阵地电力系统跨平台集中监测设计实现

王丰磊，程国防，魏宏建，王宇江

(中国人民解放军91515部队，海南 三亚 572000)

0 引言

随着控制、通信和计算机等信息技术的发展，传统电力系统广泛引入了传感、网络和计算等技术，逐步发展成为信息与物理系统深度融合并广泛交互的信息物理系统[1]。随着以太网进入工业控制领域，出现了大量基于以太网的工业控制网络，由于数据模型、存储方式和传输协议存在差异，导致信息共享困难，影响输变电设备运行监测数据的分析和应用[2-3]。OPC技术的应用使得监控系统、现场设备与工厂管理层应用程序之间具有更大的互操作性，一定程度上解决了信息共享的问题，但在跨平台数据融合时往往受不同平台厂家产品功能的制约，无法对数据进行跨平台高效融合。基于OPC技术的标准化和适用性，Kepware公司开发了KEPServerEX OPC服务器连接平台，该技术适用于市场上大部分主流设备，可与本地监控平台和管理层应用程序有效对接，为电力系统数据融合提和集成监控供了便利。KEPServerEX的OPC Connectivity Suite让系统和应用程序工程师能够从单一应用程序中管理他们的OPC数据访问(DA)和OPC统一架构(UA)服务器，通过减少OPC客户端与OPC服务器之间的通信数量，可确保OPC客户端应用程序按预期运行，较好满足用户对性能、可靠性和易用性的要求[4]。

某技术阵地电力监控系统包括多个变电站，属于分布式系统结构，各变电站电力系统数据处于本地监控状态，没有实现监控中心对变电站的集中监控，自动化和集成化程度不高，系统整体协同运行效率低。该阵地监控中心智能楼宇集中监控平台基于Windows Control Center(WinCC)开发，为将电力系统监控功能融合进智能楼宇集中监控平台，基于接口开发和KEPServerEX OPC技术，将本地电力监控软件DVPS3000采集的电力系统数据，经过TCP/IP网络远程传送至监控中心的西门子WinCC集成软件平台，实现不同软件平台之间电力系统数据的远程集成监测，以可以达到节省值班人力，提高整体协调水平，增强应急处置能力的目的。

1 OPC技术及其发展

1.1 OPC

OPC基金会会员包括世界上主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司[5]。OPC是OPC基金会制定的一个工业标准，其全称是OLE for Process Control，OLE(Object Linking and Embeding)即对象链接和嵌入技术，因此OPC指的是面向过程控制的对象链接和嵌入技术，或者可以理解为它是OLE技术在工业控制领域中的应用[6-7]。OPC规范了接口函数，使得用户能以统一的方式去访问不同品牌的现场设备，而不用花费精力用于现场设备驱动程序的开发。正是因为OPC技术的标准化和适用性，OPC规范及新的OPC统一架构(OPC UA)规范得到了工业控制领域硬件和软件制造商的承认和支持，成为工控界公认的事实上的标准[8]。同时，由于其支持包括TCP/IP在内的多种网络协议，可以将服务器和客户机设置于不同地理位置的网络节点上，便于实现多服务器异地冗余备份和多值班部位的冗余备份。

1.2 OPC UA

OPC UA作为新一代OPC技术标准，通过提供一个完整、安全、可靠的跨平台的架构，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输，对于所有使用该协议的设备和电脑等，所有需要的信息在任何时间、任何地点，每个授权的人员都可用，同时OPC UA技术独立于制造厂商的原始应用、编程语言和操作系统[9]。随着能源转型和信息化建设的推进，电力系统中源网储荷各环节深度交互，多元异质能量流和由数据构成的信息流深度耦合[10-11]。OPC UA这种平台无关的特性，为实现信息流深度耦合提供了便利，也为今后的工业控制国产化替代提供了无限可能。

1.3 KEPServerEX OPC

目前，大部分现场设备厂商都开发了针对自家设备的OPC服务器，一些第三方公司还开发了适用于市场上主流现场设备的OPC连接平台，美国Kepware公司的KEPServerEX就是行业先进的OPC连接平台，该平台使用户能够通过一个直观的用户界面来连接、管理、监视和控制不同的自动化设备和软件应用程序。KEPServerEX利用OPC和以IT为中心的通信协议(如SNMP、ODBC和Web服务)来为用户提供单一来源的工业数据。KEPServerEX提供了170多种设备驱动程序、客户端驱动程序和高级插件，这些驱动程序和插件支持链接成千上万设备和其他数据源。

2 系统整体设计

2.1 系统功能

电力监控系统属于变电站综合自动化系统监控子系统，包括模拟量、开关量和电能量数据采集；事件顺序记录SOE；故障记录；故障录波；操作控制功能；安全监视功能；人机联系功能；数据处理与记录功能等功能模块[12-13]。远程集中电力监控系统与本地电力监控系统功能模块基本一致，主要实现如下功能：一是实时在线监视厂区电气设备运行时的压、电流、有功功率、无功功率等参数及状况；二是在线计算、存储、统计、分析报表，实现电力系统实时信息的统一采集及按需分发；三是实现对变电站二次设备(包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等)的功能进行重新组合、优化管理，执行监视、测量、控制和协调等[14]。本文主要基于接口开发和KEPServerEX OPC技术实现本地电力监控软件与监控中心的西门子WinCC集成软件平台之间跨平台融合，对电力系统运行时的频率、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、断路器状态(补充直流屏功能)等参数进行远程实时集中监测。

2.2 系统结构及配置

远程集中电力监控系统从结构上分为4个层次：现场层、本地监控层、网络传输层和集中监控层。远程电力监控系统结构示意图如图1所示。

图1 远程集中电力监控系统结构示意图

1)现场层包括电流、电压传感器、智能仪表、继电装置等各种测量装置，实现遥测、遥信等信号的采集，并通过现场总线或串口通信传输给本地监控层。

2)本地监控层包括数据采集卡或串口通信接口、本地监控电脑和本地电力监控软件平台，本地电力监控软件为德威特DVPS3000。本地监控系统从功能上由数据处理模块、数据库管理模块、系统服务模块、数据工程工具模块等基本模块组成。其中数据处理模块负责数据收发、处理、数据统计等；数据库管理模块负责实时数据库加载，历史数据存储，历史数据库管理等；系统服务模块负责实时数据检索，实时数据库操作接口，历史数据库操作接口等；数据工程工具模块负责系统生成、工程制作等[15-16]。

3)网络传输层包括网络接口、网络交换机、光缆网络和光传输设备等，采用TCP/IP协议进行数据传输，以确保数据传输的可靠性，采用网状连接拓扑结构以增强网络的健壮性。工业以太网在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如西门子、罗克韦尔、GE Fanuc等，他们销售各自的PLC产品，同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口[17]。

4)集中监控层包括集中平台服务器、集中平台监控软件、集中平台客户机等。其中集中监控平台服务器配置两台，一用一备；集中平台监控软件采用西门子WinCC组态软件开发，WinCC是工业控制领域应用最为广泛的组态软件之一，具有很强的通用性和集成能力；集中平台客户机配置多台，每台均可基于集中平台服务器实现对电力系统数据的监测。

2.3 数据跨平台传输设计

阵地电力系统远程集中监测数据流转示意图如图2所示。用户在远程的OPC客户端进行远程监视和控制，OPC客户端完成与OPC服务器的连接，从而可以在OPC服务器里获得由现场控制系统上传至OPC服务器的现场数据，通过对这些数据的处理并通过OPC服务器下传到现场控制系统[18]，实现对远程设备的监测和控制。

图2 数据流转示意图

1)现场数据采集至本地电力监控系统平台。各种电力系统数据经传感器采集后，通过现场总线或通信接口传送至本地数据采集计算机上的本地电力监控软件平台。本地计算机电力监控软件采用DVPS-3000，是一个面向电力系统设计的电网信息管理系统平台，适用于变电站综合自动化系统以及调度系统，具备104协议数据转发功能。

2)本地电力监控软件平台向KEPServerEX OPC服务器传输数据。在KEPServerEX链接平台上建立OPC服务器，利用本地计算机电力监控软件104协议数据多通道转发功能，将采集的数据集合通过TCP/IP网络传送至本机或网络其他位置计算机上的KEPServerEX OPC服务器。KEPServerEX OPC服务器可以接收多个本地计算机电力监控软件发送的数据。

3)WinCC软件平台服务器与KEPServerEX OPC服务器的链接。监控中心服务器上安装有WinCC组态软件，使用该软件建立WinCC集中监控软件平台服务器，该WinCC平台服务器通过OPC技术与KEPServerEX链接平台上建立的OPC服务器建立通讯，取得相关电力系统数据集合，实现电力系统数据跨平台流转。

4)在监控中心服务器上开发集中监控人机界面应用程序。使用WinCC组态软件开发人界面应用程序，包括概率模块、高压参数模块、低压参数模块和直流屏模块。并与数据库进行连接，用于显示电力监控系统相关数据。

5)在监控中心客户机上实现电力系统集中监测。在监控中心客户机上安装WinCC软件，与WinCC服务器建立连接，运行电力系统集中监控人机界面程序，对服务器进行访问，实现基于电力系统集中监控人机界面显示电力系统数据。

2.4 冗余设计

冗余是指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间[19]。基于IP地址的TCP/IP网络具有互联互通特性，可以构建网状的网络拓扑结构，在网状拓扑结构中，网络中任一节点或链路发生故障时不影响其他节点的互联互通，大大提高了系统的抗单点故障能力。基于上述特点的电力监控系统，在不增加任何硬件设备的情况下，只要把相关设备进行交叉连接就能大大提高系统的可靠性[20]。系统的冗余设计可分为如下3个方面：

1)设置多级监控。在监控中心实现对电力系统远程监控的同时，为确保电力系统监控的可靠性，在监控中心和变电站本地均保留监控功能作为备份，以备集中监控平台出现故障时，能在本地进行电力系统监控。

2)设置多通道转发。在网络上不同位置设立多个KEPServerEX OPC服务器，由于本地电力监控平台软件DVPS-3000具有多通道发送功能[21]，每个变电站均可向多个KEPServerEX OPC服务器发送数据，当一个服务器故障时，另一台服务器可正常工作，不影响电力系统数据的转发。变电站A本地电力监控软件以104协议除发送本机KEPServerEX OPC服务器发送外，还需发送至变电站B和C处KEPServerEX OPC服务器。同理变电站B和C也进行多通道转发设置，3个变电站之间两两形成互联互通。

3)设置多设备冗余。在KEPServerEX链接平台、集中监控平台服务器、集中监控平台客户机等各级均设置多台设备进行冗余备份，当一台设备发生故障时，不影响其他设备发挥作用，系统整体运行不受影响，确保了系统的可靠性。

3 软件开发及组态

软件程序开发和组态主要分为三部分：第一部分为现场数据采集接口软件制作，用于实现本地电力监控系统对现场数据的采集；第二部分为基于KEPServerEX OPC的跨平台数据通信组态，用于实现数据集合从本地电力监控系统向WinCC集中监控平台的跨平台传输；第三部分为集中监控平台应用程序开发，用于实现在监控中心对电力系统主要数据的实时显示监测。

3.1 现场数据采集接口软件制作

在系统的数据采集方面，由于本地电力监控系统为DVPS-3000，对于德威特的保护装置，能够实现数据采集处理的自主设置和数据自动处理。对于其他公司的装置，如果需要接入后台进行监控，则需要在DVPS-3000后台上对该装置做专门接口，对该装置进行数据接收、规约解释以及数据显示处理，实现对该装置的远方监控[21]。DVPS-3000后台系统的接口程序由3个模块构成，即BOXMA、DCBOARD以及IOSCAN模块。其中BOXMA模块用于采集参数以及数据设置；DCBOARD模块用于规约解释处理；IOSCAN模块用于管理底层的数据通讯。同时接口制作还涉及了几个头文件，包括BOXADDR.H、CHANNELPARA.H、DEFINE.H以及FUCTION.H，一般保存在接口程序的PUBLIC子目录中。其中BOXADDR.H头文件中主要内容为BOXMA模块使用的数据结构BOXADDR的定义；CHANNELPARA.H中定义了DCBOARD、IOSCAN模块中需要使用的数据结构IOSOCKET；DEFINE.H头文件内容为接口制作中需要使用的各种宏定义；FUCTION.H定义了接口模块中使用的动态导入以及导出函数。

以“直流屏”数据通信为例，进行底层接口开发及现场通信设置。

1)define.h头文件的处理。在define.h头文件的最后部分的规约类型定义部分中加入直流屏装置类型。首先在通道类型定义中进行通道类型的宏定义。加入“直流屏”宏定义。在通道类型定义的最后加入#define ZHILIUPING0x19，其中0x19为已有的通道定义号加1。在文件最后以枚举的形式加入该通道类型的装置类型。在该枚举类型的最后中加入需要处理的型号为PSM-E10的直流屏装置类型enum{PSM-E10}；

2)BOXMA模块的处理。打开BOXMA模块，在通道定义中加入新的通道和装置类型，在通道参数设置初始化函数中添加该通道类型。在m_protocol.AddString(“直流屏”)部分应用同样的方式加入需要处理的装置类型：“PSM-E10”。打开通道参数设置显示协议函数，加入新的装置类型，在switch(Protocol)块和遥测定义部分加入相应程序块。在显示协议参数函数的SWITCH语句中添加测试装置厂家。在BOXMA模块的遥信、投退以及定值处理类型中分别加入测试类型和测试装置。运行BOXMA模块，在工程中加入测试装置，设置装置的采集参数，之后打开通道设置，为测试装置选择合适的运行通道，进行该通道的波特率等参数设置。

3)IOSCAN模块的处理。在全局函数UINT Process的SWITCH块的最后加入测试模块的处理程序。在全局函数UINT TimeProc的SWITCH块中加入测试模块的下行组帧处理程序(如果没有下行数据可以不添加)，需要时参考其他通道添加即可。

4)DCBOARD模块的处理。在DCBOARD模块中以CCOMPROT为基础类添加具体类，根据需要在该类中添加成员变量与成员函数，编写函数体(函数的添加和数据处理过程可参加其他通道或类型的数据处理)。添加全局函数，管理该通道的数据处理。

5)Function.h头文件的处理。在该头文件中加入DCBOARD模块与IOSCAN模块之间的导入、导出函数。在导入、导出函数的最后加入动态链接功能函数void PSM-E10。

接口软件制作完成后，添加“直流屏”类型装置。

3.2 跨平台通信组态

3.2.1 本地监控系统向KEPServerEX OPC服务器发送数据组态

本地电力监控系统软件具有向外远动转发功能。打开Dvps3000转发配置工具，配置104协议远动转发模块，创建步骤如下：

1)通道配置，定义转发通道库。设置通道属性：104规约，信道类型：以太网；设置以太网通信参数，端口号2 404，配置子站和主站的IP地址；其他保持默认。设置“数据组”，定义遥测、遥信数据组类型。可设置多个转发目的主机，通过设置不同的目标IP地址进行数据的多通道转发，实现冗余功能。

2)转发配置，配置转发量值。选择已定义104规约通道和信号类型，通过数据检索器在实时数据库中选择需要转发的变量参数。

3.2.2 KEPServerEX OPC服务器组态

在本地电力监控系统与集中监控平台应用程序之间，采用KEPServerEX软件IEC60870-5-104Master驱动程序相连接。启动KEPServerEX Configuration程序，其中的OPC点利用Channel→Device→Tag Group→Tag的层次结构进行配置。在KEPServerEX中建立OPC服务器步骤如下：

1)启动KEPServerEX Configuration程序，建立通道。点击“连接性”，右键新建“新建通道”，选择“IEC 60870-5-104 Master”类型，添加通道名称，选择“网络适配器”，填写104服务端IP地址与对应的端口号，其他属性配置缺省即可。

2)添加设备：点击“单击添加设备”，添加设备名称，修改公共地址，其他属性配置(缺省即可)。

3)创建“GroupTag”：添加TagGroup名。

4)添加设置Tag：添加名称，地址。此为重点，为所有的电力系统参数创建所需要的Tag。Tag名称编码由四部分组成，即区域变电站、电压类别、馈线功能名称和电力参数，以空格隔开。例如，209变电站10 KV1#高压柜主进线电压参数编码为209 10 KV 1ZJ Ua。Tag地址遵守104规约命名格式，本项目采用单点遥测和短浮点数遥测。单点遥信，地址格式：M_SP.IOA.VALUE，类型标识.信息体地址.VALUE。短浮点数遥测，地址格式：M_ME_FV.IOA.VALUE，类型标识.信息体地址.VALUE。若已有opcConfig.csv文件(可以根据项目需要直接修改OPCconfig.csv文件。)时，在此基础上给各个设备导入对应的opcConfig.csv文件，生成OPC标签(Tag)表。

3.2.3 集中监控平台服务器OPC组态

打开WinCC变量管理器，在新建的变量组下创建内部变量；激活项目后创建OPC连接，具体步骤为：右键单击“变量管理”选择“添加新的驱动程序”选择相应通道为WinCC添加OPC驱动；在OPC通道中新建连接并命名；在OPC条目管理器中选择已经建立的KEPServerEX OPC服务器。

3.3 集中监控平台应用程序开发

为实时监测电力系统运行状态，在WinCC组态软件平台上设计开发了应用程序软件，包括概览功能模块、高压参数监测模块、低压参数监测模块和直流屏等人机界面功能模块。

1)概览功能模块：

技术阵地内有多个变电站，概览功能模块包括电力系统总平面图和各变电站供电平面图，总平面图在技术阵地背景地图上标示出变电站场所具体位置，在每个场所旁边设计了主要参数显示对话框，用于显示该场所主要电气参数。变电站A主要参数显示如图3所示。变电站供电平面图显示变电站内高压进线设备、低压配电设备、直流屏等所处位置，不同设备按比例大小以不同色块表示，设备色块与该设备详情界面建立链接，当鼠标移动到设备上进行点击时跳转至该设备详情界面。概览功能模块界面可以直观展示整个厂区中每个场所的具体位置及各场所之间的距离和逻辑关系，加上各场所主要电力系统参数的显示，便于管理者建立厂区电力系统宏观概念，为紧急情况下的协调处置提供支撑。

图3 变电站A主要参数显示图

2)高压参数监测模块：

高压参数监测模块以图形符号方式直观显示高、低压母线和变压器之间连接关系，母线与母线之间连接关系，高压断路器开关状态等信息。以详细参数方式显示主进线频率、母线电压、母线电流、有功功率、无功功率、功率因数等。各变电站高压参数监测参数类型相同，界面设计类似，具体变量连接不同，变电站A高压参数监测画面局部图如图4所示。

图4 变电站A高压参数显示局部图

3)低压参数监测模块：

低压参数监测模块以图形符号方式直观显示低压母线和各配电间之间连接关系、母线与母线之间连接关系、低压断路器开关状态等信息。以详细参数方式显示主进线频率、母线电压、母线电流、有功功率、无功功率、功率因数等。各变电站低压参数监测参数类型相同，界面设计类似，具体变量连接不同，变电站A低压参数监测画面局部图如图5所示。

4)直流屏模块：

直流屏模块显示交配电单元、直流母线单元、直流馈电单元、配电监控单元、监控模块单元和充电状态等参数信息。显示的参数分为遥测量和遥信量，其中遥测量为模拟量，用十进制数显示，精确到小数点后1位数；遥信量为开关量，用指示灯标识该遥信量状态。各变电站直流屏参数类型相同，界面设计类似，具体变量连接不同，变电站A直流屏监测画面如图6所示。

图6 变电站A直流屏显示图

5)OPC服务器通信组态：

KEPServerEX OPC服务器建立成功后，在WinCC组态软件平台通过变量管理→OPC属性→OPC条目管理器可以搜索到该服务器，在变量管理→OPC→OPC Groups下建立新的连接通道，在OPC服务器名称栏填写KEPServerEX OPC服务器名称，测试通过后即可按照提示一步步进行变量的选择和添加。变量添加完成后，查看变量质量代码一栏，如果状态为-good-ok说明WinCC组态软件与KEPServerEX OPC服务器通信正常。

6)变量链接：

打开WinCC组态软件平台图形编辑器界面，对参数显示控件进行属性设置，变量连接一栏进行点击选择操作，选择变量管理→OPC→OPC Groups→KEPServerEX OPC服务器→变量组，在右侧详情栏选择该参数显示控件对应变量，即可建立显示控件与实际变量之间的连接。

4 功能验证

启动DVPS3000本地电力监控软件，观察记录本地电力监控界面显示数据，利用OPC Quick Client工具，查看OPC Server中各遥测量和遥信量数据状态显示正常，最后验证查看监控中心显示各界面电力系统参数显示正常。为进一步验证信号传输，在DVPS3000本地电力监控软件界面中修改一个遥控量的值(0→1或1→0)和一个遥信量的值(频率信号改为数值100 Hz)，查看监控中心对应界面电力系统参数显示是否正确。

经过系统调试运行，在监控中心客户机上可实时显示各界面电力系统参数。以变电站A为例进行功能验证：其概要信息显示模块包括主进线I和主进线II的三相电压(Uab、Ubc、Uca)参数；两台变压器高压侧和低压侧的电流(Ia、Ib、Ic)、有功功率、无功功率、功率因数等参数，概览功能模块中变电站A主要参数显示如图3所示；变电站A高压电力系统参数包括各高压配电柜三相电流(Ia、Ib、Ic)、有功功率、无功功率、功率因数等数值和开关分合闸状态，具体参数显示如图4所示；变电站A低压电力系统参数包括各低压配电柜抽屉开关回路单相电流值和开关分合闸状态，具体参数显示如图5所示；变电站A直流屏显示信息包括直流母线电压、交流输入电压、电池模块输出电压、机房温度和直流屏各功能单元开关量状态信息，实际监测画面如图6所示。

在系统运行时，对系统执行不同操作，测试用户发出请求到得到响应的时间。电力系统数据显示平均响应时间：0.76秒，服务器CPU占用率：26.92%，测试结果为可以正确显示，系统界面不卡顿，点击返回按钮时可以迅速返回，满足系统使用性能要求。

5 结束语

本文基于工业以太网和OPC，使用KEPServerEX OPC技术实现了电力系统数据跨DVPS3000和WinCC软件平台流转，融合了WinCC和本地电力监控平台软件，实现了对技术阵地电力系统主要数据的集中远程实时监测，达到了节省人力、提高运行效率和增强调度能力的目的。在不更新本地电力监控平台的情况下，利用KEPServerEX OPC技术实现本地监控平台数据向WinCC监控平台的集成，对于节省投资具有积极意义，具有推广应用价值。下一步课题组将结合OPC UA等新技术对照明系统、视频监控系统、发电设备、电能表、倒闸操作等功能进行集成监控研究，推进电力系统监控的国产化和智能化。