OPC技術在風電場監控系統中的設計與實現

劉濤，董華莉，廖宏

（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

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OPC技術在風電場監控系統中的設計與實現

劉濤，董華莉，廖宏

（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章利用OPC技術設計了風電場監控系統集成方案，此方案可以將風機與其他控制設備互連，形成開放、可靠、安全的網絡系統。根據OPC的通信模式及標準，開發了基于OPC動態鏈接庫的服務器驅動程序及客戶端接口。

關鍵詞：OPC，監控系統，客戶端

0　引言

目前，風電場自動化水平不斷提高，監控系統綜合應用也越來越多，但存在多系統、多協議并存的局面。由于風機廠商保密的原因，一般使用專有通信協議，造成風機監控系統成為風電場監控乃至遠端的信息孤島，嚴重影響整個風電場監控系統的安全可靠性。因此，設計一個符合行業標準的開放型互聯網絡成為了亟待解決的問題。

本文以過程控制對象鏈接與嵌入（OPC）技術為基礎，簡要闡述了如何構建風電場內的數據采集與監控（SCADA）系統集成方案，重點討論了OPC客戶端的軟件開發過程。

1　風電場監控系統

1.1風電場連接及監控中心

風電場監控系統可分為風電場連接和監控中心2個部分。風電場連接實現的是SCADA系統的數據采集工作，每臺風機的數據信息來源于主控制器，通過光纖、交換機等設備傳遞給監控中心。監控中心通過安裝于計算機上的風電場監控軟件為風電場操作人員提供了解風電場各種信息的接口、畫面以及對風機進行運行操作。對于一個大型的風電場來說，按照風機的地理位置布局，可以組成多個環網，每個環網內風機數量大約在2～10臺，采用自愈型光纖以太環網結構，風電場環網結構圖如圖1所示。

圖1　風電場環網結構圖

風電場監控中心布置在風電場中控室內。工作人員能夠根據畫面的切換隨時了解風電場風力發電機的運行情況和進行控制操作。風電場監控中心通過風電場光纖以太網環路與就地控制室的系統進行通訊。

監控中心設立了1對互為熱備的實時數據庫服務器，采集和保存所有的現場數據，同時作為報警服務器和事件服務器；根據需要設立一定數目的客戶端節點，作為操作員站；設立1臺工程師站作為組態和維護。監控中心作為1個風電場所有風機核心的管理中心，將風電場管理型交換機組建的光纖環網匯聚至中控室的中心交換機，中心交換機再將采集的數據傳遞給工程師站和操作員站。另外，通過軟件授權，還可以使用VPN技術連入異地監控計算機。

1.2基于OPC的集成方案

風電場所屬的風機主控制器、有功無功控制系統、監控系統、預測及管理系統等因設備廠家不同而造成協議各種各樣，需要有協議轉換的軟硬件，完成不同的通信協議之間的轉換，使現場總線控制系統成為可靠、開放的數據通信網絡。

OPC技術提供的標準接口符合風電場本地監控系統通信標準IEC61400-25，可以簡單高效地實現以上不同系統的無縫連接。進行具體系統集成時，除了要滿足用戶的實際功能需求外，更重要的是還要保證電力系統的安全可靠性要求。因此，可以用OPC實現風電場監控系統的互連。圖2示意了基于OPC監控中心的網絡拓撲圖。

圖2　監控中心數據交換拓撲圖

本文提出利用OPC技術的集成方案。首先將風機控制系統映射成1個遠程終端裝置（RTU），集成到監控系統數據采集平臺中，由驅動程序采集具有專用協議通信的風機主控制器數據，與監控系統無縫互連，利用以太網實現風電場中現場總線系統到監控系統之間的數據傳輸。風電場監控主機集成OPC服務器，電氣控制系統通過標準DCOM與監控主機相連，比如有功及無功控制系統等，同時還可為電廠生產管理系統、風功率預測系統提供數據。

本系統方案在不變動現有設備及協議的情況下，使所有系統通過OPC標準接口互通互連。OPC技術在自動化領域是非常成熟的技術，借用OPC快速開發工具實現軟件系統設計，工具采用動態鏈接庫（DLL），系統開發人員只要按照DLL提供的標準應用程序接口（API）就可以進行相關的集成開發。

2　OPC技術應用

OPC標準是一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅動程序。OPC主要包括2個構件：OPC服務器和OPC客戶端。1個OPC客戶端可以與多個OPC服務器通信，只要它們遵循統一的規范；同樣，1個OPC服務器也可以為多個OPC客戶端提供服務。

OPC服務器作為軟件主板和數據總線，集成了不同的現場設備，統一完成數據的訪問和協議轉換；符合OPC接口規范的各種監控、管理應用模塊作為客戶端獲取OPC服務器數據，實現風電場數據的全互連。

2.1數據訪問方式

OPC的數據訪問方式分別有同步訪問、異步訪問和訂閱式數據采集方式3種，針對風電場這種大數據量的傳輸，采用了訂閱式。采用訂閱式數據采集方式的服務器按一定的更新周期更新數據緩沖器的數值時，如果發現數據有變化時，就會以數據變化事件通知OPC應用程序。客戶端編程使用異步通信，OPC客戶程序對服務器進行讀寫操作時，OPC客戶程序操作后立刻返回，不用等待OPC服務器的操作，可以進行其他操作，當0PC服務器完成操作后再通知OPC客戶程序。因此，相對于同步通信和異步通信的效率更高，適用于風電場多客戶訪問同一OPC服務器和大量數據的場合。這使得編程模式能有效減少網絡數據包，降低服務器的訪問壓力。

2.2服務器與客戶端框架

OPC標準采用C/S模式，OPC服務器負責向OPC客戶端不斷地提供數據。OPC服務器包括3類對象（Object）：服務器對象（Server）、組對象（Group）和項對象（Item）。3類對象都包括一系列接口，關系如圖3所示。

圖3　OPC接口關系示意圖

利用OPC技術，可以對現場設備及其驅動程序進行封裝，形成OPC服務器。OPC服務器向下對風機數據進行采集，向上與OPC客戶應用程序通信完成數據交換。OPC服務器具備數據提供方的驅動程序，客戶端開發人員編寫符合OPC接口規范的程序，而不必再去關心上層的驅動程序，就可以與OPC服務器進行數據交換。這樣，在工業過程控制系統中，過程或設備監控程序，通過以太網，可以方便地與現場設備的OPC服務器進行數據交互，獲得所需的現場數據。

本文重點設計客戶端程序。從技術上來講，OPC客戶端是一個應用程序所使用的軟件模塊，其目的在于使此應用程序能夠與它在網絡上能夠發現的、任何符合OPC通信標準的服務器通訊。典型地來講，OPC客戶端被嵌入于HMI、趨勢分析工具、歷史數據庫和報告生成工具之類的應用程序中，目的在于使這些應用程序自然地支持OPC接口。這些應用在風電場監控軟件中都是必需的。

3　OPC客戶端程序設計

本文使用DA3.0版本，軟件方面需要Windows操作系統，然后在此系統上配置DCOM服務器，OPC服務器軟件需要根據具體的風機主控制器的數據源協議編寫相應的驅動程序。

客戶端軟件設計使用OPC服務器開發工具包（DLL），以提高代碼的重用性。具體程序的設計方法如下：

（1）安裝OPC自動化接口服務。在.NET環境下，點擊“項目”子菜單下“添加引用”，在彈出的對話框COM中選中“OPCDAAuoto.dll”項，點擊“確定”按鈕，這樣才能使用自動化接口服務。

（2）連接OPC服務器。本文中使用的OPC服務器名為“KEPware.KEPServerEx.V4”，這樣才能觸發事件（DataChange）來獲取實時數據。連接不同的OPC服務器只要改變其服務器名稱和OPC服務器所在的計算機名稱即可。

（3）添加組、項，關鍵語句如下：

//添加OPC組

iOpcServer.AddGroup（opcGroup.GroupName，opc Group.IsActive，opcGroup.RequestedUpdateRate，opcG roup.ClientGroupHandle，opcGroup.TimeBias.AddrOfP innedObject（），opcGroup.PercendDeadBand.AddrOfPin nedObject（），opcGroup.LCID，out.opcGroup.ServerGrou pHandle，outopcGroup.RevisedUpdateRate，refopcGrou p.Riid，out opcGroup.Group）；

//添加OPC項組

（（IOPCItemMgt）opcGroup.Group）.AddItems（opc-Group.OpcDataCustomItems.Length，itemDefyArray，out p Results，out pErrors）；

//激活訂閱回調事件

ActiveDataChanged（IOPCGroupStateMgt）；

（4）OPC數據的讀和寫。對OPC服務器中的數據項讀取可以通過group組的DataChange事件觸發來讀取。該事件有多個參數：其中：NumItems是指數據項的個數；ltemValues為數據項的數據；Qualities為數據項的品質；TimeStamps為數據項的更改時間；ClientHandles是數據項的標簽索引，其所指的OPC標簽的值在ItemValues中，只有數據發生變化時才會觸發該事件，也只會傳輸發生了變化的數據，沒有變化的數據不會出現在本事件ItemValues中。使用C#事件處理機制，將DataChange注冊到事件，一旦服務器端數據有變化，自動觸發此過程：

（5）斷開OPC服務器。OPC客戶端連接后占用服務器的資源，所以長時間不需要使用OPC讀寫數據，而應及時斷開OPC連接以釋放資源。

4　結語

基于OPC技術構建的風電場監控系統在現場已獲得實際應用。通過OPC技術集成構建的系統是開放、分布式系統，OPC技術規范能夠支持TCP/IP等網絡通信協議以及遠程調用方式，便于利用網絡節點來集成子系統，從而使應用程序的分布與系統硬件的分布無關。同時，OPC接口支持任何不同廠家系統之間的互連。安全性、可靠性高，風電場的網絡體系結構構建了多層次、多方位的安全控制體系，方案中各個現場控制系統獨立運行，相互關聯性小，保證了系統方案中傳輸的實時數據是可靠的，這符合電力系統安全性的要求。

OPC規范的應用簡化了OPC客戶/服務器的開發過程，統一了數據存取的接口標準，將風電場各類型系統與應用軟件開發者分離，使得軟件開發者無需了解硬件的實質和操作過程，只要遵循OPC標準進行開發，大大簡化了過去傳輸數據的復雜過程。在此介紹了在Visual C#環境下，遵循OPC標準使用動態鏈接庫設計驅動程序及客戶端接口代碼，以快速、高效地進行底層數據采集，安全、靈活地數據轉發，具有較大的應用價值。

參考文獻

［1］黃帥.OPC技術在風電場有功功率控制系統中的應用［J］.變頻器世界，2012，（1）:62-65.

［2］陸會明.控制裝置標準化通信OPC服務器開發與應用［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［3］朱立軍，安娜，陳末如，等.基于Visual C#的OPC客戶端實現［J］.現代電子技術，2009，32（2）:171-173.

Design and Implementation of OPC in Wind Power Plant SCADA

Liu Tao，Dong Huali，Liao Hong
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:Based on OPC technology，this paper provides integration scheme for wind power plant SCADA.Under this scheme，the wind turbine can be interconnected with other control devices so that the open，reliable and secure network system can be formed. Moreover，according to the OPC communication mode and standard，this paper develops the server drive program and the client inter?face on the basis of the OPC dynamic link library.

Key words:OPC，SCADA，client

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0044-04

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.011

作者簡介：劉濤（1979-），男，工學碩士，2008年畢業于西南交通大學自動控制專業?，F從事風電及光伏研發設計工作。