变电站综合自动化微机监控系统设计.doc

目 录1 引言11.1 课题的目的和意义11.2 变电站综合自动化系统11.3 变电站综合自动化微机监控系统21.4 本文要做的工作32 变电站综合自动化微机监控系统的总体方案32.1 变电站综合自动化系统设计的原则和要求32.2 变电站综合自动化的系统结构43 变电站综合自动化微机监控系统硬件部分的设计83.1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置83.2 变电站综合自动化微机监控系统通信网络的设计104 变电站综合自动化微机监控系统软件部分的设计104.1 变电站综合自动化系统微机监控系统对监控软件的要求104.2 监控系统软件设计的方法114.3 微机监控系统软件的分析124.4 监控软件模块化设计154.5 部分软件模块设计举例185 设计总结21参考文献22电气工程课程设计（报告）1 引言1.1 课题的目的和意义随着国民经济持续快速地增长，我国电力工业也飞速发展。仅在2007年这一年，我国新装机的容量就突破一亿kW大关，约站当时总装机容量的1/7；而且在新上机组中，百万kW容量的机组就站相当大的比例；根据规划，2020年总的装机容量大约是去年底的3倍。电力工业发展的现状和趋势，势必要求提高电力系统的自动化和信息化水平。变电站是电网中的重要基本环节，其自动化水平的高低直接影响着电网安全稳定运行水平。随着用电负荷的快速增长和负荷密度的加大，变电站的电压等级和变电容量不断提高，对供电可靠性的要求也越来越高。因此，必须提高变电站的自动化水平。变电站综合自动化系统是最新发展起来的多专业综合技术，是电网运行管理中的一次变革，它以计算机为基础，实现了电网变电站现代化管理，从而改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，充分体现了现代生产的特点。变电站综合自动化系统，能够全面提高变电站的技术水平，提高运行的可靠性和管理水平，具有显著的可比优越性，是变电站自动化的发展趋势。大规模集成电路和通信技术的迅猛发展，网络技术、现场总线等的出现和完善，为提高变电站综合自动化系统的技术水平提供了有力的科技支持。变电站综合自动化微机监控系统是变电站综合自动化系统最基本的子功能系统，涉及到变电运行、监视控制等方面的内容，使变电站的监视和控制发生了根本的变化。因此，研究变电站综合自动化微机监控系统具有迫切的现实需要和重大的实际意义。1.2 变电站综合自动化系统1.2.1 变电站自动化 变电站主要包括两大部分：一次系统和二次系统。一次系统完成电能的汇集、电压变换和分配等任务；而二次系统则完成对一次设备和一次系统运行状态的测量、监视、控制、保护和故障告警的任务以及完成满足调度、远方监控等内容的远动任务。而一个变电站运行情况的优劣，在很大程度上取决于其二次设备的工作性能。电力系统是一个连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消费都是同时完成的。因此，变电站的运行也是连续的。为了掌握变电运行状态，必须对相关电气量进行连续测量，供运行监视、记录；为了保障变电站、输电线路的安全运行，需要实现过流、低压等故障的安全保护；为了向电网调度提供系统运行状态，需要将表征电力系统运行的相关信息向上级调度部门传送；为了向客户供给合格的电能，需要进行必要的控制和调节。同时，当系统出现异常情况时，变电站必须做出快速的反应，及时进行处理。随着电力工业的迅速发展，容量大、参数高的电气设备被广泛、大量地投入运用到电力系统中，必须保证这些设备安全、可靠地运行；用户对电能的要求越来越高：这都要求采用变电站自动化技术并不断提高其技术水平。1.3 变电站综合自动化微机监控系统1.3.1 微机监控系统概述本系统以微机为主，将变电站的二次设备通过功能组合，形成模块化、网络化、功能化的现代化微机监控系统, 真正满足了生产和管理的要求。我国现在运行中的微机监控系统，一般采用组件对象模型（COM）技术和面向对象技术进行系统设计，软件采用C+、TCP/IP、DCOM、ActiveX等国际标准规定的编程语言，具有很好的开放性和兼容性。微机监控系统由硬件、软件两大部分组成：硬件配置与系统的体系结构、通信连接形式有关，是其物理存在形式；而支撑平台系统支持下的监控软件的作用不可或缺。对本系统的基本要求是：连续运行的可靠性、监控的实时性、维护方便、人机交流方便、通信可靠、信息处理和控制算法先进可靠等等。在变电站综合自动化系统发展的具体过程中，受现有专业分工和管理体制的影响，具有两种不同的实施方案：一是微机监控系统以远动（RTU）为数据采集和控制的基础，相应的设备也是以电网调度自动化为基础，微机继电保护则相对独立，类似产品有PS6100；另一种是微机监控系统以微机继电保护为数据采集和控制的基础，将微机测控系统和微机保护结合在一起，现有产品有CSC2000。从我国电力系统目前的运行体制、人员配备和专业分工看，监控、保护相对独立的变电站综合自动化系统无疑具有较大优势。但是，测量数据完全共享等技术的发展，监控、保护一体化配置的变电站综合自动化系统是未来的发展趋势。1.3.2 微机监控系统的功能微机监控系统是变电站综合自动化系统的子系统，随着广泛采用不断发展进步的电子技术、计算机技术和通信技术等科技技术，它取代了传统的监控方式，使变电站的监控发生了根本的变化。微机监控系统取代了常规的测量系统和指针式仪表，改变常规的操作机构和模拟盘，取代了常规的光字牌、报警、中央信号等，取代常规的远动装置等。其功能如下所述。（1） 实时数据采集；（2） 事件顺序记录SOE和事故追忆功能；（3） 故障记录、故障录波和故障测距；（4） 操作控制功能；（5） 安全监视；（6） 人机联系和打印功能；（7） 数据处理和记录功能；（8） 谐波分析和监视；（9） 报警处理；（10）画面生成和显示、在线计算与制表；（11）远动功能；（12）运行管理功能。除了上述基本功能外，它还有防误闭锁、系统自诊断与恢复、提供接口等功能。1.4 本文要做的工作本设计（论文）对变电站综合自动化系统及其微机监控系统进行详细的分析和研究，主要做以下工作：（1）搜集、整理变电站综合自动化系统及其微机监控系统的相关资料，学习和理解这些方面的全部内容并研究它们发展的最新成果；（2）对变电站综合自动化的结构形式进行比较和分析，明确各结构形式的特点和优缺点；（3）在学习掌握有关资料的前提下，对变电站综合自动化微机监控系统原理进行分析和综合，提出总体设计方案和框图；（4）对变电站综合自动化微机监控系统的整体结构进行设计，耐心细致地研究变电站综合自动化微机监控系统的软、硬件部分，然后分析和设计本系统的硬件结构和软件部分； （5）对研究的工作进行认真总结和简要展望。2 变电站综合自动化微机监控系统的总体方案2.1 变电站综合自动化系统设计的原则和要求变电站综合自动化是一门综合性很强的新技术，它既包含电力系统中的变电运行、测量监控、继电保护、远动和通信等多方面的知识，还容括了电子技术、微机技术、网络技术等正在发展中的科技知识。为了达到预想的目标，设计它时，必须满足以下的原则和要求。（1）充分体现综合性。变电站自动化系统应能全面替代常规的二次设备，应集变电站的测量、监视、运行控制等于一个分级分布式的系统中。（2）通信可靠、信息共享。各个功能模块、部件之间应采用网络方式，便于扩充接口的功能。充分利用数字通信的优势，实现数据共享。（3）满足系统安全性和技术先进性的要求。微机保护硬件和软件的设置，既要与监控系统相对独立又要相互协调。即在运行中，继电保护的动作行为只与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节，以保证本系统中任何其他环节故障都不影响保护子系统的正常工作；同时，保护又要与监控系统保持紧密的通信联系它的软、硬件的配置必须具备RTU的全部功能，以满足和促进变电站无人值班的实施。（4）系统运行可靠，具有很强的抗干扰能力。在考虑系统的总体结构时，要注意主、次分清，对关键环节要有一定的冗余。综合系统的各个子系统要相对独立，要具有独立的故障自诊断和自恢复功能。任一部分发生故障时，应通知监控主机发出警告指示，并能迅速将自诊断信息送往控制中心。（5）结构灵活、运行模式适应性强，进行标准化工作和具有良好的开放性。能适应不同规模、电压等级的新、旧变电站对自动化系统的要求；系统应能灵活地提供适应变电站运行的各种监控操作手段，满足有人或无人值班的要求。所设计的系统必须符合国家和部颁标准，并使它的开放性能好，便于升级改造。2.2 变电站综合自动化的系统结构随着电子技术、微机技术、通信技术和网络技术的迅猛发展，变电站综合自动化技术也得到了很大发展，其体系结构不断向前发展，使它的系统性能、实现功能、运行可靠性得到不断提高。变电站综合自动化系统在结构形式上主要可分为集中式结构、分层分布式结构、集中和分散相结合结构和完全分散式结构四种。2.2.1 集中式系统结构图2-1为该系统的示意图。它采用不同档次的计算机，扩展它的外围接口电路；集中采集变电站的各种信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。但是，集中式结构不是由一台计算机完成监控、保护等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控等的功能也是由不同的微机完成的。这种结构按功能划分为许多单元，而这些单元由总控单元加以控制。这样，该结构便有以下优点：各单元相互独立、互不影响；可集中也可分散安装；扩充性好；综合性强。但是也有很大的缺点，从而限制了它的推广应用。其主要缺点如下：（1） 每台计算机的功能集中，必须采用双机并联结构才能提高可靠性；（2） 组屏多、站地面积大；（3） 软件复杂、修改工作量大，系统调试烦琐；（4） 组态不灵活，对于不同主接线或不同规模的变电站，其软、硬件都必须另行设计。打印机CRT显示器键盘、鼠标监控主机MODEM调度（控制）中心微机保护装置输出接口监控动作信号输出保护出口输出接口模入接口主变压器TATV输入接口脉冲量输入开关状态量输入模拟量输入开入接口一次设备状态量输电线路TATV电容器TATV图2-1 集中式结构的综合自动化系统框图在这类结构中，系统采用按功能划分的分布式多CPU系统，同时，采用分层管理模式。本系统将整个变电站的一次、二次设备分为2层或3层；每一层由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。而变电站综合自动化系统一般位于前两层。该系统具有以下特点：（1）采用分层分布式配置。为了提高该系统整体的可靠性，系统按功能划分了分布式多CPU系统。在管理上，采用分层管理模式：设保护管理机、数采控制机管理各个下属部分。这样，可以显著减轻监控主机的负担。（2）继电保护相对独立。这样做是为了提高继电保护的可靠性。（3）具有与控制中心通信的功能。本系统不需要独立的RTU装置为调度中心采集数据，而是将采集的信息直接上传给调度中心。（4）模块化结构，可靠性高。模块化技术使各个功能模块相对独立，任何一个模块故障，只影响局部功能的实现，而不对全局造成影响。（5）维护管理方便。采用集中组屏结构，全部安装在控制室内，工作环境好，维护管理方便。（6）需要的电缆多。由于设备分别较广，安装时需要大量控制电缆。图2-2所示了适用于较大规模变电站的分层分布式集中组屏的变电站综合自动化系统。变电站层监控主机工程师机通信控制机调度或监控中心单 元 层数采控制机开关量输入开关量输出.测量单元1测量单元n故障录波器电压无功控制保护管理机变压器保护单元线路保护单元电容器保护单元元TA、TV输入，断路器、隔离开关辅助触点输入，断路器控制等备用电源自投设备层图2-2 适用于较大规模的分层分布式集中组屏综合自动化系统框图分层分布式系统，具有分层分布式结构、功能模块化等的优点，起到使功能分散、危险分散和地域分散的作用。因此，自问世以来就显示了强大的生命力，得到了广泛地推广和应用。但是，它需要大量控制电缆，才有了以后的分散式结构的系统 。2.2.3 集中和分散相结合式和完全分散式集中和分散相结合式是按每个电网元件为对象，集测量、控制、保护为一体，设计一个机箱，整个变电站形成即分散又集中的结构。按照集中和分散的不同结合，可分为局部集中、总体分散和高压集中、配电分散两种形式。因此，该系统即有集中式的优点，又有分散式的优点：（1）配电线路的保护和测控单元，分散安装在各开关柜内，简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积；（2）简化二次设备的连接，从而节省大量电缆；（3）抗干扰能力强，可靠性高；（4）结构可靠，组态灵活，检修方便。其中有这样的一种结构形式：按电网元件为对象，集测量、控制、保护为一体，设计在一个机箱中；把这个一体化的测控、保护单元分散安装在各个开关柜中；由监控主机通过通信往来对它们进行管理和交换信息；而对于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍集中组屏安装在控制室内：形成既分散又集中的结构。这个结构的示意图如图2-3所示。 人机接口打印机CRT显示器键盘、鼠标调度（控制）中心监控主机MODEM当地调试或监控电能管理机智能电能表智能电能表电缆或光缆保护管理机现场总线智能开关柜1n保护与测控单元TATV状态信号出口回路电压无功控制屏备用电源自投装置主变保护屏监控单元TATV状态信号出口回路图2.3 集中和分散相结合的变电站综合自动化系统结构框图2.2.4 本文所采用的变电站综合自动化系统的结构形式上述3种结构形式变电站自动化系统的推出，虽然存在出现时间先后之分，但是并不存在着前后替代的情况。然而，它们的综合自动化程度是不同的，主要体现在信息共享程度、综合功能的多少、站内通信结构等，还体现在人机接口、可维护等方面。变电站结构形式的选择应根据各种系统特点和变电站的实际情况，予以选配。如以RTU 为基础的变电站自动化系统可用于已建变电站的自动化改造,而分散式变电站自动化系统,更适用于新建变电站。因为就目前而言，分层分布式结构的系统优点较明显、应用范围最广，所以本设计（论文）将对该类系统进行研究设计。变电站综合自动化系统分为变电站层和间隔层，这两层之间建立了基于以太网的站内通信网，间隔层设备间建立CAN总线通信网。如图2-5所示，变电站层包括前置机通信单元和后台监控主机单元，这些构成了上位机系统。间隔层也就是下位机系统，按断路器间隔划分，包括主变监控保护单元、主变后备保护单元、线路监控保护单元、电容器保护单元等。 变电站综合自动化系统变电站层间隔层前置通信单元后台监控主机上位机系统主变监控保护单元线路监控保护单元主变后备保护单元下位机系统 图2-4 变电站综合自动化系统分层结构框图3 变电站综合自动化微机监控系统硬件部分的设计3.1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置设计方案采用目前广为应用的分层分布式系统结构。系统将变电站分为变电站层和单元层：单元层通信采用现场总线方式，通信单元和变电站层之间采用以太网通信。本文把微机监控系统分为站控层和间隔层，网络按双网配置，间隔级控制层设备配置双以太网接口。各间隔级单元相互独立，不相互影响。站级网络采用基于TCP/IP协议的，自适应10/100M 双以太网结构(A、B网) ，应用层使用协议符合DL/T667-1999标准。系统的配置图如图3-1所示。操作员工作站1操作员工作站n10M/100M交换式以太双网五防工作站保护工程师站管理工作站远动主机以太网LN 1LN n逻辑单元装置前置通信主机前置通信备机SCADA主机SCADA备机Web服务站Internet远程工作站远动备机图3-1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置图变电站综合自动化微机监控系统由监控主机、操作员工作站、工程师工作站、保护工作站、远动工作站等部分组成。下面就简要一一介绍。（1）SCADA服务工作站。SCADA服务工作站负责整个系统的协调和管理，保持实时数据库的完整；负责组织和整理各种历史数据。（2）操作员工作站。操作员工作站完成对电网的实时监视、控制和操作功能，包括显示各种图形和数据。它能在正常和电网故障时，采集、处理各种二次装置信息，并充分利用这些信息为继电保护运行、管理服务，为分析和处理电网故障提供支持。（3）前置通信工作站。它负责接收厂站的实时数据，并进行一定的规约转换和预处理；通过通信网络传给后台机系统，同时，向各厂站发出有关的控制和调节命令。（4）远动工作站。该站负责与外界进行通信，并完成多种远动通信规约的解释；向上传送现场实时数据，向下发送远方的遥控、遥调命令。（5）五防工作站。它向操作员提供对变电站内的五防操作管理。（6）保护工程师站。它提供给保护工程师对变电站内保护装置及其故障信息进行维护管理的工具。它具备多路数据转发能力，能通过网络通道向多个调度中心转发数据，其通信规约符合中国南方电网继电保护故障信系统通信与接口规范这个标准。（7）管理工作站。它对电力系统中的电气设备进行监管。（8）远程工作站。可以实现远程浏览实时画面、报表、事件记录等内容。（9）Web服务器。它为远程工作站提供SCADA系统的浏览功能。3.2 变电站综合自动化微机监控系统通信网络的设计变电站综合自动化微机监控系统实质是由多台计算机组成的分层分布式监视和控制系统，包含着许多子系统模块。因此，在其内部和外部，需要通过数据通信，以实现信息的交换和信息共享。由于变电站环境特殊和对自动化系统极高的要求，所以本系统中的数据通信技术是一项非常重要的技术。系统的数据网络应满足下列要求：（1） 实时响应要快；（2） 可靠性高；（3） 电磁兼容性能优良；（4） 采用分层式结构。如上所述，变电站综合自动化微机监控系统既用到现场总线技术，又用到以太网通信技术。4 变电站综合自动化微机监控系统软件部分的设计4.1 变电站综合自动化系统微机监控系统对监控软件的要求变电站综合自动化微机监控系统系统中，监控软件充当站内保护、测量、控制以及通信装置与变电站运行人员之间的接口，要求其一方面能够接收站内保护测量装置上传的数据信息，对数据进行一系列处理后，将结果通过人机界面反映给操作运行人员；另一方面能接受站内运行人员的控制命令，并将其下发给测量、控制和保护装置，以便实现遥控和遥调操作。同时，监控系统软件还和调节命令的角色。因此，监控软件在变电站综合自动化系统乃至电网自动化在变电站与远方调度中心的关系中还扮演着上传数据信息、下达控制系统都起到了非常重要的作用。变电站综合自动化微机监控监控系统的软件应该具有以下性能：（1） 必须具有极高的可靠性。变电站作为电网中的重要环节，它的能否正常运行直接关系到整个电力系统能否正常供电。监控软件对变电站的监控运行起着举足轻重的作用，电力系统实现无人职守变电站后，对监控软件的可靠性又提出了更高的要求。因此，监控系统必须具有很高的可靠性。软件的可靠性是指在规定的时间内和规定环境下，计算机软件无故障运行的概率。采用容错技术可以提高可靠性，然而，故障处理器容错设计、恢复模块容错设计和版式容错设计等容错设计方法，技术难度大，技术成本高，有的仅局限于飞机导航等高可靠性系统。（2） 必须具有开放性和可组态性。监控软件可以与不同的设备按照不同的通信方式连接；数据的显示方式也可以根据用户的需求随意改变。根据实际需要，灵活地配置各种应用程序模块。应用软件的随意组合，应用程序的可移植性，是对这方面的基本要求。（3） 必须具有很好的实时性。监控系统所监视的信息必须及时反应到值班人员面前，值班人员的操作也必须尽快得到执行。我国电力行业对变电站监控系统的实时性有明确具体的要求。电力过渡的过程和传播速度极快，这就要求监控软件具有高速的计算能力，以便及时处理变电站运行中的一切问题。4.2 监控系统软件设计的方法4.2.1 模块化和面向对象的设计方法目前，程序设计的方法较多，其中最流行的程序设计方法主要有两种：以传统的软件工程为代表的自顶向下的模块化程序设计方法；以面向对象为代表的自底向上的程序设计方法。模块化程序设计的方法，是以实现的功能为核心。系统功能在软件开发初就可以被精确定义情况下，这个方法具有简单高效的优异特征。但是，在设计之初，软件功能还不很精确性和很不稳定，从而使得系统的功能难以精确地表达，而且该方法忽略了系统数据结构，以及随着开发的逐步深入，模块的独立性也变得较差，从而使得系统整体上缺乏可重用性、可扩充性和可维护性等质量。 面向对象的程序设计方法则强调数据的重要性和以对象为核心，用系统本身的结构构造整个系统。由于对象表现出很强的独立性和通用性，使得开发的软件具有很强的可重用性、可扩充性和可维护性。这是面向对象的程序设计方法显著的有的。此外，面向对象构造系统的思想使得系统的可测性大大增强，而且面向对象编程语言的规范性较好，使得系统在开发后期以至维护阶段，故障明显降低。但是，在实践过程当中，面向对象的程序设计方法也存在许多问题。在设计过程中，建立各种对象模型的过程是艰苦和漫长的，需要高超的专业技术水平。相对前一方法，它的难度大，持续的时间长。为了使系统结构严谨清晰并且完全可靠，通常包含了不少的冗余成分，编程语言的复杂性明显增加，对程序员的素质要求较高。各层对象之间的通信信息传递缓慢，在时间执行上也不确定，这不利于提高实时性。 从前面的论述可以得出这个结论：这两种程序设计的方法是各有其优缺点的。它们单独存在，都有不尽人意的地方。于是，人们自然想出把它们结合起来用的念头。模块化的设计方法和面向对象的设计方法并不存在根本的对立，一个模块至少可以抽象成一个对象，这在现代面向对象的程序设计语言中体现的很好。因此将这两种设计方法结合起来既是完全可能的，又很有必要。本文将针对变电站综合自动化微机监控系统监控软件的特点，把这两种编程方法结合起来，进行系统软件的开发。这样，这两种设计和编程方法可以相互补充，把它们的优点都展现出来，从而使得它们相得益彰。4.2.2 分层的设计方法分层的设计方法也是设计常用的方法，因为它有许多优点，并且这种方法符合现实世界事物分层的规律。下面，就简要分析其优点。（1）使任何一个复杂的问题简化。（2）使每个层面上的功能减少，从而减轻其难度和负担。（3）通过使功能分数、危险分散，以提高系统的整体可靠性。（4）使系统结构变得清晰，有利于系统功能的划分。分层设计，离不开模块化设计方法。分层，就是把系统的功能分级模块化。因此，可以看出，分层设计方法其实就是模块化设计方法的延伸和拓展。本文对变电站综合自动化微机监控系统设计的全过程中，都体现出了这两种设计方法。在软件部分的设计中，它们的结合便更进一步。4.3 微机监控系统软件的分析4.3.1 软件的层次分析监控系统的软件可以分为三个层次：操作系统、支撑软件、应用软件。如图4-1所示。操作系统位于系统的最底层，它的上面是支撑软件，应用软件位于系统的最上层。在图中：支撑软件指数据库管理系统、办公应用软件等为用户应用软件提供运行支撑的系统软件和工具软件；应用软件包括了数据处理系统、图形查看程序、告警显示、图形显示及维护、下发命令管理程序、报表打印程序等。 应用软件支撑软件操作系统图4-1 系统软件层次示意图本文采用的操作系统，是Microsoft公司的Windows 2000/XP专业及服务的最新版本。Windows 2000/XP是一个跨平台的操作系统，具有丰富的第三方软、硬件支持，提供了良好的二次开发平台。此外，它具有强大的网络功能，支持客户/服务器通信方式和流行的许多通信协议，方便地实现Internet/Intranet的目标。总之，用它既能取得最佳的性价比，又能保护用户软件方面上的投资。支撑软件最主要的是数据库软件和网络管理软件。本文软件的设计，主要是针对应用软件的。4.3.2 监控软件的逻辑构成变电站上位机监控系统是调度员、运行管理人员以及他们监控的对象变电站的开关和线路等设备的一个中介。因此，监控系统除了自身核心的部分以外，还应该包括系统和监控对象的接口、系统和使用者的接口等。基于此，监控软件在逻辑上可以分成三个部分：数据处理系统、前置机系统和人机联系工作站。如下面的图4-2所示。 数据处理系统前置机系统人机联系工作站图4-2 监控系统的逻辑构成数据处理系统是监控的核心部分。它起到监控数据库和数据库维护的功能以及数据计算、统计等数据处理的功能。前置机系统主要与下位机的保护测量装置打交道，以完成系统与监控对象的接口。前置机软件包括串行口通信功能、规约转换功能、数据预处理功能以及和数据处理系统通信等功能。人机联系工作站负责向管理和操作人员提供人机界面，如图形、表格、声音及动画等等。此外，人机联系工作站还为操作人员提供了向RTU/FTU发送控制和调节命令（如遥控）的手段。另外，监控系统本身的许多维护工作也是通过人机联系工作站进行的。4.3.3 监控软件功能的分析对需求的完全理解是对软件开发工作取得成功的前提。对需求进行详尽的分析、精确的描述和定义可以缩短开发周期、降低后期开发成本，也是设计出高质量、高可靠性软件的前提工作。只有明白了系统的功能，才有可能成功设计出高质量的软件来。因此，在开发设计软件之前，必须完全掌握系统要实现的功能。根据对变电站综合自动化微机监控系统应具备的功能的理解，监控软件应该具备如下的功能。（1）通信功能。监控主机与变电站RTU之间的通信，由上行通信和下行通信这两方面内容组成。上行通信主控程序接收变电站RTU所采集的变电站运行的实时信息，包括遥测量、遥信量、电度脉冲量、事件顺序记录等数据，对各种控制命令的反馈信息等。下行通信主控程序向变电站子站发送遥控、遥调、设置子站时钟、召唤子站时钟、设置时钟校正值命令、广播命令等各种控制命令。另外，监控主机还与调度控制中心进行通信，其过程类似。（2）数据处理及记录功能。对通信程序采集的原始数据进行加工和处理，并进行各种累计和统计运算，以得到变电站运行的监控信息。（3）安全监视功能。系统对采集到的遥测量、遥信量、保护信息以及开关变位的次数进行监视。当发生遥测量越限、遥信量状态异常、保护动作等，系统能及时在本地发出报警并记录相应信息以供运行人员分析处理用。报警处理分两种方式,一种是事故报警,包括非操作引起的开关跳闸和保护装置动作信号;另一种是预告报警,包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量越限/复限、计算机站控系统的各个部件、间隔层单元的状态异常等。（4）事件顺序记录和事故追忆功能。事件顺序记录和事故追忆有利于对事故的分析和处理。当变电站发生故障时，能够将上报的异常状态变化的时间、事件顺序地存储，并能打印。发生事故时，能够记录事故前M帧、后N帧的变电站电气运行参数变化过程，并能够以表格或图形方式再现追忆内容，即事故发生的变化过程。（5）控制与调节功能。主要完成遥控和遥调功能，即完成对断路器和隔离开关的开合操作，可以对有载调压变压器的分接头调节进行调节控制，对电容器组进行远方投切。（6）接线图编辑设计功能和打印功能。通过编辑好的一次主接线图，可以直观地显示电能生产的状况。本系统提供多种打印功能，可将所关心的数据图形报表打印出来。可打印的内容：各种报表、各种告警信息、事故追忆、各种表格操作记录，事件记录等、设备参数历史数据。打印的方式主要有召唤打印、定时打印、随机打印。（7）报表功能。以表格的形式记录、显示变电站主要设备运行的数据信息可，代替人工抄表填写变电站运行报表。主要的报表有：日运行报表、月运行报表、旬电量分析报表、电压质量统计报表、电容器投切运行记录报表、变电站安全综合月报表、主变压器报表和有载调压操作记录报表等。（8）参数设置和维护功能。完成系统运行的各项参数的设置，包括所监视的遥测量、遥信量、电度量、越限参数、遥调参数、遥控参数等参数的维护。（9）安全管理功能。为保证数据及操作等的安全，根据操作的内容和对象将系统的操作权限分为以下三级：值班员仅有数据浏览权限；值班长浏览，遥控，遥调操作；系统管理员浏览，遥控，遥调和修改各种数据。另外，在遥控和遥调操作时，需要有操作员和监护员同时输入口令才能进行。4.3.4 监控主站的功能模块根据对系统的理解，可以将监控主站的系统功能划分为若干模块：通信管理模块、系统配置模块、权限设置模块、打印模块、数据库模块、告警模块、图表显示模块、遥控遥调操作模块等。下面就简要一一介绍。（1）通信管理模块。上位机与通信管理机之间的通信协议采用CDT 规约，所有信息量由通信管理机主动上传。 （2）系统配置模块。各种图表生成后，必须进行系统的配置。完成该项功能的系统配置模块由以下三个子模块组成：单元配置模块、保护配置模块和图表重载模块等。 （3）权限设置模块。系统的人员权限级别分为两级：系统管理员和操作人员。操作人员可以进行控制、调节操作。操作人员口令设置包含有名称设置和密码设置，每个操作人员都有唯一的名称。每个操作人员的名称和密码都由系统管理员负责设置。操作人员不能修改任何操作人员名称，但可以修改自己的登录密码，同时无权修改他人的密码。系统管理员可以进行系统配置的修改、保护定值的修改或定义、添加新增值班人员、删除原有值班人员、修改值班人员密码（防止值班人员遗忘自己密码）等各种操作。这样，就保证了每个人的信息安全。 （4）打印模块。该模块分为三个子模块：SOE 事项打印、定时报表打印和召唤报表打印等。 （5）数据库模块。本系统的所有数据分别包含在Para 和Data这两个文件夹中。其中，Para文件夹中包含下列内容：系统基本参数、系统运行参数、RTU参数、遥测遥信参数、遥测遥信存盘量参数、电度存盘量参数等等。Data 文件夹中包含的是变电站运行中的实时数据，其中包括遥测数据、遥信数据、电度量、事项数据（SOE、登录事项等）和故障录波数据。（6）告警模块。每次报警都将伴有信息窗的产生，它将详细说明事故或事件发生的地点、时间、类型以及故障数据。对于保护、预告、开关动作等各种事件，系统都提供了不同的多媒体语音告警，该语音告警会一直持续下去直到运行人员来解除报警为止。（7）图表显示模块。该模块包含两个子模块：图形显示模块和图表显示模块。 （8）遥控遥调操作模块。它也包括两个子模块：开关操作模块和调压器操作模块。开关操作模块分为两种操作：开关挂/摘牌操作和开关分合操作。同开关分合操作有子模块一样，调压器操作模块也包含了“选择”、“执行”和“撤消”三个子模块。（9）定值修改模块。定值修改模块由定值显示修改模块和控制字投退模块两个子模块组成。4.4 监控软件模块化设计从前一节中的分析可知，监控软件应具备的功能很多。在这么短的时间内，全面系统地设计它几乎是不可能的。为此，特意选出几个模块进行详细地设计。4.4.1 监控软件模块的划分鉴于前一节所述的原因，将对上位机监控软件应用分层、模块化和面向对象的软件设计方法进行软件部分的设计。根据监控软件要实现的功能，我把软件系统分解成了相应的若干模块。如图4-3所示。系统的整体工作流程如下：在平时正常的监控运行状态，数据采集、处理及通信模块负责接收来自下位机测控、保护单元发送的实时数据，同时把接受到的数据送到数据管理模块进行处理并同时存入数据库；图形显示模块完成变电站运行状态的实时显示，报表打印模块定时打印日报表、月报表等；当操作人员对下位机遥控进行操作时，命令管理模块通过数据采集、处理及通信模块与下位机进行通信，以实现对所选设备的操作；当有事件发生时，报警模块通过图形显示模块对操作运行人员进行提示，同时由通信模块向远方调度控制中心上传报警信息。在该系统中，数据采集、处理和通信模块为整个监控软件的基础。它负责规约的转换和对数据进行预处理的任务，是本系统全部数据的来源。该模块要完成实时数据的周期性扫描任务，报文翻译处理，接收下位机测控、保护单元上传的事故变位、SOE、保护动作、事故记录和报警等信息，并把这些信息上传给监控主机中相应的模块；向间隔层装置传送控制命令和保护定值修改命令等任务。数据库管理系统为监控软件的核心，主要实现对数据库的集中管理。所有应用软件模块通过调用其提供的一系列接口数据，来完成欲开发的工作。数据库管理模块包括了历史数据管理模块和实时数据库管理模块。其中，历史数据库管理模块负责历史数据的定时储存：历史数据的更新操作和维护；历史数据的统计、分析、修改、查找；日报、月报、年报数据的统计存取；曲线数据的定时记录，报警历史纪录的打印；该模块还提供了友好的人机界面。实时数据库管理模块的功能是：负责实时数据库的生成、查询和实时更新；响应其它任务对实时数据库的实时请求等。通信管理模块负责完成当地监控主机与远方调度的实时通信，上传调度控制中心所需要的信息，同时接收远方调度控制中心的下发的遥控和遥调命令。它应用于变电站和远方调度控制中心的信息交换，网络结构多为点对点的简单模式和星形模式。 命令管理模块图形显示模块报警显示模块用户安全管理模块数据库管理系统历史数据库实时数据库通信管理模块远方调度控制中 心数据采集、处理与通信模块下位机测控、保护单元图4-3 监控软件的功能模块框图4.4.2 监控软件的面向对象的设计如前所述，面向对象技术追求的是软件系统对现实世界的直接模拟。它通过增加软件可扩充性和可重用性，来降低软件的复杂度和提高开发效率。在微机监控系统的软件设计中，将面向对象技术应用于系统分析、软件总体设计和具体模块实现之中，不仅简化了原有对象模型间的逻辑关系，而且大大提高了软件的开发效率和程序代码质量。下面，就用这个技术来设计监控软件。监控软件的开发可分为3个阶段：面向对象的分析、面向对象的设计和面向对象的实现。实现阶段的主要任务是将设计阶段定义的模型和算法转换为程序代码。系统分析的目的是理解为满足现实需求软件系统所要解决的问题，形成能够描述实际系统特性和状态的对象模型。面向对象的设计分为两个阶段：系统设计和对象设计。系统设计是确定高层次的开发策略；对象设计则是确定对象的细节。面向对象的设计过程中，要进行系统设计和对象设计。在进行系统设计时，需要按功能对系统进行分层和分块划分，得到系统的总体框架。对象设计中，在软件总体框架中的模块不是面向用户而是面向系统实现的。按面向对象的方法，添加一些类以实现这些模块的功能。这些类被称为控制类。4.5 部分软件模块设计举例微机监控系统包含很多子功能系统，研究的广度和深度的辨证关系以及篇幅的限制，不可能对它们一一设计。现在，特选出有突出特点和研究价值大的少数模块来设计。4.5.1 报警信息实时处理模块的设计系统确保对变电站全面监控的连续性正是借助于报警实时处理模块才得以实现。系统对变电站的运行状态、站中有关电气设备的运行状态、健康状态等内容进行不间断地监测，当发现电力系统出现不正常运行状态、故障状态等情况时，会做出一系列的必要反应。通过它，操作运行人员便能及时发现这些情况，明白发生了什么事情，得到处理这些情况的相关提示等。图4-4描述了在系统发生报警时的对象交互作用关系（即动态建模），它是系统动态模型的一个典型实例。通过定时检测信息控制器报警端口的状态位，系统可以获悉现在是否发生报警以及何处发生报警，然后决定是否启动报警响应程序。报警响应创建包括报警地点（即报警场景名称）和报警时间等内容的报警事件记录。报警联动是指当发生报警时，系统能联动与该报警事件相关的设备。报警提示播放报警声音，来提醒附近的值班员及时注意到报警事件；同时，弹出报警窗口，显示报警布防图，出现报警行为的报警器图标以红色显示并闪烁，以提示运行维护人员对报警事件的处理。 报警检测报警响应报警联动报警提示开始 图4-4 报警实时处理的工作流程图4.5.2 系统图的界面修改系统图，即一次电气主接线的模拟图。在图中，显示变电站一次系统的接线方式及其动态图形和动态数据（即各断路器和隔离开关的开合状态、变压器的运行情况等动态图形；各支路电流、各母线电压和有关功率及功率因数等动态数据）。系统图的动态图形以及动态数据随现场情况变化而变化，能够实时刷新。系统图的动态图形和动态数据，是变电站实时运行状态的真实反映。因此，通过监视系统图，便能够对变电站的运行进行全程监控，从而实现了变电站监视和控制的微机化。对系统图界面的在线修改，是变电站监控中较为常见的操作。操作运行人员要想进入系统，必须验证密码是否正确。当输入的操作密码正确时，系统便弹出有关的操作界面和操作菜单。利用它，可进行在线修改回路断路器、隔离开关的开合状态、状态颜色等属性，并且能够在线修改所选刷新内容的实时刷新速度，在线增加说明信息等操作。它的具体流程如图4-5所示。开始输入密码密码正确？NY弹出操作菜单按菜单上的提示进行相应的操作操作完成？YN将新信息存入信息库退出系统图4-5 在线修改系统图的流程图通过对系统图界面在线修改流程图的分析，便能够得出实现它的算法。利用Visual C+高级语言，编写实现它的应用程序。根据对算法的分析，这个应用程序可以分为以下五个子部分：（1）数据实时更新程序；（2）数据越限检查程序；（3）计时器程序；（4）告警信号发出与消除程序；（5）数据显示程序。交流量越限安全监视模块的功能是对某一交流量进行越限监视，如果它超出规定的范围，就进行越限处理。因此，要实现这个功能，需要用到实时数据。程序不断地从电力系统中获取有关参数，进行越限监视，这就涉及到实时数据库的内容。程序要显示越限时间，所以，要设计计时器程序模块。报警信号为语音报警信号、文字报警信号、图像报警信号等多种报警信号的结合。为了不使程序过度复杂，我在编程过程中，对这三个模块进行了简化处理。源程序清单如下：#include Void main( )int ibase,imax,i