某工厂10KV变电所综合自动化系统设计

1、石家庄铁道大学毕业设计某化工厂 10kV 变电站综合自动化系统设计Design of Integrated Automation System for 10kV in a Factory 2016 届届 电气与电子工程电气与电子工程 学院学院专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 号号 20123804 学生姓名学生姓名 范军辉范军辉 指导教师指导教师 杜立强杜立强 完成日期完成日期 2016 年年 6 月月 10 日日毕业设计成绩单毕业设计成绩单学生姓名 范军辉 学号20123804班级电 1201-5 班专业电气工程及其自动化毕业设计题目某化工厂 10kV 变电站综合自动化

2、系统设计指导教师姓名杜立强指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分答辩小组组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书毕业设计任务书题目某化工厂 10kV 变电站综合自动化系统设计学生姓名范军辉学号20123804班级电 1201-5 班 专业电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气与电子工程学院导师姓名杜立强导师职称副教授一、设计主要内容本设计主要是以某化工厂 10kV 变电站为背景，完成其变电站自动化控制系统的设计。包括：系统结构选定；总线方式选择，组态软件选择；硬件设备选型；软件系统设计；系统总体运行和调试。二、基本要求1、熟悉牵变电站自动控制的相关知识。2、确定系统结构，完成设

3、备硬件选择。3、学会并运用力控组态软件进行软件工程设计。4、对设计过程中的硬件设备选型和软件系统设计进行详细介绍。三、基本工作量1、对常用系统结构进行分析并选择本系统的系统结构方式。2、对不同品牌的自动化设备进行比较，选择出价格低、可靠性强的硬件设备。3、运用力控组态软件对本系统进行软件设计。4、独立的翻译相关文献，字数不能少于 3000 字。四、参考文献1、可参考有关牵引供电系统的相关文献。2、可参考有关变电所设计规范的相关文献。3、可参考有关 CAD 软件学习运用的书籍。4、可参考有关变电所相关保护的书籍。五、进度安排第 13 周 查阅相关文献，确定设计方案，撰写开题报告。第 410 周

4、上位机软件的学习和使用。第 1113 周 软件工程设计完成，整定初稿。第 1416 周 撰写毕业设计说明书，准备毕业答辩。 年 月 日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告题目某化工厂 10kV 变电所综合自动化系统设计学生姓名范军辉学号20123804班级电 1201-5 班专业电气工程及其自动化一、研究背景及意义目前，全世界正面临着经济发展和资源短缺的严重矛盾，以电力作为基础能源的工业目前正面临着安全运行、减员增效和节能减排的巨大挑战。因此，如何对传统的供配电方式进行彻底改革和利用先进的自动化技术提高供电系统的可靠性，是当前电力企业和科研人员需要尽快完成的主要任务。变电站综合自动化系统具有高度

5、的资源整合功能，能够将变电站现场完全分散的具有控制、监视、保护、测量功能的设备模块连接起来形成整体，实现对变电站主要运行设备和输电线路的远程监控、微机保护、故障实时分析与处理、报表查看与打印功能。它的应用具有很大的现实意义。首先，能够方便电力企业对设备运行情况的监视和管理，提高供电的安全性，减少供电事故的发生；其次，大大提高供电效率，节约大量的人力、物力、时间成本。二、变电站综合自动化技术的发展现状国外西欧国家生产和研发变电站综合自动化技术的厂家比较多，而且从事研究时间较早，多年的研究经历和全国范围内的变电站自动化改造，使这些发达国家已经掌握了变电站综合自动化技术的核心技术。为了能够使不同国家

6、、不同厂商之间的自动化系统和自动化设备可以相互通信和连接，使这门新技术在全世界范围内得到快速的发展和应用，防止闭门造车的尴尬局面发生，国外众多厂商在一开始就注重对自动化产品制定共同的生产规范和协调审核标准。我国从事变电站综合自动化系统的时间没有国外发达国家久，不过从 70 年代开始研究至今，也取得催人奋进的成果。集保护、控制、信号采集为一体的“四合一”装置和电气集中控制装置在我国开始研究变电站自动化系统的初期就被研制出来了。历经 30 多年的发展，中国的自动化产品大概更新了 3 代。可以肯定，今后国内变电站自动化技术会快速发展并被广泛普及，最终达到世界先进水平。三、设计内容1、首先简单介绍变电

7、站综合自动化技术的背景、现状和意义，确定设计总体方案。2、学习组态软件的使用方法，制作组态窗口。3、将制作的组态窗口利用窗口动作和脚本编辑器使组态工程界面可以动起来。4、组态完成后，在实验室进行系统调试和完善。四、设计方案及预期达到的目标本次设计选用分层分布式系统结构，上位机选用力控组态软件，间隔层选用南瑞自动化设备，通讯层选用 RS-485 总线，实现对变电站的自动化控制，本次设计满足变电站自动化控制技术的设计要求，可行性强。通过本次设计，熟悉变电站自动化系统设计的相关知识，了解变电站自动化系统的发展方向与前景，为以后的工作打下良好的基础。五、进度计划第 13 周 查阅国内外与本课题相关文献

8、，收集资料，确定设计方案，撰写开题报告。第 45 周 通过视频和相关力控组态书籍，学习力控组态软件的使用方法。第 610 周 仿造典型案例，用力控软件设计简单的力控工程，在实验室进行调试。第 1113 周 按照毕业设计框架，对章内容进行详细阐述，完善力控组态工程。第 1416 周 整理本次设计的相关资料，撰写相关说明书，准备毕业设计的答辩。 年 月 日摘 要本课题结合某工厂 10kV 变电站建设项目对变电站的综合自动化系统进行设计，使该系统可以完成对变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、控制、保护以及远动信息传送等综合自动化系统功能。本系统经过分析比较后采用分层分布式的系统结构并完成

9、了硬件设备的选型，软件设计方面上位机采用的是北京力控组态软件，设计友好的人机交互画面，使其实现对变电站运行的实时监测、历史数据记录与查询、事故报警与保护动作等功能。下位机采用采用国电南瑞 RCS-9624CN 厂用变压器测控装置和 RCS-9625CN 线路保护测控装置完成对现场运行设备和线路的保护及测控任务，通过 RS-485 总线将设备现场测得的模拟量和数字量传至站控层主监控机，并且将站控层的控制命令下达给间隔层自动化设备。在完成了对变电站综合自动化系统的硬件选型和软件设计后，我们在实验室对该系统进行了运行调试，实验运行结果表明，该系统能够实现预期功能，满足变电站自动化系统设计的一定要求。

10、关键词：综合自动化系统；变电站；监控AbstractThis paper based on the background of a 10kV substation automation, a safe, efficient, and stable integrated automation monitoring system is be designed to achieve substation primary equipment monitoring, control, protection and remote messaging transmission functions. Acco

11、rding to the analysis of the structure of traditional substation system, the system selects the hierarchical and distributed system structure, and completed the hardware equipment selection. In software design human-machine interaction is applied which be produced by the Beijing Force Control of a p

12、ower company to achieve the implementation of substation equipment monitoring and control of real-time, historical date records and inquiries, accident automatic alarm and protection actions, statements automatic date generation and storage, real-time curve analysis and other functions. RS-485, NARI

13、 RCS-9624CN and RCS-9625CN be used on lower machine to achieve the automation of all devices within the substation operation.After completed hardware and software design as a series parameter tuning of integrated automation system, the system can achieve the desired functionality to meet certain req

14、uirements of substation automation system design.Key words: integrated automation system; transformer substation; monitoring目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题的研究背景和意义.11.2 变电站自动化技术的研究现状.11.3 课题来源和设计内容.2第 2 章 系统总体方案设计与选择 .42.1 变电站综合自动化系统的设计原则.42.2 变电站综合自动化系统结构分析与设计 .52.2.1 集中式系统结构 .52.2.2 分布式系统结构 .52.2.3 分层分布式系统结构

15、 .62.3 组态软件介绍与选择 .72.3.1 组态软件概述 .72.3.2 组态软件的选择 .7第 3 章 自动化系统硬件设计与选型 .93.1 系统的网络结构.93.2 变电站站控层配置.93.3 变电站间隔层配置.103.4 变电站通信层配置.11第 4 章 监控系统软件的设计 .134.1 软件设计的要求.134.2 软件系统设计思路.134.3 软件的组态.144.3.1 创建工程 .144.3.2 创建窗口画面 .154.4 定义 I/O 设备 .174.5 动画连接.204.5.1 鼠标动画 .204.5.2 颜色动画 .214.5.3 数值动画 .224.6 创建历史趋势曲线

16、.224.7 报警与事件记录.234.7.1 报警控件 .234.7.2 事件控件 .254.8 脚本程序.26第 5 章 自动化系统运行与调试 .275.1 系统安全和人机联系功能实现 .275.2 系统四摇功能实现 .285.3 报表记录功能实现 .305.4 历史曲线功能实现 .305.5 报警管理功能实现 .31第 6 章 总结与展望 .32参考文献 .33致谢 .34附录 .35附录 A 外文资料翻译.35A.1 英文.35A.2 译文.42石家庄铁道大学毕业设计1第 1 章 绪论1.1 课题的研究背景和意义目前，全世界正面临着经济发展和资源短缺的严重矛盾，以电力作为基础能源的工业目

17、前正面临着安全运行、减员增效和节能减排的巨大挑战。因此，如何对传统的供配电方式进行彻底改革和利用先进的自动化技术提高供电系统的可靠性，是当前电力企业和科研人员需要尽快完成的主要任务。工厂变电站是夹在高压输电线路和车间用电设备之间的重要节点，变电站综合自动化技术的应用可以保证电网的安全可靠的运行，使其运行效率更高，资源优化配置更加合理，为现代工业高速、优质、经济的发展提供保障1。变电站综合自动化系统具有高度的资源整合功能，能够将变电站现场完全分散的具有控制、监视、保护、测量功能的设备模块连接起来形成整体，实现对变电站主要运行设备和输电线路的远程监控、微机保护、故障实时分析与处理、报表查看与打印功

18、能。它的应用具有很大的现实意义。首先，能够方便电力企业对设备运行情况的监视和管理，提高供电的安全性，减少供电事故的发生；其次，大大提高供电效率，节约大量的人力、物力、时间成本2。因此，变电站综合自动化技术在各大变电站被广泛应用，该论文将以石家庄某工厂 10kV 变电站为背景，设计一个变电站综合自动化控制系统。1.2 变电站自动化技术的研究现状国外西欧国家生产和研发变电站综合自动化技术的厂家比较多，而且从事研究时间较早，多年的研究经历和全国范围内的变电站自动化改造，使这些发达国家已经掌握了变电站综合自动化技术的核心技术。为了能够使不同国家、不同厂商之间的自动化系统和自动化设备可以相互通信和连接，

19、使这门新技术在全世界范围内得到快速的发展和应用，防止闭门造车的尴尬局面发生，国外众多厂商在一开始就注重对自动化产品制定共同的生产规范和协调审核标准3。我国从事变电站综合自动化系统的时间没有国外发达国家久，不过从 70 年代开始研究至今，也取得催人奋进的成果。集保护、控制、信号采集为一体的“四合一”装置和电气集中控制装置在我国开始研究变电站自动化系统的初期就被研制出来了。在我国变电站综合自动化技术发展的过程中，比较典型的成果有南京南自自主研发石家庄铁道大学毕业设计2制造的 DJK 型集中控制装置。80 年代初期的时候，由清华大学自主研发设计的具备微机保护、测量和监控功能的自动化系统在山东威望岛

20、35kV 变电站试运行成功，这是我国变电站自动化研究历史上的又一座具有划时代意义的里程碑。从此之后，国家通过财政支持鼓励高校和研究所加大对变电站综合自动化技术的投入，华北电力学院就是在这个时期研制成功了微机保护系统，这一技术成果出现的使先进可靠的微机技术代替滞后的远动装置成为了现实，变电站综合自动化技术在国内供电系统中被广泛推广使用。为了使变电站自动化技术朝着体积最小化、功能最优化、效益最大化的方向发展，1992 电力部号召对自动化设备、通信、对时和抗干扰等问题制定统一的标准，为今后的微机联网打下了坚实的基础。国内具有代表性的厂家是南京东自、南瑞、南自、东方电子等企业。历经 30 多年的发展，

21、中国的自动化产品大概更新了 3 代。可以肯定，今后国内变电站自动化技术会快速发展并被广泛普及，最终达到世界先进水平4。1.3 课题来源和设计内容石家庄某工厂 10kV 变电站高压侧电压为 10kV，低压侧为 0.38kV。高压侧采用2 路 10kV 电源进线，单母线分段接线方式，每段母线设 PT 装置 1 组，母线联络开关 1 台，因为该工厂存在二级负荷，所以变电站有 2 台变压器， 且变压器容量均为1000kVA。低压侧采用单母线分段接线方式。2 回 0.38kV 出线分别连接到 2 个0.38kV 母线段，其中 1 段为正常运行段，直接供给低压用电车间，另一段备用5。系统一次主接线图 1-

22、1。图 1-1 变电站一次系统主接线图石家庄铁道大学毕业设计3本设计采用分成分布式的系统结构，用北京力控组态软件作为上位机，选择南瑞生产的自动化设备，以 RS-485 总线作为通信方式设计了一个以上述工厂为背景的变电站综合自动化控制系统。石家庄铁道大学毕业设计4第 2 章 系统总体方案设计与选择本章将通过对变电站监控系统特点、外部运行管理需要和内部自身发展需求等方面进行综合分析和考虑，提出变电站自动化系统的建设目标，制定出系统总体设计方案。2.1 变电站自动化系统的设计原则各自动化设备厂商为了争夺变电站自动化市场，竞相开发自动化监控系统和设备，形成了满地开花的局面。虽然这些系统和设备都是根据变

23、电站的实际需求进行设计，没有统一的设计标准，但是所有系统上基本上都包括实时数据采集和分析、数据库生成功能、四摇、五防、数据报表打印、故障分析和记录、报警等功能且遵循以下基本原则：(1)功能综合化。变电站综合自动化系统包含变电站内所有的二次设备，集变电站的继电保护、监视、仪表、通信和运行控制于一个分层分布系统中，代替了传统二次设备，实现保护、控制、测量、监视等所有功能。(2)操作监视屏幕化。操作监视屏幕化。变电站综合自动化系统应该使值班人员不需要走出值班室可以通过显示屏实现对变电站设备和输电线路的实时监测与控制。(3)通信系统网络化、光缆化。通过采用先进的总线技术和互联网技术，使通信系统满足搞数

24、据传送的实时性要求，简化电缆连接方式，降低投资成本。(4)运行管理智能化。与常规的二次系统相比，综合自动化系统不仅能监测一次设备，还能实时监测分析自身故障，用总线把自动化设备与主控制机连接起来，改变了传统二次设备不能与检测控制中心通信的局面。(5)测量显示数字化。传统的变电站仪表采用指针的方式显示测量结果，读数慢且有误差。变电站综合自动化系统中采用先进的数字化显示测量仪表，使数据显示准确，读取方便。(6)系统的可扩展性和兼容性好。随着我国的工业技术的发展，每年有大量的变电站新建和投产，他们需要有先进的自动化技术为其提供选择。另外，由于各种各样的原因，每年有大量的老式变电站需要改造，这些老变电站

25、由于实际需求不同，投资水平和采用的基础设备各不相同。因此变电站系统的时应该根据用户需求，采用恰当的技术和规模进行设计6。石家庄铁道大学毕业设计52.2 变电站自动化系统结构分析与设计2.2.1 集中式系统结构集中式结构如图 2-1 所示，对变电站中运行数据集中采集和处理，依次完成各种自动化控制功能。采用这种结构的系统，其功能模块与硬件没有关系，各功能模块的连接通过模块化软件实现。集中式系统的主要优点是结构紧凑、占地面积小、且造价低、实用性好。该系统缺点是只能通过双机并联运行的结构才能提高系统可靠性，倘若系统内有多处发生事故，无法快速的处理，系统调试繁琐，程序编程麻烦且开放性和抗干扰能力差。图

26、2-1 集中式系统结构图2.2.2 分布式系统结构分布式结构如图 2-2 所示。该系统按照功能进行设计，采用主从 CPU 系统工作方式，将功能分散给多个模块来完成，各模块之间通过网络技术或串行接口方式来完成数据通信。分布式系统的特点是系统扩展方便和维护简单，单个模块不会因为系统局部故障而停止工作3。图 2-2 分布式系统结构图石家庄铁道大学毕业设计62.2.3 分层分布式系统结构分层分布式系统采用的是“面向间隔”的设计方法，系统结构 2-3 所示，该系统的主要特点是将电气设备按照间隔分开，每一个电气间隔都单独的配备相应数量的自动化设备来完成该间隔的自动化功能。这种系统的优点是可靠性高、便于扩展

27、、调试和维护方便、便于批量生产和推广且组态灵活、节省连接电缆3。图 2-3 分层分布式系统结构根据上面对各种系统结构特点的分析，结合当前变电站的实际要求，本变电站综合自动化监控系统将采用分层分布式系统结构，如图 2-4 所示 。与其他结构相比，分层分布式的特点是将具有自动采集数据、保护、远程控制的自动化一体设备安装到现场运行设备的间隔层，这种安装方式了可以省去大量电缆，缩小投资成本。它最大的优点是采用功能齐全的自动一体化设备代替了功能单一，体积笨重的传统二次测量保护设备，节省了占地面积，抗干扰能力强。分层分布式系统屏幕化和智能化的工作方式满足现场设备监测的实时性，有较好的扩展性和兼容性。图 2

28、-4 系统结构图石家庄铁道大学毕业设计72.3 组态软件介绍与选择2.3.1 组态软件概述组态软件指的就是所有在工业生产过程中起数据采集和过程控制作用的计算机软件。组态软件被安装使用在控制系统的监控层主机上，依靠软件自身便捷的组态功能，为变电站用户提供友好的人机界面和简单的操作方法。该系统选择的各类设备模块能够轻松地达到监控层的各种功能，支持各种品牌计算机和 I/O 设备，能够为系统提供软硬件的所有接口，完成系统集成7。组态软件在变电站监控系统中的作用是担任系统保护、检测、控制及通信装置与变电站运行人员之间的接口，要求它既能接受现场设备传来的实时数据并对数据进行处理；又能接受站控层操作人员的控

29、制指令，并将其下达到间隔层自动化装置，实现“四摇”功能。由此可以看出，组态软件在变电站自动化控制系统中充当着非常重要的角色。2.3.2 组态软件的选择组态软件在计算机硬件技术发展的基础上，大量的新技术被应用其中，技术日趋成熟，功能亦日趋完善，依靠自身优势迅速发展并成为工控软件的主流。国外应用比较广的组态软件有:万维公司的Intouch,西门子的WinCC等。国内组态软件具有代表性的产品有组态王、MCGS,三维力控等，下面是对3种软件的介绍。(1)组态王是一款在国内应用实践较长且应用范围较广的软件，因为其实用性较强，所以国内很多高校都开有这门课程。它最主要的优点是脚本程序功能简单，脚本程序编写方

30、便，提供完善的硬件驱动程序。该软件的不足是功能过于笼统，不能满足所有工业自动化的要求。(2)MCGS 组态软件的出现是在国内组态软件市场里具有划时代的意义。它主要的优点是组态界面在设计的过程比较简单，可以对任何形式的自动化系统结构进行组态，拥有极其丰富的组态功能。它的不足之处是结构比较复杂，操作起来比较繁琐。(3)力控组态软件凭借自身特点比较适合应用于电力系统自动化控制中。它的优点是组态图库丰富且分组清晰，可以快速的完成组态界面的设计；脚本编辑器的使用对设计者编程水平要求不高，只要掌握简单的 C 语言语句即可；支持多种 I/O 设备，可以与大部分厂家的自动化设备进行通信。石家庄铁道大学毕业设计

31、8经过综合分析比较，在本设计中选用北京力控组态监控软件，原因是该软件将普通的通用组态软件和电力专业技术相结合，增添了许多专门针对电力控制系统的功能和组件，友好的系统开发界面和便捷的工程设计方法对值班人员的技术要求较低，因此，系统运行过程中，几乎不会出现因为操作失误造成自动化系统事故的情况。石家庄铁道大学毕业设计9第 3 章 自动化系统硬件设计与选型3.1 系统的网络结构 本设计采用的分层分布式网络结构构如图2-4所示。选用南瑞生产的集保护、测量、控制于一体的自动化设备在现场就地安装，完成一次设备和线路的测控和保护功能，采用RS-232/485总线将这些前端设备的通信接口连接起来构成系统通信层，

32、完成间隔层设备与控制站主机之间的信息交换，达到对变电站进行自动化控制的目的。本设计选用设备的清单如表3-1所示5。表3-1 设备清单设备名称 生产厂家和型号设备数量主机研华IPC-10L工控机，双核，2G运行内存，500G硬盘，4个PCI槽，7个ISA槽，6个USB口，2个串口 2台显示器三星19寸显示屏2台打印机EPSON PL-6200L激光打印机1台音响漫步者R206多媒体音响1台UPS电源山特UPS不间断电源C3K1台组态软件力控6.1组态1套变压器微机保护南瑞RCS-9624CN1套线路保护南瑞RCS-9625CN1套通讯转换器宇泰UT-2201无源双向RS232转RS4851个3.

33、2 变电站站控层配置 站控层是整个变电站自动化控制系统的核心，值班员在站控层通过监控屏幕可以清楚的看到现场设备的运行情况，可以完成对间隔层的设备远程控制。站控层的选用的硬件设备为 2 台工控 PC 机，2 台 19 寸三星显示屏，其中主机采用冗余配置，双机互为热备用， 1 台 EPSON PL-6200L 激光打印机，和 1 台不间断电源(UPS)，力控组态软件、1 台音响等。石家庄铁道大学毕业设计103.3 变电站间隔层配置根据变电站的功能要求选择一种最适合的微机保护设备是完成这个设计的基础。目前国内自动化设备类型比较多，有国电南自、南瑞、许继和四方等多家企业产品，各家都有各自的特点，功能、

34、性能、可靠性和价格都相差很大，没有统一的标准。因此为了使自动化系统能够完全满足远动信息采集和传送的要求，本系统所有自动化设备均计划采用同一个厂家的产品。同时考虑到本工厂还有二级负荷，对可靠性要求也比较高，所以必须选用性能优良的定型产品。经过市场调查，通过技术经济比较，本工程自动化设备类型选用南瑞产品。该系统的间隔层单元主要选用南瑞RCS-9624CN厂用变压器测控装置和南瑞RCS-9625CN线路保护测控装置，实现对该厂10kV变电所的变压器、母联、10kV进线、线路等设备的保护和测量、监视、控制等功能8。(1)南瑞RCS-9624CN厂用变压器测控装置介绍RCS-9624CN自动化装置适用于

35、 335kV 电压等级小电流接地系统或小电阻接地统中厂用变压器保护测控装置。它的特点是可以选择组屏安装，也可选择就地安装到开关柜。保护功能 ：高压侧三段过流保护(其中I、II 段可选择经复压闭锁，III 段可选择为反时限，不经复压闭锁)；高压侧两段定时限负序过流保护；高压侧接地保护：两段定时限零序过流保护，零序II 段可整定为报警或跳闸；低压侧接地保护(两段定时限零序过流，其中零序II 段可整定为反时限零序过流)；过负荷报警；FC回路配合的过流闭锁功能；非电量保护；独立的操作回路及故障录波。(2)测控功能 ：10路遥信开入采集，装置遥信变位以及事故遥信；变压器高压侧断路器正常遥控分、合；、P、

36、Q、cos、f 等模拟量的abUbcUcaUaUbUcUaIbIcI遥测；石家庄铁道大学毕业设计11开关事故分合次数统计及事件SOE等；(2)南瑞RCS-9625CN线路保护测控装置介绍RCS-9625CN自动化装置主要适用于变电站馈线、分支线、或者是母线分段的综合保护及车测控，特点是可以在开关柜就地安装。保护功能：三段过流保护(其中 I、II 段可选择经复压闭锁，III 段不经复压闭锁,可选择为反时限)；二段零序过流保护(零序电流可以外加，也可使用自产零序电流，其中第二段可通过整定选择作为报警或者跳闸功能)；过负荷保护(可通过整定选择作为报警或者跳闸功能)；三相一次重合闸；合闸后加速保护；F

37、C 回路配合的过流闭锁功能；独立的操作回路。测控功能 ：10 路遥信开入采集、装置遥信变位、事故遥信；正常断路器遥控分、合；、P、Q、cos、f 等 10 个模abUbcUcaUaUbUcUaIbIcI拟量的遥测；开关事故分合次数统计及事件 SOE 等；3.4 变电站通信层配置通信层设备的最优配置是提高变电站安全性和可靠性的主要手段，它既需要完成系统内部功能模块之间的信息交流任务，又承担着站控层和通信层之间的通信任务。目前总线式网络是国内外变电站综合自动化技术的主要通信网络，具有代表性的有 CAN 现场总线 RS-485 的低速总线和以太网等8。(1)RS-485 总线RS-485 总线是在工

38、业自动化系统中要求用最少的线完成通信任务的背景下应运而生的。它的连线方式非常方便，能够节约大量的信号线，并且可以实现高速远距离传送，因此通信成本比较低。RS-485 总线的通信方式是半双工的，且由使能端对信号发送电路进行控制。现在几乎所有的自动化测量设备、保护设备和通信设备等都配有该总总线的接口，目的就是为了方便这些设备联网构成综合系统。(2)CANBUS 现场总线石家庄铁道大学毕业设计12CAN 总线最初是为了提高汽车生产工艺而产生的，随着自身技术的提高后来逐步应用到了工业生产的其它领域，并且它的总线规范现在已经被 ISO 国际标准组织制定为国际标准。这种总线的优点是基于优先级的高速、抗干扰

39、能力强，且可以跟大多数媒体进行通信。(3)以太网以太网在新建的变电站自动化系统中基本上都能看到它的存在，因此几乎所有的远程 I/O 接口的供应商都会提供一个支持 TCP/IP 协议的以太网接口。它的特点是采用基带传输技术，支持全双工和半双工两种工作方式，传输介质有多种选择等。它的优点是成本低、通信速率高、可靠性强支持多数软硬件设备和多媒体传输5。综上分析可得，RS-485 总线的优点是工程比较容易实现，总的成本投入低且实时性比较高，在多站互连的时候，还可以节省信号线，有利于信息高速远距离的传送。由于本次设计选用的各一体化测控和保护装置均附带了 RS-485 接口，所以系统通信层与站控层和现场间

40、隔层设备之间选用 RS-485 总线实现相互通信，信号传输介质为光纤。石家庄铁道大学毕业设计13第 4 章 监控系统软件的设计4.1 软件设计的要求 软件是系统的灵魂。在自动化控制系统中，可靠的硬件配置必然十分重要，但是没有完美的程序来执行，工业自动化控制任务根本无法实现。因此，优良的软件设计在自动化系统中和硬件选择同样重要。虽然针对于于不同的控制对象，软件设计有着不同的设计要求，但是软件设计的基本原则是一样的，主要包括以下几方面：(1)实时性要好要求软件系统能够实时监测运行系统，并且针对现场情况，能够实时控制。(2)可靠性要高求系统一旦发生故障，可以第一时间发出报警并且自动恢复正常，一般用系

41、统的无故障时间来表示可靠性的指标。(3)扩展性和操作性要好。为了使用软件的全部功能，需要经过授权。如果只是单纯的开发和应用，只要满足数据连接项支持 64 点和运行系统在线运行时间为 1 小时，则不用经过授权7。4.2 软件系统设计思路本设计采用北京力控组态软件，软件系统采用分层设计，将组态界面分为三个层次，分别是一次主界面、二次功能主界面、和三次分块功能界面。一次界面的包括的是“系统一次主接线图” 、 “导航栏” 、 “信息栏”窗口。二次界面包括“主接线图” 、 “遥调列表” 、 “遥测列表” 、 “报表管理” “趋势曲线” 、 “报警管理”和“用户管理”8 个主功能窗口，三次界面是将 8 个

42、主功能按照系统需求分别划分为若干个子功能模块。采用分层次设计的目的是为了将复杂的控制系统进行分解，方便系统设计、扩展和值班人员操作。本软件系统以变电站自动化控制为第一目的，在设计的过程中，要在满足系统控制功能的要求下，使软件组态界面尽量简化，方便值班人员使用。该软件设计成功后应该满足的工作流程是值班人员按照登录级别和密码进入系统一次监控主界面，系统在无特殊情况时均运行在一次主界面。同时可以按照控制需求有顺序的进入二次界面和三次界面。当系统发生故障时，系统有报警功能和恢复故障的能力。石家庄铁道大学毕业设计144.3 软件的组态4.3.1 创建工程(1)双击桌面上的力控图标，启动应用管理器如图4-

43、1所示。图4-1 应用管理器对话框(2)用鼠标单击菜单栏中的“文件新建应用”命令或工具条中的“新建”按钮，进入如图4-2所示“新建工程”对话框。 图4-2 新建工程对话框项目类型：在此导航栏中的模板工程提供的是一些典型行业的力控组态工程，初学者可以参照已有的模板工程设计新的工程。项目名称：在“项目名称”的输入栏中键入“某工厂10kV变电站综合自动化系统”。生成路径：新建工程的工作目录一般会有默认存储路径，如果指定的默认存储路径不存在，工程管理器有自动创建目录的功能。(3)工程新建完成后双击工程图标或启动开发系统的快捷图标可以进入开发系统石家庄铁道大学毕业设计15的组态环境，如图4-3所示。图4

44、-3 开发系统主界面4.3.2 创建窗口画面一个完整的力控工程主要由窗口组成，而每个窗口根据需要又由不同的图形对象和文本组成，这些图形对象和文本经过变量定义和动画连接设置后便可以实现其组态功能。进入开发环境后，选择菜单命令“文件新建” ，弹出如图 4-4 所示“窗口属性”对话框。图 4-4 窗口属性对话框输入画面的标题名称，这里该窗口命名为“变电站一次主接线图” ，单击“背景色”按钮，可以选择窗口背景颜色，其他选项使用默认设置即可，单击“确认”按钮完成一个窗口创建。在开发系统界面，按照刚才的过程，依次创 1#差动保护投退、1#差动遥信列表、1#差动遥测列表、1#微机保护投退、1#微机遥信列表、

45、1#微机遥石家庄铁道大学毕业设计16测列表、1#报警管理、事件历史记录、事件实时记录、遥信实时报警、遥信历史报警、遥测实时报警、遥测历史报警、信息栏、导航栏、用户管理、登陆界面、系统结构、遥信列表、遥测列表、变电站报表、变电站一次接线图等 25 个窗口，如图 4-5 所示。 图 4-5 窗口列表创建完所有窗口后，开始对每个窗口的组态画面按照功能和层次进行具体制作。以窗口“变电站一次主接线”为例，首先进入该窗口，根据提前准备好的变电站一次主接线图，从工具箱选择“图库”工具，出现“子图列表”对话框，用鼠标双击从中选择一次接线图所需的各类器件图，则在画面的左上角出现选择器件图，只要把光标定位在器件图

46、上，拖动鼠标按照一定的顺序进行画面布局即可，若要改变器件图的大小，用鼠标拖动边线修改即可。 设备摆放完毕后，开始创建电缆电线，选择工具箱中的“垂直/水平线”工具，在窗口上画各类电缆线，改变线条属性的方法是选中画面中的一条电缆线然后单击鼠标的右键，就会弹出右键菜单栏，继续单击选择“对象属性”菜单项，将出现如图 4-6 所示“改变线属性”的对话框。选择立体风格，宽度改为 2，颜色选为灰色。选中其他的电缆线，进行同样的修改。图 4-6 工具箱对话框创建文本。选择工具箱中的“文本”工具，在画面上显示各类器件对应的名称字符串，如对开关按顺序进行命名，即“QS1” ，按照此类方法，依次对各个器件进行命名。

47、创建矩形。从力控组态的工具箱中找到“矩形工具”并用用鼠标单击，然后在窗口界面的最上面拖动鼠标，画出一个矩形对象，在该矩形上添加文本，输入石家庄铁道大学毕业设计17“变电站一次主接线图” 。 经过上面几个简单的步骤循环操作， “变电站一次主接线图”工程画面绘制完毕，如图 4-7 所示，根据提前创建好的组态窗口，按上述方法分别绘制完成“遥信列表” 、 “遥测列表” 、 “用户管理” 、 “登录界面”等其他窗口组态工程界面制作，由于窗口太多且制作方法一样，在此就不重复介绍了。图 4-7 变电站一次主接线图4.4 定义I/O设备在变电站自动化系统运行过程的时候，需要将间隔层硬件设备上测得的实时数据采集

48、到组态监控软件界面上，并在监控软件利用组态插件对这些数据进行分析处理，如绘制曲线，形成报表等，通常我们把这些硬件设备叫做数据提供者，数据提供者主要包括：PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、板卡等，这些设备将采集到的信息通过通信层与上位机软件进行信息交换。物理 I/O 设备指的是在力控组态中与其进行数据交换的设备，力控软件工程通过物理 I/O 设备通讯协议制定出对应的 I/O 驱动程序，根据现场实际选用的设备型号选择正确的 I/O 驱动程序并在力控工程中找到与之对应对应的逻辑 I/O 设备和物理 I/O 设备进行匹配，按步骤完成以上操作后力控才能通过数据库变量达到和这些物理 I/O 设备

49、进行数据交换的目的。定义逻辑 I/O 设备的步骤是在开发环境的左侧有“工程项目”和“系统配置”两个导航栏，我们用鼠标单击打开如图 4-8 所示石家庄铁道大学毕业设计18“工程项目”导航栏。图 4-8 工程项目导航栏用鼠标双击“I/O 设备组态”项出现了“IOManager”对话框，双击该对话框中的“力控”选项使其展开，选择项目“仿真驱动PLC西门子S7-1200(TCP)” ，如图 4-9 所示。图 4-9 设备组态对话框用鼠标双击 “PLC”后出现了“设备配置-第一步”对话框，在该对话框的“设备名称”输入框内输入自定义名称 “PLC” ，在“数据更新周期”输入框内设置为 50 毫秒，其他参数

50、保持默认，如图 4-10 所示。图 4-10 设备配置对话框在导航器中选择“I/O 设备组态智能仪表”项，继续双击选择“南京南瑞石家庄铁道大学毕业设计19RCS-9624CN” ，出现设备配置对话框，命名为“1WJ”, “数据更新周期”设为50s，其他参数默认。按照同样的过程，选择南京南瑞 RCS-9624CN，命名为“WJ891”。单击完成按钮退出对话框，经过上述操作步骤后，在 I/O 数据组态项目下创建了名为“PLC” 、 “1WJ” 、 “WJ891”的 I/O 设备，如图 4-11 所示。图 4-11 组态设备列表I/O 设备定义完成后，根据提前做好的工程规划 I/O 参数表，正确对应

51、建立各种变量参数，并在实时数据库中建立一一对应的 I/O 设备点与变量及数据连接。首先在“导航器”中，双击“数据库组态” ，启动 DbManager，选择菜单命令“点新建”，出现“请指定区域点类型”对话框。如图 4-12 所示。图 4-12 请指定区域点类型选择“模拟 I/O 点” ，然后双击点类型，出现如图 4-13 所示对话框。根据提前规划好的点名称和系统特殊参数值进行填写，其他参数选择默认。单击确认按钮后，石家庄铁道大学毕业设计20则在单元格中新建了一个点。图 4-13 点类型对话框按照上述步骤，根基提前设计好的参数表，创建“遥信量” ， “遥测量” ， “遥控量” ， “SOD 量”

52、， “模拟 I/O 量” ，创建及完毕后如图 4-14 所示。图 4-14 变量参数表4.5 动画连接创建动画连接的作用是将所有的窗口按照系统层次连接起来，使窗口画面中的图形对象和文本实现其组态功能，通过图形对象和文本的变化来反应变量点或参数值的变化。由于我们工程只用到了鼠标动画、颜色动画和数值动画当中的部分动画连接，所以本设计只对用到的动画连行进行介绍。4.5.1 鼠标动画图形对象和文本按照系统需要在和鼠标建立了动画连接之后，在系统运行过程石家庄铁道大学毕业设计21中，当图形对象和文本被鼠标选中或者拖动时，鼠标动作被激活。本工程当中只用到了鼠标动画当中的窗口显示和左键动作。窗口显示。窗口显示

53、是指将图像对象与某一窗口建立连接后，用鼠标单击该图像对象，会自动显示被连接的窗口。如图所示，以“信息栏”窗口中的“遥信列表”图形文本为例，用鼠标单击此图形文本，进入动画连接窗口，单击“窗口显示” ，并且选中“变电站遥调列表” ，如图 4-15 所示，单击确认，即完成窗口连接，按照系统需要，对其他窗口按照此方法进行设置即可。图 4-15 窗口显示对话框左键动作。左键动作是指用鼠标单击图像对象时，组态画面会执行脚本编辑器中与之连接的鼠标动作程序。以“遥信列表”窗口的“返回”图形文本为例，单击此文本，进入如图 4-16 所示“动画连接”文本框，用鼠标选择“左键动作” ，进入“脚本编辑器”对话框，编辑

54、脚本程序后，确认退出，具体的脚本程序编辑方法在下一节会介绍。图 4-16 动画连接对话框4.5.2 颜色动画本设计只用到颜色动画中的条件变化连接，下面以“一次系统主接线图”窗口画面中的断路器颜色动作为例，介绍断路器颜色条件动作的建立方法。双击 “QF1”图形对象，进入“动画连接”对话框，选择“条件”动作，弹出如图 4-17石家庄铁道大学毕业设计22所示“颜色变化”对话。图 4-17 颜色变化对话框在对话框中，选择变量“FJHBDQF1YX.PV”与其连接，设置当 QF1 接通时，图形填充色变为红色；当 QF1 断开时图形填充色为绿色。按照此方法，对其它断路器依次设计。4.5.3 数值动画数值动

55、画包括数值输入和数值输出两大类，本设计只用到了数值输出中的模拟输出。模拟输出动画的主要作用是使文本对象能够动态显示变量的变化或表达式的值。下面以“1#微机遥测列表”窗口为例，将本窗口中的“0.00”文本建立数值输出连接。首先应该双击“AB 线电压”对应的“0.00”文本对象，进入“动画连接”窗口，选择数值输出动画中的“模拟”动画，进入“模拟值输出”对话框，如图 4-18 所示，单击“变量选择”按钮，弹出“变量选择”对话框，选择“1WJUAB.PV”变量。按照此方法，依次对其它文本进行数值动画连接。图 4-18 模拟值输出对话框4.6 创建历史趋势曲线自动化控制系统利用组态软件的曲线工具对变电站

56、设备运行的实时数据和历史数据进行分析比较，进而得到在某一瞬间发生的工艺状态。同时可以对曲线进行放大，更加细致的对工艺情况进行分析，还可以比较两个过程量之间的函数关系。创建历史曲线具体的步骤如下：(1)用鼠标单击选择“工程项目”导航栏中的“复合组件曲线” ，如图 4-19 所示，然后双击曲线插件中的趋势曲线，趋势曲线就会立马出现在窗口界面的左上角，我们可以通过拖动鼠标来调整趋势曲线插件在窗口画面中的位置和大小。石家庄铁道大学毕业设计23图 4-19 复合组件对话框(2)趋势曲线添加完成后，创建趋势曲线数据库变量并引用已经创建好的变量与趋势曲线建立连接。(3)设置曲线的显示属性双击曲线控件，将弹出

57、如图 4-20 所示曲线属性设置对话框，在该界面对曲线的参数进行设置。图 4-20 曲线属性对话框4.7 报警与事件记录4.7.1 报警控件安装报警控件的作用是当变电站供电系统处于非正常运行状态时，自动化控制系统可以第一时间报警提醒值班员并有一定的自动恢复正常运行功能。报警控件添加完毕后，双击报警控件，在“报警参数”对话框中勾选“报警开关” ，并且通过设置数据库变量的相关参数来进行报警设置。石家庄铁道大学毕业设计24图 4-21 报警参数对话框选择报警类型。目前力控能实现图 4-21 中所列的报警类型。此例中我们选择限值报警。在“报警参数对话框”中勾选“高限”和“低限” ，并在它们对应输入框中

58、输入要报警临界值。报警优先级在优先级编辑框中进行设置，值越大，优先级越高，当同时有多个报警发生时，高优先级的报警信息优先显示。点击“确定” ，完成报警配置设置。添加报警控件。点击选择“工具箱常用组件报警” ，如图 4-22 所示：图 4-22 报警控件报警控件属性设置。双击报警组件，弹出如图 4-23 所示属性设置对话框，在本设计中，属性值全部保持默认值即可。石家庄铁道大学毕业设计26图 4-23 报警组件属性设置对话框石家庄铁道大学毕业设计274.7.2 事件控件添加事件控件的主要目的是使自动化系统运行过程中的系统日志和操作日志能够显示出来。添加事件控件的具体步骤如图 4-2 所示，用鼠标单

59、击选择“工具箱常用组件事件”并在事先规划好的窗口区域拖动鼠标，添加控件。图 4-24 常用组件对话框事件属性配置。添加完事件控件后，用鼠标双击事件控件，在事件属性对话框中勾选系统日志和操作日志，如图 4-25 所示。图 4-25 基本属性对话框事件属性。如图 4-26 所示，对事件属性中的实时事件和事件查询进行设置。图 4-26 事件属性对话框石家庄铁道大学毕业设计28记录格式。通过对记录格式的设置来添加时间组件中应该显示的字段名，本设计中添加的字段名如图 4-27 所示：图 4-27 记录格式对话框4.8 脚本程序脚本程序的作用就是为了把组态工程中的窗口和每个窗口中的图画对象、文本对象联系起

60、来，实现系统工程的组态功能。力控的脚本程序比较简单，只要会使用基本的 C 语言编程语句即可。下面以“信息栏”窗口中长方形文本“退出系统”动作设计为例，用鼠标双击该文本，进入动画连接文本框，单击左键动作，根据动作要求，编写脚本程序，如图 4-28 所示，单击确认，该文本的动作设计完毕。图 4-28 脚本动作编辑器石家庄铁道大学毕业设计29第 5 章 自动化系统运行与调试系统完成了自动化监控制系统设计中最基本的硬件选型和软件各功能模块设计之后，接下来的主要工作就是系统进行调试和完善。在系统调试的过程中发现该系统达到了了预期效果，可以实现对变电站数据采集、信息处理、四摇、事故报警、事件顺序记录、数据