务器和OPC 客户端构成,

如图1所示。OPC 服务器与OPC 客户端之间通过标准COM 和DCOM 进行数据的交互。O PC 服务器建立符合O PC 规范的COM 接口和对象。OPC 逻辑对象模型中包括3类对象:OPC 服务器对象(O PCServer )、OPC 组对象(OPCGroup )和OPC 项对象(O PCItem )。每类对象都包括一系列接口。OPC 服务器对象维护有关服务器的信息并作为OPC 组对象的包容器,可以动态地创建或释放组对象;OPC 组对象提供包容OPC 项的机制,从逻辑上实现对O PC 项的管理;OPC 项代表与O PC 服务器到数据源的一个连接,包括值(Value )、品质(Quality )、时间戳(Time Stamp )3个基本属性[5]

。

图1　OPC 技术系统

Fig.1　Module of OLE for process control system

O PC 技术的出现使得风电厂中不同厂家、不同型号的IED 之间以及各个独立监控系统软件之间的组态和过程数据交换变得容易。O PC 规范采用面向对象的程序设计原则,用户通过标准的接口规范就可以将“信息孤岛”集成到整个风电厂SCADA 系统中,完整、实时的数据信息可以大大提高整个系

统的安全稳定性。

3　基于OPC 技术的风电厂监控方案

风电厂SCADA 系统的特殊性在于系统中存在基于不同协议、不同通信网络的风机监控系统和保护测控设备电气监控系统。目前风电厂系统集成主要通过通信协议转换器进行系统之间的通信集成,这样通常需要增加系统投资,并耗费大量人力资源开发调试系统,建设周期加长。O PC 技术提供的标准接口规范可以简单高效地实行以上不同系统的无缝连接。进行具体系统集成时,除了要满足用户的实际功能需求外,更重要的是还要保证电力系统的安全可靠性要求。因此,根据风电厂的规模及其在电力系统中的不同地位,风电厂监控系统构建方案有并行集成和串行集成2种方式。3.1　基于OPC 技术的并行集成系统方案

风电厂内风机控制系统、电气控制系统通过

OPC 标准接口并行接入现场监控和远程调度监控

系统[6]。其系统集成的示意图如图2所示

。

图2　并行集成风电厂监控系统结构

Fig.2　P arallel integration structure of SCADA system

in wind pow er plant

图2所示系统方案中,风机控制系统通过专用

现场总线将现场风机与PL C 互联,并通过专用风机通信协议将风机信息传送至风机系统现场监控主机,风机监控主机集成OPC 服务器。电气控制系统通过以太网或现场总线进行现场保护测控装置组态,通过保护测控专用协议进行相关通信。电气控制系统现场监控主机集成OPC 服务器。2个系统监控主机分别独立运行,均通过集成OPC 服务器的方式,通过标准DCOM 与现场监控主机和调度监控系统进行数据交互。

本系统方案的硬件结构中不再需要增加协议转换器来集成系统,建设过程中风机系统和电气系统硬件系统结构均不需要任何更改,硬件接口规范可以利用各自厂家的标准硬件规范。

本方案软件系统设计的最大难点是如何在风机控制系统和电气控制系统的监控软件中快速集成OPC 服务器。OPC 技术在自动化领域是非常成熟的技术,因此业界具有多种O PC 快速开发工具可以解决以上难题。本方案中采用OPC 快速开发工具实现现场软件系统设计。快速OPC 开发工具均由动态链接库(DLL )方式提供,系统开发人员只要按照DLL 提供的标准应用程序接口(A PI )就可以进行相关的集成开发。在风机监控系统和电气控制系统中监控后台机的集成O PC 服务器后,2个不同系统的监控后台机的功能得到了扩展。具体功能为:

1)具备OPC 标准接口,完成数据调度、缓存等管理工作,同时可以在本机接受OPC 客户端访问或者通过以太网远程接受O PC 客户端访问。

2)可以具体与硬件设备进行通信,根据特定设备的通信协议与硬件进行通信,采集相关的数据信

?绿色电力自动化?　路小俊,等　基于OPC 技术的风电厂数据采集与监控系统方案

息、控制相关的设备。

3)可以通过标准的O PC 接口与现场监控主机和远程调度监控主机进行数据交换,通过现场和远程监控具体要求设置相关的信号转发表,通过以太网将具体的数据信号转发到现场监控和远程监控。同时,现场监控主机和远程监控主机通过OPC 客户端可以访问风机监控系统和电气监控系统的数据。

这种软件系统是一种开放、可移植的软件设计方案。这样的设计思想可快速组装成一个可运行的具备OPC 标准接口的监控系统,从而提高风电厂软件系统的开发效率。3.2　基于OPC 技术的串行集成系统方案

风电厂内风机控制系统通过O PC 标准接口串行接入电气控制系统,与电气控制系统中的数据集中单元进行数据交换,并将相关数据通过通信前置机上送到现场和远程监控主机。电气控制系统中保护测控等现场电气控制设备通过电气标准通信协议接入现场监控和远程调度监控系统中。其系统集成的示意图如图3

所示。

图3　串行集成风电厂监控系统结构

Fig.3　Serial integration structure of SCADA system in

wind pow er plant

这种方案中,风机控制系统通过O PC 提供的标准接口,基于以太网数据传输,将风机控制系统映射成一个远程终端装置(R TU )集成到电气控制系统数据采集平台中。通过标准OPC 接口将利用专用协议通信的风机控制系统与电气控制系统无缝互联,利用以太网实现风电厂中现场总线系统到电气控制系统之间的数据传输。这种系统构建方案是较理想的控制系统集成方案。同时,本系统中电气控制系统对现场监控和远程调度监控均采用电力系统标准通信协议,可快速高效地接入电力监控系统。3.3　方案应用场合分析

比较这2种方案,在不同的应用场合,二者各有优越性。对于装机容量小的风电厂系统,尤其是无需接入电力系统大电网监控系统的项目,选择第1种系统集成方案更合适。通过OPC 标准接口规范即可集成系统,无需再增加电力系统专用通信协议设备来接入电力系统专用通信网络,大大节约了集成系统的时间,并大大降低了系统建设成本。对于装机容量大的大型风电厂,需要接入电力系统大电网监控系统,风电厂的变电站自动化系统的通信实时可靠性和自动化程度要求较高,建设成本并非首要考虑因素,第2种系统集成方案更具灵活性。

4　基于OPC 技术集成系统网络安全的探讨

风电厂站内的控制系统是整个风电厂的数据源和各种控制行为的执行者,站内基于OPC 技术的系统数据传输通道主要依靠以太网构建。如果由于网络安全原因引起系统异常、保护测控装置拒动、误动以及重要数据上传错误等,将给风电厂的稳定运行造成严重威胁,甚至带来灾难性事故[7]。因此,必须对风电厂控制系统的网络安全问题给予足够重视。

基于O PC 技术的风电系统接入电力监控Int ranet 以后所面临的网络安全问题主要可分为系统安全、信息安全和网络设备安全3个方面。风电厂通信网络存在的安全威胁主要包括[8]:病毒侵入、内部人员恶意破坏或无意的误操作、网络设备发生故障等,这些网络安全威胁最终都会使系统安全稳定性遭到极大的破坏。

针对上述网络安全问题,可从以下几方面解决:1)病毒防御方面:除了采用专用的内部网络、防火墙和代理服务器等常用手段之外,文献[9]详细阐述的基于虚拟专用网络(V PN )将网络与外网进行隔离的方法也是一种很好的选择,在此不再赘述。总之,通过增强网络整体抵御病毒入侵的能力,提高整个系统的安全水平。

2)内部人员方面:可以通过技能培训提高人员的技术能力素质,同时还通过动态加密技术保障人员登录密码无法被窃取或篡改。

3)网络设备安全方面:路由器通过加密、认证等技术手段增强通信报文信息的安全性,通过专用网关等设备配合保障网络设备的安全,通过设备冗余配置使相关的核心层的路由设备采用具备冗余配置能力的路由器、冗余电源以保证节点的可靠性。广域网(WAN )、局域网(L AN )链路也应尽可能分布在不同的链接模块上,以保证链路的可靠性[10]。

2008

,32(23)　

系统安全性与易用性是相对立的,因此在解决网络安全问题过程中,应根据风电厂系统的设计安全水平要求的差异,综合平衡安全性与易用性,采取上述各项相应措施。

5　实际应用

在新疆小草湖风电厂现场系统采用了金风科技有限公司的风机控制系统,该系统架构在金风公司专用总线控制网络上,网络上挂接有站级控制主机单元、各个风机机组控制单元(即PL C)、公用设备控制单元等,网络采用不开放的金风科技公司风机控制总线协议。现场电气控制系统采用深圳南瑞公司的ISA300+自动化系统,现场采用CAN总线连接30多台深圳南瑞ISA300G系列保护测控设备构建电气控制系统。深圳南瑞ISA300+系统和金风科技现场总线系统集成了OPC服务器,通过OPC 标准接口接入作为O PC客户端的南自科技公司现场监控主机及华能公司总部调度控制中心。该方案所采用的是本文设计的并行风电监控方案,已经在新疆小草湖风电厂一期工程正式投入运行,目前一直运行良好。

本文中构建的2种不同方案不仅可以供风电厂中应用,而且也可以在与风电厂具有相同特性的水电厂和生物质发电厂中使用。

基于O PC技术构建系统的方案在电力系统中具有广泛的应用场合,其优势集中在以下几方面:

1)可靠性高。方案的可靠性包括现场各个子系统运行可靠和实时数据传输可靠。方案中各个现场控制系统独立运行,相互关联性小,不会互相影响而降低整个系统的稳定性。

2)安全性高。风电厂SCADA系统方案采用完整的网络安全措施,并构建了多层次、多方位的安全控制体系。这种多层的安全保障保证了系统方案中传输的实时数据是可靠的,这符合电力系统安全性的要求。

3)系统具有开放性。通过O PC技术集成系统, OPC技术规范能够支持TCP/IP等网络通信协议以及远程调用方式,便于利用网络节点来集成子系统,从而使应用程序的分布与系统硬件的分布无关。同时,OPC接口支持任何不同厂家系统之间的互联,因此,这样构建的系统是开放性、分布式系统。

4)经济性高。OPC技术规范现在已经建设得很完善,在相关自动化领域应用越来越广。利用本文设计的风电厂监控方案,可以在风电厂建设过程中快速地构建风电厂SCADA系统,大大缩短建设工期,同时,参与建设的不同厂商不再需要进行其他集成通信协议的开发,可以节省研发投入的费用,而且是对现有资源的最大利用。

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(3):43246.

路小俊(1980—),男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统综合自动化。E2mail:luxiaojun@nari2china. com

冬大龙(1973—),男,工程师,主要研究方向:变电站自动化。

宋　斌(1968—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。

?绿色电力自动化?　路小俊,等　基于OPC技术的风电厂数据采集与监控系统方案

An OPC T echnology B ased SCADA System Design for Wind Pow er Plants

L U X iaoj un 1,DO N G Dalong 2,S O N G B in 1,TA N G Chenghong 1

(1.Shenzhen NARI Technologies Co.Ltd.,Shenzhen 518057,China ;2.Tangshan Power Supply Company ,Tangshan 063000,China )

Abstract :In view of the coexistence of multiple control systems in wind power plant ,this paper introduces an integration of the wind motor control system and electric control system for wind power plants based on the OPC technique and the characteristics of SCADA system.Thus ,the interconnection problem of multiple control systems is solved.At the same time ,the issue on network security is discussed and some security strategies and measures are proposed.Finally ,the advantages of this supervisory control scheme in the electric power system are also analyzed.

K ey w ords :wind power plant ;object linking and embedding for process control (OPC );supervisory control and data acquisition (SCADA )system ;network security

(上接第50页　continued f rom page 50)

Left 2inversion Soft 2sensing Method for the Directly Immeasurable V ariables in the Synchronous G enerator

Z HA N G Kai f eng ,DA I X ianz hong ,MA Chao ,Z HA N G Ga

(Key Laboratory of Measurement and Control of CSE of Ministry of Education ,School of Automation ,

Southeast University ,Nanjing 210096,China )

Abstract :The problem of soft 2sensing of directly immeasurable variables in the synchronous generator ,such as the power angle ,the d and q axis transient electromotive forces ,the d and q axis stator circuit currents ,is investigated.Firstly ,the model of synchronous generator suitable for soft 2sensing is proposed ,which includes the directly measurable variables of generator ,such as the active and reactive powers ,the amplitude of current ,etc.The proposed model is a type of nonlinear differential 2algebraic sub 2systems.Secondly ,aiming at the specialty of the proposed model ,an expanded left 2inversion soft 2sensing algorithm is proposed for the soft 2sensing of synchronous generator.Then ,a left 2inversion soft 2sensor is designed considering the 42order transient practical model of synchronous generator ,and all directly immeasurable variables in the model can be soft 2sensed.Finally ,simulations are performed using MA TL AB/SimPowerSystems ,in which a 62order sub 2transient practical model of generator is used ,and the results demonstrate the validity of the proposed method.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.50507002,No.60574097).K ey w ords :power system ;soft 2sense ;synchronous generator ;directly immeasurable variable ;practical model

(上接第70页　continued f rom page 70)

An Accurate Frequency Measuring Algorithm for Pow er Systems B ased on Fourier T ransform

MU L onghua ,X I N G J inlei

(Tongji University ,Shanghai 200092,China )

Abstract :In the conventional frequency measuring algorithm ,first the phases of two adjacent periods are obtained using Fourier transform ,then the phase difference is used to perform modification and iteration for the sampling f requency.This algorithm asks for a lot of calculation but is inaccurate.Based on strict mathematical deduction ,this paper presents an accurate mathematical expression using Fourier transform ,which is composed of the cosine f unction for the phase difference.Then after trigonometric f unction decomposition ,the cosine function for the phase difference can be expressed with the Fourier transform results.Hence ,the real signal f requency can be obtained without calculating the precise phases of the two periods.Simulation results show that the new algorithm is suitable for application in microcomputer 2based monitoring and protective devices for its high accuracy ,low calculating workload and easy implementation.K ey w ords :f requency measurement ;Fourier transform ;phase difference

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