CN114094707B - 一种基于opcua的变电站辅助控制***及方法 - Google Patents

一种基于opcua的变电站辅助控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于OPCUA的变电站辅助控制***，该***包括：OPUA客户端：用以发布指令和调阅云服务器的信息；云服务器：用以处理、存储、备份和传输数据；安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置；中心控制模块：包括OPCUA订阅者和OPCUA服务器；检测模块：包括OPCUA发布者和电力设备；安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置；警报控制模块：与报警及控制设备连接，用以对报警及控制设备进行控制；灯光控制模块：用以控制变电站辅助控制***的照明，与现有技术相比，本发明具有通过合理利用资源减少对辅控***性能的负担、减少了巡查人员的工作量以及提高了***的可扩展性、安全性、灵活性和可靠性等优点。

Description

一种基于OPCUA的变电站辅助控制***及方法
技术领域
本发明涉及变电站的环境监测领域，尤其是涉及一种基于OPCUA的变电站辅助控制***及方法。
背景技术
随着智能制造和工业4.0的推进，设备间的互联显得越来越重要，整个变电站所用到的设备来自各个厂家，采集到的数据或者传输的数据不同，设备接口也不同，由此导致不同设备难以集成到统一的现有***中，或者需要多种网关来实现，极其不方便，扩展性也较差。
变电站是指电力***中对电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所。在发电厂内的变电站是升压变电站，其作用是将发电机发出的电能升压后馈送到高压电网中，变电站内的电气设备分为一次设备和二次设备，一次设备指直接生产、输送、分配和使用电能的设备，主要包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器、电抗器等；变电站的二次设备是指对一次设备和***的运行工况进行测量、监视、控制和保护的设备，它主要由包括继电保护装置、自动装置、测控装置、计量装置、自动化***以及为二次设备提供电源的直流设备。
变电站辅控***包括智能的辅助***平台、图像监视及安全警卫设备***、火灾自动报警设备***和SF6气体监测***等设备，其中提到的各种***设备之间的集成就有了一定的困难，并且在接入互联网的过程中也会很麻烦，需要再一次转换适用于互联网传输的协议，才能应用现代的一些远程的工业软件的使用，各种工业软件的使用也需要大量的设备运行数据，且环境因素不断并及时的以一种统一的方式传输到上位机，工业上数据量是相当大的，并且对于数据传输的实时性要求非常高，大量的数据包含周期性和非周期性的数据，传统的以太网对于这两种数据是不兼容的，目前来说，使用较多的还是Modbus协议和很多PLC协议，电力***用到的设备也不例外，且电力***又有自己的标准(61850)，若要实现变电站中各种设备数据的集成和互联，需要有兼容大量数据的传输协议和标准。
就电力***的标准来说，在不接入互联网的情况下是完全够用的，但按照目前IT和OT结合的趋势，未来一定是需要与互联网连接，且数据要通过互联网传入云端服务器或者远端的客户端，因此为了解决这个问题，基于OPCUA标准将现场级硬件端的多种标准的数据转换成OPCUA标准的数据，便于接入互联网，且安全性有保障，应用OPCUA改善了可扩展性，有新的底层设备接入时，通过在服务器预留的增加节点的方法就能够完成同类新设备的接入。
目前来说，针对OPCUA协议的接口装置已经有一定的产品出现，但是对于需要同时接入多种协议(比如常用的Modbus、西门子的S7和欧姆龙的HostLink协议等)的，且能够可靠运行的设备比较少。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于OPCUA的变电站辅助控制***及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于OPCUA的变电站辅助控制***，该***包括：
OPUA客户端：用以发布指令和调阅云服务器的信息；
云服务器：用以处理、存储、备份和传输数据；
安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置，用以保护现场级数据的安全；
中心控制模块：包括OPCUA订阅者和OPCUA服务器，用以进行辅助控制；
检测模块：包括OPCUA发布者和电力设备，用以监测和上传环境数据；
安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置，用以保护现场级数据的安全；
警报控制模块：与报警及控制设备连接，用以对报警及控制设备进行控制；
灯光控制模块：用以控制变电站辅助控制***的照明。
所述的OPUA客户端与云服务器连接。
所述的云服务器分别与安全隔离模块的反向安全隔离装置和正向安全隔离装置连接。
所述的安全隔离模块的反向安全隔离装置和正向安全隔离装置均与中心控制模块的OPCUA服务器连接。
所述的OPCUA服务器分别与警报控制模块、灯光控制模块和检测模块的OPCUA订阅者连接。
所述的警报控制模块与报警及控制设备连接，报警及控制设备包括声光报警器、手动报警器、显示警报器、门禁、电子围栏、感温电缆、红外双摄和风机及空调控制器，所述的灯光控制模块用以对环境异常区域的照明进行控制，所述的OPCUA订阅者分别与正向安全隔离装置和OPCUA发布者连接。
所述的OPCUA发布者通过嵌入电力设备与电力设备连接，用以采集电力设备监测的环境数据。
所述的电力设备包括温湿度传感器、水浸式传感器、SF6传感器、风速传感器和视频监控，所述的视频监控包括生产用视频监控和安防及管理用视频监控。
一种应用如变电站辅助控制***的环境监测方法，该环境监测子方法基于发布者和订阅者模式进行环境监测，包括以下步骤：
步骤101：通过OPCUA发布者获取电力设备监测的环境数据，并将其传输至OPCUA订阅者；
步骤201：各个电力设备的环境数据对应的协议类型不同，OPCUA订阅者读取接收到的不同协议类型的环境数据，并将不同协议类型的环境数据转换成统一的OPCUA标准；
步骤301：OPCUA订阅者将OPCUA标准的环境数据通过互联网传输至正向安全隔离装置，正向隔离装置将OPCUA标准的环境数据上传至云服务器，云服务器对数据进行处理和储存。
一种应用如变电站辅助控制***的辅助控制方法，该辅助控制方法基于OPCUA服务器和OPCUA客户端模式进行辅助控制，包括以下步骤：
步骤102：当环境异常时，将电力设备检测到环境数据按照各自的通信协议传输至OPCUA发布者；
步骤202：OPCUA发布者具有协议转换功能，将环境数据基于OPCUA标准转换后传输至OPCUA订阅者；
步骤302：OPCUA订阅者将收到的环境数据分别传输至OPCUA服务器和位于远端的云服务器；
步骤402：OPCUA服务器收到温度数据后，判断温度数据是否超过阈值，若是，则形成警报信息传输至警报控制模块，或传输至灯光控制模块对环境异常区域的照明进行控制；
步骤502：警报控制模块根据警报信息中的警报类型将对应的指令传输至风机及空调控制器和报警及控制设备，控制现场的报警及控制设备和风机及空调控制器运作；
步骤602：报警及控制设备和风机及空调控制器将各自的工作状态返送至警报控制模块，警报控制模将其传输至OPCUA服务器，OPCUA服务器和云服务器对此次警报及其相应处理进行备份，以便工作人员通过OPCUA的客户端调阅；
步骤702：当上位机直接从OPCUA客户端下达指令时，将指令依次经云服务器和反向安全隔离装置传输至OPCUA服务器，指令包括改变环境因素指令和操作指令，所述的操作指令包括改变温湿度指令、特定位置排水指令和示警指令；
步骤802：OPCUA服务器判断是否需要将指令传输至警报控制模块若否，则将指令传输至灯光及控制模块，对对环境异常区域的照明进行控制，若是，则将指令传输至警报控制模块；
步骤902：警报控制模块进而将指令传输至风机及空调控制器或报警及控制设备，风机及空调控制器或报警及控制设备接收到指令后做出对应的反应，并将工作状态逆向传输回至云服务器，云服务器进行备份，并向客户端传输指令的回复。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.易于接入互联网，客户端和服务器之间通过互联网直接通信，不需要再将数据进行协议转换，在结构上省去一部分网关的使用，由于OPCUA的灵活性，在与底层的传感器临近的OPCUA服务器或OPCUA Pub能够以软件的形式嵌入网关，对于***的硬件结构能够也能够省去网关的使用；
2.应用OPCUA两种模式的基于OPCUA服务器和客户端模式的辅助控制方法以及基于发布者和订阅者模式的环境监测方法，合理利用资源，基于发布者和订阅者模式的环境监测方法中，只有上行的数据，不需要互操作，只需要收集信息，能够减少对辅控***性能的负担；
3.本发明的***应用在变电站，变电站内部可能会有分层结构，且每层会有很多房间，比如Figure 2，由于墙壁很多，设备无线通信的距离可能会达不到，因此采用多个OPCUA的Pub模块汇聚各个传感器的信息，这也是OPCUA支持的结构，能够根据变电站的设备的空间分布灵活安排各个模块的数量和位置，且OPCUA的各种模块只需要供电和接入网线，操作简单；
4、基于变电站的重要性，需要有现场的工作人员进行巡查，以防电子设备出现问题而导致重大损失，因此本发明设有手动报警装置，从而可以最大程度上避免因为不确定因素而导致设备未能报警而巡查人员先发现问题而造成的损失；
5、本发明对变电站的二次设备进行控制，为了便于人员的巡查，现场级的二次设备会具备无线通信的功能，避免了布线多导致线路老化等带来的问题，减少了巡查人员的工作量；
6、可扩展性好，能够在不影响整个***其它部分工作的情况下接入新的传感器或报警器等，只需要在客户端用指令让OPCUA Sub订阅新的发布者，对于OPCUA，传感器相当于程序中的对象，直接通过客户端发送指令创建新的发布者；
7、性能强劲，通过自身的不断发展，依靠基于TCP UA二进制协议，使用高效的数据编码，OPC UA提供了高效的数据传输，满足了更高性能的要求，且当选择传输视频信息时，能够支持传输视频流和视频内的重点信息；
8、可靠性高，想要接入服务器需要有被授权的证书，而之前的工业物联网***其实不太注重安全性而只注重传输速度，数据通过互联网传输安全性低，而采用的OPCUA技术允许在防火墙中打开一个端口，并通过其(OPCUA)集成的安保机制确保了通过互联网也能安全通信，还可以防止非授权的访问，通过用户鉴权、签名和加密传输等项目来实现，更能够对OPCUA服务器和OPCUA客户端的物理连接进行监视，进而提高可靠性。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供了一种基于OPCUA的变电站辅助控制***，还提供了一种应用该***基于OPCUA服务器和OPCUA客户端模式的辅助控制方法以及基于OPCUA发布者和OPCUA订阅者模式的环境监测方法，用以变电站信息化管理。
变电站辅助控制***包括：
OPUA客户端：用以发布指令和调阅云服务器的信息；
云服务器：用以处理、存储、备份和传输数据；
安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置，用以保护现场级数据的安全；
中心控制模块：包括OPCUA订阅者和OPCUA服务器，用以进行辅助控制；
检测模块：包括OPCUA发布者和电力设备，用以监测和上传环境数据；
安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置，用以保护现场级数据的安全；
警报控制模块：与报警及控制设备连接，用以对报警及控制设备进行控制；
灯光控制模块：用以控制变电站辅助控制***的照明。
OPUA客户端(用户端)与云服务器连接，云服务器与安全隔离模块连接，安全隔离模块的反向安全隔离装置和正向安全隔离装置均与OPCUA服务器连接，OPCUA服务器分别与警报控制模块和灯光控制模块连接，警报控制模块与报警及控制设备连接。
OPCUA订阅者(OPCUA Sub)分别与安全隔离模块的正向安全隔离装置、OPCUA服务器和OPCUA发布者(OPCUA Pub)连接，OPCUA发布者嵌入至各个电力设备中。
基于OPCUA发布者和OPCUA订阅者模式进行环境监测：
通过OPCUA订阅者模块订阅电力设备的检测信息，得到监测的环境数据，电力设备包括温湿度传感器、水浸式传感器、SF6传感器、风速传感器和视频监控，视频监控包括生产用视频监控和安防及管理用视频监控，将OPCUA的发布者模块嵌入到对应的电力设备中，进行环境监测的过程中无互操作性的要求，环境监测模块只需将收到的环境数据的协议类型进行转换，以OPCUA的标准上传至云服务器，不用采用OPCUA服务器和OPCUA客户端模式，且所有的不需要下行操作的设备均能嵌入OPCUA发布者。
各个电力设备的环境数据对应的协议类型不同，OPCUA订阅者对接收到的不同协议类型的环境数据进行读取，OPCUA对于很多协议都是开放的，基于此将不同协议类型的环境数据转换成统一的OPCUA标准的环境数据，以便数据的上传。
转换后的环境数据通过互联网传输至正向安全隔离装置，正向隔离装置将转换后的环境数据上传至云服务器，云服务器对环境数据进行处理和储存。
基于OPCUA服务器和OPCUA客户端模式进行辅助控制：
将监测的环境数据以OPCUA标准上传到云服务器，若环境异常或者需要从上而下的传达指令时，采用客户端和服务器模式，上位机从OPCUA客户端下达指令，指令包括改变环境因素指令和操作指令，操作指令包括改变温湿度指令、特定位置排水指令和向站内工作人员示警指令，底层的电力设备完成操作指令后，返回各自的工作状态和指令完成情况，从OPCUA客户端下达的指令一直传达到下端的现场级设备的过程需要将OPCUA的标准转换成现场级的设备可以支持的标准，以达到控制下层设备的效果，而进行环境监测时，各个电力设备将环境数据传给OPCUA订阅者，OPCUA订阅者会对其进行标准的转换，即协议类型的转换，从而满足储存或向上层传输的需求。
例如：变电站的某个房间中的温度传感器检测到温度过高，温度传感器检测到温度数据按照温度传感器本身的通信协议传输至OPCUA发布者，OPCUA发布者模块具有协议转换功能，将收到的温度数据按照OPCUA的标准转换后传输至OPCUA订阅者，OPCUA订阅者位于变电站辅控***中，OPCUA订阅者将收到的温度数据分别传输至位于变电站辅控***中的OPCUA服务器和位于远端的云服务器，OPCUA服务器收到温度数据后，判断温度数据是否超过阈值，若是，则形成警报信息传输至警报控制模块，若有需要也会传输至灯光控制模块，用以控制温度异常区域的照明，警报控制模块根据警报信息中的警报类型将对应的指令传输至风机及空调控制器，控制变电站的多种报警器进行报警，现场的报警器和风机及空调控制器运作后将各自的工作状态返送至警报控制模块，警报控制模将其传输至OPCUA服务器，OPCUA服务器和云服务器对此次警报及其相应处理进行备份，以便其他工作人员通过OPCUA客户端调阅。
除此之外，也可以直接通过OPCUA客户端下达指令，例如：夏天外部环境温度过高，需要增大空调的功率，将增大空调功率指令依次经云服务器和反向安全隔离装置传输至OPCUA服务器，OPCUA服务器判断指令是否传输至警报控制模块，若是，则将增大空调功率指令继续传输至风机及空调控制器，风机及空调控制器接收到增大空调功率指令后做出对应的反应，并反馈工作状态，比如是否成功完成指令，反馈的工作状态信息再逆向传输回至云服务器，云服务器进行备份，并给客户端指令的回复，包括指令完成的回复，至此流程结束。
本发明为了更好地管理集成变电站中现场级的设备(电子围栏、门禁、声光报警、报警控制器等)的工作数据和环境信息，通过对OPCUA服务器和OPCUA客户端模式以及OPCUA订阅者和OPCUA发布者模式的应用，将所有的底层设备使用的不同的通信协议传送的环境数据转换成统一OPCUA标准的环境数据，以实现将***接入互联网，且所有环境数据能够通过互联网安全可靠地传输至云端服务器，工作人员能够在远端通过OPCUA客户端访问云端服务器，查询环境数据、查看工作状态信息或下达指令。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于OPCUA的变电站辅助控制***的辅助控制方法，其特征在于，所述***包括：
OPUA客户端：用以发布指令和调阅云服务器的信息；
云服务器：用以处理、存储、备份和传输数据；
安全隔离模块：包括反向安全隔离装置和正向安全隔离装置，用以保护现场级数据的安全；
中心控制模块：包括OPCUA订阅者和OPCUA服务器，用以进行辅助控制；
检测模块：包括OPCUA发布者和电力设备，用以监测和上传环境数据；
警报控制模块：与报警及控制设备连接，用以对报警及控制设备进行控制；
灯光控制模块：用以控制变电站辅助控制***的照明；
所述的OPUA客户端与云服务器连接；
所述的云服务器分别与安全隔离模块的反向安全隔离装置和正向安全隔离装置连接；
所述的安全隔离模块的反向安全隔离装置和正向安全隔离装置均与中心控制模块的OPCUA服务器连接；
所述的OPCUA服务器分别与警报控制模块、灯光控制模块和检测模块的OPCUA订阅者连接；
所属辅助控制方法基于OPCUA服务器和OPCUA客户端模式进行辅助控制，包括以下步骤：
步骤102：当环境异常时，将电力设备检测到环境数据按照各自的通信协议传输至OPCUA发布者；
步骤202：OPCUA发布者具有协议转换功能，将环境数据基于OPCUA标准转换后传输至OPCUA订阅者；
步骤302：OPCUA订阅者将收到的环境数据分别传输至OPCUA服务器和位于远端的云服务器；
步骤402：OPCUA服务器收到温度数据后，判断温度数据是否超过阈值，若是，则形成警报信息传输至警报控制模块，或传输至灯光控制模块对环境异常区域的照明进行控制；
步骤502：警报控制模块根据警报信息中的警报类型将对应的指令传输至风机及空调控制器和报警及控制设备，控制现场的报警及控制设备和风机及空调控制器运作；
步骤602：报警及控制设备和风机及空调控制器将各自的工作状态返送至警报控制模块，警报控制模将其传输至OPCUA服务器，OPCUA服务器和云服务器对此次警报及其相应处理进行备份，以便工作人员通过OPCUA的客户端调阅；
步骤702：当上位机直接从OPCUA客户端下达指令时，将指令依次经云服务器和反向安全隔离装置传输至OPCUA服务器，指令包括改变环境因素指令和操作指令，所述的操作指令包括改变温湿度指令、特定位置排水指令和示警指令；
步骤802：OPCUA服务器判断是否需要将指令传输至警报控制模块若否，则将指令传输至灯光及控制模块，对对环境异常区域的照明进行控制，若是，则将指令传输至警报控制模块；
步骤902：警报控制模块进而将指令传输至风机及空调控制器或报警及控制设备，风机及空调控制器或报警及控制设备接收到指令后做出对应的反应，并将工作状态逆向传输回至云服务器，云服务器进行备份，并向客户端传输指令的回复。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的警报控制模块与报警及控制设备连接，报警及控制设备包括声光报警器、手动报警器、显示警报器、门禁、电子围栏、感温电缆、红外双摄和风机及空调控制器，所述的灯光控制模块用以对环境异常区域的照明进行控制，所述的OPCUA订阅者分别与正向安全隔离装置和OPCUA发布者连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的OPCUA发布者通过嵌入电力设备与电力设备连接，用以采集电力设备监测的环境数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的电力设备包括温湿度传感器、水浸式传感器、SF6传感器、风速传感器和视频监控，所述的视频监控包括生产用视频监控和安防及管理用视频监控。
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