（电力系统及其自动化专业论文）基于plc的变电站监控系统的研究.pdf

堕塑窒望奎堂堡主堑塞皇堂篁堡塞一 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , m i c r o p r o c e s s o r n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n , i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c em a k e si tp o s s i b l et o i m p l e m e n ti 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 ns y s t e m t h e p a p e rp r e s e n t s an e w w a yt ob u i l di 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 ns y s t e mb a s e do np r o g r a m m a b l e l o g i c a lc o n t r o l l e ro l c ) t h es y s t e mi sc o n v i n c e di n t e r f a c ew i t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，a l s oo p e n a n df l e x i b l e t h es y s t e mi st h ei n t r o d u c t i o no fp l co fs i e m e n ss i m a t i cs 7 - 2 0 0t o f i e l dd a t ac o l l e c t i n ga n de q u i p m e n tc o n t r o l l i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m i c r o c o m p u t e r a n dp l ci sr s - 4 8 5t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sc o n s t i t u t e d b yf r e em o d eo f p l c a c c o r d i n gt ot h en e e d s t h ef u n c t i o no f t h ea u t o m a t i c s w i t c h - i no f s p a r ep o w e rs u p p l ya r ea c h i e v e dw i t hp l ci n s t e a do ft h er e l a y p r o t e c t i o n t h ep l ci s p r o g r a m m e d t oa c t u a l i z et h ef u n c t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o n , m e s s a g ee x p l a i n i n g ，r e s p o n dp r o d u c e ，r e m o t es i g n a l s e l f d i s p o s e a n d p e r f o r mt h e d e t a i l e ds o f t w a r ef l o wc h a l t sa r e g i v e n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，p r o g r a m m a b l e l o g i c a lc o n t r o l l e r ，c o m m u n i c a t i o n ， d a t a c o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g n 西南交通大学硕士研究生学位论文 前言 随着计算机技术、电子技术、通信技术的高速发展，电力系统变 电站的二次设备及自动化水平也发生着新的变化，融站内当地监控功 能、s c a d a 信号采集、远动功能以及数字保护信息为一个统一整体的 综合自动化系统正成为变电站自动化技术的发展方向。 变电站自动化系统的结构目前大体可分为集中式、分布分散式和 分布式结构集中式组屏三种。集中式组态模式一般要用到功能和配置很 强的计算机系统，其扩充性和维护性较差。分布分散式组态模式是随着 单片机、网络技术特别是位总线技术而出现的，在高压变电站应用较为 合适。分布式结构集中式组屏主要用于中低压变电站，它具有分布式结 构的全部优点，便于扩充与维护。本系统是为中低压变电站设计的，因 此选择了第三种组态。 s c a d a 系统是实现变电站综合自动化基本功能的系统，它的主要 任务是采集和管理各实时生产数据，对生产过程进行监视和控制。 目前，大多数s c a d a 系统的数据采集与处理部分一般采用单片机 自制成各种总线方式的智能化模块，但这种方式可靠性和抗干扰性都难 以得到有效保证，而且开发周期一般比较长，程序复杂。 p l c 是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的新型智 能型产品，有着极高的可靠性和稳定性，特别适用于分布式系统，完成 现场设备的数据采集和控制功能、继电保护功能以及与上位机的通信功 能，这对于变电站自动化系统的实现，无疑是十分理想的选择。基于此 考虑，本系统选用p l c 作为现场主要监测设备以实现变电站的综合自 动化。 由于论文的编写时间仓促及作者的水平有限，文中疏漏错误之处在 所难免，敬请诸位专家教授多提宝贵意见。 4 耍塑奎望查兰婴圭堕塑生兰焦堡茎一 第一章绪论 1 1 变电站实现综合自动化的目的与意义 1 1 1 概述 常规变电站的二次部分主要由四大类装置组成：继电保护、故障录 波、就地监控和远动。在微机化以前，这些装嚣不仅功能不同，实现的 原理和技术也完全不同，因而长期以来形成了不同的专业和相应的技术 管理部门。各部门的设备都在本专业内力求独立，功能完整。加上管理 体制上的原因，在变电站内上述各专业的设备出现了功能重复，装置重 复配置等现象，因而增加了投资，也使运行管理和维护非常困难。 1 1 2 综合自动化的提出 近年来，开始采用微机型继电保护装置、微机型故障录波器、微机 监控和微机远动装置。这些装置尽管功能不一样，其硬件配置却大体相 同，除微机系统本身外，无非是对各种模拟量的数据采集以及i o 回 路，并且装置所采集的量和要控制的对象还有许多是共同的，因而显得 设备重复，互联复杂。人们自然地提出这样一个问题，在当今的技术条 件下，是否应该跳出历史造成的专业框框，从全局出发来考虑全微机化 的变电站二次部分的优化设计。 利用现代先进的计算机软、硬件技术，通讯技术，网络技术进行全 面的综合考虑，统筹安排，设计和实现变电站上述的各部分功能，做到 资源共享，减少冗余，节省投资，提高可靠性，提高运行水平，减轻运 行人员的劳动强度，这就是变电站综合自动化系统的实现目标。 其优越性主要表现在以下方面： ( 1 ) 可大大地简化变电站二次部分的硬件配置，避免重复。 各种数据在各前置设备采集后，可通过网络共享。例如就地监控和 远动所需要的数据不再需要自己的采集硬件，而可以从局域网共享，专 西南交通大学硕士研究生学位论文 用的故障录波器可以省去，常规的控制屏、中央信号屏、站内的主接线 模拟屏等等都可以取消。可以利用就地监控计算机操作和显示各种画 面，或者在无人值班时在远方操作。 ( 2 ) 可大大地简化变电站各二次设备之间的互联线。 因为系统的设计思想是子站按一次设备为单元组织，例如一条出线 一台前置设备，而每个前置设备将所有二次功能组织成一个或几个箱 体，装在一起。不同设备之间除用通信媒介相连以外，几乎不再需要有 任何别的连线。从而使变电站二次部分连线变得非常简单和清晰，尤其 是当保护下放时，所节省的强电电缆数量是相当可观的，也提高了可靠 性。 ( 3 ) 可大大减轻安装施工和维护工作量。 由于各前置设备之间没有互联线，而它们又都在制造厂调试完毕， 再加上电缆数量大大减小，显然安装施工和现场调试时间大大缩短，控 制室面积也会大大减小，降低了维护和运行( 可无人值班) 费用。 ( 4 ) 为运行管理自动化水平的提高打下了基础 ( 5 ) 理论上可实现有人值守，无人值班。 1 2 国内外变电站综合自动化现状 1 2 1 我国自动化现状 国内无人值班与变电站综合自动化系统从8 0 年代末开始讨论、研 制与开发，真正投入使用则是在国内中低压微机保护设备投入使用并能 实现同监控系统交换数据之后。 目前国内无人值班与变电站综合自动化系统基本应用在1 l o k v 和 3 5 k v 中低压变电站中，己投入了相当数量，发挥了积极作用。各地区， 特别是经济发达地区对新建1l o k v 变电站大多要求按无人值班设计。 无人值班变电站按实现的自动化水平可分为两类：种是远动r t u 方 式，另一种为全新的综合自动化。较早推行无人值班的地区，由于受当 时自动化水平和经济能力的限制往往采用第一种方式，该方式仅在原常 西南交通大学硕士研究生学位论文 规有人值班变电站的基础上在r 1 u 中增加了遥控、遥调功能，站内仍 保留原有的控制屏、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，与控制保护不能交换信息，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有人值班变电站更多，二 次回路也更复杂。 第二种方式，即为现在广为流行的变电站综合自动化方式。其最大 的特征是将站内监控功能、s c a d a 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 极为简单，控制电缆大量减少，既可有人值班运行，也可无人值班运行。 我国2 2 0 k v 和5 0 0 k v 电压等级的变电站基本上为有人值班运行方 式，除发遥测、遥信信号外，变电站一般具有站内监控系统。几年前投 运的变电站监控系统与远动系统完全是彼此独立、互不相关的，数据各 自分别采集，信息不能共享，硬件设备重复设置，重复投资。 近几年设计的站内监控系统已把站内监控系统与远动功能综合在一 起，可向几个不同级别的调度中心发送各自需要的远动信息，所有遥测、 遥信集中采集。这种方式带控制功能，可对断路器和电动操作隔离开关 进行控制操作，并可与数字保护交换信息，可分析数字保护运行状态， 动作行为，远方定值修改，提供了更加详细的信息资料，方便运行管理。 1 2 2 国外变电站综合自动化现状 国外从b o 年代开始研究开发，到目前为止，各大电力设备公司都 陆续推出了系列化的产品。9 0 年代以来世界各国新建变电站大部分采 用了全数字化的二次设备。西门子公司于1 9 8 5 年正式投运了第一套分 散式变电站综合自动化系统l s a 6 7 8 ，至1 9 9 3 年已有3 0 0 多套投入运 营，最高电压等级为3 8 0 k v ，该公司开发的6 m b 测控系统，7 s h u 保 护系统，8 t k 开关闭琐系统可以以全分散式和集中分散相结合的方式 运行，均能满足无人值班的要求。a b b 公司生产了适用于中低压场合 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 的s c s l 0 0 变电站综合自动化系统和适用于高压场合的s c s 2 0 0 。法国 施耐德公司生产的e s l 0 0 0 变电站综合自动化系统是一个全分散式系 统，将继电保护、测量、可编程控制器融为一体。 1 3 变电站自动化r t u 的p l c 实现 如前所述，变电站综合自动化最大的特征是将站内监控功能、 s c a d a 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，因此s c a d a 系统是实现变电站自动化功能的基本系统。 1 3 1 r t u 的主要功能和要求 在计算机远动系统中，包含两个最主要的部分，那就是实现集中管 理、集中监视、集中控制的远方监控系统调度端，及实现现场数 据采集，执行调度控制的远方终端装置r t u 。r t u 是远动系统运 行的重要环节，调度端所需要的各种信息，如现场的各种状态量、模拟 量等都是首先由r t u 采集并发送到主站的；而调度端发出的调度控制 命令又要依靠r t u 执行完成。所以r t u 装置工作的实时性、可靠性及 软硬件的灵活性、可扩展性等对整个远动系统运行水平有重要的影响。 实现遥信、遥测、遥控是远动系统的基本任务。远动系统主要完成 s c a d a 功能，即实现数据的采集及安全监控，其中r t u 应具备的基 本功能包括： 采集并发送状态量信息，遥信变位优先传递； 采集并发送模拟量信息，并实现遥测的变化率监视，即被测量越死 区传送； 采集并发送脉冲量计数值； 接收并执行遥控命令； 通道监视； 程序自恢复，装置自诊断； 装置自调，单端运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 大多数r t u 的数据采集与处理部分一般采用单片机自制成各种总 线方式的智能化模块，但这种方式可靠性和抗干扰性都难以得到有效保 证，而且开发周期一般比较长，程序复杂。 p l c 是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的新型智 能型产品。它除具有逻辑判断，指令跳转，时钟计数，i o 接口等丰富 功能外，还有着极高的可靠性和稳定性。这对于要求高可靠性的电力系 统来说，无疑是十分理想的选择。p l c 不但具有高可靠性，而且具有 极强的抗干扰能力，它的i o 至少经级光耦，可以有效地抑制电磁干 扰，在变电站这类电磁干扰十分严重的场所尤其适用。 此外p l c 编程简单，尤其擅长开关量的控制，可以取代变电站中 大量使用的机械式继电器。基于此考虑，本系统选用p l c 作为现场主 要监测设备。 1 3 2 变电站自动化r t u 的p l c 实现 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 技术经过几十年 的发展，已经相当成熟。其品类齐全，功能繁多，己被广泛应用于工业 控制的各个领域。用p l c 来实现变电站自动化的r t u 功能及保护功能， 十分合适。 在国内市场中，有来自许多著名厂家如西门子、三菱、a b b 、欧姆 龙、立石等公司的p l c 产品。各家产品从简单到复杂，都自成系列， 以满足不同应用的需要。 大多数中低档次的p l c 产品，都包含有离散点输入和输出( 点数 的多少可以依据应用情况增减) 、模拟采样输入、时钟、通讯等功能。 利用这类p l c 的现成功能，可以方便地实现变电站自动化的r t u 。 使用p l c 的离散输入点来实现遥信、用p l c 的离散输出点来实现 遥控、用p l c 的模拟采样输入来实现遥测、用p l c 的通讯功能来实现 和主机的通讯。完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据实际情况， 对p l c 进行简单编程即可。 堕堕奎望查堂堡主坚窒生兰些堡塞一 这样一种基于p l c 的变电站自动化的r t u 实现方案，完全可以满 足变电站自动化的要求。它具有以下特点和优势： p l c 功能强 p l c 采用编程方式实现固定继电器系统的功能，不仅能完成继电 器系统的各种功能，而且容量大、智能化程度高，具有网络化功能和很 强的通讯能力，可以直接将数据送入管理计算机，便于实现多层次的综 合自动化功能。 p l c 可靠性高 p l c 产品在抗电磁干扰、耐工业废气的腐蚀、耐高温、耐粉尘等 方面有很强的能力，坚固、耐用，平均无故障工作时间m t b f 一般可 达5 万小时以上，基本达到了免维护的水平，比传统的继电器系统可靠 得多。 p l c 控制和设置方便灵活 p l c 的控制方式为“软”继电器控制方式，即利用p l c 的器件， 可完成继电器的各种功能，例如，p l c 的输入继电器是p l c 与外部输 入点对应的内存基本单元，输出继电器是p l c 与外部输出点对应的内 存基本单元，内部继电器与外部没有直接关系。因而，p l c 的“软” 继电器接点可以无限多，这不仅克服了传统继电器有限校点的困难，而 且，由于p l c 编程简单，可方便地在现场修改程序，使控制和设置非 常灵活。 p l c 硬件安装、维护和可扩充性能好 p l c 产品一般为插件式结构，能直接和现场各种单元、部件连接， 便于安装、维护；扩展时，原有系统只需作很小的改动，可扩充性能好。 p l c 成本上可与继电器系统竞争 p l c 可以完成继电器系统无法完成的些特殊功能。由于p l c 体 积小，可方便地安装在一个或两个控制盘中，比继电器控制系统大大减 少了控制盘的数目，可缩小控制室的面积，节省变电站房屋造价。 p l c 在节省控制盘数目的同时，还可节省大量的盘内和盘间电缆接 线，简化二次图纸设计，施工、运营成本均可降低，而综合自动化程度 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 得以提高。 由此可见，p l c 的使用不仅可以取代继电器控制系统，而且可以覆 盖r t u 所完成的各种远动功能，从而省去r t u 设备的投入。 1 4 研究所做的工作 变电站综合自动化系统涉及到通讯技术、微处理机技术、数字信号 处理技术、自动控制理论、牵引供电理论、系统可靠性理论、软件工程 技术等诸多技术和理论，是一项十分复杂的系统工程。作者的研究工作 主要集中在如何用p l c 设备实现变电站自动化系统的硬件结构设计、 p l c 与上位机之间通信规约的制定、备用电源自投功能以及实现变电 站自动化系统的数据采集与控制、数据通信等p l c 软件编程上。 耍塑奎望查兰堡主竺窒兰堂生笙苎 第二章变电站自动化系统总体设计 2 1 系统硬件设计 2 1 1 硬件设计原则 1 系统符合电网调度自动化的总体设计要求。 2 可靠性。目前，变电站综合自动化系统基本上有两种方案：集 中式和分散式。集中式一般要用到功能和配置很强的计算机系统，其扩 充性和维护性较差，且适用于容量不大，可靠性和速度要求不高的场合。 本系统是为中、低压变电站设计的，采用现在较为流行的分层分布结构 模式，每个模块独立工作互不干扰，单个模块的故障不会影响其他模块 的正常工作，分层分布可使任务分散化，减轻上层机的负担，以提高系 统速度和可靠性。 3 灵活性。不同变电站因其规模不同，对系统的要求也大相径庭。 即使在同一变电站内，运行方式也会灵活多变，还要考虑到以后进一步 的技术改造。本系统中配置三台上层机，实际上可根据需要灵活配置， 当系统任务较轻时，或实施无人值班时，所有的工作都可以放在一台机 上进行，取消其它两台机，基于此原因，在本系统中，将这台机称为 “工作站0 ”，而不是“前置机”。本系统中所有的前置单元均采用总线 式连接，只要预留下足够的接线端口，增减模块是非常方便的，只须增 减相应的设备，然后在软件上做相应的设置，整个系统将在新的组态下 运行。 2 1 2 硬件结构 本系统的硬件结构组成如图21 所示。 根据功能和所处的位置，本系统可分为三层： 第三层为数据采集控制层，它们全部由西门子s 7 2 0 0 系列2 1 4 型 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 工作站l工作站2 ( 值班员站)( 工程师站) tt 工作站层( 一层) - + 工作站0 豆信管理后；( 二层) 智能式多端口通信卡i mm _ ij m o d e m 1 i 圈豳调甚心 lr s ：圈匮 l 4 | 模拟量采集i i 单元1 广 j 日 口l 模拟量采集i 1 l单元n广 苴 一 i 数字量采集l “ i 与控制单元1i 层 ( 三层)l 数字量采集l l 与控制单元nl 备用电源自i l投l j 备用通道j ， i l 图2 1系统硬件结构 局域网 l a n p l c 进行采集与控制。开关量采集包括断路器位置、隔离刀闸位置、 继电保护信息等，同时p l c 还可接受当地值班员或远方发来的控制命 令，做相应的控制操作，并做安全检查。每个p l c 基本模块负责一回 电力线路或一台变压器设备的所有电气参数的模拟量采集包括电压、 电流、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度等参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文 根据遥信、遥控、遥测规模的大小，可以选用单独一个基本模块或 者一个基本模块和若干个扩展模块进行组合，达到所需的遥测、遥信、 遥控点数。 第三层与第二层之间通过r s 一4 8 5 串行总线相连。第二层为通信管 理层，它是层和三层进行数据交换的桥梁，它管理着下层的采集控制 设备，同时转发上层的请求( 如设置命令) 和控制命令，并将返回请求 或执行的结果。 最上层为工作站层( 一层) ，它由一台p c 工控机和两台p c 机构成 的局域网及相应的外围设备( 如打印机、事故音响设备) 等构成，它们 承担着监视、控制、事故报警、事故记录分析、系统管理、系统维护等 多项功能。 2 1 3 接口方式的选择 由于p l c 与上位机在串行接口上的不同( p l c 为r s 4 8 5 ，上位机 为r s 2 3 2 ) ，我们采用了西门子公司的r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 通信电缆作为上 下位机通信协议的转换器。由于r s - 4 8 5 串口采用“平衡差动式”数据 传输，传输线上是电位差信号，不构成电荷积累，因而抗干扰能力强， 适用于高速率、远距离传输，其速率可达1 9 2 0 0 b p s ，传输距离可达到 1 2 0 0 m ，同时可以实现多对多的联接，每段最多可接3 2 台设备，若增 加中继器，节点数还可以增加，传输距离也可以相应加长。而r s 一2 3 2 串口技术虽然非常成熟，应用范例也很多，但它的最大弱点是传输距离 短( 最长距离为1 5 m ) 。因此选用r s - - 4 8 5 串行接口总线作为设备之间 的物理连接。 r s - 4 8 5 只需要两根数据线，这对数据线既可以发送数据，也可以 接收数据，但通信双方不能同时收发数据( 即只能采用半双工制) 。 由此可见，将r s 一4 8 5 串行接1 3 用于多站互连是非常方便的，它不 仅可以节省昂贵的信号线，而且还可以高速远距离传送数据，因此常将 它们联网构成分布式控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 2 系统软件设计 2 2 1 操作系统 操作系统是计算机系统的一种系统软件，它用于管理和控制计算机 的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程。操作系统在计算机和用 户之间起到接口的作用。在工业控制领域，最重要的是能够响应外部事 件的发生，实时安全地操作。 目前流行的工业标准操作系统主要有w i n d o w sn t 和u n i x 等几种。 u n i x 在企业级领域得到广泛的应用，有着强大的网络功能和坚固的稳 定性。w i n d o w sn t 是近年来微软公司推出的采用最新技术的全新一代 操作系统，其强大的功能，卓越的稳定性和优异的内置网络特性成为用 户新的选择。特别是它与目前微机上广泛流行的w i n d o w s 系列操作系 统具有一致的界面，使用极为方便。目前随着硬件技术的发展，在微机 和工作站领域已经得到广泛的推广。有人预计w i n d o w sn t 最终将取代 目前u n i x 的霸主地位，有着极为美好的发展前景。因此我们决定采用 中文版w i n d o w sn t4 0 作为操作系统。 2 2 2 软件开发工具 1 上位计算机端 目前软件开发的最新趋势是可视化编程和面向对象技术。前者大大 加快了软件开发的速度，降低了复杂性；后者在降低编程复杂性的同时， 增加了软件开发中代码可重用性和可维护性。 本系统采用b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 作为主要开发工具，它是一套 完全独立的w i n d o w s 软件开发系统，是可视化、面向对象、采用事件 驱动方式的结构化高级程序设计语言。c + + b u i l d e r 结合了b o r l a n dc + + 和d e l p h i 的优点，将可视化开发环境、可视双向开发工具、可视组件 库加入到c + + 语言中，使开发人员不需要在高效的底层控制和与轻松 的程序设计间作出艰难的选择，把开发者从繁重的代码编制中解放出 西南交通大学硕士研究生学位论文 来，更多地关注于应用程序的功能。它是c 十+ 可视化编程的一大进步， 首次实现了高效开发w i n d o w s 应用程序而不用考虑w i n d o w s 的编程机 制。它支持a n s l 9 2 的全部新特性，可直接编译用d e l p h i 及v i s u a lc + + 编写的程序。支持w i n d o w s9 5 和n t 的新特性，支持a c t i v e x ，提供 了i n t e r n e t 编程工具。b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 具有以下性能特点： 稳定性和可靠性 可视化的开发 面向对象的技术 具有支持团体开发的能力 提高多种数据表现形式 能够提高强大的数据访问手段，并提高多种数据表现形式，可以 生成复杂报表，具有很强的商业图形能力。 提高开放性 b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 可以和其它众多的产品( 如d e l p h i 、v i s u a l c + + 等) 结合。 对w i n d o w s 技术的广泛支持 包括对w i n d o w s 上3 2 位计算的支持，支持w i n d o w s 的d l l 、o l e 、 d d e 、m d i 等。 可以生成真正的可执行文件。真正的机器代码会使应用的速度 和效率大幅度提高。 强大的访问数据库的能力。 强大的图形曲线显示功能 2 p l c 端 编程软件s t e p 7m i c r o d o s 是西门子公司专为s i m a t i cs 7 2 0 0 系列可编程控制器设计的，主要用于用户开发s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 的 控制程序，以及实时监控程序的执行状态。因此它是s i m a t i cs 7 2 0 0 p l c 必不可少的软件开发工具。 西南交通大学_ 颐士研究生学位论文 + 2 3 系统功能及其特点 2 3 1 系统功能 本系统功能主要有： 1数据采集 状态量：包括断路器，隔离开关，接地刀闸，主变冷却风扇状态， 线路、母线和主变保护压板状态及保护动作信息。 模拟量：包括母线电压，线路电压，电流，有功功率，无功功率 等。 电度量：包括有功电度量，无功电度量。 非电气量：主变油温，操作机构油温等。 2操作控制 对一次开关、有载调压分接头、变压器风扇等设各可以在系统主 接线图上操作，也可以通过远方进行遥控操作。系统对所有操作均要做 安全检查( “五防”，操作权限检查) ，闭锁可能导致的人身危害、装置 损坏或运行过程危险的操作。 3图形工作站 为了方便运行人员的监视和操作控制，系统配有主接线图、趋势 图、棒图等监视软件。 主接线图上能实时显示当前主接线状况、开关位置、变压器分接 头位置、馈线、母线、变压器的电压、电流、有功功率等实时参数，同 时还可以进行模拟操作、控制操作。 趋势图可以观测负荷曲线，通过棒图可以直观地观测变量的数值 及相互之间的大小关系。 系统还配有主接线图、趋势图、棒图生成工具，用户可以利用这 些工具生成主接线图，定义想要观察的变量。这些图形工具大大提高了 软件的灵活性和开放性，对不同的厂站及一次设备的变化只需使用图形 工具重新作图即可生成新的系统，而无需修改原程序。 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 对变电站的所有实时信息( 如开关位置、模拟量、电度量等) 均 能实时浏览。 4报警管理 测量量设定四个报警限值：上上限、上限、下限、下下限。系统 自动判断测量值的限值情况，并给出不同级别的报警。 开关量的报警等级可以设定，越是重要的量其报警等级越高，如 果开关量出现非正常操作变位，系统会根据其报警级别不同给出严重程 度不同的报警。 5 数据处理和存储 设置实时数据库及历史数据库管理系统，用于对在线运行数据及 历史数据的管理。数据库提供大量的在线监视、数据库管理、统计、维 护等工具。数据输入和修改采用在线方式无需任何软件知识。 数据库结构包括当前数据，用作报表及趋势的历史数据，以及系 统运行参数。 6 事件顺序记录 以事件发生的时间顺序进行排列。 7报表 能够定时和召唤打印日报月报表。 8 管理功能 能够进行负荷统计、事故统计、设备管理、保护管理及保护投入 率统计、设备检修统计。 9系统安全 操作人员权限管理，操作人员操作记录，系统白检。 2 3 2 系统特点 系统的主要特点有： 1 现场数据采集和设备控制全部由可编程控制器( p l c ) 实现； 2 分布式的硬件结构使系统具备较高的实时性、可扩展性和可靠 西南交通大学珂! 士研究生学位论文 性： 3 基于w i n d o w s 的软件设计，使用户界面非常友好 4 既可实现有人值班，也可实现无人值班。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第三章可编程控制器及s i m a r l c8 7 2 0 0 应用 以往的顺序控制器主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是 按预先规定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改 变控制器的硬件接线，因此非常麻烦。而且它的体积大、可靠性低、查 找故障困难、接线复杂以及对生产工艺的适应性差。它的优点是继电器 控制系统简单易懂，价格便宜。 计算机通用灵活，功能完备。把二者的优点结合起来，研制出的 用面向控制过程、面向“自然语言”进行编程的可编程序逻辑控制器 ( p l c ) 克服了继电器控制系统的缺点，而且简单易懂。最初，p l c 主 要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，这种装置的功能已 经大大超过了逻辑控制的范围，p l c 用于过程控制，闭环控制系统， 实现p i d 调节，集散控制，通讯连网等。 3 1 p e g 的基本结构及其工作原理 3 1 1p l c 的基本结构 p l c 实质上是一种专用于工业控制的计算机，其基本硬件结构与一 般计算机几乎一样。由于它是对机械或设备或某个系统直接进行控制的 装置，所以与一般计算机又有以下几点不同： 使用适宜于控制的专门语言： 实时性强； 可与各种输入输出设备直接连接； 抗干扰能力强； 可在较恶劣的现场环境中工作： p l c 主要由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r o m r a m ) 、输入 输出单元( i o ) 、电源以及外部设备( 如编程器) 等几大部分组成，基 西南交通大学硕士研究生学位论文 本结构如图31 所示。 按钮 触点 模拟量 1 连接至各部分 ：离与其它亲藐接口 l r _ -i l 图3 1p l c 结构框图 线圈 指示灯 3 1 2p l c 的基本工作原理 p l c 的工作是循环扫描的，这种工作方式是在系统软件控制下，顺 次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点 发出相应的控制信号。整个工作过程可分为五个阶段：自诊断、与编程 器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新，工作过程框图如图 32 所示。 图3 2p l c 工作过程框图 1 自诊断扫描阶段 为保证工作的可靠性，p l c 内部具有自监视或自诊断功能。自诊断 是由“看门狗”( w a t c h d o gt i m e r ，w d t ) 来完成的，它是一个硬件时 针，是为监视p l c 扫描周期而设置的。每次执行用户程序之前，都先 执行故障自诊断程序。若在w d t 复位前，扫描时间超过w d t 的设定 璺塑奎里盔兰璺主竺壅生兰篁堡三 一 值，说明内部出现了故障，c p u 将停止运行并给出报警，不然就把w d t 复位，以监视下一次的扫描。 2与外部设备交换信息的扫描阶段 在这一阶段，p l c 检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有 则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把 要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有计算 机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。 3 输入采样阶段 p l c 的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输 入状态寄存器。 4用户程序执行阶段。 中央处理器( c p u ) 将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状 态( 这些状态统称为数据) 进行处理，即按程序对数据进行逻辑、算术 运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中。 5 输出刷新阶段。 当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出 部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。 p l c 经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周 期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。 c p u 在执行用户程序时，使用的输入值不是直接从输入端得到的， 运算结果也不是直接送到实际输出端，而是在内存中设置了两个暂存 区，即输入输出暂存区或输入输出映象寄存器。在输入采样扫描过程 中( 用户程序执行前) ，c p u 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数 据，并将它们存入输入映象寄存器；在执行用户程序的过程中，只把计 算所得的输出信号存入输出映象寄存器，只有在每个扫描周期的最后 个步骤，才统一将输出映象寄存器的输出信号同时送到输出节点上，这 样有利于各控制对象动作之间的互锁和控制。 需要强调的一点是，p l c 在每个扫描周期中，对输入信号的读取和 输出信号的刷新都是针对数字量而言的。因为这种自动操作是针对输入 垦塑銮望查兰堡圭塑窒生兰鱼丝奎 输出映象区操作的，而模拟量的输入输出信号是不进输入输出映象区 的，模拟量输入或输出的模数、数模转换是实时地在模板上进行的， 所以对应的存储区在模板上，在执行用户程序时实时地读写数据。 3 2s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 简介 3 2 1 s l m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 结构特点 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 是模块化设计的，使用的模块有基本模 块、扩充模块等两类，结构简单、成本低廉、功能强大。 基本模块有c p u 2 1 2 、c p u2 1 4 和c p u2 1 6 ，这里选用c p u2 1 4 ， 现简单介绍c p u2 1 4 ，它具有以下特点： 具有2 4 个离散点( 其中1 4 个输入点、l o 个输出点) ，可以满 足一些简单的控制需要； 具有一个r s 4 8 5 串行口，支持点对点( p p i ) 方式、自由方式 ( f r e em o d e ) 等多种通讯协议，可以方便地实现同微机、同其 它p l c 、以及同打印机之类的外围设备的通信。对该型号p l c 的编程，也是通过同一个接口，使用一个r s 4 8 5 到r s 2 3 2 的 转换器，由微机来实现的； 具有个以秒为最小计时单位的内部时钟，可以方便地记录各 种事件发生的时间： 使用超级电容保存数据，在断电以后，可以继续保存程序、数 据以及维持时钟准确运行达1 9 0 小时以上； 拥有4 k 字节的程序空间和4 k 字节的数据空间，可以满足较复 杂的编程需要； 拥有1 2 8 个定时器、1 2 8 个计数器、2 5 6 个内部继电器( 内部 寄存器位) 、6 8 8 个特殊用途寄存器位，可以控制复杂的过程： 具有加、减、乘、除运算功能；丰富的移位、位操作、逻辑判 断功能； 具有较强的中断能力。包括：用于自由方式的发送、接收中断； 塑塑奎堕奎兰堡主竺窒兰兰笪兰墨- _ 一 4 个由输入信号上升沿或下降沿触发的输入中断；2 个定时器 中断；7 个高速计数器中断；2 个输出脉冲队列中断； 1 个带2 k h z 时钟的高速计数器、2 个带7k h z 时钟( 其4 倍频 方式的计数频率可达2 8k h z ) 的高速计数器； 2 个脉冲输出。可用于脉冲队列输出( p t o ) 或脉宽调制输出 ( p w m ，) 最高频率达4 k h z ； 逻辑操作快捷迅速。 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 的扩充模块是通用的，用于扩充基本 模块的输入、输出点数目。扩充模块有以下几种类型： 纯数字量输入模块e m 2 2 1 ( 8 点输入) ； 纯数字量输出模块e m 2 2 2 ( 8 点输出) ； 混合数字量输入+ 数字量输出模块e m 2 2 3 ( 4 8 1 6 点输入，4 8 1 6 点输出) ； 纯模拟量输入模块e m 2 3 1 ( 3 点输入) ； 混合模拟量输入+ 模拟输出模块e m 2 3 5 ( 3 入1 出) ； 纯模拟量输出模块e m 2 3 2 ( 2 点输出) 。 扩充模块不仅适用于所有基本模块的扩充，而且扩充操作十分方 便，只需使用接口插销，将扩充模块和基本模块、或者和其它扩充模块 连接起来，扩充操作就完成了。 c p u 2 1 4 型p l c 最多可以扩充6 个数字量扩充模块或4 个模拟量 扩充模块( 但总的模块扩充数目最多为7 个) ，构成最多可达到6 2 个数 字量输入和5 8 个数字量输出( 包括本机输入、输出) 或者总的模拟输 入点数达1 2 个、输出点数达到4 个。 3 2 2 s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 的三种工作模式 在s 7 2 0 0 型的p l c 工作面板上，有一个工作模式选择开关，用以 选择p l c 的工作方式。该开关具有三档：s t o p ，t e r m 和r u n 。 1 s t o p ( 停止模式) 该模式是使p l c 处于停止工作方式，在这种 西南交通大学硕士研究生学位论文 模式下可对p l c 做如下操作： 利用编程设备向p l c 装入程序。 用编程设备检查部分用户存储器( v 存储器) 的内容。 用编程设备改变v 存储器的内容。 用编程设备改变p l c 的各种配置。 2 r u n ( 运行模式) 在运行模式下，p l c 按扫描周期循环执行用户 程序，此时不能向p l c 装入程序( p l c 不予理睬程序的装入) 。 3 t e r m ( 暂态模式) 在该模式下，p l c 的工作模式( s t o p 和r u n ) 可以由编程设备通过通讯方式输入适当的命令来改变，这种模式多用于 连网的p l c 网络或用编程设备来调试程序时使用。 s 7 。2 0 0c p u 2 1 4 型p l c 的以上特点，为实现变电站自动化远动装 置的各种功能( 遥控、遥信、遥测等) 提供了灵活、方便、快捷、经济、 可靠、可扩充的途径。 3 38 7 2 0 0p i - c 应用 p l c 在变电站综合自动化中的应用可以分为两个层次面向对 象和面向系统。面向对象主要实现对现场设备的状态、信号以及模拟量 的输入和控制；面向系统主要实现和调度、管理计算机的通信，完成将 现场设备情况向计算机的传送以及执行计算机系统( 可以来自变电站级 计算机系统或调度中心级计算机系统) 的各种设置与控制。 图33 是由c p u 2 1 4 型p l c 构成的数据采集与控制单元结构配置 示意图，实际配置可根据变电站规模的大小、现场一次设备布置的具体 情况确定。一条总线上最多可挂接3 1 个基本模块，若超过此数，可再 另外增加一条总线。 下面简要说明本系统中由p l c 构成的数据采集与控制单元( 前置 单元) 的工作机制，即用p l c 实现遥信、遥控、遥测及其通信功能。 1 遥信 将需要遥信的开关信号输入到p l c 的开关输入点，以实现前置单 西南交通大学硕士研究生学位论文 元的遥信功能。在p l c 的每次扫描中，各个开关的状态被自动写入相 应的 上位机 r s 4 8 5 串行总线 c p u 2 1 4 1 扩展l 扩展 基本模块l 模块ll 模块 开关量i o开关量i 0开关量i 0开关量i 0 c p u 2 1 4 l 扩展ll 扩展 基本模块l 模块li 模块 c p u 2 1 4 l 基本模块l 脉冲量p t c tp t c t脉冲量p t c tp t c t 图33c p u 2 1 4 p l c 数据采集与控制单元结构配置示意图 输入点映象寄存器中，扫描程序捕捉任何的开关状态记录变化，并将它 们作为事件报文传送到上位机。 2 遥控 利用p l c 的开关输出点电流的通断，来开、关断路器的遥控合闸、 遥控跳闸线圈，从而达到对线路进行遥控的目的。 由于p l c 的输出点功率有限，直接串联在断路器的遥控跳闸合闸 回路中作为开关使用，以启动遥控跳闸，合闸操作，将无法承受跳闸合 闸线圈中的电流，因此使用中间继电器。中间继电器的线圈被连接在p l c 的输出点回路上，利用输出点电流的通断来控制中间继电器触点的开 合，从而开合跳闸，合闸线圈。 当p l c 的扫描程序发现有遥控命令需要执行时，将对应的输出点 | | 早挈 西南交通大学硕士研究生学位论文 置为高电平，在相应的中间继电器中产生电流，触点闭合，对应的断路 器动作。断路器动作以后，将对应的输出点置回低电平，中间继电器断 流、触点断开，使遥控机构恢复到遥控前状态。 3 遥测 将需要遥测的模拟量信号输入到p l c 的模拟量输入点，以实现前 置单元的遥测功能。 由于所选p l c 不具备交流采样的复杂运算功能，因此只能利用p l c 进行直流采样。 在p l c 的每次扫描中，在模板上实时地读取数据。然后进行越死 区判别，即本次数据与上次相应数据相比较，若差值超过规定的阀值时， 认为数据己越限，置越限标志，并将它们作为报文传送到上位机。 4 通信 利用p l c 的自由通信方式与上位机进行通信。 在空闲的时候，p l c 时刻处于捕获通信接收中断的状态。当上位机 有字符送来时，p l c 产生接收中断，进而执行相应的中断处理程序， 完成报文的接收。 当p l c 的扫描程序检测到发送报文条件满足时，利用发