变电站自动化监控系统的设计与分析

摘要变站自动化系统的控制与操作是可靠的，，它的成熟和进步还需在变电站的实际运行中变电站的设计首要考虑的便是控制与操作的高可靠性，采用自动化系统的变电站计算机监控系统缜密设计。通常用于高压电力系统的变电站自动化产品都具有认下功能，以保证控制操作的高可靠性多级多地点控制功能。关键字：变电站、自动化、监控系统、电流第1章电力自动化系统监视控制分析站自动化系统的控制与操作是可靠的，，它的成熟和进步还需在变电站的实际运行中变电站的设计首要考虑的便是控制与操作的高可靠性，采用自动化系统的变电站计算机监控系统缜密设计。通常用于高压电力系统的变电站自动化产品都具有认下功能，以保证控制操作的高可靠性多级多地点控制功能自动化系统的控制操作方式有远方遥控，站控，就地后备操作3种方式远方遥控：由调度人员在调度端发出下行控制命令。站控操作；运行人员在变电站层监控主机发出操作命令，通过交互式对话过程，选择操作对象、操作性质，完成对某一操作过程的全部要求。就地操作：作为后备控制方式，当监控系统故障时，可在间隔层的测控单元的小开关手动控制或通过就地监控单元装置上的薄膜键盘就地控制。上述3种操作方式通过软件或使能开关可相互切换，当切换到后备手动控制时，站控及遥控命令不被执行；当同时收到一条认上命令或预操作命令不一致时，应拒绝执行，并给出错信息。每个被控制对象只允许一种方式进行控制。操作过程中软件的多次返校操作员权限设密，以杜绝误操作及非法操作。目前成熟的监控系统的软、硬件设备都具有良好的容错能力，即使运行人员在操作过程中发生一般性错误，均不引起系统的任何功能丧失或影响系统的正常运行，对意外情况引起的故障，系统都具有恢复功能。操作员工作站发出的操作指令，都必须经过选择、校核、执行等操作步骤，返校通过后再送至该点执行下一步骤。当某一环节出铸，操作指命中断，并告警提示。每次操作结束后，系统自动记录操作过程并存盘。监控系统的双机配置220kv及以上电压等级变电站自动化系统多作双机双网配置，作为人机接口的监控站冗余配置，热备用工作方式，可保证任何设备故障时对控制功能无影响。时下的做法，监控主站用以太网相联并以hub作为该以太网的管理。该网上任一装置异常，可将热备机切换为主机工作。监控系统的硬件的冗余配置，系统分层分布式结构，为变电站的控制与操作的可靠性提供了保证。操作实现方式为保证变电站控制与操作系统的可靠性、准确性，变电站的防误操作的设计也是重要环节之一。因为是计算机监控，变电站不再采用繁琐的电气联锁，可方便地实现多级联锁。对于分层分布术自动化系绝，其操作闭锁方式也为分会分级式闭锁而与该系统结构相适应。每个间隔的测控装置，已引入该间隔的交流电流、电压、断路器位置及刀闸辅助接点作为遥测、遥信之用，这也为实现本问隔内的断路器及刀闸操作的防误操作提供了必要条件。智能型装置可很方便地利用上述信息进行编程，实现该间隔的操作闭锁功能。对于全站的涉及多个电气间隔和多个电压等级间的操作闭锁，目前有3种不同的实现方式。其一，用软件实现，即将全站的防误操作闭锁用软件编程置于监控主机之内。监控主机可从通信网上获得全站所有开关、刀闸的状态信息及每个间隔控制终端的操佐信息，引入设备操作规则，进行软件编程即可实现全站的操作闭锁功能。该方式应该说是最简单经济可靠的方式之一。其二，硬件闭锁，即西门子公司的8TK模式。西门子公司的ISA-678变电站自动化系统的一个主要特点便是8TK操作闭锁装置的相对独立性，8TK纯粹作为控制及操作闭锁之用，每个间隔的刀闸信息进8TK1实现该间隔的操作闭锁，各间隔的刀闸信息经重动后都进入8TK2装置，母联刀闸及母线地刀等直接引入8TK2装置，8TK2装置实现间隔之间的操作闭锁功能。其三，软硬相结合的闭锁方式，间隔之间的闭锁采用8TK及类似装置实现闭锁功能，监控主机内做一套全站的操作软件闭锁系统。该模式即为上海500kv变电站采用的操作闭锁方式软硬两级闭锁，其可靠性高，监控系统或网络故障不影响全站的安全可靠操作，但该模式接线复杂，且价格昂贵，金华500kv变电站的该套8tk闭锁装置约花费人民币200万元左右。以软件实现全站的操作闭锁，对于一套成熟变电站自动化系统来说，也应该是高可靠性的；既然整个变电站的监控功能都由监控主机实现，那么操作闭锁软件功能做在监控主机内也应是安全可靠的。对于双机系统冗余配置，闭锁软件也为双套设置。笔者认为对于220kv及以下自动化系统实现无人值班站采用这种模式可靠、安全、经济适用。对于一个开关接的500kv变电站，笔者认为500kv系统每一个断路器及两侧刀闸的操作闭锁方式由相应测控装置实现以外，每串内的断路器及刀闸之间的闭锁采用专门一套硬件闭锁装置以提高其可靠性。至于220kv系统为简化接线，节约资金，可不必配置用于间隔之间操作闭锁的专用硬件装置。述三种模式都可高效可靠地实现变电站所有断路器及刀闸的控制。而且都具有顺控功能，例如：操作某条线路送、停电、旁母倒线路、母线切换等各种规则顺序操作，只需在监控主机的键盘上敲入相应指令，便可自动完成。常规站可能要花费几个小时的操作，在这里几分钟便可完成。可见变电站自动化系统的防误操作分层分级考虑，其可靠程度明显优于常规站的防误设计。

第2章自动化系统控制技术分析分层分布式自动化系统从系统软硬件上分层分级考虑了变电站的控制与防误操作，提高了变电站的可控性及控制与操作的可靠性，综合自动化站可采用远方、当地、就地3级控制，而常规站只能通过控制屏kk把手控制：常规站电气联锁设计联系复杂。在实际使用中，设备提供的接点有限且各电压等级间的联系很不方便，使得闭锁回路厂的设计出现多余闭锁及闭锁不到情况。综合自动化站可方便实现多级操作闭锁，可靠性高。常规站，人是整个监控糸统的核心，人的感官对信息的接受不可避免地存在误差，其结果就会导致错误的判断和处理。人接受信息的速度有一定限制，对于变化快的信息，有时来不及反应，可能导致不正确的处理。而且个人的文化、水平、工作经验、责任心等因素都会影响信息的处理，可以说常规站人处理信息的准确性和可靠性是不高的。运行的实践证明，值班人员的误判断，误处理常有发生。综合自动化站的核心为系统监控主机，用成熟可靠的计算机系统实现整个变电站的控制与操作、数据采集与处理、运行监视、事件记录等功能，可靠性高且功能齐全。变电站自动化系统简化了变电站的运行操作，可方便实现各种类型步骤复杂的操作顺控，且操作安全快速，对于全控的变电站，线路的倒闸操作几分钟便可完成；而常规站实现同样的操作往往需要几个小时，且仍在误操作的隐患。常规变电站控制一般采用强电一对一的控制方式，信息及控制命令都是通过控制电缆传输。计算机监控系统控制命令的传输由模拟式变成数字指令，提高了信息传输的准确性和可靠性。特别是分层分布式自动化系统，各保护小间与主控室之间采用光缆传输，提高信息传输回路的抗电磁干扰能力。分散式布置，控制电缆长度大为缩减，在相同控制电缆截面时，断路器控制回路的电压降减少，有利于断路器的准确动作。也从侧面反应电力系统业内人士对自动化监控系统可靠性的认同。在国家电力建设改革过程中，对电力系统改造提出了两点要求，第一，尽可能减少投资，提升建设效益，保证电力系统整体的运行水平；第二，确保电力系统运行的安全可靠性。变电站作为电力系统中关键的环节，与电力经济效益、安全运行息息相关。计算机技术、电子技术、通信技术等不断发展，为变电站实现自动化监控提供了这些基础。变电站自动化监控系统就是运用这些技术，通过有效的设计，在硬件设备以及软件程序的共同支撑下，对变电站运行情况进行实时监控，保证变电站运行的安全性，对电网综合自动化发展做出巨大的贡献。

第3章变电站自动化监控软件开发现阶段，程序设计方法多种多样，但以模块化程序设计与面向对象的程序设计为主，将两者有效地结合起来，形成一套完整的变电站自动化监控系统开发模式。变电站自动化监控系统一般使用后台软件，基本上确定了后台软件应有的功能，由这些基本功能构成系统的主要特征。采用模块化程序设计的方式，将后台软件分为若干个子系统，包括数据库管理系统、报表系统、通讯系统、主控程序等等，每一个子系统由简单的数据关系构成，容易建立模型。因此，在具体的软件开发设计中，一般采用分层分析设计以及线程技术方法。3.1分层分析设计方法根据变电站业务处理、控制流图以及数据流图等，明确后台监控软件的主要层次，即数据处理层、通信层、应用层、数据存储层等，利用分层分析设计方法，逐层进行分析与设计，对层与层之间的接口进行明确规定，降低开发的难度，提高数据接口的兼容性以及移埴性。3.2线程技术方法以线程技术为主的变电站监控主站，能够利用不同的线程完成不同的任务，合理区分线程的优先级别，就能够完成实时性不同的任务，提高了变电站监控系统中数据处理效率，保证各项紧急任务发生后系统的响应速度。3.3变电站自动化监控软件的构成变电站自动化监控软件的构成分为三个部分，即底层数据服务器、中间层数据库以及高层应用程序。3.4底层数据服务器该层具有数据处理以及通讯两种功能，能够接收到rtu采集的实时数据信息，包括变电站运行的状态量、模拟量以及时间顺序等等，同时还能够向高层程序层的rtu发送控制命令，并显示源码数据。对原始的数据进行有效的处理，形成实时数据，并及时传输到中间层数据库史中，提供给应用软件使用，确保信息的实时性。3.5中间层数据库中间层数据库主要是面向应用程序，具有系统功能分析，是整个数据信息结构的核心，能够为高层应用功能模块提供各种有用的数据信息。根据系统性能的不同，将数据库分为实时数据库、参数数据库、历史数据库以及辅助数据库几类。3.6高层应用程序高层应用程序具有多个功能，包括监视功能、遥控遥调功能、数据采样计算处理功能、打印功能。接线图编辑显示功能、报表功能、参数管理功能、人机接口功能以及系统安全维护功能。该层的应用程序，能够将变电站运行的实时数据信息进行处理，并对数据库信息进行监测，发现异常情况就会发出警报，并做好备份工作。对相关的数据信息、报表等还能够进行打印，为相关数据为系统设置、维护等提供配套的参数管理，根据用户操作内容的不同，设置有效的权限管理。

第4章变电站自动化监控系统软件结构设计在变电站自动化监控系统后台软件设计过程中，考虑到数据功能的组合与分散，系统通讯以及数据处理功能都是为高层应用程序提供有效的数据，如果将两者分开，必会影响数据处理的时间，也会增多数据传递时间，将处理过程复杂化。所以，一般需要将通讯与数据处理功能进行组合，形成一个独立的功能摸块，我们称之为数据服务器，两者的组合能够节约数据处理时间，提高系统整体的效率。同时，数据库管理、报表功能、数据存储功能、远动功能之间数据联糸较小，独立性较强，可以实行分散，尽可能使其与应用数据发生联系，便于系统操作和维护。值得住意的是，在变电站巡检操作人员操作设备过程中，在主控室操作后，又必须到现场查看并验证一次设备的实际位置，如果操作项目多的话，过程反复又浪费时间，自动化的程度还有待提高。假如操作人员在主控室或调度室就能查看一次设备的运行工况，则会大大减小操作人员的劳动量和时间。所以，未来的趋向将是在一次设备附近装设视频和声控系统，通过远动和通信系统进行数据采样和传输，运行操作人员在远方就能对设备的运行工况及状态变化情况了如指掌，同时又减小与高压设备危险接触的不定因素。但就目前而言，大部分人计算机技术能力有待提高，只能进行简单分合闸操作以及线路改命名等简单的数据库编译工作等，遇到复杂问题仍需向厂家求助，这一问题需要后续解决。

第5章电网凋度的自动化此项自动化作为某种体系，它由不同电网调度设施即其服务器、大屏幕、工作站及计算机网等统一构成，自动化是利用发电厂、寸控制设备以及电网调度中心等设备在电力系统内部使用的调度范围局域网中终端系统进行的有效连所述，若电气工程领域里，能有效地融合运用进电气自动化，是可以起到必要的效果。不但在电力超载评测时，可以将以往的操作经验及数据资料进行搜集，且对电力体系的运作情况进行及时评测。因而，在电气工程领域里融合进电乞自动化，便等同于在自动化的发电控制融合进自动式的经济调度。可要想得到如此的融合模式，必须拥有一定的要求，即专门化的人才、知识及设施等，对于电力体系来说，若无相关专业的配套必定无法完成操作，故需通过省以上的电力部门批准方可。该体系由不同郭分构成，即分布架构、以太网、远端者工作站、进程把控单元及分层级架构的数据通讯高速网等。而之中的远程把控单元是指，由输入及输出两板块共同组合，并与主控模件也就是配件可冗余处，统一构成的把控单元。其通讯模式过程为，信息借助主控模件传输至可冗余处。随后传至智能板块上即输出及输入，之后传送至总线的两板块输出及输入。此步骤是仅有的能在信号接收过程中，径直承担不同的现场设施，即热电阻、开关量、热电偶及变送器等，并且结束后，还有输出信号，同时在保证及时显示及打印时，对设施参数及运行情况进行传输，且运用该传送模式径直驱动某种实施部门，进而达到在电气工程领域里，并发挥其运作时的效能，即联锁把控、捡测及维护等。该项自动化达满足了自动式的操作与监控，并取代了繁复的人工运作，对变电站而言，不但提高其整体的监护水平，且推动其运作质量及效率。所以，自动式变电站能有效监控不同电气设施的运行情况，其监护效果覆盖面广且层级较多。传统型的自动式变电站监控时是借助电磁设备完成，可如今的设施是全微机式的，它能有效地通过电脑屏幕来操作及监控。对于数据传送而言，需运用的电缆是计算机式的，由于它进行轨迹统计及运行管理时是自动式的，极大地提高工作效率，故非传统电缆即电力信号式，目前来说，自动式的变电站随电力不断进展，己变身成电网调度及电力公司的主要体。 电气自动化不仅在建筑产业里的运用得到了高度的重祀，同样关注的还有，运用于电力产业的电气工程领域，电气自动化随愈加宽广的电网涵盖面，及愈加庞杂的电网体系的进展，提高管理电力体系里的该技术，变得十分的重要及急迫。即电网调度、分布测量与控制发电厂及自动式变电站体系等，对其运行进行详细研究。全控型电力电子开关逐步取代半控型晶闸管在过去的电气自动化技术控制工作中，绝大多数的管理控制工作都是以微型系统、现代化系统为主导的，它在应用的过裎中是通过采用线材、卷材作为主要的工程质量控制手段，从而达到预计工程理与控制要求。随着当前各种微机技术和信息技术的不断应用，当前的电气自动化逐步出现了全控制器件和自动化控制器件。为当前电气自动化发居展带来了热潮和前提基础。数据通信如采用rs-485半双工通信接口。媒介访问方式为主从问答式，属总线结构。在RS-485总线方式下，稳定连接32个节点，最大传输距离为1200米，最大通信速率可达19200bps。同时采用m6通信协议，此协议遵循IEC-60870-5TF1.2变长帧格式。数字综合保护装置所完成的通信内容：a。主站初始化后，先轮询查询子站，并进行地址登记；b。主站进行广播校时，同步子站的时间精确到毫秒级；c。按子站的顺序，循环收集各子站的数据；d。主站可以根据自己的需求发送遥控数据；e。上述的通信过程可以被主站和子站的事件所中断。主站的事件可能是请求数据，子站的事件主要是遥信变位。如软件设计主要是DSP编程、对于DSP来说，软件功能划分：定时采样交流电压，电流模拟信号。定时采样反映了现实运行状态的开关量和脉冲量：采样电网频率，同时进行一定的计算，再完成与通信接口的数据通信以及模块本身的人机接口功能。DSP软件设计流程为了提高处理器的资源利用率和系统实时处理能力。系统设定程序可以完成模块参数的设定。参数包括外部电压、电流互感器的转换变比以及下位子站站号和通信波特率等。电参量显示程序则通过相应的算法将采集数据转换成相应电参量并输出到液晶显示器和通信端口送到上位机。数据模块显示的糸统电参量主要有：三相系统线电压、相电流有效值：有功功率、无功功率和功率因数：电网频率、反映运行状态的开关量以及有关电能计量的脉冲量。由前端数字综合保护装置与工业控制机共同组成变电站监控系统。数字综合保护装置是本系统的核心，提供对输电线路和变压器、电容器、电动机等主设备保护、控制、测量及监视功能。装置采用单元化的设计使其能方便的配备一次设备如高压开关柜等，也可集中组屏，通过规范的现场总线接口，支持多个节点协同工作，实现系统管理和综合信息共享。数字综合保护装置实现实时现场数据采集，数据处理，开关量的输入和输出。现在讲具有产业以太网接口的恋电站监控系统的设计与实现。提出了双CPU结构的变电站监控系统，数字信号处理器TMS320VC5402作为主CPU，用于以太网接口的控制诒处理，以及定时向上位计算机发送数据，同时读取下位数字信号处理器采集的数据。数字信号处理器TMS320LF2407A作为CPU，用于键盘、显示的控制，开关量、脉冲量、电网频率、模拟量等数据的采集以及摸拟量和继电器的输出控制。系统软件支持MAC，TCP与IP等协议规范，从而实现了监控系统的网络化。给出了数字信号处理器TM320VC5402与以太网控制器RTL8019AS的硬件设计与嵌进式TCP与IP协议的汇编程序设计。随着计算机、通讯、网络等信息技术的发展，信息交换的领域己经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，建立以产业控制网络技术为基础的企业信息化系统己是一个趋势。目前应用较多的变电站监控系统是现场总线型结构，20世纪80年代产生发展起来的现场总线技术，以全数字通讯代替4-20mA电流的模拟传输方式，然而，现场总线技术在其发展过程也存在很多不足，市场上的各种现场总线无法达成同一，相互之间不能兼容与此相反，以以太网为代表的COTS信息网络通讯技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。与现场总线相比，以太网具有应用广泛、本钱低廉、通讯速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、易与Internet连接，能实现办公自动化网络与产业控制网络的信息无缝集成等优点。以TI公司的TMS320VC5402数字信号处理器和Realtek公司的以太网控制器芯片RTL8019AS为核心，研制了一套网络化的变电站监控系统，实现了对变电站监控治理的自动化、数字化和网络化。变电站监控系统总体结构设计采用双CPU结构，系统采用主从结枸，数字信号处理器TMS320VC5402作为主CPU，用于嵌进式以太网接口控制治理，主要用作通讯治理，定时向上位计算机发送数据，同时读取下位数字信号处理器采集的数据。数字信号处理器TMS320LF2407A作为CPU，用于治理监控系统的键盘、显示和开关量、脉冲量、电网频率、模拟量等数据采集、以及模拟量和继电器输出控制。TMS320VC5402与TMS320LF2407A之间采用串行通讯。监控系统主要是对现场信号进行采集，并把它转换成相应的电参量显示出来，通过以太网传送到其它计算机。信号采集部分的采集信号有：经过外部电压和电流互感器转化后的三相交流电压和三相相电流；反映变电站线路状态及保护运行的开关量；功率表脉冲量以及电网频率。信号采集部分设计采用TI公司的TMS320LF2407A作为嵌进式微处理器，选用ISSI公司的IS61LV6416低电压、低功耗的高速静态RAM作为外部数据存储空间和调试时程序空间的扩展，程序存储器使用，TMS320LF2407A内部32K的FLASH，可编程逻辑器件MAX7128STC100-6用于集成外围数字电路。键盘的4个按键信号输进给MAX7128STC100-6，产生一个XINT1信号作为TMS320L