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长春工程学院毕业设计论文 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 五台变电站自动化系统 （Wu Tai Substation Automation Systerm） 长长 春春 工工 程程 学学 院院 学生姓名 所在院系 所学专业 所在班级 指导教师 教师职称 完成时间 ： ： 电气与信息学院 ： ： ： ： ： 2009 年 6 月 20 日 长春工程学院毕业设计论文 摘摘 要要 计算机技术、通信技术、自动化技术的日益成熟，使我国电力系统技术迫切的需要改 革，以适应现代技术的发展。在电力系统的三大部分中（发电、输电、变电） ，变电尤为 重要，变电站自动化技术的发展必要也从中凸显。 本设计中，利用 PLC 的模拟模块对变电站中的模拟量进行采集，并送到监控界面进 行监视，利用 PLC 的数字模块对变电站中的开关量进行控制，使用力控组态软件技术对 监控界面进行设计，并在 Internet 上发布该页面，实现远程控制。 关键词 变电站 PLC 控制 监视 页面发布 Abstract: Computer technology, communication technology, automation technology has become more sophisticated, so that Chinas electric power system technology needs urgent reform in order to meet the needs of modern technology. In most of the power system of three (generation, transmission, substation), transformation is particularly important to the development of substation automation technology to highlight the need to also. This design, the use of PLC for the substation of the simulation module of the simulation was carried out in the collection, and monitoring interface to monitor the use of PLC for the substation of the number of modules in the switch control, the use of force-controlled technology to monitor configuration software interface design, and publishing in the Internet interface, remote control. Keywords ： substation plc control surveillance publish-page 长春工程学院毕业设计论文 I 目 录 1 引言 .1 2 变电站自动化系统 .3 2.1 变电站自动化系统的发展与展望 .3 2.2 变电站自动化系统的基本结构和功能 .5 3 变电站自动化中的数据通信系统 .10 3.1 变电站数据通信系统的介绍 .10 3.2 变电站自动化系统的通信方案 .11 3.3 变电站自动化系统的规约 .12 4 力控组态软件 .13 4.1 力控组态软件的介绍 .13 4.2 力控组态软件的组成及各部分功能 .13 4.3 应用程序工程 .14 5 变电站自动化系统硬件设计 .15 5.1 变电站监控系统的远动技术 .15 5.2 硬件设备的选择 .16 5.3 硬件连接 .29 6 变电站自动化系统软件设计 .30 6.1 远动控制 .30 6.2 变电站自动化系统人机界面的设计 .34 7 总结 .47 参考文献 .48 谢 辞 .49 附 录 .50 长春工程学院毕业设计论文 1 1 引言 变电站自动化自 20 世纪 90 年代以来一直是我国电力行业、计算机行业中的热点之一。 所以成为热点，一是建设的需要，目前全国投入电网运行的 35 - 110kV 变电站 18000 座(不 包括用户变)，220kV 变电站有 1000 多座，500kV 变电站大约有 70 座。而且每年变电站的数 量以 3%-5%的速度增长，也就是说每年都有数千座新建变电站投入电网运行。同时，根据电 网的要求，特别是自上个世纪末在我国全范围内开始的大规模城乡电网改造，不但要新建许 多变电站，现有的将近一半以上的建设于上世纪六、七 年代、甚至还有五年代的老旧变电 站因设备陈旧老化而面临改造。二是市场的因素，采用综合自动化系统，可在远方设立集控 站，通过远方遥控、遥信、遥测、遥调、遥视等五遥功能集中监控若干个变电站，变电站现 场实现无人值班，节约了大量的人力；它通过 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统与 MIS（Management Information System）系统结合实现了办公自动 化，提高了管理效率，为管理人员的决策提供了切实有力的依据 传统的 35kV 及以上电压等级的变电站的二次回路部分是由继电保护、当地监控、远动 装置、故障录波和测距、直流系统与绝缘监视及通信等各类装置组成的，以往它们各自采用 独立的装置来完成自身的功能，而且均自成系统，由此可避免各类装置之间功能的相互覆盖、 部件重复配置、耗用大量的连接线和电缆等. 90 年代中期，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，同时结合变电站的实 际情况，研制成功了各种分散式变电站自动化系统并投入运行。 分散式系统的特点是将现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备 附近，现场单元部件是保护和监控功能的二合一装置，用以处理各开关单元的继电保护和监 控功能，亦可以是现场的微机保护和监控部件，分别保持其独立性。在变电站控制室内设置 内计算机系统该系统也可布置在远方的集控站，对各现场单元部件进行通信联系。通信 方式多采用常用的串行口如 RS-232C,RS-422/485。但近年推出的分散式变电站自动化系统更 多地采用了网络技术，遥测、遥信、采集及处理，遥控命令执行和继电保护功能等均由现场 单元部件单独完成，并将这些信息通过网络送至后台主计算机，而变电站自动化的功能均由 后台主计算机系统承担。 因此，现在的变电站自动化系统，概括起来，就是以计算机技术为基础，将传统变电站 的测量、监控、保护等功能通过计算机网络综合在起，构成一个资源和信息共享的自动化系 长春工程学院毕业设计论文 2 统，从而将传统的变电站控制屏、保护屏、控制台等结构进行了集成，可以实现远方监控， 集中管理，进而实现变电站无人值班，并且实现了变电站管理的自动化。同时由于装置实现 了高度的集成，大大节省了变电站占地。在当今土地资源和人力资源日趋紧张的情况下，实 现变电站的自动化具有明显的经济和技术优势。 分散式变电站自动化系统中，面向对象技术己成为一个十分流行的趋势，即不单纯考虑 某一个量，而是为某一设备配备完备的保护和监控功能装置，以完成特定的功能，从而保证 了系统的分布式开放性。从技术发展的趋势看，将来的测控设备还将和一次设备完全融合， 即实现所谓的智能一次设备，每个对象均含有保护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能 及信息库，面向自动化的仅是一对通信双绞线，该双绞线以网络方式和计算机相连。 完全分散式的实现依托于现今发展很快的计算机及网络技术，特别是现场总线技术。这 一技术的使用已使得自动化系统的实现简单得多，性能上也大大优于以往的系统，并可解决 以往系统中 RS-485 链路信息传输的实时性问题，以及信号传输的容量问题。 一个典型的变电站自动化系统，可分为三个层次，三个层次分别为: 1、现场 1/0 层，用于和现场一次设备的信号和控制相连。 2、通信层，完成上位机(Workstation)和数据终端设备(DTE) Data terminal equipment)的 数据和命令传输。 3、计算机管理层，完成相应的 SCADA 及变电站管理功能以及其它相应的辅助功能。 (1)现场单元功能与性能 在分散式变电站自动化系统中，特点是以变电站一次设备(如高低压开关等)为单位。现 场单元可以是监控和保护二合一装置，亦可以保持相对独立，但有一点是共同的，就是现场 单元要求能独立完成监控和保护的功能。 现场监控单元具有遥测量采集及计算，遥信采集及处理，电能脉冲采集及累计，遥控命 令接收与执行，对关键芯片的定时自检，与保护单元的通信(当与保护单元保持相对独立时)， 并在当地显示等功能。 现场保护单元可以根据安装单位的继电保护配置完成保护功能，接收与执行后台机下发 的保护定值修改，自检功能，发送保护装置的工作信息、告警信息、动作信息、自检信息， 接收与发送上级对保护装置整定值和测量值的查询，保护装置初始化，并当地显示等功能。 长春工程学院毕业设计论文 3 2 变电站自动化系统 2.1 变电站自动化系统的发展与展望 2.1.1 变电站自动化技术的发展历程 1、国外变电站自动化的发展 国外变电站自动化的研究工作始于 70 年代。根据 1981 年 5 月在英国召开的第六届国际 供电会议资料报道，英国、西德、意大利、法国、澳大利亚等国家，于 70 年代末，新装的 变电站远动装置已开始淘汰，当时仅英国南威尔电网还在使用(该地区当时已计划用微机远 动装置代替)，同时第六届国际供电会议的有关文章资料提出，监控系统的功能有扩大的趋 势。变电站的监控功能正以综合自动化为目标迅速发展，除三遥（遥信、遥测、遥控）外， 一般有:寻找并处理单相接地故障；作为保护拒动或断路器拒动的补充保护；负荷管 理；成组数据记录；其中包括负荷曲线，运行数据，事故及事件顺序记录等；自动重 合闸及继电保护。 日本在微处理器应用于电力系统方面的研究，虽晚于欧美，但后来居上。于 1975 年在 三菱电气有限公司的协助下，开始研究用于配电变电站的数字控制系统，于 1979 年 9 月完 成样机，同年 12 月在变电站安装并进行现场调试。1980 年开始商业化生产。 80 年代以后，研究变电站自动化系统的国家和大公司越来越多。例如:德国西门子公司、 美国 GE 公司、西屋公司、法国阿尔斯通公司等都拥有自己的自动化系统产品。西门子公司 于 1985 年在德国汉诺威正式投运第一套变电站自动化系统（LSA678） ，至 1993 年已有了 50 多套同类型的系统在德国本土及欧洲其它国家不同电压等级的变电站投运，取得显著业绩。 1995 年该公司在中国也陆续建立十几个 110kV 城市变电站，成功地投运了变电站自动化系统。 由此可见，国外研究变电站自动化系统始于 70 年代后期.80 年代发展较快，而且在技术 规范和标准的制定方面，为我国在 80 年代引进和研究变电站自动技术方面，提供了宝贵的 经验。 14 2、我国变电站自动化技术的发展过程 我国变电站自动化的研究工作开始于 80 年代中期，1987 年清华大学电机工程系在山东 威海望岛变电站成功地投入运行，系统主要由 3 台微机及其外围接口电路组成。该系统于 1987 年成功投入运行，1988 年通过技术鉴定。鉴定结论为国内首创，填补了国内一项空白， 长春工程学院毕业设计论文 4 并达到国际 80 年代先进水平。在 90 年代，研究变电站自动化的研究单位和生产厂家快速发 展.如南京的南瑞公司、上海的申瑞、北京清华大学的紫光公司等，特别是近几年来，变电 站自动化技术更是精益求精，大规模集成电路技术和通信技术，在其研究的领域得到广泛应 用，其功能和性能得到不断完善，已成为今后新建变电站以及变电站进行技术改造的主导技 术。 12 2.1.2 变电站自动化技术的发展趋势 1、保护监控一体化 这种方式在 35 千伏及以下的电压等级中已普遍采用，今后在 110 千伏及以上的线路间 隔和主变三侧中采用此方式也已是大势所趋。它的好处是功能按一次单元集中化，利于稳定 的进行信息采集以及对设备状态进行控制，极大地提高了性能效率比。其目前的缺点也是显 而易见的:此种装置的运行可靠性要求极高，否则任何形式的检修维护都将迫使一次设备的 停役。可靠性、稳定性要求高，这也是目前 110 千伏及以上电压等级还采用保护和监控分离 设置的原因之一。随着技术的发展，冗余性、在线维护性设计的出现，将使保护监控一体化 成为必然。 2、设备安装就地化、户外化 自动化装置将和一次设备整合在一起，其电气的抗干扰性能，设备抗热寒、抗雨雪、防 腐蚀等各项环境指标将达到极高的地步。目前的自动化装置都是安装在低电压的中置柜上和 室内的开关室内，户外的仅是一些实现简单功能的柱上设备。随着高电压等级的推广，其设 备都将就地安装在户外的端子箱上，对环境条件要求高。这种方式最终将带来变电站没有建 筑小室或仅设一个控制小室，其最多也就是一台控制显示终端。这将极大地减少整个变电站 的二次电缆，使变电站的建设简化、快速，设备调试简单同时也极大地提高变电站的运行稳 定性、可靠性。 3、人机操作界面接口统一化 无人无建筑小室的变电站，变电运行人员如果在就地查看设备和控制操作，将通过一个 手持式可视无线终端，边监视一次设备边进行操作控制，所有相关的量化数据将显示在可视 无线终端上。 4、通讯网络协议标准化 强大的通讯接口能力，主要通讯部件双备份冗余设计(双 CPU、双电源等)，采用光纤总 长春工程学院毕业设计论文 5 线等等，使现代化的合自动化变电站的各种智能设备通过网络组成一个统一的、互相协调工 作的整体。 5、数据采集和一次设备一体化 除了常规的电流电压、有功无功、开关状态等信息采集外，对一些设备的在线状态检测 量化值，如主变的油位、开关的气体压力等等，都将紧密结合一次设备的传感器，直接采集 到监控系统的实时数据库中。高技术的智能化开关、光电式电流电压互感器的应用，必将给 数据采集控制系统带来全新的模式。 2.1.3 变电站实现综合自动化的优越性 提高供电质量、提高电压合格率 提高变电站的安全、可靠运行水平 减少维护工作时间，减少值班人员的劳动强度，并达到减人提效 提高电力系统的运行管理水平 2.2 变电站自动化系统的基本结构和功能 2.2.1 变电站自动化系统的结构形式 变电站自动化系统的组成在结构形式上主要可分为集中式、分布集中式、集中和分散结 合式、分散式四种。 1、集中式自动化系统 图 2-1 为集中式变电站综合自动化系统示意图。它是按功能要求配置相应的继电保护装 置及远动装置并安装在变电站的中央控制室内。变压器、各进出线及其它电气设备的运行状 态通过 CT（电流互感器）, PT（电压互感器） 、开关辅助触点由电缆传送到变电站的中央控 制室的保护装置和远动装置内，经初步处理后送到 I/O 通信控制器进行数据格式的变换(规 约转换)，并将变电站所有保护、测量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方 调度中心进行信息交换。其特点是变电站中的所有信息统一集中处理，形成一个系统、并符 合传统的变电站运行模式。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成。缺点是 组屏多，占地面积大，而且需敷设大量电缆，投资和工程量大，应用会越来越少。 长春工程学院毕业设计论文 6 电 感 保 护 电 容 器 保 护 跳 线 保 护 变 压 器 保 护 变 压 器 出 口 继 模 拟 量 开 关 量 遥 调 遥 控 遥 测 遥 信 远动控制继电保护装置 / 通信控制器 当地监控后台机 图 2-1 集中式自动化系统结构图 2、分布式(分散式)自动化系统 随着单片机技术、网络技术特别是总线技术的不断成熟和可靠、用于变电站自动化的分 布式系统相继出现，如图 2-2 所示。该系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其它一次设 备上就地安装微机保护单元和单回路的数采/监控单元，故开关和其它一次设备与单回路的 数采/监控单元和微机保护单元在同一柜内，可免去大量的电缆联接，同时也提高了抗干扰 能力。微机保护单元和单回路的数采/监控单元与 I/O 通信控制器相互之间用网络电缆或光 缆连接起来，仅作数据信息的传送。分布式综合自动化系统的优点除了省电缆、抗干扰能力 强外，无须再设置继电保护和远动装置屏，大大减化了二次设备，并减小了占地面积。故分 布式变电站自动化系统自问世以来，显示出强大的生命力。国外 SEMENS（西门子）公司的 LSA678(继电保护 7S / 7U 系列和监控单元 6MB 系列)，美国 GE 公司的 DFP-100 和 SEG 公司 （美国星光映佳集团）的 CSN 都是分布式的变电站自动化装置，国内不少厂家也开始生产同 类设备与系统。 长春工程学院毕业设计论文 7 单回 路 单回 路 保护装 置 数采或 监控 远方调度中心/ 通信控制器 当地监控后台机 数采或 监控 保护装 置 单回 路 单回 路 其他电力设备 数采或 监控 保护装 置 单回 路 单回 路 开关柜# 开关柜#1 图 2-2 分布式自动化系统结构图 3、分布集中式自动化系统 将整个变电站的一、二次设备分为 3 层，即变电站层、单元层和设备层。变电站层称为 2 层，单元层为 1 层，设备层为 0 层。设备层主要指变电站内的变压器，断路器、隔离开关 及其辅助接点，电流、电压互感器等一次设备。变电站自动化系统主要位于 1 层和 2 层。单 元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。单元层本身是由各种不 同的单元装置组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系;也 可能设有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由 数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实际上就是两级系统的结构。变电站 层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和 监控主机和单元层之间交换信息。 4、集中与分散结合式自动化系统 随着单片机技术和通信技术的发展，特别是现场总线和局部网络技术的应用，这种发展 趋势是按每个电网元件(如:一条出线，一台变压器、一组电容器等)为对象，集测量、保护、 控制为一体，设计在同一机箱中。至于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍可采用集中 组屏安装在主控室内。这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。目前国 内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构方式具有分散式结构的全部优点，由于采 用了集中式组屏，有利于系统的设计、安装与维护管理。现在分散式(分布式)是以后发展的 长春工程学院毕业设计论文 8 趋势。 3 2.2.2 变电站自动化系统的功能 变电站自动化系统主要包括监控、控制、远传和保护四部分。 1、监控 监控基本功能：主要完成数据采集和监视控制。 模拟量采集：变电站的模拟量（遥测量）一般指随时间而连续变化的电信号和非电信号 需要采集的模拟量： 1)各电压等级的线电压和相电压、有功、无功功率 2)变压器的有功和无功功率 3)各进出线电流 4)分段断路器电流 5)站用变压器的电压、电流 6)直流母线电压 7)主变抽头位置及温度等等 开关量采集（遥信量） 1)所有开关的位置信号 2)站内的事故总信号、预告总信号 3)保护及重合闸动作信号 4)直流系统异常信号 5)接地信号 6)火警信号 7)控制回路断线及弹簧储能信号等等 2、控制功能 控制功能包括：“远控”和“近控”。所谓“远控”是指在变电站以外的控制中心（集控中 心），对变电站内某些需要控制的设备实施控制操作；“近控”是指在变电站内对某些需要 控制设备实施就地控制操作。控制的主要对象有： 1）全部断路器； 2）有条件可控的隔离开关； 3）主变压器分头位置调节； 长春工程学院毕业设计论文 9 4）电容器投切； 5）消弧线圈抽头位置调节； 3、远传 远传在控制中心与无人值班变电站之间互传的信息称为远传信息，远传信息应当保证无 人值班变电站处于集控中心的有效而可靠的监控之下，远传信息的内容为：遥测、遥信、遥 控、遥调，即四遥功能，站端具有四遥功能的远动装置，简称 RTU。 4、保护 在变电站遇到突然故障的时候，变电站自动化系统可以及时有效地切断断路器、隔离开 关等设备，对设备进行保护，以减少设备的损坏。 长春工程学院毕业设计论文 10 3 变电站自动化中的数据通信系统 3.1 变电站数据通信系统的介绍 在变电站自动化系统中，数据通信时一个重要环节，其主要任务体现在两个方面，一方 面是完成自动化系统内部各个子系统或各种功能模块间的信息交换。这是因为变电站自动化 系统实质上是分级分布式的多台微机组成的控制系统。各个子系统又由各个智能模块组成。 因此必须通过内部数据通信。实现各个子系统内部和各个系统之间的信息的交换和实现信息 的共享。另一方面是完成变电站与调度调度中心的通信任务。因为自动化系统的各个环节的 信息要及时上报调度中心，如采集到的测量信息、断路器和隔离开关的分合状态信息、继电 保护的动作信息等。同时自动化系统也要接受和执行调度中心下达的各种操作和调控命令。 1 3.1.1 变电站通信网络的要求 由于数据通信在变电站自动化系统内的重要性，经济、可靠地数据通信成为系统的技术 核心，而由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，变电站自动化系统内的数据网络应满 足下列要求：（1）快速的实时响应能力， （2）很高的可靠性， （3）优良的电磁兼容性能， （4）分层式结构。 3.1.2 内部数据通信网的选择 数据通信网是构成变电站自动化系统的关键环节，内部通信网络的标准化是使变电站自 动化迈向标准化得难点之一，受性能、价格、硬件、软件、客户策略等因素的影响，目前在 选择什么“接口网络”上很难达成一致。 网络特性主要由拓扑结构、传输媒体、媒体存取方式决定。网络的选择应符合国际国内 的标准；应选择当前的主流产品；应得到实力雄厚的软硬件商的支持；产品满足变电站运行 要求；应具有较高的性价比。 不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，在 35KV 的变电站可以采用 RS-485 或现场总线作为站内系统网络；在 110KV 变电站可以采用现场总线网络实现间隔层设 备数据通信，当站控层设备较多时，变电站层可采用以太网连接；在 220500KV 的超高压变 电站，由于站内借点数目较多，应考虑使用以太网。 3.1.3 通信方式介绍 电力系统中应用的通信方式有电力线载波通信、微波通信、光纤通信、卫星通信等。 长春工程学院毕业设计论文 11 1、电力线载波通信 电力线载波通信（Power Line Carrier，PLC）是将信息调制在高频载 波信号上通过电力线进行传输，主要传输继电保护、数据采集与数据监控（Supervisory Control And Data Acquisition，）和语音通信所需的信息。 2、微波通信 微波中继通信是一种重要的远距离通信方式，信息主要利用微波中继设备传 送。利用微波传送信息时，先要把信息送入微波设备专用载波机，在由载波设备发出去，接 受过程正好相反。这种通信方式是以直接直线传播的方式发射电磁波，对环境要求较高，如 有山峰和楼房阻挡就需要加中继站或架设铁塔避开。 3、光纤通信 光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进通信手段。 目前光纤通信的技术已经成熟，并且已经在电力系统中广泛应用。光纤通信系统由电端机、 光端机、中继器、光缆等设备组成。按照光纤的种类来划分，光纤通信系统可分为两部分： 一 多模光纤通信系统，采用多模光纤，传输容量小，一般在 140Mb/s 以下；二 单模光纤 通信系统，采用单模光纤，传输容量大，一般在 140Mb/s 以上。光纤通信的最大特点是信道 容量大，速率高，在一根光纤中可同时传输几百甚至上千路信号，可传输实时图像，而且抗 干扰性好，通信质量高，使用持续时间长。 4、卫星通信 卫星通信是利用位于同步卫星轨道的通信卫星作为中继站来转发或发射无线 电信号，在地面站间进行通信。与其他通信方式相比，卫星通信的优点是其与距离无关，不 受地形环境和通信距离的限制；由于卫星通信的广播特性，通信覆盖面积大，可以非常经济 地实现一点对多点的连接；通信容量大；卫星信道属于无线恒参信道，通信质量高且稳定； 卫星系统只管两端，不管中间，因此操作维护简便。 2 3.2 变电站自动化系统的通信方案 1、串行通信接口： 在变电站自动化系统中，特别是微机保护、自动装置、监控系统相互通 信电路中，大量使用串行通信。串行通信在数据传输协议“开放系统互联（OSI）参考模型” 的七层结构中属于物理层。常用的串行标准接口有：RS-232 和 RS-485。在设计串行通信接 口时，主要考虑的是串行标准通信接口、传输介质、电平转换。 2、局域网技术的应用： 局域网（Lcoal Area Network）是一种小区域内使各种数据通信设 备互连在一起的通信网络，是计算机网络的一种。它是利用通信设备和线路，将功能不同的、 独立的多个计算机系统互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和信息交换的系统。 3、现场总线技术： 在变电站自动化系统中，微机保护、微机监控和其他机型的自控装置间 长春工程学院毕业设计论文 12 的通信，大多数通过 RS-422/RS-485 通信接口连接，实现监控系统与微机保护和自动装置间 的相互交换数据和状态信息。这与变电站原来的二次系统相比，已有很大的优越性，可节省 大量的连接电缆、接线简单、可靠。但是在变电站自动化系统中采用 RS-422/RS-485 通信接 口，连接点数一般不超过 32 个变电站，稍大时，便不能满足自动化系统的要求。另外对 RS- 422/RS-485 接口的通信规约缺乏统一标准，使不同厂家生产地设备很难互连，给用户带来不 便。而且采用 RS-422/RS-485 通信接口，其通信方式多为查询方式，即由主机问，保护单元 或自控装置答，通信效率低，难以实现较高的实时性要求。 基于以上原因，国际上在 20 世纪 80 年代中期就提出了现场总线，并且制定了相应的标 准。现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备间实现数字式、双向传输、串行多 节点的通信系统，也被称为开放式、数字化、多通信的底层控制网络。 3.3 变电站自动化系统的规约 在变电站自动化系统中，为了确保通信双方能有效、可靠地进行数据传输，在发送和接 收之间要有一定的约定，即通信规约。常用的通信规约可分为循环式远动规约和问答式远动 规约。 目前 IEC（International Electrotechnical Commission）制定了变电站通信网络和系 统标准 IEC61850 该标准对变电站自动化系统的通信网络和通信规约做了严格的规定，我国 也已明确表示，将会完全等同采用 IEC61850 标准。但是由于工作的复杂性推广应用需要一 个过程。目前，在变电站自动化系统的应用领域，国际电工委员会公布了变电站继电保护装 置的通信标准 IEC60870-5-103 规约。除了 IEC60870-5-103 规约外，国际电工委员会还公布 了 IEC60870-5-101 对月和 IEC60870-5-104 规约两个用于远动通信的标准，并且我国也有了 对应的国家标准。 长春工程学院毕业设计论文 13 4 力控组态软件 4.1 力控组态软件的介绍 典型的计算机系统通常可以分为，设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构 成一个分布的工业网络控制系统。其中设备层负责将物理信号转换成数字信号或标准的模拟 信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监视与控制。监控层通过对控制层设备的集中管理， 以完成监控生产运行过程为目的。管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态 软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层。是企业生 信息化的重要组成部分。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能 够以灵活多变的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成。它提供了良好的用户开发界 面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态” ，便可以非 常容易的实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如报表、 曲线等）对远程数据的引用方法和与引用本地数据完全相同。通过“组态”的方式可以大大 的缩短自动化工程师系统集成时间，提高集成效率。 4.2 力控组态软件的组成及各部分功能 力控组态软件的基本基本的程序及组件包括；工程管理器、人机界面 VIEW、实时数据库、 I/O 驱动程序，控制策略生成器、以及各种数据服务和扩展组件，其中实时数据库是系统的 核心，主要的组件简介如下： 1、工程管理器（Project Manager） 工程管理器用于工程管理包括用于创建、删除、备份、 恢复、选择工程等。 2、开发系统（Draw） 开发系统是一个集成环境，可以完成创建工程画面、配置各种系统参 数、脚本、动画、启动力控 其他组件等功能。 3、实时数据库（DB） 实时数据库是力控组态软件控制系统的数据处理核心，构建分布式应 用系统的基础，它负责实施数据库处理，历史数据存储，统计数据处理，报警处理，数据服 务请求处理等。 4、I/O 驱动程序（I/O Server） I/O 驱动程序负责力控与控制设备的通信，它将 I/O 设备 存储器中的数据读出，传送到力控的实时数据库，最后界面运行时，系统会在界面中显示。 5、远程通讯服务程序（Port Server） 该通信程序支持串口，以太网，移动网络等多种通 长春工程学院毕业设计论文 14 信方式，通过力控在两台计算机之间实现通信，使用 RS232 串口，可实现一对一通信，如果 用 RS485 总线可以实现一对多计算机的通信，同时可以通过电台，移动网络的方式进行通信。 6、WEB 服务程序（Web Server） WEB 服务程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机 或便携机上用标准浏览器实时监控现场的生产过程。 4.3 应用程序工程 创建新的应用工程的一般过程是;绘制图形界面、创建数据库、配置 I/O 设备并进行 I/O 设备的连接、建立动画连接、运行及调试。 要创建一个新的应用程序工程，首先为应用程序工程指定工程路径，不同的工程不能使 用同一个工程路径，工程路径保存着力控生成的组态文件，它包含了区域数据库、设备连接、 监控画面、网络应用等各个方面的开发和运行信息。每个机器只能安装一套力控软件，一个 典型的应用中往往包含以下几个方面的内容： 1、设备驱动 计算机跟什么样的设备相连接（如 PLC、板卡、模块、智能仪表） ，是直接相 连还是通过设备供应商提供的软件相连？是什么样的网络？ 2、区域数据库 数据库主要将数据库的点参数和采集设备的通道地址相对应，现场的数据 处理、数据变换、报警处理、历史存储等都放到数据库进行，数据库提供了数据处理的手段， 同时又是分布网络服务的核心。 3、监控画面的开发 在应用组态中，最重要的一部分是监控画面的制作。现场数据采集到 计算机中后，操作人员通过仿真的现场流程画面便可以做监控，开发包括流程图。历史/实 时分析曲线、历史/实时报警、生产报表等功能。 4、数据连接 所有的数据通过数据库变量进行动画连接，人机界面 HMI 里的数据库变量对 应区域数据库 DB 的一个点参数，通过点参数的数据连接来完成和设备的通讯的连接的。 长春工程学院毕业设计论文 15 5 变电站自动化系统硬件设计 5.1 变电站监控系统的远动技术 电力系统的远动是为电力系统调度服务的远程监视及控制技术。远动技术起源于 20 世 纪 30 年代，首先应用于铁路运输系统，40 年代用于电力系统，50 年代末在我国的电力系统 中得到应用。现代的电力系统是一个在地域上分布辽阔而在电气上联成一体的大系统，由于 电能难于储存且能源中心和负荷中心一般相距甚远，必须应用远动技术来管理和监控众多发 电厂、变电站的设备和元器件的运行工况。远动技术是对分散在相距较远的生产单位及生产 设备，为完成同一生产任务，服从一个调度指挥，收集信息、实现生产过程的监视和控制而 生产的一门技术。它将各个发电厂、变电站的运行情况转换成便于传输的信号形式，加上保 护措施以防止传输过程中的外界干扰，经过调制后，由通信通道传送到调度端。在调度端经 过反调制，如无干扰就还原为原来对应于发电厂、变电站工况的一些信号并且显示出来，供 给调度人员监视之用，调度端的各种调度命令也可以通过类似过程下发到发电厂和变电站， 对设备进行各种参数修改、控制和调节。远动技术在电力系统中的应用，使电力系统的调度 工作进入自动化阶段。 6 远动技术是一门综合性的应用技术，它的基本原理包括数据传输原理、编码原理、信号 转换技术原理、计算机原理等。远动技术是调度管理和现代科技的产物，因此它随着科学技 术，特别是计算机技术的迅猛发展而不断更新换代。 5.1.1 电力系统远动的功能 所谓远动是指利用远程通信技术进行信息传输，实现对远方运行设备的监视和控制。远 动中的常用术语介绍如下： 1、遥测即远程测量，指应用远程通信技术，传输被测量的值。 2、遥信即远程指示，远程信号是指对如告警情况、开关位置或阀门位置这样的状态信息的 远程监视。 3、根据受控的设备不同，远程控制可以分为遥控和遥调。 遥控，又称远程命令，是应用远程通信技术使运行设备的状态生产变化，如对断路器的 控制。 遥调，又称远程调节，是应用远程通信技术，完成对具有两个以上状态的运行设备的控 制，如机组出力调节、励磁电流调节、有载调压变压器分接头的位置调节等。 长春工程学院毕业设计论文 16 由此可见，远动技术在电力系统中的应用，使调度员在调度中心借助遥测和遥信功能， 便能监视远方运行设备的实时运行状况；借助遥控和遥调的功能，可以完成对远方运行设备 的控制，即实现远程监视和远程控制，简称为远程监控。 5.1.2 远动信息的传输内容 远动的遥测、遥信、遥调、遥控的功能，通过传送远动信息实现。远动信息包括遥测信 息、遥信信息、遥调信息、遥控信息。 1、遥测信息 将发电厂、变电站的各种运行参数传送到主站端。被测量一般有模拟量、数 字量、脉冲计数量和其他测量值。 1） 模拟量：电气设备的各种参量，如母线电压、电流、有功功率、无功功等。它们经过各 种变送器的转换变成统一规格的直流电压（05V 或 0-5V）或直流电流（如 0 1mA，010mA）输入到远动设备，也可以把实测的交流信号变换成幅值较小的交换信号后， 由远动装置直接对其进行交流采样，经过多路转换开关，输入到 A/D 转换器，转换成数值， 传送到主站。 2） 数字量：主要是水位计、数字频率计、功角转换器、电能累加器和变压器分接头位置反 应的水位、系统频率、电气量的功率角，发电量以及变压器分接头位置等，这些量经过变送 器处理后可直接以数字量输入到远动设备的接口部件。 2、遥信信息 遥信信息包括发电厂、变电站中断路器和隔离开关的合闸或分闸状态，继电 保护的动作状态，自动装置的动作状态，以及一些运行的状态信号，如厂站设备事故总信号、 发电机组开或停的状态信号、远动及通信设备的运行状态信号等。遥信信息通常由运行设备 的辅助触点提供。 3、遥控信息 遥控信息是指传送改变运行设备状态的命令，如发电机组的启停命令、断路 器的分合命令、并联电容器和电抗器的投切命令等。电力系统对遥控信息的可靠性要求很高， 为了提高控制的正确性，防止误动作，在遥控命令下达后，必须进行反送校核。 4、遥调信息 遥调信息是指传送改变运行设备参数的命令，如改变发电机有功出力和励磁 电流的设定值等。 5.2 硬件设备的选择 在本设计中，硬件的选择从经济、性能两方面的合理性出发，既考虑了经济的合理性， 又考虑所选择硬件对设计要求的满足。 长春工程学院毕业设计论文 17 5.2.1 系统“CPU”的选择 可编程控制器（PLC）是以自动控制技术、为计算机技术、通信技术为基础发展起来的 新一代工业控制装置，目前已被广泛应用在各个领域。PLC 具备以下特点： 1、 灵活性和通用性：继电器控制系统的控制电路需要使用大量的控制电器，且需要通过人 工布线、焊接、组装完成电路的连接。而 CQM1H 利用存储在机内的程序来实现各种控制功能， 当系统需要改动的时候，只需要改变内部存储的程序，外部的接线很少改动。且 CQM1H 可以 用于不同的控制系统中，其接口与多数设备接口通用。 2、 抗干扰能力强、可靠性高：继电器控制系统中由于器件的老化、脱焊、出点的抖动以及 出点电弧等现象是不可避免的，大大的降低了系统的可靠性，继电器控制系统的维修工作不 仅耗费资金，而且停产维修会造成不可估量的损失，在 CQM1H 的控制系统中，大量的开关动 作是无触点的半导体电路来完成的，加之 CQM1H 在硬件和软件方面采取了强有力的措施，使 产品具有极高的可靠性和抗干扰性。因此，CQM1H 可直接安装在工业现场而进行稳定的工作。 3、 编程语言简单易学：虽然 CQM1H 是以微计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用 者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。CQM1H 采用类似继电器控制电路的“梯形图”语 言编程，清晰直观、简单易学，容易为用户所掌握应用。 4、 CQM1H 与外部设备的连接简单、使用方便：传统的继电器用微机控制时要在输入/输出接 口电路上做大量工作，才能够使微机与控制现场的设备连接起来，而且调试也比较麻烦。而 CQM1H 输入/输出接口已经做好，其输入接口可直接与各种输入设备连接，输出接口有较强的 驱动能力，可直接与继电器、接触器、电磁阀等强电设备连接。 5、 CQM1H 控制系统的设计、调试周期短：由于 CQM1H 是通过程序实现对系统的控制，所以 设计人员可以在实验室里设计和修改程序，更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟运行 调试，使现场工作量大为减少。 6、 CQM1H 体积小、重量轻、易于实现机电一体化：由于其内部主电路采用半导体集成电路， 具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它具有很强的抗干扰能力，能够适 应各种恶劣的环境。 9 在众多的 PLC 制造厂家中，日本 OMORN 产品以其指令系统功能强大，处理复杂控制的功 能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编程简单，易掌握；特殊功能模块和智能模块品种 长春工程学院毕业设计论文 18 多，使用方便；PLC 的网络配置简单、使用、造价低；具有明显的价格优势及良好的售后服 务等特点颇具盛名，设计中选择 OMRON 系列产品中的 CQM1H 作为系统的“CPU” 。设备图如 5- 1： 图 5-1 CQM1H 模块 5.2.2 CQM1H 的介绍 CQM1H 是一种功能完善的紧凑型 PLC，它能用高速、高容量的 Controller Link 来建立 分散控制系统。它还可方便地通过从中央区域收集和共享数据、监控每台机械的生产过程和 质量数据。它能利用先进的内装板，可灵活地配置系统。包括高速计数器在内，拥有各种先 进的内装板。在 CPU 单元中安装所要求的内装板就可以满足各种机器的应用要求。串行通信 板能与任何带有串行端口的装置进行通信，比如温度控制器或条码读取器。 CQM1H 的组成单元：CPU 单元、电源单元、I/O 单元、内插件板、编程设备。 1、 CPU 单元 CQM1H 有四种不同的 CPU 单元，CQM1H-CPU51/ CQM1H-CPU61/ CQM1H-CPU21/ CQM1H-CPU11,其中 51 和 61 的 I/O 容量是 512 个点，21 和 11 的 I/O 容量是 256 个点，在设 计中选择使用 CQM1H-CPU51 型号的可编程控制器。其 CPU 组件由以下部分组成：1、电池舱 盖 打开后可操作电池，DIP 开关和存储器盒。2、外设端口 用来连接编程设备，如手握编 程器或运行 CX-Programmer