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韶关冶炼厂1 l o k v 变电站综合自动化系统的研制 摘要 本文针对韶关冶炼厂l l o k v 变电站供配电系统的实际工程需要，结合国内外变电站 综合自动化技术目前的发展情况，设计开发了l l o k v 变电站综合自动化系统。主要完成 以下工作： 首先，根据系统供电配电实际情况及韶关冶炼厂l l o k v 综合自动化系统的要求，提 出了该系统设计原则；通过硬件的选型配置，软件、网络拓扑结构的设计，形成变电站 综合自动化系统的基本框架；通过对各逻辑层次的划分，明确系统的逻辑结构和各结构 的功能。其次，对变电站综合自动化中的一些软件关键技术进行深入的研究和开发，这 些关键技术包括：高性能多层数据库体系、智能化电气模拟图绘制软件、异构系统互连 与实时数据交换、基于w e b 模式的对外信息交换与共享平台、系统安全防护软件，结合 目前技术发展的趋势和本系统的实际需求，研制出符合系统要求的软件平台。最后，建 立了以r s 一4 8 5 和以太网为基础系统的变电站综合自动化网络，实现了实时数据和各种 信息的可靠传输，同时通过软硬件的结合，实现了人机对话及系统运行监控系统，为韶 关冶炼厂l l o k v 供配电系统打造了一个安全、稳定、经济的变电站综合自动化平台 该综合自动化系统目前已投入运行，运行结果表明，系统不仅响应速度快，数据传 输可靠、控制精度高，而且操作简单、可扩展性强、易维护，很好地满足了变电站综合 自动化的要求。 关键宇：变电站；综合自动化系统；网络通信；多层数据库体系；绘图软件 a b s t r a c t i nt l l i sp a p e r , t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e mo f1 l o k vs u b s t a t i o ni ns h a o g u a ns m e l t i n g p l a n ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fs u b s t a t i o n i n t e g r a t e x la u t o m a t i o ns y s t e mi n l a n da n da b o a r da n dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h e s u b s t a t i o n f o l l o w i n gm a j o rt a s k si sd o n e ： f i r s t l y , t h ed e s i g np r i n c i p a li sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h el o c a ls i t u a t i o n sa n dt h e d e m a n do ft h e1 1 0 k vs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t c mi ns h a o g u a ns m e l t i n gp l a n t t h eb a s a ls l l l l e t u r ea b o u tt h es y s t e mi sm a d et h r o u g ht h es e l e c t i o no ft h es u i t a b i ch - d w l r e a n dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dn e t w o r k i ti sn e e d e dt oc o m p a r t m e n t a l i z ei t s1 0 9 i el a y e r s a n dt ou n d e r s t a n di t sl o g i es t r u c t u r ea n df u n c t i o n s e c o n d l y , i t sd e e pr e s e a r c ha n dd e s i g ni s f i n i s h e da b o u ts o m ek e yt e e l m 0 1 0 9 i e so ft h es o f t w a l ef o rt h es y s t e m 1 1 1 e s ci n c l u d et h eh i g h c a p a b i l i t yo f m u l t i 1 a y e rd a t a b a s es y s t e m , t h es o f t 、v a r eo f i n t e l l e e t u a l i z e de l e c t r i c a ls i m u l a t i o n d r a w i n g , t h ei n t e r l i n k a g ea n dt h er e a lt i m ed a t ae x c h a n g eo ft h eh e t e r o i o g ys y s t e m , t h ed a t a e x c h a n g ew i t he x t e r n a la n dt h es h a l ep l a t f o r mb a s eo nw e bp a t t e r n , a n dt h es o f h v a mo f s y s t e ms u p e r v i s i n g 1 1 s o f t w a r ep l a t f o r mi sm a d et of e l li nw i t hs y s t e md e m a n do nt h eb a s i s o fc u r r e n td e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yo ft e e h r t i q u e f i n a l l y , an e ti sb u i l tu pf o rt h ei n t e g r a t i o n a u t o m a t i cs y s t e mb yu s i n gw i t hi 峪- 4 8 5f i e l db u sa n de t h e m e t i ti sr e a l i z e df o rr e a lt i m ed a t a a n di n f o r m a t i o nt ot r a n s m i tr e l i 曲i v ni si m p l e m e n t e dt oh a v et h ea b i l i t yf o rm a n - n a l a i n e d i a l o g u e ，a n dh a v et h es y s t e mf o ro p e r a t i o na n dm o n i t o r i n gt h r o u g ht h ec o m b i n i n go ft h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a l e as a f e ，r e l i a b l ea n de c o n o m i ci n t e g r a t i o na u t o m a t i cp l a t f o r mi s r e a l i z e df o rt h es y s t e mo f1 1 0 k vd i s t r i b u t i o ns y s t e mi ns h a o g u a ns m e l t i n gp l a n t n o w , t h i ss y s t e mi sa p p l i e di nt h ef a c t o r y 1 1 地r u n n i n gs t a t ei n d i c a t e st h a tt h es y s t e mn o t 0 , 1 1 yi na c c u r a t ec o n t r o l ，s m a r tl t c s p o n s l ：a n dr e l i a b l ed a t at r a n s m i t , b u ta l s oe a s yt oo p e r a t e , e x t e n da n dm a i n t a i 几i ts u f f i c i e n t l ys a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fs u b s t a t i o ni nt h ei n t e g r a t e d a l l t o m a t i o n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ； m u l t i l a y e rd a t a b a s es y s t e m ；s o f t w a r eo f d r a w i n g i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名留懈 日期：灿砗。月r 日 ，t l 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 期夕7 年p 月倍自 期仑叻年，。月秽e t 第1 章绪论 企业变电站直接为生产提供电源，是电力系统的一个重要环节，其安全优质经济运 行要求变电站实行综合的调度控制和管理的自动化。变电站综合自动化系统是由多个子 系统组成的有机整体，缺一不可，它将变电站的继电保护、控制、测量、信号和远动等 综合为一体，是一项涉及范围广、实现难度大的系统工程。变电站实现综合自动化，由 计算机完成运行监视、控制、保护、正常操作和顺序事件记录等功能，由通讯网络实现 信息交换，近年来已成为提高变电站自动化水平的发展方向。企业变电站能否正确运行 关系到整个企业生产的运行和安全问题。因此企业变电站的监控和保护具有十分重要的 意义“。 1 1 变电站综合自动化概念、现状及趋势 1 1 1 变电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化系统是一项多专业性综合技术，是电网运行管理中的一次变革。 它是将变电站的二次设备( 包括控制、测量、保护、自动装置及远动装置等) 经过功能 组合和优化设计，利用计算机技术、现代通信技术，对变电站执行自动监视、测量、控 制和协调及微机保护的一种综合性的自动化系统。 变电站综合自动化可以采集比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和 判断能力，监视和控制变电站内各种设备的运行及操作。变电站综合自动化将现代微机 保护技术、基于网络的遥测、遥控、遥信技术、视频技术、数据库技术、光电子技术等 紧密结合，利用网络化的通用硬件平台和层次化的结构软件平台，把变电站综合自动化 系统打造成一个基于分层分布式网络的实用化、简易化、智能化系统，从而实现广范围 深层次的企业信息集成，以及对各层次数据资源的充分挖掘利用。它的出现为变电站的 小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可靠、优质、经济运行提供了数据采集及 监控支持，在其基础上可以实现高水平的无人值班变电站管理。可以说，一个完整、先 进、可靠的变电站综合自动化系统，是实现一个高水平的电网调度自动化的基础。 1 1 2 变电站综合自动化的研究现状 国外变电站综合自动化系统的研究工作始于7 0 年代，最早是用微机型远动装置代 替布线逻辑型的远动装置：同时供配电系统监控系统的功能在扩大，供电网的监控功能 正以综合自动化为目标迅速发展。如1 9 7 5 年日本用于供配电系统的s d c s 一1 数字控制 系统。8 0 年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和公司越来越多，如德国西门子 公司研制生产的l s a 6 7 8 系统；美国a b b 公司研制生产的s c s l 0 0 、s c s 2 0 0 供配电系统综 合自动化系统我国供配电系统微机保护及综合自动化的研究始于8 0 年代中期，但真 正意义上的综合自动化系统的研究还刚起步，在实际工程应用中还存在很多问题，主要 表现在：缺乏统一化、全局化的系统设计，以一种“拼凑”功能的方式构成系统，使整 塑：丝丝! 尘! ：茎皇兰堡窑窒窒些量丝墼些型 个系统性能指标不高，部分功能及系统指标无法实现；功能重复建设，增加了投资使 现场造成复杂性，影响系统的可靠性：工程设计缺乏规范性的要求，从而导致符系统的 联调时间长，对将来的维护及运行部带来了极大的不便，进而影响了变电站自动化系统 的投入率。 对于系统硬件的组织结构，变电站综合自动化的发展分为三个阶段：第一阶段：面 向功能设计的集中式r t u 加常规保护模式，第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置 加微机保护模式，第三阶段：面向间隔、面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 的分层分伽式结 构模式。现在普遍趋于采用分层分布式结构，该结构一般采用工业现场总线r s 4 8 5 及 c a n 工业局域网，对工业现场、执行机构实现分级控制管理，使数据采集与机械控制实 现集散控制集中管理，真正做到控制过程的实时在线，完成柔性化管理。并且分层分布 式系统有很好的兼容性、可靠性和可观测性，且互换性强，容易优化”1 。 国内供配电系统综合自动化的现状是：从全局来看，发展水平不尽相同，在国内各 地区，供配电系统自动化水平也参差不齐。总的看来，沿海经济开放地区发展速度较快。 内陆地区虽比不上沿海经济区的发展速度，但在自动化方而也取得了很大进展。为了进 一步提高电力自动化水平，各省局目前也在逐步扩大无人值守二次变和2 2 0 k v 供配电系 统综合自动化试点范围，这些都将推动各省供配电系统自动化的迅猛发展。 从有关供配电系统自动化产品方面看，国内目前己有众多厂家能生产微机远动、微 机保护等设备，绝缘在线监测及微机故障处理设备也不断涌现，大部分都己达到能投入 实际运行的水平，有些产品如微机保护己跻身国际先进行列。综上所述，目前国内供配 电系统自动化工作正处于飞速发展、蒸蒸日上阶段。 但目前的自动化水平还远远不能满足要求，我们还必须考虑电力系统自动化今后的 发展趋势。根据对国内有关此方面材料介绍及调查所掌握的情况，供配电系统自动化今 后应向综合化方向发展，即所谓供配电系统微机保护及综合自动化。目前国内己有相当 多的生产厂家着手做这方而的工作，普遍认为适合我国国情发展方向，是提高供配电系 统自动化水平的有效途径，同时也是实现无人值守二次变的基础。因为供配电系统综合 自动化包含整个供配电系统的所有监测、监控信息，所以它能满足无人值守供配电系统 的要求。 1 1 3 变电站综合自动化的发展趋势 微机实时技术、计算机网络通讯技术在电力系统变电站中的应用为变电站控制自动 化、管理信息化、实时信息共享、提高变电站的安全性、可靠性开辟了新途径。利用微 机实时技术对变电站的模拟量、开关量、脉冲量等信号进行集中监视，将保护、监视、 控制、远动等功能统一协调，建立高性能监控系统，已经成为变电站综合自动化的发展 趋势。供配电综合自动化技术的发展方向主要从以下几个方面展开嘲： ( 1 ) 系统从集中控制、功能分散型向分散( 层) 网络型发展。 传统的远动及站级监控系统，故障录波等设备和系统是按功能分散考虑的。现在的 2 硕i 学位泛土 发展趋势是从一个功能模块管理多个电气单元或问隔单元向。个模块管理一个电气单 元或1 日j 隔单庀实现地理位置高度分散的方向发展。这样，自动化系统故障时对电网可 能造成的影响夫人减小自动化设备的独立性、适应性更强。 ( 2 ) 控制与保护的实现由专用设备发展到通用平台。 传统方式中，每个控制或保护功能都为专用设备，种类也多。现在计算机技术的发 展使设备的功能仅由软件决定，硬件因i o 所要求的数量而异。7 r 发通用、标准、灵活 的硬件和软件平台，能够适用于所有保护和控制，使得系统具有丌放性和数据一致性的 特点并且遵循国际标准，便于不同厂家相互接口和维护操作。 ( 3 ) 控制的方式从传统控制向综合智能化方向发展。 传统控制萨朝着综合智能控制发展，主要表现为电气设备的小型化已向机电一体化 方向发展以及控制和保护的整体化。将控制、保护系统与一次设备就近安装在一起，并 且向着智能型装置发展。采用光纤通信，计算机c r t 显示或大屏幕显示逐渐取代传统的 模拟屏使得调度( 控制) 中心对电网调度管理的控制性能增强，并且操作更方便、更 可靠。 ( 4 ) 从室内型向户外型演变 由于被控对象多在户外，因此要求控制设备、保护设备按一次间隔单元分散安装或 现场安装，这就是通常所指的户外型r t u 和间隔级i o 单元，以及分散型单元保护装置。 ( 4 ) 从单纯的屏幕数据监测到多媒体监视 计算机控制、信息处理及通信技术的发展，将使计算机监控从静、动态实时数据向 声、像辅助监控等多方位发展以适应电力系统的需要，特别是电力市场的需要 ( 5 ) 电力自动化系统安全体系不断升级。 安全体系是整个电力自动化系统运行的保障。随着对电力信息访问越来越公开化以 及i n t r a n e t i n t e r n e t 接入，强大的安全管理机制显得越发重要。因此，电力自动化系 统的安全问题显得尤其重要。 ( 6 ) 系统数据信息存储体系不断优化。 自动化系统的数据存储体系关系到整个供电系统信息交互的安全，进而影响整个电 力系统运行安全。因此，如何建立一个优良的电力信息存储体系也得到整个电力技术行 业的广泛关注，国内外现在有很多专业公司及技术机构对此进行了相关研究，同时也推 出了自己的产品。 ( 7 ) 系统信息交换、共享范围逐步扩大。 电力自动化系统并非一个孤立系统，需要与其他系统相互交换信息、共享数据，因 此，随着整个电力系统不断扩容必定会使得系统信息交换、共享范围逐步扩大。目前， 各种网络技术、信息交换技术逐步在电力企业生产中得到广泛应用，并己取得相当的成 果，如何使信息资源得到更为充分地利用己成为整个电力行业发展所关心的重要问题。 叼足蒲慷j1 l o k v 变电站综合自动化系镜的f - ”：训 1 2 课题研究的背景 随着我国国民经济的持续发展，电力工业的装机容量和用电量的大幅度增加，电网 不断扩大，对用电质量和可靠性要求也越来越高。变电站的安全与经济运行已经成为电 力系统安全经济运行的重要组成部分。因此对它们的综合自动化水平要求越来越高。与 此同时，在技术发展发面。由于微机保护技术的广泛应用，各种硬件设备的成本降低，测 控设备种类的极大丰富，再加上现场总线技术发展迅速，以其适应恶劣的工业环境等特 点在变电站自动化中得到应用，这使得变电站综合自动化技术的发展得到很大提高。 特别是近年来计算机软硬件技术的飞速发展，w i n d o w sn t 操作系统的推出，高性能 的系统微机( 奔腾i v 代微机) 的出现，为新一代发电厂计算机监控系统的开发提供了坚 实的技术基础”1 。这种基于w i n d o w s 平台，采用分布开放式系统结构，集成所有的监控功 能的系统为发电厂综合自动化提供了完整的有效信息，从而更好地为电站生产和管理服 务，全面提高自动化运行和管理水平，提高生产率和经济效益，并有助于提高电网的自动 化运行水平和经济水平。因此，使用全分布开放式计算机监控系统将是中国厂站监控技 术的发展方向。 企业变电站作为整个电网中一个节点，担负着电能传输、分配的监测、控制和管理 的任务。变电站继电保护、监控自动化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、电厂) 具体实施和保障电网的安全、稳定、可靠运行。 因此，变电站自动化是电网自动系统的一个重要组成部分。作为变电站自动化系统，他 应确保实现以下要求： ( 1 ) 检测电网故障，尽快隔离故障部分；( 2 ) 采集变电站运行实时信息，对变电 站进行监控、计量和控制；( 3 ) 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考；( 4 ) 实 现当地后备控制和紧急控制；( 5 ) 确保通信要求。 因此，要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内设备进行统 的监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、有效的信息交换、 共享，优化电网操作，提高电网安全稳定水平，提高经济效益，并为电网自动化的进一 步发展留下空间。 传统变电站中，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足上述要求。例如： ( 1 ) 传统二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多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 ) 二次设备主要依靠大量电缆，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 ) 由于上述两个原因，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要求。 ( 5 ) 电磁式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。有些设备易受环境的影响，如晶体管型二 4 岫f j 位硷文 次设备，其工作点会受到环境温度的影响。 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，相互之日j 协调 困难，需要值班人员比较多的干预，难f 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，即便如此仍然存在设备故障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，发生和出现有试验人员过失引起的故障。 发展变电站综合自动化的必要性还体现以下几个方面“1 ：一、随着电网规模不断扩 大，新增大量的发电厂和变电站。使得电网结构日趋复杂，这样要求各级电网调度值班 人员掌握、管理、控制的信息也大量增长，电网故障处理和恢复却要求更为迅速和准确： 二、现代工业技术的发展。特别是电子工业技术的发展，计算机技术的普遍应用，对电 网可靠供电提出了更高的要求；三、市场经济的发展，使得整个社会对环保要求提高， 这样也对电网的建设、运行和管理提出许多要求。现代控制技术的发展，计算机技术、 通信技术和电力电子技术的进步与发展，电网自动化系统的应用，为上述问题提供了解 决的方案。这些技术的综合应用造就了变电站综合自动化系统的产生和发展。 本课题研究对象来自韶关冶炼厂供电配电系统改造项目。该厂由于生产工艺需求要 扩展至3 0 万吨，原有的供电系统继电保护都由传统电磁式继电器组成，通讯和整个系 统管理在硬件上还处于比较落后状态，为了适应扩产需要，需对韶关冶炼厂供电配电系 统进行技术改造。韶关冶炼厂供电配电系统的中高压部分包括1 l o k v 站，一系统中央配 电室、第二配电室、二系统硫酸配电室、韶冶电站，我们负责l l o k v 站的综合自动化系 统建设，并把一系统中央配电室、第二配电室、二系统硫酸配电室、韶冶电站的实时运 行数据( 如变电站电气设备的电流，电压、有功功率、无功功率、功率因数等各项参数) 集成到l l o k v 站中以便于管理操作人员的管理，同时对高压开关进行远程监视和控制。 基于现代计算机技术，网络通信技术，微机技术的发展，和实验室长期在企业供配电系 统方面的研究，我们为韶关冶炼厂建成一个智能化的供配电平台。 1 3 课题研究的主要研究内容 本论文首先分析了整个系统的需求和各项功能指标，结合企业变电站综合自动化目 前的发展情况，在确保稳定、可靠、保证完成时间的情况下设计了一套分层分布式的变 电站综合自动化系统，完成了系统各个功能要求并投入现场运行。具体有以下几个关键 点： 1 、建立分层分布式结构。采用工业现场总线r s 一4 8 5 及c a n 工业局域网，对工业现 场、执行机构实现分级控制管理，使数据采集与机械控制实现集散控制集中管理，真正 做到控制过程的实时在线，完成柔性化管理。并且分层分布式系统有很好的兼容性、可 靠性和可观测性，且互换性强，容易优化m 。 2 、建立现场电气模拟展示平台。集中反映供电系统现场运行工况，从而实现对现 场的远程监视。包括对现场一次侧、二次侧的电气物理状态的展示，对变电站的模拟量、 开关量、脉冲量等信号集中展现，对实时运行参数、潮流分布图、各种波形曲线、各种 报警与故障数据等方面信息的显示。电气模拟展示平台实现的核心技术在于如何实现供 5 韶关冶炼厂i l o k t 。娈l 乜站f ；含1 7j 动化糸坼删制 电系统的a r 视化，目前有两种常用的实现方法一种是采片jc c + + 、d e l p h i 等工具来开 发绘图系统将电力系统的常用元件做成相应的控件柬绘图另一种则是利用现在通用 的各种c a d 和c a m 软件采用面向对象的方法从这些通用软件所提供的各种基类中派生 出绘制图形所需要的自定义类，用这些自定义类生成实例对象来绘制图纸。我们采用利 用d e l p h i 软件柬开发绘图系统的办法，建立电气模拟平台。 3 、建立系统安全体系及后台监控体系，保证变电站供电系统的安全。运用人、技 术、管理等因素所形成的预警能力、保护能力、检测能力、反应能力和恢复能力，保证 网络基础设施、网络边界、计算环境和支撑性基础设施，在信息和系统生命周期全过程 的各个状态下提供适当的安全功能，从而保障各项工作的效率和效益，促进信息化的可 持续健康发展。 4 、建立数据库。数据库关系到整个供电系统的数据信息传输、交换与存储。系统 中数据结构设计的优劣直接影响到系统的规模。功能展现，开放性和实时性指标，对提 高整个系统的工作效率，保证系统的稳定运行起到至关重要的作用。系统数据库结构以 往由实时数据库和历史数据库两部分构成，现在出现的内存数据库以其存储速度上的优 势也逐渐被应用到电力自动化系统的数据存储体中，与实时数据库和历史数据库配合使 用。本系统即采用内存数据库、实时数据库、历史数据库的三层数据库结构。 5 、异构系统互联与实时数据交互的研究。在供电系统中，由于企业不同部门对管 理工具的需求存在层次性，信息化很多是从一些局部、简单应用做起来的，由于需求、 技术发展等各种方面的原因，各部门通常在不同的阶段采用不同的技术和体系结构来构 建自身的相互独立的应用信息系统，这样企业内部就不可避免的存在着各种系统共存的 局面。在企业内部，除了新建的系统外，还存在着各种类型的异构系统，有计算机体系 结构不同的异构系统；数据库不同的异构系统等等。为了进一步提高企业的管理效率， 降低企业运营成本以及加强企业竞争能力，需要对企业内部各部门不同的系统进行整 合，屏蔽数据源的一切细节，使用户不必关系各应用系统的数据库结构、采集点的位置 和系统实现的具体细节，为用户提供完全透明的、智能的、统一的信息访问接口。在必 要的情况下，使用户的查询能够被分解到多个不同的数据源执行，然后综合所有的查询 结果为用户返回完整、正确的答案，方便上层的正确决策。 6 、系统与外界的信息交换与共享。在系统安全允许范围内，利用网络平台为用户 提供远程数据服务，实施动态宽泛的数据交换与共享，并且开放系统的相关数据接口， 实现对二次数据资源的充分利用，在更宽范围、更高层次实现企业信息集成是现在电力 自动化系统设计是所追求的一大功能目标。 1 4 本文结构安排 本文第2 章详细介绍了综合自动化系统设计总体方案。首先讨论了变电站综合自动 化的系统结构模式的发展过程：从传统的面向功能设计的集中式结构，到面向功能设计 的分布式结构，发展到今天的面向对象的分层分布式结构。然后对系统的需求进行了分 6 坝| 7 ”论王 析最后采用分层分布式结构，对变电站综合f j 动化系统进行了总体结构的设计。 第3 章介绍了系统的硬件。硬件是整个系统的堆础性平台，系统硬件主要包括微机 保护装置、电力参数测控单元、工业计算机及其网络系统、模拟屏、g p s 授时系统，其 他外设等部分。 第4 章介绍了变电站综合自动化系统的软件。软件由多个功能模块组成，主要包括： 数据采集子系统、多样化数据展现子系统、设备管理模块、前置机管理模块、数据管理 模块、用户管理模块、操作票专家系统、报表系统、一次图绘制系统、时钟同步系统、 客户端服务系统等。对于其中四个关键的软件模块及其应用的关键技术和实现方法进行 了阐述。 本文的最后一章介绍了整个系统在现场的应用情况，直观地展现了系统的应用现 场。在韶关冶炼厂l i o k v 变电站投入试运行，系统一直运行良好，效果明显，能较好地 满足用户的要求。实践证明：整个系统的设计是可行的、正确的。 7 韶关冶炼fi i o k 尘l u 虬，1 1 j 川t 乐镜的研制 第2 章变电站系统设计总体方案 随着计算机技术、现代电子技术、通信技术平现场总线技术的不断发展和完善，变 电站综合自动化的水平也在不断的提高。变电站综合自动化的系统结构模式也由传统的 面向功能设计的集中式结构，到面向功能设计的分白式结构，发展到今天的面向对象的 分层分布式结构。 2 1 面向功能设计的集中式结构 8 0 年代及以前，是以r t u 为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统实际上是 在常规的继电保护及二次接线的基础上增设r t l 装置，功能主要为与远方调度通信实现 遥测、遥信，遥控、遥调等功能；与继电保护及安全自动装置的联结通过硬接点接入或 串行口通信较多。此类系统称为集中r t u 模式。集中式的系统结构按信息类型划分功能。 采用这类结构的系统其功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现， 信息是集中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统 中应用较多，图2 1 是一种较典型的集中式结构“3 。此类结构对监控主机的性能要求较 高，而且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较 差，抗干扰能力不强。 图2 1 集中式系统结构框图 集中式系统的主要特点有：( 1 ) 能实时采集变电站各种模拟量、开关量，完成对变 电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能；( 2 ) 完成对变电站主 要设备和进、出线的保护任务；( 3 ) 结构紧凑、体积小，可大大减少占地面积；( 4 ) 造 价低，尤其是对3 5 k v 或规模较小的变电站更为有利；( 5 ) 实用性好。 集中式的缺点有：( 1 ) 每台计算机的功能较集中若一台计算机出故障影响面大， 因此，必须采j j 双机并联运行的结构才能提高可靠性：( 2 ) 软件复杂修改工作量大， 系统调试烦琐：( 3 ) 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站软、硬件都必须 另行设计，工作量大：( 4 ) 集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观， 不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便。程序设计麻烦，只适合于保护逻辑 比较简单的情况。集中式结构存在诸方面的不足，因此随着微机技术的发展，综合自动 化系统的结构必须不断变革。 2 面向功能设计的分布式结构 该阶段始于9 0 年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置得 以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台或 调度端计算机。特点是继电保护( 包括安全自动装置) 按功能划分的测控装置独立运行， 应用了现场总线和网络技术通过数据通信进行信息交换。分布式结构则按功能设计， 如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其结构采用主从c p u 协同工作方式，各功 能模块如智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ，l e d ) 之间采用网络技术或 串行方式实现数据通信。分布式结构有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影 响系统其它模块正常运行。安装方式有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压 变电站。系统结构如图2 2 所示”。 e # 副一 7 匕竺二= l l il 网 嚣处l南南 l 保护控制处l 理 理机 卤乜d 函卣乜酉乜 麦送嚣开关位置开关控制t v 控嗣t v 控铺 设备状杏tat a 图2 2 分布式系统结构框图 2 3 面向间隔、面向对象( o b j e c t - o ri e n t e d ) 的分层分布式结构 该阶段始于90 年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用按 间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分 9 鼎足开i 哟| i _ h i 吨i u ； 为：含f 】曲化系统的研制 布式自动化系统。目前陶内外j ：流家均采用了此类结构模式。分层分布式结构系统从 逻辑上将变电站自动化系统划分为两j 厶即变电站层( 站级测控单元) 和间隔层( f a j 隔 单元) 。也可分为三层，即变电站层、通信层和日j 隔层。 分层分布式结构的特点是按照变乜站的元件、断路器间隔进行设计。将变电站一个 断路器间隔所需要的全部数据采集保护和控制等功能由一个或几个智能化的测控单元 完成。测控单元可直接放在断路器柜i ：或安装在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特 殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术的发展趋势，大幅度地减少了 连接电缆，减少了电缆传送信息地电磁干扰，且具有很高地可靠性，比较好地实现了部 分故障不相互影响，方便维护和扩展，大量现场工作可一次性地在设备制造厂家完成。 分层分布式结构如图2 3 所示。 分层分布式结构地主要优点有：( 】) 自j 隔层控制单元就地自动化、标准化使系统适 用率较高；( 2 ) 包含间隔层功能的单元直接定位在变电站的间隔上；( 3 ) 逻辑连接到组 态指示均可由软件控制：( 4 ) 简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积； ( 5 ) 简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆；( 6 ) 分层分布式结 构可靠性高，组态灵活，检修方便”3 。 图2 3 分层分布式系统结构图 2 4 变电站综合自动化工程设计 鉴于韶关冶炼厂ll o k v 变电站的实际情况和变电站综合自动化系统的各种结构形式 的优缺点，我们采用分层分布式结构，充分利用其优点来满足系统的要求。 2 4 1 变电站系统分析 韶关冶炼厂供电系统中高压部分包括l l o k v 站、一系统中央配电室、第二配电室、 二系统硫酸配电室、韶冶电站五部分。其继电保护装置均采用传统的电磁式继电器，系 统的通讯能力和整个系统的信息化管理水平处于比较落后的状态。如果工艺扩产至3 0 万吨能力，整个供电系统的继电保护、通讯和管理系统将不能满足生产的需要，因此必 1 0 硕j 学位论文 须对供电系统进行般造，以适应生产的需要，并提高变电站的自动化水f 和】f ? i 息化管理 水平。 2 4 1 1 系统设计要求 按照系统设计要求，智能监控系统采用分层分布式体系结构，整个系统分为三层： 中心管理层、站级管理层、问隔层。本工程的目的是建设自动化的韶冶供电系统，该系 统必须具有以下功能： 前台功能： ( 1 ) 模拟屏显示功能。需要一块如图2 4 所示的模拟屏，向用户提供丰富的展现 内容，以分层递进的方式进行展现。能实时刷新全站主接线图，包括断路器状态和隔离 开关状态：实时刷新单回路接线图及运行参数：显示各种曲线，如负荷曲线、电压棒图、 电流棒图等：测量表格和计量表格和相应的测量值和计量值，并实时刷新：优先显示事 故发生时间，所属设备及事故性质；各种调试、编辑等功能画面；显示本站概况、运行 规程、操作指导模拟等内容，显示时钟、日历、周波和安全运行天数。展现形式灵活多 样，操作员可以直观地监视到系统运行参数的实时值、运行状态、波形走势，以及相似 参数的对比。 围2 41 l o k v 变电站一次接线图 ( 2 ) 人机接口。人机接口监视器、鼠标和功能键提供灵活的人机交换联系，能提 供正常的运行显示，能调用各种数据、报表及运行状态图、参数图等画面。 ( 3 ) 事故报警。在系统发生事故或运行设备工作异常时，能进行音响报警，显示 器进入事故画面，画面上事故相应块闪光报警，指出事件的性质和异常参数值。 ( 4 ) 技术统计和制表fj 印。根据运行要求进行电流、电压功率、电度量的整点 抄表、累计，设备的运行 ：况、时川统计，以及合格率、负荷率等技术统计。能定时打 印各事故、测量、计量报表、分时报表、班报表、日报表、月报表、年报表等。如每同 打印8 小时日志，每月最后一天打印当月报表，每年最后一天打印当年报表。还叮打印 重合闸次数、成功率、断路器动作次数等统计数据。 ( 5 ) 操作票系统。根掘调度中心提供的典型操作票，可进行操作票的编辑，打印。 ( 6 ) 进行系统维护及人员培i j i i 。可提供在线、离线软件，用于维护监控系统和人 员培训。 后台功能： ( 1 ) 高速数据采集、存储和处理能力。定时采集系统生产过程中的各类信号( 包 括开关量、模拟量、脉冲量) ，经滤波，检出事故、故障，状态变位信号和模拟量参数 变化，实时更新数据库，为监控系统提供运行状态数据。将继电保护、自动装置的动作 和断路器的跳合闸动作顺序记录，事件分辨率小于2 m s 。如图2 4 为变电站的一次图， 需监视电气设备的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、正反 相有功电度、正反相无功电度，共有7 3 8 个量。并显示断路器、上下刀闸开关、隔离开 关等开关量，系统共有2 1 2 条支路。电气和非电气模拟量可设置限值，当超越限位时发 出报警。当某些事件产生时，启动相关事故追忆记录，输出事故前后一段时间内的模拟 量值，追忆数据的测点和周期可定义。接收脉冲电度表输出的信号，进行电度表读数累 计，。再根据峰、平、谷时段分时累计。并能对数据库进行管理，自动进行数据稀疏，保 留有效数据，删除过期无用数据。 ( 2 ) 控制操作。各单元柜( 控制箱) 安装有现地远方切换开关及跳合闸操纵按钮， 可现地操作。也可经后台机的鼠标或键盘执行对站内断路器控制，执行某单元断路器的 送停电、倒闸操作等各种顺序操作，在控制操作中实现安全操作闭锁功能。 ( 3 ) 微机保护。整个微机保护系统由主变压器保护、电动机保护、线路保护、电 容器保护、电压切换装置、母联保护等组成，构成完整的变电站成套保护。 ( 4 ) 系统与监控中心进行对时、通讯，并与系统内其它智能设备进行通讯。一系 统中央配电室、第二配电室、二系统硫酸配电室、韶冶电站能能与监控中心进行对时、 通讯，完成事件记录、遥信、遥测、遥控等功能。与变电站内其它智能设备进行通讯， 并能在监视器上实时显示其数据和工作状态。 ( 5 ) 系统自诊断功能。分布式单元机箱和计算机监控系统具有在线自诊断功能， 并能报警。保护单元自诊断出错时闭锁保护，同时报警。上层单元对下层单元通过通讯 进行互检。自动连接数据库：防止各工作站的数据库被偶然或者恶意关闭。 ( 6 ) 安全防护管理。负责系统安全，防止恶意程序侵犯。 ( 7 ) 异构系统互连：系统各种单元进行实时数据交换，系统数据统一发布、接收 解析、映射转换，统一管理访问。 ( 8 ) 利用网络平台为用户提供远程数据服务。建立一个基于w e b 模式的对外信息 交换与共享平台，开放系统的相关数据接口，实现对二次数据资源的充分利用。 1 2 坝i 7 _ 沧卫 2 4 1 2 设计内容分析 建设韶关冶炼厂1 l o k v 站综合自动化系统的日的是建设自动化的韶冶供电系统，将 韶冶供电系统拓展为一个开放式的系统提高韶冶供电系统的网络化、信息化水平，并 进一步保障韶关冶炼厂供电系统的安全、稳定，可靠运行，降低运行维护成本。 韶关治炼厂l l o k v 站综合自动化须提供一套完整的变电站智能化监控系统，它将完 成对变电站内主要设备和输配电线路的自动监视、测量、控制、保护、以及与上级系统 通信等综合性自动化功能，实现高、中、低压设备智能化监控的集成。监控系统遵照“分 层分布、面向对象”的设计原则，立足于“实用化、简易化、智能化”的目标，采用实 用简易的中文图形人机界面，开展各类业务支撑应用；实现微电子控制技术、网络通讯 技术与电力设备的紧密结合；通过高速的分层数据库存储与信息交换技术集成各类数据 资源，使用可扩展数据库来支持各不同等级用户的各种应用；利用网络功能实施动态数 据交换，开放系统相关数据接口，实现二次数据资源的充分利用，在更广泛、更高层次 的范围内实现企业信息集成。韶冶供电配电综合自动化系统分为三个层次的建设内容： 中央管理层、站级管理层和间隔层。系统主要建设内容如下： ( 1 ) 硬件平台 ， 硬件平台是整个系统的基础平台。硬件平台的建设本着安全、可靠、开放、实用的 原则，实现韶冶供配电系统电气设备的高精度模拟量和开关量的采集与系统运行的远程 实时监控，执行相应的监视、测量、控制、保护一体化功能。整个变电站硬件系统平台 主要包括智能电力仪表单元、微机保护装置、工业计算机及其网络系统、模拟屏 f o p s 授时系统、及其他外设等部分。 智能电力仪表单元可进行高速精确的模拟量和开关量的电气参数采集，可实现全面 有效的自诊断功能，出现故障可及时报警，并报告故障类型及故障点，这将给系统维护 带来极大的方便。系统采用当下流行的现场总线技术，各智能单元均具有独立运行的能 力，并不完全依赖于上位机的运行。在上位机故障或失效的情况下，各智能单元仍可独 立运行并执行预定功能，甚至可