傅 磊,刘甲林

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150036)

两种基于web的发电机励磁系统远程监测方法

傅 磊,刘甲林

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150036)

根据同步发电机励磁控制系统的典型监测功能,基于在LABVIEW环境下开发的励磁控制系统软件,给出了一种基于web发布技术的浏览器远程监测系统实现方法,所设计的系统在LABVIEW组件支持下能够在局域网或internet网络中实现远程监测功能。利用AJAX技术,给出了一种基于web应用开发的浏览器远程监测系统的实现方法,所设计的系统能够在计算机或移动终端设备仅安装浏览器的条件下,在局域网或internet网络中实现励磁控制系统的远程监测。

同步发电机;励磁控制系统; LABVIEW; AJAX;远程监测

发电机励磁控制系统作为电网系统的重要组成部分,直接影响到发电机系统运行的可靠性、经济性和稳定性。当电力系统正常运行时,发电机励磁控制系统通过控制发电机机端电压来减小电压波动,控制无功平衡无功功率的分配;当电力系统出现故障时,发电机励磁系统可以提高系统的抗干扰能力和维持电力系统稳定运行。因此,为保证励磁控制系统的稳定运行,对励磁系统设备及运行状况进行监测是必不可少的[1-2]。

随着网络技术应用的日趋普及,网络化远程监测作为一项监测技术,逐渐成为一个热门的应用方向。在工业控制领域,越来越多的工业产品提供网络互连接口,逐渐代替了原来的串口通信等通信技术,工业现场控制系统可以直接接入到工业控制网络,甚至可以接入企业内部互联网,从而打破了原来自动化信息孤岛的局面,为监测设备提供了方便。另一方面,远程监测技术的实施使得设备提供商不再凡事都亲临现场,而是通过远程监测就可以在企业内部甚至异地进行现场设备诊断,得到设备运行状况信息,为现场操作人员提供诊断和维护意见。因此,远程监测为系统的故障诊断和维护提供了技术支持,也降低了服务人员凡事都必须到现场调试和维护的安全风险[3-4]。

本文针对励磁控制系统的主要监测功能,基于已投用的某型号冲击发电机励磁控制系统,根据所采用的控制器的不同,给出了两种基于web的远程网络监测软件的设计及实现方法。一种实现方法是励磁控制器采用NI Compact RIO工业控制器,将其作为web服务器,或利用上位控制计算机作为web服务器实现远程监测。另一种实现方法是励磁控制器采用研华工业控制器MIC2000,通过利用上位控制计算机作为web服务器实现基于web的远程监测。

1 冲击发电机励磁典型监测功能

冲击发电机又叫做短路发电机,主要用于高压开关的短路试验,使发电机上升到指定电压,负载端接入高压开关,瞬间开关闭合断开,以测试开关的高压大电流闭合断开性能。冲击发电机的励磁控制系统功能与常规的同步发电机励磁控制系统功能基本相同。励磁控制系统由两套独立控制器通道和一套独立模拟通道构成,每个控制器通道分别包括机端电压控制和励磁电流控制两个闭环控制环节,模拟通道采用由模拟电路搭建的控制回路,实现励磁电流的闭环控制。与常规发电机励磁控制不同的是,冲击发电机在投入应用后,一般只运行在机端电压调节模式,根据现场工况进行电压闭环控制。核心控制功能包括PID控制以及各种限制(例如转子电流限制)和保护(例如PT断线保护、脉冲丢失保护)等。上位机软件通常负责对控制运行状态和参数的监视以及参数调节。其主要功能通常包括:

1) 操作方式选择。根据允许操作的地点选择是在设备现场计算机上操作还是在远程中控室的计算机上操作。

2) 运行方式。根据运行工况选择机端电压调节模式、励磁电流调节模式、模拟通道励磁电流调节模式等模式中的一种。

3) 给定值设置。根据运行工况通过操作界面改变闭环控制的给定值。

4) 定子电流限制值设置。根据运行工况通过操作界面改变定子电流限制阈值。

5) 系统参数设置。根据运行工况设置电压闭环控制参数、电流闭环控制参数、限制保护参数、定标变量参数、冲击参数等。

6) 状态监视。监测与励磁系统有关的监测点和控制点的运行状态,包括机端电压、励磁电流等模拟量和灭磁开关、短路开关、整流桥投切、通道在线等状态量,调节器内部运行状态、系统限制功能状态等。

7) 故障监测。包括实时故障、历史故障、实时限制、历史限制记录。

8) 数据分析。主要用于重要模拟量和状态量的实时曲线显示,以及曲线的历史记录和保存。自动记录故障点前后一段时间内的数据,手动保存特定时间段的数据量变化。

2 基于web发布技术的励磁控制系统远程监测

基于LABVIEW的web发布技术的远程监测系统的励磁控制器采用美国NI公司基于工业以太网的Compact RIO工业控制器,此控制器面向工业过程实时控制,采用开放式、模块化结构设计,维护简单,升级方便,采用嵌入式操作系统,实时性强。同时实时控制器与FPGA相结合,满足硬实时与软实时的需求,支持实时控制应用系统开发[5-6],而用于远程监测的核心功能就是此款控制器支持基于web的应用程序发布功能[7-8]。由于此控制器目前的应用日趋广泛,并且已在发电机励磁领域有一定的应用,而且针对web应用技术,LABVIEW提供了一套比较完整的web发布方法,不需要进行复杂的web开发,因此本文给出了利用此控制器实现web远程监测的方法。

使用Compact RIO控制器实现web远程监测使用了两种方法:

1) 使用控制器本身作为web服务器。首先采用NI MAX软件在控制器上安装web服务器应用,同时配置控制器的IP地址。之后利用LABVIEW开发监测程序VI,将其作为一个子VI加入到控制器运行的应用程序中。监测程序与控制器程序直接通信,获取控制器程序中的监测数据,将控制器应用程序生成独立的嵌入式系统可执行应用程序,通过配置将其作为可自启动的应用程序,当控制器上电后应用程序自动运行,保证用于远程监测的VI程序也同时自动运行。

励磁控制系统远程监测程序依照前述冲击发电机的主要监测功能实现,由6个子界面构成,分别为主要参数监视界面、状态量监视界面、模拟量监视界面、控制参数监视界面、冲击参数监视界面、故障报警监视界面。通过lABVIEW的web发布功能,将应用程序VI发布成网页,在浏览器中显示的监控网页如图1所示。从图1可以看到,开发好的应用程序VI以插件形式嵌入到网页中,将此网页拷贝到Compact RIO控制器的web服务器根目录,然后就需配置控制器的web访问设置。在控制器程序开发工程中,打开web server配置页面,勾选远程前面板服务器配置HTTP端口和远程前面板选项,后续还有一些访问限制功能,如选择用户可以访问的VI,通过设置IP地址允许指定用户访问远程监测页面,根据具体需要可以有选择地进行配置。通过上述配置,在每次Compact RIO控制器启动后,就可以利用局域网计算机的浏览器,通过输入由IP地址、端口以及指定监测HTML页面名称构成的HTTP地址进行监测页面的访问。在实际应用中,由于直接访问控制器给控制器带来了网络安全问题,因此上述方法适合在局域网内访问。

图1 基于web发布技术的远程监测主页面

2) 利用上位控制计算机作为web服务器进行远程访问。首先将已开发的监测应用程序VI从开发程序的控制器端转移到客户端,之后在客户端将此VI加入到上位计算机的应用程序中,生成独立的可执行程序。在上位计算机监控软件运行时,监测应用程序VI保证同时运行,再利用应用程序web发布工具进行web页面发布,将发布的页面拷贝到指定的文件目录下,然后在控制计算机上进行web服务器配置。具体方法为:打开开发程序工程中的web server配置功能,勾选远程面板服务器功能,设置已经发布网页所在的文件目录为web服务器的主目录,配置HTTP端口,勾选远程前面板选项,同样后续也可以进行指定VI和指定用户的页面访问限制功能。通过配置,可以将控制计算机作为web服务器进行远程访问,在局域网内的访问方式与以控制器作为web服务器的访问方法相同。每次需要访问之前,首先运行上位控制计算机的控制软件,同时启动web服务器,之后即可通过远程客户端的浏览器进行远程访问监测页面。这种配置的优点在于远程访问客户端不直接访问控制器,上位控制计算机可以将远程客户端与控制器进行物理上的隔离,避免了直接访问控制器的网络安全问题。基于web的励磁系统远程监测网络结构如图2所示。

图2 基于web发布技术的远程监测结构

在上面给出的两种监测方法中,通过测试均可在局域网范围内进行访问。而在internet上访问,必须连通web服务器与internet的网络,在本设计中是利用域名访问方式实现的。首先申请域名,然后利用花生壳域名解析软件,通过内网映射,进行internet访问。对于控制器作为web服务器的方法,需要申请公网固定IP地址作为控制器的IP地址,直接访问控制器的web服务器,但此时只有连通公网的局域网内计算机可以访问,而局域网内却不能访问,局域网内访问需要通过控制器的另外一个以太网口连接到局域网内实现。对于上位控制计算机作为web服务器的方法,上位控制计算机同样配备双网卡结构,一个网口连接局域网,另一个网口连接公网。连接公网的网口可以采用无线网卡,也可以通过有线宽带连接。只要远程计算机客户端能够接入internet,便可通过由域名、端口、网页名构成的HTTP地址在浏览器中进行访问。

3 基于web应用开发的励磁控制系统远程监测

上面所实现的励磁系统远程监测仅仅是针对基于Compact RIO控制器,采用LABVIEW开发励磁控制系统所实施的web远程监测方法。如果要实现远程访问,远程监测客户端必须安装lABVIEW运行环境组件,因此一定程度上限制了其应用范围。针对这种情况,本文又给出了一种通用环境下实现远程监测的开发方法,无论是何种开发环境所开发的上位控制软件,只要上位控制软件能够实时存储并更新数据文件即可。依托背景是某型号冲击发电机励磁控制系统,下位控制器采用研华MIC2000控制器,上位控制计算机采用研华PPC-128T,软件采用VC开发。采用此方法设计的web远程监测系统,不需要依赖某种特定运行环境,只需在远程计算机上安装浏览器即可,而且不需要安装任何插件。设计的系统采用AJAX技术,与传统web应用开发方式不同,AJAX是一种创建交互式动态网页应用的开发技术,能够有选择性的向服务器发送所需要的数据,并取回指定的数据,在客户端采用javascript处理数据,在网页不整体刷新的条件下动态提取并显示数据。基于AJAX架构的web应用显著的优点就是在小规模应用中不再需要ASP、JSP等动态网页开发技术,因此所开发的应用程序更小、更快,同时当前的浏览器,例如IE、360、FIREFOX,以及这些浏览器的智能手机端版本,均能在不需要安装插件的情况下良好运行所开发的页面。基于web的励磁系统远程监测应用的架构如图3所示。

图3 基于web开发技术的远程监测结构

系统由带有web浏览器的远程客户机、本地客户机、web服务器以及励磁控制器构成。客户机可以是安装了浏览器的计算机,也可以是安装了浏览器的智能手机(iOS、Android、Windows Phone)。服务器采用现场上位控制计算机(研华PPC-128T),服务器上运行windows XP系统,由于XP系统自带IIS,因此不需要另外安装web服务器软件。通过配置好IIS即可作为web服务器使用,上位控制计算机(PPC-128T)上运行的控制操作软件(采用VC6.0开发)与下位励磁控制器(MIC2000)之间的通信采用串口通信方式。当励磁控制系统运行时,下位控制器负责采集励磁系统参数及状态信息,上位控制计算机运行的控制界面软件程序利用串口通信获取控制器上的监测数据或下发控制指令给控制器;上位控制软件程序将获取的监测数据在显示到界面的同时,利用数据写入文件程序将监测数据写入指定的数据文件,并定时更新,这样就保证了实时数据均能存储到数据文件。之后在web网页中采用AJAX架构编写定时读取文件程序读取存储实时数据的文件,在web页面上实时动态显示,这样就完成了基于web方式的励磁控制系统监测任务。

基于上述方法所开发的励磁控制系统web远程监测,在指定IP地址和端口的条件下可在局域网内利用浏览器访问,实现效果如图4所示。远程监测系统由主监控画面、状态量监测、模拟量监测、控制参数监测、冲击参数监测等五部分构成。监测数据在上位控制软件实时动态存储文件数据改变时,能实时动态刷新。

图4 基于AJAX技术的web监测主页面

可以看出,基于web应用开发的励磁控制远程监测系统可以脱离励磁控制系统的开发环境,无论针对是何种开发环境开发的上位控制计算机软件,只要上位控制计算机软件能够实时更新数据存储文件即可,使其应用范围明显扩大。通过实际测试表明,基于web应用开发的远程监测系统可以在局域网范围内和internet范围内进行访问。在本系统测试过程中,通过使用无线网卡将上位计算机接入internet,通过申请域名、安装域名解析软件、配置内网端口映射,实现了internet访问功能。在测试过程中,计算机安装的IE浏览器、360浏览器,手机端安装的IE浏览器、safari浏览器,QQ浏览器均能实现远程监测界面的正常访问,并能实现在整体页面不刷新的情况下动态实时显示监测数据。

4 结 语

基于web的励磁控制系统远程监测技术能够以较低的成本为现场设备监控人员随时随地实现远离设备现场的监测任务,为异地的故障诊断专家进行励磁设备运行状态的分析和诊断提供技术支持,大大降低了设备的维护成本,提高了现场励磁设备监测及诊断维护的便捷性。由此可以看到,随着互联网技术的发展,远程监测技术必将在电力行业应用方面获得更大的发展空间。

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(责任编辑 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,工程师,主要从事发电机励磁控制系统软件开发研究工作。

TM761.11

A

2095-6843(2015)05-0447-05