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远动监控技术 课程编码 课程性质 专业选修课 2 课程教学目标及要求 了解远动技术的基本原理 设计 应用以及技术发展综合应用先选课程的相关知识对同学们的要求与期望 事先预习并做必要的准备积极参与课堂讨论与提问按时完成并递交课程作业遵守考勤纪律与考试纪律 3 学时安排与成绩考核 学时数 54学时学时安排 3学时 周上课时间 1 16周总评成绩 平时成绩 考试成绩平时成绩 占30 考试成绩 占70 闭卷考试 4 教材与参考书 教材 柳永智 刘晓川 电力系统远动 中国电力出版社 2006年第二版参考书 钱清泉 电气化铁道微机监控技术 中国铁道出版社盛寿麟 电力系统远动原理 中国电力出版社杨爵 实用编码技术 中国铁道出版社胡道元 计算机局域网 清华大学出版社曹志刚 现代通信原理 清华大学出版社张永健 电网监控与调度自动化 中国电力出版社何立民 MCS 51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 北京航空航天大学出版社 5 远动监控技术教学大纲 第一章远动技术概述 1 四遥 功能的定义 微机远动系统的基本组成 微机远动系统的性能指标第二章远动信息与编码的基本理论 3 数据传输系统的组成 抗干扰编码的基本原理 线性分组码 循环码第三章远动通信原理和信道 2 4 7 数字调制与解调 同步技术 电力线载波信道 光纤信道 微波信道 频分复用技术 时分复用技术 串行通信接口 6 远动监控技术教学大纲 第四章远动信息的信源编码 5 6 遥信信息的采集与处理 遥测量采集接口 遥测信息的处理 A D转换器 交流采样原理及算法第五章远动系统 8 9 调度端的功能 调度端的硬件结构 微机远动数据库系统 RTU的主要功能 RTU的硬件构成 RTU软件 7 第一章远动技术概述 远动系统是什么 有何作用 2 远动系统的发展怎样 3 远动系统基本概念 基本构成是什么 4 调度自动化系统的功能 基本构成 及其与远动系统的关系是什么 本章主要回答以下几个问题 8 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 9 1 1 1远动监控是什么 实现生产过程的远程数据采集 远程监视以及远程控制的系统 称之为远动监控系统 电力调度中心 控制中心 电力变电所 发电 输电 配电 用电 人工 自动 无人值守 10 1 1 2远动系统的基本功能 数据传输 网络功能 测量功能 控制功能 报警功能 指示功能 累加功能 事件顺序功能 11 1 1 3远动系统的作用 提高系统的自动化水平 大大提高生产效率 及时采集系统信息 随时掌握系统运行状态 提高了系统运行的安全性和可靠性 及时发现故障 及时处理故障 有效缩短故障处理时间 减少故障损失 减小了操作人员的劳动强度 保证第一线人员的操作安全 减少不必要的人工浪费 达到减员增效的目的 为变电站无人职守 以及智能电网提供必备的技术手段和装备 12 1 1 4远动系统的应用领域 铁路系统电力系统调度网无线通讯基站网地铁 轻轨电力调度系统铁路系统道口 信号管理系统交通安全监侧坝体 隧道 桥梁 机场和码头等安全监控网石油和天然气等管道监控管理系统城市供热 供水系统监控和调度环境 天文等无人检测网络的管理 13 1 1 5远动技术的发展 远动技术在20世纪30年代首先用于铁路运输系统我国在20世纪50年代末才在电力系统中采用电子管 继电器 50年代 晶体管 60年代 集成电路 70年代 微机式远动 现在 14 1 1 5远动技术的发展 第一代 布线逻辑式 继电器式 晶体管式 集成电路的远动装置 特点 所有功能由硬件电路完成 按预定的要求进行设计 使构成装置的各部分电路按固定的时间顺序工作来完成预定的功能 第二代 软件化的远动装置 功能由计算机硬件和完成指定功能的软件 加工程序 来实现 对程序进行修订 就能够改变系统的功能 第三代 基于PC机和网络技术的远动系统 客户 服务器结构 目前普遍采用 分类 15 1 1 5远动技术的发展 片级设计 用户根据自己的要求选用不同种类的微处理器片 存储器片 输入输出片等联成各自的系统 模块级设计 直接采用单板机或软硬件结合的多功能集成模块构成用户系统 系统级设计 直接使用具有完整的硬件和软件结构的微型机系统 适当配置一些接口电路 构成系统 从硬件设计上划分 16 1 1 6远动系统监控中心的发展 缺点 1 软件之间的耦合程度高 系统难于扩展 维护 2 软件依赖于硬件平台 不能实现资源重用 3 容错性差 局部故障影响整体 4 系统开放性差 第一 二代远动系统 17 1 1 6远动系统监控中心的发展 缺点 1 系统中客户与服务器之间的通信协议 应用层协议 依赖于不同的厂家 不同厂家开发的软件或硬件难于实现集成 2 服务器是整个系统的瓶颈 第三代远动系统 18 1 1 6远动系统监控中心的发展 目前正在发展的是第四代 第四代 基于信息化的远动系统主要特征是采用Internet技术 Agent技术 自律分布系统技术ADS 面向对象技术 组件技术以及JAVA等技术 实现SCADA系统与其它信息系统的增值集成 实现控制和管理过程的综合化 智能化 具体特征 1 变 配 电所采用综合自动化系统 2 控制中心采用综合调度 3 以上新技术的采用等 本课程以现有的第三代远动系统为例 介绍其功能和工作原理 第四代远动系统 19 1 1 7远动监控系统的基本概念 1 远动技术监控系统调度端 控制中心 与执行 被控 端之间实现遥控 遥信 遥测 遥调技术的总称 2 遥控YK Romote Control Telecontrol 从调度端发出命令以实现远方操作和切换 如开关的 分 合 故障信号的复归等 3 遥信YX Telesignal 将被控站的设备状态信号远距离传送给调度端 如开关位置信号 报警信号等 4 遥测YC Telemetering 将被控站的某些运行和环境参数传送给调度端 如有功和无功功率 电度 电压 电流等电气参数 温 湿度 接触网故障点的距离等非电参数 20 1 1 7远动监控系统的基本概念 6 遥调YT Teleadjusting 调度端直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整 如变压器电压 抽头 等 7 SCADA SupervisoryControlandDataAcquisitionSystem 能够完成常规 四遥 功能的监视控制和数据采集系统 简称远动系统 TelecontrolSystem 或Remote ControlSystem 8 调度自动化系统 DispatchingAutomationSystem SCADA 数据处理和管理功能 与其它系统联网 在线培训 辅助决策等功能 21 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 22 1 2 1远动系统的组成 23 1 2 2远动系统的工作流程 控制中心 RTU 监视控制控制程序改变数据库参数设置 模拟量数字量累加量诊断结果 通信接口 GPS标准时间信号 通信接口 主站 现场设备 通信系统 24 1 2 3远动系统的原理框图 25 1 2 4远动系统的功能结构框图 26 1 2 5远动系统配置的基本模式 远动配置 指主站与若干子站以及连接这些站的传输链路的组合体 常用的远动配置类型 1 点对点配置2 多路点对点配置3 多点星型配置4 多点共线配置5 多点环形配置 27 1 2 5远动系统配置的基本模式 a b c d e 主站 子站 远动系统的配置图 a 点对点 b 多路点对点 c 多点星形 d 多点共线 e 多点环形 28 1 2 6远动系统的基本构成 主站 控制端or调度端 CC包括主机 备用主机 人机接口 模拟盘 通讯装置 网络等设备 1 控制中心 29 1 2 6远动系统的基本构成 远动通道示意图 传输介质包括音频实回线 电话线 光纤 电力载波 无线电等 2 通信通道 30 1 2 6远动系统的基本构成 RTU主要配置有CPU I O 输入 输出 模板 通信接口单元 以及通讯机 GPS天线 电源 机箱等辅助设备 3 被控端或远方终端单元 RTU RemoteTerminalUnit 31 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 32 1 3 1远动信息 遥测信息 各种运行参数 分为电量和非电量两类 遥信信息 断路器 隔离开关等的状态信号 遥调信息 改变运行设备状态的命令 必须进行返送校核 无误才能发送执行命令 遥控信息 传送改变运行设备参数的命令 上行信息 遥测和遥信信息 事件顺序记录 返送时钟报文和遥控返送校核信息等 下行信息 遥调信息遥控信息 对时功能中设置时钟召唤时钟命令 装置复归 广播命令等 33 1 3 2远动信息的传输模式 循环传输模式CDT CyclicDataTransmission 方式 以被控端为主 被控站的远动信息按规约规定组成帧 再编排帧的顺序 周期性地以循环方式向调度端传送 信息传送是周期性的 发端不顾及收端的需要 也不需收端给以回答 问答传输模式Polling 查询 方式 调度端与被控端采用一问一答的方式进行通讯 调度端需要主动向被控端发送查询报文 被控端按调度端的查询要求发送回答报文 要保证调度端发问后收到正确的回答 必须保证有上下行信道 34 1 3 3远动信道 1 专用有线信道 由远动装置产生的远动信号 以直流电的幅值 极性或交流电的频率在架空明线或专用电缆中传送 常作近距离传输 2 电力线载波信道 载波电话 远动信号占用一个话路 音频段 0 3 3 4kHz 直接利用电力线作信道 无需额外投资 结构坚固 信道 通道 信号传输时经过的通道 远动通道 传输远动信号的通道 35 1 3 3远动信道 3 无线电信道 由发射机 发射天线 自由空间 接收天线和接收机组成 利用自由空间传输 不需架设通信线路 可节约大量金属材料并减少维护工作量4 微波信道 频率300MHz 300GHz的无线电传播信号 直线传播 远距离时设中继站 频带宽 传输稳定 方向性强 保密性好 5 光纤信道 电光转换 光信号传播 光电转换过程 信道容量大 衰减小 不受外界电磁场干扰 误码率低 36 1 3 4模拟信号和数字信号 连续消息 状态联系变化的消息 如强弱连续变化的语音等 也称模拟消息离散消息 消息状态离散的 如符号 文字等 也称数字消息 模拟信号 信号的波形为时间的连续函数数字信号 幅度不随时间作连续变化 只能取有限个离散值 37 1 3 5数字通信 和模拟通信相比 数字通信的优点 抗干扰能力强 便于使用现代计算机技术对数字信号进行处理 可以传递各种消息 使通信系统变得通用 灵活 缺点是 占用的信道频带通常要宽的多 传输模拟信号的通信方式 模拟通信传输数字信号的通信方式 数字通信 38 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 39 1 4远动系统的基本功能 单控 单个对象的控制 断路器 隔离开关的合闸 分闸 重合闸的投入 切除 开关的程控 信号复归 测控 保护单元复归 测控 保护单元定值整定 修改及查询 定值整定及修改时 必须输入密码后方可执行 开关的操作闭锁 遥信闭锁控制 当地监控与远方监控系统间控制权的获取控制 安全监控系统摄像头控制 1 遥控功能 40 1 4远动系统的基本功能 程控 程控操作是若干个单控过程的组合 其操作过程与单控相似 由若干步单控过程的组合完成 复归控制 这是无遥信状态返回的遥控对象类 用于二次回路信号继电器 信号灯的复归控制 41 1 4远动系统的基本功能 对开关的位置信号 主要设备故障信号 保护装置及自动装置动作信号等进行实时采集并分类归入数据库中 并在监视器上显示 打印机上记录上述事件结果 同时对故障信息提供声光报警 遥信信号内容包括 变电所电动开关位置信号变电所内事故信号 预告信号变电所内交 直流电源系统故障信号系统设备自检信息控制中心通过监视器和模拟盘 大屏幕投影上的模拟开关的颜色来显示其状态 合闸为红色 分闸为绿色 当变电所设备或馈线发生故障时 把故障信息迅速地传递到控制中心显示 打印 同时启动音响报警 报警信号包含事故报警和预告报警两种 各种信息按不同颜色分类显示和打印 2 遥信功能 42 1 4远动系统的基本功能 遥测内容 变 配 电所三相进线电流 电压 母线电压 三相 主要馈线电流 电压 三相 进线有功功率 有 无功电度 馈线有功电度 瞬时功率因数 平均功率因数 开关站线路电流及电压 三相 等 遥测显示 1 显示器显示 在主接线画面上 实时显示电流 电压 有 无功功率 有 无功电度量 瞬时功率因数计算值 2 制表显示 打印日 月报报表 进行有 无功电度量累加和平均功率因数计算值 3 遥测功能 43 1 4远动系统的基本功能 4 遥调功能遥调实现对主变电所内有载调压变压器进行调节 遥调结果在监视器主接线画面上显示 5 调度事务管理功能控制中心根据从变电所采集的设备运行信息 保护 开关动作等信息 设备正常信息 分析设备的动作次数 累计运行时间 异常或故障发生情况 为调度决策提供依据 以便及时通知运营维护部门进行不安全状态下的检修及事故状态下的抢修 并可根据维修部门的要求 结合供电系统运行情况和行车组织计划 制定合理的变电设备 馈线或接触网设备检修维护计划 并下达到供电车间执行 44 1 4远动系统的基本功能 分类保存操作信息 事件和报警信息的历史记录 以便进行查询和故障分析 实现模拟量测量数据及开关跳闸次数等的日报 月报 年报等统计报表 系统可根据调度人员的要求建立各种档案报表 采用自动或手动方式录入数据 并可进行定时和随时打印 电度报表包括 日报表 月报表 和 年报表 日报表显示内容主要有 每小时的电度量 当日最大电流及出现时间 最高最低电压及出现时间等参数 月报显示内容主要有 每天的电度量 当月最大电流及出现时间 最高最低电压及出现时间等参数 年报显示内容主要有 每月的电度量 当年最大电流及出现时间 最高最低电压及出现时间等参数 为电度量参数提供手动置数功能 电度量报表可手动修改 修改后的合计 功率因数等量自动进行统计 负荷报表包括 日报表 月报表 和 年报表 记录牵引及变配电所的电流负荷 遥测极值统计表包括 遥测极值统计日报表 遥测极值统计月报表 遥测极值统计年报表 后台管理系统提供还有 遥测越限报表 操作 事件 记录表 开关动作统计表 故测记录表 断路器跳闸记录表 6 运行数据归档及统计报表功能 45 1 4远动系统的基本功能 系统主要用户画面包括 供电系统示意图动态显示带电状态接触网线路 电力线路示意图变电所主接线示意图监控系统构成图 可动态监视系统设备运行状况各种记录 警报 程控等用户画面各种报表 曲线显示画面 7 用户画面显示功能 46 1 4远动系统的基本功能 8 数据打印及画面拷贝功能系统可以对实时运行数据打印及定时报表打印 同时对所有监视器画面均可实现随机拷贝 9 大屏幕投影显示功能提供对系统宏观整体运行状况显示 并动态显示变电所开关位置及接触网等馈线带电状态 可以灵活定义显示内容及显示窗口 支持多屏幕拼接显示方式 同时提供视频信号输入端子 用于视频信号的输入显示 47 1 4远动系统的基本功能 10 模拟培训功能该功能可以对操作人员 运行维护人员进行上岗前的模拟操作培训 进入模拟培训状态下 用软件模拟操作过程和操作结果 但不会对设备发送指令 11 口令级别设置功能对不同工作性质的工作人员设置不同的安全操作口令 以确保系统的安全运行 工作人员在岗位交接班时用口令替换形式完成 口令级可分为操作员级 应用软件级 包括数据库 系统软件级等 不同等级的运行管理人员具有不同的口令级别 操作员级 可进行遥控操作 调度管理工作 应用软件级 可对数据库 画面等应用软件实现在线维护 系统员级 可对系统程序进行编程和修改 48 1 4远动系统的基本功能 12 报警功能 越限报警 当测量值越限时 显示和打印报警信息 报警信息包括越限发生和恢复时间 时 分 秒 报警条文及报警参数等 报警限值可进行修改 预告报警 当设备或线路异常时 显示和打印报警信息 报警信息包括报警发生和恢复时间 时 分 秒 及设备异常状态 事故报警 当保护动作时 显示和打印报警信息 报警信息包括报警发生和恢复时间 时 分 秒 及保护动作说明 13 系统维护 修改 扩展功能对各种用户画面 数据库 系统参数等实现人机交互式在线维护 修改 编辑 定义 扩展等功能 49 1 4远动系统的基本功能 14 系统时钟同步功能系统能够与外部时钟系统的接口 可以通过外部时钟对SCADA系统主站进行同步 同时主站与被控站设备具有时钟同步功能 实现整个SCADA系统与外部主时钟的同步 通常有软时钟同步功能和GPS卫星时钟同步功能 15 自检功能系统具有容错 自诊断 自恢复功能 主站设备自检标志达到设备级 被控站设备自检标志达到模块级 当系统外部断电恢复后 系统能够自动恢复正常运行 16 通道自动 手切切换功能系统具有对通道状态监视 切换功能 实现对通道的监视和低电平告警 当主用通道发生故障时可自动投入备用通道 并具有主 备通道手动切换手段 50 1 4远动系统的基本功能 17 复示功能通过复示系统能够在相应的职能管理部门 监视全线变电所设备 接触网设备的运行情况 使供电维护人员及时了解现场事故信息 提高处理事故的工作效率 缩短停电时间 与控制中心实现通讯 完成维修调度作业计划的发送和接收 18 其它功能如与其它系统的联网 集成等 51 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 52 1 5 1可靠性 1 可靠性的定义设备在技术要求规定的工作条件下 能保证所规定的技术指标的能力 2 可靠性包括两个方面装置本身的可靠性 信息传输的可靠性 3 每个设备可靠性平均故障间隔时间 MTBF 两次偶然故障的平均间隔时间要求 控制中心5000h以上 被控站10000h以上 53 1 5 1可靠性 系统可靠性 常用系统可用率来表示系统可用率 运行时间 运行时间 停用时间 100 停用时间包括 故障时间 检修时间影响系统可用率因素 设备质量 维护检修情况 环境条件 电源供电可靠性及其备用的程度等 54 1 5 1可靠性 4 传输可靠性 用信息的差错率表示 要求 在信躁比大于15dB时 误码率小于10 5 55 1 5 2远动系统容量 系统容量 遥控 遥调 遥测和遥信等对象的数量 对电铁远动系统 通常要求 遥控 64路遥测 32路遥信 128路 56 1 5 3实时性 响应时间 从发送端事件发生到接收端正确接收到该信息的时间间隔 遥控 遥信一次平均传输时间小于2秒 遥测响应时间小于3秒 57 1 5 4抗干扰能力 1 定义在有干扰情况下 系统仍能保证技术指标的能力 2 抗干扰措施 1 硬件抗干扰 2 软件抗干扰 58 第一章远动技术概述 第一节概论第二节远动系统的基本结构第三节远动信息与远动信道第四节远动系统的基本功能第五节远动系统的性能指标第六节电力调度自动化系统 59 1 6 1电力调度的分层控制 我国电力系统的五级调度体制 国家调度一级电网调度 简称国调 大区的电网调度 网调 省电网调度 省调 地区电