兩種基于web的發電機勵磁系統遠程監測方法

傅 磊,劉甲林

(哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150036)

兩種基于web的發電機勵磁系統遠程監測方法

傅 磊,劉甲林

(哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150036)

根據同步發電機勵磁控制系統的典型監測功能,基于在LABVIEW環境下開發的勵磁控制系統軟件,給出了一種基于web發布技術的瀏覽器遠程監測系統實現方法,所設計的系統在LABVIEW組件支持下能夠在局域網或internet網絡中實現遠程監測功能。利用AJAX技術,給出了一種基于web應用開發的瀏覽器遠程監測系統的實現方法,所設計的系統能夠在計算機或移動終端設備僅安裝瀏覽器的條件下,在局域網或internet網絡中實現勵磁控制系統的遠程監測。

同步發電機;勵磁控制系統; LABVIEW; AJAX;遠程監測

發電機勵磁控制系統作為電網系統的重要組成部分,直接影響到發電機系統運行的可靠性、經濟性和穩定性。當電力系統正常運行時,發電機勵磁控制系統通過控制發電機機端電壓來減小電壓波動,控制無功平衡無功功率的分配;當電力系統出現故障時,發電機勵磁系統可以提高系統的抗干擾能力和維持電力系統穩定運行。因此,為保證勵磁控制系統的穩定運行,對勵磁系統設備及運行狀況進行監測是必不可少的[1-2]。

隨著網絡技術應用的日趨普及,網絡化遠程監測作為一項監測技術,逐漸成為一個熱門的應用方向。在工業控制領域,越來越多的工業產品提供網絡互連接口,逐漸代替了原來的串口通信等通信技術,工業現場控制系統可以直接接入到工業控制網絡,甚至可以接入企業內部互聯網,從而打破了原來自動化信息孤島的局面,為監測設備提供了方便。另一方面,遠程監測技術的實施使得設備提供商不再凡事都親臨現場,而是通過遠程監測就可以在企業內部甚至異地進行現場設備診斷,得到設備運行狀況信息,為現場操作人員提供診斷和維護意見。因此,遠程監測為系統的故障診斷和維護提供了技術支持,也降低了服務人員凡事都必須到現場調試和維護的安全風險[3-4]。

本文針對勵磁控制系統的主要監測功能,基于已投用的某型號沖擊發電機勵磁控制系統,根據所采用的控制器的不同,給出了兩種基于web的遠程網絡監測軟件的設計及實現方法。一種實現方法是勵磁控制器采用NI Compact RIO工業控制器,將其作為web服務器,或利用上位控制計算機作為web服務器實現遠程監測。另一種實現方法是勵磁控制器采用研華工業控制器MIC2000,通過利用上位控制計算機作為web服務器實現基于web的遠程監測。

1 沖擊發電機勵磁典型監測功能

沖擊發電機又叫做短路發電機,主要用于高壓開關的短路試驗,使發電機上升到指定電壓,負載端接入高壓開關,瞬間開關閉合斷開,以測試開關的高壓大電流閉合斷開性能。沖擊發電機的勵磁控制系統功能與常規的同步發電機勵磁控制系統功能基本相同。勵磁控制系統由兩套獨立控制器通道和一套獨立模擬通道構成,每個控制器通道分別包括機端電壓控制和勵磁電流控制兩個閉環控制環節,模擬通道采用由模擬電路搭建的控制回路,實現勵磁電流的閉環控制。與常規發電機勵磁控制不同的是,沖擊發電機在投入應用后,一般只運行在機端電壓調節模式,根據現場工況進行電壓閉環控制。核心控制功能包括PID控制以及各種限制(例如轉子電流限制)和保護(例如PT斷線保護、脈沖丟失保護)等。上位機軟件通常負責對控制運行狀態和參數的監視以及參數調節。其主要功能通常包括:

1) 操作方式選擇。根據允許操作的地點選擇是在設備現場計算機上操作還是在遠程中控室的計算機上操作。

2) 運行方式。根據運行工況選擇機端電壓調節模式、勵磁電流調節模式、模擬通道勵磁電流調節模式等模式中的一種。

3) 給定值設置。根據運行工況通過操作界面改變閉環控制的給定值。

4) 定子電流限制值設置。根據運行工況通過操作界面改變定子電流限制閾值。

5) 系統參數設置。根據運行工況設置電壓閉環控制參數、電流閉環控制參數、限制保護參數、定標變量參數、沖擊參數等。

6) 狀態監視。監測與勵磁系統有關的監測點和控制點的運行狀態,包括機端電壓、勵磁電流等模擬量和滅磁開關、短路開關、整流橋投切、通道在線等狀態量,調節器內部運行狀態、系統限制功能狀態等。

7) 故障監測。包括實時故障、歷史故障、實時限制、歷史限制記錄。

8) 數據分析。主要用于重要模擬量和狀態量的實時曲線顯示,以及曲線的歷史記錄和保存。自動記錄故障點前后一段時間內的數據,手動保存特定時間段的數據量變化。

2 基于web發布技術的勵磁控制系統遠程監測

基于LABVIEW的web發布技術的遠程監測系統的勵磁控制器采用美國NI公司基于工業以太網的Compact RIO工業控制器,此控制器面向工業過程實時控制,采用開放式、模塊化結構設計,維護簡單,升級方便,采用嵌入式操作系統,實時性強。同時實時控制器與FPGA相結合,滿足硬實時與軟實時的需求,支持實時控制應用系統開發[5-6],而用于遠程監測的核心功能就是此款控制器支持基于web的應用程序發布功能[7-8]。由于此控制器目前的應用日趨廣泛,并且已在發電機勵磁領域有一定的應用,而且針對web應用技術,LABVIEW提供了一套比較完整的web發布方法,不需要進行復雜的web開發,因此本文給出了利用此控制器實現web遠程監測的方法。

使用Compact RIO控制器實現web遠程監測使用了兩種方法:

1) 使用控制器本身作為web服務器。首先采用NI MAX軟件在控制器上安裝web服務器應用,同時配置控制器的IP地址。之后利用LABVIEW開發監測程序VI,將其作為一個子VI加入到控制器運行的應用程序中。監測程序與控制器程序直接通信,獲取控制器程序中的監測數據,將控制器應用程序生成獨立的嵌入式系統可執行應用程序,通過配置將其作為可自啟動的應用程序,當控制器上電后應用程序自動運行,保證用于遠程監測的VI程序也同時自動運行。

勵磁控制系統遠程監測程序依照前述沖擊發電機的主要監測功能實現,由6個子界面構成,分別為主要參數監視界面、狀態量監視界面、模擬量監視界面、控制參數監視界面、沖擊參數監視界面、故障報警監視界面。通過lABVIEW的web發布功能,將應用程序VI發布成網頁,在瀏覽器中顯示的監控網頁如圖1所示。從圖1可以看到,開發好的應用程序VI以插件形式嵌入到網頁中,將此網頁拷貝到Compact RIO控制器的web服務器根目錄,然后就需配置控制器的web訪問設置。在控制器程序開發工程中,打開web server配置頁面,勾選遠程前面板服務器配置HTTP端口和遠程前面板選項,后續還有一些訪問限制功能,如選擇用戶可以訪問的VI,通過設置IP地址允許指定用戶訪問遠程監測頁面,根據具體需要可以有選擇地進行配置。通過上述配置,在每次Compact RIO控制器啟動后,就可以利用局域網計算機的瀏覽器,通過輸入由IP地址、端口以及指定監測HTML頁面名稱構成的HTTP地址進行監測頁面的訪問。在實際應用中,由于直接訪問控制器給控制器帶來了網絡安全問題,因此上述方法適合在局域網內訪問。

圖1 基于web發布技術的遠程監測主頁面

2) 利用上位控制計算機作為web服務器進行遠程訪問。首先將已開發的監測應用程序VI從開發程序的控制器端轉移到客戶端,之后在客戶端將此VI加入到上位計算機的應用程序中,生成獨立的可執行程序。在上位計算機監控軟件運行時,監測應用程序VI保證同時運行,再利用應用程序web發布工具進行web頁面發布,將發布的頁面拷貝到指定的文件目錄下,然后在控制計算機上進行web服務器配置。具體方法為:打開開發程序工程中的web server配置功能,勾選遠程面板服務器功能,設置已經發布網頁所在的文件目錄為web服務器的主目錄,配置HTTP端口,勾選遠程前面板選項,同樣后續也可以進行指定VI和指定用戶的頁面訪問限制功能。通過配置,可以將控制計算機作為web服務器進行遠程訪問,在局域網內的訪問方式與以控制器作為web服務器的訪問方法相同。每次需要訪問之前,首先運行上位控制計算機的控制軟件,同時啟動web服務器,之后即可通過遠程客戶端的瀏覽器進行遠程訪問監測頁面。這種配置的優點在于遠程訪問客戶端不直接訪問控制器,上位控制計算機可以將遠程客戶端與控制器進行物理上的隔離,避免了直接訪問控制器的網絡安全問題。基于web的勵磁系統遠程監測網絡結構如圖2所示。

圖2 基于web發布技術的遠程監測結構

在上面給出的兩種監測方法中,通過測試均可在局域網范圍內進行訪問。而在internet上訪問,必須連通web服務器與internet的網絡,在本設計中是利用域名訪問方式實現的。首先申請域名,然后利用花生殼域名解析軟件,通過內網映射,進行internet訪問。對于控制器作為web服務器的方法,需要申請公網固定IP地址作為控制器的IP地址,直接訪問控制器的web服務器,但此時只有連通公網的局域網內計算機可以訪問,而局域網內卻不能訪問,局域網內訪問需要通過控制器的另外一個以太網口連接到局域網內實現。對于上位控制計算機作為web服務器的方法,上位控制計算機同樣配備雙網卡結構,一個網口連接局域網,另一個網口連接公網。連接公網的網口可以采用無線網卡,也可以通過有線寬帶連接。只要遠程計算機客戶端能夠接入internet,便可通過由域名、端口、網頁名構成的HTTP地址在瀏覽器中進行訪問。

3 基于web應用開發的勵磁控制系統遠程監測

上面所實現的勵磁系統遠程監測僅僅是針對基于Compact RIO控制器,采用LABVIEW開發勵磁控制系統所實施的web遠程監測方法。如果要實現遠程訪問,遠程監測客戶端必須安裝lABVIEW運行環境組件,因此一定程度上限制了其應用范圍。針對這種情況,本文又給出了一種通用環境下實現遠程監測的開發方法,無論是何種開發環境所開發的上位控制軟件,只要上位控制軟件能夠實時存儲并更新數據文件即可。依托背景是某型號沖擊發電機勵磁控制系統,下位控制器采用研華MIC2000控制器,上位控制計算機采用研華PPC-128T,軟件采用VC開發。采用此方法設計的web遠程監測系統,不需要依賴某種特定運行環境,只需在遠程計算機上安裝瀏覽器即可,而且不需要安裝任何插件。設計的系統采用AJAX技術,與傳統web應用開發方式不同,AJAX是一種創建交互式動態網頁應用的開發技術,能夠有選擇性的向服務器發送所需要的數據,并取回指定的數據,在客戶端采用javascript處理數據,在網頁不整體刷新的條件下動態提取并顯示數據。基于AJAX架構的web應用顯著的優點就是在小規模應用中不再需要ASP、JSP等動態網頁開發技術,因此所開發的應用程序更小、更快,同時當前的瀏覽器,例如IE、360、FIREFOX,以及這些瀏覽器的智能手機端版本,均能在不需要安裝插件的情況下良好運行所開發的頁面。基于web的勵磁系統遠程監測應用的架構如圖3所示。

圖3 基于web開發技術的遠程監測結構

系統由帶有web瀏覽器的遠程客戶機、本地客戶機、web服務器以及勵磁控制器構成。客戶機可以是安裝了瀏覽器的計算機,也可以是安裝了瀏覽器的智能手機(iOS、Android、Windows Phone)。服務器采用現場上位控制計算機(研華PPC-128T),服務器上運行windows XP系統,由于XP系統自帶IIS,因此不需要另外安裝web服務器軟件。通過配置好IIS即可作為web服務器使用,上位控制計算機(PPC-128T)上運行的控制操作軟件(采用VC6.0開發)與下位勵磁控制器(MIC2000)之間的通信采用串口通信方式。當勵磁控制系統運行時,下位控制器負責采集勵磁系統參數及狀態信息,上位控制計算機運行的控制界面軟件程序利用串口通信獲取控制器上的監測數據或下發控制指令給控制器;上位控制軟件程序將獲取的監測數據在顯示到界面的同時,利用數據寫入文件程序將監測數據寫入指定的數據文件,并定時更新,這樣就保證了實時數據均能存儲到數據文件。之后在web網頁中采用AJAX架構編寫定時讀取文件程序讀取存儲實時數據的文件,在web頁面上實時動態顯示,這樣就完成了基于web方式的勵磁控制系統監測任務。

基于上述方法所開發的勵磁控制系統web遠程監測,在指定IP地址和端口的條件下可在局域網內利用瀏覽器訪問,實現效果如圖4所示。遠程監測系統由主監控畫面、狀態量監測、模擬量監測、控制參數監測、沖擊參數監測等五部分構成。監測數據在上位控制軟件實時動態存儲文件數據改變時,能實時動態刷新。

圖4 基于AJAX技術的web監測主頁面

可以看出,基于web應用開發的勵磁控制遠程監測系統可以脫離勵磁控制系統的開發環境,無論針對是何種開發環境開發的上位控制計算機軟件,只要上位控制計算機軟件能夠實時更新數據存儲文件即可,使其應用范圍明顯擴大。通過實際測試表明,基于web應用開發的遠程監測系統可以在局域網范圍內和internet范圍內進行訪問。在本系統測試過程中,通過使用無線網卡將上位計算機接入internet,通過申請域名、安裝域名解析軟件、配置內網端口映射,實現了internet訪問功能。在測試過程中,計算機安裝的IE瀏覽器、360瀏覽器,手機端安裝的IE瀏覽器、safari瀏覽器,QQ瀏覽器均能實現遠程監測界面的正常訪問,并能實現在整體頁面不刷新的情況下動態實時顯示監測數據。

4 結 語

基于web的勵磁控制系統遠程監測技術能夠以較低的成本為現場設備監控人員隨時隨地實現遠離設備現場的監測任務,為異地的故障診斷專家進行勵磁設備運行狀態的分析和診斷提供技術支持,大大降低了設備的維護成本,提高了現場勵磁設備監測及診斷維護的便捷性。由此可以看到,隨著互聯網技術的發展,遠程監測技術必將在電力行業應用方面獲得更大的發展空間。

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(責任編輯 侯世春)

Two methods of remote supervision and measurement of generator excitation system

FU Lei, LIU Jialin

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150036, China)

According to the typical supervision and measurement function of synchronous generator excitation control system, a kind of remote supervision and measurement method using browser based on web publishing technology was given under the background of excitation control system software developed by LABVIEW. The remote supervision and measurement function can be implemented via local or internet network by the support of LABVIEW component. Then, using AJAX technology a kind of browser remote supervision and measurement method based on web application development was presented. The remote supervision and measurement of excitation control system can be executed in local or internet network by only using network browser installed on PC or mobile terminal device.

synchronous generator; excitation control system; LABVIEW; AJAX; remote supervision and measurement

2014-04-16。

傅 磊(1978—),男，博士,工程師,主要從事發電機勵磁控制系統軟件開發研究工作。

TM761.11

A

2095-6843(2015)05-0447-05