索河变电站综合自动化系统的设计与实现.docx

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索河变电站综合自动化系统的设计与实现

分类号学号

学校代码密级

硕士学位论文

索河变电站综合自动化系统

的设计与实现

学位申请人

：

学科专业

：

计算机应用技术

指导教师

：

答辩日期

：

AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineering

TheDesignandImplementationofSuoHeSubstationIntegratedAutomationSystem

Candidate：

LuYan

Major：

ComputerApplicationTechnology

Supervisor：

Prof.HuHePing

HuazhongUniversityofScienceandTechnology

Wuhan，Hubei430074，P.R.China

October，2009

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，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：

日期：

年月日

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，即：

学校有权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。

本人授权华中科技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。

本论文属于

保密□，在年解密后适用本授权书。

不保密□。

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

年月日日期：

年月日

摘要

变电站综合自动化系统是利用计算机技术、信号处理技术、网络通信技术等，实现对变电站的设备进行自动测量、控制以及通信等自动化功能。

220KV索河变电站在郑州地区电网中具有十分重要的位置，对其进行综合自动化改造有着十分重要的实际意义。

索河变电站综合自动化系统由测控装置、网络通信系统、监控系统、防误闭锁系统四个主要部分组成。

测控装置在综合自动化系统的底层，负责对所有模拟量、开关量的采集上传和对一次设备进行遥控操作。

根据其需求分析对数据采集、处理及遥控的程序流程进行了设计。

网络通信系统主要负责站内各个设备之间的数据通信。

经过对几种网络形式优缺点的比较，最终确定采用以太网。

监控系统是综合自动化系统的核心，根据对监控系统软件的需求分析，确定其由数据采集模块、数据处理模块、命令管理模块、报警处理模块、画面显示和打印功能模块以及用户安全管理模块组成，并对各个模块进行了描述。

防误闭锁系统可以对各种设备操作进行逻辑判断，经过对该站实际情况的研究，设计出几种典型操作的逻辑条件，以及相关的软件的流程。

索河变电站综合自动化系统采用RCS-9700系统作为开发平台，实现了各项设计功能要求，经过对该系统进行实际测试，各项指标均达到设计要求。

关键词：

变电站，综合自动化系统，监控系统

Abstract

Substationintegratedautomationsystemisaautomaticfunctionalsystemwhichintegrateallthefunctionsofthesubstation’sautomaticsurvey,controlandcommunicationthroughcomputertechnology,signalprocessingtechnology,networkcommunicationtechnologyandsoon.Suohe220KVSubstationisplayingasignificantroleintheelectricitynetofZhengzhou.Therefore,theimprovementworkofithasveryvitalpracticalsignificance.

SuoheSubstationautomationsystemismadeupoffourparts,namelythesurveyandcontroldevice,thenetworkcommunicationsystem,monitoringsystem,andtheanti-disoperationlockingsystem.Thesurveyandcontrolsystemisthebaseofthewholesystem,whichisresponsibleforthecollectionandreportoftheanalogsignalsanddigitalsignals,andtheremotecontrollingofthehighvoltagedevice.Theauthorhasdesignedtheprocedureofitsdatacollection,analysis,andtheremotecontrolaccordingtotheanalysisofitsneeds.Thenetworkcommunicationsystem’sdutyistocommunicateallthedatafromallthedevicesofthesystem.Comparedwithothernetwork’sstrengthandweakness,theauthorultimatelychosetheEthernet.Themonitoringsystemisthecoreofthewholesystem.Throughtheneedsanalysisofthesoftware,themonitoringsystemwasdeterminedtobecomposedofthedata-collectionmodel,data-analysismodel,command-controlmodel,alarmmodel,screendemonstrationmodel,printmodel,andusersecuritymanagementmodel.Meanwhile,theauthorgavethefurtherdescriptionofallthemodels.Theanti-disoperationlockingsystemcancarryonthelogicaljudgmenttoeachkindofequipmentoperation.ThroughtheresearchofSuohesubstation,theauthordesignedsometypicalfunctionallogicalconditionsandcorrespondingsoftwareprocedureofthisanti-disoperationlockingsystem.

SuohesubstationautomationsystemutilizedtheRCS-9700Systemasthedevelopmentplatform,satisfiedthedemandsofallthefunctionalrequirementsofallthedevices.Throughtherealtestofthesystem,allthenormsareaccordwiththedesignedrequirements.

Keywords:

Substation,IntegratedAutomationSystem,MonitoringSystem

摘要I

AbstractII

1绪论

1.1变电站综合自动化的背景

（1）

1.2国内外现状分析（4）

1.3本论文组织结构（6）

2变电站综合自动化系统需求分析

2.1测控装置需求（8）

2.2网络通信系统需求（9）

2.3监控系统需求（9）

2.4防误闭锁系统需求（10）

2.5小结（10）

3变电站综合自动化系统设计

3.1综合自动化系统分析（11）

3.2综合自动化方案的总体设计（14）

3.3测控装置的设计（15）

3.4网络通信系统的设计（26）

3.5监控系统的设计（30）

3.6防误闭锁系统设计（38）

3.7小结（40）

4变电站综合自动化系统实现

4.1间隔层的实现（41）

4.2通信层的实现（43）

4.3站控层的实现（45）

4.4防误闭锁系统的实现（51）

4.5实际运行情况及测试结果（56）

4.6结论（56）

4.7小结（57）

5论文总结展望

5.1总结（58）

5.2展望（58）

致谢（60）

参考文献（61）

1绪论

1.1变电站综合自动化的背景

能源系统是现代社会赖以生存的血液，而电力系统是最重要的能源供给系统，社会的正常运转一时一刻也离不开电力系统，一旦电力中断会造成生产停顿、社会混乱，甚至危及设备和人身的安全。

在输送电能时，电流流过有电阻的导线会产生损耗。

在输送一定功率时，当电压越高，电流相应越小，所产生的损耗也越小。

所以人们在远距离、大功率输送电能时在发电厂侧依靠升压变压器提高电压，经过高压输电网络，在负荷侧使用降压变压器进行降压，这样可以经济地把电能送至社会需要电能的各个角落。

变电站就是安装变压器的生产场所，是电力系统中不可或缺的重要组成部分。

依靠它，电力系统才能实现变换电压、汇集和分配电能。

变电站对整个电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。

变电站由一次设备和二次装置构成。

一次系统指变压器、汇流母线、开关、刀闸、互感器等传送电能的高电压设备的总称。

二次系统指负责对一次设备监控、保护、测量的辅助装置的总称。

目前随着超临界、大容量发电机组和特高压远距离输电线路的不断投运，跨多省大电网的出现，使电力系统的控制比以前更加复杂。

传统电力企业的生产模式已经不能满足新时期电网安全、稳定、经济运行的需要。

1.1.1传统变电站存在的问题

传统的变电站存在如下不足之处：

1.安全性、可靠性不能满足要求。

传统的变电站大多数采用常规的设备，尤其是测量、控制、保护等二次设备中常采用电磁型或晶体管型，其结构复杂、工作点受温度影响较大、可靠性不高[1]。

而且自身无法自我诊断隐性故障，只能靠定期的设备实验来发现问题，或者要等到保护装置平时发生误动或者在故障时拒动才能发现异常，但是此时往往已经造成巨大损失。

2.无法满足电力系统快速计算和实时控制的要求。

电力系统要做到优质、安全、经济运行，就必须及时掌握系统的运行工况。

但传统的变电站只能在人工巡视抄表后向调度中心提供有关数据，其滞后时间较长、信息量小、精度较低、错误概率大。

远远不能满足向调度中心实时提供运行参数的要求。

当故障发生时，大量的信息需要上报，人工抄录上报方式的瓶颈现象更加明显，不利于电力系统的安全、稳定运行。

3.浪费资源。

传统变电站由于使用常规设备，一、二次设备之间要靠控制电缆连接，而且电缆从设备所在地一直要敷设到继电器室和主控室，控制电缆一般要求采用优质铜芯电缆，价格昂贵。

传统变电站的二次设备多数采用电磁型、晶体管型，体积大、笨重，因此，主控制室、继电保护室占地面积大。

这对于耕地面积紧缺的我国来说，是一个不可忽视的问题。

4.供电质量缺乏科学的保证。

随着国民经济的持续发展，企业和居民用户对供电质量的要求都越来越高。

衡量电能质量的主要指标是频率、电压。

对于频率，一般主要靠发电厂进行调节。

电力系统依靠简单的低频减载装置对负荷进行调整，当电力系统出现大的有功缺额导致频率下降时，按整定好的轮次，切除某些负荷。

但是不能实现全局性地判断，进行精准地管理。

传统的变电站大多数不具备实时调压手段和策略，靠人工实时监视和调整电压，调整滞后，考虑范围狭窄。

5.维护工作量大。

常规的保护装置和自动装置必须每年定期停电校验，校验保护定值的工作量较大，一般需要几天时间，降低了设备的运行效率。

6.人员成本高。

由于传统变电站的设备条件所限，必须实行有人值班模式。

目前社会，人力成本不断上升，人员工资费用逐年增大，十分不利于企业节约成本。

由于传统的变电站存在以上各种缺点，无法满足电力系统安全、稳定和经济运行的要求。

解决这些问题的办法是变电站实现综合自动化，以提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务。

1.1.2变电站综合自动化的基本概念和优势

国际电工委员会对“变电站自动化系统”（SubstationAutomationSystem-SAS），解释如下：

“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统”（SAS-SubstationAutomationSystem：

TheSASprovidesAutomationinaSubstationincludingtheCommunicationinfrastructure）[2]。

变电站综合自动化是将变电站的测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远功装置等二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、信号处理技术、网络通信技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能[3][4]。

由于采用了计算机作为数据处理的核心，可以方便的实现各种设备操作和监视，并具有各种功能智能化等特征[5][6]。

变电站综合自动化是计算机、自动化、通信、管理技术在电力系统领域内的综合应用，实现了变电站测量、监控、保护、远动等部分的自动化。

变电站综合自动化系统大大提高了二次设备系统的可靠性和电气性能，方便地通过人机联系系统对变电站实施监视和控制。

以其技术先进、结构简单、安全可靠、功能齐全、具备无人值班的技术条件等方面的优势，在电力系统得到了广泛的应用。

变电站综合自动化系统具有以下优势[7][8]：

1.大大提高变电站的安全水平。

变电站综合自动化系统中的各子系统，绝大多数都是由微机组成，具备故障诊断功能。

当装置发生各种异常情况时，其自检程序会自动发出警报信号，并闭锁部分功能，通过网络将故障信息传送给后台监控装置，提醒值班运行人员注意并采取相应措施。

这使得采用综合自动化系统的变电站一、二次设备可靠性得以大大提高。

2.电力系统的运行管理水平实现微机化。

变电站实现自动化后，监视、测量、记录、事故判别等工作都由计算机自动进行，减少误差。

综合自动化系统还可将数据及时送往调度，以便调度员能及时了解各变电站的运行情况，且各种操作可查阅，提高了运行管理水平[9][10]。

3.大大缩小变电站占地面积，降低造价。

变电站综合自动化系统的硬件电路多数采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设备相比，大大缩小变电站的占地面积。

由于大量使用先进的网络技术和光纤设备，可以大大减少控制电缆的数量。

而且微处理器和大规模集成电路性能在不断提高，价格在逐步降低，变电站的总投资也随之逐步降低。

4.有效提高供电质量。

在变电站综合自动化系统中包括有电压、无功自动控制功能，能够实现复杂的无功补偿策略，可以实现区域电网无功联调，可以大大提高电压合格率，保证电力系统主要设备和各种电器设备的安全，使无功潮流合理分布，降低电网网损，减少电能损耗，提高供电企业经济效益。

5.减少运行检修的维护工作量，提高劳动生产率。

当综合自动化系统发生故障时，系统能够自我诊断，闭锁故障模块，并发出告警。

由于系统内部有自检功能，可以诊断出，缩短了维修时间。

监控系统的抄表、记录自动化，降低了值班员工作强度。

如果配置了与上级调度的通信功能，还能实现遥测、遥信、遥控、遥调，实现无人值班。

6.计算机网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中得到普遍的应用。

系统具有了较高的抗电磁干扰能力，能够实现高速数据传输，满足实时性要求，组态更灵活，易于扩展，可靠性得以提高，而且大大简化了常规变电站繁杂量大的控制电缆，方便施工。

变电站综合自动化系统克服了常规保护装置不能与调度或集控中心通信的缺陷，给变电站自动化赋予了新的含义和内容，代表了变电站自动化技术发展的一种潮流。

1.2国内外现状分析

1.2.1变电站自动化的发展历程

变电站自动化系统按系统模式出现顺序可分为以下三个阶段[11]：

1.第一阶段：

面向功能设计的集中式RTU加常规保护模式。

80年代及以前，是以RTU（RemoteTerminalUnit）为基础的远动装置及当地监控为代表[12][13]。

该类系统是在常规的继电保护及自动装置基础上增设RTU装置，功能主要为与远方通信实现“二遥”（遥测、遥信）或“四遥”（遥测、遥信、遥控、遥调）功能[14][15]。

此类系统称为集中RTU模式，目前逐渐淘汰，此阶段为自动化的初级阶段[16]。

80年代中后期，随着微处理器和网络通信技术的发展，远动装置RTU的功能和性能都有很大提高[17]。

此类系统大量使用在变电站、发电厂的远动系统中[18][19]。

另外，原来使用继电器、晶体管组成的变电站保护装置逐步被微机保护装置所取代，微机型保护装置比起传统保护装置具有很多优点。

比如具有自我诊断功能和网络通讯能力，体积小，测量精度高等特点，这些为变电站实现综合自动化提供了有力的技术支持。

2.第二阶段：

分布式测控装置加微机保护模式。

90年代初期，分布式测控装置与微机保护得到广泛应用，测控装置和保护各自独立。

分布式结构按功能设计有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其它模块正常运行[20]。

但此系统电缆连接较多，其扩展性功能不强。

这一阶段时间较短，是自动化变电站向综合自动化变电站过渡的时期。

3.第三阶段：

面向对象（Object-Oriented）设计的分层分布式结构模式。

90年代中期以后，随着计算机技术、网络及通信技术的发展，采用按间隔为对象设计保护测控单元，并采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统[21]。

采用了先进的网络通信技术和面向对象设计，系统配置灵活、扩展方便，目前大多数厂家均采用此类结构模式。

国内外在110KV以下电压等级上，保护测控装置均要求实现一体化，但是对于110KV及以上电压等级保护测控国内外的还有部分分歧，反对二者一体化的人们主要担心保护装置失去独立后的可靠性，但是随着技术的发展，笔者认为保护和测控装置融合是未来的趋势。

1.2.2国内外变电站综合自动化概况

国外一些电力设备生产企业如西门子、GE等公司从上世纪的七、八十年代就开始进行对综合自动化系统的试验研究工作。

目前这些电气公司均有成熟的产品销售。

这些系统的主要特点是：

采用分层分布式和面向对象的设计理念[22]。

继电保护装置安装在一次设备附近的继电小室，主控制室通过光缆与各个配电装置联系，而没有强电直接进入主控制室。

这种系统既节约了大量控制电缆，又减少了对主控制室内计算机系统及其它电子元器件的干扰，提高了系统的运行水平和安全可靠性。

为了便于这门新兴技术能够得到迅速发展和广泛地应用，防止由于生产厂家众多而造成的标准混乱，许多权威国际性组织都制定了系统的技术规范和国际标准标准。

目前相关的电力新技术正在快速发展，智能开关、数字式互感器已经问世[23][24]。

变电站综合自动化技术正向更高的阶段迈进，这些新技术直接导致了IEC61850标准的产生。

IEC61850是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，也是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准[25]。

IEC61850明确提出了信息分层、可实现系统的配置管理、面向对象、采用映射的方法和具体网络独立、数据对象统一建模、系统和项目管理、一致性测试等标准[26][27]。

避免了繁琐的协议转换，实现了智能电子设备间的互操作，因此对故障信息处理系统软件的开发有着重要的指导作用。

但是由于该技术关键的一次设备还没有完全成熟的系列产品，所以完全使用该标准的变电站目前在国内还是比较少见。

80年代中期，我国也开展了对变电站综合自动化的研究。

清华大学在1987年研制成功我国第一个变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站安装使用。

该综自系统主要由三台微机组成，担负了变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。

该项目在1988年通过国家的技术鉴定，该技术为国内首创，并达到了当时的国际先进水平。

该项目的成功投产证明了变电站综合自动化对提高变电站的运行管理水平、缩小变电站占用耕地面积、减少运行人员劳动强度、信息记录准确等各方面等方面具有显著成果。

80年代后期，变电站综合自动化已成为热门话题，产品层出不穷。

目前国内规模比较大的有东方电子、南瑞公司、许继集团、南自公司、四方公司等。

这些公司开展研究较早，技术先进、产品成熟，已经具有和国外产品抗衡的实力。

许多电力科技工作者和生产厂家热衷于变电站综合自动化系统的研究，根本原因在于综合自动化能极大地提高变电站的各种运行和管理水平。

近几年来，各种新理论、新技术的迅猛发展给变电站综合自动化技术水平的提高提供了条件。

所以，变电站综合自动化的研究也一日千里，各种设备的种类不断完善、性能也在不断提升。

随着技术的进步，更多新型的设备将被研制出来，比如利用双CPU、双通道来提高可靠性，实现高电压等级下保护及测控一体装置等[28][29]。

综上所述，变电站综合自动化技术是我国变电站技术的一个重要的发展方向。

目前在此领域，我国与发达国家还具有一定的距离。

这也是我们要加大对变电站综合自动化研究力度的重要原因。

1.3本论文组织结构

论文的第一章绪论，阐明了本文研究的目的和意义，并且对国内外研究概况进行了介绍，最后简述本论文的整体结构和章节安排。

论文的第二章变电站综合自动化系统需求分析部分首先对索河变电站的综合自动化改造测控装置的需求进行了分析，主要包括数据采集和设备的遥控。

其次对综合自动化数据网络的需求进行了分析。

接着，对其系统监控软件的需求进行分析。

最后对其防误闭锁系统进行了需求分析。

论文第三章变电站综合自动化系统设计首先介绍了索河变电站的基本情况，对索河变电站的综合自动化方案进行了总体设计。

根据本论文第二章对系统的需求分析，该章首先着重对间隔层测控装置的数据采集部分的软硬件部分进行了设计。

其次，选择了变电站综合自动化网络形式，并对其结构进行了设计。

然后，对变电站监控系统的软件结构进行了设计，并进一步对其模块功能进行了设计。

最后对防误闭锁系统的原理进行了说明，并对其逻辑条件和程序结构进行了设计。

论文第四章变电站综合自动化系统实现，首先介绍了索河变电站间