变电站自动化系统及其运行维护 正文Word文件下载.docx
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本文是针对变电站自动化系统调试方法和维护手段的研究。
作者通过归纳总结常规变电站自动化系统的调试方法和维护手段,分析比较了现有的微机保护调试界面,指出了基于PC机的软件化调试界面的优越性。
针对分层分布式变电站自动化系统的特点,提出了利用面向对象编程技术,编制间隔层智能装置和变电站层监控系统及通讯网络层报文监视的智能化调试软件的设计思想。
该方法可大大简化变电站自动化系统的调试和维护工作量,进一步缩短变电站自动化系统的安装调试工期,提高系统运行的安全性与稳定性,具有很大的实用价值。
关键词:
变电站;
自动化调试;
维护;
面向对象;
软件
Abstract
ThispaperisaboutthestudyonthedebuggingandmaintenanceofSubstationAutomationSystem.Theauthoranalyzesandcomparesthepresentdebugginginterfaceofmicroprocessor-basedprotectionrelaysthroughsummarizingthedebuggingandmaintenanceofroutineSubstationAutomationSystem,indicatestheadvantageofsoftwaredebugginginterfacebasedonthePC.InallusiontothecharacteristicsofthedistributedSubstationAutomationSystem,theauthorpresentsthedesignideaofprogrammingthedebuggingsoftwarefortheintelligentdevices,themonitoringstationandthecommunicationnetworkbasedontheobjectorientedprogrammabletechnology.ThismethodmaysimplifytheworkloadofdebuggingandmaintenanceofSubstationAutomationsystemgreatly,shortenthetimelimitforbuildinganddebuggingofSubstationAutomationsystemandimprovethesecurityandthestabilityofsystem,thereforeitisofgreatusefulvalue.
KeyWords:
SubstationAutomation;
Debugging;
Maintenance;
Object-orientedSoftware
一、变电站自动化系统的发展过程及现状
变电站自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术,通过计算机软、硬件系统或自动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。
变电站自动化的范畴包括自动化技术、远动技术、继电保护技术及变电站其它智能技术等。
(一)变电站自动化系统发展过程
从变电站自动化的发展过程来看,可以分为以下几个阶段:
(1)变电站分立组件的自动装置阶段;
(2)微处理器为核心的智能自动装置阶段;
(3)变电站自动化系统的发展阶段。
变电站自动化系统的发展过程与集成电路技术、微电脑技术、通信技术和网络技术密切相关。
随着这些高科技的不断发展,变电站自动化的体系结构也不断发生变化,其性能和功能以及可靠性等也不断提高。
从国内外变电站自动化系统的发展过程来看,其结构形式有集中式、分布集中式、分散与集中相结合和全分布式等四种类型。
其中分层分布式结构由于分散安装减小了一次CT的负担,各模块与监控主机间通过局域网络或现场总线连接,抗干扰能力强,可靠性高且具有组态灵活、检修方便的特点,因此成为了当今变电站自动化系统的发展方向。
(二)变电站自动化系统发展现状
以计算机为基础的变电站监控系统自二十世纪七十年代投入使用以来,已得到广泛应用。
微机型数字保护装置八十年代开始投入运行,目前,变电站的监视、控制、保护,包括故障录波、紧急控制装置,虽然实现了微机数字化,但几乎都是功能单一的独立装置,各个装置缺乏整体协调和功能的优化,且功能交叉。
输入信息各自处理不能共享,接线复杂,从整体上降低了可靠性。
同时。
不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度,经济上是一种资源浪费。
为了提高变电站的可靠性和经济性,利用现代微机、现代通信和网络技术将变电站目前分隔的监视、控制、保护和计量装置及系统进行功能的重新组合和系统集成是电力系统发展的必然要求。
面向今后的电力市场,开发变电站自动化集成技术并应用于高压、超高压变电站是变电站自动化方面面临技术创新的紧迫任务。
(三)变电站自动化系统发展趋势
经济性和可靠性是今后变电站设计和技术开发需要考虑的主要问题。
在满足变电站功能的基础上,减少组成变电站元件的数量,提高元件质量,使变电站紧凑化,做到占用空间小、寿命周期短、环境友好是变电站技术的发展趋势。
未来的紧凑型变电站要求现在仍然分隔的保护、监视、控制、通信和测量等装置(系统)以合适的形式进行集成,使未来的变电站自动化系统是由少量的多功能集成数字装置组成。
变电站自动化系统的集成可分为两个层次,即间隔级和变电站级。
间隔级的集成是构筑一个通用的硬件和软件平台,将间隔内的控制、保护、测量等功能集成在这个通用的平台上。
通用的硬件平台指的是由一组元件组成一个多功能装置,用于各个间隔。
通用的软件平台指的是在多功能装置内建立一个通用的功能软件库和数据库。
通过通用的硬件和软件采集各功能需要的数据和状态量,实现数据共享。
这样,原来控制、保护等功能将不再用专用的硬件装置和专用的输入输出通道,而是用合理的软件设计来实现。
站级的集成是将变电站自动化需在站级处理的各个功能通过信息网络组合在一个系统中。
这样,原来站级各个分隔的系统及其多个通信网络将不再需要,从而简化了网络结构和通信规约。
根据变电站自动化集成的程度,可将未来的自动化系统分为协调型自动化和集成自动化。
协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护等装置,各自采集数据并执行相应的输出功能,通过统一的通信网络与站级相连,在站级建立一个统一的计算机系统,进行各个功能协调。
而集成自动化系统则是将间隔层的控制、保护、事故记录和运行技术数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内,间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现,取消传统的硬线连接。
集成自动化既在间隔级,又在站级对各个功能进行优化组合,是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自动化的综合应用。
二、变电站自动化系统的调试与维护
随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展,变电站自动化技术得到了迅速的发展。
通过近二十年来的实践与应用,变电站自动化系统从集中式到分布式,其技术特点及运行要求等方面均取得了极大的发展,特别是近年来基于网络化结构下的分层分布式系统的实践,使变电站自动化系统的结构和性能发生了重大的变化。
伴随着变电站自动化系统的不断发展,变电站自动化系统的各个组成部分的调试方法和维护手段也不断地得到改进。
在单元设备中,“免调节”概念的设计、“即插即用”的设计方法以及通用的软、硬件平台的采用,全汉化显示/操作界面和图形化、表格化的输出界面以及过程全息再现技术的应用,使得使用者可以用配套提供的调试、分析软件非常方便地读取存储在单元设备中的信息并清晰地再现设备的数据和逻辑处理过程:
在通信网络中,随着以太网技术的应用,使得网络的通信速度得到极大地提升,保障信息在变电站自动化系统中得到及时传输和响应,从而形成了从单元设备到监控系统乃至远方通信的信息快速传输和响应系统:
在变电站计算机监控系统中,数据库采用了透明化的管理方式,数据库的描述采用面向对象利用人机交互图形描述,使繁杂的工作变得更简单、更方便,利用建立在COM/DCOM基础上的32位的MSVisualC++及其它软件编译平台,软件功能模块可重新系统组态,保证了系统的可扩展性及可维护性。
所有这些新技术、新成果的开发和应用使得变电站自动化系统的调试和维护变得更简单、更方便。
其调试和维护的重心也发生了根本性的变化。
三、基于PC机的软件化调试界面的应用
人机接口插件(Man-MachineInterface)是微机自动装置与人交换信息的界面。
微机保护能在我国电力系统迅速推广,除了它优越的内在性能外,人机接口插件也功不可没。
保护有了人机接口插件,不再是一个呆板、厚重的机箱,而是一个富有人性化的智能设备。
电力系统的继电保护工程师通过MMI可以方便的对装置进行一些操作,也能根据MMI的提示信息快速的对电力系统的运行情况作出判断。
因此电力系统的技术人员都希望在系统中投运的微机装置有一个友好的人机界面。
伴随着微机保护的不断更新换代,人机接口插件也走过了自己的发展历程。
最初的微机保护的人机界面主要有键盘、拨轮开关、数码管、打印机组成。
键盘、拨轮开关完成一些输入功能,而数码管、和打印机完成结果输出。
随着液晶显示技术的成熟,数码管逐渐被液晶显示器所代替,拨轮开关切换定值的功能也由软件来实现。
(一)基于液晶显示器的调试界面
目前,国内大多数微机保护装置都采用液晶显示器来显示正常运行状态、跳闸报告、自检信息以及功能菜单,用键盘来完成命令菜单的选择和定值的修改,以此来实现人机交互功能。
其它的智能装置,如测控装置、小电流选线装置、直流监测装置等等也都采用此种方式的调试界面,只不过显示内容和菜单功能有所不同而已。
下面我们以南瑞继电保护公司的LFP-900系列中低压保护装置的人机交互面板为例来介绍一下这种方式的调试界面。
图3.1面板图标说明
保护装置正常运行时,液晶屏幕将显示如下信息:
当保护动作时,液晶屏幕自动显示最新一次跳闸报告:
保护装置运行中,硬件自检出错或系统运行异常将立即自动转为显示故障报告,格式如下:
在运行状态下,按“↑”键可进入主菜单,再由“↑”“↓”键移动光标至相应子菜单,按“确认”键,即选中该子菜单,用同样方法进入各子菜单的相应功能项,显示相关信息,可用“+”、“一”键修改有关定值,整定值整定完毕,按“确认”键进行写入,定值固化完毕后可通过用主菜单中的第5项“RELAYON”使保护恢复运行,也可按红色“复位”键使保护恢复运行。
查看相应功能菜单后,按“取消”键可返回上一级菜单。
基于液晶显示器的人机交互调试界面比起以前的由数码管和打印机组成的人机交互界面来说无疑是前进了一大步,但它仍然存在如下缺点:
1)显示屏可以显示的信息太少,一屏只能显示四行信息;
2)不能显示汉字。
因此,为了更好地满足电力系统技术人员提出的一些新的要求,新的人机接口插件采用了新型大液晶显示器,液晶的输出也实现了全中文汉化界面,并在液晶显示器上实现了本间隔主接线图的显示,使得新型的微机智能装置界面更加友好,更便于技术人员的操作。
(二)基于PC机的软件化调试界面
虽然新型大液晶显示器的采用从一定程度上改善了原有液晶显示器的人机交互界面的友好性,但由于受到液晶显示器本身功能的局限性影响,其显示信息量少、键盘操作复杂的缺点无法解决,而基于PC机的软件化调试界面却能很好地解决这一问题。
下面我们以美国GE公司的SR760微机保护装置为例来看一下该调试界面的优越性。
SR760是使用微处理器的馈线控制继电器,适用于架空馈线,采用自动重合闸。
每台继电器具备保护、控制和监视功能,并有LOCATE(现场)及REMOTE(远动)人机交互界面,显示当前跳闸/报警状态以及被测系统参数中的大部分,被测参数多于35个。
继电器也能记录以前跳闸、报警或控制事件、需求和能量消耗的最大值。
这些继电器包括许多富有创新的功能,为了满足多种实用标准和工业要求,这些功能具有编程的灵活性,以满足特殊用户的需要。
编程是通过面板上的键盘和液晶显示器来完成的,由于设置值为数字型,所以这种手工方法有些费力,为简化设置并提供一个更直观的界面,可通过PC机运行随继电器提供的SR750/760PCPROGRAM程序来完成设置。
即使只有很少的微机知识,这个菜单式程序也为面板上所有功能提供了很容易的方法,可显示实时值,修改、储存、打印各设置点数据。
如果设置数据保存在一个设置数据文件中,那么,与任何一台PC机串口相接,计算机电缆都能把这些设置数据在任何时候传送到继电器前面板的编程接口。
首先,用计算机电缆将PC机的串口与装置前面板的编程接口相连接,通电后运行调试程序出现主应用画面如图3.2所示。
图3.2主应用画面
其中,主应用画面含有以下菜单项:
File(文件)、Setpoint(定值)、Actual(实时值)、Comands(命令)、Communication(通信)、View(视图)、Help(帮助):
另外,主画面还包括有一些工具按钮以及装置的面板图显示,当PC机与装置建立通信链接后,主画面中装置的面板图中液晶显示器上显示内容以及面板信号灯的状态与实际装置上显示的内容相一致。
与装置建立通信链接的过程如下:
打开Communication菜单中Computer菜单项,出现如图3-2所示画面,在图中设置相应的地址、通信口、波特率、奇偶校验位及控制类型后按“ON”键建立通信链接后,按“OK”键关闭菜单项,回到主画面。
在主画面中,File菜单项主要包括文件的新建、打开、保存、属性、发送到继电器以及相应的定值打印功能:
Setpoint菜单项主要包括继电器相关定值的整定,其中主要有各类保护定值、逻辑输入的命名、各开出量的整定以及相关的控制、监视、测试功能等,其中测试功能中又包含有输出继电器的测试、定值的测试、虚拟输出的测试、模拟量的测试等。
图3.3相电流保护整定值界面
图3.3所示为定值中保护定值的相电流保护整定值界面,其中包含有相电流定时限I、II段、相电流速断I、II段及相电流方向元件整定界面等:
Actual菜单项中主要包括实时状态量显示、实时测量值显示、故障保持信号的显示、事件记录的显示以及故障波形的显示等;
Commands菜单项中主要包括继电器复位命令、下条信息显示命令、开关跳闸命令以及开关合闸命令等;
Communication菜单项主要包括一些与计算机通讯有关的子菜单;
ViewHelp是相应的视图和帮助菜单。
通过以上的比较我们可以发现:
基于PC机的软件化、图形化调试界面与液晶显示器的调试界面相比,除了具有人机界面更友好、操作更为简单的优点外,还具有如下几个方面的优势:
1)可存储及可显示的信息量大,除了可显示各类定值、各开入开出量名称和状态以及各类测量值的实时数据外,还可显示详细的事件记录和故障波形;
2)可通过软件对各保护功能和开入开出量进行逻辑编程重新组态,使保护的功能配置更为灵活;
3)利用PC机强大的编程功能和通信功能,可用软件完成各类开入开出量的测试工作,以及用软件模拟各种故障类型及故障量大小,对保护定值进行测试,也可模拟各类装置自检故障;
4)详细的自检报告、各状态信号的监视以及事件记录和故障波形为故障的判别和保护装置本身故障的定位提供了强有力的依据。
四、智能化调试软件的功能与实现
(一)变电站层设备调试软件的功能与实现
变电站层设备的调试主要包括当地监控系统的调试及远动主站的调试。
其中当地监控系统的调试可直接由当地后台机来完成,而对远动主站的调试则要借助于集控中心的监控主机来完成。
在联调试验的时候,远动主站需要和集控中心的监控主机进行对点调试。
以保证远动主站能正确地将集控中心的各类控制命令传送给前置装置,同时也保证前置装置的信息能正确地上送给集控中心。
但由于集控中心一般离变电站较远,调试发现问题时处理起来存在一定的困难。
因此,对于变电站层设备调试软件的需求,主要是针对远动主站调试的一种能够在当地完成模拟集控中心与远动主站联调过程的远动主站调试软件。
有了这种调试软件,当我们对远动主站的程序做一些改动,如增添新规约、添加新功能或对某部分有问题的程序进行修改后,我们就可以利用装有此调试软件的便携式PC机通过相应的接口设备在现场完成对改动后的远动主站软件的测试,从而方便了现场调试,避免了许多不必要的重复工作。
下面我们以四方公司的CSM300C系列远动主站为例来详细介绍远动主站调试软件的功能与实现。
1、远动主站调试软件的功能
根据远动主站的功能及特点,远动主站调试软件应具备如下功能:
(1)具备与远动主站的通信功能。
通信方式选用异步串行通信,传输速率(300Bd、600Bd、1200Bd、9600Bd)可根据不同要求选择;
(2)支持目前国内普遍应用的远动通信规约,如:
4FCDT、DNP3.0SC1801、RP571、IEC60870-5-101、VAN-COMM、UCA等,可根据需要灵活选用;
(3)通过串口,可模拟集控中心和一个远动主站进行端对端的通信过程,完成集控中心对远动主站的“四遥”功能,即可模拟集控中心向远动主站发出各种遥控命令,完成各种遥控操作,也可完成对远动主站的各类上传信息根据不同的规约做相应的转换,实现遥测和遥信功能;
(4)实时显示功能,具备良好的人机接口界面,图形化、表格化地实时显示串口的接收和发送数据信息报文、各类遥测点遥测量的数值、各类遥信点遥信量的状态变化、SOE事件记录、电度量等。
2、远动主站调试软件的实现
(1)远动主站调试软件的运行环境
主机:
通用标准PC机,要求:
CPU:
PENTIUM/PII,主频为166MHZ以上;
内存:
32M以上;
硬盘:
1G以上;
主板接口:
AGP、COM1、COM2;
软件平台:
中文Windows95/Windows98/WindowsNT
编程语言:
MicrosoftVisualC++6.0
(2)远动主站调试软件的内部结构
软件运行于Win32操作系统,采用面向对象的设计技术,引入了占先式多任务多线程机制,具有强大的通信功能和友好的界面操作,它的转换速度更快,数据吞吐量更大,同时具有很大的数据缓冲能力。
远动主站调试软件从串口接收远动主站发送的数据和下传对远动主站的各类命令操作,根据不同的规约进行解释及报文打包,并实时显示串口发送和接收的数据,以表格的形式显示四遥量。
由此可见,它需要同时处理报文接收、报文转换、命令下传三项任务。
因此,我们采用多线程技术,每项任务都有自己的优先级,由操作系统安排CPU来执行。
操作系统在运行的任务之间有效的分配CPU资源,以决定任务何时需要CPU,并能立即作出回答。
远动主站调试软件采用面向对象的程序设计,由事务处理、人机界面、规约解释、通信监视四部分构成。
通信模块监视数据接收:
规约解释模块读取接收到的数据进行规约解释及下行报文打包;
人机界面负责人机交互;
事务处理模块负责全局调度,协调各模块间关系。
为了减弱各个模块间的祸合度、增强各模块的可重用性,并且兼顾系统实际性能要求,不同模块之间的交互采用两种方法进行交互:
1)事件驱动:
通过发送事件消息,激活模块中相应的处理过程。
这种事件驱动处理能够均衡CPU消耗,并保持高性能;
2)过程调用:
一个模块通过调用另一模块所拥有的服务过程和数据进行交互。
如显示界面调用规约处理模块的服务函数的所需的显示数据。
这种方式,对模块的接口标准要求高,模块间祸合性强。
远动主站调试软件是一个多线程的应用程序,由一个主线程事务处理线程及两个工作线程的规约解释线程、通讯线程组成。
不同线程间通过同步对象来保证程序的正确运行。
当应用程序进程启动后,首先创建主线程,完成一些初始化工作,如规约选择。
然后在合适的时候创建通信线程和规约解释线程,两个工作线程,通信线程完成通信事件的监视,规约解释线程完成各规约报文的转换。
每当接收到新数据,就向主线程发送WM_COMMRECVNOTIFY消息(自定义消息),主线程启动规约解释线程,规约解释线程从接收缓冲区中读取数据进行规约解释处理,处理完成后,就向主线程发送WM_DISPLAY消息(自定义消息),主线程从缓冲区读取数据,将数据以合适的形式显示。
当需要发送数据时,操作员发出命令后,主线程发送WM_COMMSENDNOTIFY消息(自定义消息)启动规约解释线程,规约解释线程对数据进行规约解释处理存入发送缓冲区,并将数据写入串口,然后就向主线程发送WM_DISPLAY消息(自定义消息),主线程从发送缓冲区读取数据,将数据以合适的形式显示。
中断通信则将通信线程与规约转换线程删除。
(二)网络层调试软件的功能与实现
在变电站自动化系统的现场调试中,网络层的调试与维护往往容易被忽视,而在变电站自动化系统中,连接站内各个智能装置的站内通讯网的安装和调试的工作量又非常大,在网络通讯发生故障的时候很难及时准确地找出故障的原因并及时地排除网络故障,使网络恢复正常运行。
因此,我们非常需要开发出一种网络层调试软件来完成网络的调试、维护和故障诊断,从而提高通讯网络的可靠性及减轻网络层设备的现场调试工作量。
下面我们以CSC2000变电站自动化系统中的Lonworks现场总线网络为例来论述网络层调试软件的功能与实现。
1、网络层调试软件的功能
根据网络的功能特点,网络层调试软件应具备如下功能:
(1)网络报文监视功能
(2)网络报文滤波功能
(3)部分远方操作功能
2、网络层调试软件的实现
(1)网络报文的监视
要实现网络报文监视功能,需要满足一些要求:
首先,它要能够收到网络上传输的所有报文,并且要具有实时性,特别是在网络上有大量的报文传输时,不能出现丢失部分报文的情况:
其次,接收到的报文要友好地显示出来,用户据此可以了解网络上报文的传输情况:
再次,为了能够离线分析网络的具体情况,就需要将接收到的报文存储起来或打印出来,即要具有可存储性。
为了实现网络报文监视的实时性,就不能在同一个线程进行网络报文的接收和处理。
虽然网卡内有一些应用缓冲区来缓存未被主应用程序接收的网络报文,但是这些缓冲区的数量毕竟有限。
在网络上有大量的报文传送并且主应用程序处理一帧报文需要很长时间的时候,就容易出现丢失报文的情况。
因此调试软件需采用一个单独的接收线程来处理报文的接收,用另外的一个单独线程来进行报文的处理。
用户可以自己选择是否进行网络报文的显示,网络报文的显示在报文显示线程里完成。
实现报文监视功能的程序流程图如图4.1:
图4.1网络报文监视流程图
(2)部分远方操作功能
在变电站站内通讯网预调试阶段,需要将站内的各个智能装置的各项功能都调试一遍。
如果单独对每一台装置进行调试,那么它的调试工作量就非常大,调试的周期也会相当长。
如果有一个便携式的调试工具,它能对某一个网段上的所有智能装置进行集中调试,那么就会大大减轻调试的工作量。
调试软件就是为了实现这个目的,它提供了召唤定值、切换定值区、网络对时、遥控跳
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