毕业论文变电站综合自动化微机监控系统设计

毕业设计（论文）变电站综合自动化微机监控系统设计Design of Microcomputer Monitoring and Controlling System in Substation Integrated Automation学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间： ： ： ： ： ： ： 长 春 工 程 学 院长春工程学院毕业设计（论文）摘 要根据变电站综合自动化系统的现状和发展趋势，应用分层、模块化和面向对象的设计方法和编程技术，本文从设计原则、实现原理、整体结构、软硬件部分、功能模块的应用程序等方面对分层分布式变电站综合自动化微机监控系统进行了分析和设计。本文主要做了以下5个工作。对变电站综合自动化系统及其微机监控系统进行比较详细地研究。对变电站综合自动化微机监控系统的基本原理、系统结构进行分析和综合，提出了该系统的总体设计方案和框图，并对它的整体结构进行设计。研究和设计了变电站综合自动化微机监控系统的硬件部分和软件部分。对其中的交变量越限安全监视子功能模块编写了流程框图和算法、并用Visual C+高级语言编写和调试了该部分的实用程序。关键词变电站综合自动化 微机监控系统 模块化 面向对象Abstract: Based on the substation integrated automations current situation and development trend, using layered, modular and object-oriented design and programming technologies, this thesis has analyzed and designed the microcomputer monitoring and controlling system in substation integrated automation towards layering distribute type, from its design principles, achieve principle, the overall structure, the areas of hardware and software, the application procedures of functional module and so on. This paper has done the following five aspects of the work. It has studied substation integrated automation and its microcomputer monitoring and controlling system. It has analyzed and synthesized the basic principle and architecture of the microcomputer monitoring and controlling system in substation integrated automation, put forward the overall design programmers of the system and block diagram of the programmer, and designed the overall structure. It has studied and designed hardware parts and software parts in the microcomputer monitoring and controlling system in substation integrated automation. It has prepared the flow diagram and algorithms of alternating parameters security monitoring sub-module in the system, and written and debugged its utility using the high-level language Visual C+.Keywords: substation integrated automation microcomputer monitoring and controlling system module object-oriented目 录1 引言11.1 课题的目的和意义11.2 变电站综合自动化系统11.3 变电站综合自动化微机监控系统41.4本文要做的工作52 变电站综合自动化微机监控系统的总体方案52.1 变电站综合自动化系统设计的原则和要求52.2 变电站综合自动化的系统结构62.3 变电站综合自动化微机监控系统的系统结构123 变电站综合自动化微机监控系统硬件部分的设计133.1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置133.2 变电站综合自动化微机监控系统通信网络的设计143.3 上位机系统183.4 下位机监测、控制和保护单元193.5 变电站综合自动化微机监控系统的分层、模块化设计204 变电站综合自动化微机监控系统软件部分的设计214.1 变电站综合自动化系统微机监控系统对监控软件的要求224.2 监控系统软件设计的方法224.3 微机监控系统软件的分析244.4 监控软件模块化设计284.5 部分软件模块设计举例305 VC+应用程序设计举例325.1 Visual C+高级语言概述325.2 交流量越限安全监视模块算法的设计335.3 交流量越限安全监视模块的VC+高级语言程序设计366 总结38参考文献39致 谢40401 引言1.1 课题的目的和意义随着国民经济持续快速地增长，我国电力工业也飞速发展。仅在2007年这一年，我国新装机的容量就突破一亿kW大关，约站当时总装机容量的1/7；而且在新上机组中，百万kW容量的机组就站相当大的比例；根据规划，2020年总的装机容量大约是去年底的3倍。同时，电网的建设也加了快进度，交直流特高压远程输变电工程即将进入大规模地实用阶段。电力工业发展的现状和趋势，势必要求提高电力系统的自动化和信息化水平1。变电站是电网中的重要基本环节，其自动化水平的高低直接影响着电网安全稳定运行水平。随着用电负荷的快速增长和负荷密度的加大，变电站的电压等级和变电容量不断提高，对供电可靠性的要求也越来越高。因此，必须提高变电站的自动化水平23。变电站综合自动化系统是最新发展起来的多专业综合技术，是电网运行管理中的一次变革，它以计算机为基础，实现了电网变电站现代化管理，从而改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，充分体现了现代生产的特点。变电站综合自动化系统，能够全面提高变电站的技术水平，提高运行的可靠性和管理水平，具有显著的可比优越性，是变电站自动化的发展趋势。大规模集成电路和通信技术的迅猛发展，网络技术、现场总线等的出现和完善，为提高变电站综合自动化系统的技术水平提供了有力的科技支持。变电站综合自动化微机监控系统是变电站综合自动化系统最基本的子功能系统，涉及到变电运行、监视控制等方面的内容，使变电站的监视和控制发生了根本的变化。因此，研究变电站综合自动化微机监控系统具有迫切的现实需要和重大的实际意义4567。1.2 变电站综合自动化系统1.2.1 变电站自动化 变电站主要包括两大部分：一次系统和二次系统。一次系统完成电能的汇集、电压变换和分配等任务；而二次系统则完成对一次设备和一次系统运行状态的测量、监视、控制、保护和故障告警的任务以及完成满足调度、远方监控等内容的远动任务。而一个变电站运行情况的优劣，在很大程度上取决于其二次设备的工作性能38。电力系统是一个连续运行的系统，电能的生产、传输、分配和消费都是同时完成的。因此，变电站的运行也是连续的。为了掌握变电运行状态，必须对相关电气量进行连续测量，供运行监视、记录；为了保障变电站、输电线路的安全运行，需要实现过流、低压等故障的安全保护；为了向电网调度提供系统运行状态，需要将表征电力系统运行的相关信息向上级调度部门传送；为了向客户供给合格的电能，需要进行必要的控制和调节。同时，当系统出现异常情况时，变电站必须做出快速的反应，及时进行处理。随着电力工业的迅速发展，容量大、参数高的电气设备被广泛、大量地投入运用到电力系统中，必须保证这些设备安全、可靠地运行；用户对电能的要求越来越高：这都要求采用变电站自动化技术并不断提高其技术水平39。现有的变电站有三种形式：传统的变电站；部分实现微机管理、具有一定自动化水平的变电站；全面微机化的综合自动化变电站101112。这也正是变电站自动化发展三个阶段的印迹。变电站自动化发展的这三个阶段如下234：由分立元件构成的自动装置阶段；微处理器为核心的智能化自动装置阶段；变电站综合自动化阶段。可见，变电站综合自动化是变电站自动化发展到一定阶段的产物，是变电站自动化的发展趋势。1.2.2 变电站综合自动化系统概述常规变电站的二次系统主要包括以下四个部分：继电保护、故障录波、当地监控和远动部分。随着电子技术、计算机技术的迅猛发展，微机在电力系统自动化中得到广泛的应用，这四个部分先后实现微机化。由于这些微机化的装置硬件配置大体相同，都从变电站主设备和二次回路中采集并检测和处理信号，造成了设备重复、接线复杂等问题。这就促使人们考虑对这些二次设备进行优化设计，变电站综合自动化系统便应运而生了34。变电站综合自动化是将变电站的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、通信技术和信号处理技术，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、微机保护以及与调度控制中心通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统，即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：替代了常规的测量和监视仪表，替代常规控制屏、中央信号系统和远动屏，同时微机保护取代了常规的继电保护屏，改变了常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷；除了这些外，还增添了包括智能化的许多功能。可以得出下面的结论：变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术等高科技技术在变电站领域的综合应用。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，可方便地实现监视和控制变电站内各种电气设备的运行和操作。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269变电站综合自动化的内容如下所述：变电站电气量的采集、处理和对电气设备的状态进行监控和调节，监视高压电气设备本身的运行状态并上传相关信息。国际大电网会议WG34.03工作组分析了变电站综合自动化需完成的功能有63种。变电站综合自动化系统，以微机为基础，对变电站传统的测量手段、控制方式、继电保护、通信和管理模式进行全面的技术改造。它的基本功能为如下的八个方面：监视和控制；微机保护；电压、无功综合控制；低频减负荷控制；备用电源自动投入控制；远动和数据通信功能；时钟功能；自诊断功能31012。随着变电站技术改造的深入和无人值班工作的进展，出现了功能不一、结构多样的变电站综合自动化系统。这项技术发展方向如下：从功能分散向单元分散发展；有集中控制向分布式网络发展；从传统控制向综合智能化方向发展；从专用设备到开发平台发展；从单纯的屏幕监视到多媒体监视；向测量数据完全共享发展；向监控与保护一体化方向发展；纵向与横向综合313。1.2.3 变电站综合自动化的优越性传统的变电站存在着以下的缺点：（1）常规的二次设备缺乏高的可靠性和安全性；（2）无自动电压调节等功能，供电质量缺乏科学的保证；（3）不适应电力系统快速计算和是实时控制的要求，不利于对设备的管理、不利于厂站和电力系统的事故分析；（4）占地面积大，电缆用量大；（5）维护工作量大，不利于运行管理水平和自动化水平的提高。变电站是电力系统中非常重要的环节，对电网的安全和经济运行起着至关重要的作用。容量大、参数高的电气设备广泛、大量地投运，超高压、特高压远距离输电的发展，使电力系统的安全控制更加复杂。传统的变电站因存在着以上缺点，不能适应我国电力工业的发展现状趋势和对现代化的要求。因此，必须提高变电站的自动化水平：对于传统的变电站，进行逐步的技术改造；对新建的变电站，尽量采用先进、成熟的技术，逐步实现无人值班和调度自动化管理。变电站综合自动化系统自问世以来，显示出了无法比拟的优越性，是变电站自动化发展的必然趋势。其优越性主要表现在以下五个方面：（1）提高供电质量，提高电压合格率；（2）缩小了变电站占地面积，减少了连接电缆，简化了变电站二次部分的硬件配置，减少了总投资；（3）减少了维护工作量，提高了自动化水平，减轻了值班员的负担从而实现了减人增效；（4）提高变电站的安全、可靠运行水平；（5）提高电力系统的运行和管理水平，有利于提高变电站无人值班的管理水平1712。1.3 变电站综合自动化微机监控系统1.3.1 微机监控系统概述本系统以微机为主，将变电站的二次设备通过功能组合，形成模块化、网络化、功能化的现代化微机监控系统, 真正满足了生产和管理的要求8。我国现在运行中的微机监控系统，一般采用组件对象模型（COM）技术和面向对象技术进行系统设计，软件采用C+、TCP/IP、DCOM、ActiveX等国际标准规定的编程语言，具有很好的开放性和兼容性3。微机监控系统由硬件、软件两大部分组成：硬件配置与系统的体系结构、通信连接形式有关，是其物理存在形式；而支撑平台系统支持下的监控软件的作用不可或缺。对本系统的基本要求是：连续运行的可靠性、监控的实时性、维护方便、人机交流方便、通信可靠、信息处理和控制算法先进可靠等等。在变电站综合自动化系统发展的具体过程中，受现有专业分工和管理体制的影响，具有两种不同的实施方案：一是微机监控系统以远动（RTU）为数据采集和控制的基础，相应的设备也是以电网调度自动化为基础，微机继电保护则相对独立，类似产品有PS6100；另一种是微机监控系统以微机继电保护为数据采集和控制的基础，将微机测控系统和微机保护结合在一起，现有产品有CSC2000。从我国电力系统目前的运行体制、人员配备和专业分工看，监控、保护相对独立的变电站综合自动化系统无疑具有较大优势。但是，测量数据完全共享等技术的发展，监控、保护一体化配置的变电站综合自动化系统是未来的发展趋势4。1.3.2 微机监控系统的功能微机监控系统是变电站综合自动化系统的子系统，随着广泛采用不断发展进步的电子技术、计算机技术和通信技术等科技技术，它取代了传统的监控方式，使变电站的监控发生了根本的变化。微机监控系统取代了常规的测量系统和指针式仪表，改变常规的操作机构和模拟盘，取代了常规的光字牌、报警、中央信号等，取代常规的远动装置等。其功能如下所述。（1）实时数据采集；（2）事件顺序记录SOE和事故追忆功能；（3）故障记录、故障录波和故障测距；（4）操作控制功能；（5）安全监视；（6）人机联系和打印功能；（7）数据处理和记录功能；（8）谐波分析和监视；（9）报警处理；（10）画面生成和显示、在线计算与制表；（11）远动功能；（12）运行管理功能。除了上述基本功能外，它还有防误闭锁、系统自诊断与恢复、提供接口等功能58。1.4 本文要做的工作本设计（论文）对变电站综合自动化系统及其微机监控系统进行详细的分析和研究，主要做以下工作：（1）搜集、整理变电站综合自动化系统及其微机监控系统的相关资料，学习和理解这些方面的全部内容并研究它们发展的最新成果；（2）对变电站综合自动化的结构形式进行比较和分析，明确各结构形式的特点和优缺点；（3）在学习掌握有关资料的前提下，对变电站综合自动化微机监控系统原理进行分析和综合，提出总体设计方案和框图；（4）对变电站综合自动化微机监控系统的整体结构进行设计，耐心细致地研究变电站综合自动化微机监控系统的软、硬件部分，然后分析和设计本系统的硬件结构和软件部分；（5）设计变电站综合自动化微机监控系统的硬件框图及实现方案，设计该系统的软件框图并用Visual C+高级语言对其中的某一子功能部分编写和调试实用程序； （6）对研究的工作进行认真总结和简要展望。2 变电站综合自动化微机监控系统的总体方案2.1 变电站综合自动化系统设计的原则和要求变电站综合自动化是一门综合性很强的新技术，它既包含电力系统中的变电运行、测量监控、继电保护、远动和通信等多方面的知识，还容括了电子技术、微机技术、网络技术等正在发展中的科技知识。为了达到预想的目标，设计它时，必须满足以下的原则和要求。（1）充分体现综合性。变电站自动化系统应能全面替代常规的二次设备，应集变电站的测量、监视、运行控制等于一个分级分布式的系统中。（2）通信可靠、信息共享。各个功能模块、部件之间应采用网络方式，便于扩充接口的功能。充分利用数字通信的优势，实现数据共享。（3）满足系统安全性和技术先进性的要求。微机保护硬件和软件的设置，既要与监控系统相对独立又要相互协调。即在运行中，继电保护的动作行为只与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节，以保证本系统中任何其他环节故障都不影响保护子系统的正常工作；同时，保护又要与监控系统保持紧密的通信联系它的软、硬件的配置必须具备RTU的全部功能，以满足和促进变电站无人值班的实施。（4）系统运行可靠，具有很强的抗干扰能力。在考虑系统的总体结构时，要注意主、次分清，对关键环节要有一定的冗余。综合系统的各个子系统要相对独立，要具有独立的故障自诊断和自恢复功能。任一部分发生故障时，应通知监控主机发出警告指示，并能迅速将自诊断信息送往控制中心。（5）结构灵活、运行模式适应性强，进行标准化工作和具有良好的开放性。能适应不同规模、电压等级的新、旧变电站对自动化系统的要求；系统应能灵活地提供适应变电站运行的各种监控操作手段，满足有人或无人值班的要求。所设计的系统必须符合国家和部颁标准，并使它的开放性能好，便于升级改造317。2.2 变电站综合自动化的系统结构随着电子技术、微机技术、通信技术和网络技术的迅猛发展，变电站综合自动化技术也得到了很大发展，其体系结构不断向前发展，使它的系统性能、实现功能、运行可靠性得到不断提高28。变电站综合自动化系统在结构形式上主要可分为集中式结构、分层分布式结构、集中和分散相结合结构和完全分散式结构四种7813。2.2.1 集中式系统结构图2-1为该系统的示意图。它采用不同档次的计算机，扩展它的外围接口电路；集中采集变电站的各种信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。但是，集中式结构不是由一台计算机完成监控、保护等全部功能4。多数集中式结构的微机保护、微机监控等的功能也是由不同的微机完成的。这种结构按功能划分为许多单元，而这些单元由总控单元加以控制。这样，该结构便有以下优点：各单元相互独立、互不影响；可集中也可分散安装；扩充性好；综合性强。但是也有很大的缺点，从而限制了它的推广应用。其主要缺点如下：（1） 每台计算机的功能集中，必须采用双机并联结构才能提高可靠性；（2） 组屏多、站地面积大；（3） 软件复杂、修改工作量大，系统调试烦琐；（4）组态不灵活，对于不同主接线或不同规模的变电站，其软、硬件都必须另行设计12。打印机CRT显示器键盘、鼠标监控主机MODEM调度（控制）中心微机保护装置输出接口监控动作信号输出保护出口输出接口模入接口主变压器TATV输入接口脉冲量输入开关状态量输入模拟量输入开入接口一次设备状态量输电线路TATV电容器TATV图2-1 集中式结构的综合自动化系统框图2.2.2 分层分布式结构按照IEC/TC57国际电工委员会电力系统控制与通信技术委员会的划分，将变电站的所有一次、二次设备分为3层：变电站层、单元层（或间隔层）和设备层。如图2-2所示：变电站层为2层，包括站级监控主机、远动通信机等；单元层为1层，一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件；设备层为0层，包括变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点、TA、TV互感器等一次设备。变电站层一般设置以太网或现场总线，用来供各主机之间和监控主机与间隔层之间交换信息。间隔层本身是由各种不同的单元装置组成的，这些独立的单元装置既可通过局域网络或现场总线与变电站层直接联系，又可以通过设置数采管理机和保护管理机来与变电站层通信。由此可见，间隔层实际上本身是两级系统结构。监控主机调度或控制中心通信控制器控制、测量继电保护扰动记录设备变电站层总 线单 元 层设备层TATV高压设 备TATV高压设 备远方设 备 图2.2 变电站一、二次设备的分层结构在这类结构中，系统采用按功能划分的分布式多CPU系统，同时，采用分层管理模式。本系统将整个变电站的一次、二次设备分为2层或3层；每一层由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。而变电站综合自动化系统一般位于前两层。该系统具有以下特点：（1）采用分层分布式配置。为了提高该系统整体的可靠性，系统按功能划分了分布式多CPU系统。在管理上，采用分层管理模式：设保护管理机、数采控制机管理各个下属部分。这样，可以显著减轻监控主机的负担。（2）继电保护相对独立。这样做是为了提高继电保护的可靠性。（3）具有与控制中心通信的功能。本系统不需要独立的RTU装置为调度中心采集数据，而是将采集的信息直接上传给调度中心。（4）模块化结构，可靠性高。模块化技术使各个功能模块相对独立，任何一个模块故障，只影响局部功能的实现，而不对全局造成影响。（5）维护管理方便。采用集中组屏结构，全部安装在控制室内，工作环境好，维护管理方便。（6）需要的电缆多。由于设备分别较广，安装时需要大量控制电缆。图2-3所示了适用于较大规模变电站的分层分布式集中组屏的变电站综合自动化系统。变电站层监控主机工程师机通信控制机调度或监控中心单 元 层数采控制机开关量输入开关量输出.测量单元1测量单元n故障录波器电压无功控制保护管理机变压器保护单元线路保护单元电容器保护单元元TA、TV输入，断路器、隔离开关辅助触点输入，断路器控制等备用电源自投设备层图2-3 适用于较大规模的分层分布式集中组屏综合自动化系统框图分层分布式系统，具有分层分布式结构、功能模块化等的优点，起到使功能分散、危险分散和地域分散的作用。因此，自问世以来就显示了强大的生命力，得到了广泛地推广和应用。但是，它需要大量控制电缆，才有了以后的分散式结构的系统 378。2.2.3 集中和分散相结合式和完全分散式集中和分散相结合式是按每个电网元件为对象，集测量、控制、保护为一体，设计一个机箱，整个变电站形成即分散又集中的结构。按照集中和分散的不同结合，可分为局部集中、总体分散和高压集中、配电分散两种形式。因此，该系统即有集中式的优点，又有分散式的优点：（1）配电线路的保护和测控单元，分散安装在各开关柜内，简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积；（2）简化二次设备的连接，从而节省大量电缆；（3）抗干扰能力强，可靠性高；（4）结构可靠，组态灵活，检修方便。其中有这样的一种结构形式：按电网元件为对象，集测量、控制、保护为一体，设计在一个机箱中；把这个一体化的测控、保护单元分散安装在各个开关柜中；由监控主机通过通信往来对它们进行管理和交换信息；而对于高压线路保护装置和变压器保护装置，仍集中组屏安装在控制室内：形成既分散又集中的结构。这个结构的示意图如图2-4所示31415。 人机接口打印机CRT显示器键盘、鼠标调度（控制）中心监控主机MODEM当地调试或监控电能管理机智能电能表智能电能表电缆或光缆保护管理机现场总线智能开关柜1n保护与测控单元TATV状态信号出口回路电压无功控制屏备用电源自投装置主变保护屏监控单元TATV状态信号出口回路图2.4 集中和分散相结合的变电站综合自动化系统结构框图完全分散式是以变电站一次主设备为安装单位，将保护、测量等单元就地分散安装在这些一次主设备的开关屏（或柜）上，而主控单元通过现场总线与这些分散的单元通信，监控单元通过网络与监控主机连接。这种完全分散式结构的综合自动化系统在实现模式上有以下两种：保护相对独立，测量有控制合并为一体；测量、控制和保护完全合并为一体，从而实现高度的综合237。分散式结构具有节约控制室面积、节约二次电缆、综合性能强等优点。所以，随着电光传感器和光纤通信技术的发展，它是今后变电站综合自动化系统的发展方向26。2.2.4 本文所采用的变电站综合自动化系统的结构形式上述3种结构形式变电站自动化系统的推出,虽然存在出现时间先后之分，但是并不存在着前后替代的情况。然而，它们的综合自动化程度是不同的，主要体现在信息共享程度、综合功能的多少、站内通信结构等，还体现在人机接口、可维护等方面。变电站结构形式的选择应根据各种系统特点和变电站的实际情况，予以选配。如以RTU 为基础的变电站自动化系统可用于已建变电站的自动化改造,而分散式变电站自动化系统,更适用于新建变电站67。因为就目前而言，分层分布式结构的系统优点较明显、应用范围最广，所以本设计（论文）将对该类系统进行研究设计。变电站综合自动化系统分为变电站层和间隔层，这两层之间建立了基于以太网的站内通信网，间隔层设备间建立CAN总线通信网。如图2-5所示，变电站层包括前置机通信单元和后台监控主机单元，这些构成了上位机系统。间隔层也就是下位机系统，按断路器间隔划分，包括主变监控保护单元、主变后备保护单元、线路监控保护单元、电容器保护单元等71516。 变电站综合自动化系统变电站层间隔层前置通信单元后台监控主机上位机系统主变监控保护单元线路监控保护单元主变后备保护单元下位机系统 图2-5 变电站综合自动化系统分层结构框图2.3 变电站综合自动化微机监控系统的系统结构系统在开放性、标准化、面向对象和数据共享等方面做了很大努力，使之易于扩充、维护等等。在设计时，我充分考虑了系统组态的灵活性，使之能满足不同的分层分布式变电站综合自动化系统模式的需要。本系统采用多主机分布式结构配置，单元层通信采用现场总线方式，通信单元与变电站层之间采用以太网通信。另外，设置远动机负责调度信息的收集和转发，其中的网络采用了双网配置。系统将变电站分为变电站层和单元层。站控层采用分布式设计，完成站内监控功能，能全面提供一次设备的状态监视、控制、信息记录与分析等功能。间隔层设备按间隔分布式配置，可直接下放到现场就地安装，以节省二次电缆。各间隔相互独立，取消了变电站监控传统方式大量引入主控室的信号、测量、保护、控制等使用的电缆。系统主网采用单/双10/100M以太网结构，由10/100M交换机构建，并符合国际标准的网络协议。SCADA部分采用双机热备用方式，完成网络数据同步的任务。主网的双网配置是为了完成负荷平衡和热备用的双重功能，从而保证了实时系统的可靠性。变电站综合自动化微机监控系统由监控主机、操作员工作站、工程师工作站、保护工作站、远动工作站、五防工作站等部分组成；通过组态的不同完成不同的功能配置。图2-6为变电站综合自动化微机监控系统的简要结构框图。GPS打印机后台监控调度控制中心路由器10M/100以太网MYITMODEMNSC200NSC200CAN网测量、控制单元1-n保护测控装置1-n图2-6 变电站综合自动化微机监控系统的简要结构框图这个微机监控系统是一个开放性的系统结构，功能模块可自由组合；其中，数据库组件是必须的，其余应用组件根据实际需要可有可无。系统的软件环境为操作软件和应用软件这两部分：操作软件利用Windows 2000/XP的版本；系统软件中，数据库系统采用SQL Server2000，而系统利用面向对象技术的程序设计方法，全部用Visual C+语言编写。支撑平台系统主要由以下五个方面组成：数据库管理系统、网络管理系统、图形管理系统、报表系统、系统管理系统131617。3 变电站综合自动化微机监控系统硬件部分的设计3.1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置设计方案采用目前广为应用的分层分布式系统结构。系统将变电站分为变电站层和单元层：单元层通信采用现场总线方式，通信单元和变电站层之间采用以太网通信。本文把微机监控系统分为站控层和间隔层，网络按双网配置，间隔级控制层设备配置双以太网接口。各间隔级单元相互独立，不相互影响。站级网络采用基于TCP/IP协议的，自适应10/100M 双以太网结构(A、B网) ，应用层使用协议符合DL/T667-1999标准。系统的配置图如图3-1所示。操作员工作站1操作员工作站n10M/100M交换式以太双网五防工作站保护工程师站管理工作站远动主机以太网LN 1LN n逻辑单元装置前置通信主机前置通信备机SCADA主机SCADA备机Web服务站Internet远程工作站远动备机图3-1 变电站综合自动化微机监控系统的硬件配置图变电站综合自动化微机监控系统由监控主机、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。下面就简要一一介绍。（1）SCADA服务工作站。SCADA服务工作站负责整个系统的协调和管理，保持实时数据库的完整；负责组织和整理各种历史数据。（2）操作员工作站。操作员工作站完成对电网的实时监视、控制和操作功能，包括显示各种图形和数据。它能在正常和电网故障时，采集、处理各种二次装置信息，并充分利用这些信息为继电保护运行、管理服务，为分析和处理电网故障提供支持。（3）前置通信工作站。它负责接收厂站的实时数据，并进行一定的规约转换和预处理；通过通信网络传给后台机系统，同时，向各厂站发出有关的控制和调节命令。（4）远动工作站。该站负责与外界进行通信，并完成多种远动通信规约的解释；向上传送现场实时数据，向下发送远方的遥控、遥调命令。（5）五防工作站。它向操作员提供对变电站内的五防操作管理。（6）保护工程师站。它提供给保护工程师对变电站内保护装置及其故障信息进行维护管理的工具。它具备多路数据转发能力，能通过网络通道向多个调度中心转发数据，其通信规约符合中国南方电网继电保护故障信系统通信与接口规范这个标准。（7）管理工作站。它对电力系统中的电气设备进行监管。（8）远程工作站。可以实现远程浏览实时画面、报表、事件记录等内容。（9）Web服务器。它为远程工作站提供SCADA系统的浏览功能317。3.2 变电站综合自动化微机监控系统通信网络的设计变电站综合自动化微机监控系统实质是由多台计算机组成的分层分布式监视和控制系统，包含着许多子系统模块。因此，在其内部和外部，需要通过数据通信，以实现信息的交换和信息共享。由于变电站环境特殊和对自动化系统极高的要求，所以本系统中的数据通信技术是一项非常重要的技术。系统的数据网络应满足下列要求：（1） 实时响应要快；（2） 可靠性高；（3） 电磁兼容性能优良；（4） 采用分层式结构5。如上所述，变电站综合自动化微机监控系统既用到现场总线技术，又用到以太网通信技术。3.2.1 现场总线技术现场总线作为一种全数字的双向多站点通信系统，按照国际标准化组织ISO 和开放系统互连OSI提供网络服务。现场总线既是通信网络，又是自控系统。现场总线靠近生产过程，面对的环境苛刻和特殊，因此，它的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快；而且它的造价低、维护成本低。现场总线具有开发性和互操作性、彻底的分散性、低成本这三大优点，现在被越来越广泛地应用到各个领域。下面简介几种常见的现场总线。（1）基金会现场总线（FF）基金会现场总线FF（Fieldbuse Foundation）以IS0/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。（2）Lon Works现场总线（局部操作网络）Lon Works 是1991 年美国Echelon 公司推出的一种现场总线技术，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力工业等。现在它已经进入第三代产品，能把各局域网互联成广域网。该种技术采用了Lon Talk 协议，LonTalk 协议最大的特点是对OSI 的七层协议的支持，是直接面对对象的网络协议，其具体实现采用网络变量这一形式。Lon Works 技术是将LonTalk 协议封装在Neuron 的神经元芯片中而得以实现。（3）Profibus（Process Fieldbus） Profibus是由Profitbus-DP、Profitbus-FMS 、Profitbus-PA 构成的系列。DP 型用于分散外设间的高速数据传输，适用于自控设备和外围设备之间的数据交换。FMS 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器等。而PA 型则用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全性，可用于危险防爆区域。（4）CAN 现场总线CAN (Controller Area Network），即控制器局域网，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，而且该网络具有很高可靠性。由于CAN特性卓越以及可靠性极高，所以非常适合工业过程中监控设备的互连。该总线规范已被IOS国际标准组织制定为国际标准（ISO11898），并且己经被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN 总线协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模式基础上的，其模型结构取了OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN 总线采用双绞线串行通信方式，具有很强的检错功能，可以在高噪声干扰环境中使用，而且使用该种总线方式作为通信网络，开发成本比较低。考虑到变电站对可靠性、实时性、经济性的要求，我选择了CAN 总线作为底层通信网络。这种基于CAN 总线的分层分布式变电站综合自动化微机监控系统结构具有以下的特点：(1）数据的采集以每个间隔单元为基础，属于该设备间隔中功能所需信息都经本间隔的采集单元完成，设备的属性和间隔单元中的数据是直接一一对应的；(2）调度对该设备的开关进行遥控操作，是由该间隔中的控制功能部件完成；(3）变电站层或调度端要对变电站任何信息的获取，不需要增加任何中间设备，而是通过数字通信方式获得即可，由站端监控系统通过逐一询问每个间隔单元达到对整个系统设备的控制；(4）对信息的采集是按照每一个间隔进行的，间隔单元层信息采集属于并行处理，无论是测量还是控制都可实现响应的快速性；(5）变电站内的所有设备的间隔单元，全部挂在同一个数据网上，物理地位是平等的，都以相同的方式与上一级站点（变电站层监控）进行信息交换，但在逻辑处理上可以有多种多样的，如可对不同的设备设立不同的优先级；(6）按现场总线的通信原则对设备的访问次序不需要固定顺序，只要规定的时间内访问完各间隔即可（实时性），但考虑到现场总线传递的数据帧较短，为提高通信的效率，仍然以监控系统的前置机对各设备间隔单元的周期性访问方式进行，由于可设置优先权，把前置机优先级别设为最低；(7）在数据的采集过程中，己经确立了数据和信息之间的关系，采集过程反应了数据的实际意义。采用CAN总线作为变电站的通信网络，其优点是数据传输速度快，短帧结构受干扰的概率小，硬件循环冗余码纠错，误码率低，真正的多主冗余系统使保护信息和变位信息能及时上送，实时性好；而且一个网络通常能容纳110个节点，传输211到229种不同的数据块，这种规模对于低压变电站的保护测控装置的通信而言是足够的。基于CAN总线的控制系统各智能单元统一由上位机进行管理，控制功能由现场智能单元实现，该系统运行于多主工作方式，从而减轻了上位机的负担，降低了系统的风险。从系统运行的结果看，各功能单元工作良好，功能单元相互间及与上位机都能保持良好的通信，系统运行稳定且具有较强的抗干扰能力1316。3.2.2 以太网技术系统主网采用单/双10/100M以太网结构，由10/100M交换机构建，采用国际的网络标准协议。系统以太网通信网络结构图如图3-2所示。 远动主站1远动主站2调度与控制中心调度与控制中心操作员及服务器1操作员及服务器2工程师站设备维护站GPS对时以太网1、2规约转换器1规约转换器2规约转换器LN 1LN nCAN总线图3-2 以太网通信网络结构图主网的双网配置是为了完成负荷平衡以及热备用的双重功能。在网络任一点有故障时，双以太网便能快速切换，切换时间对于10Mb/s以太网小于20ms，100Mb/s以太网小于0.5s。这样就能够保证连接于网络上的设备的正常通信，其可靠性相当于双总线网络，能满足110kV500kV变电站自动化系统的要求。在正常情况下，系统负荷双网平衡，一旦其中一个网络故障，另一个网络就承担全部的通信负荷，以保证实时系统的可靠性。交换式快速以太网的端口带宽，比共享式以太网提高了10倍以上，充分保证了信息交换的实时性，同时也使各种分布式的功能成为可能。系统主网（变电站层）采用代表网络技术发展最新方向的10/100M以太交换机构成的工业以太网。工业以太网采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信)，或碰撞机率大大降低(半双工)，因此通信确定性和实时性大大提高；工业以太网针对恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等)，解决了在极端条件下网络不能稳定工作的问题：从而稳定性与可靠性大大提高。该工业以太网解决了不同协议间不能通讯的困扰，可以直接和局域网的计算机互连而不需额外的硬件设备；它方便数据在局域网的共享，可以用IE浏览器访问终端数据，而不必需要专门的软件；可以和现有的基于局域网的EPR数据库管理系统实现无缝连接，并且特别适合远程控制；配合电话交换网和GSM、GPRS无线电话网便能实现远程数据采集；采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。快速以太网传输速率可以达到100Mb/s，可容纳1024个节点，距离可达2 5km。总之，10/100M以太交换机形式的工业以太网正因为有上述的诸多优点，所以在国内外得到了迅速的普及，也为我所选择1518。3.3 上位机系统上位机系统相对于下位机系统来说相当于主站，主要是对下位机各测控、保护单元进行监控；相对于远方的调度部门来说，又相当于子站，上传变电站的运行信息，同时执行该调度的控制和调节命令，完成相应的功能。3.3.1 网络适配器上位机系统中的网络适配器在变电站层里相当于前置通信单元，担负着数据传输和规约转换的任务。为了实现监视和控制功能，上位机需要与下位机交换数据。不同的下位机可能采集不同的数据、实现不同的功能、有不同的通信协议。为此，上位机如果要取得变电站运行的实时数据和下达遥控、遥调命令时，必须得经过前置通信单元的解释、整理和传送。当上位机想得到下面的实时信息时，网络适配器从下位机那里取得数据，进行解释、整理后，然后上发给上位机；上位机在下达遥控、遥调命令时，先将指令发到网络适配器，网络适配器再按照下位机的协议下发到指定单元，从而实现这些命令。网络适配器主要有以下三方面的功能：一是提供CAN 总线的接口；二是提供PC 机即当地监控机的接口；另外还要与调度中心的通信接口，即与MODEM 对接。本系统采用了NSC200系列网络适配器。它可以采用单机和双机冗余这两种配置方式1316。3.3.2 后台监控主机后台监控主机主要作用是完成当地监控的功能。除了要完成变电站正常运行时主设备的运行参数和状态数据实时采集和处理的任务外；还要对不正常运行状态和事故状态运行的数据进行分析和处理与数据收集（SCADA）；同时还要完成保护定值的修改与下发、调度命令的随时解释和下达执行等等。具体说来其功能可以分成以下几个方面: （1）收集并存储变电站下位机各检测保护单元采集的现场数据，录入并保存反映变电站和各一次设备运行状态的离线数据。（2）运行系统软件和应用软件，处理实时数据，下发控制、调节命令，对历史数据进行运算、统计、绘图、打印和输出等处理，为系统运行管理提供科学依据。（3）提供报警提示。报警分为计算机图形报警、文字报警和语音告警三种；报警类型分为事故告警、变位报警和越限报警三种。当各设备出现故障，包括断路器跳闸、保护装置动作等故障，以及各种不正常事件，如设备变位、状态异常、模拟量越限以及下位机各间隔单元状态异常的情况时，后台监控主机会发出相应的提示。（4）给操作人员提供各种形式的信息显示界面，其中包括以地图为背景的实时系统运行工况图。（5）事故记录和事故追忆。变电站运行的各种事件被分别登录到状态变化、遥测越限和SOE（事件顺序记录仪）登录表中。将事故前M分钟和事故后N分钟的重要运行数据自动存入历史数据库。本方案中上位机的后台主机为监控主机。作为调度、运行及保护等各个专业人员的人机交互窗口，该监控主机以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式对系统运行状况进行实时监控、对可控装置进行控制调节等，并协助调度中心完成“四遥”功能1 1619。3.4 下位机监测、控制和保护单元下位机监测、控制和保护单元由三个功能模块组成：采集保护模块、主CPU 模块和通信模块。为了提高系统的运行速度，减轻单个CPU 运行负荷，每个模块单元均采用双CPU 结构：一片CPU 完成模拟量采集和处理、开关量输入输出和人机接口等功能；另一片CPU 完成与CAN 总线接口的通信任务。应用双口RAM ，以便使两CPU 之间的数据顺利交换。下位机监测、控制和保护单元可分为以下几种装置：通用测控装置NSD200，线路测控装置NSD100，保护测控装置NSR600，保护测控装置NSR500、NSR200、NSR300，第三方保护RELAY、第三方其他智能设备IED等。测控装置类可分为：NSD100系列线路测控装置，NSD200系列通用测控装置，NSR500系列超高压线路测控装等。保护装置可有下列种类：NSR200系列线路保护装置，NSR300系列线路保护装置，NSR500系列成套微机保护装置。电力系统的保护单元装置中，现场数据在进入保护功能处理程序之前，要进行一系列的预处理。从电力系统中输入到继电保护装置的模拟信号主要有两类：来自PT 或CT 的交流电压、电流信号，来自分压器或分流器的直流电压电流信号。这些信号首先被转换成与微型计算机相匹配的电平，通过模拟滤波削去其中的高频成分，然后由采样保持环节将连续信号离散化。由于输入的信号往往不止一个，不可能要A/D 转换器与这些输入信号一一对应。所以，设置一台多路转换器，由它逐一控制输入信号的采集，并把它们按一定规律传给A/D 转换器，A/D 转换器接着把它们一一转换成数字量。这些数字量还应在存储器中按先后顺序排列，以方便处理程序的调用。通信模块主要负责测控保护单元与CAN总线的接口的：包括从CAN总线接收数据和向CAN 总线发送数据。为了保证系统的可靠性和运行独立性，通信模块由一片专门的CPUZ(80C196）负责，与测控保护模块分开，互不影响。任何一个模块出错不会影响另一模块的正常运行。下位机与CAN总线接口的通信，总线控制器可完成CAN 通信协议所要求的大部分功能，包括数据的组帧、解帧、帧校验等。在本系统中，选用PHILIPS公司生产的独立CAN总线控制器SJA1000；总线收发器是CAN控制器与物理总线间的接口，系统中选用PHILIPS公司生产的芯片PCA82C25O，它可以提供对总线的差动收发能力。各测控保护单元采用双CPU结构，一块用于保护，另一块用于通信。这两个CPU都选用为80C196KB。它拥有一套效率高、执行速度快的指令系统3 16。3.5 变电站综合自动化微机监控系统的分层、模块化设计分层和模块化设计技术具有很显著的优越性，因为它能大大提高所设计系统的可靠性，本系统同样要采用这两种设计的方法。分层设计就是分级管理，分层便能减轻所有级别功能系统的负担。模块化设计就是把同一级别和不同级别的整体划分为许多相对独立的子系统的设计。模块是个相对的概念，它可能既有父模块又有子模块，这就涉及到模块的划分了。另外，模块的组合自由，可以根据现实中的实际情况、系统要实现的功能等自由组合、任意搭配。下面，就简要设计一个模块。 SC