城轨供电专业课程设计：城轨监控技术

题 目： 城轨监控技术 院 系： 电 气 工 程 系 专 业： 城 轨 供 电 年 级： 2009 级 姓 名： 王 永 恒 指导教师： 孟 军 西南交通大学峨眉校区2013年 2月 27 日西南交通大学课程设计课 程 设 计 任 务 书专 业 城轨供电 姓 名 王永恒 学 号 20098088 开题日期： 2012 年 11月 23日 完成日期： 2013年 2月27日 题 目 城轨监控技术课程设计一、设计的目的城轨监控技术课程设计是配合“城轨监控技术”理论教学而设置的一门实践性课程，主要目的是通过该课程设计使学生了解城市轨道交能电力监控系统的整体构成及关键性技术，进一步巩固所学知识并能够合理利用。熟悉有关“规程”和“设计手册”的使用方法。初步掌握城市轨道交通电力监控系统设计步骤和方法。 二、设计的内容及要求 (原始资料附后)1. 城轨电力监控系统设计的主要设计原则和主要设计标准； 2. 根据原始资料确定城轨电力监控系统系统应实现的功能； 3. 城轨电力监控系统的系统构成及配置； 4. 城轨电力监控系统中央监控系统设计：主要功能、系统构成、系统网络结构、软硬件配置 5. 城轨电力监控系统变电所综合自动化系统设计：主要功能、系统构成、系统通信网络选择、网络结构、软硬件配置等； 6. 复示终端系统设计：主要功能、系统构成、软硬件配置等； 7. 城轨电力监控系统远程通信通道设计：通信通道方案选择及实现 8. 系统主要设计指标； 9. 附件：（1）主要工程数量表、（2）主要设备表；（3）系统容量要求表、（4）四遥对象概数表、（5）电力监控系统构成示意图、（6）中央监控系统构成图；（7）变电所综合自动化系统构成图；（8）复示终端系统构成图。 所有设计内容用A4纸打印成册，包括封面、前言、摘要、设计任务书、设计正文、附件、参考书目等； 三、指导教师评语 四、成绩 指导教师 （签章） 年 月 日I西南交通大学课程设计西南交通大学课程设计城轨监控技术课程设计原始资料1.工程概况XX市地铁X号线工程全长26.188公里，其中线路中间段为地下线，两端为地上线，全线共设车站22座，（其中地下站13座，高架站8座，地面站1座），车辆段、停车场、控制中心和综合办公楼各一座。地铁电动车组受电方式为DC750V接触轨上部受电方式。地铁供电系统采用集中供电方式，分别由A、B、C、D四个35/10kV主变电所向地铁沿线AC10kV/DC750V牵引变电所及10/0.4kV降压变电所供电。全线共设主变电所4座、牵引降压混合变电所16座、降压变电所8座、跟随式变电所2座。2.环境条件2.1电力调度中心控制室和机房环境环境温度：+540相对湿度：10%90%海拔高度1000m大气压力：86108kpa振动：f10Hz，振幅为0.3mm；10Hzf150Hz时，加速度为0.1m/s2。工作电源：两路独立的380/220V电源；波动范围：-15%+10%地震烈度：7度接地电阻12.2牵引、降压变电所内环境 控制室温度：-5+45 开关柜温度：-10+55 环境温度在-5+40时，最大变化率10/h，设备应能满足技术规格书所规定的精度要求，环境温度在-10+55时，设备应能正常工作，不误动、不拒动。 相对湿度：日平均值不大于95%；月平均值不大于90%（25）；有凝露的情况发生。 海拔高度1000m地震烈度：7度3.设计内容3.1设计依据及范围3.1.1设计依据1国家计委项目建议书批复文。2XX市地下铁道X号线工程可行性研究报告。3设计合同。4XX市市政工程局技术委员会关于对XX市地下铁道X号线可行性研究报告的评审意见。3.1.2设计范围1控制指挥中心内电力监控调度中心的设计，电力监控系统设计；2综合维修基地供电车间复示终端设计；3控制站与被控站之间远动通道设计；4新建及改建主变电所、牵引降压混合变电所、降压变电所的监控系统被控站通信接口设计；5监控系统与通信、信号、房建、电力配电等其他专业之间的接口设计。3.2SCADA系统构成3.2.1主要设计原则1电力监控系统由控制站、远动通道及被控站组成。2控制站采用计算机型电力集中监控装置，1：N结构。3问答式通讯规约，通道结构为点对点方式。4通道采用地铁综合通信光纤网中的专用通道，并设置主用和备用通道，主备通道能实现手动及自动切换。5控制站与通信站及被控站与车站通信机械室之间为双绞线形式的RS485或RS422接口。6控制站具备与其它系统的通信接口能力。7系统设备选型立足于国产化。3.2.2主要设计标准1远动系统和设备（IEC870-88）2地区电网数据采集与监控系统通用技术条件（GB/T13730-92）3远动终端通用技术条件（GB/T13729-92）4计算机场地技术要求（GB/2887-89）5地下铁道设计规范(GB50157-92)6地铁直流牵引供电系统设计规范(GB/T10411-89)7铁路电力牵引供电远动系统技术规范(TB10117-98) 3.3系统构成和基本配置 完成系统控制站、被控站及远动通道的构成及硬件配置设计，完成电力监控系统构成示意图。3.4确定监控内容 根据变电所主接线图确定遥控、遥测、遥信对象，完成四遥对象概数表。4 附图：主变电所主接线图、牵引降压变电所主接线图、降压变电所主接线图 摘 要 城市轨道交通综合监控系统是一种大型的SCADA监控系统。它基于系统骨干网，通过专业接口装置，在SCADA系统软件平台上实现多专业、多系统的数据采集、信息集成和信息共享，为城市轨道交通科学和高效的运营组织和管理提供先进的技术手段。本文通过设计中央监控主站、变电站综合自动化系统、通信信道，对城市轨道交通监控系统的整体概貌有一个清楚的认识。本文主要介绍中央监控系统的构成与功能及其配制、网络采用的方案、变电站综合自动化系统的功能及其配置，网络接线方案等。在变电站提供复示终端，为工作人员实时了解变电站的运行情况提供一个接口。通信信道主要采用工业以太网技术，能够很好的实现多个专业的接口。工作人员能及时了解变电站各个设备、线路以及保护设备的故障情况，保证城市轨道交通供电系统能够安全、稳定、正常的运行，为最终实现变电站的无人值守创造条件。关键词 SCADA系统；综合监控系统；中央监控系统；工业以太网；变电站综合自动化系统；复示终端目录城轨监控技术课程设计原始资料II摘 要VI第一章 城轨电力监控（SCADA）系统构成11.1 城轨电力监控系统主要设计原则11.2 城轨电力监控系统主要设计标准11.3 城轨电力监控系统应实现的功能11.4 城轨电力监控系统构成与配置2第二章 中央监控系统32.1概述32.2 中央监控系统功能32.4 中央监控系统结构82.5中央监控系统硬件配置方案9第三章变电站综合自动化系统113.1 概述113.2 系统主要功能113.2.1 微机继电保护的功能113.2.2 监视控制功能113.3 变电站综合自动化系统方案设计143.3.1 系统构成143.3.2 变电所综合自动化系统的结构模式163.3.3 变电所综合自动化系统间隔层设备组态模式173.3.4 变电所综合自动化系统网络模式173.4 系统硬件配置183.5 变电站综合自动化系统监控对象193.6 主要技术指标19第四章通信信道224.1 工业以太网224.1.1 网络的通信带宽224.1.2 网络的通信媒介224.1.3 网络的拓扑结构2242 变电站的通信网络实现224.3变电站与中央监控系统的通信接口234.4 传输介质234.5 网络拓扑结构234.6 变电所综合自动化系统国产化分析26第五章 复示终端系统275.1 概述275.2 复示系统的组成285.3 复示系统的功能295.4 复示系统的特点30后 记31参考文献32附录一 四遥对象概述表33附录二 主要工程数量表35附录三 主要设备表36VI第一章 城轨电力监控（SCADA）系统构成1.1 城轨电力监控系统主要设计原则1电力监控系统由控制站、远动通道及被控站组成；2控制站采用计算机型电力集中监控装置，1：N结构；3问答式通讯规约，通道结构为点对点方式；4通道采用地铁综合通信光纤网中的专用通道，并设置主用和备用通道，主备通道能实现手动及自动切换；5控制站与通信站及被控站与车站通信机械室之间为双绞线形式的RS485或RS422接口；6控制站具备与其它系统的通信接口能力；7系统设备选型立足于国产化；1.2 城轨电力监控系统主要设计标准1远动系统和设备（IEC870-88）2地区电网数据采集与监控系统通用技术条件（GB/T13730-92）3远动终端通用技术条件（GB/T13729-92）4计算机场地技术要求（GB/2887-89）5地下铁道设计规范(GB50157-92)6地铁直流牵引供电系统设计规范(GB/T10411-89)7铁路电力牵引供电远动系统技术规范(TB10117-98) 1.3 城轨电力监控系统应实现的功能 城市轨道交通电力监控系统主要是对城市轨道交通全线各类变配电所、接触网等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制。调度中心及时掌握各个变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，处理供变配电系统的各种异常事故及报警事件，保障系统的正常运行，提升供变配电系统调度、管理及维修的自动化程度，提高供电质量，并且还可做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理，保证系统安全、可靠地运行。1.各级调度端在其管辖范围内应具备基本功能: 接收及处理远动终端发送的实时采集数据。 又寸可控电力设备进行遥控操作。 远动数据采集、分析处理及控制。 对实时采样数据进行分析与处理。2.远动终端应具备下列基本功能: 实时数据采集及传送； 接收及执行遥控命令并向调度端发送返回信息； 具有当地选测、选控功能； 远动终端设备应具有程序自恢复功能和设备自诊断功能； 具有信息J面直监视功能，并可进行主用、备用通道自动切换；3.数据通信通道应具备下列基本功能: 完成通信规约的转换； 完成调度端与远动终端之间的数据传输；1.4 城轨电力监控系统构成与配置电力监控系统由电力调度中心中央监控系统、变电所综合自动化系统、通信信道、供电复示综端四部分组成。调度端宜设在运营管理段的电力调度室内。远动终端宜设在变、配电所的控制室内、地区主要负荷供电点处及铁路沿线车站的集中供电点处。在控制中心及车站集成了电力监控系统、环境与设备监控系统(BAS)、火灾报警系统(FAS)、PIS、PSD等系统，综合监控系统为这些不同的系统提供了一个综合信息的平台，这些系统的主要硬件、软件均由综合监控系统来统一构建，综合监控系统实现各系统在中心级和车站级的系统功能。系统构成图见附录一。 控制中心设备牵引供电安全监控子系统的控制中心设备以牵引供电综合调度子系统设备为核心,经计算机网桥设备与综合安全监控系统控制中心设备联网。一方面综合调度子系统控制中心将接收到的灾害监测等信息经数据处理后,根据控制级别要求,由网桥设备传输到综合安全监控系统;另一方面综合调度子系统经网桥设备接收来自综合安全监控系统控制中心传输的有关综合灾害监测信息;同时两系统间可实现电子邮件的互传。牵引供电综合调度子系统设备应配置灾害信息处理、显示、打印软件,同时设置灾害信息专用数据库或数据库专用区域,提供人机交互式操作、维护界面；变电所综合自动化系统设备主要包括控制信号盘及其内部的主监控单元、后台监控计算机、打印机、UPS (不间断电源) ,以及安装在各开关柜内的综合保护测控设备和智能电子装置,还有网络通信设备、所内通信网络等；远动通信信道电力监控系统使用的远动规约是车站变电所端和OCC 中央调度系统端相互交流的语言。第2章 中央监控系统 2.1概述电力监控系统完成对城市轨道交通全线各变电所、接触网设备运行的远程实时控制、监视及测量，处理供变电系统的各种事故及报警事件，实现供变电系统的运行、维修调度管理自动化，提高供电质量，保证供电系统安全、可靠地运行。从今后轨道交通企业信息网发展的全局考虑，控制中心监控系统位于承上启下的中间环节。为此，系统设计应充分考虑其应用扩展性及与其它系统的互连性。开放性设计是关键要素，要应用成熟的国际与工业标准。在系统构成上，采用并设计开放式的系统支撑平台结构与应用平台结构。两平台应为分离架构。2.2 中央监控系统功能中央监控系统，即电力调度中心主站系统，简称电力调度中心，其功能主要有控制、数据采集处理、显示、报警、查询等。1)控制功能主控系统在遥控操作方面具有完善的操作手段及安全措施，保证系统的安全、可靠、方便的控制操作，对变电所内满足联锁约束条件（如果存在）并允许遥控的开关、刀闸进行分、合控制，或对主变分接头进行升降调节操作。并生成操作过程的全部记录，所有遥控联锁条件自动判定。系统配置如下遥控功能：(a) 单独控制通过鼠标（键盘）操作对变电所内可以远方操作的开关设备、自动装置的投切、主变分接头、微机保护等间隔层设备的信号复归等进行控制，可进行控制前条件校核，防止误操作。遥控过程完全按照“选择返校执行”的原则操作执行，确保控制操作准确可靠。操作前需登录，有必要的安全检查、提示、口令检验、返校、确认、撤消及防同时操作功能等，人为注销后取消控制权。(b) 程序控制控将若干个单控组合在一起，以简化操作步骤，完成供电系统所内、所间数个开关的倒闸作业。在程序控制执行前首先自动检查各控制对象是否具备控制条件，若不具备程控条件，列出不具备控制的控制对象，并提醒值班人员注意。在程控过程中可以人为终止程控的执行。程控选择后，不对位开关进行预闪提示以防误操作。程控执行方式也可分单步执行和自动执行。程控执行成功或失败均有相应的汉字提示，任何一种程控方式均可因控制过程中事故的出现而自动中止或由调度员进行手动中止。2)遥信及信息处理功能(a) 遥信显示遥信信号内容：断路器、主要的刀闸位置信号，有载调压变压器抽头位置信号，变电所内事故信号、预告信号，通信工况异常信号、装置自检信息等。正常运行状态时，各变电所将各种设备的运行状态和信息实时地传递到控制中心的主控系统，实现控制中心通过监视器装置和大屏幕系统对各变电所供电设备运行状态的监视。当变电所设备或接触网发生故障时，把故障信息迅速地传递到控制中心显示、打印，同时启动音响报警，操作员按确认键后，解除音响。所有异常信息分类分颜色显示和打印，报警程度分四级，各级含义和颜色在数据库中定义。音响报警包含事故报警和预告报警两种，以不同的级别音响报警。(b) 报警信息处理功能 事故报警当事故发生时，在监视器故障窗口显示故障站名，系统自动推出故障所在的变电所主接线画面，相应的自动变位模拟开关闪烁，同时在故障细目画面显示事故内容。按闪光复归键后停止闪烁，模拟开关显示绿色，故障细目画面自动消失，若故障仍存在，则保留故障细目内容。若同时有两个及以上变电所发生故障时，在监视器故障显示窗口同时显示发生故障的站名。系统具有拓扑着色功能，故障停电的部分自动转为灰色或其它指定的颜色。大屏幕投影显示屏上相应的站名、故障信号显示区域变为红色闪烁、变位模拟开关闪烁。按闪光复归键后停止闪烁，开关的状态显示与设备实际情况对应，若故障仍存在，则站名和故障信号显示为红色，否则恢复绿色。在监视器报警画面上显示事故发生的详细内容，并在打印机上进行打印，内容包括：故障发生地点、对象、性质、时间等，打印颜色为红色。 预告报警当某站发出预告信号时，在监视器报警画面上显示详细预告内容，并在打印机上进行打印，包括站名、对象、性质、发生时间等。大屏幕系统显示屏的站名、预告信号显示区域闪烁。确认、复归处理方式与事故处理方式相同。当控制中心接收到预告信号，发出音响报警，操作员按确认键后，解除音响。为了避免过多的报警对操作人员的影响，系统可以定义雪崩条件，在雪崩条件下，非关键性报警被自动抑制以免干扰操作员的事故处理注意力。雪崩条件预先定义并可在线编辑。系统具有模拟操作功能，运行值班人员可进行各种模拟操作而不对系统正常运行造成任何影响。模拟操作界面与实际界面一致。3)遥测及数据处理功能系统对变电所主要电源、电压、功率、电度、主变温度等模拟量或脉冲电度量和保护装置的参数设定值、保护动作值等数字量进行实时采集，并使模拟量在监视器的主接线画面上或通过窗口、曲线、棒图等方式动态显示并打印出来。对变压器过负荷情况和出现时间，各种模拟电量的极值和出现时间进行统计，并对越限量报警。4)遥调功能主控系统可对主变电站内有载调压变压器分接头位置进行调节，遥调结果在监视器主接线画面上显示。5)模拟操作 开关不下位模拟对位操作；闭锁、解锁操作；挂地线操作；6)调度事务管理功能控制指挥中心根据从变电所采集的设备运行信息，保护、开关动作等信息，设备异常信息，分析设备的动作次数、累计运行时间、异常或故障发生情况、为调度决策提供依据。7)供电系统运行情况的数据归挡和统计报表功能分类保存操作信息、事故和报警信息的历史纪录，系统可根据调度人员需要按时间、对象、事件性质等不同方式进行检索，以便进行查询和故障分析；实现模拟量测量数据及开关跳闸次数等的日报、月报、年报等统计报表。报表的格式，定义打印的时间均可以修改，已经生成的报表可以用阅读软件在其他计算机浏览。主控系统能够提供报告模板。允许操作员修改、另存的方式来增加报告模板。在不重新启动服务器和操作员站的情况下，修改后的报告模板可以直接被系统使用。报告既可以定时输出，也可以根据操作员命令输出。输出报告的格式和打印报告的时间间隔，用户可以在线定义。8)信息查询功能用户可设定时间和项目在系统中查询各种实时、历史信息。被查询的信息可以是一定时间内的变化过程，被查询的过程可以被重新演示，即过程回顾、事故重演。9)用户画面显示功能系统提供图/模/库一体化的作图软件包，通过使用系统提供的作图软件包和图形显示软件包。10)打印及画面拷贝功能打印管理实现对系统信息打印的管理功能，提供实时运行信息打印及定时报表打印功能。系统支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。同时对所有监视器画面均可实现随机拷贝。画面管理支持画面的拷贝、重命名、画面支持等功能。用户生成新画面时可拷贝系统原有画面，在此基础上进行修改，减轻画面生成工作。画面编辑过程中提供对所有图元、数据、区域的编辑、拷贝、删除等操作功能。所有图形自动保持全网一致。11)大屏幕系统功能显示主控系统控制的大屏幕支持动态显示各变电所开关位置及接触网带电状态。可以灵活定义显示内容及显示窗口，支持多屏幕拼接显示方式。12)对各种重要命令和操作设置超时监视，超时时间可调。主控系统对于各种重要命令和操作可以设定超时监视，例如返校时间，操作时间等等，超时时间可以调整。13)系统具有防止各种误操作所造成的锁机现象的功能。主控系统不会由于误操作锁机。对于错误操作，系统会给出提示。14)培训功能系统具有对操作人员、运行维护人员进行上岗培训功能，使其掌握电力监控系统的运行管理、操作、以及日常维护、故障排除、替换故障元件等业务。15)口令功能对各等级的运行管理人员进行口令级别设置，以确定管理人员的管理范围，管理人员在岗位交接班时用口令替换形式完成。口令级可分为操作员级、应用软件级(包括数据库)、系统软件级等。16)汉化功能系统人机操作界面进行全汉化处理，系统最低应配置中华人民共和国一级汉字库。 17)系统的维护、修改、扩展功能系统具有对各种用户画面、数据库、系统参数等实现人机交互式在线维护、修改、编辑、定义、扩展等功能。18)系统自检功能系统具有远方诊断功能，具有容错、自诊断、自恢复功能，主站设备自检标志达到设备级，被控站设备自检标志达到模块级，故障时能提示报警并记录和召唤打印。当系统外部断电恢复后，系统能够自动恢复正常运行。系统具有对各通道进行监视的功能，并能对通道误码率进行统计。19)事件顺序记录（SOE）全网时钟统一对时，毫秒级精度记录主要断路器和保护信号的状态、动作顺序及动作事件。形成动作顺序表。除显示于系统画面外，并可打印（召唤和自动打印）、存到历史数据库中，帮助调度运行人员判明系统事故起因和断路器跳闸顺序。对采用接受系统对时方式同步的变电所综合自动化系统，可对通信线路传输引起的时延进行校正计算；周期性的进行时钟同步。20)数据转发功能实时数据可以通过网络转发；转发界面友好、统一，用户可自行增删及修改；转发过程可控制多路转发，用户可以实时启动、定时启动或人工启动。2.3中央监控系统网络配置方案中央监控系统网络配置方案主要有双冗余网络配置、单网配置和数据采集网与应用网分别配置。三种方案比较如表3-1所示。表3-1 中央监控系统网络配置方案比较比较类别双冗余配置网络单网配置数据采集网与应用网分别配置运行方式主备或同时运行单台运行两网分开运行，彼此之间无影响可靠性可靠性高可靠性低可靠性低经济性投资较高投资较低投资较低适用范围标准较高工程标准较低工程标准较低工程网络配置方案确定：通过以上比较可知，如果工程标准较低，可选用数据采集网与应用网分别配置的方案；如果该工程标准较高，则需要采用双网冗余配置方案，保证系统正常、高效运行。由于地铁供电系统工程标准较高，故采用双冗余网配置方案。2.4 中央监控系统结构基于中央监控系统设计原则所设计的一个轨道交通的电力监控和数据采集系统(SCADA) 整体网络拓扑结构如图3-1 所示。控制中心与被控站之间采用通信系统专用透明以太网络通信通道。控制中心监控系统主要包括冗余SCADA 服务器、冗余数据库服务器、操作员工作站、统计报表工作站、维护工作站、网关等主要节点。其中冗余数据库服务器采用共享磁盘阵列实现数据高度一致共享，采用RAID5 逻辑磁盘组实现磁盘冗余备份。系统采用冗余100 Mbit 以太网双网体系结构，网络通信协议为TCP/ IP协议。正常情况下，两个LAN 网同时工作，传送不同的系统信息。当其中一个网络发生异常或故障时，系统自动将全部需传送的信息切换到另一个网络上。SCADA 服务器利用隔离的数据采集网，接收被控站通过通信系统专用透明以太网络通道上传的生数据，将其处理成熟数据后，从网络服务器后端的双网提供给全系统其它节点机使用。位于停车场的供电复示系统，通过通信系统提供的透明以太网通道与控制中心监控系统通信。供电复示系统利用网络服务器作为路由，从采集网经由网络服务器享受后端主网的数据服务。图3-1 中央监控系统结构图2.5中央监控系统硬件配置方案中央监控系统的硬件设备组成有以下特点:采用主备、冗余、分层、分布式C/ S 结构， TCP/ IP 协议，具有有效的故障隔离和抗干扰措施。主要硬件设备有以太网交换机、服务器(实时、历史及磁盘阵列) 、前端处理器、各操作员工作站、打印机、大屏幕显示器和在线式不间断电源(UPS) 、紧急后备盘( IBP) 等，分别分布在控制中心和各车站、车辆段。1.局域网络设备控制中心局域网结构根据4.2节内容选择交换机配置数量。交换机接口的数量根据工程实际情况选择，并预留一定数量端口。交换机应尽量选择标准配置。选择端口类型时，需要考虑系统与通信网络的接口距离，如果双方接口距离较大（超过100米），应选择光接口，避免增加单独的光电转换装置。2.系统服务器控制中心设冗余高端服务器作为全县信息中心，可将全线各车站和车辆段的必要信息汇集到实时数据库中，支持个工作站的监管功能，支持全线SCADA功能。服务器的数量可以根据工程投资条件及可靠性要求选择单台或双台，如果采用双台服务器，则双台服务器形成双机热备用。两台服务器内存储的数据进行定时校对，以保证系统数据的一致。根据工程对历史数据的存储要求及工程投资条件，控制中心可以由系统服务器兼作历史服务器，也可以配置专用的历史服务器，用于历史数据存储。3.维护工作站、调度员工作站等控制中心应配置维护工作站，负责全线计算机设备的组态、维护管理，支持系统维护工程师功能。设调度员工作站，实现电力调度员操作功能。视用户要求及工程投资条件可设模拟培训工作站、网管工作站等，以实现员工的模拟培训，并对全线网络进行管理，做到性能管理、配置管理和故障管理。另外，如果与其他系统存在数据接口，宜设接口工作站，并采取软件或硬件网络隔离措施没，保证系统的安全。4.打印机按照电力调度及系统维护的需求，控制中心至少需要配置两台打印机。打印机可以配置为网络打印机或者普通打印机。网络打印机可以直接与网络内各工作站连接，普通打印机需要通过某台工作站实现打印机共享。35第三章变电站综合自动化系统3.1 概述变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监测仪表、控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护，改变常规继电保护装置不能与外界通信的缺陷。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。其出现为变电站的小型化、智能化、扩大控制范围及变电站安全可靠、优质经济运行提供了现代化的手段和基础保证；其应用将为变电站无人值班提供强有力的现场数据采集及控制支持。3.2 系统主要功能3.2.1 微机继电保护的功能变电站综合自动化系统中的微机保护主要包括输电线路保护、电力变压器主保护及后备保护、母线保护、配电线路保护、无功补偿电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸等功能。3.2.2 监视控制功能3.2.2.1实时数据采集与处理实时数据采集的主要内容有变电站运行实时数据和设备运行状态，它包括：1.模拟量的采集2.状态量的采集3.脉冲量的采集4.数字量的采集3.2.2.2 数据库的建立与维护系统采用标准、开放并符合实时系统要求的数据库，将商用的分布式关系型数据为库与实时系统数据库进行有机结合。系统的所有功能设计基于实时数据库和历史数据库的应用设计，可实现与高级功能应用数据库的同一管理，为系统扩充功能提供便利。1.实时数据处理功能。2.历史数据处理功能3.2.2.3 故障录波和测距故障录波和测距是在输电线路发生故障时尽快显示故障距离的长短。变电站的故障录波和测距有两种方法实现：1.由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果传进监控机存储及打印输出，或直接送调度主站。该方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录的容量有限。2.采用专用的微机故障录波器，并且录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。3.2.2.4 事故顺序记录与事故追忆功能事故顺序记录对变电站的继电保护、自动装置、断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录。自动记录的报告可以CRT显示器上显示和打印输出，顺序记录的报告有利于分析事故、评价继电保护以及断路器的动作情况。3.2.2.5 控制及安全操作闭锁功能控制功能是指对设备进行操作的功能，它包括：1.单独遥控、2.程序遥控、3.遥控试验、4.复归操作、5.模拟操作、6.闭锁、解锁操作、7.其它安全操作。3.2.2.6 数据处理与记录功能对遥信、遥测信息进行采集后，通过DSP等具有处理信息的功能的微机装置进行处理，变换成控制量，下发控制指令到下位机，上下位机与去控制设备。在这个过程中，必然产生数据，RTU必须将每一次的数据进行记录存档，供操作人员查看。3.2.2.7 人机联系功能变电站微机监控系统中的人机联系是通过操作计算机的键盘和鼠标实现人机对话。3.2.2.8 打印功能变电站综合自动化监控系统应配备打印机3.2.2.9 画面生成与显示功能RTU能够将运行中产生故障时的波形以动态的形式展现出来，供维护人员分析、处理故障。3.2.2.10 谐波分析与监视功能地铁牵引供电系统是一个大的谐波源，通过整流柜将交流电压变换成直流电压，产生了一些特征次谐波，当系统出现故障时将会产生某些不一样的谐波，通过谐波分析功能，确定故障产生的原因，使工作人员能尽快处理故障。3.2.2.11 报警处理功能报警分为预告报警和事故报警。预告报警一般包括设备变位、状态信息异常、模拟量超限、监控系统部件的状态异常、就地控制单元的状态异常及通信异常等。事故报警主要包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号。报警主要分为四种：越限报警、变位报警、事故报警和工况报警。3.2.2.12 在线计算与制表功能电压、电流通过压互、流互变成小信号、然后通过A/D转换成计算机能处理的小信号，然后送往计算机中进行处理，当电压、电流变化时，计算机能够随时了解其状态，并且通过CPU计算其幅值、有效值等数字量，这种方式称为在线计算。在线计算的结果通过计算机中的应用软件将其处理为表格形式，供工作人员参考。3.2.2.13 运行技术管理功能变电站综合自动化系统运行技术管理内容主要有：1. 变电站的主要设备的技术参数档案表。2. 各主要设备故障和检修记录。3. 断路器的动作次数记录。4. 继电保护和自动装置的动作记录。5. 运行需要的各种记录、统计等。3.3 自动装置功能在牵引供电系统中，为提高系统的供电质量，根据牵引供电的供电方式、电气接线等实际运行情况，广泛采用了自动重合闸、故障点位置检测、备用电源自投等自动装置，保障城市轨道交通供电系统的正常运行。3.远动及数据通信功能变电站综合自动化系统应具有与电力系统控制中心通信的功能，不另设独立的远动装置，而由综合自动化系统的上位机或通信控制机执行远动功能。把变电站所需测量的模拟量、电能量、状态信息和SOE等类信息传送至控制中心。数据通信的最终实现，变电站不仅要向控制中心发送测量和监视信息，而且要从上级调度接收数据和控制命令。3.3 变电站综合自动化系统方案设计1.在单元设备中，采用“免调节”的概念设计、“即插即用”的设计方法以及通用的软、硬件平台，并采用全汉化显示/操作界面和图形化、表格化的输出界面。过程分理处再现技术的运用，使得使用者可能通过配套提供的维护分析系统非常方便地读取存储在单元设备中的信息，并清晰再现设备的数据和逻辑处理过程。2.在通信网络中，系统采用网络的通信技术。利用这一技术，必须在单元设备的设计中，在保证可靠性的同时采用大资源的硬件平台。也正是这一技术的成功应用，使本系统的网络通信速度得到极大提升，故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，并取得了令人满意的使用效果。3.在当地监控系统中，数据库采用透明化的管理方式，利用建立在COM/DCOM基础上的32位的C#及其软件编译平台Visual Studio2008，软件功能可重新组态，保证系统的可扩展性和可维护性。3.3.1 系统构成变电站综合自动化系统采用分层分布式结构，从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层， 即变电站层(站级测控单元)和间隔层(间隔单元)。系统的间隔层在站内按间隔分布式配置。间隔层的设备均可直接下放至开关场就地，减少大量的二次电缆接线。各间隔设备相对独立，仅通过通信网络互联，并同变电站层设备通信，取消了原本引入主控室的信号、测量、保护、控制等使用的电缆，节省投资，提高系统可靠性。系统的变电站层设备也采用分布式、开放式的设计，组态完成站内监控功能，全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。变电站层设备采用此种配置模式，一方面保证了系统整体的可靠性，另一方面，也使得功能选择、配置更灵活、更合理。变电站综合自动化系统从功能上可以分为变电站计算机监控系统、通信子系统、保护与控制子系统以及测控子系统等部分。地铁牵引混合变电站综合自动化系统方案一图 4-2 变电站综合自动化方案一本方案采用双网结构，正常时，双网同时运行，不分主备方式，当一条线路出现故障时，通过切换装置，自动切换到另一条链路上，保证系统的正常运行。此方案可靠性高，投资较大。地铁牵引混合变电站综合自动化系统方案二图4-3 变电站综合自动化方案二本方案采用星形网络方案，投资较低，但是当交换机出现故障时，整个网络出现瘫痪状态，不能保证系统的正常运行。由于现在科技的进步，设备的平均无故障时间(MTBF)缩短，此方案在一些地铁供电系统也在采用。3.3.2 变电所综合自动化系统的结构模式变电所综合自动化系统结构可分为在控制室进行集中监控的集中式和按局域网划分的分层分布式及集中与分层分布式相结合的系统结构进行比选。1. 方案一：分层分布式从逻辑上将变电所综合自动化系统划分为三层：变电站层(站级管理层)，网络通信层，间隔层(设备层)。采用“面向对象”即面向电气主回路间隔，间隔层设备单元分别安装在各个开关柜内或一次设备附近，与一次设备接口，各间隔层单元的设备相互独立，并分别与站级管理层间通过所内通信网络实现信息交换，实现站级管理层的数据集中处理。2. 方案二：集中与分层分布相结合的方案该方案建立在分层分布式安装方案的基础上，对主变电站主变压器以及牵引变电所接触网电动隔离开关等不易进行当地监控设备安装的情况进行充分考虑，采用集中组屏和在控制信号盘上安装，所内其余间隔层设备采用分层分布式安装。对两方案比较见表4-1。表4-1 网络方案比较比较内容分层分布式安装方案集中与分层分布式相结合方案运营维护通过网络技术，较易得到系统各设备的正常、故障信息，查找工作量少，运营维护方便，但由于接触网开关在室外分布较广，不适宜分散控制。通过网络技术，较易得到系统各设备的正常、故障信息，查找工作事少，运营维护方便。解决了接触网开关集中操作问题，而且节省操作时间。施工设备安装工程量少，使用控制保护电缆少，因此施工方便、工作量小，劳动强度小，工期相对较短。设备安装工程量不大，使用控制保护电缆少，施工方便，工作量及劳动强度较小，工期较短。系统的抗干扰通过采用光纤通信，要求间隔单元设备抗干扰性能高，并进行系统防干扰设计，抗干扰性能大大增强同方案一安全可靠性对室内设备满足要求，但间隔层设备不适于安装在网开关机构箱内。高系统灵活性和可靠性系统灵活性好、可扩性强系统灵活性好、可扩性强投资系统硬件设备减少，盘面少，占地面积小，日常设备的维护工作量很少，因此系统间接投资小。基本同方案一适用范围采用室内柜式开关的变电所适用于各类变电所通过以上两种方式，集中与分层分布式相结合方案在降低投资的同时考虑了一号线工程实施的难点，系统具有良好 的是可扩展性和维护性。因此，变电所综合自动化系统结构模式推荐采用集中管理、分层分布式系统结构、集中与分散布置相结合的模式。3.3.3 变电所综合自动化系统间隔层设备组态模式保护、测控装置是变电所综合自动化系统的主要组成内容之一，一般来说，保护、测控装置有两种组态方案：1.保护、测控设备独立设置、独立联网2.保护、测控设备一体化设置两种方案比较见下表： 方案类型比较内容保护、测控设备独立设置、独立联网保护、测控设备一体化设置功能要求保护功能与测量、控制功能独立，由不同的设备来完成保护、测量和控制功能一体化，由一套设备来完成软件较复杂相对简单对网络构成的影响网络节点相对较多，结构相对复杂，但网络层次清晰网络节点少，结构简单可靠性保护与测控独立设置，可靠性高采用保护测控一体化装置，满足可靠性要求造价需设置单独的保护设备和测控设备仅需一套综合保护测控设备，造价相对便宜使用场合一般用于110kV以上电压等级的变电站一般用于110kV以下电压等级的中压系统从以上分析可以看出，两种方案各有特点，应根据现场实际，变电所的不同特点选择合理的方案。本文因线路设备属于35kV及以下网络，采用保护、测控一体化设置。3.3.4 变电所综合自动化系统网络模式变电所综合自动化系统网络模式的选择要从组网模式、传输介质、数据传输模式、网络拓扑结构和网络中央系统设备五方面分别进行比较，应充分考虑网络的实时性、统一性、可靠性、高效性和合理性等因素。变电所综合自动化系统网络分为单网和双网两种组网模式，在选择过程中应根据变电所的不同特点分别对待，合理选择。主变电站担负着向地铁牵引降压变电所供电的任务，其安全可靠的运行是地铁系统正常运行的前提之一；同时主变电站容量较大，数据信息处理量较多，接线复杂，建设规模大，对网络的可靠性要求高，故主变电所采用双网结构。牵引变电所、降压变电所负责向车站设备和区间接触网供电，牵引供电系统可靠性高，而且通信网络数据传输量较主变电站少，网络负担较轻，根据已建成地铁的应用经验，单网结构软、硬件简单，安装高度方便，故障率低，满足运行要求，采用单网模式可使全线牵引、降压变电所的网络投资规模大幅降低。因此，牵引、降压变电所采用单网结构。3.4 系统硬件配置变电所综合自动化系统设备采用组屏安装，综控屏的数量根据系统配置方案确定。屏内安装监控单元、局域网设备等；屏上设有音响报警装置，具有事故、预告两种音响。1.局域网络设备所内通信网采用适合于城市轨道交通使用环境的抗干扰性强、阻燃、铠装通信介质，优先选用屏蔽5类线。网络连接设备宜选用工业级产品。2.操作员站操作员站设置于有人值守的变电所，可以采用组屏安装方式，也可以根据工程需要单独放置在专用值班室内。操作员站应采用工业级PC。3.监控单元监控单元用于实现各种类型子监控单元规约的转换，应支持与CANbus、Lonworks、Profibus等多种现场总线的借口，支持RS-232、RS-422或RS-485等标准接口。4.便携式计算机变电所综合自动化系统应该配置便携式计算机，计算机内安装调试软件，用于现场调试。5.系统电源及接地变电所综合自动化系统的电源有以下两种方案：方案一：由变电所内的交直流屏提供不间断交流、直流电源。方案二：由变电所内的交直流屏提供交流电源，变电所综合自动化系统配置UPS为系统提供不间断电源。这两种方案都可以满足系统的电源要求，但是方案一可以实现不同系统之间的资源共享，也简化了设备的维护管理。因此，在工程有条件的情况下优选方案一作为系统电源方案。变电所综合自动化系统一般为悬浮地系统，不存在工作接地。系统安全接地及通信电源屏蔽层接地均可通过与变电所控制室内综控屏内接地母排连接实现。综控屏内接地母排与外引综合接地网实现可靠的电气接地。3.5 变电站综合自动化系统监控对象变电站综合自动化系统主要通过四遥功能来对设备以及线路进行监视与控制。本设计的四遥对象概述表如附录一：表4-13.6 主要技术指标3.6.1 测控精度1.模拟量测量准确度交流电流、电压量：0.2%直流电流、电压量：0.2%功率、电度量：0.5%频率：0.01Hz2.脉冲输入量允许脉冲宽度：10ms允许脉冲电平：30V3.事故顺序记录事故分辨率： 1ms4.遥控动作成功率遥控动作成功率：100%3.6.2 有实时数据的画面整幅调出响应时间：画面调入：2s数据刷新：1s(可设定)3.6.3 数据处理速度从数据采集到主站显示：1.5s遥调命令传输时间：1s(可设定)遥控命令选择、执行或撤销传输时间： 1s(可设定)3.6.4 数据通信1.站内通信以太网结构，TCP/IP协议，网络速率：10Mbps/100Mbps。2.远方转发Modem板内主备信道自动切换，切换时间5s；传统信道速率：3002400bps；SDH/ATM传输；64Kbps100Mbps。3.6.5 双机自动切换双机自动切换：10s(可设定)3.6.6 历史数据存档测量数据存档最小时间间隔为1min，生存周期为2年；保护信息、事件记录、越限记录等，生存周期为1年。3.6.7 系统可用率系统可用率：99.99%3.6.8 平均无故障时间平均无故障时间(MTBF):40000h3.6.9 环境条件电力调度中心控制室和机房环境环境温度：+540相对湿度：10%90%海拔高度1000m大气压力：86108kpa振动：f10Hz，振幅为0.3mm；10Hzf150Hz时，加速度为0.1m/s2。工作电源：两路独立的380/220V电源；波动范围：-15%+10%地震烈度：7度接地电阻1牵引、降压变电所内环境控制室温度：-5+45开关柜温度：-10+55环境温度在-5+40时，最大变化率10/h，设备应能满足技术规格书所规定的精度要求，环境温度在-10+55时，设备应能正常工作，不误动、不拒动。相对湿度：日平均值不大于95%；月平均值不大于90%（25）；有凝露的情况发生。海拔高度1000m地震烈度：7度第四章通信信道4.1 工业以太网4.1.1 网络的通信带宽以太网的带宽高达10Mbps以上，100Mbps以太网也已广泛使用，即使用于超大规模变电站也游刃有余。以太网的一个冲突域中可支持1024个节点，节点数小于100时，10Mbps的以太网即使负载达到50%(500kB/s)响应时间也小于0.01秒。由于用交换式集线器能把一个以太网络分成数个冲突域，可以把节点数大于100的变电站分为若干个节点数小于100的子网来保证响应速率。在可见的未来，变电站自动化系统的通信节点数不会超过200个，数据流量的峰值最多能达到100kB/s，以太网完全能满足实时性的要求。4.1.2 网络的通信媒介本设计选用光纤作为通信网络的媒介。4.1.3 网络的拓扑结构网络的拓扑结构可分为总线型、星型、环状型。本设计选用总线型结构，后文将继续介绍。42 变电站的通信网络实现经过充分论证，选用工业以太网为基础构建城市轨道交通牵引混合变电站综合自动化系统的通信网络。由于铁路供电系统的各种变电所一般具有进出线较少，节点不多的特点，从网络组成的简易性、易用性、可靠性及低成本，在变电站内部采用10Mbps以太网的方式来组建变电站内部的通信网络，通信介质一般选用双绞线或者是光纤。系统采用分层分布体系，变电站层使用100Mbps/10Mbps以太网，间隔层使用10Mbps以太网，确保单一故障时不损失任何功能。间隔层的保护测控装置、测控装置、自动装置等具有网络接口的设备直接接入间隔层网络，其它分散布置的智能设备通过网络通信服务器转接入间隔层网络。绝大部分数据传输发生在间隔层设备和变电站层设备之间，而变电站层设备数量远小于间隔层设备，但由于变电站层使用100Mbps以太网，不会造成通信瓶颈。通信网络中使用TCP/IP通信规约栈，在保证传输效率的基础上实现整个通信 系统的健壮性和兼容性，TCP/IP协议在全世界范围内从局域网到广域网都得到了极其广泛的应用。TCP/IP与以太网技术的结合，为变电站通信规约提供了一个高速、灵活、可靠和开放的平台。4.3变电站与中央监控系统的通信接口由于电力信息分