基于组态王的校园配电监控系统设计

王瑞，张晓海

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

现代工业技术的发展使电力成本以及电力相关的运营成本所占的比重大幅度增长，为提高效率、减少损失、降低运营成本，供电企业和用户对供配电系统运行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。供配电监控系统作为管理系统运行、实时分析供配电效率、缩小电力运营成本的手段，是供配电系统设计的主要组成部分［1－2］。近年来由于IPC技术的发展，各类国产PC软件也向控制领域迈出了新的步伐，由软件主导的系统具有控制灵活和成本较低的优势，组态技术的应用也因此延伸到了中小型供配电控制系统中。

组态技术具有功能扩展容易、开发周期短、界面丰富且与外界数据交互方便等优点，可支持各种工控设备和常用通信协议，并且可提供分布式数据管理及网络功能。随着组态技术的不断发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I／O设备的广泛支持已成为其主要内容。

配电站是学校的重要基础设施，校园配电实现监控自动化是发展的必然趋势，它的实现可以提高学校配电网运行维护和管理水平，但成本较高，所以，开发校园配电网监控系统，不仅提高电网的安全运行系数，同时减轻了工作人员的劳动强度，将为学校带来极大的效益。本设计以石河子大学配电网为例，石河子大学分南、北、中和东4个校区，高压电源为10kV［3］。

1 系统总体设计

该系统是以石河子大学校园配电网主网架为设计依据，系统拥有大量控制设备和过程监控装置，组态王软件内部具有各种通讯I／O驱动，可以很好满足用户的需求，不需要单独进行具体电路设计，用户也不需要掌握太多的编程语言技术，这不仅缩短了开发周期，更提高了系统的可靠性。其主要功能是完成监控主机对下层设备的数据采集、显示、保存、查询，并可以下传命令控制现场设备，即对配电一次设备（电源进线、主变、馈线、断路器、隔离开关、负荷开关等）的运行状态进行监控，保证其正常运行，一旦出现故障，能够自愈或及时发现并排除故障。系统的数据采集量与控制操作包括以下几个方面：

1）模拟量：一般是下位机通过A／D转换采集的数据，如电压、电流、频率、功率等。这些数据是直接反映电力系统的状态，同时也是监控的重要对象。

2）开关量：是现场断路器的状态量，只有0或l 2种状态，可以为这2种状态分别命名。

3）电度量：分为有功电能和无功电能。

4）事件顺序记录SOE：包括断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录。

5）故障录波：记录继电保护动作前后与故障有关的电流量、电压量。

6）遥控操作：遥控操作主要是对现场开关进行分、合闸操作以及保护功能的投入、退出等控制。

2 监控系统的通讯方式及硬件组成

2．1 通讯方式的选择

目前，可供使用和选择的通信方式有很多种，按照传统分类方式分为有线方式和无线方式［4］。主站与子站之间的通讯特点是通道数少、信息量大、可靠性和实时性要求较高，而配电终端的通讯却具有数量庞大、通信节点分散、节点间距短、实时通信要求不高等特点。因此，为了以较经济的方式全面满足校园配电网监控系统的要求，主站与子站之间采用光纤自愈通讯方式，实现通讯自愈功能，子站与现场设备之间采用 RS－232转 RS－485，再经 RS－485转RS－232。

2．2 硬件组成

监控系统是由计算机与PLC组成的分布式串行通信测控系统［5－6］。该系统以主机为核心，通过串行接口与分站连接，整个系统由主机调度和管理。主机采用具有良好人机界面和输出设备的PC机，下位机通过变送器面向监测对象进行实时数据采集，上位机监控软件通过与S7－300系列PLC向现场设备读取或写入数据，生成各种曲线和完成一些操作。现场设备采用泰安华电智能科技有限公司生产的ZPM610AB、ZPM610AQ、ZPM610BB等智能配电监控模块，负责各种电力参数的采集并保存在寄存器中。

监控系统的主要结构特点是：简单、成本低、组成灵活、易于扩展，适合在负荷相当的高校配电自动监控系统中推广应用。系统硬件框图如图1所示。

图1 监控系统硬件框图Fig．1Monitoring system hardware block diagram

3 监控系统设计与实现［7－10］

监控系统是系统的数据收集处理中心、远程监控中心和数据转发中心［11］。组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，以Windows98／Windows2000／WindowsNT4．0 中 文操作系统为其操作平台，能充分利用Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。采用PC机开发的系统比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。

3．1 主界面设计

系统主控机监控软件包含以下模块：主画面、报警画面、历史曲线画面和报表画面等。用户可以通过主菜单栏进入其他子系统。主画面中以图形显示设备的运行状况。实时动态显示各电力参数，并可以进行相关控制；报警画面可以进行报警记录、查询；历史曲线画面中可以调出各监测参数的历史记录，以曲线形式形象地表示出来，可以查阅任意时段的历史记录；报表画面可以进行历史报表和实时报表的查询、导出和打印。主界面如图2所示。

组态王除了在建立动画连接时支持的连接表达式以外，还允许用户定义命令语言来驱动应用程序，极大增强了应用程序的灵活性。命令语言的语句和C语言类似，应用程序命令语言主要用于系统的初始化、系统退出时的处理以及常规程序处理［12］。为了满足系统的特殊需要，组态王提供的自定义函数命令语言可以实现当组态王提供的各种函数不能满足工程的需要时，通过自定义语言自定义各种类型的函数。

图2 主界面图Fig．2The main interface

3．2 数据库定义

数据库是组态王最核心的部分，是组态工程的数据交换和数据处理中心，它既通过下位机对数据实时监控，又支持这些数据进行曲线生成［13］。组态王的数据类型分为基本类型和特殊类型二大类，基本类型变量又分为“内存变量”和“I／O变量”，特殊类型变量有报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量及系统预设变量。其中数据库定义包括变量名、变量类型、初始值、数值范围、连接设备、寄存器和报警组（图3）。本系统是对一次配电设备不同参数的采集、显示及控制，现场设备的运行状况要以动态画面的形式显示在主界面上，因此，整个系统的监控都要以实时数据库为数据交换中心，设计的变量名称与采集的参数名应相一致。

图3 数据库定义Fig．3Database definition

3．3 报警窗口设计

事件报警包括开关量报警和模拟量越限报警。根据现场设备采集到的数据类型分为2种报警类型，一种是遥信报警，用于监测断路器、隔离开关、变压器、继电保护装置等仪器的状态；另一种是遥测报警，用于监测各段母线、电容器、馈线的电压、电流，主变的油温、直流电源电压等。通过通信通道上传至监控主机的报警窗口，用户可以很直观地监视和查看系统的报警信息、操作和控制各个子站的运行状况。

当产生报警时，可自动推出报警窗口，列表显示报警信息，在报警窗口中可完成浏览、筛选、确认等操作，可同时进行声光、语音等报警。上位机可自动产生SOE记录，也可由RTU产生SOE记录，然后传送到上位机数据库中列表显示。当记录缓冲区达到设定数目或系统定时时间到时，系统会自动将这些报警和事件信息写到报警存储文件、打印机或数据库中，可实时打印报警记录，也可随后列表打印报警信息。

3．4 曲线窗口设计

在控制系统中，实时曲线和历史曲线能够用来反映信号的变化情况，实时曲线和历史曲线包括画面坐标的定义、曲线绘制等［14］。系统运行时，数据将从趋势的右边进入，趋势将从右向左移动。

在组态王开发系统中制作画面时，单击工具箱中的“画实时曲线”按钮完成实时曲线任务。系统运行时，能够实时显示数据对象随时间变化的曲线，以便工作人员及时发现数据对象的变化情况并作出判决。历史曲线可用于查询以前的系统工作状况，组态王图库里备有完整的历史趋势曲线控件，可对其进行移动、缩放，并通过定义属性、填充属性和调整跨度、卷动百分比来界定曲线的具体形式。曲线定义的数据变量必须是在数据库中已经定义的，此功能实现了历史状况的趋势再现，便于工作人员进行数据趋势的分析。

3．5 报表打印窗口设计

在配电自动监控系统中，对电流、电压等参数的记录和保存是很重要的，所有记录可用于事后数据的查询和分析。组态王的数据保存是在变量定义时设定的，虽然数据采集频率可以设定为毫秒级，但组态王提供的最快数据保存频率是1个／s，但在必要时要求1s保存多个数据，直接使用组态王是不能实现的［5，15］。因此，本系统利用组态王提供的SQL访问功能，并结合ACCESS软件，实现微机监控系统或数据采集系统中毫秒级的数据保存功能。

组态王提供了丰富的报表函数，能制成实时报表和历史报表，表头制作由编辑框输入，下拉菜单通过程序定义，数据包括当时的或某一历史时间间隔内的电流、电压、时间等参数，可以实现历史数据查询，实时报表和历史报表的保存、打印等功能。程序在“画面属性”的“命令语言”中编写。

报表界面如图4所示。

图4 报表窗口Fig．4The report window

3．6 与Access 2000数据库连接

组态王虽然可定义数据文件在硬盘中的保存日期（超过该日期自动从硬盘中删除），但如果保存的时间较长，保存的数据量将非常庞大，不仅造成硬盘浪费，而且由于组态王的数据文件结构形式复杂，年终时报表处理也需要花费大量的处理时间。因此，本系统使用SQL技术将数据隔一定的时间保存到ACCESS 2000中。

首先建立一个ACCESS数据库，并且建立相应的数据表，然后在控制面板中的ODBC数据源中添加一个基于驱动程序ACCESSDriver的数据源在本系统中取名，如为“工作站”，并将该数据源连接到刚刚建立的ACCESS数据库。在组态王中用语句SQLConnect（DevicelD，“dsn＝工作站；uid＝；pwd＝”）实现和数据库的连接。然后，在组态王中建立对应的记录体，记录体名称和数据表名相同，字段名称也需和数据表中的字段名称相同。建好记录体后，可以在组态王命令语言中的运行时，使用SQLlnsert（DevicelD，TableName，BindList）语句将组态王的数据保存到ACCESS数据库中，当系统退出运行时语句SQLDISCONNECT（DeviceID）断开和数据库的连接。

4 结语

1）本系统运用组态王6．53软件实现上位机监控系统界面友好设计，其运行比较稳定，能有效缩短开发周期和降低高校配电工作人员的劳动强度，提高系统的可靠性，可应用于负荷性质相当的配电网实时监控系统中。

2）本系统的核心是实时数据库数据库。由于组态王的数据库不足以满足配电监控的实时性，所以本设计中采用Access 2000数据库，在以后的改进设计中，可以用关系型强的SQL Server 2008数据库代替Access 2000。

3）本系统能有效提高高校供电的可靠性，保证校园配电网重要负荷不受影响，常年不停电，为校园供配电提供可靠的基础保障，具有工程实际推广价值。

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