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基于组态王的110kV变电站综合自动化系统的研究(1)

上海交通大学

硕士学位论文

基于组态王的110kV变电站综合自动化系统的研究

姓名:林小朗

申请学位级别:硕士

专业:电气工程

指导教师:范春菊;王磊

20070101

基于组态王的110kV变电站综合自动化系统的研究

摘要

近年来, 随着计算机的不断普及,计算机已经不再是陌生的高档设备。很多行业已经离不开计算机。在电力行业中,更是如此,继电保护,到故障录波器,到视频监控系统都离不开微机保护和电脑。其中,从变电站中的继电保护的发展看,继电保护从以往使用的继电器型保护到采用单片机的微机型保护,再发展到现在的具备基本网络功能的微机型保护,微机的应用比以前更加广泛、深入。另一方面由于基于TCP/IP协议的以太网具有的速度快、成本低、误码低等的优越性,以太网的应用也越来越广泛。

如何将单独的微机联系起来,利用计算机和网络进行变电站设备的集中管理控制?靠的是基于以太网的变电站综合自动化系统。本文的目标就是利用自动化设计软件(“组态王”)建立一个110kV变电站综自系统的基本模型。利用基本的输入量和输出量,实现综自监控系统的遥调、遥测、遥控、遥信的“四遥”基本功能,再进一步地实现报表、事件顺序记录和事故追忆、绘图及显示、实时数据采集与处理、数据库管理等高级应用功能。

此外,对目前各厂家系统所存在的一些不完善地方在此提出改进方法。主要是:1)信号的逻辑合并和分类。 2)做出正常、异常的状态判断,并在主界面显现出来。3)通过刀闸位置的判别,显示设备当前的运行的状态(运行状态、检修状态)。

关键词:组态王,110kV变电站,综合自动化系统,“四遥”量

RESEARCH ABOUT 110kV SUBSTATION AUTOMATIC SYSTEM BASED ON KINGVIEW

ABSTRACT

With the popularize of computer recently, computer is no longer a unfamiliar and expensive equipment. It is necessary in many industries. It is more important in the aspect of power industry than some others. We can’t work without computer in relaying protection, fault recorder, monitoring system. Let’s focus on the development of relaying protection now. Form relaying protection using relay, relaying protection using Chip Microcomputer to relaying protection using microcomputer based on web, there is a usage of computer. It becomes wider and wider, deeper and deeper. On the other hand there are many characteristics in the Ethernet which bases on TCP/IP have many advantages such as high-speed communication, low-level Bit Error Rate (BER),less cost, usage of Ethernet becomes wider and wider.

How can we connect single computer with others, how can we make a centralized management and control? We depend on Substation Automatic System based on Ethernet. The goal of the paper is to build a model of 110kV Substation Automatic System using the software, Kingview. Taking advantage of the input date and the output data, we realize the “Four Remotes”function of monitor software system, including remote regulation, remote sensing signal, remote metering, remote control. We further realize the advanced application functions furthermore, including real-time table, sequence of events, record of fault, drawing and displaying, real-time date collection and processing, database management and so on.

Moreover we will bring out a solution to the shortage of other companies systems. 1) Signal merging and signal classifying. 2) Draw out

a judgment of normal and abnormal, and display in the main bus picture.

3) Display the statement of the devices, such as running or checking and repairing, through the positions of the devices.

KEY WORDS: Kingview, 110kV substation, automatic system, “Four Remotes”

上海交通大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:林小朗

日期: 2007 年 3 月 9 日

上海交通大学

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□,在___年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密√

(请在以上方框内打“√”)

学位论文作者签名:林小朗指导教师签名:范春菊

日期: 2007年 3 月9 日日期: 2007 年 3 月 9 日

第一章绪论

1.1 综合自动化系统的作用和意义

近几年,随着城市的不断发展,变电站的规模会越来越大,设备会越来越多,电网规模迅速扩大。在有限的人员配置下,如何管理大量的设备,如何提高人员的效率,是及其重要的课题。对于变电站,如何将保护装置及其他类型的自动装置联系起来?使用综合自动化技术是一种较好的解决办法。根据深圳市电力的发展规划,深圳市的变电站今后将采用综合自动化技术设计,对常规“四遥”变电站也将逐步改造替换。

综合自动化变电站取消了以往变电站的主控屏,变电站的测量、控制、调节、信号、电度等功能,将由几台电脑来完成。系统硬件上采用测控装置、HUB、通讯管理机、微机保护装置、网络线路、计算机等部分构成,实现遥信、遥测、遥控、遥调、遥脉的功能。综合自动化系统的主程序一般被安装在监控电脑里,采用WINDOWS/UNIX做操作系统,将遥信、遥测、遥控、遥调、遥脉的功能集结于监控电脑中,实现对变电站各种电气设备的在线监视及操作。随着网络技术的不断发展,综合自动化系统将网络技术与计算机技术相结合,使生产力得到很大的飞跃。

变电站实现综合自动化后有许多优点:1)提高供电质量、提高电压合格率;2)提高变电站的安全、可靠运行水平。变电站设备的监视、操作是变电站运行日常工

作两大内容,变电站设备绝大部分都属于高压设备,利用电脑进行远程操作,是保障人身安全的一个重要的措施。变电站信号、电气量繁多,利用计算机也能方便的、有效的进行监视。3)减少维护工作时间,减少值班人员的劳动强度。并达到减人提效的目的。4)缩小变电站占地面积,减少总投资。5)提高电力系统的运行管理水平。

1.2 本文的主要工作

组态一词,组态英文是“Configuration”,其意义究竟是什么呢?简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。电力行业的监控组态,是重复性很高的工作。比如说,一个变电所里20个开关柜,那么同类型的设备定义、画面组态就要做20遍。如此大量重复的劳动费时费力,而且容易失误,是效率极低的工作。“组态王”是完全基于网络的概念,是一个完全意义上的工业级软件平台,现已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通讯、环保等行业。它也适合于变电所里重复性较高的开关柜监控设计工作。

一般监控软件完成诸如网络通讯、实时库生成、报警分类统计、历史库管理、报表管理等功能。适用于各种电压等级变电站监视与控制、继电保护、自动化装置等综合自动化系统。组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统,它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、

组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:画面;数据;动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。而且,它能充分利用Windows 的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能

本文的目标,就是利用自动化设计软件(“组态王”)建立一个综自系统的基本模型,通过基本的输入量和输出量,实现综自监控系统的信号、测量、遥控、调节等基本功能,以及报表管理等高级应用功能。

综合自动化系统主要实现以下的功能:(1)实时数据采集与处理;(2)计算数据的处理;(3)数据库管理;(4)事件顺序记录和事故追忆;(5)报警;(6)绘图及显示;(7)报表打印;(8)控制操作;

对目前变电站采用的厂家系统(如:北京四方CSC2000型综自监控系统)所存在的一些不完善地方在此提出改进方法,如:当信号出现以后,运行人员必须仔细阅读信号的含义之后,才知道是否异常及异常设备的位置。在空间上,需要一个空间分布的效果图能直观的显示出设备的运行情况;设备检修以后,应能自动根据刀闸的位置判别设备的运行状态。

针对以上问题,设计加以改进:1、信号的逻辑合并和分类,分析各信号量,作出基本的判断。2、做出正常、异常、动作的状态判断,并在主界面显现出来。3、通过刀闸位置的判别,在主界面显示设备当前的运行的状态(运行状态、检修状态)。

第二章综合自动化系统网络的结构和特点

2.1 综合自动化系统的要求

一般监控软件(如:CSC2000)完成诸如网络通讯、实时库生成、报警分类统计、历史库管理、报表管理等功能。适用于各种电压等级变电站监视与控制、继电保护、自动化装置等综合自动化系统。

2.2 综合自动化系统网络结构

所谓变电站自动化是指变电站应用自动控制技术和信息处理与传输技术,通过计算机硬件系统或自动化装置代替人工进行各种运行作业,提高变电站运行、管理水平的一种自动化系统。

变电站综合自动化将变电站二次设备(包括控制、信号、测量、保护、自动装置、运动装置)利用微机技术经过功能的重新组合和优化设计,对变电站进行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。它应具有如下特征:功能综合化(其综合的程度可以因不同的技术而异),结构微机化,操作监视屏幕化,运行管理智能化。

变电站综合自动化系统按照分层分布式系统思想设计。主要有两种模式:三层结构两层网模式和两层结构一层网模式。

变电站综合自动化系统设备可用两层结构,即变电站层与间隔层。变电站层一般由工作站、五防终端、远动主站及工程师工作站组成。综合自动化将变电站二次设备(包括控制、信号、测量、保护、自动装置、运动装置)利用微机技术经过功能的重新组合和优化设计,对变电站进行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。

两层结构的系统由间隔层、站控层组成。间隔层即继电保护、测控装置层。它独立完成保护、测量、控制、通信等功能。对于间隔层,一般采用保护、监控独立配置,特别是高压间隔层。对于低压间隔层的元件,也可采用保护、监控一体化的装置。对于集中式的变电站自动化系统,按功能及地域分布原则设计而成。

站控层即后台监控系统,一般由主机、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,完成各种变电站的监视、操作、控制及变电管理功能。当系统规模较小时,膈台监控系统可以是一台PC机,当系统规模较大或者超高压变时,后台监控系统可以是多台PC机,也可选用工作站配置的UNIX为软件平台的后台监控系统。对于两层结构的系统调度信息由远动工作站提供。

2.3 变电站的网络结构图

变电站的综合自动化常由双以太网组成。由PC机通过数据采集系统将全站的信息在PC工作台上显示,并可通过PC机发布操作命令,操作现场设备的运行状态。并通过SCADA系统向远方传递。

某变电站典型网络结构图,如图:

图2-1 110kV综合自动化系统变电站的网络结构

Fig.2-1 the web construction of one 110kV synthetic automaton systems transformation

substation

某典型综合自动化系统配置为:变电站层的计算机系统和间隔层的数据采集控制系统。

1、变电站层配置:

(1)计算机系统全站配置:操作员工作站两台、主站两台、工程师站一台、远动机两台、A3激光打印机一台、A4彩色喷墨打印机一台、针式打印机一台、投影机

一套(含屏幕)、可读写光驱一台、GVC网豹56K调制解调器一台、润宝轻骑兵立体声有源音箱一对。

1)操作员工作站的配置:主机型号为HP X2000(PⅣ1500Hz、128M),每台配有两台SONY 21”显示器。(机内含有:3COM网卡两块,1754开入开出卡一块。)2)主站工作站的配置:主机型号为HP X2000(PⅣ1500Hz、128M),每台配有一台SONY 21”显示器。(机内含有:3COM网卡两块,1760开入开出卡一块。)3)工程师站的配置:主机为研华工控机(配置为:PⅢ733、128M)、三星彩显17”。(机内含有:3COM网卡两块。)

4)远动机的配置:主机为研华工控机(配置为:PⅢ466、64M)两台、三星彩显15”一台。(机内含有:3COM网卡一块。)

2、间隔层配置:

主变间隔采用测控装置,实现主变的遥测、遥控、遥信功能。主变保护通过1通讯管理机与综自系统联系。

110kV断路器间隔采用测控装置, 实现系统的遥测、遥控、遥信功能。110kV系统线路保护、110kV系统母线保护通过通讯管理机与综自系统联系。

10kV采用测控装置, 实现系统的遥测、遥控、遥信功能。10kV系统线路保护通过通讯管理机与综自系统联系。

公用间隔采用专门型测控装置,实现系统的遥测、遥控、遥信功能。

不同厂家信息管理机与保护厂家接口,将其它厂家保护接入综自系统。间隔层还有网关、以太网集线器。

2.4“四遥”量的分类

所谓“四遥”是指“遥测、遥信、遥控、遥调”技术的简称。

遥信量----“遥信”是指远方监视电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等。分为软接点信号与硬接点信号。软接点信号,它由保护装置发出数据包,经过数据线形式传送到测控装置(包括VFC、I/O、CPU等)。硬接点信号,它由间隔层的设备继电器位置接点发出DC 110V电压信号,采用0或1计位。一般来说,“0”表示未动作,“0”表示动作。信号经电缆传送到测控装置的光藕盒上。光耦盒进行光电隔离,能提高抗干扰能力。光电隔离后,转变变为DC 24V电压信号输入测控装置使用。

遥调量----“遥调”是指远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等。它由测控装置发出DC 110V控制信号,经过电缆实现控制变电站的主变档位的。

遥测量----“遥测”是指利用电子技术远方测量集中显示诸如电流、电压、功率、压力、温度等模拟量的系统技术。变电站一般由PT或CT上采集,经过电缆输入到测控装置,经过数模A/D转换,供测控系统使用。

遥控量----“遥控”是指远方控制或保护电气设备及电气化机械设备的分、合、起、停等工作状态。在变电站里,它由测控装置发出DC 110V控制信号,经过电缆实现控制变电站的所有开关、刀闸。

2.5 综合自动化系统的模块组成

综合自动化计算机系统可采用研华科技生产的工业控制计算机IPC-610为硬

件平台,辅以外围模块(智能传感器、继电器板、开入开出板以及电源等),就构成了完整的硬件体系,可完成数据采集,实时控制等工作。具体模块如图2-2所示:

图2-2硬件结构

Fig.2-2 construction of hardware

(1) 电源模块:将交流220V电源转换为传感器工作所需的直流+24V电源。

(2) 开关量输入模块:取自相应设备的辅助常开接点(断路器触点信号,变压器档位信号等),用于识别现场开关状态及分接头档位信号。需要输入的开关量有:主变高中低压侧断路器(510、520、410、420、310、320),高中低压侧母联断路

器(500、400、300),电容器组断路器(302、312),主变分接头档位信号、继电保护信号等。

(3) 开关量输出模块:将系统发出的控制信号(电平信号)转化为接点,形成输出。需要输出的开出信号包括:用于控制主变分接头调节的开关量(升、降、急停)和控制电容器组的开关量(投、切)。

(4) 模拟量输入模块:将现场TV、TA二次侧的电压、电流信号转化为微机可识别的数字信号,并起到隔离和抗干扰作用。需要采集的模拟量有:主变高压侧三相线电压(取自高压侧两段母线TV二次侧)、三相相电流(取自高压侧两段母线TA二次侧),低压侧三相线电压(取自低压侧两段母线TV二次侧)。采用工业总线RS-485通讯。

(5) 工控机模块:对数据进行实时分析、逻辑判断,并具有数据存储功能。为用户提供人机接口,用于定值的整定、手动操作、显示、打印、通讯等。为取得良好的性能,建议采用服务器电脑进行硬件操作平台。

(6) 通讯接口转换模块:由于工控机采用RS-232接口,需要采用专用转换器与模拟量输入模块的RS-485接口进行RS-485/ RS-232转换。

2.5.1 模拟量输入模块

在电力系统中,常常需要采集各种电压、电流、功率、频率和功率因数等电参量数据,完成统计、分析和现场的实时控制;工作现场往往存在着较强的干扰;各待测点离散地分布在不同的区域,并且与中央控制系统之间有较远距离。因此,实

现高电压、大电流信号以及传感器输出弱电信号间的隔离变换,并采用DSP技术计算处理数据,获得高精度的数字化信息,最后以总线化的数字通信方式完成数据的远传,是电力系统特定环境下对模拟量采集输入模块的特殊要求。

图2-3三相交流数字化智能变送器工作原理图

Fig.2-3 the working principle of three-phase AC digital Smart Transmitter

三相交流数字化智能变送器主要由隔离传感测量、DSP数据处理和通信控制三部分组成。输入的三相交流电压和电流经隔离模块隔离变换,可编程增益放大器放大,形成标准模拟信号输出,并经高速A/D转换器变成数字信号,由DSP按交流参数直接采样算法原理对原始数据进行数字滤波和数字相差补偿,计算出被检测量的交流电压、电流的真有效值和相关导出量值。再由通信管理控制机将处理完的数据标幺化并有效地组织起来,当上一级通信机来读取数据时就可及时送出,用户只需将其中的部分数据乘以互感器变比就能获得实际工程物理量数据。原理上的先进性真实反映了被测的交流电参量与现场的工程物理量之间的直接关系,并且达到了较高的精确度,与传统的各类模拟变送器比较,具有很高的可靠性和稳定性,克服了

传统模拟变送器温漂大和预热时间长的缺点。

2.5.2开关量输入输出模块

装置引入的输入开关量和输出的开关量均为无源常开节点,在电力系统大电流强电磁干扰的恶劣环境中,需要对所有输入输出通道进行光电隔离和高压隔离。

目前市面上有数字量I/O卡PCL-730(32路隔离),32路TTL电平DIO通道(16路输入和16路输出),可以提供高达DC 2500V隔离保护电压的隔离数字量输入和输出通道,且所有输出通道均提供高电压保护。常用于工业开关控制、触点闭合监控、开关状态检测、BCD接口和数字量输入控制,是变电站环境下高压隔离开入开出板卡的理想选择。数字量输入端子板PCLD-782(16路光隔离),PCLD-782通过一个标准的20芯扁平电缆接口与PCL-730的16路TTL电平数字输入通道(CN4)相连,用来完成16路隔离数字量输入。功率继电器输出板PCLD-885(16路)装置输出的开关量均为无源常开节点,PCLD-885带有16个SPST(单刀单执)A型(常开)继电器,同时拥有最大的额定接触功率(AC 250V @ 5A 或 DC 30V @ 5A)。每个输出通道都带有一个可变电阻,可一个避免浪涌电压和电磁干扰,对继电器的触点起到保护作用。

2.5.3工控机模块

可以采用广泛应用于工业领域的工业控制计算机(IPC)做为所有硬件模块的运行平台。研华公司生产的工控机IPC-610具有PCI、ISA接口及串行口、并行口、USB 接口等外围接口,方便根据实际需要进行各种功能扩展。此外,其专门为工业恶劣

环境(如冲击、振动)下设计的可调整压条能够保护插入的ISA和PCI板卡抗冲击和振动。其前端安装的抗冲击硬驱支架,可支持多达5个硬驱,满足工业领域高容量的需求。工控机采用PCA-6003V全长CPU卡(赛扬1G处理器,内置显卡,128MSDRAM 内存,支持VGA / SCSI / Ethernet,内置看门狗模块)、PCA-6114底板卡(14槽 9 ISA / 4 PCI / 1 CPU )和PS-260-610E 电源(AT型 260W AC-DC),为用户提供理想的计算控制平台。

PCA-6003V全长CPU卡中内置看门狗模块,能在系统运行故障停止时复位CPU 或产生中断信号,这样就保证了系统在工业和无人职守环境下的稳定性。对看门狗定时器的编程是通过对I/O端口(地址为443H)的读写完成的。对地址443H写时间间隔数值(01H~3FH)启动看门狗模块,其数值代表相应的内部时间(1~63秒)。启动看门狗之后,要在相应的定时器时间间隔内重写数值到I/O端口443H,否则看门狗将自动复位CPU。关闭看门狗模块,只需对I/O端口443H进行读操作即可。2.5.4电源及接口转换模块

由于4台智能传感器安装于待测点,与中央控制系统之间有一定距离,需用专用的电源为其单独供电。采用西南自动化研究所的WBWY-S1微型稳压直流电源为WB 系列传感器提供+24 V直流电源。其输出功率为3~5 W,隔离耐压为>DC 1500 V (1分钟),具有短路和过热自动保护功能。

工控机IPC-610采用RS-232串行接口,WB系列智能传感器采用RS-485串行工业接口,需要采用JS485-9A转换器进行RS-485/ RS-232转换。为提高RS-

485总线的抗干扰能力,在要在始端和末端位置的A,B端之间外接120?匹配电阻。

2.6 本章小结

在本章里介绍了综合自动化系统的网络结构、系统模块组成情况以及系统需实现的功能,使大家对系统整体的网络结构、各部分的组成和系统需实现的功能有了一个初步的认识。

综合自动化系统网络用两层结构,即变电站层与间隔层。变电站层一般由工作站、五防终端、远动主站及工程师工作站组成。间隔层即继电保护、测控装置层。而综合自动化系统的计算机系统又包括电源模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入模块、工控机模块、通讯接口转换模块等。

,在下一章将重点介绍组态王软件,了解组态王的各项功能,为综合自动化系统软件的设计做准备。

第三章组态王软件介绍

3.1 组态王软件简介

电力行业的监控组态,是重复性很高的工作。比如说,一个变电所里20个开关柜,那么同类型的设备定义、画面组态就要做20遍。如此大量重复的劳动费时费力,而且容易失误,是效率极低的工作。“组态王”是完全基于网络的概念,是一个完全意义上的工业级软件平台,现已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通讯、环保等行业。它也适合于变电所里重复性较高的开关柜监控设计工作。

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统,它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:画面;数据;动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。而且,它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋

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