某工厂10KV变电所综合自动化系统设计.docx

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某工厂10KV变电所综合自动化系统设计

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

DesignofIntegratedAutomation

Systemfor10kVinaFactory

2016届电气与电子工程学院

专业电气工程及其自动化

学号********

学生姓名范军辉

指导教师杜立强

完成日期2016年6月10日

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

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1~3周查阅相关文献，确定设计方案，撰写开题报告。

第4~10周上位机软件的学习和使用。

第11~13周软件工程设计完成，整定初稿。

第14~16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

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、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1~3周查阅国内外与本课题相关文献，收集资料，确定设计方案，撰写开题报告。

第4~5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6~10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11~13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14~16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。

关键词：

综合自动化系统；变电站；监控

Abstract

Thispaperbasedonthebackgroundofa10kVsubstationautomation,asafe,efficient,andstableintegratedautomationmonitoringsystemisbedesignedtoachievesubstationprimaryequipmentmonitoring,control,protectionandremotemessagingtransmissionfunctions.Accordingtotheanalysisofthestructureoftraditionalsubstationsystem,thesystemselectsthehierarchicalanddistributedsystemstructure,andcompletedthehardwareequipmentselection.Insoftwaredesignhuman-machineinteractionisappliedwhichbeproducedbytheBeijingForceControlofapowercompanytoachievetheimplementationofsubstationequipmentmonitoringandcontrolofreal-time,historicaldaterecordsandinquiries,accidentautomaticalarmandprotectionactions,statementsautomaticdategenerationandstorage,real-timecurveanalysisandotherfunctions.RS-485,NARIRCS-9624CNandRCS-9625CNbeusedonlowermachinetoachievetheautomationofalldeviceswithinthesubstationoperation.

Aftercompletedhardwareandsoftwaredesignasaseriesparametertuningofintegratedautomationsystem,thesystemcanachievethedesiredfunctionalitytomeetcertainrequirementsofsubstationautomationsystemdesign.

Keywords:

integratedautomationsystem;transformersubstation;monitoring

第1章绪论1

1.1课题的研究背景和意义1

1.2变电站自动化技术的研究现状1

1.3课题来源和设计内容2

第2章系统总体方案设计与选择4

2.1变电站综合自动化系统的设计原则4

2.2变电站综合自动化系统结构分析与设计5

2.2.1集中式系统结构5

2.2.2分布式系统结构5

2.2.3分层分布式系统结构6

2.3组态软件介绍与选择7

2.3.1组态软件概述7

2.3.2组态软件的选择7

第3章自动化系统硬件设计与选型9

3.1系统的网络结构9

3.2变电站站控层配置9

3.3变电站间隔层配置10

3.4变电站通信层配置11

第4章监控系统软件的设计13

4.1软件设计的要求13

4.2软件系统设计思路13

4.3软件的组态14

4.3.1创建工程14

4.3.2创建窗口画面15

4.4定义I/O设备17

4.5动画连接20

4.5.1鼠标动画20

4.5.2颜色动画21

4.5.3数值动画22

4.6创建历史趋势曲线22

4.7报警与事件记录23

4.7.1报警控件23

4.7.2事件控件25

4.8脚本程序26

第5章自动化系统运行与调试27

5.1系统安全和人机联系功能实现27

5.2系统四摇功能实现28

5.3报表记录功能实现30

5.4历史曲线功能实现30

5.5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35

A.1英文35

A.2译文42

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，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，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1000kV·A。

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1-1。

图1-1变电站一次系统主接线图

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。

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]。

2.2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

2.2.3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、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2-4系统结构图

2.3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。

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。

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，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

EPSONPL-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C3K

1台

组态软件

力控6.1组态

1套

变压器微机保护

南瑞RCS-9624CN

1套

线路保护

南瑞RCS-9625CN

1套

通讯转换器

宇泰UT-2201无源双向RS232转RS485

1个

3.2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