（控制科学与工程专业论文）基于工业以太网的变电站综合自动化系统的研制与应用.pdf

基于t 业以太网的变i 乜站综合自动化系统的研制与j 却用 摘要 本文从变电站综合自动化的“安全稳定、易于拓展、信息集成、智能共享”设 计原则出发，结合韶关冶炼厂1 1 0 k v 变电站现场情况，设计和实现了一套分层分 布式变电站综合自动化系统。利用智能化硬件平台和层次化的网络通讯平台，完 成对变电站的模拟量、开关量、脉冲量等信号集中监视，将测量、控制、保护、 通信等功能统一协调，利用信息共享和实用软件，完成对全厂能量的管理。 首先，研制了一套分层分布式变电站综合自动化系统。分别从数据采集、数 据处理、数据存储及数据应用数据流的角度，分析整个系统的结构。研制了面向 对象的数据库，给整个系统提供了高效、稳定的数据平台，很好的满足了监控系 统数据信息处理的快速性、可靠性、一致性和共享性。 其次，建立了以r s 4 8 5 总线和工业以太网相结合的分层通信网络系统，实 现信息实时、安全、可靠地传输。网络通信系统分为两层，过程层网络和变电站 层网络。过程层网络中针对变电站监控系统不同子系统设备之间互操作性差的难 题，采用设计的协议转换模型方便、高效地互联了变电站的多个子系统，完成了 整个监控系统的数据集成。在变电站层网络通信中采用x m l 文档格式进行传输， 实现异构数据共享。 然后，研制了一套企业级的集成管理节能系统。分析了变压器经济运行方式， 给出变压器最佳组合的运行方式；以每个车间内的班组为单位，对其值班期间的 用电总量进行纵向、横向比较分析，为管理者制定相应的奖惩措施提供依据，实 现企业车间班组级的精细化管理节能。分析了节能管理系统节能降耗的程度，及 带来的经济效益。 最后，采用面向对象的编程方法和编程工具实现了变电站综合自动化系统应 用支撑平台，为迅速、准确、完整掌握变电站实时运行状况奠定了坚实的基础。 文中对数据监控、操作票自动生成、智能查询、管理节能等重要软件的实现进行 深入的分析与研究。 本系统已通过验收，已在韶关冶炼厂安全运行，经受了各种运行条件的考验。 系统工作稳定、可靠，操作方便快捷，维护工作量低，技术先进可靠，功能强大， 自动化程度高，大大减少了工作人员的劳动强度，节约了大量的人力、物力。通 过对韶关冶炼厂的能量管理，很大程度上节约了能源，取得了良好的社会效益和 经济效益。 关键词：变电站；综合自动化：数据流；工业以太网；分层网络；管理节能 i i 硕i j 学位论史 a b s t r a c t t h ep a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e sah i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e di n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mc o m b i n e dw i t ht h es i t u a t i o no ft h el1o k vs u b s t a t i o no fs h a o g u a n s m e l t e rb a s e do nt h ed e s i g np r i n c i p l eo f “s e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ， e a s yt oa c c e s s ， i n f - o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，i n t e l l i g e n c es h a r i n g ”i nt h ei n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m a n di tc a nc o m p l e t et h es i g n a l sc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs u c ha st h es i m u l a t i o n c a p a c i t y ，s w i t c h i n gc a p a c i t ya n dt h ep u l s es i g n a lv o l u m eo fp o w e rp l a n ta n ds oo nb y u s i n gt h ei n t e l l i g e n th a r d w a r ep l a t f b r m sa n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r a ln e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m s ，a n dc o o r d i n a t et h ef u n c t i o n ss u c ha sm e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ， p r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o na n ds oo n ，a n dt h e nc o m p l e t et h ee n e r g ym a n a g e m e n t o ft h ep o w e rp l a n tb yu s i n gt h ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga n du t i l i t ys o f t w a r e f i r s to fa l l ，i td e s i g n sas e to fh i e r a r c h i c a la n dd i s t r i b u t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ，a n da n a l y s e st h es t r u c t u r eo ft h ee n t i r es y s t e mf r o mt h ev i e wo ft h ed a t a a c q u i s i t i o n ， d a t ap r o c e s s i n g ，d a t a s t o r a g e ， d a t aa p p l i c a t i o na n dd a t af l o w ，a n d d e v e l o p st h eo b je c t - o r i e n t e dd a t a b a s e ，w h i c hp r o v i d e sah i g h l ye 珩c i e n ta n ds t a b l e d a t ap l a t f o r mf o rt h es y s t e m ，a n dt h e nm e e tt h er a p i d n e s s ，r e l i a b i l i t y ，c o n s i s t e n c ya n d s h a r i n go ft h ed a t ai n f o r m a t i o np r o c e s s i n go ft h em o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l y ，i te s t a b l i s h e st h el a y e r e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm a i n l yb a s e do nt h e r s - 4 8 5b u sa n di n d u s t r i a le t h e r n e tn e t w o r kt ot r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nr e a l t i m e s a f e l ya n dr e “a b l y t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n c l u d e st w ol a y e r s ，t h e p r o c e s sl a y e rn e t w o r ka n dt h es u b s t a t i o nl a y e rn e t w o r k t h ep r o c e s sl a y e rn e t w o r k i n t e r c o n n e c t st h ev a r i o u ss u b s y s t e m so ft h es u b s t a t i o ne x p e d i e n t l ya n de f n c i e n t l yb y u s i n gt h ed e s i g n e dp r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d e lf o rt h ep o o ri n t e r o p e r a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n t sb e t w e e nt h ed i f 托r e n ts u b s y s t e m so ft h es u b s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ， a n dc o n l p l e t e st h ed a t ai n t e g r a t i o no ft h ee n t i r em o n i t o r i n gs y s t e m t h es u b s t a t i o n l a y e rn e t w o r ku s e st h ex m ld o c u m e n tf o r m a ti nc o m m u n i c a t i o nt or e a l i z et h es h a r e o ft h eh e t e r o g e n e o u sd a t a t h e n ，i td e v e l o p sas e to ft h ee n t e r p r i s e c l a s si n t e g r a t e de n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m ，w h i c ha n a l y z e st h ee c o n o m i co p e r a t i o no ft h es u b s t a t i o n ，a n dg e t st h eb e s t c o m b i n a t i o no p e r a t i o nm o d eo ft h es u b s t a t i o n ，a n dc o n l p a r a t i v e l ya n a l y z e st h et o t a l p o w e rq u a n t i t yl o n g i t u d i n a l l ya n dh o r i z o n t a l l yi nt h ep e r i o do ft h ed u t yb yt h ew o r k t e a mo ft h ew o r k s h o pa sa nu n i t ，w h i c hp r o v i d eag i s tt od e v e l o pa p p r o p r i a t ei n c e n t i v e a n dc a s t i g a t o r ym e a s u r e sf o rt h em a n a g e r s ，a n dt h e na c h i e v e st h eg r e a t e s te n e r g y i i l 基于t q p 以太网的变电站综合自动化系统的研制与应用 m a n a g e m e n to ft h ew o r k - t e a m - c l a s so ft h ee n t e r p r i s ew o r k s h o p ，a n da n a l y z e st h e e x t e n to ft h es a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u n l p t i o no ft h ee n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m ，a n dt h ee c o n o m i cb e n e n tt h a ti tb r i n g s f i n a l l y ， i ta c h i e v e st h e s u p p o r t i n gp l a t f 6 r m o ft h es u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns y s t e m b yu s i n gt h eo b je c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d sa n dt h e p r o g r a m m i n gt o o l s ，w h i c hh a sl a i das o l i df 6 u n d a t i o nt og e tt h er e a l t i m eo p e r a t i o n s t a t e m e n t so ft h es u b s t a t i o nr a p i d l y ，a c c u r a t e l y ，a n dc o n l p l e t e l y t h ep a p e rs t i l ld e e p l y a n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h ea c h i e v e m e n tt e c h n o l o g yo ft h em a i ns o f t w a r es u c ha st h e d a t am o n i t o r i n g ，o p e r a t i o nt i c k e t ，i n t e l l i g e n tq u e r y i n g ，a n de n e r g ym a n a g e m e n ta n ds o o n t h es y s t e mh a sb e e ni nt h es a f co p e r a t i o ni ns h a o g u a ns m e l t e r ，e n d u r i n gt h et e s t o ft h ev a r i o u sd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，w h i c hh a sb e e nc h e c k e da n da c c e p t e d t h es y s t e mw o r k ss t a b l y ，r e l i a b l y ，a n dc o n v e n i e n t l y ，t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sl o wm a i n t e n a n c e ，t h ea d v a n c e dr e l i a b l et e c h n o l o g y ，t h ep o w e r f u lf u n c t i o n ，a n dt h e h i g hd e g r e ea u t o m a t i o n ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t yo ft h es t a f f ，a n d s a v e sl o t so ft h em a n p o w e ra n dt h em a t e r i a l s t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi n s h a o g u a ns m e l t e rh a ss a v e de n e r g yr e s o u r c et oal a r g ee x t e n t ，a n dg a i n e dab e t t e r s o c i a ia n de c o n o m i cb e n e 6 t k e yw o r d s ： s u b s t a t i o n ； i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ； d a t af l o w ； i n d u s t r i a le t h e r n e t n e t w o r k ；h i e r a r c h i c a ln e t w o r k ；e n e r g ym a n a g e m e n t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：力诠日期：川年乡月穆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囡。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：砂了年y 月冶日 日期：砷年歹月才日 硝髂 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 变电站自动化系统概述 变电站自动化系统是采用了变电站自动化技术的变电站控制和保护系统，它 包括7 个功能：远动功能，自动控制功能，测量表计功能，继电保护功能，与继电 保护相关功能，接口功能和系统功能。变电站自动化技术是指为了在变电站中实 现遥控、遥测、遥信、遥脉、遥调、遥视等自动化功能而采取的信息处理技术的 总称【l 】。 随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展及其在电力系统的不断渗 入，变电站自动化技术的发展异常迅猛。从变电站自动化技术的发展过程来看， 变电站自动化可分为晶体管布线逻辑型的远动设备阶段、集中式厂站微机型远动 设备阶段以及厂站综合自动化阶段三个阶段【2 1 。 1 晶体管布线逻辑型的远动设备阶段 最早用于电力工业的远动设备是采用电话继电器、步进器和电子管为主要元 器件组成的，后随着半导体技术的发展，开始出现晶体管无触点式远动设备以及 集成电路远动设备。这阶段的远动设备主要特点是不涉及软件，设备都是由硬件 制造的，核心硬件是晶体管以及中小规模集成电路芯片，即为非智能硬线逻辑方 式。再者，采用集中组屏方式，其设计理念是面向全站，而不是面向间隔或者元 件，大部分远动设备只完成遥测和遥信二遥功能，少部分具有遥测、遥信、遥控 及遥调四遥功能。 2 集中式厂站微机型远动设备阶段 由于微处理器芯片( c p u ) 和各种作为外围电路的大规模集成电路的出现与运 用，以及与个人计算机( p c ) 相结合，出现了数据采集与监控( s c a d a ) 系统，远动 就变成实际意义上的监控，向着提高传输速度、提高编译码的纠错力、应用智能 控制技术对所采集的数据进行预处理和正确性校验等方向发展。在中期阶段，变 电站自动化技术以单或多微处理芯片和嵌入式软件为核心，厂站端的终端设备与 远方控制中心的接收设备逐步从一对一方式发展为一对n 方式，即一台或二台前 置接收设备可以接收多达n ( n 1 ) 个以上的厂站端设备，但其设计理念仍然是面向 全站，仍然采取集中组屏方式。 集中式厂站微机监控系统产生于2 0 世纪8 0 年代，并很快在电力系统调度自动 化的过程中得到普及与推广，为调度自动化的实用化发挥了积极作用。其主要优 势是：采用微处理器技术，使系统的性能得到了很大的提升；其性能基本能满足 当时生产实践的要求；由于遥控功能的采用与推广，无人值班变电站的运行方式 开始应用并逐步普及，既节约了人力资源又避免了因为人为失误造成的运行事故， 慕于t 业以太网的变电站综合自动化系统的研制与膨用 提高了系统的运行可靠性与效率；集中式结构，设备造价低。由于它以发电站和 变电站为对象，因此存在一些不足：体系结构面向厂站而不是元件或间隔，因此 可靠性不高；其占地面积或建筑面积大，电缆用量多；系统扩展、升级困难。 中期远动设备的代表产品有m w y 系列、d f y 系列、n 4 f 系列以及u 4 f 、s c l 8 0 1 、 g r 9 0 等。 3 厂站综合自动化阶段 随着科学技术的发展，电力系统容量的扩大，全国联网的趋势正在形成，导 致对系统稳定性和可靠性要求进一步提高，此时，传统的集中式厂站微机监控系 统的弊端逐渐显现出来。伴随着控制技术、通信技术、信息技术及计算机技术的 飞速发展，远动技术发展到厂站综合自动化阶段。 厂站综合自动化系统采用分层分布式结构，使传统上相当独立的远动和继电 保护逐步融合与统一，使远动技术上升到了一个完全崭新的高度【”。在设计理念 上以间隔和元件作为设计的依据，在中低压系统采用物理结构和电气特性完全独 立，功能上既考虑测控又涉及继电保护这样的测控保护综合单元对应一次系统中 的间隔出线或发电机、变压器、电容器、电抗器等电气元件，在高压与超高压系 统，则以独立的测控单元对应高压或超高压系统中的间隔和元件，逐步应用基于 t c p i p 的以太网技术。 分层分布式变电站综合自动化系统是发展迅速的一个新方向，它具有一系列 的优越性。 ( 1 ) 可靠性和坚固性。资源冗余和自动控制使系统具备动态重构，甚至经受局 部破坏也能继续工作。 ( 2 ) 增量扩展性。以廉价模块作为系统扩展或资源更新的增量，不必像集中系 统那样必须替换整个系统。 ( 3 ) 灵活性。系统配置容易改变，以适应不同应用对象的各种需要。 ( 4 ) 快速响应能力。计算机资源更靠近用户。 ( 5 ) 资源共享。在对用户透明的基础上实现软件、硬件资源的共享，使单个用 户的可用资源成倍增加。 ( 6 ) 增加计算能力。按任务分布的并行处理能力受系统规模的限制较少，而按 功能分布的专用处理元件同样能增强系统的有效处理能力。 ( 7 ) 经济性。有利于发挥微型计算机的性价比优势。 ( 8 ) 适应各种应用环境。分布系统每一个结点上的资源配置能与当地用户的需 求很好配置，因而特别适用于经济管理、事物管理、过程控制等这样一些具有分 散用户又要求相互协调的应用场合。 厂站综合自动化系统的代表产品国外有l s a 系列、s i c a m 系列、s c s 系列等， 国内有c s c 系列、n s c 系列及b s j 系列等。 硕卜学位论文 1 2 变电站综合自动化系统发展现状及趋势 变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术 和信息处理技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护装置、控制装置、测量装 置、信号装置、故障录波装置、自动装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、优 化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合 性的自动化系统【4 】。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息、数据 共享，完成变电站运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二 次设备，简化了变电站二次接线。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行 水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技 术措施。 变电站综合自动化系统，又称变电站计算机监控系统，作为电力系统自动化 的基础，在整个电力系统中起着举足轻重的作用。它采用现代工业计算机技术、 网络通讯技术，通过对电流互感器、电压互感器信号的采集，以及对断路器的控 制，实现对电力系统实时监视、测量、控制、调整、保护和信息管理等功能的自 动化系统，经过十多年的技术发展已经达到了一定的水平，不仅中低压变电站采 用自动化系统，以便更好地实旌无人值班，达到减人增效的目的，而且对高压变 电站( 2 2 0 k v 及以上) 的建设和设计来说，采用先进的控制方式，解决各专业在技术 上的难题，甚至解决了影响可靠运行的问题。 1 目前变电站综合自动化系统的特点 变电站综合自动化是指应用自动化控制技术、信息处理和传输技术，通过计 算机软硬件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理 水平的一种自动化系统。目前变电站综合自动化系统的特点【5 j ： ( 1 ) 智能化的一次设备。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路 采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数 字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中 常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被 光电数字和光纤代替。 ( 2 ) 网络化的二次设备。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭 锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制装置、同期操 作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理 器设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规 功能装置重复的i 0 现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功 能装置在这里变成了逻辑的功能模块。 ( 3 ) 分散式系统的功能配置采用下放的原则。凡可以在间隔层就地完成的功 能，如保护、备用电源自投、电压控制等，无须通过网络和上位机去完成。 一3 一 基于t 业以太例的变电站综合自动化系统的研制j 应用 ( 4 ) 站内自动化及无人值班站的接入系统。 ( 5 ) 推行保护、测量、控制一体化设计。确保保护功能的相对独立性和动作可 靠性。目前3 5 k v 及以下电压等级的保护基本实现了保护、测量、控制一体化设计， 但是1 1o k v 及以上电压等级还是采用保护、测量和控制分开的做法。 ( 6 ) 自动化的运行管理系统。变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行 数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生 故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自 动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。 ( 7 ) 全以太网无瓶颈的快速响应系统。从间隔层的单元设备到控制层的主网络 均采用以太网的通信方式，加之单元设备内部采用了高效率的平衡通信方式，从 根本上克服了以往设备内部采用问答式通信方式导致的传输效率低、对外通信带 宽不够等弱点，使系统在信息的采集、传输、响应等方面有了质的飞跃。 ( 8 ) 高标准的电磁兼容性能。单元设备的设计不再局限于满足某些部分抗干扰 标准，而是从单元设备的交流输入、直流电源、开关量输入及输出、通信等各个 环节进行电磁兼容设计。在选择通信介质时可优先采用光纤通信方式，这对分层 分布式变电站综合自动化系统尤为适用。 2 变电站综合自动化系统的发展趋势 随着电力系统的快速发展，变电站综合自动化技术已经为人们所接受并在实 际的生产应用中发挥了巨大的作用，然而，在实际运行中，变电站综合自动化系 统也出现了一些问题【6 j 。 ( 1 ) 通信网络质量问题。随着变电站综合自动化的推广应用，网络通讯问题逐 步暴露。网络通讯质量的好坏是监控系统能否正常运行的关键因素，新的、高性 能的通讯网络必须满足不断增长的技术要求。 ( 2 ) 通讯规约存在问题。现在国内外厂商推出了多种变电站自动化系统。由于 没有关于变电站自动化系统通信网络体系和协议的统一标准和规范，各厂商都在 使用自己定义的通信网络体系和协议。这些通信网络体系和协议各式各样、互不 兼容，于是不同系统之间缺乏互操作性。当不同厂商的产品需要集成到一个系统 中时，就不得不花很大的代价来制作通信协议转换装置。 ( 3 ) 后台监控系统界面不完善。自动化系统在变电站中的广泛应用，自动化技 术的应用使运行人员必须具备一定的计算机知识，操作界面应向“傻瓜”方向发展， 操作界面应尽量简单直观，操作时全汉化提示，准确易懂，达到人机友好的状态。 从变电站异常情况的界面显示上看，感觉不尽人意。原因是当发生异常或故障时， 会出现几十条信息让人眼花缭乱，无从查看。这对运行人员在故障状态下准确判 断故障性质并及时处理、恢复送电具有很大影响，所以生产厂家必须进一步完善 软件。 一4 一 硕 ：学位论文 ( 4 ) 电能量管理。现在大部分变电站综合自动化系统没有电能管理功能，没有 节能降耗的措施。我国许多企业配电网中，存在重发电、轻供电、不管用电等问 题，并且综合节能技术匮乏，全局能量监控及管理节能技术手段落后，导致电能 浪费严重、能量利用率低。因此电能量处理，是目前变电站综合自动化系统的一 项重要功能。 综合上面讲述的变电站综合自动化系统的不足，我们可以展望变电站综合自 动化系统的发展趋势。变电站综合自动化系统将向着网络化、智能化、规约统一 化、人性化、节能化等方向发展。 1 3 课题研究背景及意义 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，输配电容量不断增加，每年 有不少新建变电所投入运行，也有不少变电所需要技术改造。由于基本建设和居 民住房建设的不断增加，变电所的占地面积越来越紧张，如果新建或改建的变电 所仍采用常规的二次设备，必然难以满足以下的要求：缩小变电所占地面积，提 高变电所的安全与经济运行水平，降低变电所造价，变电所减人增效。解决以上 问题的出路是将先进技术应用于变电所，提高变电所的自动化水平。与此同时， 在技术发展方面，由于微机保护技术的广泛应用，各种硬件设备的成本降低，测 控设备种类丰富，再加上网络技术迅速发展，以其适应恶劣的工业环境等特点， 使得厂站综合自动化技术的发展得到很大提高i _ 。 本课题研究对象来自韶关冶炼厂llo k v 变电站系统改造项目。该厂由于生产 工艺需求扩展至3 0 万吨，原有供电系统继电保护由传统电磁式继电器组成，系统 的各项操作都需人工完成，厂站无完整的信息网络，无管理节能。为了适应扩产 的需要，要对韶关冶炼厂1 1 0 k v 变电站系统进行技术改造。 韶关冶炼厂供配电系统的中高压部分包括1 1 0 k v 变电站( 简称站内) ，中央配 电室( 简称中配) ，电站。我们负责站内的综合自动化系统建设，并把中配及电站 的实时运行数据集成到站内进行监控及管理，以便于整个系统的信息集成。其中 中配和电站是已改建过的自动化平台，电站亦是由我们项目团队早期改建的项目。 基于现代计算机技术，网络通信技术，微机技术的发展，以及实验室长期在企业 供配电系统方面的研究，我们为韶关冶炼厂建成了一个分层分布式综合自动化平 台。 1 4 本文的主要工作 本文从变电站综合自动化的“安全稳定、易于拓展、信息集成、智能共享”设 计原则出发，设计和实现了一套分层分布式变电站综合自动化系统。利用智能化 硬件平台和层次化的网络通讯平台，完成对变电站的模拟量、开关量、脉冲量等 一5 一 基于t q p 以太网的变f 乜站综合自动化系统的研制与心用 信号集中监视，将测量、控制、保护、通信等功能统一协调，利用信息共享和实 用软件，完成对全厂能量的管理。本文所作的主要工作如下： 1 查阅大量的资料文献，对变电站综合自动化系统的特点，及现状进行了分 析与研究。根据变电站综合自动化的发展趋势并结合韶关冶炼厂1 1 0 k v 变电站的 现场需求，设计了变电站综合自动化系统。从数据流的角度，详细阐述了数据采 集、数据处理及数据存储中运用的各种先进技术。 2 系统通信网络设计，根据系统的要求，考虑到目前韶关冶炼厂1 1 0 k v 变 电站的情况，采用了流行的现场总线与工业以太网相结合的分层设计方案，并对 工业以太网使用的关键技术进行详细的分析。 3 为了加强企业能源计量管理，提高能源利用率，进行系统节能管理，详细 分析了变压器经济运行方案及车间班组级能耗分析与管理情况。 4 系统采用面向对象的程序设计方法，详细介绍了数据监控系统、操作票自 动生成系统、智能查询系统及管理节能系统的实现。介绍了该系统在韶关冶炼厂 1 1 0 k v 变电站的工程应用情况。 一6 一 硕一i 学位论文 第2 章变电站综合自动化系统设计 2 1 变电站综合自动化系统设计构想 2 1 1 设计原则与要求 1 设计原则 系统遵循“安全稳定、易于拓展、信息集成、智能共享”的设计原则。 2 设计要求 在韶关冶炼厂变电站综合自动化系统中，设计始终需要围绕解决变电站控制 自动化、管理信息化、实时信息共享等问题，实现高、中、低压设备智能化监控 的集成，以及实现与上级系统通信等综合性的自动化功能。为了实现韶关冶炼厂 变电站综合自动化的总目标，系统应满足以下功能要求： ( 1 ) 数据采集与处理。定时采集系统生产过程的输入信号( 包括模拟量、开关 量、脉冲量等) ，经滤波，检查出事故、故障、模拟量参数变化和状态变位信号， 实时地更新数据库，为监控系统提供运行数据。 ( 2 ) 微机保护。整个微机保护系统包括主变压器保护、电动机保护、线路保护、 电容器保护、母联保护等组成，构成完整的变电站成套保护。 ( 3 ) 实时通讯。实时地完成1 10 k v 变电站站内数据采集、保护、监控的通讯， 以及完成站内与电站以及中配站之间的通讯。 ( 4 ) 遥控操作。实现遥控操作各单元柜( 控制箱) 开关跳合闸动作。 ( 5 ) 实时监控。能实时刷新全站主接线图，含断路器状态、隔离开关及接地刀 闸等设备状态；实时刷新单回路接线图及运行参数；显示各种曲线，如电压曲线、 电流曲线等；测量表格、计量表格和相应的测量值和计量值，并实时刷新；优先 显示事故发生时间，所属设备及事故性质；显示各种调试、编辑等功能画面；显 示本站概况、运行规程、操作指导模拟等内容：显示时钟、日历和安全运行天数。 ( 6 ) 事故报警。在系统发生事故或运行设备工作异常时，能自动投入音响报警， 进入事故画面，画面上相应块闪光报警，指出事件的性质和异常参数值。电气和 非电气模拟量可设置限值，当测量值越限时发出报警。 ( 7 ) 技术统计和制表打印。根据运行要求进行电流、电压、功率、电度量的整 点抄表、累计，设备的运行工况、时间统计以及合格率、负荷率等技术统计，能 定时打印各事故报表、测量报表、计量报表、分时报表、班报表、日报表、月报 表、年报表等。如每日打印8 小时日志，每月最后一天打印当月报表，每年最后一 天打印当年报表，还可打印诸如重合闸次数、成功率、断路器动作次数等统计数 据。 ( 8 ) 操作票自动生成系统。根据调度中心提供的典型操作票，可进行操作票的 自动生成、编辑及打印。 2 1 2 系统方案设计 韶关冶炼厂综合自动化系统所作的工作： ( 1 ) 完成韶关冶炼厂1 1 0 k v 变电站内的改建工作。完成1 1 0 k v 变电站内变压器、 电动机、馈线、电容器、母联等对象的数据采集及保护； ( 2 ) 完成中配站数据在1 1 0 k v 变电站内的共享及监视： ( 3 ) 完成电站数据在1 1 0 k v 变电站内的共享及监视。 根据韶关冶炼厂的实际情况，变电站综合自动化系统的整体数据流向框图如 图2 1 所示。 图2l 系统数据流向框图 从图2 1 中可看出，整个综合自动化系统数据从左流向右。数据流向主要分三 个阶段。 阶段一：图2l 中虚线标号a 的部分，数据采集与处理阶段。 图2 1 中虚线a l 流向是将站内r s - 4 8 5 总线上采集的数据发送到前置机a ，前置 机a 对站内采集数据进行解析，统计运算，并进行故障报警逻辑判断，然后打包 成自定义的格式，准备向上发送。 图2 1 中虚线a 2 流向是将中配的打包数据发送到前置机b 通过前置机b 将中 配数据进行解析，将电压、电流、功率等有用数据解析出来，并打包成自定义的 格式，准备向上发送。 硕_ f 学位论文 图2 1 中虚线a 3 流向是将电站的打包数据发送到前置机c ， 站数据进行解析，将电压、电流、功率等有用数据解析出来， 格式，准备向上发送。 阶段二：图2 1 中虚线标号b 的部分，数据存储阶段。 图2 1 中虚线b 流向是将前置机打包好的数据发向服务器。 储的功能，为了保证数据完整性，系统采用双机热备措施。 通过前置机c 将电 并打包成自定义的 服务器完成数据存 阶段三：图2 1 中虚线标号c 的部分，数据发布与应用阶段。 图2 1 中虚线c 流向是将前置机打包好的数据发向变电站层。变电站层完成底 层设备状态的实时监控，报表分析，操作票生成，查询管理，管理节能等功能。 系统数据流简化框图如图2 2 所示。 图2 2 简化数据流框图 2 2 数据来源 系统数据来源于三个分散系统，即站内、中配及电站。由于中配和电站是已 改建好的系统，数据由其主站发送到站内前置机进行转发监控。本小节的数据采 集主要针对于需要改建的站内系统。 2 2 1 功能要求 1 模拟量采集 测量电流、电压、有功功率、无功功率、电网频率、功率因素、视在功率、 有功电能、无功电能等。 2 状态量采集 状态量采集是指采集一次设备的信号。状态量在变电站综合自动化系统中可 以分为两种。一种是双位置信号，一般是指一次设备的位置状态，如断路器、隔 离开关及接地刀闸的分合状态；一种是单位置信号，指一侧设备的告警量，如电 机储能、高压开关的一些异常告警信号、变压器的瓦斯告警信号，保护装置和自 动装置的动作信号等引。 3 脉冲量采集 一9 一 基于丁业以太刚的变电站综合自动化系统的研制j 脚用 脉冲量即电能量脉冲的累计。 2 2 2 底层采集设备选择 底层采集设备即是保护设备及电力参数测量设备。根据系统需求，系统保护 单元选用施耐德公司生产的s e m p a m l o o o + 系列多功能微机保护智能装置，而 1 1 0 k v 迸线保护单元及6 k v 联络线单元选用美国s e l 公司生产的s e l 31 1 l 线路电 流差动保护，s e p a m l0 0 0 + 广泛应用于1 10 k v 及以下电源等级的公共配电系统，石 化，冶金及其他工业及民用建筑变电站的保护。 系统测量单元选用施耐德公司生产的p m 8 0 0 系列电力监测仪。p m 8 0 0 系列电 力参数测量仪可以监测电气设备所需的各种测量功能，可监测三相和中性线。 系统中保护及电力参数测量设备的配置情况如表2 1 所示。 表2 1 保护及电力参数测量设备配置情况 2 2 3 底层采集设备架构 设计中，底层采集设备架构如图2 3 所示，采用r s 4 8 5 总线通信，多条总线并 硕+ 学位论文 行采集。底层采集设备通过多串口服务器将r s 4 8 5 总线连接到主网中。 2 3 数据处理 图2 3 底层采集设备架构 数据处理是在前置机上完成的。功能主要有两个方砸，一是为数据应用及数 据存储提供数据，二是与采集设备进行数据交互。数据处理可以分成数据处理平 台和数据传输平台。数据处理平台由数据解析系统和故障诊断系统以及报警设施 组成，主要负责对采集上来的数据进行初步处理，并根据报警设定值判断下层工 作现场是否出现异常，如果发现错误，及时启动保护单元进行闭锁保护，并根据 出错类型进行声光报警。数据传输平台由通讯设备以及传输协议组成，负责将预 处理后的数据以及变电站的直接信息发送给数据应用层，以便向用户提供实时数 据，为做出决策提供信息，同时将发布的命令发往下层执行，以及进行数据存储。 数据处理功能框图如图2 4 所示。 图2 4 数据处理功能框图 2 3 1 多策略协同数据采集 在数据采集系统中，有多条总线，每条总线上挂有多个保护、测量设备，为 了实现数据的实时采集，采用多线程并行控制多策略协同数据采集方式。数据采 集系统为每条总线分配一个线程，各条总线之间并行采集，对于每条总线上的设 幕十t q k 以太网的变电站综合自动化系统的研制j 应用 备按照地址顺序采集，从而实现前置机同时对几条r s 4 8 5 总线进行并行数据采 集，所有的采集线程都共享整个采集子系统的虚拟地址空间。 2 3 1 1 多线程技术 d e l p h i 中通过t t h r e a d 类实现多线程技术。 t t h r e a d = c l a s s p r i v a t e p r o t e c t e d p r o c e d u r ee x c u t e ；v i r t u a l ；a b s t r a c t ； p r o c e d u r es y n c h r o n i z e ( m e t h o d ：t t h r e a d m e t h o d ) ； p r o p e r t yt e r m i n a t e d ：b o o l e a nr e a df t e r m i n a t e d ； p u b l i c c o n s t r u c t o rc r e a t e ( c t e a t e s u s p e n d e d ：b o o l e a n ) ； d e s t r u c t o ri ) e s t r o y ； o v e r r i d e ： p r o c e d u r er e s u m e ； p r o c e d u r es u s p e n d ； p r o c e d u r et e r m i n a t e ； p r o p e r t yp r i o r i t y ：t t h r e a d p r i o r i t yr e a dg e t p r i o r i t y w r i t es e t p r i o r i t y ； p r o p e r t ys