（控制科学与工程专业论文）高炉供配电综合自动化系统设计与应用.pdf

摘要 在钢铁企业中，一些重要生产设备如高炉、焦炉和转炉都有各自 独立的供配电系统。供配电系统直接为生产提供电源，并负责合理分 配相关设备的用电负荷，是保证生产设备持续稳定运行的重要环节。 综合自动化是将供配电站的继电保护、控制、测量、信号和远动等综 合为一体的多微机自动化系统，近年来已成为提高供配电站自动化水 平的发展方向，因此研究供变电综合自动化系统对钢铁工业生产有着 重要的意义。 钢铁企业供配电具有用电负荷高度集中、密度大、电压高、功率 大、安全要求高等特点。本文以某钢铁企业大高炉供配电综合自动化 工程为实例，结合国内外供配电站综合自动化技术的发展情况，根据 企业的实际需求，设计开发了高炉供配电综合自动化系统。 首先，根据高炉供配电系统对硬件管理和信息传输的要求，确定 整个系统的硬件采用总线结构的分散式集中组屏方式进行构架，然 后，根据系统信息种类多、数量大的特点，选择了一体化的通讯管理 机和多模光纤组成系统的网络结构，从而形成了供配电综合自动化系 统的基本框架。最后，通过对系统的功能进行分析，确定了软件的总 体结构和各个部分的详细功能，在此基础上根据工作人员职能划分情 况将软件模块分为服务平台类和人机界面类，并开发出具体的后台监 控软件，系统采用内存实时数据库系统与磁盘数据库系统相结合的方 式来实现系统的快速响应性，保证实时数据和各种信息的可靠传输。 系统在某钢铁公司的高炉水开关站和风机房站中得到了实际应 用。运行结果表明，系统具有安全、稳定、可靠、易扩充及抗干扰能 力强等优点，且能合理的分配电力负荷，实现稳定供电，保证了高炉 持续稳定的运行；同时真正将值班人员从抄表、巡视、监盘等重复繁 琐的日常值班事务中解脱出来，大大减轻了工人的劳动强度，为安全、 经济的管理供配电站提供了一种有效的途径。 关键词：供配电综合自动化，监控软件，分散式体系结构 a b s t r a c t i nt h ei r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e s ，s o m ei m p o r t a n tp r o d u c t i o n e q u i p m e n t sh a v et h e i ro w ni n d e p e n d e n tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，s u c ha s b l a s tf u r n a c e ，c o k eo v e n sa n dc o n v e r t e r t h i s s y s t e mi so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t s t oe n s u r et h es u s t a i n e da n ds t a b l e o p e r a t i o no ft h e p r o d u c t i o ne q u i p m e n t s ，w h i c hs u p p l yt h ep o w e rf o rt h ep r o d u c t i o n p r o c e s sd i r e c t l y i ta l s ot a k e sc h a r g eo fd i s t r i b u t i n gp o w e ru t i l i z a t i o no f i n t e r r e l a t e de q u i p m e n t s i n t e g r a t e da u t o m a t i o ni sam u l t ic o m p u t e r a u t o m a t i o n s y s t e m w h i c h i n t e g r a t e s t h e d i s t r i b u t i o n ，c o n t r o l ， m e a s u r e m e n t ，s i g n a l ，a n dr e m o t eo ft h er e l a ys t a t i o na n di th a sb e c o m ea d e v e l o p m e n ta s p e c to fi m p r o v i n gt h el e v e lo fp o w e rs u p p l ys t a t i o n a u t o m a t i o nd i r e c t i o ni nt h er e c e n ty e a r s s ot h er e s e a r c ho f t r a n s f o r m i n g i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mh a si m p o r t a n ts ig n i f i c a n c et ot h ep r o d u c t i o n o fi r o na n ds t e e li n d u s t r y t h ed i s t r i b u t i o n s y s t e m i ni r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e sh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l yc e n t r a l i z e de l e c t r i c i t yl o a d ，h i g hd e n s i t y , h i 曲 v o l t a g ea n dp o w e r a n dw i t hh i 曲s e c u r i t yr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t a k e t r a n s f o r m i n gi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mo fl a r g eb l a s tf u m a c ei ni r o n a n ds t e e le n t e r p r i s e sa sa ne x a m p l e ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t r a n s f o r m i n g i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mo fl a r g eb l a s tf u m a c ea c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d so fe n t e r p r i s e ，b a s e do nt h e d e v e l o p m e n t o f p o w e r d i s t r i b u t i o ns t a t i o n si nc h i n aa n da b r o a d f i r s t , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo f b l a s tf u m a c ef o rt h eh a r d w a r em a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e db yd i s t r i b u t e d c e n t r a l i z a t i o nm o n i t o r i n gw i mb u sa r c h i t e c t u r e t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e mw h i c hh a sm a n yk i n d so fa n dl a r g ea m o u n to f i n f o r m a t i o n ，t h ei n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tc o m p u t e ra n d m u l t i m o d eo p t i c a lf i b e ra r ec h o s e nt of o r mt h en e t w o r ks t r u c t u r eo ft h e s y s t e m ，t h u sf o r m i n gt h eb a s i cf r a m e w o r ko fp o w e rs u p p l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns y s t e m f i n a l l y , t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es o f t w a r ea n d v a r i o u sp a r t so ft h ed e t a i l e df e a t u r e sa r ed e t e r m i n e db ya n a l y z i n g s y s t e m sf e a t u r e s ，a n dt h es o f t w a r em o d u l e si sd i v i d e di n t oc a t e g o r i e sa n d s e r v i c ep l a t f o r mh m ic a t e g o r yo nt h i sb a s i si na c c o r d a n c ew i t hs t a f f i i i f u n c t i o n s ，a n dt h es p e c i f i cb a c k g r o u n dm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h u s ，t h es y s t e m sf a s t - r e s p o n d a b i l i t yi sr e a l i z e di n t h i s p a p e rb y c o m b i n i n gt h em e m o r yr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e ma n dd i s kd a t a b a s e s y s t e m ，a n dt r a n s m i s s i o no fr e a ld a t aa n di n f o r m a t i o ni sg u a r a n t e e d 1 1 1 es y s t e mh a sb e e na p p l i e di na l a r g eb l a s tf u r n a c eo fs t e e l c o m p a n y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fs e c u r e ， s t a b l e ，r e l i a b l ea n de a s yt oe x p a n da n dh a sa n t i - ja m m i n ga b i l i t y , w h i c h c a nr e a s o n a b l yd i s t r i b u t ep o w e rl o a d ，t h u sa c h i e v es t a b l ep o w e rs u p p l y a n de n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o no fb l a s tf u m a c e m o r e o v e r ，i tc a nt r u l y r e s c u ew o r k e r sw i t hh e a v yd a i l yw o r ka n dr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo f t h ew o r k e r s ，a n dp r o v i d ea l le f f e c t i v ew a yf o rm a n a g i n gp o w e rs u p p l y s t a t i o n ss a f e l ya n d e c o n o m i c a l l y k e yw o r d s ：t r a n s f o r m i n gi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ，m o n i t o r i n g s o f t w a r e ，d i s t r i b u t i o ns y s t e ms t r u c t u r e i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盗嗑塑日期：丛年月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 辞吼堕年月土日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在钢铁企业中，一些重要的设备如高炉、焦炉和转炉都会各自独立的供配电 系统。供配电系统直接为生产提供电源，合理分配相关设备的用电负荷，减小突 发事件给生产带来的影响，是保证生产设备持续稳定运行的重要环节。 供配电综合自动化是将供配电站的二次设备( 包括测量仪表、继电保护、自 动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现 代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全供配电系统的主要设备和输、 配线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护。供配电综合自动化系统可以采 集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能力，可方便 监视和控制供配电站内各种设备的运行和操作，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【l ，2 1 。 供配电系统能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全问题，对于企业来说 则关系到企业的正常生产，间接关系到企业的经济效益，因此对供配电系统进行 监控和保护具有十分重要的意义。设计出适合于工矿企业的供配电综合自动化系 统则成为了一个典型的研究课题，在国内外都得到了广泛的重视。本章从总体上 介绍综合自动化系统的研究背景与目的意义，国内外研究现状以及本文的主要架 构。 1 1 研究背景及意义 企业供配电站作为整个电网中一个节点，担负着电能传输、分配的监测、控 制和管理的任务。供配电站继电保护、监控自动化是保证上述任务完成的基础。 在中心统一指挥和协调下，电网各节点( 如供电站、配电站、电厂) 具体实施和 保障电网的安全、稳定、可靠运行。工矿企业的1 0 k v 和3 5 k v 终端用户供配电 站一般分布在工矿企业等负荷相对集中的地方，具有负荷回路多、性质复杂、故 障率高、安全系数高等特点，是电力系统中实现综合自动化难度较大、同时也是 我国目前进行综合自动化研究的薄弱领域。对该系统进行综合自动化的研究，对 工矿企业各个供配电站乃至整个电力系统实现综合优化控制与管理，提高系统运 行的安全性、可靠性及经济效益等方面都是有重要的现实意义，作为供配电站自 动化系统，它应实现以下要求【3 j ：检测电网故障，尽快隔离故障部分；采集供配 电站运行实时信息，对供配电站进行监控、计量和控制；采集一次设备状态数据， 可供维护一次设备参考；实现当地后台控制和紧急控制，并确保系统通信要求。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 因此按照上面的要求，供配电站综合自动化系统应该具有运行高效、实时、 可靠，对系统内各设备进行统一的监测、管理、协调和控制；同时，又必须与中 心电网系统进行实时、有效的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳 定水平，提高经济效益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。发展供配电站 综合自动化的必要性还体现以下几个方而1 4 j ： ( 1 ) 随着电网规模不断扩大，新增大量的发电厂和供配电站，使得电网结 构日趋复杂，这样要求各级电网调度值班人员掌握、管理、控制的信息也大量增 长，同时对电网故障处理和恢复要求也更为迅速和准确。 ( 2 ) 现代工业技术的发展，特别是电子工业技术的发展，计算机技术的普 遍应用，使得工矿企业本身对电网可靠供电提出了更高的要求。 ( 3 ) 市场经济的发展，使得整个社会对电网经济建设、运行、管理提出了 更高的要求。现代控制技术的发展，计算机技术、通信技术和电力电子技术的进 步与发展，电网自动化系统的应用，为上述问题提供了解决的方案，这些技术的 综合应用造就了供配电站综合自动化系统的产生和发展。 ( 4 ) 鉴于目前我国工矿企业电力系统发展迅速，每年1 0 k v 和3 5 k v 等级 的供配电站新建数目都很大，国内工矿企业电力监控系统将形成一个巨大的需求 市场，相应技术和市场竞争将变的越来越激烈。因此，立足国内自主开发出适应 面广，高水平，可组态，远程维护，网络化的工矿企业配电所监控系统，可以减 少引进国外系统、节约大量资金，具有很好的经济效益和社会效益。 针对以上问题，本课题以华菱涟源钢铁厂高炉供配电系统为对象，研究高炉 供配电综合自动化系统的设计与应用，为其建立符合现代化生产要求的供配电综 合自动化系统，把全部的实时运行数据集中到3 5 k v 风机变电站进行统一管理， 将其建成一个智能的、高效率的供配电管理平台。 1 2 高炉供配电自动化系统研究现状 供配电综合自动化是将供配电系统二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继 电保护、自动装置和运动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算 机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对整个供配电系统的主 要设备和输、配线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护【2 1 。 国外供配电综合自动化系统的研究工作始于上世纪5 0 年代，最早是通过采用 晶体管或者集成电路技术的布线逻辑来实现基本的遥控、遥测功能。在7 0 年代微 机型远动装置出现后，采用数字通讯技术取代了原来的编码传输，在系统硬件上 得到了极大的简化，同时微处理器上的软件编程实现了各种逻辑和控制，大大的 提高了灵活性，并且供配电自动化系统的功能在扩大，供配电网的监控功能正以 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 综合自动化为目标迅速发展。8 0 年代以后，研究供配电综合自动化系统的国家和 公司越来越多，如较大规模的德国西门子公司研制生产的l s a 6 7 8 系统；a b b 公 司的s c s l 0 0 、s c s 2 0 0 供配电综合自动化系统。在微机型远动技术开始走向成熟 的基础上，业界提出了综合自动化理论，它是现代供配电自动化系统的理论构造 基础，供配电自动化系统开始走向综合自动化的方向，至今仍处于不断发展更新 的过程中。综合自动化系统强调面向间隔设计、功能下放、分层构造和信息的完 全共享。目前基于分布式概念所设计的供配电站综合自动化系统成了主流，在完 善了系统的功能以外，还优化了系统通讯结构和方式，突出系统的可靠性，灵活 性以及易维护性【5 ，6 】。以日本为例，它在2 0 世纪9 0 年代新建和扩建的供配电站采 用了以计算机监控系统为基础的运行支援系统，其主要特点是继电保护装置下放 至开关现场，并设置微机控制终端，采集测量值和开关接点信息，通过光缆传输 至主控制室的后台计算机系统，开关及隔离开关操作命令也由主控制室通过光缆 下达至终端执行1 2 1 。 我国供配电系统微机保护及综合自动化的研究始于8 0 年代中期，1 9 8 7 年清 华大学电机工程系成功研制第一个符合中国国情的供配电站综合自动化系统，在 山东威海望岛变电站成功投入运行，该系统主要由三台微机及外围接口电路组 成。在随后的几年里，又有许多供配电站智能设备如小电流接地选线装置、故障 录波装置得到了一定的发展，并投放到变电站运行，取得一定的效果。二十世纪 末，不少高等院校、研究单位和生产厂家投入到变电站综合自动化的研究中，出 现了许多供配电站综合自动化产品，北京四方的c s c 一2 0 0 0 系列，南瑞继保的 r c s 9 0 0 0 系列，湘能许继的c b z 8 0 0 0 系列，南瑞科技的n s c 2 0 0 0 系列等【7 ，引。 在经过十几年的发展，我国电力综合自动化系统在功能上已基本成熟，许多厂家 提供了各具特色的系统，满足用户对于电网监控的各种基本需求。 在上述产品的研发过程中，几乎都是针对单纯的电力供电网而设计的，工矿 企业在使用时都是采用生搬硬套的方式应用于各自的企业电网中，同时网络互联 以及为用户提供二次开发这两个问题长期被忽视，使得大部分的系统只能在以站 为单位的小范围提供比较全面的功能，并且几乎不具备追加功能的能力，面对新 出现的问题缺少解决办法，并且在实际的工程中还存在很多问题，主要表现在： 缺乏统一化、全局化的系统设计，以一种“拼凑”功能的方式构成系统，将单纯电 力系统的综合自动化系统生搬硬套到工矿企业的供配电站中使用后，致使整个系 统的性能指标不高，部分功能及系统指标无法实现；功能重复建设，增加了投资 且使现场造成复杂性，影响系统的可靠性；工程设计缺乏规范性的要求，从而导 致各系统的联调时间长，对将来的维护及运行都带来了极大的不便，进而影响了 供配电站自动化系统的实际投入率，因此真正意义上的综合自动化系统的研究还 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 刚起步。 涟钢高炉供配电系统由于受自动化水平和经济能力的限制，设计之初选择采 用r t u 方式来实现高炉供配电自动化，该方式仅在常规有人值班变电所的基础 上，在r t u 中增加了遥控、遥调功能，站内仍保留传统的控制屏、指示仪表、 光字牌等设备。所有信号由r t u 集中采集，遥控、遥调指令通过r t u 装置硬接 点输出，由控制电缆引入二次回路控制，与数字保护不能交换信息，保护动作信 号仍需通过继电器接点采集，采用这种方式所需二次电缆比常规变电所更多，二 次回路也更复杂，显得有些浪费和累赘。针对上述问题，本文将在高炉供配电系 统现有r t u 方式的基础上提出建立一种高炉总配电综合自动化系统，新系统最 大的特征是将站内当地监控功能、站内信号采集、远动功能以及数字保护信息结 合为一个统一的整体，完全取消了传统的集中控制屏，二次回路极为简洁和明了， 控制电缆大量减少，同时可根据实际情况进行有人值班运行或无人值班运行。 本文构建的高炉供配电综合自动化系统具有一般电力综合自动化系统的一 些共有特性，但是它是以高炉供配电的应用背景，其实时性、可靠性、稳定性都 有自身的特点，因此本文结合具体的应用来设计高炉供配电综合自动化系统，并 对几个关键性问题进行探讨。 1 3 研究目标与研究内容 根据上面对实际情况的分析，不难得出实现高炉供配电综合自动化系统的关 键技术主要有供配电站综合自动化硬件系统的组织结构，现场电气模拟展示平台 的实现，系统安全体系及后台监控，数据库体系的构架，异构系统间的互连与实 时数据交换，对外信息交换与共享等方面。 对于系统硬件的组织结构，要求采用分层分布式结构，该结构一般采用工业 现场总线r s 4 8 5 及c a n 工业局域网，对工业现场、执行机构实现分级控制管理， 使数据采集与机械控制实现集散控制集中管理，真正做到控制过程的实时在线， 完成柔性化管理；分层分布式系统有很好的兼容性、可靠性和可观测性，且互换 性强、容易优化并且有利于以后系统的扩展和改进1 9 j 。 要求现场电气模拟展示平台能集中反映供电系统现场运行工况，从而实现对 现场的远程监视。包括对现场一次侧、二次侧的电气物理状态的展示，对供配电 站的模拟量、开关量、脉冲量等信号集中展现，对实时运行参数、各种波形曲线、 各种报警与故障数据等方而信息的显示。 如何保证供电系统的安全是高炉供配电自动化系统研制过程中所关心的最 重要的问题之一。这具体包括系统安全体系及后台监控是如何实现，现在的供电 系统主要是运用源于人、技术、管理等因素所形成的预警能力、保护能力、检测 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 能力、反应能力和恢复能力，保证网络基础设施、网络边界、计算环境和支撑性 基础设施，在信息和系统生命周期全过程的各个状态下提供适当的安全功能，从 而保障各项工作的效率和效益，促进信息化的可持续健康发展【1 0 l 。 供配电自动化系统的数据库关系到整个系统的数据信息传输、交换与存储， 建立性能优异的数据库系统，对提高整个系统的工作效率，保证系统的稳定运行 起到至关重要的作用。电力自动化系统数据库结构以往主要是历史数据库，本系 统将内存数据库添加进来作为其实时数据库来提高数据的响应速度，内存数据库 以其存储速度上的优势正逐渐被应用到电力自动化系统的数据存储体中，与历史 数据库配合使用。 采用标准的主流通信协议，保证对外信息交换与共享的通畅，在系统安全允 许范围内，利用网络平台为用户提供远程数据服务，实施动态宽泛的数据交换与 共享，并且开放系统的相关数据接口，实现对二次数据资源的充分利用，在更宽 范围、更高层次实现企业信息集成也是本自动化系统设计是所追求的一大功能目 标。工矿企业电力系统并非是一个纯粹的电气元素的物理组合，它必然与机械、 热工等系统有着密切的关系，因此，供配电自动化系统必须考虑到与这些不同性 质系统间的信息交互，而这就得依靠实现异构系统间的互连与实时数据交换来完 成，其关键在于如何使异构系统间的数据表示标准化。目前，异构系统间的数据 表示标准化由i e c 颁布的6 1 9 7 0 c i m c i s 国际标准来实现，该标准定义了能量管理 系统应用程序接口( e m sa p i ) ，定义了一系列的公用的数据模型和标准的组件 接口规范，该规范采用面向对象的关系模型，为各个应用系统之间公用数据的存 取和访问提供了统一的国际标准，从而为分布式系统平台之上建立可互操作的应 用软件模块奠定了基础l l 。 本文以湖南华菱涟源钢铁有限公司热电厂高炉风机变电站和水处理配电站 为研究背景，对该供配电系统的结构特点和实际运行情况进行了详细的调研，针 对现存的问题和缺陷，开发出一套“高炉供配电综合自动化系统”，最后将该系统 应用到实际运行中，并分析和讨论了该系统在实现过程中所采用的技术要点及其 实际运行效果，主要进行的工作内容包括以下几个部分： ( 1 ) 查阅大量的文献资料，对我国供配电综合自动化系统特点及其现状进 行了分析。对水处理开关站及风机房站两处的供配电设备配置及其运行情况进行 详细调研，了解原系统所存在的问题和缺陷以及用户对后台监控系统的需求，并 结合现场实际情况进行了可行性论证。 ( 2 ) 提出供配电综合自动化系统结构方案。针对原系统根本不具备“四遥” 功能的情况，设计出一套合理的满足需求的供配电站供配电自动化系统方案，并 将水处理配电站及风机房变电站两处系统集合成一个统一的控制单元，以便更好 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 地进行管理。 ( 3 ) 进行高炉供配电网综合自动化系统方案的设计及开发，软件结构上采 用模块化设计，并对关键软件模块进行详细分析及功能开发。 ( 4 ) 建成整个综合自动化系统，并经现场调试正式投入运行。 本论文提出一种面向中、低电压等级供配电站的新型的无人值守的综合自动 化系统结构，为系统设计了相应的具有组态功能的监控系统应用软件。该监控系 统软件不但能够完成基本的供配电站电力设备运行状态的监控功能，而且可以通 过供配电站综合自动化系统中的监控主机进行远程维护和各种保护类型的配置。 1 4 论文构成 论文的后续章节构成如下： 第二章是系统的分析及总体方案的设计，主要介绍湖南华菱涟源钢铁有限公 司热电厂高炉供配电现有系统的实际运行情况，通过对现有设备以及现存的缺陷 进行分析和了解后，结合该自动化系统所要达到的功能要求，设计出系统的总体 结构，并从硬件、容灾机n - 个方面分别给出具体的介绍。 第三章主要介绍了系统的通讯机制，首先从现场的实际通讯情况出发，分析 现场主要的信息交换和数据特点，然后详细给出现场数据流程，进而引出综合自 动化系统数据通讯的特点及要求。在上述工作的基础上开始介绍现场硬件接口和 通讯硬件网络结构以及相关的通讯规约。 第四章是具体的监控系统应用软件设计，首先从供配电站综合自动化发展的 角度出发，指出监控软件应具有可靠性、开放性、实时性和组态性，从而给出了 软件的整体框架，随后重点分析了监控软件的数据库平台，软件在普通历史数据 库的基础上开发出了内存实时数据管理系统。 第五章为工业应用，以某钢铁企业的高炉3 5 k v 变电站和1 0 k v 配电站为应用 对象，实现高炉供配电综合自动化系统的现场安装及调试，并针对系统的工业运 行结果进行分析，最后对软件的重点模块进行了功能分析和介绍。 第六章对本论文做出总结与展望，以便进行下一步工作。 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 供配电综合自动化是供配电站应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通 过计算机硬件系统或自动化装置代替人工进行各种运行作业，提高供配电站运 行、管理水平的一种自动化系统，对于充分提高工作效率、降低和减少运行成本、 提高供配电质量、减少突发事故的影响和改善劳动条件都有非常重要的意义。本 章针对现场实际情况以及上一章的研究目标基础上，仔细分析了当前高炉供配电 自动化系统的主要体系结构，然后给出高炉供配电综合自动化系统的总体结构， 并详细说明了新综合自动化系统的设计原则和功能分析，并从系统硬件拓扑结 构、容灾机制等方面进行详细说明。 2 1 系统分析 涟钢6 4 高炉容量为2 2 0 0 m 3 ，于2 0 0 3 年1 2 月4 日正式投入使用并于次日下 午顺利出铁，它是涟钢第一座容量为2 0 0 0 m 3 级的大型高炉，它是涟钢实现从落 后小高炉冶炼向先进大高炉生产过渡的关键设备。高炉采用了多项先进的工艺技 术和新设备，技术装备水平处于目前国内同类型高炉的先进水平。 现有高炉供配电系统主要由两部分组成：高炉水处理1 0 k v 配电站，该站从 涟钢2 号变引入2 条1 0 k v 进线为高炉水处理、渣泵系统等生产设备供电，站内 目前有开关柜4 0 台，其主要回路有1 0 个水泵、6 个渣泵、1 个助燃风机、1 个 鼓风机、1 个除尘风机、2 个进线电源、9 个动力变压器等，各回路开关柜内的 测控保护一体化装置、计量系统、直流系统等装置都已经安装到位，形成完全分 散式结构【1 2 1 。其中测控保护一体化装置采用许继公司的w x h 8 2 3 装置和阿尔斯 通公司的p 1 2 1 p 1 2 3 p 2 2 0 p 9 2 1 等装置，计量系统采用了长沙威胜电子三相多功 能电能表d s s d 3 3 1 和深圳龙电电气公司的d s s d 5 1 型三相电子式多功能电能 表，直流系统则采用长沙电力设计院高新所高频开关直流电源系统，具体一次接 线图见附录a 。 高炉风机3 5 k v 变电站从涟钢1 号变引入3 5 k v 进线通过站内1 0 k v 主变降 压后为风机供电，风机1 0 k v 母线有三段：1 拌主变供i 段母线带l 群主电机，2 撑 主变供i i 段母线带2 群主电机，另有两段共用的变频启动过渡母线，主电机启动 完毕正常运行时过渡母线不带电，i 、i i 段母线间无联络开关，主变和电机只能 实现一一对应的供电，由于2 群主电机从安装至今一直没有通过调试，至今没有 实际投入运行过，一旦出现意外，难以进行有效的调整，大高炉面临停产。目前 7 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 站内有开关柜1 3 台，其中含有3 5 k v 进线电源2 台、母联l 台、主变压器2 台， 备用变压器2 台，变频器2 台，升压变压器2 台，电机2 台，开关柜已经将测控 保护一体化装置、计量系统、直流系统等装置均以安装到位，测控保护一体化装 置采用西门子公司的7 s j 6 2 7 s j 6 0 0 7 u t 6 1 7 u m 6 2 和许继公司的w x h 8 2 3 装置， 计量系统采用了长沙威胜电子的三相多功能电能表d s s d 3 3 1 和深圳龙电电气公 司的d s s d 5 1 型三相电子式多功能电能表，直流系统采用长沙电力设计院高新所 高频开关直流电源系统，具体一次接线图见附录b 。 2 1 1 现状及需求分析 由于在设计初期没有采用合适的设计方案，高炉供配电系统逐渐无法适应日 益复杂的生产需要，严重影响到高炉的正常运行。以高炉风机为例，在高炉生产 中，风机能否连续、安全、稳定的运行对整个高炉的正常生产具有决定性的意义， 但是高炉投产的4 年多时间，高炉风机工作由于供配电的原因曾发生多次停机及 故障，给高炉生产造成严重影响，几乎造成灾难性事故的发生。 上述情况的产生，主要是高炉现有供配电系统是把单纯电力自动化系统照搬 过来的，并没有按照高炉的实际生产情况进行自动化系统的设计，而高炉供配电 系统与电力输电系统存在着比较大的差别，具体表现在以下特点： ( 1 ) 用电负荷高度集中、密度大 高炉及其配套设施大型设备非常多，大多数都需要靠电能提供能源，属于钢 铁企业的高耗能环节，国内钢铁企业的供电网络一般是按实际需求敷设，供配电 系统及其送电网络经常满负荷工作，一旦出现故障，倒负荷后将出现部分供配电 线路负荷严重重载。而一般电网依靠其充足的输送网络，对于用电负荷过度集中 的地方实行负荷转移供电，使得整个供配电网络负荷密度控制一个稳定的水平。 ( 2 ) 高电压、高功率用电设备多 由于生产需要，拥有大量的各种类型的设备，有普通的照明、空调等普通居 民类用电设备，也有大功率电动机、水泵等典型工业用电设备，还有电炉、a v 4 5 风机等超高功率用电设备，因此供电电压等级多( 1 1 0 l ( v 、3 5 k v 、1 0 k v 、6 k v 、 o 4 k v ) ，配电网络拓扑复杂，通过高炉供配电系统实现上述不同电压等级供电。 ( 3 ) 用电设备安全要求高 供电设备包括很多连续性生产的设备，像水开关站的风机、鼓风机、水泵、 渣泵等，它们在电压骤降或失电的情况下都会对生产造成影响，并且容易毁坏设 备本身，因此供配电系统的稳定性、可靠性直接关系到生产是否能连续进行。一 般电力系统在发生上述情况是只需要在规定时间而完成负荷转移即可，而高炉供 配电系统即便是故障后马上恢复供电也会直接给生产带来影响，主要是生产一旦 s 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 中断再启动需要很长一段时间，因此就要求供配电系统持续稳定的工作，尽可能 减少突发事件带来的影响。 ( 4 ) 供电质量与负荷的电磁兼容存在问题 就高炉供配电系统来说，由于大高炉是非线性冲击负荷，其会产生的大量谐 波电流、负序电流注入供配电系统，比如风机启动、渣泵启动时常常会带有大量 谐波电流，对设备本身及其它负荷设备都将造成影响，这也是高炉供电与负荷设 备的电磁兼容问题之一。 ( 5 ) 与其它设备、系统的接口及联系较多 高炉供配电是为高炉正常生产服务的环节之一，这就决定它与高炉其他配套 设备、系统有着紧密的联系，存在大量的实时数据交换，这就要求系统具有良好 数据库系统的同时能保证有良好的通讯网络。 分析了高炉供配电系统的以上特点，再结合一般供配电综合自动化系统的特 点，不难发现要设计实现的高炉供配电综合自动化系统必须具备以下几点基础功 能：实时、稳定、可靠；系统数据库容量大；多接口，并可灵活配置；自动化程 度高、网络功能强大，而这其中供配电综合自动化系统的实时性、稳定性、可靠 性直接对高炉生产的稳定与否起决定性因素。 涟钢高炉供配电系统原计划采用r t u 方式运行，整个系统由于安装调试不 到位，其遥控、遥调功能均没有实现，只有部分信号由r t u 集中采集通过装置 硬接点输出，站内仍保留传统的控制屏、指示仪表、光字牌等设备。所有由控制 电缆引入的二次回路控制，与数字保护不能交换信息，保护动作信号仍需通过继 电器接点采集，采用这种方式所需二次电缆比常规变电所更多，二次回路也较为 复杂，上述情况使得高炉供配电系统面临以下两个主要问题：首先是人工值守问 题，水处理站与风机房站的间隔层各进线回路均配置有测控一体化保护装置，但 这些装置的运行情况监视完全依靠人工值守来实现，没有运行相应的后台监控系 统，各种所需测量值均为人工手动抄表实现；其次是网络互联问题，两站各自独 立运行，当需要调用对方运行参数时候完全依靠人工抄表计算后电话报数，根本 无法实现统一、有效的管理，对突发事件缺乏有效的整体应急方案。涟钢现有的 高炉供配电站，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足上述要求，例如： ( 1 ) 二次设备主要依靠大量电缆，通过触节点、模拟信号来交换信息，信 息量小、灵活性差、可靠性低，这些二次设备大多是从企业建成开始生产后就一 直使用至今，在技术水平上、设备可靠性上均大大低于现有水平，且现场设备的 大量触节点、模拟信号接线极为不规范，两台同样的渣泵在配置同样的保护装置 情况下也会出现触节点不一致的现象。 ( 2 ) 由于上述原因，传统供配电站占地而积大、使用电缆多，电压互感器、 9 中南大学硕士学位论文第二章系统总体设计 电流互感器负担重，二次设备冗余配置多，日常维护难以进行，通过在现场电缆 夹层调研发现，几乎全部电缆都投入使用后从未进行过日常维护和检查，电缆老 化现象比较严重，同时还发现由于供配电站的厂房大小以及电缆的敷设数量完全 是按照以前的计划订制严格执行，没有预留扩展空间，几乎不可能在此基础上进 行新设备的添加和改进，系统的追加功能受到极大的限制。 ( 3 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差，且站 内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电网实时监测和控 制的要求，高炉现有的供配电站至今没有实现远东控制和远动抄表，断路器的分 合闸、保护装置的读数、报警消除、电度表的计量统计完全依靠手工实现。 ( 4 ) 供配电线路发生单相接地异常时，靠拉闸检除方法处理，造成生产多 次停电，处理速度慢，设备绝缘长时间承受高电压。值班管理人员对配电网各段 负荷、电压和功率因数等情况知之甚少，无法使配电网络经常处于经济运行的状 态，阻碍了电网整体供电能力的提高。 上述几个方面的问题应用传统技术无法解决，解决这个问题的方法就是逐步 实现配电自动化。另外传统的二次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之间相 关性甚少，相互之间协调困难，需要值班人员比较多的干预，难以适应现代化电 网的控制要求，并需要对设备进行定期的试验和维修，以此保证设备的正常运行， 即便如此，设备故障不能及时发现的情况以及因此引发的系统工作中断现象频频 出现，甚至这种定期检修也可能由于调试人员过失引起其他回路误动作。 针对现有的问题同时为了达到供配电自动化的总目标，提出了以下要求： ( 1 ) 综合自动化系统应集供配电站的继电保护、测量、监视、运行控制和 通信于一个分级分布的系统中，能全面集中常规的二次设备。系统的功能和配置 必须具备r t u 的全部功能，以满足和促进供配电站无人值班的实施。 ( 2 ) 微机保护的软、硬件设施要与监控系统相对独立又要相互协调。即在 运行中，继电保护的动作行为只与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节， 以保证在综合自动化系统中，任何其他环节不影响保护子系统的正常工作；同时， 保护又要与监控系统保持紧密的通信联系。另外，微机保护装置应具有串行接口 或现场总线接口，向计算机监控系统提供保护动作信息或保护定值等信息。 ( 3 ) 系统应该具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力。在考虑系统的总体 结构时，要注意主、次分清，对关键环节要有一定的冗余能力；综合系统的各个 子系统要相对独立，要具有独立的故障自诊断和自恢复功能；任一部分发生故障 时，应通知监控主机发出警告指示，并能迅速将自诊断信息送往控制中心。 ( 4 ) 要有远程通信功能，依靠先进的通信网络和合理的通信协议，可以将 站内运行的有关数据及信息远传至调度中心或者设备运行管理单位。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 ( 5 ) 具有良好的人机界面，以便运行人员通过屏幕了解各种运行状况，并 可以进行必要的控制操作。在有人值班时，人机联系功能在当地监控系统的后台 机上进行；无人值班时，该功能在上级调度中心的主机或者工作站上进行。 ( 6 ) 系统的可扩展性和适应性要好，以便适应不同的要求，可以组成不同 规模和不同技术等级的系统。 系统的主要性能指标应达到如下表所示： 表2 - 1 ：系统性能指标 指标名称时间要求 模拟量更新时间： 开关量更新时间： 画面调用响应时间： 画面实时数据更新周期： 双机切换时间 系统的可靠性： ：互o s 郢5 s 三互0 s s 1 0 s 5 2 o s 在工程现场运行的平均无故障时 间m t b i 鬯_ 2 5 0 0 0 小时 2 1 2 方案设计 一个系统的设计首先需要确定其硬件的组织形式，即硬件网络拓扑结构，在 国内外综合自动化系统中，广泛采用的有两种网络拓扑结构，一种是总线型结构， 一种是星型结构。星型结构较早在供配电站自动化系统中应用，如西门子公司的 l s a 6 7 8 系统，该拓扑结构的最大优越性在于信息传输的确定性和实现方便，其 缺陷在于突发事件的延时较长，且由于通讯网络中只有一个主站，容易形成信息 的瓶颈，需要较长时间等待数据传输令牌。总线型拓扑结构没有主节点，所有节 点在通讯时所