（电气工程专业论文）基于apcs3000系统的乌海集控站设计与应用研究.pdf

声明尸明 f f l l lllrll l ll lll llli l li ij y 17 8 5 3 5 0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a p c s 3 0 0 0 系统的乌海集控站 设计与应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：三4 坠日 期： 牡占 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：童! 臣整 日期：群! 三：! 导师签名：互j 二兰；o 日期：皇翌壁：! 兰2 髟 华北电力大学t 程硕士学位论文摘要 摘要 随着乌海电网负荷的不断增大，电网结构的加强，自动化水平的提高，变电站 逐步实现了集控运行管理，在这种新模式下，如何用现有的人力资源实现变电站集 控运行管理显得尤为重要。 本论文通过笔者参与乌海集控站系统建设的亲身经历，从乌海电网传统变电站 及自动化系统、变电站管理、电网调度等层面存在的问题入手，详细阐述了乌海集 控站系统的设计目标、解决方案、总体要求、需要实现的功能以及软、硬件平台构 成的实现，在此基础上开发了基于a p c s 3 0 0 0 系统的集控站监控功能，并完成了系统 各项功能的测试，总结了集控站系统建设取得的收获，对其中出现的一些问题，提 出了需要改进的方向，为今后建设地区电网大型监控中心提供了帮助。 关键词：集控站，a p c s 3 0 0 0 ，监控功能 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gp o w e rl o a do fw u h a i ，t h e r ea r em o r ea n dm o r en e w l y - b u i l tp o w e r s t a t i o n sw h o s ed e v e l o p m e n ts p e e di sf a s t e r t h eo r i g i n a lo p e r a t i o nm o d ew a t c h e db yp e o p l e w i l ln o ta c c o m p l i s ht h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n to fe a c hp o w e rs t a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sq u i t e i m p o r t a n tt ob u i l dad i s t r i c te l e c t r i cp o w e rs y s t e mc e n t r a lc o n t r o ls t a t i o na n dt oa c h i e v e c e n t r a lc o n t r o lo p e r a t i o nm a n a g e m e n to fp o w e rs t a t i o nw i t ha v a i l a b l eh u m a nr e s o u r c e s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o re x p o u n d st h ed e s i g n ，g e n e r a lr e q u i r e m e n t ，s o l u t i o na n dt h e a c h i e v e m e n t so fh a r da n ds o f tw a r e o fw u h a ic e n t r a lc o n t r o ls t m i o ns y s t e mi nd e t a i l ，w h i c hi s b a s e do nt h ea u t h o r sh a n d s - o ne x p e r i e n c ei nt h ec o n s t r u c t i o no fw u h a ic e n t r a lc o n t r o ls t a t i o n s y s t e ma n di sf r o mt h ep r o b l e m si nt r a d i t i o n a lp o w e rs t a t i o n ，a u t o m a t i cs y s t e m ，m a n a g e m e n t o fp o w e rs t a t i o na n de l e c t r i cp o w e rs y s t e mm a n a g e m e n t o nt h i sc o n d i t i o n ，i tc o m p l e t e st h e m o n i t o rf u n c t i o no ft h ec e n t r a lc o n t r o ls t a t i o nb a s e do na p c s 3 0 0 0s y s t e ma n da c c o m p l i s h e s t h ec o m p i l a t i o no ft h em a n a g e m e n ts y s t e mo fw u h a ic e n t r a lc e n t r e ls t a t i o ns y s t e m ，a n dp u t f o r w a r dt h ed i r e c t i o no fi m p r o v e m e n tt os o m eo ft h ep r o b l e m s ，w h i c hp r o v i d eh e l pt ot h e c o n s t r u c t i o no fl a r g ed i s t r i c tp o w e rs y s t e mm o m t o f i n gc e n t e ri nt h ef u t u r e l i uz h i h u i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e yw o r d s ：c e n t r a lc o n t r o ls t a t i o n ，a p c s 3 0 0 0 ，m o n i t o r i n gf u n c t i o n 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题的提出及意义1 1 1 2 1 乌海电网存在问题1 1 1 2 2 乌海地区建立集控站的必要性3 1 2 集控站系统的国内外发展动态3 1 3 本文的主要工作5 第二章乌海集控站方案设计及总体要求j 6 2 1 乌海集控站的设计目标6 2 2 乌海集控站的解决方案7 2 2 1 运行模式解决方案7 2 2 2 网络改造解决方案9 2 2 3 整体解决方案1 2 2 3 系统总体要求1 3 2 3 1 系统结构和范围1 3 2 3 2 网络结构1 3 2 3 3 系统配置与管理1 3 2 3 4 系统冗余要求1 4 2 3 5 扩容和升级要求1 4 2 3 6 延续性1 4 2 3 7 维护的方便性1 5 2 3 8 系统安全性1 5 2 4 系统主要功能1 5 2 4 1 s c a d a 功能1 5 2 4 2 保护定值及压板投退功能1 5 2 4 3 计算机数据通信功能1 5 2 4 4 智能操作票及预演培训功能1 6 第三章乌海集控站系统的硬件、软件平台构成及实现1 7 3 1a p c s 3 0 0 0 系统的简介1 7 3 2 乌海集控站系统的硬件配置1 9 3 2 1 数据采集前置设备2 0 3 2 2 数采服务器2 1 t 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 2 3s c a d a 服务器2 1 3 2 4 历史数据服务器2 1 3 2 5 通讯服务器2 1 3 2 6 维护工作站2 1 3 3 乌海集控站的系统软件2 1 3 4 乌海集控站的支撑软件2 2 3 4 1 数据库及数据库管理系统2 2 3 4 2 图形管理系统2 5 第四章基于a p c s 3 0 0 0 系统的监控功能实现2 6 4 1 数据采集处理2 6 4 1 1 数据采集2 6 4 1 2 数据处理2 8 4 1 3 数据考核3 0 4 2 事件报警处理3 1 4 3 事件顺序记录( s o e ) 3 2 4 4 事件追忆与重演( p d r ) 3 3 4 5 控制方式3 5 4 5 1 控制模式3 6 4 5 2 控制类型，3 6 4 5 3 控制内容3 6 4 5 4 控制输出时间响应要求3 8 4 5 5 控制和调节监视3 8 第五章现场测试、结论及展望3 9 5 1 现场测试结果3 9 5 1 1 遥测量精度3 9 5 1 2 实时性指标测试3 9 5 1 3 数据处理测试4 1 5 1 4 系统功能测试4 2 5 2 结论4 4 5 3 展望4 5 参考文献4 7 致谢4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 附图1 ：乌海电业局集控站系统网络示意图5 l i i 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 乌海市位于内蒙古自治区西端，处于内蒙与宁夏( 南) 交界处，区内方面东、 北与鄂尔多斯市相邻、西与阿拉善盟接壤，下辖海勃湾、乌达、海南三区，全市总 面积2 3 5 0 k m 2 ，是新兴的以煤炭、电力、化工、建材、高载能产业为主的工业城市， 乌海供电区域电网位于蒙西电网的最西端，是蒙西电网的重要组成部分，供电区域 包括：乌海市、阿拉善盟、鄂尔多斯市的西部地区。乌海电网经5 0 0 k v 布乌双回与 内蒙古电网联网运行。乌海电网主网运行电压等级有5 0 0 k v 、2 2 0 k v 。 乌海地区电网不仅承担着本地区的供电任务，而且还承担着周边阿盟地区、鄂 尔多斯棋盘井地区和巴盟临河地区的供电任务，整个电网在网架结构上形成一个大 乌海供电网络。近年来大乌海地区负荷增长较快，到目前为止负荷加电厂厂用电已 达到3 1 0 0 m w ，由2 0 0 6 年的送端电网变为受端电网，负荷仅次于包头地区。 乌海电网现有2 2 0 k v 变电站8 座( 用户自建一座) ，主变1 4 台，变电容量2 1 9 0 m v a ； 1l o k v 变电站1 4 座，主变2 7 台，变电总容量1 0 2 5 m v a ；3 5 k v 变电站5 座，主变 1 0 台，变电总容量5 3 6 5 m v a 。截止2 0 0 8 年底，乌海电网直接管辖已投运的2 2 0 k v 线路2 6 条，总长度6 5 0 0 9 9 k m 。直接管辖已投运的1 l o k v 线路3 0 条，总长度 2 8 2 2 0 4 k m 。直接管辖已投运的3 5 k v 线路1 6 条，总长度1 4 7 8 0 7 k mu 2 。1 3 1 。 1 1 2 课题的提出及意义 1 1 2 1 乌海电网存在问题 1 传统变电站及自动化系统存在问题 ( 1 ) 传统变电站中二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多数采取电磁型 或小规模集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低。 ( 2 ) 二次设备主要依赖大量电缆，通过触点、模拟信号来交换信息，信息量小、 灵活性差、可靠性低。 ( 3 ) 由于上述原因，传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感器、电流 互感器负担重，二次设备冗余配置多。 ( 4 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差，且变电站 内自动控制和调节手段不全缺乏协调和配合力量，难以满足电网实时监测和控制的 1 华北电力大学t 程硕士学位论文 要求。 ( 5 ) 电磁型或小规模集成电路调试和维护工作量大，自动化程度低，不能远方 修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。 传统的二次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之间相关性甚少，相互之间 协调困难，需要值班人员比较多的干预，难于适应现代化电网的控制要求。另外需 要对设备进行定期的试验和维修，既便如此，仍然存在设备故障( 异常运行) 不能 及时发现的现象，甚至这种定期检修也可能引起新的问题，发生和出现由试验人员 过失引起的故障。 2 变电站管理层面存在问题 2 0 0 5 年以前，所有2 2 0 k v 、大部分1 l o k v 及3 5 k v 变电站采取有人值守运行模 式，极少数几个1 l o k v 变电站经过无人值班改造，平时由地调调度员利用调度自动 化系统监控变电站设备运行状况，变电运行管理处操作队来实现对各无人值守变电 站的巡视及操作。随着乌海电网负荷的不断增大，新建的变电站数量也越来越多， 新建速度也越来越快，所有变电站均分布在下辖海勃湾、乌达、海南三区，从表1 - 1 可看出分布呈整体分散、相对集中的特点，具体分布情况如下表所示： 表1 - 12 0 0 8 年底乌海电网变电站地理分布一览表 变电站海勃湾区乌达区海南区 2 2 0 k v233 1 1 0 k v635 3 5k v21 2 2 0 0 8 年底乌海电网变电站发展到2 7 座，而变电运行管理处截止到2 0 0 8 年底有 管理人员4 人，现场运行值班人员8 8 人，平均3 4 人所，缺编较为严重，对照乌 海电网发展趋势，现有的变电站若按原有的有人值班模式运行将很难实现。 3 电网调度层面存在的问题 由于乌海电网地区调度管辖的变电站数量众多，电网运行的所有信息都集中在 一个系统中，造成为调度人员提供的各类信息界面显示多而杂乱的现象；另外，由 于无人值班变电站的建设，使调度自动化系统处理的信息中又增添了另一种信息类 型，即变电站内部信息，调度员日常除监视电网主要运行参数外，还必须替代无人 值班变电站原值班人员承担起监视变电站内部设备运行状况的职责，大大增加了调 度员的负担，影响调度员监视电网调度和电网事故处理。 2 华北电力大学上程硕士学位论文 1 1 2 2 乌海地区建立集控站的必要性 集控站系统的设置，就是为了解决上述由于变电站数量增加和无人值班变电站 的兴起所带来的诸多问题，集控站自动化系统运行是适应新形势要求的一种新的电 网运行管理模式，它使得原先变电站内值班员所做的工作由远方集控中心来完成， 通过当地的信息采集和控制操作机构，集控中心值班人员可对其管辖的多个受控站 进行监视和操作，减少了变电站需配置的值班人员和减轻了调度员的工作量，因此， 集控站自动化系统将成为今后电网运行管理系统中一个非常重要的组成部分。“十 一五 期间，乌海电网将面临快速发展，电网规模将迅速扩大。随着集控站系统技 术的广泛应用，大量无人值班变电站将投入运行。传统的变电生产和运行管理方式 必须向集约化管理方式实行转变，实现分层分布式的调度运行管理模式。建设集控 站系统，实行变电站集控运行势在必行。 1 2 集控站系统的国内外发展动态 随着计算机技术、通信网络技术和现代控制技术的快速发展，变电站计算机监 视、测量和控制系统异军突起。计算机监控系统应用计算机技术、自动控制技术、 信息处理和传输等技术，对变电站监控系统功能进行重新组合和优化设计，取代了 传统的监控系统，而且与变电站端r t u 合二为一，实现了软硬件和信息资源共享。 根据设计思想的不同，变电站计算机监控系统分为两种模式：面向功能设计的 计算机监控系统和面向对象的分层式监控系统。 1 面向功能设计的分布式监控系统 该系统曾在国内电网广泛应用，其系统结构由后台机、总控单元及遥测、遥信 和遥控装置组成、集中组屏安装。该系统具备完善的监视、测量功能，其高级应用 功能有所增强。缺点是可扩展性和控制功能不强，主要用于1 l o k v 及以下电压等级 变电站。 2 面向间隔和面向对象的分层分布式监控系统 该系统由站控层和间隔层两部分组成，并用分层分布、开放式网络实现连接。 间隔层集测量、监视和控制功能于一体，由若干按间隔配置的测控装置等设备组成， 并采用面向对象设计。各测控装置对应于本间隔设备的电量采集和测量、状态量采 集和判别、相关设备的监测及对开关设备的控制等功能。站控层由主机、操作员站 和各种功能站构成，提供站内运行的人机联系界面，通过计算机网络与间隔层通信， 实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控、管理中心，并通过远动通信设备 和远方调度实现遥测、遥信、遥控和遥调功能，具有配置清晰、灵活、可扩展性好 等优点。 3 华北电力大学工程硕七学位论文 该类系统的国外产品有西门子的l s a 和a i c a m 、a b b 的s c s 等，国内有r c s 9 0 0 0 、 n s 2 0 0 0 、c s c 2 0 0 0 、c b z 8 0 0 0 等。其间隔层测控装置可以分散安装，也可集中组屏； 单个装置的缺陷不会影响到整个系统的运行，可靠性高；系统控制功能强；可以灵 活嵌入高级应用软件，增加系统的应用功能。目前，新建l l o k v 及以上电压等级变 电站基本采用该类系统乜1 1 。 对于计算机监控系统，网络通信技术的发展直接决定着系统的网络结构形式、 系统功能的实现和性能的优劣。而变电站监控系统的常用网络通信方式归纳起来有 三大类，即串行数据通信、现场数据总线和以太网。 1 串行数据通信 串行数据通信具有较好的开放性，尤其是组网简单，便于实现，已被多种系统 所采用，如西门子公司l s a 6 7 8 系统采用r s 一2 3 2 c 串口通信星型方式。串行数据通 信网络结构主要适用于规模较小的1 l o k v 和3 5 k v 变电站计算机监控系统。 2 现场总线 相对于串行数据通信方式，现场总线具有协议简单、容错能力强、抗干扰性能 好及高实时性的特点。尤其具有较高的实时性，适用于信息的频繁交换，较好的解 决了串行数据通信的诸多问题，如传输速率慢、易受干扰、通信距离受限制而且通 信方式不灵活，无法满足大量实时数据传输的要求等。目前，现场总线已在l l o k v 变电站计算机监控系统中得到了广泛的应用，如北京四方公司c s c 2 0 0 0 变电站计算 机监控系统采用l o n g w o r k s 网络；南瑞继保公司的r c s 9 0 0 0 系统采用分段r s - 4 8 5 总线方式。现场总线通信网络适用于l l o k v 变电站计算机监控系统和2 2 0 k v 及以上 变电站中间层设备的通信。 3 以太网 以太网( e t h e r n e t ) 为总线式拓扑结构，采用c s m a c d ( 载波侦听多路访问 冲突检测) 介质访问方式。优点主要有：传输速率非常高，可高达l o m b s 或l o o m b s ， 甚至更高；接点容量大，可容纳1 0 2 4 接点；传输距离远，可达2 5 k m 。采用国际通 用的t c p i p 协议，因此其通信协议更加规范、标准，增加了系统的开放性。以太 网通信方式虽然没有l o n w o r k s 网络或c a n 总线的优先级设置，但其带宽较宽，因 此可承受的网络负荷很大，信息的实时性也是能保证的。以太网各节点的平等性为 实现间隔层设备间直接交换数据创造了条件，间隔层设备可以不依赖于主单元直接 进行数据交换，实现相互间的通信，使变电站防误连锁功能在自动化系统中实现起 来更容易。此外，采用以太网还很容易实现双网冗余结构，从而进一步提高系统的 可靠性1 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 2 0 0 6 年5 月，内蒙古电力总公司决定在内蒙古电网实施集控站建设，由公司生 技部组织实施，并确定了内蒙古电网集控站建设方案、技术方案和发展方向。针对 乌海电网的发展情况，又根据集团公司生技部提出的集中控制、分级管理的集控站 建设方案，乌海电业局决定建立集控站系统，本文工作即围绕此展开。 本系统平台是个很庞大的工程，从初期的乌海电网实际需求分析，系统的设计 思路、整体方案设计、开发环境的选择，到后期具体子系统模块的功能开发都是在 乌海电业局成员与北京国际控制系统有限公司技术人员的共同努力下实现。本文所 做的主要工作内容如下： 1 通过对乌海电网传统变电站及自动化系统、变电站管理、调度管理存在的问 题分析，阐述了乌海地区建设集控站的必要性及意义。 2 根据内蒙古电力公司的总体要求和规划，在充分调研国内外现有集控站运行 模式的基础上，根据乌海电网的自身特点，提出了适合乌海电网的集控站方案。 3 根据选定的集控模式和改造后的光纤网络状况，对集控站系统硬件、软件平 台的组成和要实现的功能进行详细规划设计，以便于厂家实施。 4 结合当今最先进的计算机技术、网络技术、数据库技术，并综合考虑当今 电力系统的需求和未来的发展，基于a p c s 3 0 0 0 系统实施了集控站系统的监控功能。 5 完成了集控站的现场测试，总结了集控站建设的经验和教训，对其中出现的 一些问题，提出了今后需要改进的方向，为下一步建设地区电网大型监控中心提供 了帮助。 5 华北电力大学t 程硕士学位论文 第二章乌海集控站方案设计及总体要求 2 1 乌海集控站的设计目标 我们根据乌海电网的实际情况分析制定：整个乌海电业局集控站系统一期工程 分成一套集控主站系统和三个集控子系统，集控主站系统设置在调度自动化中心机 房，主要包括系统前置数据采集处理子系统、系统数据库管理子系统、数据处理和 监视控制子系统、网络通信设备以及系统维护工作站，实现系统对所有受控变电站 的数据采集和处理等功能。集控子系统根据无人值班变电站监控管理的需要分别下 放到伊和变、黄河变、顺达变三个2 2 0 k v 变电站，并配置系统工作站、报表工作站、 打印机等设备。在三个集控中心建立操作队，在接到区调调度员的遥控、遥调命令 后，可对所属受控站进行远方操作。该方案实施后，将改变以往的调度管理和运行 管理模式，实现真正意义上的无人值班。乌海电业局集控中心及受控站关系图如下 图2 1 所示。 乌海电业局集控中心及受控站关系图 图2 1 乌海电业局集控中心及受控站关系图 集控站最关心其责任控制区有关变电运行的信息，集控站是变电运行和管理 的区域中心，它面向的是变电运行的设备和运行工况，包括对变电站设备的操作和 控制等。所以作为集控站系统建立必须满足下列目标： 6 华北电力大学工程硕士学位论文 1 、满足所辖无人值班站设备日常巡视检查，保证所管辖无人值班变电站的安 全运行信息录入及管理功能的需求。 2 、按调度命令和现场运行规程等规定的要求，满足无人值班变电站的倒闸操 作、事故处理及异常处理，并按规定向调度回令控制管理需求。 3 、满足无人值班变电站的运行监控、信息收集、记录分析及汇报，并按运行 规程规定及时处理等功能需求。 4 、满足监控中心的运行管理、技术管理、功率平衡工作，并按时完成各类报 表的上报工作功能需求。 5 、满足无人值班变电站单一的遥控和遥调操作，并按调度下达的电压曲线及 我局有关规定做好电压管理工作，调整前后向调度员汇报功能需求。 2 2 乌海集控站的解决方案 2 2 1 运行模式解决方案 变电站计算机监控系统随着电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术的发 展，其体系结构在不断发生变化，其性能、功能及可靠性得以不断提升。根据变电 站监控系统目前的应用情况，运行模式大致有以下两种： 1 分级管理模式( 多级主站) 分级管理模式如图2 - 2 所示。 图2 - 2 分级管理模式示意图 7 华北电力大学工程硕士学位论文 在上行信息中，变电站向集控站传送全部监控信息，集控站则向调度自动化系 统转发其需要的信息；在下行信息中，调度员向集控站发电话命令，由集控站对变 电站进行控制操作。调度主站作为整个系统的核心，与一级变电站和集控站直接通 信，集控站作为若干二级变电站信息汇总点直接与二级变通信。这样，系统中各个 部分的功能和职责非常明确，集控站处理区域电网运行参数和相关变电站全部信 息，可以监控绝大部分有人值班时所反应的信息。 调度中心和集控站采用各自独立的主站系统，集控站所辖受控站的通信通道改 至各个集控站所在地，调度中心和集控站之间的数据共享通过计算机联网或高速信 息转发的方式实现。如采用计算机联网方式，则在远程光纤两端( 调度中心端和集 控站端) 接以太网收发器；如采用高速数字信息转发方式，则在远程光纤两端( 调度 中心端和集控站端) 使用光端机。在此方案中，集控站作为独立的主站系统不允许 与调度中心共l a n ，故信息共享度有限。 在此模式中，集控站作为独立系统具有实时数据库、历史数据库和操作工作站， 其特点是各级自动化系统的局域网上信息流量适中，信息类型，系统各个部分的功 能和职责非常明确，系统可靠性高。 2 集中控制模式( 远程多工作站) 集中控制模式如图2 - 3 所示。 图2 - 3 集中控制模式示意图 集中控制模式仅在调度中心使用一套主站系统，而在调度自动化系统的局域网 上加装一个或多个集控站远程工作站。 变电站的上行信息直接送到调度端系统，调度员的遥控、遥调命令则由调度员 直接送变电站，这种模式主要是针对调度系统规模不大、通道容量允许的情况下， 在变电工区( 操作队) 加设几台远程工作站与系统联网，从调度端得到相关信息，操 作人员利用远程工作站可以完成所有需要的操作，实现集控站的功能。在这种方案 中，在远程光纤两端( 调度中心端和集控站端) 必须接以太网收发器；其速率应与调 8 华北电力大学上程硕士学位论文 度中心和集控站选用的网络交换机或h u b 匹配，集控站与调度中心共l a n ，远程工 作站实际上具有和调度中心的调度自动化工作站完全相同的硬件配置，和完全相同 的软件，具有相同的功能，此方案需加强分级分区的安全权限管理，以适应两中心 各自具有的职责。 这种情况下，集控站自动化系统由于配置精练而使造价稍低，但由于集控站自 动化系统与调度自动化系统通过网络连接，共用历史服务器和实时库服务器，而集 控站需要的变电站本体信息非常庞大，造成网络非常拥挤，并且由于信息类型的多 样性，造成系统处理更加复杂，使系统的可靠性降低，不能有效的保证集控站自动 化系统和调度自动化系统稳定运行，其特点为：自动化系统的局域网上行信息流量 较大，信息类型比较复杂，系统中各个部分的功能和职责不够明确，系统可靠性有 所下降4 f 1 0 3 。 2 2 2 网络改造解决方案 目前，乌海局对个别变电站的监控以调度自动化系统为中心，少数变电站以工 作站的方式连接到调度自动化系统，实现对变电站设备的监控。随着管辖变电站的 增多和电网规模的扩大，调度自动化系统数据业务负担越来越重。本次集控站系统 的建设，其中一项核心的工作是集控站系统和原来的调度自动化系统分开，调度自 动化系统主要为整个电网调度的合理、正确安排和电网的安全经济运行提供服务， 如提供电网结构、电网负荷、电网潮流、负荷预测、调度报表等调度工作需要的数 据。集控站系统的主要功能是监视所管辖变电站设备运行情况、接受调度命令对管 辖变电所的设备进行操作和调整，所有的功能针对所辖变电站的安全运行情况，功 能专一。这样就将电网生产调度和电网监控功能分开，按照各自的工作特点，把电 网的数据分流、分类处理。同时两套系统相互备用，保证一套系统故障的情况下， 对电网的监视不中断。 在通信上，变电站r t u 装置或综合自动化变电站的自动化数据分成二路，要求 通过通信网络分别直接和集控站系统、调度自动化系统主站连接，在现有调度自动 化通信通道的基础上，集控站至所辖所有变电站要新增直接自动化数据通道，保证 两套自动化主站系统的数据通道是独立、直接连接的，以提高整个系统的可靠性。 乌海电业局光纤网的现状是以局中心调度自动化系统为汇聚点，组建了3 个环 网，整个变电管理处所有站点2 7 个，光纤网络到达所有的变电所，为电力系统调 度自动化、生产管理系统、电能量采集等系统提供可靠的综合传输平台。新建设的 集控站系统三个主站位于三个环网内，从图2 - 4 中可以看出，当前通信网络从传输 层到接入层全部以局中心为中心，变电站的数据全部直接送到局中心，适应当前的 调度指挥和自动化系统。变电站没有到新建集控站系统的直接自动化数据通道，无 9 华北电力大学工程硕士学位论文 法满足现集控站建设的要求，因此必须对通信网络给予改造。网络结构如图2 - 4 所 不。 图2 4 光纤网络现状图 解决方案1 ：自动化数据从局中心延伸 本方案保持现有通信网络不变，把各变电所的全部自动化数据传输到局中心， 集控站需要的自动化数据，用p c m 设备转接，延伸到集控站。这种方案的优点是实 施简单，对现有的网络结构和数据业务没有影响；缺点是存在单个故障点，如果局 中心通信设备发生故障，调度自动化系统和集控站系统同时要中断，网络结构如图 2 5 所示。 图2 5 自动化数据从局中心延伸示意图 解决方案2 ：重新建设一套集控站通信系统 本方案考虑重新单独建立一套专门用于集控站系统的通信网络，调度自动化系 统和集控站系统分别使用不同的通信设备，达到物理通道上的分开。这种方案的优 点是两套系统数据完全分开传输，系统可靠性高，真正做到两套自动化系统的 通信通道相互独立，但其缺点也很明显，单独建设一套覆盖全部变电站的通信系统， 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 一是投资巨大，需要几百万的资金，同时建设的周期也很长。网络结构如图2 6 所 不。 图2 - 6 重新建设一套集控站通信系统示意图 解决方案3 ：改变传输网和接入网的网络结构 本方案将传输网从当前以局中心为切点的三个环网，改造成以局中心和集控站 系统为交点的三个相交环，把各变电站到调度和集控站的数据业务在传输层分别从 局中心和监控站系统直接下业务，在现有的一个通道和局中心相连的基础上，再增 加一个通道的接入，以一套设备2 个接口，分别与局中心和集控站系统连接，达到 业务的直接传送。此方案利用现有设备，组建局中心和集控站系统为中心的两个业 务汇集中心，相交环加强通道保护能力，调度自动化和集控站系统的信号在通信通 道上分开，直接传送到各自主站系统，满足集控站通信的要求，同时投资很小。 图2 - 7 改变传输网和接入网的网络结构示意图 1 1 华北电力大学t 程硕士学位论文 通过比较，采用方案三，并组织设施。调整光纤线路连接方式，改变传输数据 配置，将以局中心为中心的传输网络结构，改成以局中心和集控站系统为交点的相 交环，整个传输网络改为两个汇聚中心，网络结构如图2 - 7 所示。 整个通信系统经过网络结构改造，调度自动化和集控站系统的远动信号从变电 站远动设备处发出，分成两路，通过传输接入网络分别直接送到各自的主站系统， 在通信通道上两套系统的数据完全分开。 2 2 3 整体解决方案 通过对乌海电网调度自动化系统的状况及乌海地区电网的通讯网络进行了综 合分析，并请有关厂商进行了方案规划，确立以调度自动化系统为中心，下放远程 监控终端的方式实现集控站信息采集到功能应用的设计方案。这种实现方案在性价 比综合考虑中为最优方案。因为乌海电网的电力通讯网络以光纤通讯为主干网，在 电力集团总公司的大力支持下，实现了乌达、海南、海勃湾区的1 6 芯光纤三区环 网通讯方式。以三区内的2 2 0 k v 变电站( 伊和站、顺达站、黄河站) 为主干环网通 讯，市区内1 l o k v 以上的变电站全部实现了光纤通讯。在此基础上，适当增加相应 的设备，即可实现三区的计算机高速通讯网络连接。这一切为进一步发展厂站网络 r t u 及实现调度自动化系统远程计算机通讯网络和变电站远程图像监控系统打下了 坚实的物质基础。 目前，乌海局大部分变电站都已具备无人值守的条件，在乌海的三个地区分别 设立集控站，并住留操作队人员，负责对各自区域内变电站的运行监控及刀闸操作。 以黄河站为例，利用乌海调度大楼与黄河变电站的光纤通道，使用一对远程网桥将 4 个2 m 业务转换为i o b a s e 以太网出口。网桥一端与主站系统交换机连接，另一端 与黄河站远程工作站相连，这样就构成了基于t c p i p 协议的i o o m i o m 以太网系统。 远程集控站采用与调度员工作站相同的硬件和数据平台，在整体的网络布局中，集 控站的人机工作站相当于调度自动化主站系统中一个普通的节点机，与调度员工作 站没有任何区别。集控站的软件经过改造使他适应变电站值班员的功能要求，从而 方便安全的实现对黄河站周围变电站的监视与控制。 乌海集控站与常规集控站相比的优点主要有以下几点： 1 结构简单节约投资。以常规的设计方法建设集控站从建设规模和功能实现的 方法上相当于建设一个小型的地调自动化系统。既要有其独立的数据采集系统，又 要有相应的s c a d a 支撑平台、应用软件、数据库系统、人机界面等配套的所有软硬 件资源，才能实现对所监控的变电站进行电网运行参数的数据采集、分析处理，并 进行远方的遥控、遥调操作，以调整各变电站的运行方式。同时变电站远动也需要 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 进行改造才能具备多发多收功能，以适应集控站的要求。 2 共享调度主站的软件和数据资源。它具有与调度员相同的功能和人机界面 ( 通过使用权限设置，可限制部分功能的使用) ，并可充分利用自动化主站系统的 功能，使集控站人员也可以全面了解电网的运行状况并进行相关的遥控、遥调操作。 当电网结构或设备参数发生变化时，只须在调度主站进行一次相应的数据修改和画 面编排，便可将全部工作站的数据和画面自动进行更新，利于整个系统的统一管理， 统一调度，保证了系统的数据一致性哺1 。 乌海电业局集控站系统网络示意图见附图1 。 2 3 系统总体要求 2 3 1 系统结构和范围 集控站系统基于开放性结构，以满足系统的维护、扩容和升级等方面的要求。 该系统服务器和工作站的所有内部通信和所有与外部系统的通信应基于广泛采用 的国际和工业标准，这些标准应恰当地体现出开放系统的概念。集控站系统采用网 络结构，计算机间用冗余的、工业标准的局域网( l a n s ) 连接起来，按功能模块来 分配服务器和工作站。 系统通过模块化设计、使用标准产品和接口、遵循国际软硬件标准、使用标准 工具箱，尽可能提高软硬件的相互独立程度。为便于查找故障和用户对系统的日常 管理，建立各种不同用途的运行日志。组成系统的各模块必须建立统一的、风格一 致的运行信息输出体系。该系统与其它系统的连接应符合相关的安全隔离要求。 2 3 2 网络结构 集控站系统采用w i n d o w s 操作系统下冗余的交换式局域网结构，构成功能分布 的开放系统，该系统能使用户今后方便的进行硬件设备和应用软件的扩充和升级。 无论是单网故障，还是网上节点内的单点网络故障都不影响系统功能。 2 3 3 系统配置与管理 集控站系统的体系结构采用开放式、全分布式的冗余双网体系结构，数据采集 部分采用独立的数据采集网( i o o m b ) ，传统变电站自动化设备可通过终端服务器接 入数采网，网络化变电站自动化设备( 网络r t u 、综自设备) 与该数采网共网或通过 路由器接入，系统主网采用热备用的双网机制，把各个功能模块分配到系统的各个 网络节点上，保证系统的可扩充性。s c a d a 服务器处理后的实时数据宜采用组广播 或对等方式同步有关服务器和工作站，历史数据管理等服务器宜采用客户服务器 13 华北电力大学工程硕士学位论文 方式。必须优化数据采集、数据处理、历史数据存储管理等功能。系统硬件和软件 支撑平台都必须符合分布式这一前提，且遵循国际开放式标准和规范。应用开发必 须基于面向对象的应用开发体系，所有人机工作站应支持各种功能的操作界面。 2 3 4 系统冗余要求 集控站系统应采用冗余配置结构，系统任何单一故障不能导致系统主要功能的 丧失或使系统性能低于要求的水平。系统建设完成与地调自动化系统基本功能的冗 余备份功能。双冗余配置以保证在设备或软件故障时主要功能仍能持续运行，即： 两组相同单元完成主要功能，一组在线，一组热备用；双冗余配置：执行或支持单 个主要功能的每类设备都应配有两组设备单元，一组在线，一组热备用。为了保证 备用单元在在线单元故障时能迅速承担起在线运行任务，在线单元数据库的所有数 据( 来自r t u 和变电站自动化系统、计算数据、人工输入数据和应用程序生成的数 据等) 应同时持续更新备用单元数据库。 2 3 5 扩容和升级要求 集控站系统在性能、容量和系统功能方面应满足乌海地区不断增长的电网业务 需求。系统在设计中应考虑对在线系统实施不中断运行的扩容、升级。当硬件扩充 后，系统应该保持其互操作性和交互环境的兼容性，使得软件投资得到长期利用。 系统能支持用户进一步开发应用软件或接入第三方软件。 1 扩容 经过适当培训，乌海电业局技术人员应具有在满足系统资源的条件下对实时数 据库进行容量扩充的能力。系统必须能够自动适应数据规模的增长。为了适应集控 站系统扩容的需要，集控站系统服务器、工作站内存、硬盘等的安装容量应结合标 准配置预留出扩充的能力。 2 升级 集控站系统应易于扩展，如果需要，应可扩展到所要求的系统最终规模，应易 于替换设备，以提高系统性能或淘汰陈旧设备。系统应可升级到o e m 供货商发布的 升级方案。 2 3 6 延续性 集控站系统尽管具有周期更新特性，但是乌海电业局所监视与控制的电网并不 随集控站系统的更新而变化。为由于系统更换而增加额外的工作，集控站系统应在 以下方面提供相应支持： 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 1 能方便的将乌海电业局目前所使用s c a d a 系统的电网数据和多年积累的电网 运行历史数据导入新集控站系统，避免乌海电业局电网调度运行数据的丢失。 2 为支持今后的系统升级与更换，集控站系统应支持其系统数据库与人机画面 的数据导出。 2 3 7 维护的方便性 系统所选设备应是符合现代国际标准、工业标准，在世界计算机领域占有一定 比例的通用产品，便于维护，系统投运后要有方便可靠的维护服务。软件系统必须 提供完善的自身运行状态监视工具。 2 3 8 系统安全性 集控站系统既要在本地与乌海区调其它应用系统相连，又要与其它系统互连。 因此系统安全性就成为关注的重要问题。利用相应设备和软件的安全机制是防止外 部非法用户侵入的一种手段。操作系统应提供强有力的安全性措施以防止用户进行 未授权的操作；系统在结构设计上应便于高效、经济的设置隔离设备。应根据乌海 区调系统的网络特点、业务特点和目前有效的安全技术提出具体的系统安全解决方 x 案5 6 | 。 。 2 4 系统主要功能 2 4 1s c a d a 功能 s c a d a 应用软件应能适应对变电站实时监测和控制的需要，特别是要实现一次 设备的安全控制操作功能，同时保证应用功能的安全，防止误操作和非授权操作。 2 4 2 保护定值及压板投退功能 p 集控站系统应包括对受控站的保护单元进行保护定值的修改、查询功能，并能 够实现保护软压板的投退操作及保护投退状态的查询功能。同时保证应用功能的安 全，防止误操作和非授权操作。 2 4 3 计算机数据通信功能 集控站系统采用国际标准接口模式和规约，可完成如下计算机通信内容： 1 实现与调度自动化系统间双向数据通信、采集远动终端( r t u ) 和变电站自 动化系统的信息。s c a d a 功能对此类数据的处理应等同于来自前置机数据的处理。 ( 1 ) 集控站与调度间的实时数据通信； 1 5 华北电力大学t 程硕士