110KV变电所综合自动化系统监控软件设计

- I -摘 要变电站综合自动化微机监控系统是变电站综合自动化系统最基本的子功能系统，涉及到变电运行、监视控制等方面的内容，使变电站的监视和控制发生了根本的变化。因此，研究变电站综合自动化微机监控系统具有迫切的现实需要和重大的实际意义。根据变电站综合自动化系统的现状和发展趋势，应用分层、模块化和面向对象的设计方法和组态技术，本文从设计原则、实现原理、整体结构、软硬件部分、功能模块的应用程序等方面对分层分布式变电站综合自动化微机监控系统进行了分析和设计，主要完成以下内容：(1) 通过对变电站综合自动化系统及微机监控系统进行比较详细地研究，同时对分区所自动化微机监控系统的基本原理、系统结构进行分析和研究，提出了该系统的总体设计方案和框图，并对它的整体结构进行设计。(2) 在掌握组态王软件应用和开发的基础上，了解变电站综合自动化系统的构成、基本功能和特点，设计分区所自动化监控软件，对主接线、馈线等线路的电压、电流、功率因数等电量进行实时监控，实现电量的日报、月报等统计报表。包括：数据采集、实时和历史数据处理、报警、远程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等功能，完成监控界面的设计和对系统的实时监控。关键词：变电站综合自动化；微机监控系统；分区所；组态王- II -AbstractSubstation integrated automation microcomputer monitoring system is the most basic subroutine system of the integrated substation automation system, involving the substation running, monitor, control, and other aspects of the content, make the transformer substation monitoring and control change fundamentally. Therefore, the substation integrated automation microcomputer monitoring system has the realistic need urgent and significant practical significance.Based on the substation integrated automations current situation and development trend, using layered, modular and object-oriented design and programming technologies, the microcomputer monitoring and controlling system was analyzed and designed in substation integrated automation towards layering distribute type, from its design principles, achieve principle, the overall structure, the areas of hardware and software, the application procedures of functional module and so on. The following several aspects of the work are done in this paper:(1) Through the integrated substation automation system and its microcomputer monitoring system was studyied carefully, at the same time, the basic principle and system structure of the automation division microcomputer monitoring and control system was analyzed and researched, the design of the whole system solutions and block diagram of the whole structure design were put forward .(2) Based on controling configuration king software application and development, understanding the composition of substation integrated automation system, the basic function and characteristics of the automatic monitoring software design division, and realizeing the real-time monitoring of the connection, and the feeder lines such as voltage, current, power factor such as real-time monitoring of power, the power to achieve the daily, monthly reports and statistics. Including: data acquisition, real-time and historical data processing, alarm, remote control, animation display, trend curve and report output, and other functions, the design of the interface and the real-time monitoring system was completed.Key Words: Substation integrated automation, Microcomputer monitoring system, Modularity, Kingview- III -目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论 .11.1 论文的选题背景和研究意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文的主要研究内容 .22 分区所与变电站综合自动化系统 .32.1 分区所 .32.2 变电站综合自动化系统 .33 基于组态王的分区所监控软件数据词典的设计 .53.1 组态软件 .53.1.1 组态软件概述 .53.1.2 组态王开发系统 .53.1.3 组态王的变量定义和管理 .53.1.4 组态王在本系统中实现的功能 .53.2 变量及设备的定义 .63.2.1 基本变量类型 .63.2.2 特殊变量类型 .63.3 变量定义及设置 .63.4 分区所自动化监控软件数据词典设计 .74 基于组态王的分区所监控软件人机界面设计 .84.1 系统画面的建立 .84.1.1 系统登录界面 .84.1.2 系统一次主接线界面 .84.1.3 趋势曲线定义界面 .84.2 监控系统功能实现 .124.2.1 “四遥”功能实现 .124.2.2 报警设置 .124.2.3 报表统计 .13- IV -5 组态王 SQL 数据库管理访问 .185.1 SQL 访问管理器 .185.2 创建表格模板 .185.3 创建记录体 .185.4 建立 Ms Access 数据库 .185.5 组态王 SQL 与数据库的连接 .20结 论 .23致 谢 .24参考文献 .25兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1 绪论1.1 论文的选题背景和研究意义变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，替代了常规的测量和监视仪表，替代常规控制屏、中央信号系统和远动屏，同时微机保护取代了常规的继电保护屏，改变了常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷；除了这些外，还增添了包括智能化的许多功能。可以得出下面的结论：变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术等高科技技术在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地实现监视和控制变电站内各种电气设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。变电站综合自动化系统是最新发展起来的多专业综合技术，是电网运行管理中的一次变革，它以计算机为基础，实现了电网变电站现代化管理，从而改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，充分体现了现代生产的特点。变电站综合自动化系统，能够全面提高变电站的技术水平，提高运行的可靠性和管理水平，是变电站自动化的发展趋势。大规模集成电路和通信技术的迅猛发展，网络技术、现场总线等的出现和完善，为提高变电站综合自动化系统的技术水平提供了有力的科技支持。变电站综合自动化微机监控系统是变电站综合自动化系统最基本的子功能系统，涉及到变电运行、监视控制等方面的内容，使变电站的监视和控制发生了根本的变化。因此，研究变电站综合自动化微机监控系统具有迫切的现实需要和重大的实际意义 1。1.2 国内外研究现状变电站主要包括两大部分：一次系统和二次系统。一次系统完成电能的汇集、电压变换和分配等任务；而二次系统则完成对一次设备和一次系统运行状态的测量、监视、控制、保护和故障告警的任务以及完成满足调度、远方监控等内容的远动任务。而一个变电站运行情况的优劣，在很大程度上取决于其二次设备的工作性能。电力系统是一个连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消费都是同时完成的。因此，变电站的运行也是连续的。为了掌握变电运行状态，必须对相关电气量进行连续测量，供运行监视、记录；为了保障变电站、输电线路的安全运行，需要实现过流、低压等故障的安全保护；为了向电网调度提供系统运行状态，需要将表征电力系统运行的相关信息向上级调度部门传送；为了向客户供给合格的电能，需要进行必- 2 -要的控制和调节。同时，当系统出现异常情况时，变电站必须做出快速的反应，及时进行处理。随着电力工业的迅速发展，容量大、参数高的电气设备被广泛、大量地投入运用到电力系统中，必须保证这些设备安全、可靠地运行，而且用户对电能的要求越来越高，这都要求采用变电站自动化技术并不断提高其技术水平 2。国内外现有的变电站有三种形式：传统的变电站；部分实现微机管理、具有一定自动化水平的变电站；全面微机化的综合自动化变电站。这也正是变电站自动化发展三个阶段的印迹。变电站自动化发展的这三个阶段如下：由分立元件构成的自动装置阶段；微处理器为核心的智能化自动装置阶段；变电站综合自动化阶段。可见，变电站综合自动化是变电站自动化发展到一定阶段的产物，是变电站自动化的发展趋势 3。1.3 论文的主要研究内容在掌握组态王软件应用和开发的基础上，了解变电站综合自动化系统的构成、基本功能和特点，设计分区所自动化监控软件，实现对主接线的实时监控，实现对馈线等线路的电压、电流、功率因数等电量的实时监控，能够实现电量的日报、月报等统计报表。包括：数据采集、实时和历史数据处理、报警、远程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等功能，完成监控界面的设计和对系统的实时监控。主要设计任务：(1) 了解牵引变电所综合自动化系统的结构功能；(2) 掌握分区所自动化系统的结构、原理和功能；(3) 掌握组态软件的开发方法；(4) 对变电站综合自动化微机监控系统的整体结构进行设计，细致地研究变电站综合自动化微机监控系统的软、硬件部分，然后分析和设计本系统的硬件结构和软件部分；(5) 完成分区所一次接线图的监控界面设计开发；(6) 完成数据字典的设计、电压、电流等电量的趋势曲线和统计报表设计；(7) 完成系统设计并进行运行调试。通过对本文的研究与设计，不仅要掌握与课题相关的知识，完成分区所自动化监控软件的设计，更要在设计过程中培养发现问题、解决问题的能力。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2 分区所与变电站综合自动化系统2.1 分区所复线电气化铁路的供电臂末端（即两座牵引变电所的衔接处）一般均设有分区所。传统分区所内设置上下行联络开关和越区开关,其主要功能是：(1) 连接上下行接触网，使供电臂中任意位置的列车均可由两个方向供电,上下行供电电流可以合理分配，从而减小供电臂中的电压损失和电能损失 4。(2) 当本变电所发生事故时可以通过分区所实现由相邻变电所越区向该供电臂进行供电 5。2.2 变电站综合自动化系统微机监控系统是变电站综合自动化系统的子系统，随着广泛采用不断发展进步的电子技术、计算机技术和通信技术等科技技术，它取代了传统的监控方式，使变电站的监控发生了根本的变化。微机监控系统取代了常规的测量系统和指针式仪表，改变常规的操作机构和模拟盘，取代了常规的光字牌、报警、中央信号等，取代常规的远动装置等。其功能如下所述 6。(1) 实时数据采集；(2) 事件顺序记录 SOE 和事故追忆功能；(3) 故障记录、故障录波和故障测距；(4) 操作控制功能；(5) 安全监视；(6) 人机联系和打印功能；(7) 数据处理和记录功能；(8) 谐波分析和监视；(9) 报警处理；(10) 画面生成和显示、在线计算与制表；(11) 远动功能。除了上述基本功能外，它还有防误闭锁、系统自诊断与恢复、提供接口等功能。常见的变电站综合自动化系统结构模式主要有集中式结构、分层分布式结构和集中式分布结构。- 4 -(1) 集中式结构：采用功能较强的计算机并扩展其 I/O 接口，集中采集变电站的模拟量和数字量等信息进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。(2) 分层分布式结构：分层分布式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为三层，即站控层、通信层和间隔层。分层分布式结构框图如图 2.1 所示。(3) 集中式分布结构：该系统结构的最大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。采用主从 CPU 协同工作方式，多 CPU 系统提高处理并行多发事件的能力。各功能模块之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。监控主机 工程师机通信控制机调制解调器数据采集控制机保护管理机总线T V 、 T A 输入 、 断路器 、 隔离开关辅助触电输入 、 断路器控制等开关量输入开关量输出检测单元n检测单元1故障录波器电压无功控制变压器保护单元电容器保护单元线路保护单元1线路保护单元n备用电源自投入 调度中心图 2.1 变电站综合自动化系统分层、分布式结构框图兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）3 基于组态王的分区所监控软件数据词典的设计3.1 组态软件3.1.1 组态软件概述组态王是运行于 Microsoft Windows 98/2000/NT/XP 中文平台的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM+组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王软件由工程浏览器、工程管理器和画面运行系统三部分组成。在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统和工程运行系统来完成的 7。3.1.2 组态王开发系统组态王开发系统内嵌于工程浏览器中，又称为画面开发系统。画面编辑功能包括取消、重做、剪切、拷贝、粘贴、删除、复制、粘贴点位图、拷贝点位图、点位图透明、全选、画面属性、动画连接、水平移动向导、垂直移动向导、水平滑动杆输入向导、垂直滑动杆输入向导、旋转连接向导、变量替换、字符串替换、查找与替换、插入控件等。3.1.3 组态王的变量定义和管理数据库中存放的变量是当前值，包括系统变量和用户定义的变量。基本变量类型有八种，分别为内存离散、内存实型、内存长整数、内存字符串、I/O 离散、I/O 实型、I/O 长整数、I/O 字符串。当工程中拥有大量的变量时，可采用组态王提供的变量分组管理的方式，这样就缩小了查找范围，节省了时间。3.1.4 组态王在本系统中实现的功能(1) 实时数据采集功能：可采集电力系统中各种遥测量，如电压、电流、有功、无功功率、功率因数等；可采集各遥信量，如开关状态、刀闸位置等。- 6 -(2) 实时监控功能：实时监控分区所状态，可以直观看到分区所各设备的运行状态，实时显示当前通讯工作状态、实时电量、开关状态、信号状态等。(3) 实时报警处理：对采集到的各数据进行判断，如果超出设定值则会报警。包括开关量报警和模拟量越限报警。(4) 实时曲线显示：实时显示电压或电流的变化趋势曲线。(5) 历史曲线显示：显示过去某一段时间内电压或电流的变化趋势曲线。3.2 变量及设备的定义3.2.1 基本变量类型基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、模拟型、长整数型和字符串型。3.2.2 特殊变量类型特殊变量类型有报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、时间变量四种。这几种特殊类型的变量正体现了“组态王”系统面向工控软件、自动生成人机接口特色。3.3 变量定义及设置打开工程浏览器，在其左侧点击“数据词典”可以在画面右侧看到变量定义画面，在最下面双击“新建”图标则弹出新建变量对话框，之后则设计所需要的变量，对其属性进行定义，如图 3.1 所示。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 3.1 变量定义对话框3.4 分区所自动化监控软件数据词典设计数据词典是数据库的主要组成部分，是整个工程的核心，在分区所自动化监控软件设计中，所要定义的数据变量有：1 供电臂上行电压 U1，1 供电臂下行电压 U2，2供电臂上行电压 U3 和站用变电压 U4，分区所 1 断路器电流 I1，分区所 2 断路器电流I2，27.5kV 出线侧有功功率 P 和无功功率 Q 以及功率因数。其结果如图 3.2 所示。- 8 -图 3.2 分区所监控软件数据词典4 基于组态王的分区所监控软件人机界面设计4.1 系统画面的建立组态王建立新工程的路径：(1) 设计图形界面；(2) 定义设备；(3) 构造数据库；(4) 建立动画连接； (5) 运行和调试。进入组态王工程浏览器在“系统”标签页的“画面”选项下建立新画面。本次设计利用组态王设计分区所自动化监控软件，完成了登陆界面，一次主接线图，遥信、兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）遥测、遥控画面，历史报警画面，日报表、月报表、报表查询画面，实时数据，趋势曲线等画面的制作。在进入系统之后首先展示的是目录画面，该画面是进入其他画面的入口画面，如图 4.1 所示。4.1.1 系统登录界面当系统进入 view 运行状态后首先显示 “登录界面”图画，如图 4.2 所示，在上面有三个按钮：进入、登录和退出按钮。其意义分别为：进入即进入系统主界面；登录即用户的登录权限，以便用户操作；退出即退出运行系统。4.1.2 系统一次主接线界面当系统运行时，在开始画面中点击“进入”按钮进入系统一次主接线界面。图中显示整个分区所系统的结构组成、运行状况、各参数实际运行量以及本系统的各个设备量，如图 4.3 所示。4.1.3 趋势曲线定义界面趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线。这两种曲线外形都类似于坐标纸，X 轴代表时间，Y 轴代表变量的量程百分比。所不同的是，在您的画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能。(1) 实时趋势曲线的定义利用组态王工具箱提供的实时曲线工具和 Active X 控件制作实时曲线。设计中采用的是组态王内置实时趋势曲线，这种曲线的绘制命令位于组态王工具箱中，最多支持 4 条曲线。由于变量较多，所以分别绘制了电压曲线总图和电流曲线总图以及每个变量的曲线，由于图形太多，这里只举例介绍电压总图，为了更直观的观察实时数据的变化，制作以实时数据为基准的实时趋势曲线及电压棒图，此外还利用 XY 超级曲线进行描点绘图，其主要是依据数据随时间的变化而制定，如图 4.4 所示。(2) 历史趋势曲线的定义组态王目前有三种历史趋势曲线，工具箱上的、图库内的以及新增的一种曲线控件。第三种控件是组态王以 Active X 控件形式提供的绘制历史曲线和 ODBC 数据库曲- 10 -线的功能性工具。在运行状态下，可实现动态增加/删除曲线、曲线图表的无级缩放、曲线的动态比较、曲线的打印等。设计中采用历史趋势曲线控件，这种历史趋势曲线最多支持 16 条曲线。使用前要进行相关配置，主要包括变量属性配置和历史数据文件存放位置配置。如果历史趋势曲线数值轴显示的数据以百分比来显示，那么对于要以曲线形式来显示的变量就需要特别注意变量的范围。 本次设计中则利用组态王提供的 Active X 控件来绘制历史数据趋势曲线。历史数据曲线主要是为了更好的观察数据在过去时间段的变化，如图 4.5 所示。图 4.1 目录画面窗口兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 4.2 系统登陆界面图 4.3 系统一次主接线图- 12 -(a) 实时趋势曲线(b) 实时描绘曲线图 4.4 实时曲线兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 4.5 历史趋势曲线4.2 监控系统功能实现4.2.1 “四遥”功能实现(1) 遥测点击按钮“遥测”将会显示“遥测数据总图”画面，除了以实时曲线显示外还以报表的形式显示其实时遥测数据，对分区所系统中主要参数进行实时监视，如图 4.6 所示。(2) 遥信点击按钮“遥信”将会显示“遥信数据总图”画面，对分区所系统中主要断路器及隔离开关的信息进行实时监视，如图 4.7 所示。(3) 遥调由于只是对分区所的监控，没有对主变进行遥调设置。(4) 遥控登录之后对分区所相关开关设备进行遥控，如图 4.8 所示。- 14 -4.2.2 报警设置在系统运行过程中有些参数发生大的变化时，我们可以通过对参数设置报警区限，当系统参数超过此设置值时将会在画面中显示出来以便于操作人员作出及时的判断和操作，并且可以查询报表，如图 4.9 和图 4.10 所示。4.2.3 报表统计(1) 日报表对分区所实时监控数据的日报统计，该报表用来记录当天的数据，以 24 小时为单位进行统计，该报表记录每小时最后一秒的数据作为统计值。其运行画面如图 4.11 所示。(2) 月报表对分区所实时监控数据的月报统计，该报表用来记录本月的数据，以一个月为单位进行统计，该报表记录每天的平均数据作为统计值。其运行画面如图 4.12 所示。(3) 报表查询主要对日报表、月报表等统计报表的查询。其主要方法有两种： 利用下拉式组合框实现报表查询。 利用日历控件实现报表查询。其界面如图 4.13 所示。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 4.6 遥测数据总图- 16 -图 4.7 遥信数据总图图 4.8 遥控总图兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 4.9 历史报警图 4.10 报警查询- 18 -图 4.11 电量日报表图 4.12 电量月报表兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 4.13 报表查询- 20 -5 组态王 SQL数据库管理访问组态王 SQL(Structured Query Language，结构化查询语言)访问功能实现组态王和其他外部数据库之间的数据传输，支持 ODBC(Open Database Connectivity，开放数据库互连)访问接口。它包括组态王的 SQL 访问管理器和 SQL 函数 8。5.1 SQL访问管理器SQL 访问管理器用来建立数据库列和组态王变量之间的联系。包括表格模板和记录体两部分功能。通过表格模板在数据库表中建立表格；通过记录体建立数据库表格列和组态王之间的联系，允许组态王通过记录体直接操作数据库中的数据。表格模板和记录体都是在工程浏览器中建立的。5.2 创建表格模板在工程浏览器中工程目录显示区中选择“SQL 访问管理器 ”下的“表格模板”项，在右侧目录内容显示区中双击“新建”，弹出“创建表格模板”对话框，如图 5.1 所示。5.3 创建记录体在工程浏览器中左侧工程目录显示区中选择“SQL 访问管理器”下的“记录体”项，在右侧目录内容显示区中双击“新建”，弹出“创建记录体”对话框，如图 5.2 所示。其中：字段名称填写数据库表格中的列名。组态王变量填写和表格中指定列相关联的组态王变量。5.4 建立 Ms Access 数据库(1) 建立一空 Access 文件，定名。(2) 定义数据源双击控制面板下的“ODBC 数据(32 位)”选项，弹出“ODBC 数据源管理器”对话框。选择“用户 DSN”属性页，并单击“添加” 按钮，如图 5.3 所示。在弹出的“创建新数据源”对话框中，选择“Mirosoft Access Driver”单击“完成”按钮，弹出“ODBC Microsoft Access 安装”对话框，定义数据源名，如图 5.4 所示。单击“选取”按钮，从中选择相应路径下刚刚定义的数据库文件。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）单击“确定”按钮，完成对数据源的配置。图 5.1 表格模板- 22 -图 5.2 记录体图 5.3 用户 DNS 属性页面图 5.4 定义数据源兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5.5 组态王 SQL与数据库的连接(1) 在数据词典里建立变量 DeviceID，为内存整形，是数据库连接时产生的连接号。(2) 连接数据库函数 SQLConnect( DeviceID, dsn=;uid=;pwd=);参数说明：DeviceID SQLConnct() 产生的连接号； dsn=;uid=;pwd= 连接语句，包括 ODBC 中定义的数据源名、用户名和密码，用户名和密码可以缺省。 例子：组态王以 sa 身份登录和名为 wang 的 SQL Server 中的 pubs 数据库连接。SQLConnect(DeviceID, DSN=wang;DATABASE=pubs;UID=sa; PWD=);(3) 创建表格函数 SQLCreateTable(DeviceID,TableName,TemplateName);参数说明：DeviceID SQLConnct() 产生的连接号；TableName 想要创建的数据库的表格名； TemplateName 表格模板名。例子：下例创建一个名为 kingview 的新表，模板为 table1。SQLCreateTable(DeviceID, kingview, table1);(4) 插入新记录函数 SQLInsert(DeviceID, TableName, BindList);参数说明：DeviceID SQLConnct() 产生的连接号；TableName 数据库的表格名；BindList 记录体。 例子：在表格 kingview 中插入一条记录，记录体 bind1。SQLInsert(ConnectionID, kingview, bind1);(5) 得到选择集函数 SQLSelect(DeviceID, TableName, BindList, WhereExpr, OrderByExpr);函数说明：DeviceID SQLConnct() 产生的连接号；TableName 数据库的表格名；- 24 -BindList 记录体； WhereExpression 指定函数起作用行的条件；OrderByExpression 定义排序的列和方向。只有列名可以用来排序，表达式：列名A