（电力系统及其自动化专业论文）基于scada的电力系统故障模拟系统研究.pdf

附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名可疚指导教师签名杉汤 日期：阳略年8 月l 口日日期：动啤，月，l 日 上海交通大学硕士生学位论文 基于s c a d a 的电力系统故障模拟系统研究 s t u d y o fp o w e r s y s t e m f a u l ts i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do ns c a d a s c h e m e 摘要 电力系统动态模拟实验的主要任务是对实际电力系统进行物理模拟，通过多种运行方式和故障形式的模拟， 达到检验电力系统动态性能的目的。随着电力系统通信技术的不断发展，现代电力系统逐渐采用监视控制及数据 采集( s c a d a ) 系统实现电力系统的运行与日常管理。f s c a d a 系统通过实现遥信、遥测、遥控和遥调的“四遥” 功能，极大地简化了电力系统的运行和管理工作量。在电力系统动态模拟中采用s c a d a 系统，可以提高系统的 可靠性，降低运行和维护成本，也便于存储历史数据及故障分析。) 声7 本文首先介绍监视控制与数据采集( s c a d a ) 系统的结构、功能、以及组成s c a d a 的各部分软硬件、组 态软件、可编程逻辑控制器( p l c ) 和现场总线的概念、原理及特点。电力系统的故障模拟要历经开机准备、转 速调节、并网、故障操作和解列等一系列过程，本文对这一过程中所涉及到的原理，如直流电机调速原理、发电 机并网原理做了简要分析。 本文以一个实际的电力系统动态模拟系统为例，对其基于s c a d a 的故障模拟系统进行详细研究。整个监视 与控制系统呈三层结构，从上到下依次是过程监控层、中间层和现场设备层。过程监控层处于控制系统的最上层， 为实验室的管理和使用人员提供一个集中监视和管理的环境。人机界面是过程监控层的核心部分，本文着重对其 技术问题进行了研究。f 如对设计的规范化作约定，以增强代码的可读性和系统的可扩充性；在画面的组织上采用 三视图显示方式，使整个系统结构清晰明了；为使用户操作方便，采用事件触发方式实现画面之间的自由切换； 增加系统的安全等级，将无关人员排除在系统之外，并对控制命令如开关操作等设置权限。减小误操作的概率； 通过对衍生标记、事件和宏的综合运用，解决输电线路三相开关和单相开关操作中所涉及到的开关选择的难点； 在发电机组和无穷大系统选择的问题上，通过控制相应的衍生标记，实现数据的正确显示和开关的正确对应；短 路操作中采用分级菜单，解决多种故障类型的选择问题：通过定义一些内存标记和p l c 接口数据，实现短路地 点选择、放障形式选择以及短路时间设定上与p l c 的互操作；解决了发电机调速和同期合闸的问题；此外，还 研究了开关位置和p l c 实际状态不对应的问题及系统初始化问题。 所研究的基于s c a d a 的虫左系统故障模拟系统目前己进入整体调试阶段，正式投运后，所有的数据采集工 舴将由数字电量变送表来完成，以取代以前人工读数；开关的控制命令将从触摸屏或人机界面上下达，以取代以 前的直接对现场开关的操作。s c a d a 系统的采用，无疑会大大简化运行和管理的工作量。2 卢 关键宇：监视控锖妊采为故障模吵组态软件， ) ， 上海交通大学硕士生学位论文 a b s t r a c t am a i nd u t yo fap o w e rs y s t e md v r l a l i l i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mi st oi m i t a t et h ed y n a m i cf a u l tb e h a v i o ro f a c r e a lp o w e rs y s t e mw i t hm e u n c e a s i n gd e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s c h e m eh a sb e e nw i d e l yu s e dt om a n a g et h ed a i l yo p e r a t i o no fal a r g ep o w e rs y s t e m t h ea d o p t i o no fs c a d a c a ng r e a t l yd e c r e a s et h eo p e r a t i o na n dm m n t e n a n c ew o r k l o a db yi t sr e m o t ec o n t r o l ，r e m o t e c o m m u n i c a t i o n r e m o t em e a s u r ea n dr e m o t ea d j u s t m e n t ( g e n e r a l l yn a m e d “f o u rr e m o r a s ”t e c h n i q u e ) t h ei n t r o d u c t i o n o fs c a d as c h e m ei n t op o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nc a l lg r e a t ) ye m h a n c ei t sr e l i a b i l i t y , d e c r e a s eo p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c ec o s t ，a d v a n t a g et h es t o r a g eo f h i s t o r yd a t aa n de a s ep o s tf a u l ta n a l y s i s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fs c a d a t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs c a d a ， i n d u s t r i a la u t o m a t i o ns o f t w a r e ，p l c ，f i e l db u sc o n c e p t ，p r t h c i p l ea n df e a t u r e sa r ei n i t i a t e di nt h ef o l l o w i n g at y p i c a l p o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i sr o u t i n ew i l lg ot h r o u g ha s e r i e ss t e p ss u c ha sp o w e ro np r e p a r a t i o n ， t i m i n g ，s y n c h r o n i z i n g ，f a u l to p e r a t i o na n d d i s c o n n e c t i o n i no r d e rt oc l e a r l yd e m o n s t r a t et h es i m u l a t i o ne n da n a l y s i s p r o c e s s ，t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e b a s i c p r i n c i p l e s o f d i r e c t c i r c u i t m o t o r ss p e e da d j u s t m e n t a n d g e n e r a t o rs y n c h r o n i z i n g t h i sp a p e r p r e s e n t sa d e t a i l e ds t u d yo f a p o w e rs y s t e mf a u l ts i m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mb a s e ds c a d a s c h e m e ， u s i n gar e a ls y s t e m a sa ne x a m p l e t h es t u d i e ds y s t e ma s s u m e dat h r e e - l a y e ra r c h i t e c t u r e i e p r o c e s ss u p e r v i s o r yl a y e r , m e s o s p h e r ea n df i e l dd e v i c el a y e r t h et o pl a y e ri sp r o c e s ss u p e r v i s o r yl a y e r , w h i c hp r o v i d e so p e r a t o rac o n c e n t r a t e d s u p e r v i s o r yc o n t r o le n w r o n m e n t h u r n m m a c h i n ei n t e r f a c ei sac o r ep a r to fp r o c e s ss u p e r v i s o r yl a y e ra n dt h i sp a p e r e h n sf o r w a r dt h et e c h n i q u es o l u t i o nf o rk e yp r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n gt h eh m id e s i g n t h ed e s i g nn o l l ni sd e f i n e d a st oi n c r e a s et h ec o d er e a d a b i l i t ya n de n h a n c et h es y s t e me x p a n d a b i l i t y t h l _ e ev i e wd i s p l a ym e t h o di se m p l o y e di n o r d e rt oc l a d f yt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e e v e n t d r i v e nm e t h o di su s e dt or e a l i z et h ef r e en a v i g a t i o nb e t w e e np i c t u r e ss oa s t of a c i l i t a t eu s e ro p e r a t i o n s a f e t yc l a s si ss e tt oe x c l u d et h eu n r e l a t e dp e r s o nf r o mt h es y s t e m o p e r a t i o nl i m i t sa r es e t f o rt h ec o n t r o la n ds w i t c hc o m m o n d sf o rt h ep u r p o s eo f e r r o rr e d u c t i o n t h es y n t h e t i cu s eo fd e r i v e dt a g s ，e v e n t sa n d m a c r o sh a sr e s o l v e dt h ep i n c hp o i n to fw a n s m i s s i o ns w i t c hs e l e c t i o n a sf o rt h eg e n e r a t o ra n di n f i n i t es y s t e ms e l e c t i o n ， t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e st h ec o r r e c td a t ad i s p l a ya n de x a c ts w i t c hm a p p i n gb yc o n t r o l l i n gt h ec o r r e s p o n d i n g d e r i v e d t a g s t h ea d o p t i o no f h i e r a r c h ym e n uh a st a c k l e dt h ep r o b l e mo f m u l t i p l ef a u l tt y p es e l e c t i o n t h ed e f i n i t i o no f m e m o r yt a g s a n dp l ci n t e r f a c ed a t ah a sa c t u a l i z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np l c sa n dh m if o rf a u l tl o c a t i o ns e l e c t i o n ，f a u l tt y p e s e l e c t i o na n df a u l tt i m es e t u p n l ep r o b l e mo fg e n e r a t o rt i m i n ga n ds y n c l l r o u i z i n g ，t h eu n c o r r e s p o n d i n gs t a t eb e t w e e n t h ep l cs t a t u sa n dh m is w i t c hp o s i t i o n ，t h ep r o b l e mo f i m t i a l i z a t i o na r ea l s or e s o l v e d 1 1 1 es t u d i e ds y s t e mi sn o wu n d e rb u l kt e s t i n g w h e np u ti n t oo p e r a t i o n ，a nm ea c q u i s i t i o nd a t aw i l lb ec o l l e c t e db y d i g i t a lg a u g e s ar e p l a c e m e n to f f o r m e ra r t i f i c i a lr e a d i n g a l l 出es w i t c hc o m m a n d sw i l lb et r a n s m i t t e df r o mt o u c h s c r e e n t or e p l a c ef o r m e rf i e l do p e r a t i o n n ee x p l o i t a t i o no fs c a d a w i l ld e f i n i t e l yd e c r e a s et h ew o r kl o a do fd a i l y m n n m g a n da d m i n i s t r a t i o n k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，f a u l ts i m u l a t i o n ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o ns o f t w a r e ，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 , f i e l db u s ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 2 上海交通大学硕士生学位论文 第一章绪论 随着电力系统通信技术的不断发展，现代电力系统逐渐采用监视控制及数据采集( s c a d a ) 系统实现电力 系统的运行与日常管理。s c a d a 系统通过实现遥信、遥测、遥控和遥调的“四遥”功能，极大简化了电力系统 的运行管理工作量。和以前的纯人工操作与管理相比，s c a d a 系统的采用提高了电网自动化水平和运行效率， 因而成为近年来人们研究的热点。 电力系统的动态模拟试验是检验电力设各是否合格的重要手段之一。当一台电气设备投入运行之前，往往需 要对其进行故障模拟，以测试其动稳定、热稳定等是否满足工程要求。此外，电力系统的动态模拟试验也可检验 保护装置的性能，通过故障模拟来校验它们的灵敏性、可靠性和速动性等性能指标。 由于s c a d a 系统在电网中的应用日益广泛，为了更好的模拟电气设备的动态行为，电力系统动态模拟试验 室的控制系统有必要作相应的改进。本文以一个实际的电力系统动态模拟试验室为例，对其故障模拟系统作了详 细的分析。整个控制系统呈三层结构，即过程监控层、中间层和现场设备层。其中，现场设备层主要由各种p l c 和数字电量变送表组成，它们与上位机间的通信由现场总线来实现：过程监控层为实验室的管理和使用人员提供 了一个集中监视和管理的环境；中间层由两台p l c 组成，为现场层和监控层之间的设备提供信息交换通道，同 时，两台p l c 之间的数据也互为备份。 这三层结构的采用带来了许多优点，如：实现了多种通信协议的转换和统一，极大的方便了控制系统中的数 据共享和利用，并使实验室的远程访问和控制成为可能：采用p l c 作为现场执行机构，提高了系统可靠性；这 种结构的采用，使以前需要手工完成的操作可以用计算机完成，从而提高了自动化水平，减轻了系统维护的工作 量：中间层的两台p l c 互为备用，可以分担、平衡网络流量，提高系统的性能。 人机界面是监控系统的核心部分，本文对其中一些技术问题提出了相应的解决方案。对设计的规范化作了约 定，从而增强了代码的可读性，也有利于系统的扩充：在画面的组织上采用三视图的显示方式，使整个系统结构 清晰明了；为了使用户操作方便，本文采用事件触发的方式实现了画面之间的自由切换：增加了系统的安全等级， 从而将无关人员排除在系统之外，对控制命令如开关操作等设置权限，从而有效的减小了误操作的概率；通过对 衍生标记、事件和宏的综合运用，解决了线路三相开关和单相开关的操作难点；在发电机组和无穷大选择的问题 上，同过控制相应的衍生标记，实现了数据的正确显示和开关的正确对应；短路操作中分级菜单的采用，解决了 多种故障类型的选择问题；通过定义一些内存标记和p l c 接口数据，实现了在短路地点选择、故障形式选择和 短路时间上与p l c 的互操作；解决了发电机调速和同期合闸的问题；此外，还解决了开关位置和p l c 实际状态 不对应的问题及系统的初始化问题。 本文的组织结构如下：第一章是绪论。第二章是s c a d a 系统，主要内容有s c a d a 系统的概念、结构和功 能、组态软件的概念及其在国内外的最新发展及应用情况、p l c 的概念、特点及工作原理、现场总线的概念、特 点。第三章是电力系统的故障模拟系统，主要内容有动态模拟实验所经历的开机准备、转速调节、并网、故障操 作和解列等过程的原理、短路电流计算及波形分析的理论基础。第四章提出了一个基于s c a d a 系统的故障模拟 系统的具体设计方案，这部分以一个实际的电力系统动态模拟系统为例，介绍一个基于s c a d a 系统的故障模拟 系统的构成。第五章的主要内容是人机界面设计中所遇到的核心技术问题及解决方案。第六章是结论。 第二章s c a d a 系统 s c a d a ( s u p c r v i s o r y c o n u o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ，监视控制与数据采集1 系统的研究始于2 0 世纪6 0 年代， 它的出现主要是为了满足人们对电能质量及可靠性的日益高要求，其主要功能包括数据收集、信息处理、监视控 制、报警处理、信息存储及报告、事件顺序纪录、数据计算、r t u 处理功能和事件追忆等功能口j 。 s c a d a 系统经过4 0 多年的发展，其总体结构已从以前的功能组件型和集中控制型发展到如今的分散控制 型9 。一个分散控制结构的s c a d a 系统从逻辑上可以划分为三个部分，即人机界厦( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ， h m i ) 、现场执行机构和通信网络”。 上海交通大学硕士生学位论文 人机界面通常是个图形用户接口( g r a p h i c u s e r i n t e r f a c e ，g u i ) ，它主要实现现场状态、警报和趋势图的显 示以及用户命令下达等功能，同时它还包含复杂数据处理部分。以前的人机界面需要自己开发，随着视窗操作系 统的目益普及，许多工厂自动化公司纷纷推出了专门用于监控的组态软件。s c a d a 的人机界面还会用到虚拟仪 器软件( v m u a li n s t r u m e n t s ) ，如美国国家仪器公司( n a t i o n a l g 拄m m “t s ) 公司开发的l a b v i e w 等p j 。 现场执行机构主要是一些传感器、变送器、可编程逻辑控制器( p l c ) 等。它们主要负责将现场的信息如开 关状态、电压电流、有功无功功率等采集起来并将它们传送到需要这些数据的地方。同时，它们也是命令的执行 者，开关的开台、电压电流的控制及转速的调节，都依赖于它们的正确动作。用得最多的现场执行机构是p l c ， 因为p l c 是一种比较传统和成熟的控制器，对它的编程和维护也相对容易些。 通信网络是整个s c a d a 系统的“血管”，网络的通信是否顺畅直接关系到整个系统实时性和安全性。另外， 由于现场设备往往来自许多不同的生产厂家，这些不同设备之间的互通信息存在着协议转换的问题，因此，通信 网络的开放性变得十分重要。考虑到这些因数，s c a d a 的通信部分往往采用现场总线技术m 】。 2 1s c a d a 系统的结构和功能 我们常需对不同规模的电力系统进行监视和控制，在计算机尚未普及时期采用的是测量仪表监视，并利用 一些执行机构实现控制。s c a d a 的概念出现后，控制系统主要由实时计算机组成，使控制系统兼备监控和计算 能力，从而进一步帮助操作人员完成对电力设备的操作控制门。 2 1 1s c a d a 系统的结构 。 监视控制及数据采集系统即s c a d a 系统是许多设各的组合，它使操作员在远处能得到足够的现场变电所 或发电厂内设备状态信息，并且可以在这些设备上进行操作，如图2 - 1 所示。虽然一个s c a d a 系统可以用来对 一个特定点完成控制和数据采集工作，但是其常规结构一般是一个中心点向许多远方点收集数据并进行控制【”。 图2 - is c a d a 系统框图 f i g u r e ：2 - 1b l o c kd i a g r a mo f s c a d a s c a d a 系统的最简单形式是一个主站对单一的远方终端，即1 对1 系统，如图2 - 2 ( a ) 所示。这种系统常 常只要求完成唯一的目标，其人机接日常常悬爱逻辑的，一旦做成，很难改变男一种形式是一个主站对多个远 6 上海交通大学硕士生学位论文 方终端的系统( 如图2 - 2 ( b ) 所示) ，用于数据采集和监视控制，我们也称其为“小系统”。除此之外，还有多机 主站、多机次主站和许多远方站的“大系统”，这样的系统具有多种特色和功能，包括非常先进的人机联系，远 远超过简单数据采集和监视控制的目标。随着现代工业控制系统向分散化、网络化和智能化方向发展，如今的 s c a d a 系统多采用分布式的现场总线结构，如图2 2 ( c ) 。 团_ 篓l ( - ) ( c ) 图2 - 2s c a d a 系统的分类 ( a ) l 对i 系统；( b ) i 对多系统；( c ) 现场总线连接系统 f i g u r e2 - 2c l a s s i f i c a t i o no f s c a d as y s t e m s ( a ) o n e t oo n es y s t e m ；( b jo n et om a n y s y s t e m ；( c ) f i e t d b u s b a s e ds y s t e m 监控系统需要在发电厂和变电站装设远方终端设备r t u ( r e m o t e t e r m i n a l u n i t ) ， 让主站取得数据并实现遥 控命令。r t u 和厂、站被控设备之间用中间继电器连接，测量回路则用互感器连接，如图2 3 所示吲。 图2 - 3 厂、站s c a d a 系统安装图 f i g u n 2 - 3 ：i n s t a l l a t i o n d i a g r a m o f s c a d a s 姗m f 嘲o r i d $ n t i o n s 7 上海交通大学硕士生学位论文 2 1 2s c a d a 系统的功能 1 数据采集功能 理论上讲，一个s c a d a 系统可以收集有关电力系统的每一件事或者动作，即将整个电力系统的运行集中到 一个大的运行中心。这个中心能启动、监视并停止电厂设备，使输电系统运行完成电网解列分组和转换操作，并 垒面管理整个系统。s c a d a 系统可以收集的数据，总的说来包括下列各项【1 w ： ( 1 )有关变电所的数据。母线电压、线路流量( m w ，m v a r ，a ) 、变压器负载( m w ，m v a r ) 、变压 器分接头位置、变压器状态( 自动、手动) 、开关和刀闸状态、继电器状态( 指示牌) 、变电所 报警、变压器报警( 瓦斯、差动) 、m w 和m v a r 表计读数、继电保护状态、事件顺序纪录等。 ( 2 )有关电厂的数据。单机发电出力( m w ，m v a r ) 、辅机发电出力( m w ，m v a r ) 、单机发电量( m w h 和m v a r h 表) 、辅机发电量( m w h 和m v a r h 表) 、涉及单机功能的数据，如燃料费用、水温和 水位、环境限制因素等等。 上述数据虽然不很大，但是信息量却很多。主要电气量，如瓦特、伏特、安培，是用变送器通过电厂的仪表 变压器测量的。 2 监视与事件处理功能 对于采集数据的监视有不同的目标，其取决于被监视数据的类型。若被监视的测量值越限或状态信号发生改 变，就要求进行事件处理。事件处理要确定出事件的情况及类型，通过人机子系统反映给操作员。 状态监视通常相对于预设的正常状态而言，通过监视向操作员提供一个正常或非正常运行状态信号。由状态 改变引起的事件，通常规定应延迟几秒钟才作决定，这有利于抑制暂态报警信号和双态装置出现短暂的中间位置 畎态。例如，隔离开关操作时间通常需几秒钟。 i l 值 谢爱上隈 柜警上娘 警戒上限 d 值匣 警戒下照 报管下嚷 测量下睢 限值a 虢 警戒上硪匣 报警上# i 匣 芷窜运行厘 p 匣 正膏鼍行臣 警戒下哦匣 报警下i i 匹 图2 - 4 限位监视范固 f i g u r e2 _ 4 ：s u p e m s o r yr a n g e o f l i m i t e dv a l u e 对于每个测量值都可以设置限值加以监视，如图2 - 4 所示。限值可以设定在正常值或合理值的上、下两边。 合理值相当于测量值的正常量或正常区域。限值监视可以采用不同的方式来完成。可集中监视，也可以在当地监 视。比较先进的当地数据采集设备一般都采用了限值监视采鼹集中搬壤譬税对，镶往是在数据库中的数据捌新 上海交通大学硕士生学位论文 时，进行限值判别，有时也可采用周期性的限值监视。为了防止在限值上下出现的短时轻微脉动影响事件处理的 正确判断，限值监视常对每一个限值给定一个死区。死区监视如图2 - 5 所示。 报警上限 ，一， 监视死区 产生一个事件5 不产生事件 产生一个事件 图2 - 5 限值死区监视示意图 f i g u r e2 - 5 ：s u p e r v i s o r y s k e t c h m a do f d e a d a r e a o f l i m i t e d v a l u e 由监视功能产生的或由操作员操作引起的所有电力系统事件，在存入数据库之前都应进行处理。事件处理就 是在模拟屏、显示器、控制台键盘和各类报表上将事件进行组合和分类，以便给操作员一个适当的报警信号。从 性能要求角度讲，控制系统设计最重要的问题是允许出现的事件快速反映到控制系统并显示出来。要求控制系统 即使在事故情况下也能快速进行事件处理。事件处理是控制系统关键功能，它直接影响系统的实时性和控制系统 特性。 每次事件应存入相对的子系统及厂站数据库内，而且每个子系统及厂站还设有事件计数器，这些计数器用来 反映在显示器上和打印输出的报警总数。发生的事件按时间顺序存入系统数据库中的环形列表中，即最新出现的 事件总将取代最老的事件，这样可防止因子系统计算机存储容量不足引起事件数据溢出现象的发生。 3 控制功能 监控系统的控制信号大多发送给开关、重合闸和闸刀，通过监控系统还可以控制电压调整器、可调分接头的 变压器、电动闸刀、阀门或带尖峰的设备。所有这些控制功能有一个共同点，就是厂、站的控制功能必须连接到 监控系统的远方终端，r t u 不能直接从它的逻辑电平完成控制，必须插入到厂、站的控制回路。r t u 一般也可 以提供瞬时的控制输出，因此有时需要闭锁的中间继电器。 许多厂、站控制电路的设计是将中间继电器的断流问题减至最少，这些电路一旦启动就“自己完成”，因此 很容易用瞬时输出来驱动。控制回路的改进可以使监控系统的使用简化。在许多情况下对被控回路作简单的改进， 使它们“自己完成”，而不需要大的中间继电器接点。 当使用监控系统去操作厂、站设备时，常常需要修改控制回路性能。许多控制行为需要闭锁的中间继电器来 改变控制性能，并且可以通过监控系统或当地控制使之恢复。一般在使用监控系统时，当地手动操作的控制也应 该能起作用。 控制方面的另一个应用就是自动发电控制( 挖) 。在这种应用中，r t u 的控制能力是允许根据主站的命令， 升降发电机调速器的整定值。一般地，r t u 控制与操作员手动控制调速器平行，且通过中间继电器接点增减发 电机功率。功率改变率是由调速器特性建立的，但是它通过r t u 用中间继电器接点闭合的时间长短来控制。 4 报表与计算功能 属于监控系统的多种计算，从数学角度讲一般并不复杂，但是涉及数据多，且计算频繁。它包括的计算变 化多端，既有数值计算，又有逻辑计算。 传统的计算方法采用高级语言编写的程序来实现。这种方法虽然可行，但编写计算程序的工作人员必须具有 熟练的实时编程知识。为了扩大计算的可能性和更好地利用计算机系统的计算能力，常采用统一的简化软件包来 实现各类计算。这样，用户不需要掌握实时计算机编程的细节知识，使各类计算机工作更容易推广实现。这些软 件包易于定义有关计算及计算所涉及的系统数据。数据的定义可采用专用屏幕显示方法以交互方式完成。而且全 部数据库说明和算术运算采用命名方法给定，系统提供良好的计算文件，具体计算实施通过翻译来完成。 数值计算包括各类进入数据库的数值类计算，如下述例子：用于擐表的计算；功率平衡计算及电度量计算； 厂站用电及生产费用计算；水流量及水库蓄量的计算以上遮夔计算可采用麓蔼骥涟的专用语育程序完成这要 9 上海交通大学硕士生学位论文 求控制系统至少具有下述功能：算术计算功能；逻辑和数值校验功能；对于实时数据和时标数据，具有数据库通 信功能：矩阵运算及表格插值功能。总之，数值计算可循环计算，可根据操作员的要求执行计算，也可在需要显 示或打印输出时计算。 状态量运算是一组状态信号的逻辑组合运算。为了在模拟屏或显示器上集中反映状态信息，往往需建立组状 态或群状态的集合。例如，可建立确定电力线或母线颜色的状态群，也可建立反映电力线与母线连接状态的状态 群。状态量运算的结果一般作为状态指示信息存储于数据库中。 状态量的运算一般用持定语言阐述功能，为了完成这种运算，要求控制系统至少要有下述功能：状态指示信 息的校验与组合功能；状态指示信息的逻辑运算功能；存取状态信息的数据库通信功能。 不同状态群的运算常采用相同的逻辑定义，这有利于典型状态量运算的定义。运算包含的状态量元素及采 用的逻辑被定义到“运算类型”之中。运算程序是根据通用状态元素编写的，而实际的状态元素应在“状态点组” 中加以说明。 当状态信号有改变时，将影响实际运算的结果，因此在状态量运算前总是需要初始化。运算可采用循环运 算方式，也可由操作员发请求信号激发状态量运算。 2 2 组态软件 前己述及，s c a d a 系统从逻辑上可以划分为三个部分，即人机界面、现场执行机构和通信网络。其中，人 机界匠是一个图形用户接口，负责管理人机交互。它可以由程序员用高级语言开发，也可以采用组态软件来开发。 铀于自己编写的图形界面开发周期长，且开放性和兼容性较差，所以，现在的s c a d a 系统在人机界面方面多采 用组态软件来实现。 2 2 1 组态软件的概念 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c 机( 个人计算机，包括工控机) 相比以前的专用系统具有的 优势日趋明显。这些优势主要体现在：p c 技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已日趋成熟；由p c 构建 的工业控制系统具有相对较低的成本：p c 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强：基于p c 的控 制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在p c 技术向工业控制领域的渗透中，工控组态软件 占据着非常特殊而且重要的地位“”。 传蓐嚣l 传感嚣2 传感蜘 萁弛仪器 敢系统 擞 机 或 工 控 机 基 盘 处 理 都 分 麓测控对象 f 蔫蓉蓉霉鐾生嚣 空制 l ： 其他控捌x 囊 显示 己泶 打印 键盘端a 其他l ! o 蹬蔷 图2 - 6 蛆态软件功能模块示意图 f i g u r e2 - 6 ：s k e t c hm 印o f f u n c t i o n a lb l o c ko f i n d u s t r i a la u t o m a t i o ns o l , w a r e l o 圉圈 、 一， 一 上海交通大学硕士生学位论文 所谓工控组态软件，是利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，完成上位机与下位机的通信、 数据报警、历史趋势曲线绘制等用户所需的功能。如图2 - 6 所示，组态软件在自动控制系统中负责管理图中方框 所示的5 个模块。数据采集部分在固定的扫描周期内不断的扫描通信端口，将工业现场传递来的数据存储在一个 实时数据库里，以提供给其它部分使用；数据通信部分为数据采集和数据分配提供数据通道，由于工业控制系统 中采用的设备品种繁多，组态软件( 或设备制造厂商) 为各个设备分别提供了驱动程序，数据通信部分负责管理 这些驱动并提供统一的用户接口：数据分配部分是一个反馈模块，处理过的数据由分配模块下达给被测控对象、 组件，以实现预期的控制：基本f o 部分管理用户终端的外设，如记录打印、键盘输入等，面向视窗操作系统的 组态软件还提供了图形动画功能，用实时图画动态地反映工业现场的动作情况；微机或工控机基本处理部分是一 个后台操作模块，它是联系数据采集、分配、通信和基本输入，输出的枢纽，原始数据的过滤、数据的上传下达 由它来处理，用户自定义的一些程序及事件触发也由这一部分来完成。五个部分相互协调、相互依赖，共同构成 一个开放的控制系统。 现在的工控组态软件都由专业的软件公司开发，其界面友好，图形形象丰富，实时性好，开发周期短，便于 修改扩充。这种专业组态软件具有开放式的数据库，实时与历史曲线。提供了各种标准设备驱动程序，可与各种 工控设备连接，软件兼容性好。这些优点使得组态软件在工业控制领域得到了广泛的应用。在电力系统，组态软 件主要用于s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u m i t i o n ) 领域。 早期的组态软件运行于u n i x 机上，近年来，随着视窗操作系统成为市场上主流的操作平台，国内外工业自 动化软件( i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n s o f t w a r e ) 开发商纷纷推出了基于w i n d o w s 平台的组态软件。这种新一代组态软 件普遍具有界面友好、灵活多用特点。它们一般都有一个集成开发环境，将系统的主要模块及常用系统工具集成 在一起，各个模块之间可以灵活的相互调用。此外，它们还提供了面向英特网的技术，支持远程操作模式、一对 多的主从控制模式等，系统构架日渐完整，功能也日益完善。 2 2 2 组态软件在国内外的最新发展及应用情况 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但在9 0 年代中期之前，组态软件在我国的应 用并不普及。究其原因，大致有以下几点：( 1 ) 国内的用户还缺乏对组态软件的认识；( 2 ) 在很长的时间里，国 内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件( 早期的组态软件多为国外厂家开发) ，很少有用户愿意去 购买正版，甚至在多数项目预算中不包含软件费用；( 3 ) 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高， 组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些 需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面l 临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机 编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，m i s ( 管理信息系统，m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和c i m s ( 计算机集成制造系统，c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的大量应用，要求工业现场为企业的 生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1 9 9 5 年以后，组 态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面对几种组态软件分别进行介绍。 i n t o u c h ：w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件。在8 0 年代末、9 0 年代初，基于w i n d o w s 31 的i n t o u c h 软件曾让我们耳目一新，并且i n t o u c h 提供了丰富的图库。但是，早期的i n t o u e h 软件采用b d e 方式与驱动程序通信，性能较差，最新的i n t o u c h7 0 版已经完全基于3 2 位的w i n d o w s 平台，并且提供了 o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 支持。 ) f i x ：i n t e l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，1 9 9 5 年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公 司f i x 6 x 软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序( 需单独购买) 。i n t e l l u t j o n 将自己最新的产品系列命名为i f i x ，在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6 x 版 本并不完全兼容。原有的s c r i p t 语言改为v b a c v i s u a l b a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) ，并且在内部集成了微软的v b a 开发 环境。遗憾的是，i n t e l l u t i o n 并没有提供6 1 版脚本语言到v b a 的转换工具。在i f i x 中，i n t e l u t i o n 的产 品与m i c r o s o i 的操作系统、豫络进行了紧密的集成。i n t e l l u t i o n 也是o 擎c 组织的发起成员之一。i f i x 的o p c 上海交通大学硕士生学位论文 组件和驱动程序同样需要单独购买。 c i t e c h ：c i t 公司的c i t e c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t e c h 具有简洁的操作方式，但其操作方式更 多的是面向程序员，而不是工控用户。c i t e e h 提供了类似c 语言的脚本语言进行二次开发，但与i f i x 不同的是 c i t e c h 的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于c 语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 w i n c c ：s i m