基于MCGS组态软件的变电站监控设计毕业论文.doc

基于MCGS组态软件的变电站监控设计摘要:随着煤矿企业机械化水平的提高,井下电气设备愈来愈多,煤矿井下供电系统安全性日益突出。煤矿井下变电所主要由中央变电所和若干个采区变电所组成。井下区域变电站是井下各分采场的枢纽，直接影响矿井的生产和安全。目前变电站内设备巡视和操作全部靠人工操作，地面调度人员对变电站的运行信息完全依靠值班员电话传递，不能直观快速的了解控制变电站的运行状况，尤其是出现掉电事故时就刚为明显。为了提高井下供电的安全性，对井下供电系统的运行状态实现实时跟踪，便于及时发现问题，迅速处理，开发了煤矿井下变电所监测监控系统。该监测监控系统结构简单，实施方便，维护简单，工作量小，可实时监测井下每个变电所开关的运行状态，还能进行地面遥控开关的分、合闸及漏电试验等操作，实现变电所无人值守。本文以煤峪口矿井下变电站为背景，比较了各种组态工具软件的优缺点，分析了监控组态软件的发展过程，提出了一种简单的基于MCGS软件的井下变电站监控设计方案。在MCGS基础上设计确定开发方案，列出监控的画面层次，具备变电站监控系统的基本功能。在主界面上，能显示实时数据和信息，也可以对各种设备进行监控和操作。当变电站或开关设备发生故障，会弹出提示进行报警等。可以基本实现对整个变电站运行情况的监控。最后，对本论文论述的这套系统做了总结和展望。关键词：井下变电所；监控系统；组态工具软件;MCGS 目 录第一章 引言11.1变电站监控系统主要发展阶段及应用现状11.1.1变电站监控系统主要发展阶段11.1.2 变电站监控系统应用现状21.2 发展变电站监控系统的必要性21.3 课题来源及内容31.4 论文组织结构6第二章 矿井变电站监控系统的分析82.1矿井变电站综合自动化对监控系统的要求82.2 常规矿井变电站监控系统的状况及缺点92.3 矿井变电站综合自动化监控系统的提出及其优点92.4 矿井变电站综合自动化监控系统基本结构及组成102.4.1 矿井变电站综合自动化监控系统基本结构102.4.2 矿井变电站综合自动化监控系统结构112.5 矿井变电站综合自动化监控系统的主要功能162.5.1 数据采集与处理功能162.5.2 控制操作功能172.5.3 报警及处理功能182.5.4 人一机联系与运行管理功能18第三章 组态软件203.1 组态软件概述203.2 组态软件的发展情况203.3 MCGS组态软件简介213.3.1 MCGS组态软件的系统构成223.3.2 MCGS组态软件的功能和特点233.3.3 MCGS组态软件的工作方式25第四章 基于MCGS组态软件的矿井变电站监控系统的实现264.1 建立井下监控工程264.2 井下监控工程动画连接设置284.2.1 定义数据变量284.2.2 设置动画连接属性304.2.3 设置模拟设备314.3 报警显示与报警数据324.3.1 定义报警334.3.2 报警数据344.4 报表输出354.4.1实时报表364.4.2 历史报表384.5 曲线显示414.5.1 实时曲线414.5.2 历史曲线424.6 安全机制434.6.1 操作权限444.6.2 操作权限管理444.6.3 工程加密48第五章 基于MCGS组态软件的矿井监控系统的画面层次设计495.1 登录界面495.2 主界面515.3 报警显示界面535.4 数据报表界面545.5 曲线显示界面575.6 运行界面的其它功能58第六章 总结与展望60致 谢62参考文献63第一章 引言变电站监控系统是指在变电站内应用自动控制技术、信息处理、传输技术和计算机软硬件等技术实现对变电站二次设备(包括测量仪表、控制系统、信号系统及远动装置等)的功能进行重新组合和优化设计，对变电站内主要电气设备的运行情况进行监视、测量、控制和协调，减少或代替运行值班员对变电站运行情况的监视和控制操作，使变电站更加安全、稳定，可靠运行的一种综合性的自动化系统。变电站监控系统的主要功能是对变电站所有智能电气设备的监视和控制。它能进行变电站智能电气设备远动及遥测和遥信的功能。保证了变电站以后的正常运行维护以及工业企业生产中电气设备的正常运行。功能的重新组合和优化设计是其区别于常规变电站的最大特点,它以计算机技术为基础, 以数据通讯为手段,以信息共享为目标。由于监控系统比老式变电站的声光报警系统具有很大的优越性和可靠性，所以变配电站监控系统在已建变电站的应用中已经得到了充分的肯定，通过总结其使用的经验和分析存在的问题，为新建的装置变电站在综合自动化技术方面的使用提供参考，从而使该技术在变电站安稳供电工作中得到更好的应用。1.1变电站监控系统主要发展阶段及应用现状1.1.1变电站监控系统主要发展阶段变电站监视、测量和控制系统的形成和发展主要经历了以下三个阶段:(1)变电站传统的监视。测量和控制系统阶段由各种继电器，测量仪表，控制开关、光字牌、信号灯、警铃、喇叭及相关一次设备的辅助触点通过导线，并根据特定逻辑关系连接，构成变电站的二次回路，实现变电站的监视、测量、告警和控制功能。变电站值班人员定时记录盘表测量值，并用电话告知远方调度值班人员。(2)变电站传统的监视、测量和控制系统的改进阶段随着电网的发展，变电站传统的监视，测量和控制系统不能满足安全稳定运行的要求。远方传输系统(简称远动系统)应运而生。除传统的监视，测量和控制系统外，变电站增加了一套远动终端装置(R1m)。变电站端RTU自动采集相关的测量量，主要设备的状态量和信号量，通过电力通信网将这些量传送给远方调度端的远动装置，并在调试屏上显示，实现对变电站的遥测和遥信功能。远方调度值班人员也可通过远动系统，将控制和调节命令传送给变电站端RTU，实现对断路器和变压器的“遥控”和“遥调”。(3)变电站监视、测量和控制系统阶段随着计算机技术、通信网络技术和现代控制技术的快速发展，变电站监视、测量和控制系统(简称监控系统)异军突起。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RTU合二为一，实现了软硬件和信息资源共享。1.1.2 变电站监控系统应用现状随着工况企业电网结构的日趋复杂，变电站作为系统的重要组成部分，其运行的经济性、安全性和可靠性变得越来越重要。监控软件作为变电站综合自动化系统的重要组成部分，集数据采集、显示、控制、通信等功能于一体，是变电站综合自动化监控系统的最终实现工具。随着计算机技术和通信技术的发展，人们对电力监控系统的要求越来越高。因此，开发专用的变电站监控组态软件成为满足变电站自动化技术发展的必然选择。运用变电站监控组态软件，变电站工作人员只需要简单地进行相应的参数组态工作，就能够实时、直观了解和监控整个变电站设备的运行情况。目前，国产化的变电站综合自动化监控系统在工况企业中运用的已经很多，但仍然存在障碍，其主要原因如下：（1）由于设计院对传统的继电器控制保护系统有长期的运行、设计和维护经验，故一般认为老系统的可靠性高；（2）国产化的变电站综合自动化监控系统目前在国内尚未普及，仅在个别地区供电部门的大力推荐下，在当地的一些变电站中开始尝试这一新技术；（3）进口的变电站综合自动化监控系统价格昂贵，只有部分大型新建的并由外资贷款的工程，由于外方对技术水平的要求，全套引进这部分的技术设备；（4）目前操作人员的素质不高，对新系统缺乏了解。由于以上一些原因制约了变电站综合自动化监控系统在变电站的发展和运用。1.2发展变电站监控系统的必要性随着科学技术的不断发展，计算机已渗透到了世界每个角落。电力系统也不可避免地进入了微机控制时代，变电站综合自动化监控系统取代传统的变电站二次系统，已成为当前电力系统发展的趋势。在系统设计思想方面,完整的变电站综合自动化系统除在各控制保护单元保留紧急手动操作跳、合闸的手段外，其余的全部控制、监视、测量和报警功能均可通过计算机监控系统来完成。变电站无需另设远动设备，监控系统完全满足遥信、遥测、遥控、遥调的功能以及无人值班之需要。在系统功能方面，系统与用户之间的交互界面为视窗图形化显示，利用鼠标控制所有功能键等标准方式，使操作人员能直观地进行各种操作。一般来说，系统应用程序菜单为树状结构，用户利用菜单可以容易到达各个控制画面，每个菜单的功能键上均有文字说明用途以及可以到达哪一个画面，每个画面都有报警显示。把微机保护系统与传统保护系统相比较，传统的保护系统与微机保护装置系统的主要区别，在于用微机控制的多功能继电器替代了传统的电磁式继电器，并取消了传统的信号屏等装置，相应的信号都输入至计算机。为便于集中控制，采用集中式设计将所有的控制保护单元集中布置，整个变电站二次系统结构非常简单清晰，所有设备由微机保护屏、微机采集屏、交直流屏和监控系统组成。屏柜的数量较传统的设计方式大量减少。由于各种微机装置均采用网络通讯方式与当地的监控系统进行通讯而不是传统的接点输出到信号控制屏，因此二次接线大量减少。同时由于采用了技术先进的当地监控系统来取代占地多、操作陈旧的模拟控制屏，使得所有的操作更加安全、可靠、方便。总的来说，随着科学技术的不断发展，变电站综合自动化系统取代传统的变电站二次系统，已成为电力系统的发展趋势。1.3 课题来源及内容本课题来自同煤集团煤峪口矿井下变电站，研究对象为该变电站监控软件设计。该变电站原始资料如下：本矿井为低瓦斯矿井，矿井设计能力为年产240万吨，在册职工人数为5000人。矿井年最大负荷利用时数为4500小时，当地电费0.5元/KW.H，基本电费按安装容量计收为5元/KVA.月。该矿历史悠久，但是变电站的监控和保护装置相对落后，具体表现在：1.变电站中继电保护仍然全部采用的是电磁继电器的保护，大部分继电器严重老化，保护动作不可靠，经常出现保护拒动和保护误动情况。2.站内直流系统严重老化，输出电压不稳定且波动大，无法保证变电站二次设备的直流供电的要求。3.由于保护和直流的陈旧，一旦设备出现故障和损坏也无法找到合适的零部件更换，造成设备瘫痪、无法运行。4.由于设备的信息化程度低，报警的自动化程度不完善，也带来一旦出现电力设备故障，值班人员和相关领导不能及时得知情况，不能做到故障的及时处理，严重影响电力设备的安全、正常运行。 如下图1-1、1-2为本次设计主要研究对象：图1-1煤峪口矿井下高压供电系统图图1-2新中央变电所供电系统图井下负荷统计:下列用电设备应按一级用电负荷设计，其配电装置必须由两回路或两回路以上电源线路供电。电源线路应引自不同的变压器和母线段，且线路上不应分接任何其他负荷： 1井下主排水泵；2下山采区排水泵；3兼作矿井主排水泵的井下煤水泵；4经常升降人员的暗副立井绞车；5井下移动式瓦斯抽放泵站；6风机。下列用电设备应按二级用电负荷设计，其配电装置宜由两回电源线路供电，并宜引自不同的变压器和母线段。当条件受限制时，其中一回电源线路可引自本条规定的同种设备的配电点处： 1暗主井提升设备、主井装载设备、大巷强力带式输送机、主运输用的井下电机车充电及整流设备；2经常升降人员的暗副斜井提升设备、副井井底操车设备、元轨运输换装设备；3供综合机械化采煤的采区变(配)电所；4煤与瓦斯突出矿井的采区变(配)电所；5井下照明；6不兼作矿井主排水泵的井下煤水泵、井底水窝水泵；7井下运输信号系统；8井下安全监控系统分站。论文中用到了一些基本的技术参数如图1-3、图1-4： 图1-3干式变压器主要技术参数图1-4馈电开关主要技术参数该矿井下的负荷资料如下表：负荷名称电动机额定容量/KW设备台数设备容量/KW需用系数功率因数重要负荷率%安装工作安装工作水泵315/132/2.2558958950.850.8100绞车145.6/11.4333033030.850.8100风机160066320016000.90.9100照明5005000.80.9100皮带机30/70221001000.80.850表1-6 矿井下的负荷资料本设计要根据煤峪口矿井下变电站供电系统情况及有关要求，以新中央变电所为例简单展示了分层分布式变电站综合自动化系统并利用工业组态软件MCGS来实现监控系统基本功能的设计。由于本人专业知识很有限，且关于煤峪口矿井下变电站的资料掌握不够全面，该系统也不能实现实际的链接。该监控系统只能模拟整个系统的运行及功能的演示。本监控软件的设计目标为：（1）通过主接线图可以清晰的看到变电站的一次接线情况，并且可以直观的监控到整个变电站供电系统的状态和运行情况。（2）当某线路的运行不正常或操作不当时会弹出警告窗口，并对其进行事件记录。（3）对断路器和隔离开关的操作实现闭锁功能，并且提示正确操作，以减少操作人员的失误，避免事故。（4）设置监控屏，通过监控屏可以直观的读取一些数据。（5）出现事故时，会弹出提示界面，告之发生意外请求处理，进行报警确认。1.4 论文组织结构第一章 一、二节简单论述了变电站监控系统的主要发展阶段及应用现状，以及今后监控系统的发展要求。三节详细论述了课题来源和内容。第二章 详细分析了矿井变电站系统，叙述了常规矿井变电站的状况和缺点、矿井变电站对监控系统的要求、矿井变电站监控系统的提出及优点，还有设备及结构。最后一节，介绍了矿井变电站监控系统的功能。第三章 概述组态软件的发展，把MCGS与其它组态软件相比较，简述了MCGS组态软件。第四章 创建了新中央变电所的监控系统，包括建立井下监控工程、井下监控工程动画连接设置、报警显示与报警数据的设置、报表输出、曲线显示和安全机制。第五章 基于MCGS组态软件的监控系统的画面层次设计，包括登录界面、主界面、报警显示界面、数据报表界面和曲线显示界面。第六章 总结与展望。 第二章 矿井变电站监控系统的分析要对矿井变电站监控系统进行很好的分析，必须要了解整个矿井变电站监控系统是怎样的现状，而且要了解它的整个运行过程中是一个怎样的工艺流程。对矿井变电站监控系统有一个全面的了解后，就能得到变电站综合自动化监控系统的整体需求。本章先提出常规矿井变电站监控系统的状况及缺点，然后提出现代矿井变电站对监控系统的要求及现代矿井变电站监控系统的提出和优点。最后两节介绍了矿井变电站的基本设备、结构和主要功能。2.1矿井变电站综合自动化对监控系统的要求矿井变电站对计算机监控系统的要求是有很多方面的，主要有以下几个方面：1.先进性基本功能应能满足现场提出的检测，控制与通信的要求。总的原则是在技术上容许的条件下力求到先进水平（包括各项功能和技术经济指标）。2.可靠性对计算机监控系统来说，可靠性特别重要。计算机要能长期连续工作，要具有较强的抗干扰能力和自检自恢复功能。为了提高可靠性，要在硬件和软件两方面采取措施。硬件方面要选择可靠性较高的控制机，要有一个合理的结构，尽量采用标准化的功能模块，对接口的可靠性要给予特别重视。实践表明，在计算机系统的故障中接口的故障率是最高的。软件方面也要有一个合理的结构，力求按模块化，构结化的要求设计程序。在可靠性要求特别高的场合，要采用双机或双重化系统。3.实时性计算机监控系统对各种信息的采集和处理要满足实时性的要求，对现场各种状态要能及时响应。在控制方面，控制信号要能及时发出。为了达到上述要求，硬件上要采用转换 速度比较快的接口及比较完善的中断申请和优先排队电路，软件上要尽量缩短处理和运算 时间，对任务进行合理安排和调度，使重要任务得到优先处理等，也可提高实时性。4.适应性计算机要能适应系统各种运行情况。当系统运行情况发生变化时，要求通过简单的开关操作或改变某些特征标志和整定值就能适应。此外还有可扩充性和可维护性。2.2 常规矿井变电站监控系统的状况及缺点常规矿井变电站的二次系统主要由继电保护装置、就地监控仪表、远动装置、录波装置所组成。在实际应用中，是按继电保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织的，相应的就有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等。每一个一次设备，例如一台变压器、一组电容器等的保护测控功能均与以上这些屏体有连线，对于同一个一次设备，与之相应的各二次设备(屏)之间，保护与远动之间都有许多连线。由于各设备安装在不同的地点，因而变电站内电缆错综复杂。正是由于常规矿井变电站的上述情况，决定了常规矿井变电站存在着不少缺点：(1)安全性、可靠性不高。传统的变电站大多数采用常规的电气设备，尤其是二次设备中继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型和晶体管式，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断能力，只能靠定期检修或保护装置发生拒动、误动之后才能发现问题。(2)实时计算和控制性不高。传统的矿井变电站不能满足向调度中心及时提供运行参数的要求；一次系统的实际运行工况，由于远动功能不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心；而且参数采集不完整、不准确，变电站本身又缺乏完善的自动控制和调节手段，因此无法进行实时监控，不利于变电站的安全稳定运行。(3)维护工作量大。常规的继电保护装置和自动装置多为电磁型或晶体管型，其工作参数易受环境温度的影响，因此其整定值必须定期停电检验。 (4)占地面积大。传统的矿井变电站，二次设备多采用电磁式或晶体管式，体积大、笨重，因此主控室、继电保护室占地面积大。2.3 矿井变电站综合自动化监控系统的提出及其优点基于常规矿井变电站的上述状况，随着计算机技术的发展，变电站的装置都开始采用微机技术而形成独立的微机型继电保护装置、微机监控、微机远动、微机录波装置等等。这些独立的微机型装置尽管功能不一样，其硬件配置都大体相同。除微机系统本身外，无非是对各种模拟量的数据采集，以及输脯出接口电路，况且装置要采集的量和要控制的对象还有许多是共同的，因而设备重复、数据不共享、通道不共用、模板种类多、电缆依旧错综复杂等问题依然存在。于是，人们自然地提出这样一个问题： 在当今的技术条件下，能否跳出历史造成的专业框框，从技术管理的综合自动化来考虑全微机化的变电站二次部分的优化设计，合理地共享软件资源和硬件资源。这就是变电站综合自动化技术的由来。变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术， 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、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站实现综合自动化有如下优点： (1)在线运行的可靠性高。变配电站监控系统可以利用软件实现在线检测，具有故障诊断功能，同时对电力系统故障具有很强的综合分析和判断能力。利用有关的硬件和软件相结合技术，可有效防止干扰进入微机系统后造成的严重后果，使变电站的一次、二次设备运行的可靠性远远超过常规变电站。(2)易于发现隐患，处理事故恢复供电快。综合自动化系统可以收集大量的数据和信号，利用计算机高速计算和J下确判断的能力，将处理后的结果反映给值班人员，使值班人员尽快地发现问题，及时处理事故，尽早恢复供电。(3)变电站运行管理的自动化水平高。变电站实现综合自动化后，监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动完成，既提高了精度，又避免了人为的主观干预。综合自动化还具有与上级调度通信功能，可将检测到的数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌握各变电站的运行情况，大大提高运行管理水平。(4)减少控制电缆，缩小占地面积。变配电站监控系统由于采用计算机和通信技术，可以实现数据和信息共享，从而节省大量的控制电缆。同时由于硬件电路多采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，故可以缩小变电站的占地面积，减少变电站的投资。(5)维护调试方便。由于综合自动化系统中各子系统有故障自诊断能力， 从而可以缩短维修时间。微机保护和自动装置的定值可以在线读出和远程管理，便于定值的修改和调试。2.4 矿井变电站综合自动化监控系统基本结构及组成2.4.1 矿井变电站综合自动化监控系统基本结构变配电所监控系统运用到矿井变电站后,其设备由带有通讯接口的采集控制模块：多功能电力综合仪表、开关量采集模块、电流量采集模块、模拟量采集模块、继电器控制输出模块、通讯管理机、24V直流电源，低压电动机综合保护器、中压微机综合保护器以及中央监控主机等组成。中央监控主机是本系统的集中管理中心。一般安置在有人或无人值班的总值班室内，用于整个变配电系统的实时状态显示、参数统计、数据分析、历史记录、故障报警、控制、报表打印等。2.4.2 矿井变电站综合自动化监控系统结构变配电站综合自动化系统的结构分为集中式和分层分布式两种形式。1、集中式综合自动化监控系统的结构及特点1）集中式监控系统的基本概念以变电站为对象，面向功能设计的监控系统，称之为集中式计算机监控系统。即各系统功能都以整个为一个对象相对集中设计，而不是以内部和某元件或间隔为对象独立配置的方式。2）集中式监控系统的基本结构与特点(a) 基本结构及组成集中式监控系统的基本架构如图2-1所示。集中式结构并非指由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护，计算机监控和远动通信的功能也由不同的计算机来完成，例如，数据采集、数据处理、远动、开关操作和人机联系功能可分别由不同计算机完成。该结构形式主机出现在计算机监控系统问世初期。图21集中式变电站监控系统架构集中式监控系统构成如下：、(1)模拟量输入单元。根据输入方式的不同，又分为直流采样和交流采样两种模式。直流采样是把来自电流互感器(TA)、电压互感器(TV)的输入信号经过变送器变换为小信号的直流电压或电流之后，再输入监控系统的模拟量输入模件：交流采样则是把TATV输入信号直接接入监控系统中的交流模拟量输入模件进行采样，通过模数转换将其转换为数字量，并通过获得相应的电气量，省去了直流模拟量输入所需的电量变送器的中间环节。无论采用哪种模式，均需在模拟量输入中进行模数转换，把模拟量变成计算机可以处理的数字量，并需满足一定的精度要求。(2)数字量输入单元。亦称状态量输入或开关量输入，它是把来自一、二次设备的各种打冷战信号经过光电耦合器隔离之后变为二进制信号。判定数字量输入性能的优劣，主要视其容量大小，SOE分辨率的高低以及准确性三个方面。(3)脉冲量输入单元。专门针对脉冲式电能表的输出而研发的一种接口，原理上同数字量输入相同，也采用光电耦合方式，但对电能表输出脉冲有一定要求，并将逐步被智能电子电能表专用读表系统所取代。(4)开关数字量输出单元。亦称控制命令输出或开关量输出，它是把来自人机界面所下发的命令或来自外部(本地或远方)所下发的命令“翻译”成为一种开关量的输出，即继电器的输出以控制一次设备的断开或闭合，主变压器分接头挡位的上升与下降等。(5)总控单元。即主单元。作为中央通信控制器，是整个系统核心，主要负责与各数据采集单元及当地监控之间的信息交互，接收并处理各数据采集单元送来的信息，并转发至当地监控主机和远方调度。同时，将当地监控主机和远方调度下发的命令下达给各数据采集单元。此外，它用于完成与微机保护、自动装置等智能电子设备的通信。(6)人机联系。即当地监控主机。完成当地显示、告警、控制和制表打印等功能，彻底取代了传统的仪器、盘表等。运行人员只需面对显示器通过键盘或鼠标，即可观察和了解全站的运行善，并可对全站的断路器等设备进行分、合闸操作。这种集中式的结构是根据变电站的规模，配置相应容量的集中式监控主机及数据采集单元，它们安装在变电站的主控制室内。主变压器和各进出线及站内所有电气设备的运行状态，由电压互感器、电流互感器的二次侧回路经过控制电缆传送到主控制室的保护装置和监控装置，再送入监控主机。继电保护的动作信息往往是保护装置的信号继电器触点，同样通过电缆送到数据采集单元。(b) 主要特点主要优点：功能单元问相互独立，互不影响：具有较为完善的人机接口功能，综合性能强；结构紧凑，体积小，可大大减少占地面积造价低， 尤其对lIOKV或规模较小的变电站更为合适。主要缺点：运行可靠性差，每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面较大；软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦；组态不灵活，对不同主接线或不同规模的变电站，软硬件都必须另行设计，可移植性差，不利于批量推广但因其集保护功能、人机功能、“四遥功能、自检功能于一身，具有工作可靠，结构简单，性价比比较高的特点，仍适用于一些小型变电站。2、分层分布式监控系统的基本概念1）分层分布式监控系统的基本概念分层分布式监控系统是以变电站内的电气间隔和元件(变压器、电抗器、电容器、中压开关柜、低压开关柜、UPS、直流屏等)为对象开发、生产、应用的计算机监控系统。分层分布式综合自动化监控系统一般分为三层，从底层往上层依次是：间隔层、通信管理层、站控层。每层由不同的设备或子系统组成，完成监测和遥控的功能。2）分层分布式监控系统基本构架、功能与特点(a)基本构架变电站监控系统由站控层与间隔层两个基本部分构成，并用分层分布、开放式网络实现系统连接。站控层为全站设备监控、测量、控制和管理的中心，站控层与间隔层可通过光缆或双绞线与间隔层直接连接，也可通过前置设备连接。间隔层按照不同的电压等级和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个继电小室，中压综合保护器、低压电动机综合保护器、UPS智能保护单元、直流电源综合保护单元等智能电子设备中，能独立完成间隔层就地监控功能。其基本构架如图22所示。其中，站控层包括主机、操作员工作站、远动工作站(如果需要)、工程师工作站等设备，形成全站监控、管理中心。能提供站内运行人机界面，实现间隔层设备管理控制等功能，并可通过远动工作站和数据网与调度通信中心通信(如果需要) 。间隔层由工控网络计算机网络连接的测控装置、各种智能保护器、通信接口单元及间隔层网络设备等若干个监控子系统组成，各个监控子系统具有独立运行能力，即具有一定的数据处理，逻辑判断，安全检测等功能，其设置数量依变电站规模而定，且在站控层或网络失效时，仍能独立完成对间隔设备的就地监控。(b)主要硬件设备及其功能(1)间隔层间隔层保护装置的设备及功能： 根据变配电站的规模以及是否是新建电站，间隔层保护监控装置可以采用分散安装在开关柜上，也可以集中组屏。一般新建变电站35kV及以下间隔，保护分散安装在开关柜上和直流电源，UPS等设备上，元件保护装置一般集中组屏。间隔层保护装置二次设计思路： 变配电站综合自动化系统的设计思路随着微机继电保护装置的不断发展而相应地作出调整。现场间隔层的微机综保装置按一次设备对应分散安装在不同的现场开关柜上，独立完成各自回路的保护、控制、监测和通讯等基本功能，同时还具有实时显示开关设备工作状态运行参数、故障信息和保存事件记录、故障录波、设备定值等其他功能，所有微机综保装置相互独立，互不影响，功能不依赖于上级管理控制层，即便后台监控系统出现故障也不影响各个微机综保装置的保护功能。间隔层的设备还包括UPS、变频调速器、直流屏、小电流接地选线装置、无功补偿控制装置、智能消谐装置、电度表、多功能表以及其他智能装置。(2)通信管理层通信管理层的功能是收集间隔层智能设备的数据信息，处理上行、下行的信息，图2-2 分层分布式变电站监控系统架构完成不同协议的转发、实现不同系统的应用软件通信的透明传输。主要有集线器和网络交换等设备，通常由网络集线器、交换机、光电转换器、通讯管理机、接口设备和传输设备。有的项目还把通信管理层的、设备集中设计成低压通讯柜和中压通讯柜。 3)站控层站控层设备。主要包括主机、操作员站、工程师站、远动通信设备等，其通常安放在主控室。站控层的主要功能进行数据的处理、存储以及转发，站控层同时具有良好的入机界面：变配电系统实时监控画面、实时和历史数据报表、实时和历史数据曲线、事件记录、故障录波分析等。站控层的主机也可作操作员站。站级监控主机采用高性能工控机或服务器，监控软件平台采用专业组态监控软件，具有高可靠性、实用性、可维护性以及高度的可扩展性。2.5 矿井变电站综合自动化监控系统的主要功能变电站综合自动化监控系统运用到矿井变电站后是专业性的综合技术系统，它以计算机、通信、网络等技术为基础，实现对变电站的监视和控制。监控系统的主要功能可分为以下几类： (1)数据采集与处理功能；(2)控制操作功能；(3) 报警及处理功能； (4)人机联系与运行管理功能等。2.5.1 数据采集与处理功能该功能主要是对模拟量、开关量、电能量以及来自其他智能电子装置数据的采集与处理，是变电站计算机监控系统得以执行其他功能的前提和基础。数据采集有两种方式。一种是通过测控装置获取数据，即面向一次设备采集模拟量和开关量(如电压互感器、电流互感器的电压和电流信号，变压器油及断路器辅助触点。一次设备状态信号等)，经间隔层设备处理后，最终导入实时数据库；另一种是通过通信接口获取数据，即面向其他智能装置直接获取计算机数据(如电能量数据，直流母线电压信号保护动作信号等)，经统一处理后导入数据库。 1模拟量采集与处理计算机监控系统通过对相关模拟量的采集、处理、显示和远方传输，完成对变电站设备和电网的测量功能。其采集信号包括电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率以及油温等。模拟量采集分交流和直流两种形式。交流采样是将交流电压、交流电流信号直接接入数据采集单元，而未经过变送器；直流采集是将温度、气体压力、交流电压、交流电流等外部信号，经变送器转换成适合数据采集单元处理的直流电压信号后，再接入数据采集单元。2开关量采集与处理监控系统通过对相关设备开关量的采集、处理、判别、显示或触发相应的告警声光信号，实现对设备运行状态的显示及异常状态的告警和记录功能。开关量包括断路器、隔离开关以及接地开关的位置信号、继电保护装置和安全自动装置动作及报警信号、运行监视信号、有载调压变压器分接头位置信号等。这些信号都以开关量的形式，通过光隔离电路输入至计算机。开关量的输出处理功能主要有变位一传送和全遥信一传送两种。3电能量采集与处理电能量的采集与处理是指获取有功、无功电能量数据，并实现分时累加、电能量平衡统计等功能。监控系统可处理不同方式采集的电能量数据，并可对电能量进行分时段统计计算。电能表测量量的输出有脉冲量输出和串口通信输出两种方式。 电能量的采集方式也有两种：直接脉冲计数和通过与ERTU通信方式间接采集。4通过通信接口采集通过数据通信接口采集到的各类智能设备的信息，由监控系统分别对这些数据进行处理。如来自电能量远方装置的电能量、直流监测装置的直流系统绝缘电阻、微机保护装置、低压电动机保护器及自动装置的信息等。2.5.2 控制操作功能变电站计算机监控系统控制操作对象一般包括各电压等级的断路器、可电动操作的隔离开关和接地开关、主变压器及站用变压器有载分接开关、站内其他相关设备的启动、停止、保护和自动装置的复归等。除此之外， 还可通过运行自动控制应用软件实现对相关设备的自动控制，如电压无功自动控制(AVQC)等。为保证操作控制的正确可靠，监控系统同时只能对一个对象进行控制操作。控制操作分为手动控制和自动控制两种方式：手动控制包括站内主控制室控制和就地控制，并具备站内主控室就地手动的控制切换功能。控制级别由高到低顺序为就地、站内主控。二种控制级别之间应相互闭锁，同一时刻只允许一级控制。当监控系统站控层及网络停运时，能在间隔层对断路器进行一对一操作。自动控制包括顺序控制和调节控制。顺序控制是指按设定步骤顺序进行操作，即将旁路代、倒母线等成组的操作在操作员站上预先选择、组合， 经校验正确后，按要求发令自动执行。调节控制是指对电压、无功的控制目标值等进行设定后，监控系统自动按要求对。电压一无功”进行联合调节，其中包括自动投切无功补偿设备和调节主变压器分接头位置。2.5.3 报警及处理功能当电网及变电站设备发生各种类型故障，且断路器、继电保护、微机保护、电动机保护及安全自动装置动作时，应立即启动相应的报警和显示事故信息，即报“事故信号一。而反映站内一、二次设备的各类缺陷或障碍的“预先信号一也应及时正确地告警和显示，使运行值班人员能够查明原因并进行相应处理，或采取有效措施防止事件的扩大。根据告警信号紧急程度和信号来源的不同，计算机监控系统报警内容可分为设备状态异常或故障、测量值越限、计算机监控系统的软硬件自诊断告警、通信接口及网络故障信号等。报警处理一方面是通过对各种采集方式获取的相关数据进行逻辑组合， 并对组合结果进行判别，然后输出异常报警信息；另一方面是对报警信息的分类和分层管理，以利于查阅和检索。海量报警信息会导致运行人员无法有效识别和处理，以致重要信息被淹没。查阅和检索功能方便了运行人员监视和事后故障分析。报警输出信息直观、醒目，并伴有声、光色效果，信息组合方式根据需要设定，报警条文用语规范符合变电运行习惯，报警信息的处理格式满足调度通信中心、站控层主机、操作员站等方面的要求。报警信息输出一般在屏幕上设一固定报警区域，以便专门显示，并对当前信息做颜色改变， 闪烁等处理。操作员工作站具备声音报警功能，当前报警的输出一直持续到操作员进行确认操作后为止。2.5.4 人一机联系与运行管理功能1人一机联系功能变电站采用计算机监控系统后，运行值班人员通过操作员工作站上的鼠标或键盘可了解全站运行工况和参数，同时可对全站断路器和隔离开关、中低压电动机综合保护器进行分、合操作，彻底改变了传统依靠指针式仪表和模拟或操作屏进行操作的格局。操作员工作站和工程师工作站分别为运行人员和专职维护人员提供人一机联系功能。操作员工作站是运行人员与变电站计算机监控系统联系的主界面。操作员工作站为运行人员所提供的人一机联系包括：调用、显示和拷贝各种图形、曲线、报表；发出操作控制命令；查看历史数值及各项定值；图形及报表的生成、修改；报警确认，报警点的退出恢复；操作票的显示、在线编辑和打印；运行文件的编辑、制作等。工程师工作站是专职维护人员与变电站计算机监控系统联系的主界面， 它提供的人一机联系包括：数据库定义和修改，各种应用程序的参数定义和修改，必要时的二次开发，以及操作员站上的其他功能。2运行管理功能对变电站内设备运行状况的管理是采用计算机监控系统，提高运行水平的一个重要方面。计算机监控系统可根据运行要求，实现各种管理功能。计算机监控系统将已获得的各种数据进行一次加工，挖掘出大量高端应用信息，以满足运行要求的各种管理功能。这是监控系统区别于传统电气监控的一个重要方面。运行管理功能一般包括运行操作指导、事故记录检索、在线设备管理、操作票开列、模拟操作、运行记录及交接班记录等。该功能在操作员工作站得以实现，且直接与生产过程密切相关。管理功能也包括各种数据的存储、检索、编辑、显示和打印。管理功能的数据来自实时数据库和其他输入，数据类型多，重复量大，其数据存储要求有一定的特点，通常从实时数据和历史数据两个方面考虑，在转入历史数据库或写入光盘时做适当的选择，处理。第三章 组态软件3.1 组态软件概述分布式控制系统(DCS，又称集散式控制系统)的出现和发展，催生了“组态”(configuration)这个概念。组态，即利用软件工具对计算机及其软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足特定应用要求。组态软件是面向监控与数据采集(SCADA，即supervisory control And Data Acquisition)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。利用组态软件，工程技术人员只需进行简单的数据连接和配置操作，就能实现监控主机与现场智能仪表设备进行数据通信和远程遥控的目的。组态软件最早出现时，人机接口HMI(Human Machine Interface)是其主要内涵，随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对UO设备的广泛支持己经成为它的主要内容。随着技术的发展，组态软件还将会不断被赋予新的内容。变电所综合自动化系统的后台监控组态软件的开发属于工控组态的范畴。所谓工控组态是由图形、报表、元件及数据库组成，并能够与外部设备相连进行通信，交换数据的统一系统。其由驱动软件和硬件设备两部分构成。结合计算机技术，驱动软件一般包含直观丰富的操作界面。一方面，用户根据需要进行一定的操作，施发指令，通讯设备收集和整理外部所要控制对象的信息，在组态软件进行数据的处理之后，以报表、统计图等直观的形式传达给用户，这样用户可以达到了解控制对象情况的目的；另一方面，用户依据所了解到的情况，再通过组态软件控制外部设备的运行。3.2 组态软件的发展情况组态软件产品大约在20世纪80年代中期在国外出现，在中国也有将近20年的历史。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及随着工业控制系统应用的深入，随着计算机硬件和软件技术的发展，工业控制系统应用规模逐步扩大，控制更为复杂，原有的上位机编程的开发方式费时费力，而且网络及数据库技术的发展，似的工业现场可以为企业的生产、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，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面就对几种组态软件分别进行介绍。(1)InTouch：是美国Wonderware公司的InTouch率先推出的16位Windows环境下的组态软件，是最早进入我国的组态软件。最新的InTouch 9.5版将世界领先的HMI软件与卓越的先进图形技术相结合，从而使客户获得运行和工程生产率上的显著提高。(2)iFix：iFix是Intellution Dynamics 自动化软件家族中的HMI/SCADA组件，是基于Windows NT的对生产过程监视和控制的自动化解决方案。在iFix中，Intellution提供了强大的组态功能，原有的Script语言改为VBA(visual basic for application)，并且在内部集成了微软的VBA开发环境。在iFix中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC组织的发起成员之一。(3)WinCC：Siemens的WinCC也是一套完备的组态开发坏境，Siemens提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。(4)组态王：亚控科技开发的组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。组态王是国内目前应用较广的组态软件。丰富的功能、有好的界面、庞大的I/O驱动使得该软件成为占有率最高的国内组态软件。它支持OPC接口和OLE技术，另外其完善的网络体系结构可以支持最新流行的各种通信方式。(5)力控：是国内最早用于Internet的软件，是基于B/S应用的组态软件。在最近几年，力控得到了长足的发展，最新版本的组态软件在功能、特性、易用性、开放性和I/O驱动数量上都得到了很大的提高。(6)MCGS：MCGS是北京昆仑通态的产品，出现比较晚，但功能强大。真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Windows95/98/NT2000平台；提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面；支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC变频器、网络设备等700多种国内外众多常用设备；支持OPC接口、DDE接口和OLE技术；完善的网络体系结构可以支持最新流行的各种通信方式。 3.3 MCGS组态软件简介MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。目前，MCGS组态软件已经成功推出了MCGS通用版组态软件、MCGSWWW网络版组态软件和MCGSE嵌入版组态软件。三类产品风格相同，功能各异，三者完美结合，融为一体，形成了整个工业监控系统的从设备采集、工作站数据处理和控制、上位机网络管理和web浏览的所有功能，很好的实现了自动控制一体化的功能。3.3.1 MCGS组态软件的系统构成1.MCGS组态软件的整体结构MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。图书3-1 MCGS组态结构MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一