（电机与电器专业论文）变电站监控系统中数据库技术的研究.pdf

查! 查兰竺主兰竺竺查 一主l ! l a b s t r a c t r e s e a r c ho nd a t a b a s et e c h n o l o g y i ns u b s t a t i o nm o n i t o r s y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：s u nd a l l s u p e r v i s o r ： p r o f - h um i n q i a n g t h ed a t a b a s eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) i st h eb a s eo fd a t as t o r a g e ，a n a l y s i sa n d i n f o r m a t i o nc o m m u n i o n t h ef u n c t i o n a li n t e g r i t ya n dc a p a b i l i t yo f d a t a b a s ec a ni n f l u e n c et h eu t i l i t y l e v e lo fs y s t e md i r e c t l y r e f e r e n c et ot h ep r a c t i c e o fk t 2 0 0 0m o n i t o rs y s t e m ，t h et e n d e n c yt o n e t w o r k i n ga n do p e ni s d i s c u s s e di nt h i sp a p e ga n da l s ot h eu t i l i t yo fd a t a b a s ei sr e s e a r c h e da n d f u l f i l l e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a o e ra r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r em a df u n c t i o n a lm o d u l e sa r e s e g m e n t e d 、t h ea c c o m p l i s h m e n to f w h i c h i sa l s od e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y 2 w e bd a t a b a s ea n dt h em o n i t o rs y s t e mo nt h eb a s i so fw e ba r ea n a l y z e d a i s ot h ed a t a b a s e s e r v e ra n dw e bs e r v e ra r ea c c o m p l i s h e d ，u s i n gt h ew e bd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ( m i c r o s o f t s q ls e r v e r2 0 0 0 ) a n dt h ed y n a m i cw e b - p a g et e c h n o l o g y ( a s p ，n e t ) t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n d d a t ac o m m a n i o nc a l lb em o r ee 伍c i e n ta n de x t e n s i v e 3 o nt h eb a s i so ft h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r do fi e c6 1 8 5 0 w h i c hi sb e i n gw o r k e do u t t h e s p e c i a l i t i e s s u c ha s d e l a m i n a t i n gi n f o r m a t i o n 。o b j e c t o r i e n t e d d a t a m o d e l ，a n da b s t r a c t c o m m t m i e a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c ea r ea n a l y z e di nd e t a i l 1 1 1 ed e s i g na n dm e t h o do fi m p l e m e n t i n g o b j e c t - o r i e n t e dr e a l - t i m ed a t a b a s ew h i c h i sc o n f o r m e dt o 正c6 18 5 0a r ep r o p o s e d 。a n dt h ed a t a b a s e a c c e s si n t e r f a c e sa l s oa r ei l l u s t r a t e d a l lt h e s ec o n d u c et oi n t e r o p e r a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yi ns a s 4 d e s c r i b i n gt h ei d e a sf o rp e r f e c t i n gd a t a b a s es y s t e m n ee m b e d d e dr e a l - t i m ed a t a b a s es y s t e m b a s e do na r mc a nb e n e f i tn e t w o r k i n gi nm o n i t o rs y s t e m k e y w o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，m o n i t o rs y s t e m ，w e bd a t a b a s e ， o b j e c t - o r i e n t e dd a t a b a s e ，l e e6 18 5 0s t a n d a r d ，e m b e d d e dr e a l t i m ed a t a b a s e i i 东南大学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。 研究生签名：避日期： 诬：苎 东南大学学位论文使用授权声明 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、缩印或其他复制手段保存论文。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( 包括干0 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：鞫燃 日期：巡：丛 查! 查兰翌主兰苎兰查苎二兰竺! 一 第一章绪论 1 1 变电站自动化概述和发展现状1 捌 变电站作为整个电网中的一个节点，在电网中，担负着电能的传输、分配任务。变电站继 电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础。在电网统一指挥和协调下，电网各节点 ( 如变电站、发电厂) 具体实施和保障电网的安全、稳定、可靠运行。因此，变电站自动化系 统是电网自动化系统的一个重要组成部分。 变电站自动化，是将变电站的二次设备经过功能的重新组合和优化设计，利用先进的计算 机技术、自动化技术和通信技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、 控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站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，可以方便地监视和控制变电 站内各种设备的运行和操作，它具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智 能化的显著特点。通过利用先进的自动化技术，提高了供电质量、提高了电压合格率、提高了 变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平，减少了总投资、减少了维护工作量。近年来变电 站自动化技术在我国电力系统中得到了广泛的应用。 在1 9 9 7 年8 月国际大电网会议上，w g 3 4 0 3 工作组把变电站自动化系统的6 3 种功能分成 7 个功能块，即远动功能、控制功能、测量功能、继电保护功能、与继电保护相关的功能、接 口功能、系统功能。主要功能就是检测电网故障，尽快隔离故障部分；采集变电站运行实时信 息，对变电站运行进行监视和计量；采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考；当地后各 控制。因此，要求变电站自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内设备进行统一监测、 管理、协调和控制。同时，变电站自动化系统又必须与电网调度自动化系统进行实时、有效的 信息交换、信息共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高经济效益，并为电网 自动化的进一步发展留下空间。 变电站自动化技术在国内的发展，已走过了近1 0 年的风风火火，从早期的集控台式、第一 代全集中式、第二代按功能分布式，到今天的按对象( 间隔) 的分层分布式，可以说变电站自动 化技术已经步入成长期。 2 0 世纪8 0 年代，由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继更新 换代，实现了微机化。这是初始阶段，主要研制和生产集中式的变电站自动化系统，例如d i s a i 型、b j 一1 型、i e s 7 0 型、x w j k - 1 0 0 0 a 型、f d - 9 7 等。 2 0 世纪9 0 年代中期，数字保护技术( 即微机保护) 的广泛应用使变电站自动化取得了实 质性的进展，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，同时结合变电站的实际情况， 各类分散式变电站自动化系统纷纷研制成功并投入运行，如d i s a 2 型、d i s a 3 型、c s c 2 0 0 0 型、d c a p 3 2 0 0 型、f d k 型等。 近年来推出的分散式变电站自动化系统更多地采用了网络技术，如c a n 总线、现场总线、 以太网。而且均采用分层的设计思想，具有一定的分布式特征和相应的独立性，主要体现在保 护和监控相互独立，故障互不影响。至于变电站自动化的功能，则将遥测、遥信、采集及处理、 遥控、命令、执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过网络送至 后台主计算机，而变电站自动化的综合功能均由后台主计算机系统承担。到目前为止，国内一 些主流生产厂商已能够提供技术上比较先进、成熟的变电站自动化系统，其中比较典型的产品 查! 查兰! 圭兰竺竺圣 一兰二兰兰望二一 有北京四方继保电气有限公司的c s c 2 0 0 0 型变电站自动化系统和国电南京自动化股份有限公 司的p s 6 0 0 0 型变电站自动化系统。 自9 0 年代初到目前止，据不完全统计，我国已有上千套变电站综合自动化系统在现场投运， 充分发挥了作用，取得了用户的信赖。 目前我国变电站自动化发展现状可归纳为4 类。 n5 0 0 k v 和3 3 0 k v 超高压变电站 此类变电站数量较少，但在电网中的重要性是不言而喻的。因此其自动化工作应极为慎重， 对老站改造通常倾向于传统的远动装置( r t u ) 加上位机( 即当地功能) 构成系统，通常采用原装进 口设备或进口大散件国内组屏的方式。新建站则倾向于采用全分散式结构的自动化系统。 2 、2 2 0 k v 及1 1 0 k v 枢纽变电站 此类变电站数量较多，全国约有1 0 0 0 多座，且部分实现了自动化。除老站改造外，新建站 有集中配屏、局部分散和全分散3 种模式。由于它们多为有人值班，对上位机( 当地功能) 的功 能要求较高，系统范围已从单一的监控功能扩展到保护、仪表、信号及防误操作、故障录波、 模拟培i ) i l 、操作票管理、电压无功控制、事故恢复供电、经济运行、设备管理等。 3 、l l o k v 及3 5 k v 变电站 此类变电站数量达l 万多座，由于受资金和人力所限，已实现自动化的比例较低。但却是 无人值班( 守) 变电站的主要市场。变电站自动化和无人值班是两个不同的概念，不能等同但又 互有联系，无人值班必须以变电站自动化为基础，才能对操作、故障及突发事故应付自如。今 后将有更多的变电站向无人值班方式过渡。因此上位机功能逐渐淡化，模拟屏、光字牌、中央 信号、常规表计等均可取消，代之以对间隔级的电气设备提出更高的可靠性和可操作性要求， 并逐步采用遥视警戒技术，为无人值守创造条件。目前尚有大批老站要改造，随着城网农网改 造的实施，要建设更大批量的新变电站，这是变电站自动化继续深化发展的重点。 4 ) l o k v 及以下变电站 这类变电站通常包括配电站和开闭所，已实现自动化的比例很小，在大部分地区还是一片 空白，但其数量却是最大的，分布也是最广的。其特点是一般不考虑上位机功能，按无人值班 设计。l o k v 配电站的设计制造和现场维护人员的专业分工已不明显。最适合于采用面向对象f 间 隔) 的保护、监控功能合一的一体化设计。 1 2 变电站自动化系统的基本结构剐o 】 随着高科技的不断发展，自动化系统的体系结构也不断发生变化，其性能和功能及可靠性 等不断提高。从国内外变电站自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分布集中式、 分散与集中相结合和全分散式等四种类型。目前使用较多的是分层( 级) 分布式系统集中组屏 的结构形式和分布分散式与集中相结合的结构，而全分散式是发展趋势。 大多数变电站自动化系统的结构形式采用了分层( 级) 分布式的多c p u 体系结构。每一层 完成不同的功能，每一层由不同的设备或不同的子系统组成。一般来说，整个变电站的一、二 次设备可分为3 层，即变电站层、间隔层和设备层。变电站层称为2 层，间隔层为l 层。过程 层为0 层。图1 _ 1 为变电站的分层结构示意图。 2 一 东南大掌硕士肆啦论文第一：章7 绪沧 变 监控主机i 2 电 ，一r 层站 层 ii iii 间 测量控制故障录波h - 一 层1 隔 保保 护护 篮照 层 1 耵t 下 j ijfl 0 过 1 1 层程 v 高压tv高 ： 罐罐 屡硅备t 设 1 图1 1 变电站的分层结构示意图 过程层( 0 层) 主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压 互感器等一次设备。变电站自动化系统主要位于1 层和2 层。 间隔层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。测量、控制部件负 责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和联锁及事件顺序记录等：保护部件负责该单元线 路、变压器或电容器的保护、故障记录等。因此，间隔层本身是由各种不同的单元装置组成， 这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也可能设有数据采集管理 机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由数据采集管理机和保 护管理机与变电站层通信。 变电站层包括全站的监控主机、远动通信机等。变电站层设有现场总线或局域网，供各机 之间和监控主机与单元层之间交换信息。 在自动化系统的管理上，采取分层( 级) 管理的模式，即各保护功能单元由保护管理机直 接管理，一台保护管理机可以管理3 2 个单元模块。它们之间可以采用双绞线用r s 一4 8 5 接口连 接，也可通过现场总线连接；而模拟量和开入，开出单元，由数据采集控制机负责管理。保护管 理机和数据采集控制机是处于变电站级和功能单元间的第二层结构。正常运行时，保护管理机 监视各保护单元的工作情况。一旦发现某一单元本身工作不正常，立即报告监控机，并报告调 度中心。如果某一保护单元有保护动作信息，也通过保护管理机，将保护动作信息送往监控机， 再送往调度中心。调度中心或监控机也可通过保护管理机下达修改保护定值等命令。数据采集 控制机则将各数据采集单元所采集的数据和开关状态送给监控机和送往调度中心，并接受由调 度或监控机下达的命令。综上所述，第二层管理机的作用可以明显地减轻监控机的负担，协助 监控机承担对单元层的管理。 变电站层的监控主机或称上位机，由微型计算机系统及其外围接口电路组成，通过局部网 络与保护管理机和数据采集控制机通信，使全站的信息顺利进入数据库，并根据需要向上送往 调度中心和控制中心。在无人值班的变电站，监控主机主要负责与调度中心的通信，变电站自 动化系统具有r t u 的功能，完成四遥的任务；在有人值班的变电站，监控主机除了仍然负责与 调度中心通信外，还负责人机联系，自动化系统通过监控机完成当地显示、制表打印、开关操 作等功能。 随着技术的发展，再过几年，光电c t 、p t 逐步取代电磁c t 、p t ，变电站自动化和国际 查塑查兰竺主兰竺兰苎兰二兰_ 竺墅竺一 标准接轨，系统结构更趋合理。过程层完成i o 、模拟量采集和控制命令的发送等，并完成与 次设备有关的功能，间隔层是利用本间隔数据对本间隔的一次设备产生作用，越来越多的间 隔层功能下放到过程层：替代模拟传统保护原理的自适应保护将出现；变电站功能将扩展到设 备在线监测、电能计费系统、部分配电自动化、无功自动补偿和遥视等，符合1 e c 6 1 8 5 0 标准 的变电站自动化体系结构将逐步建立。 1 3 课题背景及本文研究内容 1 3 1 课题背景 k t 2 0 0 0 系统是面向铁路电气系统的3 5 k v 变电站自动化系统，该系统在很多国内外变电站 自动化系统基础上，融入了铁路电气系统和配电变电站的特点，是铁路配电变电站自动化技术 研究的一次实践。2 0 0 1 年底，该系统已通过江苏省经贸委主持的鉴定，并在沪宁线安全运行了 近3 年时间，经受了各种运行条件的考验，取得了良好的社会效益和经济效益。作者在攻读硕 士学位期间参与完成了国铁电气公司k t 2 0 0 0 型和k t 2 0 0 0 改进型变电站自动化系统的研究和 开发工作。 k t 2 0 0 0 型变电站自动化系统有微机监控主站、站内通信系统、面向现场设备的间隔层监控 保护装置等设备组成，采用纵向分层、横向分布式结构，模块化设计，监控主站、就地式监控 保护装置都通过网络连接，可满足3 5 k v 及以下各种容量、不同规模和功能要求的变电站、配电 所自动化系统配置要求，系统具备完善的“四遥”功能，可以实现无人值班或少人值班。 在长期的运行过程中，k t 2 0 0 0 系统基本达到了设计目标的要求，但是也存在一些可以改 进的方面，尤其是在通信网络性能方面，由于串行通信网络的固有缺点，使之成了整个系统性 能的瓶颈，采用先进的通信技术改造原有系统十分必要。比较了各种通信方案的优缺点，并考 虑了未来技术发展趋势，k t 2 0 0 0 改进型系统最终确定了基于c a n 总线和嵌入式以太网的混合 通信网络方案。 k t 2 0 0 0 改进型系统由微机监控主站、远动主站、变电站内部通信网络和面向间隔的数字 式保护监控综合单元等设备组成。变电站层的监控主站和远动主站通过以太网接口直接连接到 变电站层1 0 m 以太网上，间隔层的数字保护装置、测控装置和自动化装置通过c a n 总线和通 信控制器相连，接入变电站层以太网。监控主站作为调度、运行及专业人员的人机交互窗口， 以图形显示、报表打印、音响报警等各种方式对系统运行状况进行实时监视、可控装置调节及 完成“四遥”功能。k t 2 0 0 0 改进型系统应用网络数据库技术和w e b 技术，实现了监控系统的 w e b 浏览等功能，有效的实现了网络上的信息交换和数据共享，改善所有功能的使用率，提供 了更多的信息和记录，有助于改善决策处理。 目前，原型系统已通过严格测试转x t j - - 批量生产阶段，产品在江苏、安徽、河南等省近 十座变电站得到了应用。 k t 2 0 0 0 系统应用的结构图如图1 - 2 所示。 查塑查兰! 主兰竺竺圭兰二兰_ 兰墼! 三一一 1 3 2 本文主要内容 图1 _ 2 变电站自动化系统结构图 本文结台k t 2 0 0 0 改进版系统的研究和开发过程，迎合变电站自动化系统的发展趋势，以 数据库技术在变电站自动化系统中的应用作为研究课题，阐述了网络数据库的概念和应用，基 于w e b 方式监控系统的实践结果，提出了结合变电站国际标准( i e c6 1 8 5 0 ) 的面向对象数据 库的实现思路，论文的研究内容和章节安排如下： 第一章概述了变电站自动化系统的功能、技术现状和未来发展趋势。 第二章简述了变电站监控系统的基本功能，着重介绍了k t 2 0 0 0 改进版监控软件的体系结 构和实现。本章根据系统的设计要求，分析了软件系统总体结构和功能模块的划分，并详细介 绍了组态配置系统、实时运行系统和报表系统等模块的编程实现过程。 第三章介绍了网络数据库以及基于w e b 方式的监控系统的实现。在分析了变电站自动化系 统中数据库技术的研究现状之后，明确了网络化对变电站功能实现的优点，应用目前最新的计 算机软件技术( v js u a ls t u d i o n e t ) 和网络数据库管理系统( m i c r o s o f t s q l s e r v e r2 0 0 0 ) 实现了更高效、更广泛的信息交换和数据共享。 第四章介绍了i e c 正在制定的、变电站自动化通信网络和系统的国际标准i e c6 1 8 5 0 的主 要内容，详细分析了i e c6 1 8 5 0 标准的信息分层、面向对象的数据统一建模和抽象通信服务映 射等主要特点。在此基础上，提出了一种符合1 e c6 1 8 5 0 标准的变电站数据库的设计和实现方 式，即面向对象的实时数据库。同时，遵循面向对象建模和抽象服务映射的思想，描述了符合 i e c6 1 8 5 0 分层模式的数据库访问接口的实现思路，为变电站自动化系统互操作性、可扩展性 要求的实现提供了依据。 第五章对全文做了总结，并对未来需进步研究和完善的工作做了展望。 查! 查竺竺主兰竺兰查 苎苎兰 兰兰苎兰兰竺堡墨! 一 第二章变电站监控软件系统 2 1 监控软件系统的功能概述】 变电站自动化系统中监控软件系统主要负责站内的保护、测量、控制装置的数据转换和传 输，并提供人机界面，是变电站自动化系统中一个重要组成部分。 监控软件系统中含有两个重要的功能模块：规约转换器和人机界面。 其中规约转换器主要完成两项任务： ( 1 ) 接收并解释站内保护、测量等装置发送的上行报文，并将结果反映到人机界面； 但) 接收并解释变电站操作员通过人机界面下达的控制命令，随后通过现场总线将其下传 至保护及控制装置。 人机界面则是变电站自动化系统与运行人员的接口，运行人员通过直观、友好的人机界面 来了解变电站的运行状态及下达控制命令。通常，监控软件系统主要有以下功能： 1 数据采集功能 变电站的数据包括：模拟量、开关量和电能量。 模拟量的采集。变电站需采集的模拟量有：各段母线电压、频率、线路电压、线路电流、 有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功率，电容器的电流、无功功率，馈出 线路的电流、电压、功率以及频率、功率因数等。 开关量的采集。变电站的开关量有：断路器的状态、隔离开关状态、有载调压变压器分 接头的位置、同期检测状态、继电保护动作信号、运行告警信号等。 电能计量。电能计量即指对电能量( 包括有功电能和无功电能) 的采集。 2 操作控制功能 无论是无人值班还是少人值班变电站，操作人员都可通过c r t 屏幕对断路器和隔离开关进 行分、合操作，对电容器进行投、切控制，对变压器分接头位置进行调节控制，可手动、自动 进行电压和无功的综合控制，以及故障的自动诊断、隔离与供电恢复。同时为防止计算机系统 在发生故障时无法操作被控设备，在设计时，应保留人工直接跳、合闸手段。 3 安全监视功能 监控系统在运行过程中，对采集到的电流、电压、主变压器温度、频率等测量值要不断进 行越限监视，如发现越限，应立刻发出告警信号，同时记录和显示测量值的越限时间和越限值， 另外，还要监视保护装置是否失电，白控装置工作是否正常等。 4 事件顺序记录s o e 事件顺序记录s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t s ) 包括断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录。微 机保护或监控系统采集环节必须有足够的内存，能存放足够数量或足够长时间段的事件顺序记 录，确保当后台监控系统或远方集中控制主站通信中断时，不丢失事件信息，并应记录事什发 生的时间( 应精确至毫秒级) 。 5 故障录波和故障测距 11 0 k v 及以上的重要输电线路距离长、发生故障影响大，必须尽快查找出故障点，以便缩 一6 一 东南太掌硕士学位论文 第= 章变电砧监控软件系统 短修复时间，尽快恢复供电，减少损失。设置故障录波和故障测距是解决此问题的最好途径。 变电站的故障录波和测距可采用两种方法实现，一是由微机保护装置兼作故障记录和测距，再 将记录和测距的结果送监控机存储及打印输出，或直接送调度主站，这种方法可节约投资，减 少硬件设备，但故障记录的量有限；另一种方法是采用专用的微机故障录波器，并且故障录波 器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。 6 人机联系功能 1 ) 人机联系桥梁一c r t 显示器、鼠标和键盘 变电站采用微机监控系统后。无论是有人值班还是无人值班站，最大的特点之一是操作人 员或调度员只要面对c r t ，通过操作鼠标或键盘，就可对全站的运行工况和运行参数一目了然， 可对全站的断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改变了传统的依靠指针式仪表和依靠模 拟屏或操作屏等手段的操作方式。 2 ) c r t 显示画面的内容 作为变电站人机联系的主要桥梁和手段的c r t 显示器，不仅可以取代常规的仪器、仪表， 而且可实现许多常规仪表无法完成的功能。它可以显示的内容，归纳起来有以下几方面： ( 1 ) 显示采集和计算的实时运行参数。监控系统所采集和通过采集信息所计算出来的u 、i 、 p 、q 、有功电能、无功电能以及主变压器温度t 、系统频率f 等，都可在c r t 的屏幕上实时显 示出来。 ( 2 ) 显示实时主接线图。主接线图上显示已配置的遥测量的实时数据，以及断路器和隔离 开关的实时状态。 ( 3 ) 事件顺序记录( s o e ) 显示。显示所发生的事件内容及时闯。 ( 4 ) 越限报警显示。及时发出越限警报( 声音文件) ，并显示越限设备名、越限值和发生越 限的时间。 ( 5 ) 操作记录显示。可显示操作员对变电站运行所做的种种控制操作。 ( 6 ) 历史趋势显示。显示主变压器负荷曲线、母线电压曲线等。 ( 7 ) 保护定值和自控装置的设定值显示。 ( 8 ) 其他。包括故障记录显示、设备运行状况显示等。 3 ) 配置数据 变电站投入运行后，随着负荷的变化，保护定值、越限值等需要修改，甚至需要更换原有 的设各。因此在人机联系中，必须有输入数据的功能。需要输入的数据至少有以下几种内容： ( 1 ) p t 和c t 变比； ( 2 ) 保护定值和越限报警定值； ( 3 ) 操作人员密码。 特别要指出的是：对无人值班变电站也必须设置必要的人机联系功能，以便当巡视或检修 人员到现场时，能通过液晶显示屏、七段数码管、c r t 显示器或便携机观察站内各设各的运行 状况和运行参数，对断路器等的控制应具有人工当地紧急操作的设施。 7 打印功能 监控系统可以配备打印机，完成以下打印记录功能：定时打印报表和运行日志：开关 操作记录打印；事件顺序记录打印；越限打印；召唤打印。对于无人值班变电站，可不 设置当地打印功能，各变电站的运行报表集中在控制中心打印输出。 东南大学硕士学位论文 第二章变电站监控软件系统 2 2 监控软件系统的实现 变电站层的监控及通讯系统的主要任务是向下与站内的通信网相联，顺利采集全站各类信 息，完成实时显示和存入历史数据库的功能。同时要将数据向上送往调度中心和控制中心，实 现远方通信功能。此外，通过友好的人机界面和强大的数据处理能力实现就地监视和控制功能， 是系统与运行人员的接口。本节将介绍监控软件系统的结构和模块设计。 2 2 1 体系结构及模块划分1 1 2 - 1 s l 软件体系( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 涉及到程序的两个重要特性：模块的层次结构和数据结 构。在监控软件的设计中，采用面向对象和模块化的思想。 面向对象的设计( o o d ) 通过模块化信息及其加工方法来让数据对象和加工操作得以互相 连接。这个过程依赖于三个极其重要的设计概念：抽象、信息隐藏、模块化。所有的设计方法 都力争展现这些特性； 而模块化的设计思想就是将软件系统在逻辑上分割为实现特定的功能和子功能的部分，展 现层次结构使得软件各部分之间的控制更明智，由清晰且可分离的数据和过程表达来构成。 根据变电站自动化中监控系统的一般功能要求，按照组件化、模块化的思想，把监控软件 系统的功能划分成若干功能模块和子系统，k t 2 0 0 0 改进版的总体结构如图2 1 所示。 保护装置配簧& 赫 噩噩窭窭薹至! ! 至鬟 主接线配置闷 葱要曩曩露鍪i i 墓1 | ；| | 蘩 遥测遥信配置 矧i 窭鍪墨譬至薹譬驾剿i 通讯参数配霞巨嗣i 露翟露重薹登薹薹辇鏊i | | | 电能表配置s 浏 薹薹羹翌鍪薹薹：i ：鍪纛 保护告警配置闷i 重鍪薹鍪鍪薹薹蓥霪? 封 阀值配置s 斓j 薹窭瑟瑟透薹嚣垂霪蘩 报表配簧l 羹羹鬟 i 曩。| | 叔攀基蘸“i ? 日遥测数据表 电能抄表报表 跨 - 7 i _ _ _ _ 曩 j 甄堕二 兰立蔓 事件报表 巨 一i j t - 一一一。 墅委受二 彝 1 聂面f 0 配置数 据库 实时运行系统 塞塑墨塑室 厂1 两菊再广 厂丽孺丽酝订 数据库 日数据库 事件记录库 操作记录库 录波数据库 电能表数据库 运行界面 装置复位 启动录波 l 事件操作告警 匪亟匝 j 查阅录波曲线 r i 型苎竺塞翌呈至l r 堑堕兰堡竺 r i 1 塑垦壁塑堡 厂西醛蕊雨 r 茎苎堡堕 实时通讯系统 ，。- 。一 +通讯状态榆测进程 r 。1 1 。一 测量量巡检进程 l 、一 保护事件监测进程 手动命令下发进程 l u - - - - - - 。一 故障录波进程 电能表抄表进程 l ，。，+ 。，+ 。，_ - p 传调度进程 图2 1 监控系统结构框图 查塑查兰竺主兰竺兰查 苎苎! ! 翌兰些竺望塑! ! ! ! 一 2 2 2 主要模块的设计与实现 1 组态配置系统 在监控软件系统应用于变电站建设时，耍先根据实际情况进行运行条件的配置。组态配置 系统包括8 个配置模块：保护装置配置、主接线配置、遥测遥信配置、通讯参数配置、电能表 配置、保护告警配置、阈值配置、报表配置。 主接线配置模块实现的功能是离线绘制变电站的一次主接线图，以反映变电站的运行情况。 本绘图组件是采用v b 编程工具完成的，因其在界面编程方面有一定的优势，绘制的标准的图 元简单易用。 考虑到软件的灵活性和通用性，上述各配置模块提供了一个人机接口，变电站运行所需要 的参数都可以动态的设置，具体的组态程序是由v c + + 编程的，将用户信息对应地存储到配 置数据库，以供实时运行系统的配置读取模块查询。配置数据库在本机的历史数据库( a c c e s s ) 中，这些配置参数是监控系统运行的依据，如主接线图的实时显示，就要查询遥测、遥信参数， 才能找到数据绑定的元件：保护装置的保护类型和越限的判定等，也需要闽值、保护告警等配 置参数。 2 实时运行系统 实时运行系统实现了变电站在线监视界面，数据采集和存储，操作控制等功能，具体设计 为三个模块：运行界面、实时通讯系统和数据库。 ( 1 ) 运行界面 k t 2 0 0 0 改进版的前台监控的功能主要在此模块实现。测量值的实时显示是根据实时通讯 系统中接收并解析好的实时数据，刷新主接线图。运行人员也可以通过键盘或是鼠标向现场的 保护测量装置下发操作命令( 如定值下发、开关分含、变压器分接头的调节等) 。为了最大程度 保证命令可靠准确的下发，监控软件系统对于操作命令有严格的条件检查。例如，系统允许从 监控主站上设置各个测量保护单元的定值，定值的正确和完整性直接决定了系统的运行状态， 因此对于定值下发，需要采取如图2 2 所示的严格操作的流程。其它控制操作，如断路器操作， 调压器操作等，也同样遵循收发检查的流程。 操作。令l j ! ! ! ! ! 保护测量单元1 _ 圭竺! ! ! 生j 显霍蛩墨蓉值 li 进行逻辑检查 j 下发定值 盆塑匿竺竺q嘎 ； 2 i 鐾紧) + ! ! ! ! ! ! ! 一嘉霎藿篓i ：! ! ! ! ! 兰保护测量单元1 图2 - 2 定值下发命令处理流程 ( 2 ) 实时通讯系统 实时通讯系统是变电站监控软件的数据来源，在k t 2 0 0 0 改进版中，监控软件和保护装置 东南大学硕士掌位沦文 第= 章变电站监控软件系统 之间由通讯管理机连接，一台通讯管理机一般可以管理十台保护装置，所以面向f 层的通讯管 理模块，在整个监控软件系统中占有非常重要的地位，它决定了监控软件系统能否正常稳定的 工作，同时也是设计中的一个难点。变电站在正常运行时，站内的保护及测量等装置只是定时 上发遥测、遥信数据信息，通信管理模块也只需要定时召唤并处理这些信息。而当变电站发生 故障时，可能会引起多个装置一起上送报文，这个处理过程就比较复杂了。保护动作报文的优 先级比遥测、遥信报文的优先级要高，需要及时处理。所以，保护事件监测进程设计为具有较 高的优先级。在某些时候，站内运行人员需要对监测保护装置进行遥控操作，例如保护定值的 修改、断路器操作等，通讯管理模块要立即中断正常的处理报文的循环，进行下发命令报文的 处理，手动命令下发进程所形成的报文在报文传输过程中具有最高的优先级。在设计的过程中 要根据实际的运行情况进行认真分析，确定一个合理的通讯流程，以保证监控软件系统和站内 保护测量装置的通讯信道的畅通。 k t 2 0 0 0 改进版的监控主站和通讯管理机之间的通信网络采用的是以太网，请求应答的通 讯方式，装置的报文不能主动上发，需要从监控主站发出请求命令，通讯管理机对命令应答后， 根据通讯规约上发相应的报文。监控主站以循环的方式向通讯管理机发送巡检、遥测和遥信命 令，以得到保护测量单元的状态信息。其中巡检命令得到的是保护动作、开关变位和定值改变 等重要的事件，遥测和遥信命令可以获得各个保护测量单元的测量量和开关量信息，故巡检命 令的次数和优先级都要高于遥测和遥信命令。对于采集上来的报文，经过解析后存放在系统的 实时数据库中，通过自定义的消息通知告警模块和显示模块，从而实现系统的在线监视。 图2 3 为系统遥测的通讯流程： 图2 - 3 遥测通讯流程 由于操作命令报文具有最高的通讯优先级别，在开始一次遥测通讯之前，先判断是否有手 动命令下发，若检查到有命令报文形成，就退出这次遥测通讯，转向命令处理流程。为了提高 1 0 查! 查兰竺主兰竺兰苎兰三兰兰兰竺些苎竺堡墨! 生一 通讯的正确率在设计中增加了重发机制，如果因为等不到回应报文而引起超时，或是收到的 报文不能通过c r c 校验，则重新发送遥测的命令。实践表明适当增加重发的次数可以显著提高 通讯的正确率。 通讯模块利用v c + + 编程工具的多线程机制和m f c 的c s o c k e t 类( 套接字) 实现。 模块封装成a c t i v e x 控件的形式在后台运行，负责通讯管理，通过接收c s o c k e t 和发送c s o c k e t 与保护管理机之间传输报文，采用u d p 协议。系统运行时，首先启动对下通讯管理控件，并 设置通讯的速率和通讯的端口号。通讯控件自身通过对遥测、遥信和巡检线程的调配和通讯管 理机进行通讯，把通过c r c 校验的报文以事件的方式向主流程发送。 日常的各保护测量单元的遥测量、遥信量和电度量信息传送给远方的调度中心的功能由对 上通讯管理模块实现。对于部颁c d t 规约，只需要在应用层上对每一帧的同步字、控制字、信 息字和校验码进行编程，然后对设备( 如m o d e m ) 进行串口设置即可完成通信任务。对上通 讯管理模块也封装成a c t i v e x 控件的形式。主程序接收到的模拟量、开关量和电度量之后，用 s e t d a t a 函数接口传送给a c t i v e x 控件。控件再根据通讯规约对数据进行归整，组织成报文的形 式发送给远方的调度中心。 ( 3 ) 数据库系统 从系统的功能分析中我们可以看出监控软件系统的大部分功能都是围绕着测量装置上传的 数据信息，通过对数据信息的采集、解析、统计、检索等操作来实现界面刷新、生成各种模拟 量曲线图、表格或各类报表等系统功能。在对数据信息的处理过程中需要对系统的数据库进行 频繁的读或是写的操作，因此设计一个良好的数据库模型是非常重要的。 本监控系统采用a c c e s s 关系型数据库作为系统的历史数据库。关系数据库及其管理系统提 供了有效的数据组织、存取方法，例如通过结构化查询语言( s q l ) 可以很方便地创建数据库， 添加、查找和删除数据。历史数据库是变电站监控软件实现功能的基础，运行数据的查询分析， 电力报表的打印显示等都要从历史数据库中取得数据，它还是故障分析研究的重要资料来源。 数据库的设计采用面向功能的思想，构建了日数据、操作记录、事件记录等数据库和表。 监控软件系统的实时性要求比较高，一般的其界面刷新时间要求小于3 秒，遥控响应时间 小于2 秒。传统的数据库都是存储在辅助存储器上，如硬盘，对数据的访问大部分受到磁盘i o 的束缚，因此事务的响应时间受等待延迟、查找延迟等限制。在许多应用领域，例如过程控制、 指挥和控制系统、电力网、远程通信网的控制和管理等应用中，要求数据库系统在较短的时间 间隔内做出反映应用状态的改变，所以本监控系统还运用了简单的实时数据库。 实时数据库常驻内存，利用内存直接快速存取的特点，在其中存放一些要被频繁访问的数 据信息，如模拟量和开关量信息，用以满足系统刷新速度的要求。从装置上传的遥测和遥信数 据信息经过规约解析以一定的格式存入内存数据库中，主流程只需从内存数据库中读取实时数 据用以刷新系统的一次主接线图。实时数据库中的数据需要定时转存到历史数据库中，用以生 成各种数据统计报表。 k t 2 0 0 0 改进版还应用了网络数据库技术，构建了s q ls e r v e r 数据库服务器。实现了变电 站系统基于网络方式的数据共享，使得记录查询和报表管理等功能可以离线进行处理。基于网 络数据库t 可以创建w e b 服务器。w e b 服务器中的通信服务程序使用标准的数据库访问接口 可获得实时数据和s c a d a 处理描述参数，实现w e b 实时浏览等功能。变电站监控的监视、 控制、数据查询功能都可以通过网页的形式实现。 3 报表系统 在监控系统的信息显示中，报表是最重要的一个工具，所以报表系统作为一个单独的模块 实现。为了使操作人员能根据实际情况，灵活的定制报表的显示格式和显示数据，报表模块不 查! 查兰! 主兰兰兰圭 苎三! 兰兰苎兰竺竺堡垒! 生一 仅要从历史数据库中查询相应的表，还要读取配置数据库中的报表配置信息。 报表模块最计了和用户交互的界面，显示变电站已经配置好的保护装置配置、遥测量、遥 信量信息，用户可以选择日报表需要的数据，如馈线的三相电流、母线电压等。这样可以灵活 的从日数据库中选择有用信息。 2 3 本章小结 本章简述了变电站监控系统的基本功能，着重介绍了k t 2 0 0 0 改进版监控软件的体系结构 和实现。主要模块由组态配置系统、实时运行系统和报表系统组成。配置模块提供了人机界面， 是运行参数设置的途径：实时运行系统的通讯管理在整个监控软件系统中占有非常重要的地位， 主要有遥测遥信进程、手动命令下发进程和保护事件监测进程来完成功能：数据库系统由历史 数据库、实时数据库和网络数据库构成，基于网络数据库m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，本监控系统还 构建了w e b 服务器，应用先进的计算机网络技术，更有效、广泛的实现了信息共享，提高了系 统的性能。 一1 2 查塑查兰翌主兰竺竺苎 兰三兰兰兰竺些竺墨苎! 竺竺苎兰堡竺竺兰一 第三章变电站监控系统中网络数据库的实现 随着以太网技术的应用和互联网的普及，变电站自动化系统中的数据库应用也在向网络方 式发展。调度员或维护人员可以通过i n t e m e t 或拨号等方式调阅网络数据库，以及在本机上进 行分析计算。基于网络数据库，可以创建w e b 服务器。w e b 服务器中的通信服务程序使用标准 的数据库访问接口可获得实时数据和s c a d a 处理描述参数，实现w e b 实时浏览等功能。 3 1 变电站自动化系统中数据库技术的研究现状 数据库是变电站自动化系统中数据采集、监测、数据计算分析以