王瑞，張曉海

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展使電力成本以及電力相關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本所占的比重大幅度增長(zhǎng)，為提高效率、減少損失、降低運(yùn)營(yíng)成本，供電企業(yè)和用戶對(duì)供配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。供配電監(jiān)控系統(tǒng)作為管理系統(tǒng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)分析供配電效率、縮小電力運(yùn)營(yíng)成本的手段，是供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分［1－2］。近年來由于IPC技術(shù)的發(fā)展，各類國(guó)產(chǎn)PC軟件也向控制領(lǐng)域邁出了新的步伐，由軟件主導(dǎo)的系統(tǒng)具有控制靈活和成本較低的優(yōu)勢(shì)，組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用也因此延伸到了中小型供配電控制系統(tǒng)中。

組態(tài)技術(shù)具有功能擴(kuò)展容易、開發(fā)周期短、界面豐富且與外界數(shù)據(jù)交互方便等優(yōu)點(diǎn)，可支持各種工控設(shè)備和常用通信協(xié)議，并且可提供分布式數(shù)據(jù)管理及網(wǎng)絡(luò)功能。隨著組態(tài)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對(duì)I／O設(shè)備的廣泛支持已成為其主要內(nèi)容。

配電站是學(xué)校的重要基礎(chǔ)設(shè)施，校園配電實(shí)現(xiàn)監(jiān)控自動(dòng)化是發(fā)展的必然趨勢(shì)，它的實(shí)現(xiàn)可以提高學(xué)校配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)和管理水平，但成本較高，所以，開發(fā)校園配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行系數(shù)，同時(shí)減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將為學(xué)校帶來極大的效益。本設(shè)計(jì)以石河子大學(xué)配電網(wǎng)為例，石河子大學(xué)分南、北、中和東4個(gè)校區(qū)，高壓電源為10kV［3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以石河子大學(xué)校園配電網(wǎng)主網(wǎng)架為設(shè)計(jì)依據(jù)，系統(tǒng)擁有大量控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置，組態(tài)王軟件內(nèi)部具有各種通訊I／O驅(qū)動(dòng)，可以很好滿足用戶的需求，不需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，用戶也不需要掌握太多的編程語言技術(shù)，這不僅縮短了開發(fā)周期，更提高了系統(tǒng)的可靠性。其主要功能是完成監(jiān)控主機(jī)對(duì)下層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、顯示、保存、查詢，并可以下傳命令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，即對(duì)配電一次設(shè)備（電源進(jìn)線、主變、饋線、斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等）的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保證其正常運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障，能夠自愈或及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量與控制操作包括以下幾個(gè)方面：

1）模擬量：一般是下位機(jī)通過A／D轉(zhuǎn)換采集的數(shù)據(jù)，如電壓、電流、頻率、功率等。這些數(shù)據(jù)是直接反映電力系統(tǒng)的狀態(tài)，同時(shí)也是監(jiān)控的重要對(duì)象。

2）開關(guān)量：是現(xiàn)場(chǎng)斷路器的狀態(tài)量，只有0或l 2種狀態(tài)，可以為這2種狀態(tài)分別命名。

3）電度量：分為有功電能和無功電能。

4）事件順序記錄SOE：包括斷路器跳合閘記錄、保護(hù)動(dòng)作順序記錄。

5）故障錄波：記錄繼電保護(hù)動(dòng)作前后與故障有關(guān)的電流量、電壓量。

6）遙控操作：遙控操作主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)進(jìn)行分、合閘操作以及保護(hù)功能的投入、退出等控制。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的通訊方式及硬件組成

2．1 通訊方式的選擇

目前，可供使用和選擇的通信方式有很多種，按照傳統(tǒng)分類方式分為有線方式和無線方式［4］。主站與子站之間的通訊特點(diǎn)是通道數(shù)少、信息量大、可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，而配電終端的通訊卻具有數(shù)量龐大、通信節(jié)點(diǎn)分散、節(jié)點(diǎn)間距短、實(shí)時(shí)通信要求不高等特點(diǎn)。因此，為了以較經(jīng)濟(jì)的方式全面滿足校園配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，主站與子站之間采用光纖自愈通訊方式，實(shí)現(xiàn)通訊自愈功能，子站與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間采用 RS－232轉(zhuǎn) RS－485，再經(jīng) RS－485轉(zhuǎn)RS－232。

2．2 硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)與PLC組成的分布式串行通信測(cè)控系統(tǒng)［5－6］。該系統(tǒng)以主機(jī)為核心，通過串行接口與分站連接，整個(gè)系統(tǒng)由主機(jī)調(diào)度和管理。主機(jī)采用具有良好人機(jī)界面和輸出設(shè)備的PC機(jī)，下位機(jī)通過變送器面向監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)監(jiān)控軟件通過與S7－300系列PLC向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，生成各種曲線和完成一些操作?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用泰安華電智能科技有限公司生產(chǎn)的ZPM610AB、ZPM610AQ、ZPM610BB等智能配電監(jiān)控模塊，負(fù)責(zé)各種電力參數(shù)的采集并保存在寄存器中。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、成本低、組成靈活、易于擴(kuò)展，適合在負(fù)荷相當(dāng)?shù)母咝Ｅ潆娮詣?dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖Fig．1Monitoring system hardware block diagram

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［7－10］

監(jiān)控系統(tǒng)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心［11］。組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，以Windows98／Windows2000／WindowsNT4．0 中 文操作系統(tǒng)為其操作平臺(tái)，能充分利用Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)。采用PC機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，并可運(yùn)用PC機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開發(fā)。

3．1 主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控機(jī)監(jiān)控軟件包含以下模塊：主畫面、報(bào)警畫面、歷史曲線畫面和報(bào)表畫面等。用戶可以通過主菜單欄進(jìn)入其他子系統(tǒng)。主畫面中以圖形顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各電力參數(shù)，并可以進(jìn)行相關(guān)控制；報(bào)警畫面可以進(jìn)行報(bào)警記錄、查詢；歷史曲線畫面中可以調(diào)出各監(jiān)測(cè)參數(shù)的歷史記錄，以曲線形式形象地表示出來，可以查閱任意時(shí)段的歷史記錄；報(bào)表畫面可以進(jìn)行歷史報(bào)表和實(shí)時(shí)報(bào)表的查詢、導(dǎo)出和打印。主界面如圖2所示。

組態(tài)王除了在建立動(dòng)畫連接時(shí)支持的連接表達(dá)式以外，還允許用戶定義命令語言來驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序，極大增強(qiáng)了應(yīng)用程序的靈活性。命令語言的語句和C語言類似，應(yīng)用程序命令語言主要用于系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)退出時(shí)的處理以及常規(guī)程序處理［12］。為了滿足系統(tǒng)的特殊需要，組態(tài)王提供的自定義函數(shù)命令語言可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)組態(tài)王提供的各種函數(shù)不能滿足工程的需要時(shí)，通過自定義語言自定義各種類型的函數(shù)。

圖2 主界面圖Fig．2The main interface

3．2 數(shù)據(jù)庫(kù)定義

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王最核心的部分，是組態(tài)工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，它既通過下位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，又支持這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線生成［13］。組態(tài)王的數(shù)據(jù)類型分為基本類型和特殊類型二大類，基本類型變量又分為“內(nèi)存變量”和“I／O變量”，特殊類型變量有報(bào)警窗口變量、報(bào)警組變量、歷史趨勢(shì)曲線變量及系統(tǒng)預(yù)設(shè)變量。其中數(shù)據(jù)庫(kù)定義包括變量名、變量類型、初始值、數(shù)值范圍、連接設(shè)備、寄存器和報(bào)警組（圖3）。本系統(tǒng)是對(duì)一次配電設(shè)備不同參數(shù)的采集、顯示及控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況要以動(dòng)態(tài)畫面的形式顯示在主界面上，因此，整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控都要以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)交換中心，設(shè)計(jì)的變量名稱與采集的參數(shù)名應(yīng)相一致。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)定義Fig．3Database definition

3．3 報(bào)警窗口設(shè)計(jì)

事件報(bào)警包括開關(guān)量報(bào)警和模擬量越限報(bào)警。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)類型分為2種報(bào)警類型，一種是遙信報(bào)警，用于監(jiān)測(cè)斷路器、隔離開關(guān)、變壓器、繼電保護(hù)裝置等儀器的狀態(tài)；另一種是遙測(cè)報(bào)警，用于監(jiān)測(cè)各段母線、電容器、饋線的電壓、電流，主變的油溫、直流電源電壓等。通過通信通道上傳至監(jiān)控主機(jī)的報(bào)警窗口，用戶可以很直觀地監(jiān)視和查看系統(tǒng)的報(bào)警信息、操作和控制各個(gè)子站的運(yùn)行狀況。

當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，可自動(dòng)推出報(bào)警窗口，列表顯示報(bào)警信息，在報(bào)警窗口中可完成瀏覽、篩選、確認(rèn)等操作，可同時(shí)進(jìn)行聲光、語音等報(bào)警。上位機(jī)可自動(dòng)產(chǎn)生SOE記錄，也可由RTU產(chǎn)生SOE記錄，然后傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中列表顯示。當(dāng)記錄緩沖區(qū)達(dá)到設(shè)定數(shù)目或系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將這些報(bào)警和事件信息寫到報(bào)警存儲(chǔ)文件、打印機(jī)或數(shù)據(jù)庫(kù)中，可實(shí)時(shí)打印報(bào)警記錄，也可隨后列表打印報(bào)警信息。

3．4 曲線窗口設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線能夠用來反映信號(hào)的變化情況，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線包括畫面坐標(biāo)的定義、曲線繪制等［14］。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)將從趨勢(shì)的右邊進(jìn)入，趨勢(shì)將從右向左移動(dòng)。

在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作畫面時(shí)，單擊工具箱中的“畫實(shí)時(shí)曲線”按鈕完成實(shí)時(shí)曲線任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)對(duì)象隨時(shí)間變化的曲線，以便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)象的變化情況并作出判決。歷史曲線可用于查詢以前的系統(tǒng)工作狀況，組態(tài)王圖庫(kù)里備有完整的歷史趨勢(shì)曲線控件，可對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)、縮放，并通過定義屬性、填充屬性和調(diào)整跨度、卷動(dòng)百分比來界定曲線的具體形式。曲線定義的數(shù)據(jù)變量必須是在數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)定義的，此功能實(shí)現(xiàn)了歷史狀況的趨勢(shì)再現(xiàn)，便于工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)的分析。

3．5 報(bào)表打印窗口設(shè)計(jì)

在配電自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)電流、電壓等參數(shù)的記錄和保存是很重要的，所有記錄可用于事后數(shù)據(jù)的查詢和分析。組態(tài)王的數(shù)據(jù)保存是在變量定義時(shí)設(shè)定的，雖然數(shù)據(jù)采集頻率可以設(shè)定為毫秒級(jí)，但組態(tài)王提供的最快數(shù)據(jù)保存頻率是1個(gè)／s，但在必要時(shí)要求1s保存多個(gè)數(shù)據(jù)，直接使用組態(tài)王是不能實(shí)現(xiàn)的［5，15］。因此，本系統(tǒng)利用組態(tài)王提供的SQL訪問功能，并結(jié)合ACCESS軟件，實(shí)現(xiàn)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)保存功能。

組態(tài)王提供了豐富的報(bào)表函數(shù)，能制成實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，表頭制作由編輯框輸入，下拉菜單通過程序定義，數(shù)據(jù)包括當(dāng)時(shí)的或某一歷史時(shí)間間隔內(nèi)的電流、電壓、時(shí)間等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表的保存、打印等功能。程序在“畫面屬性”的“命令語言”中編寫。

報(bào)表界面如圖4所示。

圖4 報(bào)表窗口Fig．4The report window

3．6 與Access 2000數(shù)據(jù)庫(kù)連接

組態(tài)王雖然可定義數(shù)據(jù)文件在硬盤中的保存日期（超過該日期自動(dòng)從硬盤中刪除），但如果保存的時(shí)間較長(zhǎng)，保存的數(shù)據(jù)量將非常龐大，不僅造成硬盤浪費(fèi)，而且由于組態(tài)王的數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，年終時(shí)報(bào)表處理也需要花費(fèi)大量的處理時(shí)間。因此，本系統(tǒng)使用SQL技術(shù)將數(shù)據(jù)隔一定的時(shí)間保存到ACCESS 2000中。

首先建立一個(gè)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，并且建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，然后在控制面板中的ODBC數(shù)據(jù)源中添加一個(gè)基于驅(qū)動(dòng)程序ACCESSDriver的數(shù)據(jù)源在本系統(tǒng)中取名，如為“工作站”，并將該數(shù)據(jù)源連接到剛剛建立的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)。在組態(tài)王中用語句SQLConnect（DevicelD，“dsn＝工作站；uid＝；pwd＝”）實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。然后，在組態(tài)王中建立對(duì)應(yīng)的記錄體，記錄體名稱和數(shù)據(jù)表名相同，字段名稱也需和數(shù)據(jù)表中的字段名稱相同。建好記錄體后，可以在組態(tài)王命令語言中的運(yùn)行時(shí)，使用SQLlnsert（DevicelD，TableName，BindList）語句將組態(tài)王的數(shù)據(jù)保存到ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)語句SQLDISCONNECT（DeviceID）斷開和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。

4 結(jié)語

1）本系統(tǒng)運(yùn)用組態(tài)王6．53軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面友好設(shè)計(jì)，其運(yùn)行比較穩(wěn)定，能有效縮短開發(fā)周期和降低高校配電工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的可靠性，可應(yīng)用于負(fù)荷性質(zhì)相當(dāng)?shù)呐潆娋W(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中。

2）本系統(tǒng)的核心是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)。由于組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)不足以滿足配電監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，所以本設(shè)計(jì)中采用Access 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，在以后的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，可以用關(guān)系型強(qiáng)的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)代替Access 2000。

3）本系統(tǒng)能有效提高高校供電的可靠性，保證校園配電網(wǎng)重要負(fù)荷不受影響，常年不停電，為校園供配電提供可靠的基礎(chǔ)保障，具有工程實(shí)際推廣價(jià)值。

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