（电力系统及其自动化专业论文）面向220kv及以上变电站高压监控的主站系统设计.pdf

东南大学学位论文 a b s t r a c t p o w e ri n d u s t r yi st h eb a s i ca n dv i t a l so fn a t i o n a le c o n o m y o u rc o u n t r ya t t a c h e s i m p o r t a n c et op o w e ri n d u s t r ya l la l o n g n o wt w on e t w o r kr e b u i l d i n gp r o j e c th a s f i n i s h e da n dg o t t e ng r e a ts u c c e s s t h ew e s t - e a s te l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o np r o j e c t a n dt h r e eg o r g ep r o j e c ti sc o n s t r u c t i n gt h ea c m e t h eg r e a tr e g i o ng r i dt h a tm a i n n e tf r a m ei s3 3 0 k v 5 0 0 k vh a sc o m ei n t ob e i n g ，a n dc o u n t r y w i d eg i r dc o m b i n a t i o nw i l l b e g i n s u p e r v o l t a g es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh a sac r u c i a lp o s i t i o ni nt h e c o n s t r u c t i o n s u p e r v o l t a g es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mg e t saw i d e l yu s e w i t ht h en e w t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe x p l o r ea n dp r a c t i c en e w s u p e r v o l t a g eo r i e n t e dm a i ns t a t i o ns y s t e m ss t r u c t u r eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m t h ep a p e rm a i n l yd e s c r i b e sh i s t o r ya n ds t a t u so fn a t i o n a ls u p e r v o l t a g e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i r s tc h a p t e r a n di tb r i n g sf u n c t i o n so f s u p e r v o l t a g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o r m a r da c c o r d i n gs p o tr e q u i r e m e n ta n d t e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t h e s e c o n dc h a p t e ra n dt h i r dc h a p t e rm a i n l yd i s c u s sd e m a n da n a l y s i s ，d e s i g n p r i n c i p l e sa n ds t a n d a r d s ，k e yt e c h n i q u ea b o u ts y s t e mf u n c t i o nr e a l i z a t i o n ，s o f t w a r e d e s i g n , h a r d w a r ed e s i g n , d a t ac o m m u n i c a t i o ns u b - m o d u l ed e s i g na n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c es u b - m o d u l ed e s i g n a n dt h ep a p e re s p e c i a l l yd e s c r i b e sp o w e rg r i do b j e c t s m o d e ld e f i n i t i o n ，c r o s sp l a t f o r md e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e 。g r a p h - m o d e l d a t a b a s ei n t e g r a t i v ed e s i g na n ds a f eg u a r d i n gi nd e t a i l s t h ef o r t hc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es p o tu s ee x a m p l eo fs u p e r v o l t a g e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m s y s t e mh a sr u ni ns u p e r v o l t a g es u b s t a t i o n s t h eu s e r s g a v eg o o dr e m a r kt ot h es y s t e mi na g i l i t y ，h a l e n e s sa n de a s ym a i n t e n a n c e k e yw o r d sls u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m s c a d a , s u p e r v o l t a g e 第页- 东南大学学位论文 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：地 二、关于学位论文使用授权的说明 期：“o i 以 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分论文。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第1 i 页 日期： 第一章绪论 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础和命脉，我国对电力工业的发展一直非常重视。目前，两网 改造接近尾声，取得了显著的效果；已经启动的为西部大开发和东部经济建设服务的“西 电东送”，三峡发输电工程的建设如火如荼；以3 3 0 k v ，5 0 0 k v 为主网架的大区电网已经形 成，全国联网的序幕已经拉开。其中超高电压等级( 2 2 0 k v ，3 3 m ，5 0 0 k v ，以及将出现 的1 0 0 0 k v ) 变电站自动化系统占有重要的地位【l 】。 超高电压等级变电站自动化系统应用也日益广泛。随着新技术的发展、开展新的面向 2 2 0 k v 及以上变电站高压监控的主站系统结构模式的探索与实践研究都有着十分重要的 意义 1 1 国内外监控自动化发展历史和现状 变电站自动化监控主站系统的结构模式先后采用过分立元件设计、i c c p u 板级设计、 集中式计算机系统机设计，发展到今天的计算机网络分布式设计。从单机监控系统，发展 到现在的基于网络的分布式监控系统，经历了一个探索、改进和完善提高的过程，也反映 了监控自动化应用和系统功能发展的需要。 在国内，早期的远动系统大都是建立在分立元件的基础上的，这些系统和设备在我国 直到年代中期还有单位在使用。但由于系统完全由硬件构成，结构复杂，功能单一， 一般只有数据采集功能，支持少量数据的模拟屏数码管显示。系统可靠性低，经常出故障。 随着对变电站自动化系统后台主站的功能的要求日益增加，集中式系统越来越暴露出 不足之处。由于将数据库、数据处理、人机会话等几乎所有功能都集中于一台机器上，很 容易造成计算机负荷过载，因而需要更大、更快的机器，而机器的性能与价格并非简单的 线性关系，这导致系统造价昂贵。同时，由于许多功能模块装在一台机器上。模块间耦合 紧密，相互影响，如果修改一个功能模块，其它模块往往也需要修改，因此系统功能很难 扩充。在后台主站现场，一般需要多个人机会话席位，这种集中式设计很难满足超过4 个 以上操作台的要求。随着接入装置数目的增多，信息量的增加，集中式系统也无法满足不 断扩充的容量要求。 随着网络技术的普及，国内从9 0 年代开始出现基于局域网的变电站自动化系统的后 台主站。由于结构灵活，功能强大，扩充性好，性能价格比高，很快成为主站系统的主流 技术。这类系统也称为网络分布式系统。同样是网络分布式系统，由于软件体系结构的不 断进步，又从对等式系统发展到客户，服务器方式的系统，现在又逐步向i n t r a n e t 模式发展。 1 2 国内超高压变电站监控系统的典型模式 超高压变电站自动化系统的结构模式从早期的以集中为主，发展到现在的以相对分散 和分层分布分散为主，经历了一个探索、改进和完善提高的过程，在模式设计和实际的工 程建设中都有应用。变电站自动化系统从起步发展至今，生产厂商、系统用户、科研院校 都作了不少研究和尝试不同的系统、不同的地区可能会存在不同的配置方式，归纳起来 有以下几种典型模式： 第1 页 东南大学学位论文 1 模式一( 集中式) 模式一是变电站自动化系统发展初期所普遍采用的方式，它将所有保护设备、自动装 置、r t u 、数据采集、遥控执行设备及其它电子设备集中组柜放置于变电站的中央控制室 内，现场设备通过电缆与之联络。其配置框图如图1 所示。 图l 中，数据采集系统可以是直流采样或交流采样( 发展主流) 方式；r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 负责将数据采集结果、保护信息及站内设备信号收集处理后送至当地监控系 统和远方调度所，此可称为上行；同时，远方调度所再通过r t u 下发调度命令，如遥控 开关，召取保护定值等，此可称为下行。保护设备可以是微机型保护，这样可以将保护信 息以通信的方式送至r t u ，利用计算机技术，r t u 与保护设备之间的信息交换可以达到 较高的水平；也可以是常规保护设备，但保护动作信息只能通过保护装置输出的动作接点 送至盯u ，r t u 获取的保护信息相对较少 饩磊i 霜 必差 强护：i 备i 矗 麓 控 执 f r 嗣l 簟式一 i 1 a e6 憎蒯 上述模式的变电站自动化系统普遍应用于老变电站的改造。它的特点是投资规模小、 实施方便、易于维护、运行环境好。 2 模式二( 分层分布式) 分层分布结构是指按照变电站的控制层次和对象，设置全所控制级及现场就地单元控 制级的二层式分布式结构。此模式在一定程度上吸收了国外某些大公司的配置模式，其配 置框图如图2 所示 蔓电蛆鼙 矗曩 毽鲁簿 田2 蕞式二 f 确2 伽 耐m o d e l 图2 中，变电站层总线( 或设局域网) 供各主机问和主机与各单元级设备间交换信息； 变电站层设备装设于控制室内，单元层的保护及测控设备可装设于开关场的小室内，以减 少连接电缆的长度和引入线的电磁干扰。 第2 页 敛撼震橐最缱h # i 第一章绪论 对于它的保护测控设备，在工程应用中有两种方式：一是独立保护装置加独立i ，o 测 控单元的方式，此方式可靠性高，可维护性强；二是保护测控装置合二为一的方式，此方 式结构简单，经济实惠，对于城网、农网改造工程非常适合；而且从资源共享的角度讲， 保护与测控装置合二为一，避免了以往保护装置与测控装置中某些功能的重复设置。但是， 此方式也曾存在一些问题，如保护c p u 和测控c p u 是相互独立还是由一块c p u 承担、 保护t a 与测量t a 是单独使用还是合用等等。目前由于大容量c p u 等技术的使用，二合 一配置方式已大量使用：当然，保护1 a 和测量1 a 在装置内还是单独设置的。现在，国 外已研制出一种专用t a ，其铁芯是易饱和材料，带有一定空隙。这种饱和型t a 的特性 接近一般测量t a ，不过饱和时的电流值要大些。 此模式在国内一些高电压等级变电站自动化系统中已得到采用。较之模式一，在安全 性，灵活性和可扩展性等方面均提高了不少。 3 模式三( 分散式) 分散式结构是指将单元级( 间隔级) 的某些保护测控设备直接下放安装于现场开关柜 中；对于下放安装的保护测控设备，应特别注意其抗恶劣运行环境等问题，如电磁干扰、 震动、温度等。当然，在目前运行条件下，分散安装的保护测控设备仅针对于馈电线路和 补偿电容器组。其配置框图如图3 所示。 警 控 簟 薛甓n t , - - 4 属如埘橱卜- 叫n 苴矾 遁乍曹曩饥i 卜i 迥臂曹皤鲺f 薹霹 l 强器舻 【! 丝里至 并釜辍4 撕，按式三 r 羁，伽越西m 豳l 洲嚣 筋k 翌鲁。1 m 从图3 可以看出，前置机( 或称为总控单元) 是整个系统的核心，故应选用高档可靠的工业 计算机或选用高性能单片机；它应能完成信息采集功能。【2 6 】 模式三和模式二的基本系统配置严格来讲并无太大差别，通信网络的设置也可为工业 现场总线或局域网方式。模式二强调从计算机结构的角度来研究物理上的分布；而分散式 则强调地理位置上的分布。 随着新技术的发展、新标准的制订、新应用需求的提出，还会出现与之相适应的新的 系统结构模式。 1 3 国内超高压变电站监控系统的现状和不足 随着电力系统的发展和电网商业化运营的深入开展，对电力系统的运行进行调度和控制 变得越来越复杂。为提高电网安全、稳定、优质和经济运行水平，国内许多厂商的高压监控 系统已经在实际的电力系统中得到了广泛的推广应用。 第3 页 东南大学学位论文 由于历史原因，国内以往的监控系统往往是不同的科研项目，分别独立进行研制开发。 用户使用时，需要掌握和维护多套系统，人机界面风格不一致，分析计算结果不尽相同，使 用维护十分不便，严重影响了系统的实用性。国外公司如a b b ，s i e m e n s 等的产品尽管技 术领先，特别是支撑平台技术先进，但是价格昂贵、产品汉化和本地化程度较差、不完全适 合中国国情。 总体来说，目前运行的高压监控系统往往存在以下的不足： 1 系统结构简单，扩展性差，不能够根据实际需要的发展，提供良好的支持。 2 网络通信采用广播信息发送，传送的可靠性低，无法杜绝网络传送过程中重要事 件信息的丢失。 3 人机界面用户界面设计单一，不能够满足调度、维护、保护等多种不同管理人员 定制界面，快速查询数据服务的要求。 4 没有良好的防病毒和防攻击设计 1 4 国p g # i - 超高压变电站监控自动化发展思路 随着微电子技术、计算机软硬件技术的发展，近年来超高压变电站自动化系统在以下 几个方面都有不同程度的进展。 系统体系结构：由传统的单一的集中模式向与相对分散式，分层分布分散式多种体系 结构模式转变，由传统的面向单个测量、控制对象向面向电网元件( 如进线、出线、变压 器、母线、电容器等) 转变，由各功能单独考虑向系统功能综合考虑转变，由一味强调功 能全面向更强调功能实用和高可靠性转变。 总线结构：无论是模块级、间隔级还是站级，均由专用、低速向通用、标准化、高速 转变，原来采用的位总线、l o n w o r k s 、c a n 、f f 等现场总线统一向以太网转变，这从国 际电工委员会( i e c ) 即将推出的i e c 6 1 8 5 0 系列正式标准【7 4 别中也可看到这个趋势。传统 的p l c 技术不能满足日趋增长的对分布式实时控制性能的要求，传统现场总线技术也是 如此。经长期实践证明，在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，主要原 因是： 它充分考虑了今后的发展需要，具有高传输速率和自适应，目前能达到1 0 m b 1 0 0 m b l g b 的速率，1 0 g b 以太网也即将面世； 高传输安全性和可靠性以及集线器技术的完善和确定性； 1 几乎不需考虑网络的拓扑结构，非常灵活； 2 传输物理介质多样：双绞线、光纤、同轴电缆甚至无线通道都可容纳； 3 集线器的应用可不需考虑网络的扩展； 4 以太网的应用已经建立起一种业界的标准。亦即一个新的工控总线标准； 5 全面与最前沿的r r 技术接轨，出现了被称之为世界标准”的t c p i p 技术的应用； 6 能满足低成本高性能面向未来的开发的需要。 信息共享度：保护监控功能以及数据共享从逻辑上的结合越来越紧密，物理上的结合 也将随着光电传感技术的不断发展和完善而更加紧密。 防误功能：逐步走向不再配备专门的“五防”闭锁硬件系统，而是把范围更广的综合防 误操作功能结合在系统中，利用监控设备的智能逻辑来灵活实现网络级的防误操作。 安全性：随着技术开放度的提高、网络功能的渗透、以及国内外形势的复杂化，系统 的安全性更显得特别重要。因此，除加强传统的安全机制外，还应专门配置变电站自动化 系统“黑盒子”来记录自动化系统中的所有操作与通信的状况，该模块与飞机上的黑盒子类 第4 页 第一章绪论 似，具有极大的存贮容量和极强的物理性能，能忠实地记录下一定时间的所有内外部操作 记录。为防止黑客攻击和人为的破坏，必须与其它网络从物理上隔离，数据单向传输。如 果采用网络数据传输，还须考虑适当的防火墙、物理隔离、数据加密、数据备份、数字认 证、多级网管等网络安全措施。 1 5 立题背景和本文主要研究内容 考虑到目前电力系统的蓬勃发展和运行电压等级提高，需要从实际出发，进一步研究 和开发符合市场要求的、技术先进的高压监控产品，特别是高压监控s c a d a 应用系统的 支撑平台。 高压监控s c a d a 应用系统平台是为提高s c a d a 计算机自动化系统的水平，加快高 压监控s c a d a 应用系统的开发速度，使应用系统的使用、维护更加方便而设计的一套可 视化的应用支撑系统，包括数据采集、数据处理和用户界面三部分。 本文研究了高压监控s c a d a 应用系统平台的理论，方法和技术，结合作者开发的平 台产品，详细介绍了高压监控s c a d a 应用系统平台的原理、方法和实现。主要针对： 如何构建和实现一个开放的，可扩展的高压监控s c a d a 应用系统平台，完成系 统管理、进程问的数据通信和网络管理服务。 如何构建和实现一个图模库一体化的系统平台，提供更加直观和简洁的用户界 面。 具体章节安排如下： 第一章：绪论。综述高压监控s c a d a 应用系统、国内外系统研究和应用的现状，说 明立题背景及本文主要研究内容。 第二章：整体描述高压监控系统的方案设计，包括系统的设计原则，系统的体系结构、 硬件结构设计、软件结构设计。 第三章：高压监控系统的方案详细设计，重点说明本系统实现技术关键，前置通信接 入方案的设计，应用软总线构筑分布式服务平台的设计和实现，面向对象的电网模型设计， 基于图模库一体化的拓扑服务设计，以及物理隔离装置在系统中的应用。说明系统设计的 特点。 第四章：根据高压监控系统的一个典型应用画面的实例方案，说明在实际应用和设计 中系统的使用价值。 第五章：总结结论。总结本文工作和主要研究成果，分析尚需解决的问题并提出进一 步的研究方向 第5 页 东南大学学位论文 第二章高压监控系统方案设计 2 1 高压监控系统的整体概述 超高压变电站自动化系统的实现方案，按照站控层和间隔层进行建设，彼此之间通过 高速网络来传输信息，其结构如图4 所示。 图4 高压监控系统结构示意图 由于综合考虑可靠性，灵活性、经济性、可维护性等因素，超高压变电站主接线形式 一般按5 0 0 k v 进线采用3 2 接线、2 0 g k v 出线采用双母线单分段带旁路接线，3 5 k v 出线 采用单母线的结构。 整个系统是分布分散或相对分散，即2 2 0 k v 3 5 k v 的测控保护可按设备间隔或电压 等级分散安装，当然也可以集中布置。系统的主要考虑是如何最大限度地提高系统的抗干 扰能力，尤其是如何防止由传导引起的干扰。 第6 页 第二章高压监控系统方案设计 2 1 1 站级控制层 站级控制层为全所设备监视、测量、控制、管理的中心，通过光纤传输，接受现场 采集的开关量、模拟量与电度量信息，以及向现场发布控制命令，通过远动通信工作站 与调度通信中心进行远方数据通讯。 系统采用三级总线结构。站级总线采用标准高速以太网络，l 嘶忸，1 0 0 m b i g b 自适 应以太网总线结构，提供了高速的当地人机交互手段和完善的s c a d a 功能；设备级采用 标准1 0 m b 以太网，比传统的现场总线从传输速率上提高了几个数量级，为模块间提供了 通畅的数据高速公路，为多个上级调度中心提供了充裕的数据通道，且为直接接入广域网 提供了便利手段。各级总线网络通信协议均采用t c p i p 。 网络系统应遵循国际标准化组织的o s i 模型。采用冗余的双以太局域网，将各工作 站互联，实现资源共享。间隔层至站控层网络通讯介质采用光缆。通信网络必须安全可靠 传输速度必须满足计算机监控系统的要求。监控系统网络管理软件应具网络拓扑分析功能。 能自动监测网络自身和各个环节的工作状态，自动选择、协调网络节点的工作。网络传输 速率为1 0 1 0 0 m 。站控层配置2 台1 0 0 m 交换式网络集线器以及配套的网络连接电缆，一 台集线器对应一个网络，每台集线器至少1 6 个网络接口。系统结构为测控单元上以太网 的监控系统，由于网络节点数较多，全部信息通过主网交换，网络碰撞的机会必然增 加，为了减少网络碰撞机率，应采用网络分段技术，每一个交换机配两个光口。任意一 台计算机均可以自动识别和切换该机的网络通路。 2 1 2 间隔级控制层 间隔级控制层采集各种实时信息，监测和控制间隔内一次设备的运行，自动协调就地 操作与变电站层的操作要求，保证设备安全运行，并具有就地，远方切换开关。在站控层 及网络失效的情况下。仍能独立完成间隔层的监测和控制功能。间隔级控制层设备包括测 控单元，智能接口设备、g p s 对时装置、输入，输出继电器，保护及网络接口设备等。测 控单元必须按电气安装单位一对一配置。 一般来说包括以下部分： 测控单元 间隔层内每个断路器单元对应一个测控单元，一台主变设置三个测控单元，主要完成 变电站各间隔设备状态的测量、控制、监视，上传间隔设备的运行状态，接受后台监控系 统，调度端、巡检中心下达的指令，具有断路器同期合闸功能。涉及本间隔开关和刀闸的 关联闭锁需在间隔层完成。 测控单元应提供在站控层设备停运或其他紧急情况下的手动操作，并能与正常状态下 的计算机操作相互切换。 g p s 对时装置 配l 套g p s 对时装置，包括配套的天线、馈线、以及对时所需的通讯电缆。g p s 接 收卫星标准时间信号，对监控系统站级控制层设备对时。接收同步时钟的误差o 5 l i f e s ，系统时钟误差1 0 - 6s 。监控系统应能对错误的g p s 信号进行屏蔽，能对g p s 故障进 行检测、报警功能，在卫星失步时。自主向计算机监控系统发送报警信息。 g p s 对时装置通过串行通讯对远动通信工作站和智能接口设备进行对时，利用秒脉 冲输出对测控单元进行时钟同步。 通讯网络 网络拓扑应采用分层、分段方式，变电层和间隔层的网络有物理隔离，提高网络安全 第7 页 东南大学学位论文 性和网络性能。网络通讯设备符合工业级标准，不使用商用设备。和其它网络系统互联要 有硬件隔离措施，提高系统互联的安全性。 2 2 高压监控系统的设计原则 系统的总体设计目标是：采用最新的计算机软、硬件技术，建立一个集电网监控、分 析研究功能于一体的高压监控系统。系统设计时遵从下述原则： 1 先进性 采用九十年代以来技术先进、应用广泛的c l i e n t s e r v e r 主从分布式体系结构。系统可 选用统一的软件平台u n d c 册i l d o w s x p 操作系统，也可以混合使用，不影响系统功能和 性能指标，还可以使系统的性能得到优化。 2 伸缩性 根据用户应用系统的实际需要和投资状况。可灵活选择系统的软、硬件配置。系统具 有跨多硬件平台的特点，可选c i s c 或r i s c 多种工作站、服务器、高档微机以及对称多 处理器机( s m p ) 等硬件平台。系统的规模可任意选择从单台机器到多台机器，单种机型 到混合机型进行配置。 3 扩充性 在系统的生命周期中，系统的功能有可能不断地增加。因此，系统的体系结构必须适 应这一需要。系统的应用软件采用模块组装式结构，可方便地对应用模块进行扩充。便于 系统的二次开发。 4 灵活性 系统中应用软件各功能模块，以数据库( 包括静态数据库和实时数据库) 为核心灵活 分布在网络的各个节点上，并且能在任意节点机上运行，做到“即装即用” 5 安全性 系统硬件可采用双机，双网、双电源、双通道接入等冗余设计结构，发生故障时可自 动切换，保证系统的不间断可靠运行。操作系统和数据库满足c 2 级安全性要求，并配合 系统设计不同节点不同操作权限、不同用户不同操作权限，可保证系统满足严格的安全要 求。对于系统的互联( i ，区之间的安全隔离) ，可以采用国家经贸委推荐的物理隔离 装置( 本系统采用珠海鸿瑞的物理隔离设备) 通信，同时保证系统的实时性。必要的情况 下可以增加防火墙等设备。上述方案的采用可以防止黑客或者病毒的侵犯，保证系统的安 全。 6 实用性 变电站自动化系统作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电网调度自动化的总体 设计，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、经济运行以及信息分层传输、 资源共享的原则。 分散式系统的功能配置宜采用下放的原则。凡可以在间隔层就完成的功能如保护、备 用电源自投、电压控制等，无须通过网络和上位机去完成。2 2 0 k v 枢纽站及2 2 0 k v 电压 等级以上的变电站，其网络层和站控层应采用双重化，冗余配置，以提高系统可靠性。 7 无人值班的设计 按我国的实际情况，目前超高压变电站还不大可能完全无人值守，即使是无人值守。 也有一个现场维护，调试和应急处理的问题，因此设计时应考虑远方操作和就地控制并存 第8 页- 第二章高压监控系统方案设计 的模式。同样，保护单元亦应具有远方、就地投切和在线修改整定值的功能，以远方为主， 就地为铺，并应从设计、制造上保证同一时间只允许其中一种控制方式有效。 站内自动化及无人值班站的接入系统设计应从技术上保证站内自动化系统的硬件接 口满足国际标准。系统的支撑软件符合i s o 开放系统规定，系统的各类数据，通信规约及 网络协议的定义、格式、编程、地址等与相应的电网调度自动化系统保持一致，以适应电 力工业信息化的发展要求 8 通信安全的设计 目前无论国内还是国外的分散式变电站自动化系统各部件之间的联系大部分采用串 行口通信方式( r s 2 3 2 c , r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 总线等) ，其通信速率和资源共享程度均受到限制， 故建议采用局域网删) i 苴信方式，尤其是平等( p e e r - t o - p e e r ) m 络，如总线型网( 介质共享 型) 即网上每个节点都可与膊上其他节点宣接通信，例c s c - - 2 0 0 0 型采用的l o n w o r k s 网，d i s a - - 2 ，d i s a - - 3 型采用的c a n n e t ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 网等【3 】。 变电站内存在强大的电磁场干扰。从抗电磁干扰角度考虑，在选择通信介质时可优先 采用光纤通信方式，这一点对分散式变电站自动化系统尤为适用。例l s a 6 7 8 ，d i s a - - 2 ， d i s a 一3 型等均采用了光纤通信方式。 2 3 高压监控系统主站的硬件结构 高压监控系统具有跨多硬件平台的特点，系统投资规模可依计算机机型不同有很大选 择余地。其结构如图5 所示 图5 高压监控主站系统结构示意图 2 3 1 双倍冗余结构 为了适应变电站自动化系统的高可靠性要求，高压监控系统的前置机和其它有特殊要 求的关键设备，均设计为双倍冗余结构，在故障情况下可以自动切换。 冗余配置的各个子系统满足以下要求： - 在任何时刻保证冗余配置的设备之间可完全相互切换，作为值班设备或备用设备运 第9 页 东南大学学位论文 行。 - 保持主备设备之间数据的一致性，使备用设备可随时接替值班设备投入在线运行。 -备用设备采用最近的实时数据断面，接替主机运行。 一冗余配置的设备，切换方式分手动和自动。 一 冗余热备用设备之间实现无扰动切换，热备用设备接替值班设备的手动切换时间小 于3 s ，自动切换时间小于3 0 s 。如果具有离线备用设备，一般的离线备用设备接替 值班设备的切换时间小于5 m i n 。高压监控系统的软件功能模块具有“即装即用特 性，每一功能模块可以备份安装在多个节点机上，互为热备用。当某一节点机出现 故障时，系统功能可自动切换到其它节点机，保证系统的可靠运行。这突破了传统 的冗余必须与具体硬件直接相关的约束。 2 3 2 网络结构 为迸一步确保数据通讯的可靠性，采用双重网络结构。系统采用交换网络技术，其网 络传输速率可达1 0 0 m b 。双网同时工作，负载自动平衡，故障时可以实现自动切换，单 一网络故障不影响整个系统的正常工作。 2 3 3 数据服务器 系统采用了c f i e n t s e r v e r ( 客户，服务器) 分布式体系结构，服务器是系统的历史数据 库和描述数据库的管理中心，历史数据库和描述数据库以及历史数据和描述数据的处理模 块均在其上运行。 s c a d a 服务器用来实现实时通讯的处理和实时数据库的处理。终端服务器直接接入 该服务器以实现前置通讯部份的网络接入，与s c a d a 网段隔离。 2 3 41 e b 服务器 w e b 服务器用来实现s c a d a 与外部系统共享实时，历史数据、图形、报表等，为其 它系统的访问、共享提供多种方式和工具，同时实现了与其它系统的有效隔离( 网段物理 隔离) ，可防止其它系统的侵入和无理访问，为实时系统的安全、可靠运行提供了保障。 w e b 服务器提供与主服务器完全一致的数据库备份，实时数据库映射在其内存中， 提供作为s c a d a 与m i s 共享服务器的实时数据发布机制和数据库访问的标准接口，并 提供供浏览器访问的标准格式的所有图形、报表等信息。 w e b 服务器同时可以作为远程联网服务器，提供远程访问的管理及信息共享，为异 地维护和远程值班提供拨号登入服务。 2 3 5 值班员工作站 主要供值班员监视电网运行状态、处理电网事故等。配置两台图形工作站，维护工作 站用于远动维护等工作。 2 3 6 五防工作站 提供和五防系统的通信。配置一台图形工作站，用于远动维护等工作。 2 3 7 时钟系统 g p s 卫星同步时钟提供高精度的标准时间，可作为高压监控系统的基准时钟，精度为 第l o 页一 第二章高压监控系统方案设计 1 0 r o 秒，并可通过与r t u 的通信同步全网r t u 时间。 g p s 时钟面板可以显示年、月，日、时、分，秒。 g p s 时钟装置提供4 个串行口，可同时对4 套系统校时。 2 3 8 打印设备及其它外设 系统可配备多种型号的激光、针式，喷墨打印机，扫描仪，数字化仪，数字照相机等。 打印机可分别挂接在不同节点机上，每台打印机均可设定为网络共享，供任一网络节点机 使用。这种方式比集中配置的工作方式具有更高的可靠性和利用率。 2 4 高压监控系统主站的软件结构 系统软件体系结构的一个重要特点是广泛采用了客户，服务器工作方式。不仅对数据 库的访问是客户，服务器的方式，而且对系统实时库的访问以及各软件模块之间数据的交 互也都是客户，服务器的方式。这种工作方式优化了系统结构，化解了系统复杂性，提高 了系统效率。 系统的支撑平台采用多层结构，主要包括数据库管理、网络管理。分布式管理层是以 应用中间件和软总线实现的。 应用中间件和软总线：系统实现分布式系统的协调运行，采用软总线技术，提供位置 透明的通信手段，隔离操作系统和硬件平台的相关性，保证系统的灵活扩充性。为应用和 用户提供良好的管理、运行、开发环境。 数据库管理设计：采用分布式系统管理的思想，建立包括实时数据库、历史数据库和 应用数据库的管理。实现分布式数据库的建立、查询、更新、复制、维护等功能，保证分 布式数据库的共享性、可靠性、安全性、完整性、一致性、分布透明性等方面的功能，具 备并发控制机制，实现全局一致性，保证分布式数据库同步更新和故障恢复。 网络管理：系统管理实现对整个系统中的设备、功能及权限等进行分布化管理，以维 护系统的完整性和可用性，提高系统运行效率。 第l l 页 东南大学学位论文 主站的软件系统结构如图6 表示： 图6 高压监控主站系统软件结构示意图 主站的软件采用标准的三层结构，由下至上为：平台层( 操作系统、数据库等支撑平 台) 、中间层( 业务逻辑、服务器层) 、应用层。 平台层： 操作系统：a i x ；h p - u x ；l m u x ；t m 6 4i ，n d ( 灏h d o w s ；s o l a r i s ；s c ou n i x ； 数据库：商用数据库o r a c l e9 i ，s q ls e r v e r2 0 0 0 ； t c p ，舻各种网络协议等。 服务器层： 各种专用功能的服务器模块构成系统逻辑处理的核心。该部分利用数据库资源，将系 统需处理的信息有效地组织，并进行分析，为后台各种应用提供支持。关键服务模块可以 网内主辅运行，达到最大限度的安全性，即能实现软件冗余功能。 应用层： 为各部门的各种应用提供人机交互的界面。完成对服务器数据的再组织和多种方式的 展示，提供系统所有和调度员相关的操作。图中所示应用层软件模块可以根据需要安装， 亦可随着发展增加其他新的模块。 系统三层结构通过专用通讯支撑软件s b 软总线实现各层模块之间的数据传送，网络 第1 2 页一 第二章高压监控系统方案设计 内每个运行软总线的机器都被认为成一个节点，节点机之间可以通过软总线通信，各个节 点机之间建立对等的关系，在一台机器上可以查看网络内其他和本节点机的模块运行情 况、数据通讯情况、主辅情况，并可对运行的模块进行管理。 三层结构的系统主要是以下软件模块构成； 软总线( s b ) ：s b 负责系统软件功能模块管理和模块间的互相通信，系统中所有的节点都运行有 s b ，所有节点的s b 互相协作在全系统范围中建立起一个分布式软件应用环境： 通信服务器( c c m ) 主要功能有建立并维护通信服务器的数据库表，接收终端设备发送的实时数据、发送 终端控制命令，控制系统的实时数据与其它系统的传输。支持智能通信卡和终端服务器两 种方式； 事项服务器( e v t s e r v e r ) 主要负责系统中各类事项的管理，系统中各服务器产生的事项全部由事项服务器来集 中管理和处理。事项服务器同时负责向人机界面传送事项内容，通过人机界面展示给用户； 实时服务器是系统数据处理的中枢，负责接收从通信服务器传递来的实时电网数据、 对实时数据的处理，控制其他模块对实时数据的访问和使用；该模块同时还负责历史数据、 运行数据的缓存及历史数据的入库处理； 数据库编辑器( d e d i t ) 数据库编辑器是系统构建的基础，数据库编辑器是测试服务器上的基本模块之一，它 与建模工具配合实现绘图填库和设置数据参数。主要功能有：创建测试服务器的o d b c 数据源；创建和管理主服务器、第三服务器、测试服务器的数据库；管理系统实时信息如 遥测、遥信和电量等参数的设置等； 图库一体化建模工具( i e s d r a w ) 系统电网对象模型的建立工具，采用图库一体化的方式，在绘图的同时完成数据库的 录入。建模工具不仅描述了各种电网设备，而且还描述了他们之间的连接关系。绘图工具 还要负责系统中一般电气接线图、棒图，曲线图等图形的绘制与维护； 人机操作界面( e s 5 0 0 m m i ) 系统与操作使用人员进行信息交互的接口，系统通过人机操作界面把各种运行数据和 信息展示给用户，并接受用户在权限范围内发出的各种操作命令； 报表( t a b s e r v e r ) 定时、人工生成报表，实时召唤报表并可实现报表的定时、召唤打印。对报表的格式 可根据需要方便的定制和修改； 实时w e b 发布( r r w 曲s v r ) 采用i n t e m e t i n t r a n e t 模式向d i s 网实时发布配电网信息。w e b 发布采用系统内m m i 完全相同的图形，无须重新绘制专门的图形或图形转换，浏览器界面显示效果与m m i 完 全相同，在浏览器界面上支持缩放、漫游、设备定位等功能。 第1 3 页 东南大学学位论文 第三章高压监控系统主站关键技术设计 3 1 前置通道接入方案设计 对应于电力系统安全生产的要求，数据的接入和处理要充分考虑连续性和冗余性的要 求，所以系统设计的重点就是不能存在单点故障，即不能由于单点的故障影响数据和监控 的连续性。 为了达到这个目标，系统提供面向通信通道和终端( p o r t ) 的描述，而不是局限于输电 网，可以作为多种系统如配电等其他系统的数采设备，并支持数据的直接转发，因此可以 作为数据传输机单独运行。支持传统通道、网络，电话拨号等通讯方式，并支持不同介质 通道的主辅备用和多数据源处理。 系统通信解决方案的重点是不因为任何环节的单点故障，影响系统的正常通信。 系统的工作原理：本系统采用网络接入( 对应于网络通道) 、终端服务器( t e r m i n a l s e r v e r ) 作为数字通道和模拟通道的接入方案，支持同步，异步方式，可接入高速信道。 终端服务器通过交换机与s c a d a 服务器相连接，该服务器配置三块网卡，一块用于 连接前置交换机，另两块与i e s 5 0 0 u e 系统的主网相连。由于采用独立的网段，从而可避 免由于终端服务器而引起系统网络负荷的加重。r t u 信号通过远动通道传上来后，模拟 信号经过m o d e m ，数字信号经过光电隔离后，通过智能转换控制箱一分为二，接入两个 终端服务器异步口，实现终端服务器的冗余热备用。 第1 4 页一 第三章高压监控系统关键技术设计 终端服务器配置结构如图7 所示； s c a d a 主网 田7 前置通信系统信号接入示意幽 智能转换控制箱的主要作用有二： 实现数字桥功能，完成上行信息的分路输出。即将由站端送来的单路信号分为两路， 分别送给互为熟备用的两组终端服务器；实现下行主备信息的硬件切换，有效地防止了备 前置处理机的下行信息对主前置处理机下行信息的干扰。 完成同步，异步通信的转换。终端服务器只有异步串行口，当r t u 采用同步方式通讯 时，智能转换控制箱将接收的同步信号经过处理后，转换为异步信号送给终端服务器，完 成同步到异步转换。下行数据的过程相反，转换控制箱把下行的异步信号进行处理，转换 为同步传输方式发送出去。 智能转换控制箱由工业标准控制机箱和智能插卡构成，每个机箱可插1 6 块插卡。每 块智能插卡独立完成一路串行通信的下发控制及同步i 异步转换，彼此之间互不干扰，避 免了一路信号的故障影响其他信号的正常通讯。 正常工作时，两台s c a d a 服务器分别负责自身接入的终端服务器的数据的接收，功 能完全一致，双机中的前置通信模块根据功能分布平衡的要求，同时负责后台数据的转发 通信。 当系统发生故障时，对应于不同的环节，系统通过以下的策略保证数据的连续不中断。 主备通道故障：当传输数据的通道故障时，系统提供面向通道的数据描述。通过软件 判优，进行主备通道切换，保证数据的连续性。过程在两台服务器上同时进行。 单个m o d e m 和切换板故障，由于系统提供面向通道的数据描述，处理方式等同于 主备通道切换。过程在两个系统上同时进行。 单个终端服务器故障，由于系统在规划时，主备通道接入到不同的终端服务器上，所 以也可以通过成批通道的主备通道切换保证数据的连续性。过程只在接入了故障终端服务 器的系统上进行 第1 5 页 东南大学学位论文 前置服务器故障：两台s c a d a 服务器在线监视同伴机的运行状态，由于两台s a 址 a 服务器分别负责自身接入的终端服务器的数据的接收，功能完全一致，所以故障时，系统 发起主备切换，系统直接完成和后台系统的通信，接管所有的系统功能。 不具备主备通道的单个端口或者设备故障：两台s c a d a 服务器在线监视同伴机的运 行状态，由于两台s c a d a 服务器同时接入了终端服务器的数据，功能完全一致，所以故 障时，系统只需要发起向后台数据传输的主备切换，由可以接受到数据的系统直接完成和 后台系统的通信，接管本通道所有的系统功能。 由于系统的数据接入设计是面向数据流的，所以无论实际接入的介质是何种信号，都 可以实现不因为任何环节的单点故障，影响系统的正常通信。支持传统通道、网络、电话 拨号等通讯方式。并支持不同介质通道的主辅备用和多数据源处理。