基于OPC的風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)

李福先，楊亮亮

(1.武漢數(shù)字工程研究所，湖北 武漢 430074;2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

0 引言

在一個現(xiàn)代化的大型風電場中，有效地監(jiān)視和控制各風力發(fā)電機組的狀態(tài)，保證整個風電場安全、可靠、經濟地運行至關重要。近年來在風電行業(yè)得到廣泛應用的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)為解決大規(guī)模風電場的發(fā)電機組的系統(tǒng)監(jiān)控提供了基本的技術途徑，但傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)既存在與不同廠商的硬件設備之間通訊接口協(xié)議不一致的難題，又存在跨平臺和提升網絡通信能力的瓶頸，給系統(tǒng)設計、優(yōu)化、擴展帶來不便。而OPC接口既能通過網絡把風機控制設備的原始數(shù)據(jù)提供給人機接口、歷史數(shù)據(jù)庫等應用程序，也適用于應用程序和物理設備的直接連接，具有接口標準的高度柔軟性，有效地解決了硬件廠商和軟件開發(fā)商之間通訊接口標準兼容的問題。本文提出了一種基于OPC-XML-DA規(guī)范、在Internet環(huán)境下以Web服務層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S(瀏覽器/服務器)模式的風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，既解決了風機控制硬件設備通訊接口協(xié)議兼容的問題，又增強了風電遠程監(jiān)控系統(tǒng)跨平臺、網絡通信的能力，并在1MW風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)中成功應用。

1 基于OPC-XML-DA的風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1.1 OPC XML-DA規(guī)范介紹

OPC是一個用于訪問過程數(shù)據(jù)的標準化接口，它基于微軟的COM/DCOM，并在自動化領域訪問數(shù)據(jù)時根據(jù)需求將其擴展。OPC技術采用C/S模式，用于客戶程序和服務器之間的數(shù)據(jù)通信，把開發(fā)訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。它具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點［1，2］。隨著網絡技術的發(fā)展和風電行業(yè)管理系統(tǒng)對風電機組監(jiān)控要求的提高，基于COM技術的OPC標準開始無法滿足要求。為此，OPC基金會正式發(fā)布了OPC XML-DA規(guī)范1.0版［3］。OPC XML-DA規(guī)范建立在OPC DA基礎上，重點定義在數(shù)據(jù)訪問規(guī)范上，用于將OPC數(shù)據(jù)向Internet上的應用程序開放。OPC XML-DA既兼容了原有OPC DA提供的不用開發(fā)專門通信軟件就可以訪問設備的優(yōu)勢，又能輕松實現(xiàn)遠程和跨平臺數(shù)據(jù)的交換。該規(guī)范基于XML的Web Senrice技術。Web Service主要提供通過網絡直接獲取各種服務的接口，并通過標準的網絡協(xié)議提供給網絡用戶，在Intemet任何節(jié)點、任何平臺上的應用程序只要符合Web Service的標準都可以從它的公共接口獲取服務，便于不同的應用程序在Internet上共享和交換數(shù)據(jù)［4］。

1.2 基于OPC-XML-DA的B/S模式風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構

本文提出的基于OPC-XML-DA規(guī)范、以Web服務層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S模式的風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。該方案實現(xiàn)了瀏覽器或客戶端應用程序通過Intemet對OPC服務器的訪問，可實時地讀取機組的數(shù)據(jù)、發(fā)布機組控制指令。

圖1 基于OPC-XML-DA的B/S模式風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三層B/S架構。應用層的OPC DA客戶為基于COM/DCOM的客戶端應用程序，OPC XML-DA客戶為IE瀏覽器，操作者通過HTTP向Web服務器發(fā)送XML文件請求，Web服務器接收到該請求后，將XML文件傳送給客戶瀏覽器，瀏覽器閱讀頁面并顯示出來。

業(yè)務邏輯層的Web服務器主要用來接受客戶端的響應，從實時數(shù)據(jù)庫中讀取風機實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)布到瀏覽器上供監(jiān)控操作者查看，將收到的客戶端的控制信息存入實時數(shù)據(jù)庫，供OPC應用服務器提取;OPC應用服務器主要功能是通過OPC標準接口從OPC服務器采集數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需要對數(shù)據(jù)進行處理，既能通過ODBC把數(shù)據(jù)送人實時數(shù)據(jù)庫中，又可以通過ODBC從實時數(shù)據(jù)庫中讀取來自遠程瀏覽器端的控制信息，并對這些控制信息進行判斷，然后通過OPC標準接口將修改的參數(shù)值等控制信息遞交到OPC服務器中，OPC服務器再將控制信息傳遞給風機控制器;OPC服務器既執(zhí)行整個系統(tǒng)的控制策略、協(xié)調管理數(shù)據(jù)服務層，又處理風機控制器向OPC應用服務器的各種請求。

數(shù)據(jù)服務層用于實現(xiàn)風電機組數(shù)據(jù)源查詢更新，事務管理，高速緩存，安全及多用戶存取控制等，并以統(tǒng)一的格式向OPC應用服務器提供訂閱風電機組的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

該B/S模式的架構便于遠程監(jiān)控客戶端用Web瀏覽器，向Web服務器發(fā)送各種請求，接收所需的網頁，不需要與后臺數(shù)據(jù)庫連接，而遠程監(jiān)控中心建立的后臺數(shù)據(jù)庫可專門用來存儲、統(tǒng)計、查詢發(fā)電機組歷史數(shù)據(jù)，擬合風電參數(shù)歷史曲線、描繪風電系統(tǒng)要求反應的圖形和歷史趨勢。這樣，遠程監(jiān)控系統(tǒng)各層內部的參數(shù)修改、完善不會影響監(jiān)控中心整個系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。

1.3 OPC服務器的架構

B/S架構中數(shù)據(jù)服務層的OPC服務器主要用來讀取/寫入數(shù)據(jù)從風電機組控制器PLC/到OPC應用服務器，通過它瀏覽器客戶端或客戶端應用程序實現(xiàn)對機組控制器操作指令的下達和緩存區(qū)數(shù)據(jù)的讀取分析。針對風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點，實現(xiàn)的1 MW風電機組B/S模式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的OPC服務器架構如圖2所示。

圖2 1MWB/S模式風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)OPC服務器架構

風電機組的控制程序被下載到PLC控制器時，會生成一個符號文件，該文件被存入OPC網關服務器。符號文件包含條目信息，一個條目嚴格對應一個風機參數(shù)變量，利用這些條目可調用控制器中的風機參數(shù)變量值。OPC服務器從網關服務器中請求符號文件的內容后生成一個條目列表，條目列表會在控制器定義的時間間隔內被更新。讀取和寫入風機參數(shù)變量值的使用取決于被設為“激活的”條目的數(shù)量。OPC服務器支持數(shù)據(jù)分組，分為由OPC服務器分配的“公共組”和由一個客戶端組成的“私有組”。如果在配置中激活相應的選項，OPC服務器將條目分組成智能塊，每個塊生成一個“公共組”，在客戶端中可按需求將獨立的條目組合成“私有組”，“私有組”可根據(jù)它們是否被訪問這一命令去激活或取消激活特定的變量組，OPC服務器可同時讀取所有變量。OPC服務器不是一個被動的子程序庫，而是一個在客戶端與服務器之間建立連接時被啟動的可執(zhí)行程序［5］。當啟動客戶端瀏覽器或客戶端軟件并建立通訊時，OPC服務器自動啟動，從條目列表中選擇相應的風機參數(shù)變量。設計客戶端軟件時須優(yōu)化通訊，將條目分到獨立的組中，這些組以一種方式定義，且只包含必須同時被更新的條目，這些組只在需要時被激活。瀏覽器客戶端或客戶端應用程序根據(jù)監(jiān)測和控制風機狀態(tài)參數(shù)的需要來指定條目，通過Web服務器、OPC應用服務器和OPC服務器來操作發(fā)電機組控制器，實現(xiàn)對機組的數(shù)據(jù)監(jiān)測和指令控制。

2 系統(tǒng)功能及實例

圖3 客戶端應用程序與OPC服務器的部分通訊數(shù)據(jù)

實現(xiàn)的1 MW風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)與機組控制器通訊成功后，客戶端應用程序與OPC服務器的部分通訊數(shù)據(jù)如圖3所示。該遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合實現(xiàn)了風電機組的數(shù)據(jù)采集、記錄備份，數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)關系的建立，機組的控制，故障報警指示與分類查詢，報表圖形曲線、系統(tǒng)安全、分布式網絡管理等功能。

3 結束語

基于OPC-XML-DA規(guī)范、以Web服務層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S模式的風力發(fā)電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)解決了風機控制設備硬件之間通訊接口協(xié)議不一致的問題，完成了分散在風電場的機組控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享、各子控制系統(tǒng)控制指令的協(xié)調，實現(xiàn)了跨平臺地對風電機組的遠程監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調節(jié)以及事故報警等功能，為風電場的管理者和運營商提供了系統(tǒng)、完整的風電場信息，幫助快速診斷系統(tǒng)故障，提高了生產效率，代表了風電能源監(jiān)控的發(fā)展趨勢。

［1］ 唐置玲，汪小澄.基于OPC技術實現(xiàn)INFI—90系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)開放［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(6):88－90.

［2］ 陳坤，冷杉，劉哲.基于OPC的虛擬DCS對象調試軟件開發(fā)［J］.電力自動化設備，2004，24(10):39－44.

［3］ OPC Foundation.OPC XML-DA 1.0 Specification［DB/OL］.［2003－7－12］.http://www.opcfoundation.org.

［4］ 徐進學，胡紅武，劉玉梅.基于OPC技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案設計［J］.沈陽工業(yè)大學學報，2007，29(5):574－577.

［5］ 潘愛明.COM原理和應用［M］.北京:清華大學出版社，2006:34－45.