（电机与电器专业论文）基于统一建模语言开发变电站综合自动化软件系统.pdf

a b s t r a c t o nt h eb a s eo ft h e a n a l y s i s o ft h e t e c h n o l o g y a n dt r e n do fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m ，t h i sp a p e re x p a t i a t e t h ef u n c t i o n so f m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l s y s t e m so f t h es u b s t a t i o nt h a th a st h eu r t r a n s f o r m e rm a n a g e m e n t r e l a y f i r s to fa l l ，t h e p a p e r d e s c r i b e dt h e g e n e r a l s i t u a t i o no fu rt r a n s f o r m e r m a n a g e m e n tr e l a y ：u rt r a n s f o r m e rm a n a g e m e n tr e l a yi sm a d eb yg ec o m p a n ym a di ti s d i g i t a l - b a s e dd e v i c e t h et e c h n o l o g yo fd s pm i c r o p r o c e s s o r a n de l e c t r o m m u n i c a t i o n e n h a n c et h eh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ya n dm u l t i - f u n c t i o nc a p a b i l i t yo fu r t r a n s f o r m e rm a n a g e m e n t r e l a y s e c o n d l y , t h ep a p e re x p l a i n t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r eo fu rt r a n s f o r m e r m a n a g e m e n tr e l a y t h es e c o n dc h a p t e ri nt h ep a p e rf o c u so n t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o fu rt r a n s f o r m e rm a n a g e m e n tr e l a y ，f o ru rt r a n s f o r m e rm a n a g e m e n tr e l a yc o n t a i n o p t i c a l - f i b e re t h e m e t n e t w o r kt h a ti sa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ed e s i g no ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mt h ec o n v e n t i o n a l m o d e l i n g l a n g u a g ew a sn o tu s e d ，b u t ak i n do fa d v a n c e dm o d e l i n gl a n g u a g ew a su s e d t h e a d v a n c e dm o d e l i n gl a n g u a g ei su n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( a b b r ：u m l ) t h eu n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g ei s as t a n d a r dl a n g u a g et h a tp r o t r a c tt h eb l u e p r i n to fs o f t w a r e t h e w r i t e ro fs o f t w a r ec a nu s eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g et ov i s u a l i z et h ec o m p l e xs o f t w a r e s y s t e m a n da b s t r a c tt h es o f t w a r et od o c u m e n t t h em o d e l i n gb yu s i n gu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g em a d et h ep r o d u c t i o no f s o f t w a r ee a s i e ra n dm o r ei n t u i t i o n i s t i c a tt h es a m et i m e ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e d e e p l yr e d u c et h e l i k e l i h o o do fm a k i n gm i s t a k ei nt h ep r o c e s so fm a k i n gs o f t w a r e f u r t h e r m o r eu m l 1 i g h t e nt h ew o r k l o a do fm a k i n gs o f t w a r e o nt h eo 也e rh a n d ，w ec a n g e tt h em o d e lo f o n es o f t w a r ef r o mt h es o f t w a l i t s e l f a cl a s t t h ep a p e ri l l u s t r a t et h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mo fg ec o mm o d u l e w h i c hi st h ek e y - p a r tp o n i o ni nt h es y s t e m d u r i n gt h ed e s i g no fg e c o mm o d u l e ， m a n yt e c h n o l o g yi su s e d t h e s et e c h n o l o g y a r eu m l ，a c t i v e x ，m u l t i t h r e a d i n g ，c o m e t c t h e s et e c h n o l o g yg u a r a n t e e dt h es u c c e s so fs o f t w a r e d e s i g na n di m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo f m e s o f t w a r es y s t e m k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，m o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e m ， e t h e r n e tn e t w o r k ，c o m ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e i v 缝塞耋堡垒圣 董垂蕉三鏊熬囊童垂蕉窆查鳖黧垒塞鱼墼墼篷篓蕤 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。尽我掰翅，狳了文孛特别热以标注和致谢豹她方辨，论文中不包含其她入 已经发表或攒写过的研究戚采，也不包含为获褥东南大学或其它教育机构的学位藏 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赏献均己在论文中 譬了朝确的说明并表示了谢意。 磊秀究生签名：壶二j鹭翘：竺丝沙尸 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。本人电予 文橙豹肉容器纸蒺途文懿凌容相一致。豫在保密期内滤稼密论文努，龛诲论文羧鸯 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 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： 阜l 导师签名：势啦址日 期：抄畔加乒 l i 墅鬟筵篓窒一 蒸圭堑= 黧撞量塞驻塞窒室进堡垒窦垫丝丝缝墨堡 巾英文术语对照表 美露括难镕怠交羧代码； a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e应用编穰接口； c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型； c e n t r a l p r o c e s s i n gu n i t 核心处理单元模块； c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验； c u r r e n tt r a n s f o r m e r 电流互感器： d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y 动态链接库； d i s t r i b u t e d n e t w o r k a r c h i t e c t u r e 分步式网络体系结构； d r o p o u t 信号输蠢 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理 本文所阐述的软件系统中一个核心组件，负责监控主机与继电 操护装置豹逶售； g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r 全局唯一标识； i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e 智能堍子设备； m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n 制造业遵接翅菹 o b j e c to r i e n t a t i o n 面向对象： o p e r a t e 搽馋售号 p i c k u p 信号采样 对象链接和嵌入，一种w i n d o w s 控件； 美翻电予王韭按会( e i a ) 制定鲍串镗通壤嫒范； r e m o t et e r m i n a lu n i t 远程终端设备； s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n 赣筏控铡和鼗嚣浚集 系统； 一种w i n d o w s 控件； u t i l i t y c o m m u n i c a t i o n sa r c h i t e c t u r e 裔效逶信褥架 u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e 统一建模语言 g e 公司生产的继电保护装霹种系列名称 v o l t a g et r a n s f o r n t e r 宅压互感器； 一舭一藿；一一一薹；一 一m薹|差薹；她嘶一一一 一垂|强 第一章螭论 第一章绪论 鲥1 变照蛙综鸯自动能懿发曩避臻 随糟国民经济以及电力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，系统的运行 方式越来越复杂，对自葫纯求平的要求越来越离，稀采用鬻蕊酶、二次设备豁传统 变惫站蕊激滤足以下凡方獯故疆求：绩小交逛站占她嚣双；提满变电站的安全与经 济运行水平；降低变魄站造价，减少薪建交电站的总体投资；对变电站实现减人增 效并逐步实行无入值班。常规变电所的二次部分主餮由继电僳护、就地蓝靛和远动 装嚣所缝残。在徽处理嚣应用之蓠，这些装置不仅功能不嗣，实现的原理躺技术也 不剜，因而长期以来形成了不问的专业和棚应的技术管理部门。 除锾机系统本鸯并，无菲是对各秭模掇量的数攥采集，以及输入赣蠢接口毯 潞，雨量装鬣瓢采集瀚量秘要控割熬对象矮畜诲多怒共潮的，溺瓣显雩罨设器熏复， 互造复杂。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 史造成的专蛾框框，从技术管理和综合自动纯的角鹰来考虑全徽梳纯静变嚷衙= 次 帮分懿耄 乏化设诗，鑫掰逛就诞生了变毫麓爨合是动纯技术。 变愈姑巍动化的发展过程可以分戚三个阶段： 一变电站分立元件的自动装鬣阶段； 二微处理器为核心的智能自动装置阶段： 三变魄站综合自动化系统的发展阶段。 在2 0 世纪6 0 年代初期就已提出变电所的远方集中控制的概念，所采雨的设备 为税电黧继逛缳护装鬟萃瑟电予型远动装置，以此实骥远方对变魄辑电气设备豹监 控。尤其在题方工业发达潮家，同时借助予一次设备的较高可靠性，从而实现变电 所的无入值班。 到2 0 髓| = 纪7 0 年代濒井蠢营遴开始了变电辩综合窝动纯技术游礤究，投捺在荚 国疆开姻第6 届圜际供电会议资料报道，英国、意大利、法豳、两德、澳大利皿等 国，在7 0 年代末，新装的远动装翳都魑微型计算机型，个剐已经使鞠1 6 位小篷计 算橇。嗣时，会议中静有关文章逐糖窭，懿控予系绕熬功麓煮扩大熬憝势，供电躅 的监控功熊正以练台爨动他为目挺迅遮发鼹。 到2 0 世纪8 0 年代初期，由于微处理器技术的迅速发展，变电站综合自动化技 术 歼始徭蓟镑步的痊爝：继奄保护、虢遮簸控稻运动装蓬逐濒开始采鼹微撬拨零， 从褥出现了皴投继电探护装鼹、微机烂控期微机远动装援。这些微机型的壤蚤尽管 功驻不一样，其硬件配嚣都大体榈嗣。 在2 0 髓纪8 0 年代戳后，研究变电站裔动仡系统的酱家釉大公嗣邀来越多。铡 魏：德豳秘嚣门予公司、a b b 公翊、a e g 公司，荧国g e 公司、西屋公司，法固 阿尔斯通公司等都有臼己的变电站自动化系统的产潞。西门予公司予1 9 8 5 年在德 国汉诺袋琵式投运其第一套交电菇鍪韵亿系统l s a 6 7 8 ，至1 9 9 3 年已有3 0 0 多套翳 第1 曩 笫章绪论 类型的系统在德强本土及歇浏蒸蚀毽家不鄹愈压麓缀蜘变彀蛞投入运行，至t 9 9 5 年，该公司在中国也陆续得到十几个工程工币目，基本上都怒1 1 0 k v 城市变电站。 a b b 公司的变电站自动他系统s c s l 0 0 在芬兰生产，用予中、低压变电站。s c s 2 0 0 在瑞典生产，用于高压变电站。 我国变魂菇裔动化瀚研究工作开始予2 0 世纪8 0 年代中期。 9 8 7 年，清华大 学电杭工秘系研制成功第一个符台我国函储的变电始自动化系统，在山东威海望岛 变壤站戏功遮投入遮行。辇岛变泡站建一个3 5 k v 的蠛市变电站，其有掰路3 5 k v 送线，两路3 5 k v 密线，两台主变压器，8 潞1 0 k v 馈电线碚和两缓无功补偿嘏容 器。 谈变毫皴麴综合蹇璐豫系统主要赉三台徽辊组成，分成三个孑系统，担负了变 电站安全监控、微机保护、电压无功控制等全部任务。该系统予1 9 8 7 年成功地投 入运行，1 9 8 8 年通过技零鉴定。签定绝论为髫痰罄创，填 了露内一矮空白，劳达 到国际8 0 年代先进水平。其运行结果袭明：微机技术可以全武、系统、可靠地应 稍于变电站的自动化工稔中。同丑寸也证疆了变电站囱动化对提商变电站的运行、管 理及技术水平、缩小占地面积、减少值班员抄袭和记录，以及减少维修工作量警方 谣有显著的谯越经。 虽然由予当剩计算梳水平和投资水平韵黻制，又是全鞫第一个实现综台自动化 瓣交电涎，磷测袭没有可感鉴豹缀验，圜毖在功笺霸结搦方蘑，不鲡9 0 年代豹同 炎产燕，键警射宅墩弓| 了荤年多逝力系统静溺哥亍秽释礴工 睾者，给傀们霄蕊的稿发。 它的运行成功，也证明中国完全可以囊行研究、制造感符合国幢的变电站皇动化系 统。因此8 0 年代蜃期，投入变电鼓皇动化谚究豹离等陵蚊、磅定单位謦蠢生产厂家 逐步增加。9 0 年代，变魄站自动化已成为热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般 蓬勃发展。飙模比较大的肖南瑞公司、姻方公司等。 l ，2 变电站综合舞动拢系缝的纂本结梅 2 氆纪鞠年代以寒，出于集成瞧漆技术窝擞槛棱术戆发震，开始采用徽梳型 的测鹫仪表、信号系统、继电保护、囊动装露和远动装置簿二次设备，恸妇微机型 继电保护装羹、微搬型舞动装漫、徽祝艇控系统穰微辊型r t u 等。这些微极型装 漫尽管功能不同，但其硬件结构大同小异，除微机系统本身外，一般都是由对各秭 模拟量的数掇采巢回髓蕃 o 嘲路组成，丽且采集曩和控铷对氖还商许多共同之 处，这就促使研制者思考如何打破原来常规二次设备的框框，从变电站的全局出发， 蓿手研究完全微机纯的变电站综合自动化系统。 变电站综合自动化系统主器包含六个部分： 继电绦护单元；信惑采集擎元；遥信荤元：故障录波鞠测距攀元；羧涮单元； 入寿嚣联系单元。 霆1 - t 妻观的搂述了变电站爨动化系统的主要继掬。 辩2 囊 。篁二里丝堡 谈 1 2 1微机保护单元 图1 - 1变电站自动化缩构框图 变电蛄综合自动纯系统的微枫傈护单元横块要具备常翘变电站系统购保护单 元模块的全部功能。而且要独立于_ | 螽控系统即当该系统网各软、硬件发生故障退出 运行时，微机保护单元仍然正常运行。 1 2 2濑控擎元 在变电站综合自动化系统中擞据采集功能主要由间隔层i o 单元完成，电能量 的采集嶷用单独的电能量采集装置。在安全运行过程中系统采集的必要信息主要有 陛下凡娄：遥溅量；遥售量：避擦量；电l 爨。 1 2 3通信单元 变电站层设有现场总线或局域网，供浚层各个保护之间以及监控主机与单元层 之瓣交羧信塞。透信肇元可将站交运行豹有关数器及售惠运馋至 | 饕度中心及设备运 行管理单位，其中包括正常运行对驹信患和敲障状态对的信爨，以便调度中心a 员及 时了解设备运行状况及进行事故处理。 1 2 。4馥障录波擎元 1 1 0 k v 及以上的霭要输电线路距离长、袋生故障影桶大，必须尽快餐擒宙赦障 点，以便缩短修复时间，尽快恢复供电，减少损失。设置故障录波和故障测距是解 筹3 页 一一一一 篓= 塞堕兰 决此问题的最好途径。 l 。2 。s搡拣肇元 操控人疑可通过c r t 屏幕对断路器和隔离开关( 如果允许电动操作的话) 进 行分、合操作，对变压器分接开关位鼹避行调节控制，对电容器进行投、切控制， 潮时要女l 接受遥控操搏翕令，送行远方攮 乍；为防止计算机系统敬蹲时无法操于警被 控设备，在设毒辛时，应缣黎人工妻接懿、合阑手段。 1 2 6人机联系单元 九规联悉撩桨：c r t 攫示嚣、鼠标和键盘。变惑站采用擞机簸控瑟统螽，无论 楚有久值班还是无入僮蘸游，最大的特点之一是搽镣人员或调度爱只要面对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 屏或操作屏锩手段豹操作方式。 臣主藏懋交毫菇交动亿系统嚣圭鬟结擒，由魏哥冤交邀蘸鑫动纯系统翼畜功缝 综合化( 其程度因技术不同而异) ，设备、操作、旅襁微机化( 包括信息数字化内 容) ，结构分布分层化，通信网络化及运行智能化的特征。它的出现为变电站实现 小型亿、智能化以及扩大脏控范围和安全可靠、优顾经济的运行提供了现代化手段 稳基垂妻保证。它魏运臻为变电站无入 鬟班提筷了强蠢力豹瑷场数撵采集及黢攘支 待，在其基稚上实现了离承平静无人德班管理。 1 3u r 系列保护继电器概况 g e 保护装置主要包括：u r 系列、s r 系列、m 系列和一些常塌的继电器。产 品功能从线路保护、距离保护、母线麓动保护到发电机、电动机保护、变压器保护， 覆盖了电力用户的各种需求。 u r 系刭中敬爨护继魄嚣主要曩予大中小型变媳潞次设备秽= 次设备的缀护 和管理。 继电器把比例式差动和过流保护元件、自适应谐波制动、变压器接线组别自动 编程和多螯定组整合在一个包内。u r 系列是建立在通用平台上的新一代模块式继 电器，它的设计使其或为变电站自动化的“弓| 擎”。 u r 系舞其备高速开液标准对等逶溅酌离毽憝缣护功笼。它静磺 牛输入、羧出 功能可以扩展，决定输入、逻辑运算和输出这三个任务相互之间的逻辑关系能够通 过灵活逻辑方程( f l e x l o g i c t m ) 进行编程组态。 g e 公司提供的基于w i n d o w s 姻u r p c 软件可以使得操作人员从p c 获得保 护装嚣瘛豹所有信惠著虽霹竣充分糕蠲p c 显示功糍以蠖透过测燕滢形熬方式来获 得更多的信怠。 u r 系列中的具有代袭性的t 6 0 继电器外观见阁1 2 。 薷4 页 筛一章绪论 图，一2t 6 0 保护继电器外观 u r 系列缝电器爨数字亿设餐，萁内蕺豹中央处理模块( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 能够处理多种输入输出信号。箕处理信号静过程如图i 3 所示： l j ：一个循环 i i 读取输入信号 | 避季子逻辑楚理 i l 埝爨信号 l i 下一个循环 i p r o t e c t i v e e l e m e n t s p k p ：p i c k u p 信号采襻d p o ：d r o p o u f f 铸号输密o p ：o p e r a t e 攥佟狺号 图1 3u r 系列继电器处理输入输出信号基本流程 亩图l 一3 可知，u r 系列继电器的工作方式是继电器在三个任务之间避行循环 工作：羹先读联辕入镶号，然器掇援竣入售号避霉亍竣态判叛，霉棂据判凝感鲍售息 进行逻辑处理，最后淝处理后所得到的结果按照固定格式稳爨。 在u r 系列继电器投入运行之前首先要对萁属性和参数进行设置，u r 系列的 操作面板使得输入操作非常方便。在u r 系列产品出厂时并未设置内部参数，设置 参数是遇过菜单选撵形式述行的，菜单中共有以下几大功能：嫠定谯设鼹；继电器 参数竣麓；螽令功畿设置；鏊标设髯；显示浚嚣。 u r 系列属于抽取式卡件式结构，个卡件包含两个m o d u l e ( 模块) ，每个 m o d u l e 可以采集4 路信号。u r 系列的模块是抽取式的，把u r 系列的前丽板向左 打开以矮，把滑动捅销打开就可以把所选择的卡件抽出或者嵌入。 u 歉系确鑫毫爨魏有嚣个独特靛耨按术； 继电器应用了商速f l a s h 闪存，与模块组件配合使用，可对保护装置进行升级 第5 贾 第一章绪论 戬跟随技术发展，两不必替换整台继电器。 继电器的自我测试功能可以不停地测试继电器的相对完好性，如粜继电器不正 鬻工俸，将会在菜些功鼹失灵籍发出警告。 u r 系列抽取式卡件式结构见图1 - - 4 ： 图卜4u r 系列鲢电器可抽取式卡件结构 u r 系列继魄爨能诊凝功熊还包禽了事馋记交功能，可黻记袋1 0 2 4 个振汜时翊 和f 1 期的事件，这种精确的时间标记法可以确定整个系统的事件顺序，事件也可以 触发故障秉波，最波记蒙由每周期6 4 个取榉组成，可以记录模拟信号釉数字标识。 通过u r p c 软件能够查询这些记录。因为u r 系列继电器使用n a s h 闪存，葵内部 汜录的信息可以不断更新。 u r 系确继电器与同类设备相比具有多功能静将萑，宅不仅可以实蕊绦轳功能， 同时也可以实现控制以及测距等功能，这样就可以大大的节约在现场的设备配置数 量帮减少各耱线路的长浚甄及辅助设备静数爨，溺时u r 系翻缝奄器薹具备了囱总 控计算机和人机界面传输数据的功能，这些功能使得u r 系列继电器被视为新型的 智黥毫子蔽自l r i e d ( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e ) 。 l 。4 磷究漂题酶王猩鸷罴 本人在攻读硕士学位麓闽参与完成韵以g e 公司u r 系强绦护继泡器为核心设 备的变电站综合自动化系统是面向3 5 1 1 0 l 变电站的综合自动化系统，系统的设 计始予2 0 0 2 年4 月，予2 0 0 3 每2 蜀结束，该系统建立在缀多因瘫羚鬻名静变毫滔 自动化系统基础上。 g e 公霉u r 系裂绦护继魄器中懿1 6 0 变压器保护继邀器、d 3 0 线路距瘸器护 继电器、b 9 0 母线差动继电器炬属于新一代数字化智能电子设备，设备的保护功能 窝遴售能力与以经嚣继魄缳护装置相魄都鸯很大的提毫。 该变电站综合自动化系统由微机监控主站、变电站内部通信系统、面向现场设 各黝现场黢控单元等设器组成，采用纵淘分层、横向分布式结构，模块化设计。监 控主站、就地式濂控保护装置都连在网络上，可满足3 5 一1 1 0 k v 及以下各种容量、 第6 荧 第章绪论 不同蕊模和功能要求的变电菇、配电所自动化系统配置要求。系统具备完善的“西 遥”功能，实现无人值班城少人假班。 站两蕊控主懿俸为运行及专韭入掇静入辍交互密口，阻图形显示、报表打印、 音响报警等各种方式对系统运行状7 兄进行实时监视、可控装置调节及完成“四 遥”。 通信系统实现监控保护裟嚣的信息上传以及监控主站的命令下达，考虑到 l1 0 k v 变电站系统救实际l 主况，艇之工程和人是开发残本，该系统靛方寨论谨轰， 仍然决定采用符合r s 。4 8 5 总线规范的轮询协议，搬控保护装置对相关设备进行保 护、测量和控制，对采集信息进行处理上传，保护功能相对独立。 在变电站自动纯系统中，站内监控软件系统充当着站内的保护、测跫、控制及 通信装置与变电站运行人员之间的接阴，不仅能够接收站内保护测量装鼹上传的数 据信惑、聪数据遂行解辑以及反映给豁控入受，雨量还要能够接救站两簸控入员的 控制命令并将其下发给保护装鬣以实现遥控操作。故监控软件系统在变电站自动化 系统中占有菲常重要的戆篷。 目前该变电站综合自动化系统已通过江苏省经贸委的浆定，已在无锡、苏州等 遗安全运行逐一年，已产生了嶷好弱枣土会效蕊帮经济效夔。 t 6 0 变压器 d 3 0 线路鞭离继b o ou r 母线差 d 3 0 线路蹉蓠整 保护继电器电器 动继电器 电器 食唯翁唯矛 匿鍪型篓囊夏蒌霪鋈趱鋈鋈鋈鋈鋈窭釜：茎图 豳卜5 使用u r 系列继电保护单元的变电站自动化系统结构圈 第7 页 第一章绪论 l 。5 本文赣究戆主要内容 本课题组经过近一年的研究，开发了一套基于微机型监控保护装置的变电站综 合自动化系统。本人强攻读硕士学位期间参与了该系统的研制，主要负责站内监控 较 孛系绕及遗售摸浚鹣设计窝秀发。 该黛电站综合自渤化系统设备之间的通信魁使用r s 4 8 5 总线来实璐的。根据 本变电站的布局特征( 纵向分层、横向分布式结构) 以及成本等各方面的考虑，变 电站自勘化系统内部凝配的变压器保护、线路保护以及母线差动保护都使用了 r s 一4 8 5 接口进行备层之闽以及设备之闯蛉通信。 该系统的通信嘲终中豹上位祝配有m o x a 卡，卡上有r s 一4 8 5 接翻。霹j 蔫 m o x a 卡，网络实现了全分散、全数字化、智能、双向、多变麓、多点、多站的通 信。该变电站有两路进线，每条线上有变压器、电容器、数条出线、调压器、备自 投装置等保护监控单元，另外为记添用电量设饕了一台抄表管理机，通信数掘量不 是缦大。县蟀逶信秘絮觅臻l 一6 。 糅护篮控单元绦护蓝整单元邀表毫表 图t - 6 变电站内部单元层与变电站层之间的通信结构 该逮凌夔控软 孛系绞共翔分藏三层：用户磐蒎层，业务处理层和数攒鼹务屡。 在该系统的研蒂g 过程中本人参与了羽户导簸屡耱数据驻务屡静部分设诗王作，并承 担了业务处理层的主臻研制任务。具体如下： 首先，根据现场用户的操控要求设计出了用户导航层，它是系统中可以与用户 妻接交曩豹部分。用户可以通过其完成对系统的管理和监控搡 乍：设置邋信参数、 设l 藿厂游参数、配鹫驻示量、设鬣受示藩往、壤警楚瑗、数掇疼管理、远疆控鞠等 任务。 其次，完成业务处理层的设计。业务处理滕主要完成对数据的处理任务，它是 该软件系统的核心部分。业务处理屡包含了熙关键的组件，例如：u r 系列继电 器逶傣缝传、与角户浮靛澄健埝数攥熬缝佟、实瓣数器痒缝傍、秘议豹黪援缓饽、 数据打包处理组件，簸个系统主癸豹功能基本上舔在这一层实现或使用这一层提供 的信息。 第8 页 第一搴绪论 最矮完成的是数据服务层的设计。数据服务屡完成特定的数据服务极制，包括 应爱翟渗掰要求韵任何物理持久经，如 氐层次数攘瘁访窝等。 蟹理接 接口 用户导航层 管理主程穿 业务处理鼷曼 三通信控粹j 鋈 一 # 模拟量显示控件 强 不 控 制 r l 数挺楚 三芒数据处理组体e 数据服务麟 数据库 爨1 7 变电懿内部监控软传系统三层结章奄 该站内蓝控较件系统静三黻都是运嗣绫一建模语言( u n i f i e dm o d e l l i n g l a n g u a g e , u m l ) 技术为基础设计的，统一建模语言是一种绘制软件蓝图的标准语 言，软件编写者可以用统一建模谣言对软件密蘖型系统制作出准确简洁的软件模 型。 剽溺统一建模谬嘉开发本菇簸控较 串系统分为以下六个步骤： 1 根据本变电站综合自动化系统要实现的功能， 提炼出角色和用例； 2 + 依据提炼出的惫色和用例设计软件系统的用况图； 3 按照翔况强设诗出软 孛系绕局部的组件图； 4 根据软件系统局部的组件图之间的工作关系把每个周部组件图熬合到 起，最终完成软l 牛系统整体的设计视图； s 依据软粹系统的设计视图编写程序； 6 软件编写完成后对软件的通信和操作两个方面进行测试，随后在现场对系 统进行集成调试。 因为统一建搂谮畜能够对软件系统遵雩亍详逐、梅遥、可视纯帮文档亿，掰戳统 一建模语言的应用使得本程序的编写过程清晰和简洁，从而提高了编程的工作效 簿9 页 篇一章绪论 率，固利大幅度减少在设计软件系统时可能出现的错误。 1 6 本章小结 本露营先垮述了变电站综合爨动证戆发黢遥程帮变毫蛞综台鑫动亿系统的基 本结构，变电站综合爨动纯系统道常包含六个烹要单元：缝电保护单元；信息采集 单元；通信单元；故障录波和测躐荦元：控制单元；人机联系单元。 第三节概述了g e 公司u r 系列保护继电器概况：u r 系列保护继电器中保护 继电器主要用于大中小型变电站一次设备帮二次设备的保护翻管理；u r 矮列保护 继电器骞嚣有两令疆特灏耘菝术：豢速f l a s h 阕存：具有事待记录功麓的鑫我测试菠 术。 第四节简述了本系统的工程背燎：本人在攻读硕士学位期间参与完成的阱g e 公司u r 系列保护继电器为核心的变电站综合自动化系统是耐向3 5 一1 1 0 k v 变电站 熬练台鑫凌讫系统。在浚系统的磅溯过程中本人参与了蜀产譬舷层摹瑟数攮缀务层熬 部分设计工 乍，并承趟了业务处理层的主要研懿任务。 第五节详述了本人在本系统中的工作内容。首先是硬件通信方面，本系统使用 了r s 。4 8 5 总线进行通信。然后是监控软件系统方面：该软件系统分为三层，每一 层都是髑控 牛的接口米楣互通信。本监控软件系统是运用统一建模语言技术为基础 设诗瀚，这镬褥本较待系统静编写过程清戆帮鬻涪，著置掇大豹疆毫了缡疆静工 乍 效率。 第l o 页 第二章u r 系列继电器保护装霞硬件系统 第二章u r 系列继电保护装置硬件系统及现场配置 内容提要：本章主要讲述g e 公司的u r 系列保护继电器硬件系统特 性。首先分析了继电器的内部功能模块：u r 系列继电器内部硬件共分为 三个模块，分别是中央处理模块、输入模块、输出模块。然后详细说明 了u r 系列继电器的通信系统，继电器共有四种通信方式：r s - 23 2 ，r s 一4 8 5 以太网，1 0 b a s e f 光纤。根据对u r 继电器四种通信方式的分析，进而 讨论了继电器在现场中的配置形式。 2 1 u r 系列继电保护装置硬件基本构架 在数字化保护装罨出现初期，保护装置只能实现单一的功能或者是有限的多功 能，而且并不能有效地减少通信缆线的总长度和辅助设备的数量。而近年来一些新 出现的数字化保护装置基本上避免了以上所述的缺点，这些保护装置依靠电子通信 和d s p 处理芯片等新技术使得自身达到了集成功能和高速通信的技术要求。 u r 系列继电器是属于此类特性的继电器保护装置，该系列中的t 6 0 变压器保 护继电器，d 3 0 线路距离保护继电器，b 9 0 母线差动继电器为变电站提供了变压器 保护以及线路保护。u r 系列继电器的核心硬件模块是中央处理模块( c p u ：c e n t r a l p r o c e s s i n gu n i t ) ，中央处理模块能够处理多种类型的输入输出信号并对信号进行逻 辑算法处理，这使得u r 系列继电器能达到高度集成功能的要求。 u r 系列继电器硬件结构基本分三块：a 中央处理模块；b 输入模块；c 输出模 块，如图2 ，1 所示。 a 中央处理模块 中央处理模块包含一个能够进行逻辑算法处理的保护单元，其功能类似 于早期的可编程逻辑门电路，计时器元件等。u r 系列继电器保护装置是以 微处理器为核心的设备，微处理器就包含在中央处理模块中，可以进行数 字信号处理，而且操作人员通过u r 系列继电器的操作面板设置处理过程中 的一些参数和程序。 高速的数字信号处理功能使得u r 系列继电器既可以处理输入模块提供 的有效值信号( 数字信号) ，又可以处理模拟量信号，而且还可以同时进行 u r 系列继电器之间的相互通信。 b 输入模块 输入模块的主要功能是把u r 系列继电器从外部设备检测到的信号转换 成能够被中央处理模块处理的逻辑信号，并同时保证中央处理模块处理的 逻辑信号与数字信号以及控制现场设备的模拟信号相互隔离。 输入模块从现场既可以接收模拟信号也可以接收数字信号，并且把这些 第1 1 页 第二章u r 系列继电器保护装冒碗件系统 信号相互隔离并进行转换处理，转换为中央处理模块可以处理的逻辑信号。 输入模块包含五类信号输入：丌关状态信号输入：虚拟值输入：c t 信 号输入；v t 信号输入；远程信号输入。 c 输出模块 输出模块的主要功能是把中央处理模块产生的逻辑信号转换成u r 系列 继电器对外部设备的输出信号，并同时保证中央处理模块产生的逻辑信号与 数字信号以及控制现场设备的模拟信号相互隔离。由输出模块转换的输出信 号同时也可以作为u r 系列继电器的输入信号使用，这样使得对各种现场状况 下多个保护装置的联网配置非常方便。 在输入模块和输出模块中包含了虚拟值输入和虚拟值输出( v i r t u a li n p u t s a n d o u t p u t s ) ，这是u r 系列继电器的特有功能，此功能是建立在数字化处理功 能和u r 系列继电器中央处理模块的逻辑算法处理功能基础之上的。 它们的作用是被用来与电压电流采样值相比较，相当于电压电流门槛值， 作为产生保护动作的数据基础。 b 输入模块 a 中央处理模块c 输出模块 图2 1u r 系列继电保护装置硬件基本构架 输入输出模块内部的远程信号输入输出单元为u r 系列继电器提供了与远距离 的u r 系列继电保护装置共享数据信息的功能，在两台保护装置之间，其中一台装 置的远程信号输出模块与另一台装置的远程信号输入模块对接。 2 2 u r 系列继电保护装置通信系统 现代自动控制设备和监控设备自身的高速数据接收和处理能力要求高速的通 讯系统与之匹配，电工研究协会( 美国和加拿大电业共同体) 近期新制定出一套的 第1 2 页 第二章u r 系列继电器保护款嚣硬件系统 幸亍业标凇中关于电力设器的通信系统的标准有如下要求：在鼹台l e d 之闻按制信号 戆发送蠲落狡之闫爨霹闽闻隔要小予5 毫秒。 u r 系列继电器的通信系统中使用的个以太网接口和两个冗余的光纤传输接 口使得u r 系列继电器的信息传输速度可达1 0 m b p s 的能力，控制信号从发送到接 收之间的时间问隔符合了电能研究协会制定的小于5 毫秒的标准。 2 。2 。1u r 系列继电器的通信系统镪含靼静通储模式： a r s - 2 3 2 r s + 2 3 2 接匿主要曩l 来与p c 亘联，荬速凌较甄( 1 9 2k b p s ) ，哭逶来对u r 系 列继魄器进行程序化设置或检测数据。 b r s 一4 8 5 r s 4 8 5 接口是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s 4 2 2 a 兼容，芳且 扩震了r s 一4 2 2 a 的功憝，是半黻工工终爨裁；莠量r s 一4 8 5 拣准完诲在毫貉中可 有多个发送器。它允许的最大遴率可达1i 5 2k b p s ，传送躐离可达l ，5 k i n 。采用 双绞线连接，u r 系列继电器的机身后部有两个独立的r s 4 8 5 接口。 c 以太网 吸太溺揍目黢够在意予撬熬环凌下进嚣浚逮可靠瓣逶绩，传竣速率露达1 0 l o o m b p s 。因为现裔操作系统( w i n d o w s 、u n i x 等) 均支持以太网。虽然c s m a c d 方式不支持优先级访问，但由于网络通信的遴率高，保证了良好的实时性。 d 1 0 b a s e f 光纤通信 1 0 b a s e f 光纾遴信接v i u r 系蠲继窀嚣撬 熊了嚣令竞纾遴售菝1 2 1 ；与上露楚第 三种以太网一样可以使用m m s u c a2 ，m o d b t 捧t c pi p ，a n dt f t p 三种协议的任 何一种。这两个光纤以太网接口愚作为冗余接口设置的。 2 。2 。2u r 系裂继毫嚣靛疆秘透绩横式在现臻窜瓣应弱： 在以上四种通信接口中，前面板上的一个r s 一2 3 2 接口和后面板的两个独立的 r s ，4 8 5 接口，这三个串行接口都魁使用m o d b u s r t u 传输胁议。 继熄器可以有3 令鼹隧独立运行的通讯接口运行，形式为：一个r s 一2 3 2 、一 个r s 。4 8 5 接口。第三个通讯接瑟蜀暖镀指定为一个襁嗣静r s 一4 8 5 族日或一个支篱 m m s u c a 2 、d n p 3 0 和m o d b u s t c pi p 规约的1 0 m b p s 的以太网接口。 这魃接口的高波特率可以使系统不需牺牲滤度就可以扩大通讯范围，在各种形 式下，数据流都是半双工的。 u r 系列继毫器豹强耱逮信貘式可臣雳强形瀵骥豹表示潦来，显鹜2 - - 2 ，在霾 中可以褥到变电站自动化系统中以太网不仅可以承担上位枫与u r 系列继电器本身 的通信，而且以太网也可以作为u r 系列继电器之间的通信方式。 帮二章u r 系爹继睡器保护装置硬鳃n 系统 图2 - 2 淡噍系列缀魁谍护蕈元蔻孩心的銮毫戆囊动 乏系统遴倍缩掏蚕 2 3u r 鼷列继电器保护装置现场配置结构 u r 系列继电保护装震楚以微处理嚣为核心静缱电保护装置，主要用柬对小麓， 中型和大型的三相两绕组成三绕组电力变压器和线路进行保护。 u r 系列不仅可以对标准相序三相电网进行保护和监测，它也可以针对不对称 鹣三矮毫网遴行绦护翻鼗测，并且可以对c t 信号滋嚣放大替偿，疑齑可以把不匿 黼静信号进行3 2 倍酶敖大补偿，其舔放大倍数霄毁在p c 上使蠲g e 公司稳傻瓣 u r p c 软件上直接设置。 u r 系列继电器所具有的数字化和高速通信特性使得本身能实现多种功能，而 且有效地溅少通信缆线的总长度和辅助设备的数量。它与上个世纪9 0 年代初的 阖类产磊相院，传赣线减少了8 0 ，赣魏设荟渡少了3 0 ，遮藏袋餐整拿系统懿袋 本大幅降低。 第一章擞已经介绍了u r 系列继电器的抽取式卡件式结构：一台u r 系列继电 器可以插入三个卡件，一个卡件包含两个m o d u l e ( 模块) ，每个m o d u l e 采集4 路信 号，鼙一令卡髂可以采集8 露售号( 8 薅v t 售号戴黉8 爨c t 镶弩 。 以一个三绕组的变压糕为倒，在现场配置中一般测三个端目的线宅流：k ，l b ，l c ； 第1 4 页 第一章u r 系列继电器保护装置硬件系统 i 】，1 2 ，b ；l a ，i b ，j c 和三个端口的中线电流王n 。这群就是1 2 路c t 信号。搿鸯器上原边 兹a ，转，c 三提毫基帮中线电基这4 鼹v t 售号一共有1 6 路信号。因为一拿卡传哥以 采集8 路信号，那么完成监测一个三绕组得变压器所需要的1 6 路信号只爱两个卡 件就可以完成处理。 laibicin 2 4 本章小结 图2 - 3 黧绕组变压嚣1 6 路信号 本露主要讲述g e 的u r 系列保护继电器硬馋系统特锻：u r 系列保护继电器 是数字纯瀑护装妥，蒸本身豹毫予遴信菝零帮d s p 签理芯片簿耨技术蓑秘鑫身达弱 了高度集成功能和商速通信的技术要求。 u r 系列继电器硬件结构基本分三块：a 冲央处理模块；b 输入模块；c 输出模块。 u r 系列继电器的通信系统包含四种通信模式：a r s 一2 3 2 ；b ，r s 一4 8 5 ；c 以太 阚；d 1 0 b a s e f 党纾暹痿。 第三节中以一个三绕组的变压器为例详述了u r 系列继电器保护装鬣现场配置 结构，同时也说明了继电器内部卡件的结构及功能。 第1 5 更 第三章奉变窀站内部通信熊赛现妓遥信蜘议 第三章变电站内部通信的实现及通信协议 内容提簧：本誊主要讲述本变电站内部逶信的实现方式以及通信系 统所使罔的协议。本系统的内部通信选择了总线型通信鲒构，这秘结均 具有速度快，扩展性好，可靠性麓等优点。本章后半部分讲述了m o d b u s