OPC技术在芭蕉河梯级电站集控改造中的应用

2020-07-09郑明友董海龙

水电与新能源 2020年6期

唐栋，郑明友，董海龙

(1.湖北芭蕉河水电开发有限责任公司，湖北鹤峰 445800；2. 南京南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏南京 211106)

芭蕉河水电公司位于湖北鹤峰县容美镇官坪村四组落山坝，其集控中心位于鹤峰县芭蕉河一级站集控室内，参与监控与调度的有3座电站，分别是芭蕉河一级电站，装机容量为2 ×17+1×1 MW；芭蕉河二级电站，装机容量为2×8 MW；燕子桥一级电站，装机容量为2×5 MW，集控总装机61 MW。

为满足电站“无人值班、少人值守”的要求，采取的梯级集控主干网设置集控中心，集中控制室设置在蕉一级站，另在蕉一级站、蕉二级站、燕子桥电站设工作台，之间采用光通信组网。芭蕉河集控中心计算机监控系统升级改造采用的是由南瑞集团公司(以下简称“南瑞”)自主研发的NC 2000 V3.0监控系统软件。该系统具有自主知识产权，按照“无人值班”(少人值守)模式设计，适用于中小型水电站及中小型水电站群的计算机监控系统。

1 OPC技术介绍

OPC是OLE for Process Control的缩写，即用于过程控制OLE。这是自动化和其他行业数据安全交换的互操作性标准。主要用来解决过程控制系统与其数据源的数据交换问题。

1.1 水电站的通信现状

水电站需要通信的设备很多, 如机组测速装置、机组测温装置、交流采样装置、现地控制单元(LCU)、机组保护装置、机组调速器系统、机组励磁系统、机组蝶阀系统、辅机控制系统、主变压器保护装置、故障录波装置、电量采集装置、直流系统、线路保护以及水情水电系统等数据，均需要接入上位机计算机监控系统。这些设备生产厂家较多，不同厂家的系统或设备所用通信方式、通信协议也较多，经常出现通信不匹配，通信异常的情况。

当前水电站系统模式最常见的通讯方式有两种：

1)前置机通讯方式。这是在现地控制单元(LCU)柜上装备一种工控机作为前置机, 对每个LCU站内前置机就需要负责与各设备进行实时通信，数据处理，显示，数据和后台监控系统之间的数据交换。

2)通信管理机通讯方式。这是将数据交由通信管理机完成各种现场总线模式及通信协议的转换，再采用统一的标准上送后台监控系统的一种方式。

这两种方式都需要有负责协议转换的机器完成通信协议的转换，以及上送后台监控的数据集成和编制通信协议的设备。不难看出存在以下弊端：

1)协议重复开发。根据每家软件系统开发商的不一样，必须为每个特定的硬件设备开发一个驱动程序，用于满足互联要求。

2)驱动程序的不一致性。软件开发商从各自需要及保密要求出发，往往采用不同的数据交换协议以开发驱动程序，往往使得驱动程序不一致。

3)硬件特性变化多端。硬件特性的变化导致以往的驱动程序互联失败,软件开发商必须根据硬件的变化来开发新的驱动程序。

4)访问经常冲突。两个软件包因使用了不同的驱动程序导致不能同时访问同一个设备的情况时时发生。

1.2 OPC的特点

OPC技术的运用使得用户根据实际需要很容易就能将它们集成为完整的自动化系统。OPC技术的使用使OPC服务器代替了原来的通信协议，并将各种应用设计为OPC客户机，在OPC客户机与OPC服务器之间就可以进行通信和互操作，软硬件厂商可以在互联问题上花很少的时间，集中精力解决应用需求，从而消除大量的重复劳动。

2 原有系统通讯原理

芭蕉河集控中心于2006年投入使用，采用扩大厂站模式(一厂多站控制模式)，参与监控与调度的有三座电站，后台监控系统采用GE公司的ifix组态软件，现地控制单元采用南瑞设计的SJ-500系列。通过对芭蕉河原有监控系统与系统结构分析，如图1所示，fix监控系统采用OPC技术与现地控制单元通过工业以太网进行数据交互。

图1 原一级站通讯原理图

3 集控改造后的通讯原理

根据原有监控的通讯方案，结合现场实际情况，要快速有效的实现NC2000监控系统软件与原有现地控制单元的数据通讯，决定使用软件KEPServerEx作为OPC服务器，通过相应的驱动程序获取现地控制单元中PLC(可编程控制器)的数据，并结合南瑞自主开发组件OPC_104Slave与监控系统通过IEC104规约实现数据交互。如图2所示，实现此通讯方案，需要完成KEPServerEx，OPC_104Slave和监控系统104主站通讯驱动的配置。

图2 改造通讯原理图

3.1 KEPServerEx介绍及配置

KEPServerEx是Kepware的OPC服务器产品，具有广泛的设备驱动程序插件和组件，支持多种品牌PLC产品，可以很方便的与多种设备建立连接。

在运行KEPServerEx后，需着重配置以下几项。

建立一个通道，命名为LCU1，根据向导程序,软件自带帮助(Driver Help)，通过需要采集数据CPU模块型号来选择设备驱动名称，例如芭蕉河一级站现地单元PLC为AB，选择Allen-Bradley Ethernet，如图3所示，根据一些网络优化的选项保持默认值，完成了对通道类型的设置。

在该通道内建立新设备，根据向导程序，输入设备名字为Dev1，设备类型选择CPU模块型号。设备的ID号(device ID)要与在PLC配置中的CPU模块的IP地址相同，例如10.124.*.*，如图4所示，随后的选项保持默认值，这样就确定了要进行通信的具体通道。

最后在设备里添加需要通讯的变量来完成KEPServerEx的配置，如图5所示。

图3 KEPServerEx设备驱动选择图

图4 KEPServerEx 驱动IP设置图

图5 KEPServerEx增加变量图

3.2 OPC_104Slave的介绍及配置

OPC_104Slave是由南瑞集团公司开发的OPC客户端组件，需要从OPC服务器中读写的数据加载到软件中，通过IEC104规约与上位机监控系统进行数据交互，支持单个寄存器和连续多个寄存器值的写入OPC服务器。

在运行OPC_104Slave 后，首先建立一个OPC服务器连接，在本地服务器里选择需要加载的OPC服务器，例如选KEPware.KEPServerEx.V4，完成后建立组LCU1，在组里批量添加需要上送监控系统的数据，然后配置OPC_104Slave.csv和OPC_104Slave.ini这两个文件来实现与上位机监控系统进行通讯，如图6所示。

图6 OPC_104Slave配置图

3.3 监控系统介绍和IEC104规约介绍

NC2000 V3.0系统软件是面向水利水电行业研制的大型计算机监控系统软件。该软件是一款真正具有跨平台能力、全面支持异构平台的多层分布式面向对象的计算机监控系统软件，它包含了分布式对象架构，全面支持异构平台的特性，提供了高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态工具、精细美观的图形界面、实用方便的应用界面、多种符合国际标准的接口以及紧贴水利水电用户和梯级集控调度应用需求的各种常规及高级功能。目前已经在200余家大中型项目中获得广泛应用。

IEC104规约由国际电工委员会制定。IEC104协议通过网络协议TCP/IP定义了IEC101应用服务数据单元(ASDU)的传输标准，为远程信息的网络传输提供了通信协议基础。与该实施例ASDU 104 101规约组合规约，良好的可靠性可以被标准化。

3.4 监控系统IEC104驱动配置

在主服务器上运行NC2000监控系统，在进程管理自启动中添加驱动名称iec104d，在数据库各节点的驱动配置中配置相关驱动，并命名资源文件名称，然后在工程文件夹project.sdz/drv中配置资源文件的相关参数，最后在监控软件的通讯接口里配置测点表来完成IEC104通讯驱动的配置(注：通讯接口测点表里的数据顺序必须与配置文件OPC_104Slave.csv里的数据顺序保持一致)。